三峡库区森林植被水源涵养功能研究

摘要

三峡库区因地形复杂、物种丰富、群落多样，一直是我国乃至世界关注的热点地区。随着三峡工程的建设，库区生态问题不仅关系到周边及下游地区人民生命财产安全，而且对国家经济发展存在至关重要的影响。同时，三峡库区是我国重要水源区，开展三峡库区森林生态系统结构与功能评价研究，特别是水源涵养功能研究，为三峡库区森林生态系统预警提供科学依据，对指导库区土地利用和植被建设具有重要的意义。 本研究通过收集库区森林资源二类清查资料及气候数据，建立森林植被地理信息系统，分析了库区气候因子空间变化规律和各植被类型结构、分布。在样地调查和实地监测的基础上，建立了叶面积指数模型，并对三峡库区森林植被林冠截留、枯落物持水、土壤储水等水源涵养功能进行了评价。结果表明： (1)三峡库区森林植被总面积为272.39万hm<'2>，主要包括马尾松林、杉木林、柏木林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、温性松林、针阔混交林、针叶混交林、经济林、竹林、灌木林等十一种类型，森林覆盖率达到46.96％。森林分布呈现“东高西低”的空间特征。 (2)采用空间插值法和模型模拟等方法生成以小班为同质空间的气候因子空间数据。三峡库区降水总体呈现夏季多雨和降水量存在东西差异时空特征，夏、秋季降水量约占全年68％左右，日降水量≧10mm的天数主要集中在夏季。建立了各小班各月份日降水量为0.1mm～10mm、10mm～25mm、25mm～50mm、≧50mm的等级的降水天数预测模型，同时建立了降水量与不同降水等级天数的相关关系模型，模型形式为P=1.7899d<,1>+19.0732d<,2>+33.4977d<,3>+77.6944d<,4>，模型的各参数分别为日降水量在上述各等级下的日降水量平均值。 (3)实地调查库区104个固定样地和114个临时样地物种组成、群落结构。表明库区森林植被物种组成丰富，但高位芽植物比例偏低，不同的植被类型其多样性指数相差较大，人为活动强的低海拔地区，其多样性指数明显较低，群落中种群的空间分布多为集群分布，少量人工种群为均匀分布。 (4)采用标准木、标准枝法测定了各植被类型优势树种单株叶面积，建立了以胸径、树高、林分郁闭度等自变量的单株叶面积预测模型，对三峡库区各小班乔木层和灌木层叶面积指数进行计算统计，结果表明不同植被类型叶面积指数存在较大差异，各植被类型叶面积指数由高到低依次为竹林(34.15)、常绿阔叶林(9.02)、经济林(6.10)、落叶阔叶林(4.48)、杉木林(4.09)、针阔混交林(4.05)、温性松林(3.78)、针叶混交林(3.47)、灌木林(3.25)、柏木林(3.20)和马尾松林(2.20)。从三峡库区森林植被叶面积指数等级图可以看出，各森林类型叶面积指数主要集中在2～10，叶面积指数较高的森林植被主要集中在湖北省西部及重庆市东部县(市)，呈现“东高西低”的空间分布格局。 (5)植物叶片浸泡及失水实验表明，三峡库区植物叶片饱和持水量从高到低依次为落叶阔叶林(915.34g·m<'-2>)、常绿阔叶林(691.41g·m<'-2>)、竹林(666.19g·m<'-2>)、针阔混交林(638.93g·m<'-2>)、灌木林(629.10g·m<'-2>)、柏木林(624.78g·m<'-2>)、杉木林(615.75g·m<'-2>)、针叶混交林(534.35g·m<'-2>)、经济林(467.78g·m<'-2>)、温性松林(366.08g·m<'-2>)、马尾松林(362.52g·m<'-2>)。植物叶片吸水量与浸泡时间的对数呈极显著的正相关，建立叶片吸水量与浸泡时间、吸水速度与浸泡时间的相关关系模型。持水饱和的植物叶片失水量与时间呈幂函数关系，叶片失水水速度与时间与时间呈倒数关系，建立了失水量与时间、失水速度与时间的相关关系模型。 在分析林冠截留影响因子及叶片吸水过程的基础上，利用2004～2006年野外水文监测数据，建立了三峡库区主要森林植被类型林冠截留模型。模型经过检验均具有较高模拟精度。 (6)通过对三峡库区不同植被类型临时样地枯落物存量的调查和分析，发现不同植被类型的枯落物储量存在一定差异，杉木林最高，达到11.610t·hm<'-2>，其后为常绿阔叶林和温性松林，枯落物现存量分别达到10.139 t·hm<'-2>和10.178 t·hm<'-2>，柏木林最低，仅为3.948t·hm<'-2>。各植被类型枯落物的含水率最高为竹林，达到182.9％，温性松林也达到118.6％，仅次于竹林，柏木林林地枯落物含水率最低，仅为32.2％。 林地枯落物浸泡实验表明，枯落物持水量是随浸泡时间的延长而增大，在前2h内吸水速度最大，之后急剧下降，各类型间趋势基本一致，但不同植被类型问持水量相差较大。竹林枯落物的饱和持水量最高，达到自身重量的3.36倍，其后依次为温性松林、常绿阔叶林，分别为自身重量的2.92倍和2.89倍，灌木林最低，为2.09倍。各森林植被类型林地枯落物的枯落物持水量与浸泡时间之间呈对数关系，吸水速率与浸泡时间之间为倒数关系，并建立了枯落物吸持水量与浸泡时间、吸水速率与浸泡时间相关关系模型。 (7)测定临时样地不同土层的土壤物理性质分析和渗透指标，表明库区各种植被类型下土壤A层的孔隙度均高于B层，导致渗透速度也表现相同趋势。在各种植被类型中，常绿阔叶林各层土壤的孔隙度和渗透速度最高；杉木林、针叶混交林和柏木林的土壤渗透速度为较高水平；经济林林地土壤粘粒含量较高，孔隙度和稳渗速度都较低；马尾松林林地土壤孔隙度和渗透速度均为最低。比较不同种类和质地土壤的孔隙状况和渗透速度表明，紫色土因非毛管孔隙度最高，其渗透速度最高；山地黄壤孔隙度最低，土壤渗透速度最低。砂土具有最高的非毛管孔隙，稳渗速度为最高，其后依次为轻壤、中壤，重壤和粘土。 (8)运用建立的各种模型，对不同森林类型林冠层、枯落物层和土壤层在典型场降水下水源涵养功能进行了分析。结果表明，在小降水量下(1.79mm)，各种植被类型水源涵养功能主要为林冠层的截留作用(包括林下植被)，杉木林、柏木林等植被类型乔木层林冠截留达到100％，马尾松林和温性松林通过灌草层对乔木层穿透雨的截留，使整个植被层截留率达到100％；随降雨量增加，林冠截留功能所占整个水源涵养功能的比例下降，而枯落物层和土壤层的功能在逐渐发挥。在降雨量达到19.07 mm时，林冠层截留约占11.84％～39.07％之间，其中常绿阔叶林最高，灌木林最低。林地枯落物持水约占6.02％～18.45％之间(除经济林外)，而土壤层可以吸持所有枯透水；在降雨量达到33.50 mm时，林冠层截留约占8.39％～29.97％之间，林地枯落物持水占降水比例下降，约占2.51％～8.33％之间(除经济林外)，土壤层功能为吸持降水量的45.51％～78.13％，地表径流占0～32.36％；在降雨量达到77.69mm时，林冠层截留约占5.79％～23.13％之间，林地枯落物持水占降水比例下降，约占1.08％～3.60％之间(除经济林外)，土壤层功能为吸持降水量的22.78％～49.84％，地表径流占23.54％～68.67％。 (9)三峡库区森林植被层平均截留降水为394.869mm·a<'-1>，水源涵养总量为1075582万m<'3>·a<'-1>，枯落物平均吸持降水为85.729mm，水源涵养量为233516.9万m<'3>·a<'-1>，土壤层年降水入渗平均为620.918 mm，水源涵养效益为1691319.100万m<'3>·a<'-1>。总计年涵养水源量为3000418.435万m<'3>。其中植被层林冠截留占水源涵养总量的35.85％，枯落物层涵养水源量占7.78％，林地土壤层涵养水源量占56.37％。 在所有植被类型中，以灌木林涵养水源量最大，达到823684.90万m<'3>·a<'-1>，占总量的27.45％，其后依次为马尾松林(817114.20万m<'3>·a<'-1>)、落叶阔叶林(364574.71万m<'3>·a<'-1>)、针阔混交林(248603.83万m<'-3>·a<'-1>)、针叶混交林(242524.41m<'3>·a<'-1>)、柏木林(121401.23万m<'3>·a<'-1>)、经济林(119174.32万m<'3>·a<'-1>)、常绿阔叶林(90184.62万m<'3>·a<'-1>)、杉木林(72750.08万m<'3>·a<'-1>)、温性松林(66582.96万m<'3>·a<'-1>)，最小为竹林(33823.16万m<'3>·a<'-1>)，仅占总量的1.12％。 三峡库区森林植被林冠截留量在288.82mm～586.00之间，截留率为19.86％～38.63％之间，除经济林外，其他森林植被枯落物持水量在30.58mm～117.58mm之间，占降水量2.43％～9.30％，林地土壤入渗在549.36mm～710.78mm之间，占降水比例为40.42％～ 54.23％。所有森林植被水源涵养量最大为温性松林，达到1364.41mm，最低为柏木林，仅为992.65mm，水源涵养效率最高为杉木林，涵养降水量的87.15％，最低为灌木林，仅涵养降水的69.59％。通过对三峡库区森林生态系统水源涵养功能评价及格局研究，可以为三峡库区生态建设规划布局、工程模式选择等提供科学依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1引言

1.1.1研究背景

1.1.2研究目的和意义

1.1.3项目来源与经费支持

1.2国内外研究现状及评述

1.2.1国内外研究现状

1.2.2研究评述

1.3研究目标和主要研究内容

1.3.1研究目标

1.3.2研究主要内容

1.4技术路线

第二章研究区域概况与研究方法

2.1研究区域概况

2.2研究方法

2.2.1资料收集

2.2.2研究方法

第三章结果与分析

3.1三峡库区森林植被类型

3.1.1.三峡库区植被型

3.1.2三峡库区森林植被主要群系组面积及分布

3.1.3.小结

3.2三峡库区气候特性分析

3.2.1.三峡库区降水空间特征

3.2.2三峡库区大气湿度与气温时空特征分析

3.2.3小结

3.3三峡库区主要森林群落结构

3.3.1.不同植被类型垂直结构

3.3.2.不同植被类型的生活型谱

3.3.3.不同植被类型的物种多样性

3.3.4.库区主要物种空间分布格局

3.3.5小结

3.4三峡库区主要森林植被叶面积指数

3.4.1单株乔木叶面积模型建立

3.4.2林分叶面积及叶面积指数(LAI)

3.4.3小结

3.5三峡库区主要森林植被林冠截留功能

3.5.1林冠截留机理分析

3.5.2林冠截留模型

3.5.3树干茎流模型

3.5.4小结

3.6三峡库区主要森林植被林地枯落物层水源涵养功能

3.6.1.三峡库区不同森林植被类型枯落物现存量

3.6.2三峡库区不同森林植被类型枯落物持水量与吸水速率

3.6.3小结

3.7三峡库区森林植被土壤层水源涵养功能研究

3.7.1森林植被类型对土壤入渗性能的影响

3.7.2.森林土壤种类对土壤入渗性能的影响

3.7.3森林土壤质地对土壤入渗性能的影响

3.7.4土壤物理性质及渗透特性对植被、土壤种类及质地的综合反应

3.7.5三峡库区森林土壤渗透速度的空间分析

3.7.6小结

3.8降水在不同森林植被各层次间运动规律研究

3.8.1降水从林冠层向枯落物层运动规律

3.8.2.穿透雨从枯落物层向土壤层运动规律

3.8.3.土壤入渗与地表径流

3.8.4.不同降水等级植被的水源涵养功能

3.8.5.小结

3.9三峡库区森林植被水源涵养功能评价

3.9.1三峡库区森林植被林冠层水源涵养功能评价

3.9.2三峡库区不同森林植被类型枯落物持水能力

3.9.3三峡库区森林土壤水源涵养功能评价

3.9.4综合评价

3.9.5小结

第四章结论与讨论

4.1结论

4.2讨论

4.3展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢