枫香人工林生态系统林冠截留对降水水量和养分输入的影响

摘要

在森林植被与生态环境相互作用和相互影响中,水文过程是最为重要的方面之一。然而,由于森林与水的关系问题十分复杂,它不仅受森林生态系统发展本身的影响,而且还受地形、地质、土壤类型、植被等的空间变异性以及气象通量诸如降雨、入渗和蒸发等的时空变化性等的影响,后者进一步增加了定量描述森林流域径流形成机制和水文响应模式的难度。因此,森林与水的关系问题仍是当今生态学与水文学研究的中心议题之一。近几十年来,这一研究领域也从传统的对比流域试验发展到从森林生态系统变化、森林对坡面到流域尺度影响径流形成机理、森林影响流域生物地球化学动态机理、建立基于过程的森林水文模拟、水流路径的示踪研究等方面的综合研究。
　　 本研究在长沙市天际岭林场枫香人工林共选取两个样地,每个样地面积都为20×30m2,每个样地选取10株不同径级的枫香作为标准树进行长期定位观测。从2007年5月到2008年3月,进行了为期11个月的水文数据收集、整理。本研究得到以下主要结论:
　　 (1)该系统11个月的总降水量为817.8mm,其中林内的净降水量占总降水量的81.99％,林冠年截留量占年降水量的18.01％。进入枫香人工林内的雨水绝大部分是穿透水,占净降水量的80.3％,以树干茎流形式进入林内的水量为13.8mm,占年降水量的1.69％。
　　 (2)不同季节,林外降水变化比较大,秋、冬两季降水量小,春、夏两季降水量大；穿透水率为春季最高,冬季最低,季节变化幅度不大:树干茎流率的季节变化幅度最小,春季最高,冬季最低,说明树干茎流的季节变化不明显。林冠截留率正好与穿透水率和树干茎流率相反,以冬季最高,春季最低,变化幅度将近两倍,季节变化幅度最为明显。
　　 (3)降水量在10mm以下时,枫香林穿透率为59.23％,干流率为1.03％；降水量位于10mm～20 mm时,穿透率为74.7％,干流率为1.39％；降水量在20mm以上时,穿透率最大,达到84.16％,干流率也达到最大值1.61％。对于不同降雨量级来说,穿透率和树干茎流率随着降水量的增加而增加。而林冠截留量则随着降水量的增加呈递减趋势。
　　 (4)一年中各土层土壤含水量呈现出规律性的变化:表层土壤含水量比较高,随土层深度的增加,含水量逐渐减少。以0～15cm土层含水量最大,15～30cm土层次之,>30cm土层最小。
　　 (5)降水到达森林后,在林冠、树干、林下植物及土壤层等各组分中发生重新分配,在此过程中,pH值发生变化。天际岭林场林外降水、穿透水和树干茎流的pH分别是6.40、6.31和6.27。各过程的pH值大小变化不大,总体都趋向于中性。在降水再分配过程中,PH值存在着明显的季节变化,林外降水、穿透水、树干茎流的PH值的平均值从低到高均按冬季、秋季、春季、夏季的顺序排列。春季、夏季和秋季的PH值的平均值变化不明显。降水再分配过程中pH值的高低与降雨量大小关系不大。
　　 (6)林外降水中以Ca元素含量最高,Cu元素含量最低。无机态N(NO3-N和NH4+-N),则以NH4+-N为主,比NO3--N高出近4倍。林外降水中各化学元素含量排列顺序为:Ca>NH4+-N>Zn>K>NO3--N>Mg>Fe>Cd>Mn>P>Cu。NH4+-N、NO3--N、P、Ca、K、Mg、Cu、Mn含量在穿透水和树干茎流中呈上升趋势,其中Mn元素含量增加幅度最大,增加幅度顺序为Mn>K>Mg>NH4+-N>P>Ca>NO3--N>Cu。Fe、Zn、Cd元素含量在穿透水和树干茎流中呈下降趋势,且下降幅度各不相同。在林外降水中含有的毒性大的无机污染物重金属元素Cd,在穿透水和树干茎流中却没有检测到,说明枫香的林冠层和树干对重金属元素Cd有吸附作用,对大气降水有一定的净化作用。其中Zn元素含量下降幅度超过8倍；Fe元素含量下降超过2倍。说明枫香对于Zn、Fe元素具有较强的吸收、吸附能力。
　　 (7)受降雨条件、环境条件、气象条件、人类活动的综合影响,同一地区,不同时间大气降水中各化学元素含量变化具有较大随机性,各月输入量变幅较大。总体表现为雨季较低,旱季较高。降水再分配过程中各元素含量随着降水量的增加而降低。降水再分配过程中各化学元素含量,表现为雨季低、旱季高,大多数元素含量随降水季节表现出明显的季节动态变化。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 前言

1.2 森林水文学过程研究

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 森林水文学研究的主要内容

1.2.3 森林水文学研究方法

1.2.4 森林水文生态效应若干问题讨论

1.2.5 我国森林水文研究的发展趋势

1.3 枫香的研究动态

1.4 研究的目的和意义

2 研究区概括、研究内容和研究方法

2.1 研究区概括

2.1.1 研究区位置与范围

2.1.2 气候特点

2.1.3 土壤状况

2.1.4 植被特征

2.2 研究内容

2.3 研究方法

2.3.1 水文过程中的水量测定

2.3.2 水质测定

2.3.3 土壤含水量的测定

3 结果与分析

3.1 降水输入与分配

3.2 平均降水输入及再分配

3.2.1 不同季节降水输入及再分配

3.2.2 不同降雨量降水输入及再分配

3.2.3 与樟树人工林不同降水量降水再分配水量平衡

3.2.4 与樟树人工林不同季节降水再分配水量平衡

3.2.5 土壤含水量

3.3 降水再分配过程中pH值变化

3.3.1 降水再分配过程中PH值月变化

3.3.2 降水再分配过程中PH值季节变化

3.3.3 不同降水量降水再分配过程中PH值变化

3.4 降水再分配过程中化学元素含量

3.4.1 降水再分配过程中各月化学元素含量

3.4.2 不同降水量降水再分配过程中化学元素含量

3.4.3 降水再分配过程中化学元素含量季节变化

3.5 对水质的净化

3.5.1 林冠层的作用

3.5.2 地被物和土壤层的作用

4 结果与讨论

4.1 结果

4.1.1 枫香人工林降水输入与分配

4.1.2 枫香人工林降水再分配过程中pH值变化

4.2 讨论

4.2.1 创新点

4.2.2 存在的问题及难点

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢