北京澳作生態(tài)儀器有限公司
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1 引言
森林水文調節(jié)功能是森林所實現(xiàn)的重要服務功能之一，可是由于森林資源被無節(jié)制的開采利用，導致人們不斷遭受森林破環(huán)所帶來的各種災害。因此關于森林生態(tài)水文功能研究已成為生態(tài)學和水文學的研究重點之一。近年來，國內外從森林的水文過程出發(fā)，對林冠截留、樹干徑流、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節(jié)過程及生態(tài)學機制進行了廣泛深入的研究。眾多結果表明林地冠層均能夠截留降雨，降低雨水動能，從而減少地表徑流的產生和對地表的沖擊；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)。森林結構復雜，大氣降雨到達森林作用面后，會進行重新再分配，明顯改變了降雨分配過程。而森林水文過程及調節(jié)功能又受到森林結構的制約，因此定量定性探討森林生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程與水文調節(jié)功能之間關系，是未來森林生態(tài)水文功能研究的重點。（曹云、歐陽志云等，2006）
2 觀測系統(tǒng)設計
2.1 目標
AZ-F0100森林水文過程觀測系統(tǒng)按照空間尺度，層次清晰地定量測量林冠降雨截留量、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行分析，從而為揭示森林生態(tài)系統(tǒng)水文要素的時空規(guī)律，為研究森林植被變化對水分的分配和徑流的調節(jié)提供基礎數(shù)據(jù)。
2.2 觀測內容
大氣降雨量、穿透降雨量、樹干徑流量、枯枝落葉層持水量、地表徑流量、土壤含水量、壤中流量。
同時，AZ-F0100森林水文過程觀測系統(tǒng)可對比分析林外降雨和穿透降雨的降雨強度、降雨等級、降雨速度、降雨粒徑大小。
2.3 觀測點布設
2.3.1 降雨量觀測
在林中空地和林外約50～100m處空曠地分別設置激光雨滴譜儀1臺，自動觀測林內外降雨總量、降雨強度、降雨等級、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
網(wǎng)格機械布點法。在標準地內，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)的交點均勻布設自記雨量收集器。布設雨量儀器的個數(shù)按照如下公式計算。
式中：n—觀測計（器）數(shù)；N—抽采樣本所代表的區(qū)域大小，N=A/a（A為調查區(qū)面積m2；a為觀測計（器）受雨口面積m2）； —精度；c—變異系數(shù)（樣本標準差/樣本平均差）。
同時在林冠下布設激光雨滴譜儀，觀測穿透水的降雨強度、降雨等級、降雨速度、降雨粒徑大小及其分布譜圖。從而對比分析經(jīng)過林冠截留后，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 樹干徑流量觀測
采用徑階標準木法，調查觀測樣地內所有樹木的胸徑，按胸徑對樹木進行分級（一般2～4cm為一個徑級），從各級樹木中選取2～3株標準木進行樹干徑流觀測。然后每木安裝樹干徑流測量單元，進行人工或自動觀測。
2.3.4 枯枝落葉層含水量觀測
在樣地內劃定合適的小樣方，采集枯枝落葉層樣品，烘干測定其含水量和持水量。
2.3.5 地表徑流量觀測
在觀測場地中建立標準徑流場，位置應盡量設置在坡面平整的坡地上。實驗區(qū)在平整的坡面可以2個或更多的徑流場并排在一起，合用圍埂、保護帶、集水槽和觀測室。徑流場下部設置集水槽，在徑流場集水槽出水口，安裝地表徑流測量系統(tǒng)的平緩導流槽進行引流，承接全部徑流小區(qū)出水。應用自記翻斗流量記和水蝕采樣器觀測坡面地表徑流量。
2.3.6 土壤含水量觀測
土壤含水量觀測樣地設置應根據(jù)典型森林植被所在地形和土壤物理性質空間差異來確定。對于典型森林植被來說，應在林地坡上、坡中和坡腳分別設置一個大小為10m×10m的觀測樣地，在每個觀測樣地內設置3個觀測點，觀測點位置宜沿觀測樣地對角線均勻分布。
觀測深度根據(jù)土壤層土層深度確定，一般為1.0m左右。埋設1m長TDR土壤水分觀測管，把時域反射儀的探頭放入觀測管內，分別測量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
有坡面水量平衡場壤中流觀測設備的，從地表徑流集水槽下端混凝土澆筑的擋墻留有的水孔，用導管將地下徑流引入量水器，進行觀測。
2.4 觀測系統(tǒng)組成
AZ-F0100森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程觀測系統(tǒng)由激光雨滴儀、自記雨量計、樹木莖干截留測量單元、土壤水分測量單元、地表徑流觀測單元共同組成。
3 數(shù)據(jù)處理
3.1 降雨總量
較大流域平均雨量計算采用泰森多邊形法，小流域采用加權平均法（控制圈法）。
3.2樹干徑流量
式中：C—樹干徑流量，mm；M—單位面積上的樹木株數(shù)，株/ m2；Cn—每一徑級的樹干徑流量，mm；Kn —每一徑階的樹冠平均投影面積，m2；N—各徑階數(shù)，階；Mn —每一徑階樹木的株數(shù)，株。
3.3林冠降雨截留量
林冠降雨截留量（mm）=降雨總量（mm）—林內穿透降雨量（mm）—樹干徑流量（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：WL —枯枝落葉層質量含水量g·g-1；ma—樣品總質量g；m—烘干后樣品質量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—樣品總質量，g；m2—風干后樣品質量，g；ρ—水的密度，g·cm-3；AL —樣方面積，cm2。
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