AZ-F0100森林生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水文要素的時(shí)空規(guī)律研究

1 引言

森林水文調(diào)節(jié)功能是森林所實(shí)現(xiàn)的重要服務(wù)功能之一，可是由于森林資源被無(wú)節(jié)制的開(kāi)采利用，導(dǎo)致人們不斷遭受森林破環(huán)所帶來(lái)的各種災(zāi)害。因此關(guān)于森林生態(tài)水文功能研究已成為生態(tài)學(xué)和水文學(xué)的研究重點(diǎn)之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外從森林的水文過(guò)程出發(fā)，對(duì)林冠截留、樹(shù)干徑流、凋落物層截留、林地水分涵養(yǎng)和蒸發(fā)蒸騰及其影響因子等森林水文調(diào)節(jié)過(guò)程及生態(tài)學(xué)機(jī)制進(jìn)行了廣泛深入的研究。眾多結(jié)果表明林地冠層均能夠截留降雨，降低雨水動(dòng)能，從而減少地表徑流的產(chǎn)生和對(duì)地表的沖擊；凋落物層能蓄留水分、抑制蒸散、減緩地表徑流；而樹(shù)干徑流改變降雨水平空間格局，影響水分入滲以及土壤水源涵養(yǎng)。森林結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大氣降雨到達(dá)森林作用面后，會(huì)進(jìn)行重新再分配，明顯改變了降雨分配過(guò)程。而森林水文過(guò)程及調(diào)節(jié)功能又受到森林結(jié)構(gòu)的制約，因此定量定性探討森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程與水文調(diào)節(jié)功能之間關(guān)系，是未來(lái)森林生態(tài)水文功能研究的重點(diǎn)。（曹云、歐陽(yáng)志云等，2006）

2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

AZ-F0100森林水文過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)按照空間尺度，層次清晰地定量測(cè)量林冠降雨截留量、林冠降雨截留率、凋落物蓄水能力、土壤的滲透和蓄水能力，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)不同層次水量空間分配格局及水量平衡進(jìn)行分析，從而為揭示森林生態(tài)系統(tǒng)水文要素的時(shí)空規(guī)律，為研究森林植被變化對(duì)水分的分配和徑流的調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 觀測(cè)內(nèi)容

大氣降雨量、穿透降雨量、樹(shù)干徑流量、枯枝落葉層持水量、地表徑流量、土壤含水量、壤中流量。

同時(shí)，AZ-F0100森林水文過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)可對(duì)比分析林外降雨和穿透降雨的降雨強(qiáng)度、降雨等級(jí)、降雨速度、降雨粒徑大小。

2.3 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.3.1 降雨量觀測(cè)

在林中空地和林外約50～100m處空曠地分別設(shè)置激光雨滴譜儀1臺(tái)，自動(dòng)觀測(cè)林內(nèi)外降雨總量、降雨強(qiáng)度、降雨等級(jí)、降雨速度、降雨粒徑大小及其分布譜圖。

2.3.2 穿透水量觀測(cè)

網(wǎng)格機(jī)械布點(diǎn)法。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，根據(jù)樣地形狀及面積，按一定距離畫出方格線，在方格網(wǎng)的交點(diǎn)均勻布設(shè)自記雨量收集器。布設(shè)雨量?jī)x器的個(gè)數(shù)按照如下公式計(jì)算。

式中：n—觀測(cè)計(jì)（器）數(shù)；N—抽采樣本所代表的區(qū)域大小，N=A/a（A為調(diào)查區(qū)面積m²；a為觀測(cè)計(jì)（器）受雨口面積m²）； —精度；c—變異系數(shù)（樣本標(biāo)準(zhǔn)差/樣本平均差）。

同時(shí)在林冠下布設(shè)激光雨滴譜儀，觀測(cè)穿透水的降雨強(qiáng)度、降雨等級(jí)、降雨速度、降雨粒徑大小及其分布譜圖。從而對(duì)比分析經(jīng)過(guò)林冠截留后，降雨能量、降雨粒徑大小、降雨速度等參數(shù)的變化情況。

2.3.3 樹(shù)干徑流量觀測(cè)

采用徑階標(biāo)準(zhǔn)木法，調(diào)查觀測(cè)樣地內(nèi)所有樹(shù)木的胸徑，按胸徑對(duì)樹(shù)木進(jìn)行分級(jí)（一般2～4cm為一個(gè)徑級(jí)），從各級(jí)樹(shù)木中選取2～3株標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行樹(shù)干徑流觀測(cè)。然后每木安裝樹(shù)干徑流測(cè)量單元，進(jìn)行人工或自動(dòng)觀測(cè)。

2.3.4 枯枝落葉層含水量觀測(cè)

在樣地內(nèi)劃定合適的小樣方，采集枯枝落葉層樣品，烘干測(cè)定其含水量和持水量。

2.3.5 地表徑流量觀測(cè)

在觀測(cè)場(chǎng)地中建立標(biāo)準(zhǔn)徑流場(chǎng)，位置應(yīng)盡量設(shè)置在坡面平整的坡地上。實(shí)驗(yàn)區(qū)在平整的坡面可以2個(gè)或更多的徑流場(chǎng)并排在一起，合用圍埂、保護(hù)帶、集水槽和觀測(cè)室。徑流場(chǎng)下部設(shè)置集水槽，在徑流場(chǎng)集水槽出水口，安裝地表徑流測(cè)量系統(tǒng)的平緩導(dǎo)流槽進(jìn)行引流，承接全部徑流小區(qū)出水。應(yīng)用自記翻斗流量記和水蝕采樣器觀測(cè)坡面地表徑流量。

2.3.6 土壤含水量觀測(cè)

土壤含水量觀測(cè)樣地設(shè)置應(yīng)根據(jù)典型森林植被所在地形和土壤物理性質(zhì)空間差異來(lái)確定。對(duì)于典型森林植被來(lái)說(shuō)，應(yīng)在林地坡上、坡中和坡腳分別設(shè)置一個(gè)大小為10m×10m的觀測(cè)樣地，在每個(gè)觀測(cè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)位置宜沿觀測(cè)樣地對(duì)角線均勻分布。

觀測(cè)深度根據(jù)土壤層最大土層深度確定，一般為1.0m左右。埋設(shè)1m長(zhǎng)TDR土壤水分觀測(cè)管，把時(shí)域反射儀的探頭放入觀測(cè)管內(nèi)，分別測(cè)量0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm土壤含水量。

2.3.7 壤中流量觀測(cè)

有坡面水量平衡場(chǎng)壤中流觀測(cè)設(shè)備的，從地表徑流集水槽下端混凝土澆筑的擋墻留有的水孔，用導(dǎo)管將地下徑流引入量水器，進(jìn)行觀測(cè)。

2.4 觀測(cè)系統(tǒng)組成

AZ-F0100森林生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)由激光雨滴儀、自記雨量計(jì)、樹(shù)木莖干截留測(cè)量單元、土壤水分測(cè)量單元、地表徑流觀測(cè)單元共同組成。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 降雨總量

較大流域平均雨量計(jì)算采用泰森多邊形法，小流域采用加權(quán)平均法（控制圈法）。

3.2樹(shù)干徑流量

式中：C—樹(shù)干徑流量，mm；M—單位面積上的樹(shù)木株數(shù)，株/ m²；C_n—每一徑級(jí)的樹(shù)干徑流量，mm；K_n —每一徑階的樹(shù)冠平均投影面積，m²；N—各徑階數(shù)，階；M_n —每一徑階樹(shù)木的株數(shù)，株。

3.3林冠降雨截留量

林冠降雨截留量（mm）=降雨總量（mm）—林內(nèi)穿透降雨量（mm）—樹(shù)干徑流量（mm）

林冠降雨截留率（％）=林冠降雨截留量（mm）/ 降雨總量（mm）

3.4枯枝落葉層含水量

3.4.1枯枝落葉層含水量

式中：W_L —枯枝落葉層質(zhì)量含水量g·g^-1；m_a—樣品總質(zhì)量g；m—烘干后樣品質(zhì)量g。

3.4.2枯枝落葉層持水量

式中：W₀ —枯枝落葉層持水量，mm；m₁—樣品總質(zhì)量，g；m₂—風(fēng)干后樣品質(zhì)量，g；ρ—水的密度，g·cm^-3；A_L —樣方面積，cm²。