国外森林环境水化学研究综述

 国外从19世纪开始进行森林降水化学的研究,那时主要的研究目的是论证森林对降水中水化学物质的再分配、迁移扩散规律等。20世纪70年代后期,大气沉降和环境酸化对森林水质的影响成为研究趋势。森林环境水化学问题成为近20多年森林水质研究的重点。文章综述了森林地区环境水化学的主要几个研究方向,并将大气沉降(主要是湿沉降)、林地水环境作为主要综述的内容。     

径流与森林生态

通过对径流与森林生态的研究，研究森林植被对水文现象和相关联环境质量的影响，即研究以降水或其它形式的水分输入到森林生态系统后分配，调节，循环，输入输出过程的变化规律，以及森林对水质和水土保持的作用。     

森林水文效应的研究进展

根据国内外近几十年森林水文方面的研究进展,以福建省不同森林类型为例,从整个森林生态系统的空间结构出发,论述了森林对降水的影响:即分别从林冠层、林下植被层、枯枝落叶层以及林地土壤层分析其对降水截留的影响。除此之外,还概述了森林对径流(包括对泥沙和水质的影响)、蒸发散等影响的最新研究动态。但由于目前不同地区森林水文效应的研究方法和研尺度都存在较大差异,因此,今后森林水文研究工作应加强水文过程中物理机制的研究,这样从不同地带、森林类型等方面去分析评价森林水文效应才具有更重要的意义。     

湿地生物地球化学研究概述

湿地有其独特的生物地球化学循环,其间许多化学迁移和转化过程不为其它生态系统所共享。湿地土壤在淹水时形成强还原区,但在水—土界面上常有一氧化薄层。发生于还原环境中的C,N,P,S,Fe,Mn的转化都影响着物质对生态系统的有效性;一些化学转化还会导致毒性环境,许多化学转化由微生物种群来调节。化学物质经降水、地表径流、地下水和潮汐等水文途径被输送至湿地中,降水途径占优势的湿地一般养分较贫乏,经另外3个途径输入湿地的化学物质的浓度变化较大,并非所有的湿地都是养分的汇,而且其季节之间、年际之间的模型也不一致。尽管对毗邻的生态系统的直接影响难以定量化,湿地通过有机物质的输出常与毗邻生态系统进行化学耦合。湿地与陆生、水生生态系统相类似,因为它们都可能是富营养或贫营养系统;当然它们之间也有一些差异,特别是在沉积物贮存养分以及植被在不同养分循环中的功能方面差异较大。     

祁连山森林复合流域径流规律研究

祁连山是由森林,草原,冰川构成的复合生态系统,建立固定试验区长期（22a)进行径流规律研究表明,该区林地很少地表径流,草地不同程度均有地表径流发生,河川径流年动态受降水和气温影响,一个水文年径流过程以月为时间单元划分为3个时期,森林植被的影响贯穿于径流全过程,减少地表径流,延长径流历时,消洪补枯,涵养水源,而且不减少河川径流总量,据此,提出对祁连山水源涵养林要实施可持续发展的经营战略,不断扩大森林面积,提高森林覆被率,进一步改善生态环境。     

干湿度梯度及植物生活型对土壤氮磷空间特征的影响

通过对我国土壤氮磷含量及化学计量比值的分布特征研究,探讨了湿度梯度与植物生活型对土壤氮磷空间分布的影响。研究结果表明:中国陆地系统自然土壤氮、磷含量及氮磷比分别在0.02~8.78 g/kg,0.05~1.73 g/kg和0.06~9.85范围内变化,地形和气候因素对其空间变异性的影响均较为显著。干湿度梯度分带对土壤氮含量和氮磷比值的影响较磷含量更为明显,氮含量与氮磷比呈现出明显的梯度变化特征,表现出湿润区半湿润区干旱区半干旱区的规律,而磷含量变化不显著。在不同生活型植被土壤中,森林土壤氮磷的变化规律较灌木和草本土壤更为复杂;其植物磷平均含量低于全国平均值,说明森林生态系统植物受磷元素的限制作用与其较低的土壤磷含量供给有关。土壤氮磷含量和氮磷比与年均降水量和年均温度的相关性及逐步回归分析表明,土壤氮磷及其化学计量的变异性主要是受降水的影响。     

喀斯特表层岩溶带原生森林的水文效应研究--以贵州省茂兰国家自然保护区为例

贵州省茂兰国家级自然保护区现存有全球同纬度面积最大的喀斯特原生森林。研究证实,其森林水文效应较为明显。通过对该区岩溶水实时动态监测及氘氧同位素化学分析,认为该区喀斯特森林水文效应主要的表现方式是雨季的激发降水及旱季生态需水消耗。2010年位于原生森林区板寨站实测降水量高达1 710.0mm,而位于森林外围区的尧排站实测降水量仅为1 066.5mm。森林激发降水主要来自其对表层带岩溶水的蒸发蒸腾而产生的水汽。森林水文效应使该区表层带岩溶水的循环周期季节变化非常明显,丰水季节超过了3个月,而枯水季节则约为2个月,说明该区表层带岩溶水受森林生长周期的影响较为明显。     

CLIGEN天气发生器在黄河流域的适应性研究

根据年降水及其年内分布特征在全美范围内选择参照站的基础上,用黄河流域3个气象站30年降水和气温的月平均资料,对CLIGEN天气发生器在黄河流域的适应性进行了检验。结果表明利用参证站、通过月资料的输入,CLIGEN可以较好地模拟年降水、降水的月分布、最高温度和最低温度,模拟值的标准差普遍低于实际值的标准差,参照站的气候特征对模拟结果有显著影响,因此,在参证站选择时应综合考虑多个气象参数。     

新疆地区大气降水中稳定同位素的变化特征

大气降水是水循环中重要的输入因子,对其同位素组分的研究有助于深入了解水循环过程及其结构具有重要的意义.研究新疆乌鲁木齐地区1986-2002年大气降水的氢氧同位素组成,提出大气降水线方程,并与全国及全球降水线方程进行对比,揭示该降水线方程的特征.研究表明:乌鲁木齐水分来源复杂,主要是西风带输送的海洋水汽和局地的蒸发,大气降水的加权平均18O与月平均气温相关关系显著,与雨量效应(降水量效应)较相关,降水中温度效应明显,且在一定时期很大程度上其影响掩盖了雨量效应.乌鲁木齐降水中δ18O的季节变化与温度的季节变化几乎一致,温度是制约降水中稳定同位素变化的主要影响因子.     

典型自然带土壤氮磷化学计量空间分异特征及其驱动因素研究

植物生活型、地形及区域气候特征等对土壤养分的空间分布有着重要的影响。通过对我国典型自然带土壤氮磷化学计量与植物生活型、地形及气候因素间相互关系的研究,探讨了我国土壤氮磷的空间变异与分布特征及其主要控制因素。结果发现,5个自然带的土壤全氮(TN)和氮磷比(N/P)存在显著差异(p0.01);除温带荒漠带较低(0.47 mg g~(-1))外,土壤全磷(TP)均值总体变化不明显(p0.05)。在不同自然带区域内,TN、TP及N/P变化与海拔、温度及降水呈现出显著的线性和非线性二次相关,即表现出线性与单峰模式。暖温带落叶阔叶林带、温带草原带、温带荒漠带森林土壤中TN,以及青藏高原高寒植被带草本土壤中TP、温带荒漠带森林土壤的N/P主要受海拔因素的影响,而温带草原带草本植物的土壤TP则主要受降水的影响。同时,研究还发现,在多要素共同作用时,其影响程度也略有差异,温度和海拔作为控制因素影响亚热带常绿阔叶林带森林和温带草原带草本土壤TN变化,但前者受温度控制更为明显,后者则以海拔为主要驱动因素,而温带荒漠带草本土壤和森林土壤的TN主要受海拔和降水作用的影响,但以降水影响为主;亚热带常绿阔叶林带森林土壤TP,温带草原带、温带荒漠带和青藏高原高寒植被带草本土壤的N/P受植物生活型、地形及气候的共同影响,但程度略有不同,其中TP表现为降水温度海拔,而N/P为温度海拔降水。因此,在自然带和植物生活型的主控背景下,海拔、温度和降水的主控或交互作用直接驱动土壤氮磷及其化学计量特征的空间分异。     

中国森林生态系统水源涵养功能

森林是巨大的绿色宝库,是全球维持生态平衡的主体和人类赖以生存的重要自然资源,对调解生物圈、地圈和大气圈平衡具有重要的不可替代的作用。森林以其高耸的树干和繁茂的枝叶组成的林冠层,林下茂密的灌草植物形成的灌、草层和林地上富集的枯枝落叶层截持和蓄积大气降水,从而对大气降水进行重新分配和有效调节,发挥着森林生态系统特有的水文功能。该项研究根据森林水源涵养的机理、森林的水文效应,对我国森林生态系统水文涵养功能及其价值进行了分析及评价。     

长江上游云南松水土保持林地坡面径流与侵蚀规律的研究

根据1999～2001连续3年的定位观测,研究了试验流域降水特征和森林植被与坡面径流与侵蚀的关系.结果表明:试验区的大气降水表现出明显的雨季和旱季之分,年均降水量为1 019.6 mm,雨量多集中在雨季的5～10 月份,其降水量为827.7 mm,占年降水量的81.18% ,旱季仅占18.82% .试验小流域发生地表径流的形式为蓄满产流,同时大气降水分配不均,雨季降水的过分集中并形成的大雨或暴雨,是导致地表径流及其侵蚀的主要原因.与裸地相比,林地坡面径流与侵蚀的削减效应显著.但森林削减坡面径流与侵蚀的效益与森林树种自身的生物、生态学特性及其林分结构状况等密切相关.     

桂西北喀斯特峰丛洼地降水氢氧稳定同位素的季节变化特征

喀斯特地区特殊的二元水文地质结构增加了水文过程研究的难度。大气降水是流域水循环的重要输入因子,研究降水氢氧稳定同位素的季节变化规律及其影响因素,有利于探讨该地区水汽来源、径流划分、水分滞留时间等水文过程。该文以桂西北环江地区典型喀斯特峰丛洼地为例,基于2009年4月-2011年8月的降雨、温度资料以及月降水氢氧稳定同位素组成数据,分析了降水分布及其氢氧稳定同位素组成的季节变化规律,并探讨了各种环境因素的影响。结果表明,当地大气水线与全球大气水线存在一定的偏离,表明研究区降水云气形成过程中汽、液两相同位素分馏不平衡的程度偏大。过量氘年平均值为14.21‰,旱雨季不同,反映了水汽来源的差异。降水氢氧稳定同位素季节变化呈现正弦波动的特性,波动周期和振幅受纬度及季节因素的影响明显大于降水量及温度,表明大尺度环境因素的影响占主导地位。该研究为基于氢氧稳定同位素技术的喀斯特地区流域尺度水文过程研究奠定了基础,对深入分析该地区植被恢复与重建的生态水文效应提供参考。     

基于集成学习的土壤含水量预测研究——以辽西地区为例

准确高效地预测土壤含水量（SMC）对田间水分管理至关重要。本研究利用在辽西地区自建的3个站点2018-2021年10~40cm的土壤水分自动观测小时数据集，分析研究随机森林（RF）和梯度提升机（GBM）算法在土壤含水量预测方面的适用性，验证不同时间尺度土壤含水量的预测结果。引入SHAP（Shapley Additive Explanations）方法表征5类（降水、日照时数、平均相对湿度、风速、平均气温）输入变量对SMC预测结果的影响，并制定区间划分规则识别变量最大贡献阈值区间。研究结果表明：年尺度下，GBM模型和RF模型R2分别为0.982和0.888，气温贡献最大，最大贡献区间是21~23℃；季尺度下，2种模型R2分别为0.935和0.863，日照时数贡献最大，最大贡献区间为2~4h。该研究创新应用SHAP方法于机器学习输入变量贡献度分析，同时验证了2种机器学习算法在土壤含水量预测研究的准确性，可为土壤含水量相关研究提供参考借鉴。     

森林采伐对林地表层土壤主要特征及其生态过程的影响

森林采伐是森林经营过程中的一类常见作业,而森林重要生态过程都离不开林地表层(土壤及覆盖物),为此,理解和把握森林采伐对林地表层的影响对于合理经营和管理森林生态系统,实现生态系统的可持续发展等具有重要意义。本文在简单回顾了采伐对森林组成、结构及其功能的影响基础上;介绍了森林采伐对林地表层温度、湿度、土壤结构、pH值、养分(C、N、P、S)等理化特性的影响;分析了土壤生物对森林采伐的反馈过程;阐述了森林采伐对林地水文、C、N转化等生态过程的作用。最后,从研究方法、研究目标和研究内容三个方面提出森林采伐影响林地表层研究的发展趋势,指出森林采伐的边缘效应和空间异质性;森林采伐后土壤生物的响应;森林采伐后的水、C、N转化和循环等生态过程及其耦合作用是目前及今后研究的三大热点。     

重庆市NDVI对水热条件变化的响应及其空间特征

降水和气温是影响一个地区植被覆盖度的最主要的气候因子。在利用SPOT VGT-NDVI旬数据、重庆市及周边20个气象站点1999-2010年日气温与降水数据以及研究区相关图件资料的基础上,运用时滞互相关分析法分析了旬平均NDVI(TN)与旬均温(TT)和旬降水(TP)的相关性以及时滞情况。结果表明,NDVI与气温和降水之间存在较强的相关性,且NDVI与气温较与降水之间的相关性更强,表明在研究区气温是NDVI变化的限制因子;NDVI与气温和降水之间的相关性和时滞情况存在明显的东南-西北差异,东南地区时滞较长,相关性低,西北地区时滞较短,相关性高;各植被类型NDVI与气温和降水的相关程度高低以及响应速度的快慢决定于各植被类型的生长发育规律及其对气温或降水要求的高低。     

人类活动对流域森林景观的影响

人类活动从各个尺度影响森林生态系统。以西双版纳流沙河流域为研究区域，利用1988和2003年两期Landsat TM／ETM遥感影像，根据景观生态学原理与方法，分析了坝区、山区及其中间地带（边缘区）人类活动对森林覆盖率及森林景观的影响。结果表明，地形越平坦，森林覆盖率越小；人口密度越大，离居民点越近，人类活动对森林覆盖率、森林斑块平均面积以及森林斑块边界密度的影响越大；山区森林的变化与坝区和边缘区相反：离居民点越近，森林覆盖率越大，破碎化程度越小；受森林保护等政策的影响，15年来尽管森林覆盖率降低，但森林斑块平均面积增大。从1988-2003年，边缘区的森林受破坏最严重，其森林覆盖率、斑块平均面积都下降较多，而边界密度增加较大，破碎化程度最剧烈；人类活动对森林影响的空间范围扩大。居民点周围的森林破坏普遍很严重，容易引发局地自然灾害，这是制定流域管理政策时需要重点考虑的问题之一。     

钙质结核放射性碳断代的研究

本文运用放射性碳方法对钙质结核进行了断代研究,阐明了钙质结核的化学组成及其与年龄的关系,进而对影响钙质结核形成的地下水、石灰岩碎屑物质和人为活动几个主要因子进行了探讨。     

国外森林水文研究进展述评

森林和水是人类生存与发展的重要物质基础,也是森林生态系统的重要组成成分,森林与水之间的关系是当今林学和生态学领域研究的核心问题.基于国外近30年来森林水文学的研究成果,简要地介绍了森林水文学的概念、研究进展和实际应用,分析了森林与水相互作用的特点,并从森林对降水、径流、蒸发散、泥沙输出、水质和产水量的影响等方面综合评述了最新研究进展.从国外的研究成果来看,森林植被在涵养水源、调节水量、减少径流泥沙、延缓径流回流速率、降低洪峰、增加枯水期流量、改善水质等方面具有重要功能.但是森林植被变化对某一区域降水的影响并不明显,而且增加森林覆盖率可以减少流域产水量.由于环境异质性的存在,森林的水文作用在具有不同特征条件的水文生态区有很大差别.迄今对森林水文效应的研究规模多局限在小尺度,要把一个地区小尺度的研究成果可靠地应用于大尺度的其他流域,还必须加强森林对水文过程动力学机制的研究.     

氮磷富集对森林土壤碳截存的影响研究进展

大气氮磷沉降增加森林土壤养分的可利用性,改变底物的化学质量、土壤微生物组成和功能,进而影响土壤有机质的储量与稳定性。然而,现有研究主要集中在氮素富集对自然森林生态系统碳截存的影响,有关磷富集以及氮磷交互对人工林土壤有机碳(SOC)截存的影响及其微生物学机制尚不清楚。本文综述了氮磷富集对森林土壤碳转化和净交换通量、土壤有机质(SOM)的激发效应、SOM组成与稳定性以及介导碳转化功能微生物群落的影响,并指出各个研究环节的不足,包括:(1)森林土壤碳通量及其组分对氮磷富集的非线性响应方程及临界阈值尚未确定;(2)氮磷富集对森林SOM激发效应的影响程度与潜在机制知之甚少;(3)SOM的物理-化学协同稳定机制研究不够深入;(4)土壤活性微生物群落组成、SOM化学结构与SOC累积之间的耦联关系尚不清晰。据此,指出未来研究重点与研究思路:基于多水平氮磷添加控制试验和~(13)C标记培养实验,利用原位监测、土壤化学(~(13)C-NMR和Py-GC/MS)、宏基因组测序的分子生物学方法,重点研究氮磷添加及其交互作用对人工林土壤碳排放与流失通量、微生物激发效应、SOM组成与化学稳定性以及功能微生物群落组成的影响,确定土壤碳输出通量对氮磷添加的非线性响应方程与氮沉降临界负荷,阐明分解微生物群落组成与土壤碳转化及稳定性的耦联关系,揭示氮磷交互影响人工林土壤碳积累与损耗的微生物学机制。研究结果有助于控制森林尤其是人工林土壤碳损失,有效降低陆地"氮促碳汇"评估的不确定性,并可为森林生态系统应对全球变化提供科学依据。