AZ-F0100森林生态系统水文过程观测系统对森林生态系统...

AZ-F0100森林生态系统水文过程观测系统对森林生态系统水文要素的时空规律研究

1 引言

森林水文调节功能是森林所实现的重要服务功能之一，可是由于森林资源被无节制的开采利用，导致人们不断遭受森林破环所带来的各种灾害。因此关于森林生态水文功能研究已成为生态学和水文学的研究重点之一。近年来，国内外从森林的水文过程出发，对林冠截留、树干径流、凋落物层截留、林地水分涵养和蒸发蒸腾及其影响因子等森林水文调节过程及生态学机制进行了广泛深入的研究。众多结果表明林地冠层均能够截留降雨，降低雨水动能，从而减少地表径流的产生和对地表的冲击；凋落物层能蓄留水分、抑制蒸散、减缓地表径流；而树干径流改变降雨水平空间格局，影响水分入渗以及土壤水源涵养。森林结构复杂，大气降雨到达森林作用面后，会进行重新再分配，明显改变了降雨分配过程。而森林水文过程及调节功能又受到森林结构的制约，因此定量定性探讨森林生态系统的结构、过程与水文调节功能之间关系，是未来森林生态水文功能研究的重点。（曹云、欧阳志云等，2006）

2 观测系统设计

2.1 目标

AZ-F0100森林水文过程观测系统按照空间尺度，层次清晰地定量测量林冠降雨截留量、林冠降雨截留率、凋落物蓄水能力、土壤的渗透和蓄水能力，对森林生态系统不同层次水量空间分配格局及水量平衡进行分析，从而为揭示森林生态系统水文要素的时空规律，为研究森林植被变化对水分的分配和径流的调节提供基础数据。

2.2 观测内容

大气降雨量、穿透降雨量、树干径流量、枯枝落叶层持水量、地表径流量、土壤含水量、壤中流量。

同时，AZ-F0100森林水文过程观测系统可对比分析林外降雨和穿透降雨的降雨强度、降雨等级、降雨速度、降雨粒径大小。

2.3 观测点布设

2.3.1 降雨量观测

在林中空地和林外约50～100m处空旷地分别设置激光雨滴谱仪1台，自动观测林内外降雨总量、降雨强度、降雨等级、降雨速度、降雨粒径大小及其分布谱图。

2.3.2 穿透水量观测

网格机械布点法。在标准地内，根据样地形状及面积，按一定距离画出方格线，在方格网的交点均匀布设自记雨量收集器。布设雨量仪器的个数按照如下公式计算。

式中：n—观测计（器）数；N—抽采样本所代表的区域大小，N=A/a（A为调查区面积m²；a为观测计（器）受雨口面积m²）； —精度；c—变异系数（样本标准差/样本平均差）。

同时在林冠下布设激光雨滴谱仪，观测穿透水的降雨强度、降雨等级、降雨速度、降雨粒径大小及其分布谱图。从而对比分析经过林冠截留后，降雨能量、降雨粒径大小、降雨速度等参数的变化情况。

2.3.3 树干径流量观测

采用径阶标准木法，调查观测样地内所有树木的胸径，按胸径对树木进行分级（一般2～4cm为一个径级），从各级树木中选取2～3株标准木进行树干径流观测。然后每木安装树干径流测量单元，进行人工或自动观测。

2.3.4 枯枝落叶层含水量观测

在样地内划定合适的小样方，采集枯枝落叶层样品，烘干测定其含水量和持水量。

2.3.5 地表径流量观测

在观测场地中建立标准径流场，位置应尽量设置在坡面平整的坡地上。实验区在平整的坡面可以2个或更多的径流场并排在一起，合用围埂、保护带、集水槽和观测室。径流场下部设置集水槽，在径流场集水槽出水口，安装地表径流测量系统的平缓导流槽进行引流，承接全部径流小区出水。应用自记翻斗流量记和水蚀采样器观测坡面地表径流量。

2.3.6 土壤含水量观测

土壤含水量观测样地设置应根据典型森林植被所在地形和土壤物理性质空间差异来确定。对于典型森林植被来说，应在林地坡上、坡中和坡脚分别设置一个大小为10m×10m的观测样地，在每个观测样地内设置3个观测点，观测点位置宜沿观测样地对角线均匀分布。

观测深度根据土壤层最大土层深度确定，一般为1.0m左右。埋设1m长TDR土壤水分观测管，把时域反射仪的探头放入观测管内，分别测量0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm土壤含水量。

2.3.7 壤中流量观测

有坡面水量平衡场壤中流观测设备的，从地表径流集水槽下端混凝土浇筑的挡墙留有的水孔，用导管将地下径流引入量水器，进行观测。

2.4 观测系统组成

AZ-F0100森林生态系统水文过程观测系统由激光雨滴仪、自记雨量计、树木茎干截留测量单元、土壤水分测量单元、地表径流观测单元共同组成。

3 数据处理

3.1 降雨总量

较大流域平均雨量计算采用泰森多边形法，小流域采用加权平均法（控制圈法）。

3.2树干径流量

式中：C—树干径流量，mm；M—单位面积上的树木株数，株/ m²；C_n—每一径级的树干径流量，mm；K_n —每一径阶的树冠平均投影面积，m²；N—各径阶数，阶；M_n —每一径阶树木的株数，株。

3.3林冠降雨截留量

林冠降雨截留量（mm）=降雨总量（mm）—林内穿透降雨量（mm）—树干径流量（mm）

林冠降雨截留率（％）=林冠降雨截留量（mm）/ 降雨总量（mm）

3.4枯枝落叶层含水量

3.4.1枯枝落叶层含水量

式中：W_L —枯枝落叶层质量含水量g·g^-1；m_a—样品总质量g；m—烘干后样品质量g。

3.4.2枯枝落叶层持水量

式中：W₀ —枯枝落叶层持水量，mm；m₁—样品总质量，g；m₂—风干后样品质量，g；ρ—水的密度，g·cm^-3；A_L —样方面积，cm²。