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1、XX国家级自然保护区森林水文监测初步方案一、目的意义由于气候变化的影响，以及社会经济的快速发展和人口的迅速增加，资源短缺和环境恶化已成为人类面临的重大问题，直接威胁到社会的可持续发展，日益受到全社会的广泛关注。其中，水资源枯竭和水质恶化问题是人类目前面临的最为严重的环境问题之一。特别是随着我国城市化进程的加快和城市工业的迅速发展，城市资源短缺和水源污染问题尤为突出。森林是陆地生态系统的主体，森林与水之间存在一种复杂的相互关系。水作为生命之源，是森林生态系统中最活跃的因子，决定着森林的存在、恢复、稳定与发展。同时，森林对降水的利用、存储、转化、消耗以及径流水资源的形成具有重要影响。森林生态系统水
2、文调节功能是森林和水相互作用后产生的综合功能的体现，即在调节气候、涵养水源、净化水质、保持水土等方面所发挥的巨大功能，其中涵养水源、净化水质和保持水土是森林生态系统服务功能的重要方面。森林水文生态特征揭示森林对降雨分配、水分循环及水土保持等生态功能，是森林生态系统的重要功能特征，具有重要的水文生态意义，森林生态系统水文生态特征及功能的研究已成为森林生态学和水文学中研究的热点与难点。近年来，国内外专家学者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。众多研究成果表明，水源涵养林对降水的再分配作用十分
3、明显，能使林内的降水量、降水强度和降水时间发生改变，从而影响了流域的水文过程使其在水土保持、调节洪峰、净化水质、水源涵养等方面发挥重要作用。本项目以XX国家自然保护区为典型研究区，选取我国亚热带地区分布较典型的天然原生林和人工林两种森林类型为研究对象，以森林学、气象学、生态学和水文学等基本理论为出发点，借助现场勘察、林区试验、仪器监测、模型计算和数据分析等方式和途径，从森林植被冠层、林下灌木层、凋落物层等多角度研究林内降雨分配规律和森林的水土流失变化规律，并通过林内降雨与林外降雨各分量的对比研究，以及对森林生态系统各层次的水质变化进行有效监测，为不同森林类型涵养水源、水土保持和水质净化等功能评
4、价提供科学依据，同时也为天然林和人工林的可持续经营和改造提供理论基础。二、研究区概况九万山国家级自然保护区位于广西北部，地处罗城、环江、融水等县的交界处，地理坐标介于1083532-10848E49与250125-251954N之间，属于苗岭山脉的南缘地区。保护区东以融水县杏水的芭榥山、罗城的双河口一线为界，西至环江县东兴的上九王、茶标岭、飞蛾岭一带，南起罗城县平英山的牛塘、马尾湖，北止融水县同练的达佑东山一带，南北长35.5km，东西宽18.4km，总面积252.1km2。如图1所示。图1 九万山国家级自然保护区区域位置图九万山自然保护区地形地貌的主要特征是崇山峻岭,谷狭坡陡,地形变化大，海
5、拔高差悬殊。以东兴镇的龙锥顶至下如龙村为界，北边的山势高耸，峡谷深陷，地形颇为崎岖，溪河密集，两侧山坡比较陡峭。保护区的基本地貌层次之间，还发育着诸如岩槛、断层崖、石柱、跌水、深潭和瀑布等微型地貌，这些都反映着九万山地貌形态的多层次性和复杂性。保护区处于中亚热带季风气候区，而易受南面北部湾海洋局部暖湿气流的影响，年平均日照时数1000h至1200h，日照百分率22.8%-27.4%，年平均气温12.0-17.1。保护区内溪河纵横交错，地表水充足，地下水蕴藏丰富，河流总长超过400km，是珠江上游西江水系重要支流柳江的源头。保护区的地带性土壤为红壤，由于区域内山地的海拔较高，不同海拔的气温、热量
6、和水分条件的差异及分布的植被类型不同，增加了其成土过程的复杂性。中亚热带常绿阔叶林是保护区面积大、分布广的优势植被类型，海拔1300m-1500m的植被多为中山常绿落叶阔叶混交林和中山针阔叶混交林，大于1500m的山顶和山脊地段多为矮林。九万山自然保护区地貌、气候、土壤等生态因子的复杂性，决定着其植被类型的多样性。九万山自然保护区地跨环江、融水、罗城等三县，涉及东兴、三防、汪洞、同练、宝坛、纳翁等6个乡镇，有18个行政村175个村屯与之直接相连，居住着汉、壮、苗、侗和瑶等5个民族，超过1.6万人。农林业生产和劳务输出是当地支柱经济，林业收入、种植业收入、牧业收入、劳务输出收入是周边自然村居民的
7、主要收入，当前人均收入仍处于底层水平，生活条件较为贫困。三、研究目标（1）通过对天然原生林和人工林内降雨分量的测定，研究林内降雨分量与林外降雨量的关系，揭示广西亚热带典型森林类型对降雨的分配规律。（2）通过对天然原生林和人工林地表径流和径流泥沙的测定，研究其地表径流和径流泥沙与林外降雨量的关系，揭示广西亚热带典型森林类型水土保持特征。 （3）通过对天然原生林和人工林穿透雨、树干茎流、地表径流与大气降雨的水质测定，研究森林生态系统各层次的水质变化，揭示广西亚热带典型森林类型对水质的影响。四、主要研究内容本项目以XX国家自然保护区为典型研究区，选取我国亚热带地区分布较典型的天然原生林和人工林两种森
8、林类型为研究对象，以森林学、气象学、生态学和水文学等基本理论为出发点，借助现场勘察、林区试验、仪器监测、模型计算和数据分析等方式和途径，从林冠截留、穿透雨、树干茎流、灌木草本层截留、凋落物层持水、地表径流和径流泥沙以及水质等多个层次开展九万山国家级自然保护区典型森林类型水文生态效应研究，提出典型森林类型林内降雨分配规律、水土保持特征及其对水质的影响等。（1）九万山天然原生林和人工杉木林林内降雨分配规律研究，包括大气降雨特征分析、森林植被冠层水文生态特征及功能研究、森林灌木层水文生态特征及功能研究、森林凋落物层水文生态特征及功能研究等。 （2）十万山天然原生林和人工杉木林水土保持特征研究，包括坡
9、面地表径流变化特征及规律研究、地表径流泥沙变化特征及规律研究等。（3）十万山天然原生林和人工杉木林生态系统不同层次的水质效应。五、技术路线图2 森林-水文过程交互作用示意图图3 技术路线图六、监测内容与方法（一）样地选择与群落调查根据研究对象的种类以及试验的重复性要求，分别选取2块面积为 100 m2（20m5m）的天然原生常绿阔叶林和人工杉木竹林标准样地作为径流小区；分别选取1块各自种植天然原生林和人工杉木林的闭合集水区，要求两集水区坡度、坡向相近，位置相邻，面积相差不超过1倍，便于建立地表下和地下水监测系统。分别对径流小区和集小区内，利用抽样检测的方法测定样地内树木的胸径和树高，对树木种类
10、和数量进行调查。通过地形测量，计算各样地的平均坡度、坡向、海拔等参数。（二）林区水文生态特征监测1、林内降雨分配监测（1）降雨监测。通过便携式小型自动气象站(固定，购置，2台)，对林区气象条件，包括测量风速、风向、空气温湿度、太阳总辐射、雨量及气压等等多种参数进行有效监测。（2）穿透雨监测。在样地内规律性安置5个由白铁皮制成的集水槽(收集面积为1.5m0.5m)，样地内得到的值的平均为穿透雨量(T)。同时在林外空旷地上安置1个集水槽作为对照(林外降雨P)，为了避免灌木及草本植物对穿透雨的影响，使集水槽距离地面的高度不低于1.0m，并与地面保持约0.5的倾角，集水槽较低的一端底部开口，连接到一个
11、地面上的集水器中，人工观测林内穿透雨量。灌木层下面同样规律性布设5个直径为0.21m（面积0.035m2）的塑料圆形漏斗，漏斗下接塑料水桶，人工观测杂灌下穿透雨量。为了避免凋落物对测量结果的影响，降雨前把集水槽和漏斗内的凋落物等物质清理干净。(3) 树干茎流观测：根据样地内的树木种类、径级、树冠形状等，用径级标准木法选择标准木观测树干茎流。具体方法为在选定的标准木上，通过树冠下树木茎秆截流量仪(固定，购置，2台)进行连续自动监测、记录，将标准木茎流量按林木径阶及其权重进行统计，利用加权平均法推算出单位面积林分的茎流量(S)。（4）灌木层截留观测：灌丛因为其植株平均胸径很小，其树干茎流可忽略不计
12、，所以本研究中未测量其树干茎流。因此，灌木层截流通过灌木叶面面积与叶面持水率的乘积计算而得(G)。（5）林冠截留(I)：根据以下公式计算林冠截留。 I=P-T-S-G其中，I，指林冠截留，mm； P，指林外降雨量，mm； T，指穿透雨量，mm； S，指单位面积林分茎流量，mm； G，指单位面积灌木截留量，mm。(6) 凋落物现存量及蓄水量的调查：在固定样地内各布设5个1m1m的小样方，分别将样方内的所有凋落物装入封口袋中，带回实验室立即称重(D1)。然后将凋落物在水中浸泡24h后取出置于筛网中，等凋落物没有明显水滴滴落时立即称重(D2)。然后将凋落物风干后置于烘箱中烘干至恒重（一般在105下烘
13、16-24h），立即称重(D0)。然后计算出凋落物的最大含水率及其最大蓄水潜力。2、水土流失监测由于坡面径流小区仅体现了一定坡度上水土流失特征的监测，对不同森林类型在局部小气候中的水量损耗规律，从参数、尺度等方面均不够充分，必需将地下径流、地面下浸、地下水、地面蒸发、降雨期间林内蒸散、叶面蒸腾等进行综合考量，才能比较完整的描述一个森林水文周期特征。 (1)坡面径流小区监测坡面径流小区设置在试验地上，选择坡度和坡形(直线坡)相近的地段，各设计两个坡面径流小区，每个径流小区面积100m2(20 m5 m )，其长边与等高线垂直，短边与等高线平行。在每个径流小区的上坡边缘与两边用砖砌成挡水墙，墙面高
14、出地表15-20 cm，下坡边筑集水沟，沟深20 cm，底宽20 cm,集水池高1.2 m、底面积1.8m2(1.5ml.2m)，容积2.16 m3，上面盖挡水板。在修建过程中，保持径流小区内的土壤状况不受干扰，以避免产生人为影响。对各径流小区进行本底详查，包括海拔、坡向、坡度、坡位、植物物种、植株高度、林分密度、林分郁闭度、灌草层盖度及枯落物贮量等指标；在各径流小区的外侧用环刀法取样测定土壤的水分物理性质。通过坡面径流小区监测，结合降雨量进行分析，可得出不同森林类型坡面产流量、泥沙流失量以及径流模数等重要参数。（2）集水区监测为了揭示森林植被在涵养水源中的作用，选择在森林类型上具有代表性的一
15、个自然闭合的封闭区，集水区与周围没有水平的水分交换即自然分水线清楚、底层为不透水层、地质条件一致、生物群落与周边更大范围的生物群落相一致，设立代表性森林类型的生态系统集水区，通过对森林配对集水区和嵌套流域降水量、径流量、产沙量、地下水等野外系统观测，分析研究森林植被分布格局、土地利用、水土保持措施等因素对径流过程的影响，同时利用所得到的观测数据建立森林流域水文模型，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。生态系统的全部水分将经集水区出口处基岩上所修筑的测流堰流出。地表径流监测:分别选取1块各自种植天然原生林和人工杉木林的闭合集水区，要求两集水区坡度、坡向相近，位置相邻，面积相差
16、不超过1倍，便于建立地表下和地下水监测系统。分别在集水区出水口一端各修建1座复合型量水堰(固定，筑建，2座)，量水堰出水口角度为90，量水堰拦水墙深入不透水层30cm，并使用防水材料；其引水槽尺寸满足B5h、h/P0.5、h=0.060.65m，B为引水槽内部宽度（m）、h为水头高度（m）、P为堰口底部至引水槽底部的高度（m）。在量水堰出上各安装一台型水位计(固定，购置，2台)，用来观测集水区的径流量及其径流过程。使用YD-1003型遥测终端机自动采集数据，每隔5min记录1次（水头高度有变化时，每隔1min记录1次），采用经验公式：Q=1.343h2.47计算集水区的瞬时流量（m3/s），式中h为水头高度（m
