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森林与水的关系问题是生态学与水文学研究的中心议题之一。作为陆地生态系统的主体,森林生态系统涵养水源、防止水土流失和维持水质的功能为国内外学者所公认,但是对于森林分布是否增加或减少河川径流量至今仍然没有形成一个统一的结论和圆满的解释,给准确评价和预测森林砍伐、林地退化、自然恢复、防护林建设等大规模生态变化的水文效应带来了难题,影响了生态建设工程的效益评估和决策实施。
森林具有改造环境的功能,为了满足自身的水分需求,森林会通过各种途径调节水分环境,在调节过程中会引起径流的变化。这是森林植被的共性,也可能是植被引起不同水文效应的本质,从这个角度出发有可能统一地解释区域水文现象的差异。本文首先通过野外观测试验,从森林水分动态变化的规律及其对植被生存影响的角度出发,探讨了植被-水分之间相互作用关系。在此基础上,对多年来国内外学者的研究结果进行了归纳和总结,解析了林木冠层、枯落物层和根系对水分的调节作用,总结了森林调节水分的机制,从而丰富了森林水分自营作用假说。然后,本文用该假说诠释了长期以来不同地区大相径庭的森林水文现象。此外,本文提出了森林水分自营作用主要环节的定量化方法。最后,将森林水分自营作用主要环节定量化公式耦合到流域产流模型中对该模型进行了改进。
裸地(BL)、无凋落物覆盖林地(FB)和有凋落物覆盖的林地(FL)的水分动态变化及其对森林树木生长的影响的研究结果表明:1)FL样地的土壤含水量最高,其次是FB样地,而裸地的土壤含水量最低;2)地上径流展现了与土壤水分相反的趋势(FL＜FB＜BL),地下径流则表现出和土壤水分相同的规律(FL＞FB＞BL),三个样地的总径流量则没有表现出一个明确的大小关系。3)在观测早期,FL样地和FB样地植物形态学特征、SLA以及地上和地下生物量均没有显著差异(p＞0.05)。在观测期末,虽然两个样地的基径和SLA无显著差异,然而其他指标差异极显著(p＜0.005)。在观测末期,除SLA外,FL样地植物的高、基径、叶面积、地上生物量和地下生物量分别高于FB样地,表明该样地植物生长条件更好。分析表明森林改善了自身的水分环境,而水分环境的改善又反过来促进森林的生长,从而进一步改善水分环境,如此一来形成一个良性的循环。森林植被-水分条件的这种相互促进作用是森林系统生存策略的一种表现。
进一步的分析发现:森林从宏观和微观两个层次对能量和物质进行了调节,达到了增大水分收入,减少无效水分消耗的目的,为森林生长营造了良好的水分环境。森林植被对水分的调节作用贯穿了林冠、树干、凋落物和植物根系等空间层次。森林对水分的这种调节作用被称之为森林水分的自营作用,它是森林对环境的正向改造作用的结果,体现了森林生态系统的自适应性。在自营作用过程中,一方面植物会通过增加水分收入来减少径流的生成,另一方面又能通过降低水分消耗来增加径流的产出,径流量的变化是这两个方面共同作用的结果,在不同地区综合作用结果不同,由此导致了不同区域森林对径流影响的差异。
森林水分的自营作用表现在森林对水分收入的调节作用和对水分支出的调节作用两个方面。本文对影响这两个方面的主要环节(冠层截留、枯落物截留、土壤蓄水作用、冠层反射作用和冠层阻抗作用等)进行了定量标定。在此基础上提出了森林水分自营作用的定量化公式。两个参数△S和△D被用来分别描述森林自营作用对水分供给和水分需求的影响效果,它们的计算公式分别为△S=S1-S0和△D=-(D1-D0),式中S1和D1分别为有林地在某个时刻的供水能力和水分需求量(mm/d),S0和D0分别为该时刻相应的无林地供水能力和水分需求量(mm/d)。
此外,本文改进了嘉陵江丘陵区小流域产流模型。改进后的模型耦合了森林对水分调节作用主要环节的定量化公式,修正了林冠截留的计算方法,改进了P-M公式,增加了植被对水分调节作用模块。应用结果表明,改进后的模型不但能真实模拟森林流域的降雨-径流过程而且能定量描述植被对水分的调节作用,具有一定的实用价值。
本研究工作对揭示森林水文现象本质、推进森林水文理论发展、科学评价森林水文现象具有一定的意义。