三峡库区重庆缙云山林分结构与生态水文功能研究

第1章绪论 1.1林分结构研究进展 1.1.1林分非空间结构研究 合理的林分结构是充分发挥森林多种功能的基础（张建国等，2004）。林分结构是林分特征的重要表现，也是森林生长发育过程与经营等的综合反应（于政中，1993），它决定着森林多种功能的发挥，因此，林分结构也是控制森林功能的一个重要方面（亢新刚，2001）。林分结构根据树木在林分中的分布位置，可分为非空间结构和空间结构两类（龚直文等，2009）。其中，林分的非空间结构主要包括树种结构、直径结构、树高结构、树龄结构、生物量结构、林分密度等，国内外已进行了大量的研究，这些结构指标能够快速反映林分的部分信息，同时在描述林分的数量特征时也是不可缺少的，这些作为传统森林资源的调查项目，能够提供森林的基础信息，具有非常重要的意义（Bailey and Dell，1973；孟宪宇，1996；戎建涛等，2010）。 国内外对树种结构的研究除对林分树种的调查外，还对灌草层的物种进行了细致的研究（成晨，2008；王威，2009），通过引用物种多样性指数来对森林中乔木层、灌草层和草本层各层结构搭配进行分析，可以体现林分内垂直方向的一种结构特征。多树种组成的林分，物种多样性指数越高，林分结构越复杂，能为各种动植物和微生物提供的小生境或食物的多样性就越大，林分总体的生物多样性就越高，所发挥的功能则也会相应地越大（Buongiorno et al.，1994；Lahde et al.，1999）。雷相东和唐守正（2002）在研究林分中树木的位置后，总结提出了林分结构多样性指标可分为与距离有关的和与距离无关的两类，其中与距离无关的多样性指标以Margalef丰富度指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数和Shannon-Wiener多样性指数*为常见，与距离有关的多样性指标均是林分的空间结构指标。 在直径结构和树高结构的研究中，没有被干扰的天然异龄混交林分在连续2个径级间的林木株数的比例趋向于一个常数（Arthur，1952，1953）。亢新刚等（2003）对不同地区的各种天然林的林分q值研究发现，根据q值法则来管理天然的异龄林，能够使林分的径级分布呈倒“J”形，则林分就更接近于天然林的理想结构。此外，直径结构是林分生物量、断面积等林分特征的重要体现，其大小一般通过径级形式表达。林分直径分布模型可提供胸高直径的频率分布信息，具有比较重要的意义（Liuetal.，2004）。林分直径分布模型目前存在很多方程，如正态分布（陆元昌等，2005）、对数正态分布（Bliss and Reinker，1964）、Johnson’s分布（Hafley and Schreuder，1977；Wang and Rennolls，2005）和Weibull分布（Bailey and Dell，1973）。在这些模型中，以Weibull分布用得*为普遍（孟宪宇，1985，1988；周春国等，1998；惠淑荣和吕永震，2003；Sarkkola et al.，2004；陆元昌等，2005），因为Weibull分布函数在解释林分直径结构模型的参数意义上具有清楚直观的特点，而且在适应各种形状和偏斜度方面比较灵活，参数预估性相对简单且其累积分布函数具有闭合性。 1.1.2林分空间结构研究 尽管对林分非空间结构特征的研究所得到的成果显著，但上述指标主要描述林分的平均数量特征，作为一种静态描述林分结构特征的指标，仅从非空间结构来研究林分的结构特征，则对林分更多的空间信息表征不足；对于不同的林分，由于缺乏林分空间分布的信息，仅在各树种株数、胸径和树高分布相同的条件下，就视其为相同的林分，很难对林分整体做出准确的判断，仅以数量特征表达林分结构明显不合理，而且对经营和管理森林具有一定的局限性，难以从根本上对林分结构有全面的认识和理解。因此，在此基础上，引入林分空间结构信息，全面地反映林分结构，对林分整体结构做出较为完整的描述和判断（Gadow，1993；Pommerening，2002；惠刚盈和胡艳波，2001；安慧君，2003）。 惠刚盈和Gadow（2003）定义林分空间结构是在同一森林群落内，林木的分布位置规律及其属性在空间上的排列方式。林分空间结构的特殊作用决定了其在很大程度上影响着林分生长特性等，对林分的其他结构特征和功能的发挥均具有重要作用。林分空间结构在一定程度上决定了林分内物种多样性和生境等因子，与非空间结构相比则具有更重要的作用，所以林分空间结构目前已成为国际上一个主要研究内容。林分空间结构包括林木空间分布格局、混交和竞争3个方面（Gadow and Bredenkamp，1992；Fueldner，1995；惠刚盈和胡艳波，2001；汤孟平，2007）。林木空间分布格局是指某一种群个体在其生存空间内相对静止的散布形式，即种群个体在水平空间的配置状况或分布状态。林木空间分布格局表征了个体间彼此的相互关系，反映了光照、气候和竞争植物等条件的综合作用结果，在理论研究上或实践应用上均有重要作用（Melinda，1993）。研究林木的空间分布格局的方法较多，表达林木空间分布格局的指标也很多，有聚集指数R（Clark and Evans，1954；Biging and Dobbertin，1995）、Ripley’sK（d）函数（Ripley，1977）、David和Moore丛生指数（David，1954）、方差均值比、负二项指数、Cassie.R.M指标、平均拥挤度指数（Lloyd，1967）、聚块性指数、扩散型指数即Morisita指数（Morisita，1971）和角尺度（惠刚盈等，1999）等。其中，空间分布格局参数方差均值比、聚集指数R和角尺度因在实际应用中具有使用方便和测定方法简易等优点，目前应用较为广泛（惠刚盈和Gadow，2003；王威，2009；龚直文，2009）。特别是惠刚盈和Gadow（1999）提出的角尺度的概念，通过描述相邻树木围绕参照树的均匀性来反映林分中林木的个体分布格局。该参数*主要的优点在于不用测距离，仅需调查样线上或距样线*近的树的角度大小，就可获得林木的分布格局信息，从而进一步获得林木在整个林分上的分布信息，借助林分角尺度均值可将林分的林木个体空间分布评判为均匀、随机或集聚状态，后期经惠刚盈等（2004a，2004b，2010）一系列实验和计算机模拟研究，使角尺度能够准确地说明林分的均匀、随机或聚集分布的程度。 混交和竞争指数目前常采用的指标主要是混交度和大小比数（惠刚盈和胡艳波，2001；惠刚盈和Gadow，2003；汤孟平，2003）。混交度的概念*早由Fueldner（1995）提出，在林分中某一树种的优势程度用断面积的角度来表示，树种的个体大小可以用林木的直径和树高分布大小来说明，过去是用直径分布来表示林木大小差异程度，但由于直径分布缺乏林木大小的空间分布信息，所以在混交林的研究中，Gadow和Füldner（1993）提出了大小分化度的概念。惠刚盈和Gadow（1999）则逐步完善了大小分化度而提出了大小比数这一概念。目前，混交度和大小比数作为表达林分空间结构的指标已被国内外专家学者认可和广泛使用。 1.2森林的生态水文功能研究进展 森林通过转化、促进、消除、恢复等内部的调节机能和多种生态功能维系着生态系统的平衡，是*活跃的群落之一。目前，普遍认为森林的效益有生态效益、经济效益和社会效益，其主要的生态水文功能之一就是涵养水源功能。研究森林生态系统在调节水量方面的作用机理，对于科学认识森林蓄水保土作用具有重大意义（王德连，2004）。 1.2.1森林的涵养水源功能研究 国外研究森林的涵养水源功能较早，始于20世纪初对森林水文学的研究，主要研究集中在森林破坏对流域产水量的影响方面，森林涵养水源功能试验开端的标志是1900年在瑞士的Emmental山区两个小流域进行的对比试验（王礼先和张志强，1998）。50年代，森林涵养水源功能研究逐渐发展成两个方向：一个方向是研究森林水文特征机制，探究水分在森林中的运动规律，包括从林冠到土壤各个层次对降水的截留作用等；另一个方向是在生态学快速发展的基础上，从森林植被对水文学的影响逐渐向水文系统与物质和能量循环以及水质等统一的生态系统方向转移，森林生态系统的水文特征与基本功能的相互关系在宏观上得到了阐明（McCulloch and Robinson，1993）。70年代，美国生态学家Bormann和Likens（1979）开创了森林水文学与其生态系统研究。80年代至今，森林与水的关系研究已逐渐进入一个崭新的阶段，包括森林对水的量以及质的影响、对水的循环作用机制的影响，以及建立分布式水文参数模型3个方向。 我国对森林水文学的研究始于20世纪20年代，金陵大学的罗德民和李德毅等在山东、山西等地对不同森林植被对雨季径流和水保效应的影响进行研究。50～60年代，全国各主要林业单位和高校等先后设立了森林水文定位监测站，开始了长期定位研究和综合水文过程的研究。到80年代初，“森林的作用”问题的提出以及“8.17”四川特大洪灾则推动了森林与水关系研究工作的进一步开展（王德连，2004）。90年代后期，刘世荣等（1996）在我国多个森林水文定位监测站及水文观测点数十年的观测资料的基础上系统总结出大量研究成果，使我国森林水文研究更加飞跃地发展。 森林的涵养水源功能是森林生态系统生态功能的重要组成部分，其功能主要体现在对降水的拦蓄作用方面。水分在森林生态系统中的循环过程包括降雨、降雨截持、干流、蒸散、径流等，它们构成了森林的水文过程（高甲荣等，2001）。森林的水文过程是森林的4个作用层，即林冠层、灌草层、枯枝落叶层和土壤层对降水进行再分配的复杂过程。 1.林冠层 作为降雨进入森林生态系统的**个层面，林冠层是降雨输入并开始再分配的起点，同时也是森林涵养水源功能的极其重要的环节，对水分在森林中的循环具有非常重要的作用。 林冠对降雨的分配通过林冠层枝干叶对降雨截持和蒸发过程来完成。国外对林冠截留降雨的研究开展较早（Rutter et al.，1971；Gash et al.，1980；Bonell，1993），一般认为，温带的针叶林对降雨的截留率在20%～40%，而阔叶林在11%～36%。我国的专家学者对主要林种和树种的林冠截留率进行了较为广泛的观测研究和定量描述（马雪华，1993；温远光和刘世荣，1995；王彦辉等，1998；张光灿等，2000；时忠杰，2006；莎仁图雅，2009），刘世荣等（1996）总结了我国南北不同气候带的各种森林类型的林冠截留率，得出我国主要的森林林冠截留率变动范围在11.4%～34.3%，树冠截留功能波动性大、变异程度较大是因为受到包括降雨强度、降雨频率、降雨历时、风速、林冠蒸发能力、林冠特征和林分结构特征等多种因素的影响（卢俊培，1982）。这些因素给模拟林冠截留量带来一定的难度，因此若想掌握和理解林冠截留量，可以通过林冠截留模型来实现。林冠截留模型在模拟和预测林冠对降雨的截留量方面具有重要作用。目前，林冠截留模型仍然是森林水文过程研究中的一个热点问题，而且从国内外的研究成果来看，已经推导和研究出许多经验、半理论和理论模型 （Horton，1919；Leonard，1961；Helveyand Patric，1965；王彦辉等，1998）。经验模型虽然能够反映特定林分林冠截留量与林外降雨的关系，但是因为未考虑雨强和林分特征等因素对林冠截留的影响，其截留过程的模拟较差，导致其不利于被推广使用。理论模型虽然在一定程度上考虑了气象因子和林分结构对降雨的影响，可以在较大程度上反映截留的动态过程及不受地区和树种的限制，但公式复杂，求解困难，在运用于实际时具有很大的限制（殷有等，2001）。因为各模型建立的目的不同，所以各模型间的可比性差