华北土石山区典型林分水文生态效应特征

森林生态系统是陆地生态系统、地球生物圈的重要构成部分，与此同时，森林生态系统也是调节环境的积极因素之一，该生态系统在固碳释氧、保护生物多样性、水源涵养以及减缓气候变化等方面具有无可替代的地位。
随着人们对生态环境重视程度的提高，我国森林资源进入了快速发展阶段，森林营造、抚育等工作取得了长足的进步。根据2015年第八次全国森林资源清查结果（至成稿时第九次尚未公布），全国森林面积为2.08亿公顷，森林覆盖率为21.63%，活立木总蓄积164.33亿立方米，森林蓄积为151.37亿立方米。天然林面积1.22亿公顷，蓄积122.96亿立方米；人工林面积0.69亿公顷，蓄积24.83亿立方米。森林面积和森林蓄积分别位居世界第5位和第6位，人工林面积仍居世界首位。中国预计到2020年可使森林面积在2005年的基础上增加4000万公顷，并增加森林蓄积量达13亿立方米。但由于长期重建设、轻管理，忽视了森林经营和森林经营理论、技术研究，我国森林资源的发展仍然面临质量不高、管护压力大等多个方面的突出问题。同时，各级政府推出一系列指导文件、配套经费、科研专项等用于森林经营工作的开展，为全面推开森林经营、提升森林质量奠定了良好基础。
众所周知，我国的水资源严重短缺，2/3以上的城市处于缺水状态，以北京市为例，人均水资源量低于300m3，仅为世界人均水平的1/30。北京市地处我国华北平原，境内山地属典型的华北土石山区，山地造林对环境的影响巨大，北京市植被恢复与重建工作历来受到高度重视，2015年全国森林覆盖率为21.63%，同期北京市森林覆盖率已达40%。较高的森林覆盖率意味着大量的植被水分消耗和潜在的水分胁迫，而且北京市地处干旱半干旱地区，多年平均降水量仅为585mm，不合理的植被物种和结构配置模式、经营方式极有可能造成当地水资源与森林需水量的供需矛盾，继而导致森林生态系统陷入发育迟缓——生态环境退化的恶性循环，有可能严重制约区域经济社会发展和生态文明建设。因此，合理森林经营模式的研究与实施，是北京市乃至整个华北土石山区生态文明建设的必由之路，也是生态文明建设工作的重点与难点。因此人们关于植被恢复、抚育等森林经营措施对森林生态系统蒸发散、土壤水文特征影响的认识是解决该地区植被建设与水资源短缺之间矛盾问题的关键。
本书以森林坡面水文过程为引线，以探索森林经营指标为目标，以北京山区典型林分为研究对象，基于水量平衡原理，定量分析林分密度、树种配置等森林经营措施对坡面水文过程、森林水分利用效率的影响，同时结合生态水文模型对冠层截留、蒸散量、入渗、径流等水文过程进行模拟和情景分析，揭示森林经营措施对坡面水文过程的影响机制。同时基于水分利用效率，提出该地区不同树种的适宜林分密度，以期能够为以北京地区为代表的华北土石山区的森林资源管理和生态文明建设提供一定的理论指导和技术支撑。
自2015年，作者在北京以外的华北土石山区开展了野外调查研究，并对相关生产部门进行走访以来，深感森林经营对森林生态效益发挥的重要性，但现有的森林经营理论研究成果尚不能满足生产部门需要。本书是在作者多年研究工作的基础上，结合近年在华北土石山区开展的相关研究结果撰写完成。本书初稿承蒙山东农业大学张光灿教授仔细审阅，他对本书提出了许多宝贵修改意见，特此感谢。山东农业大学张传杰博士、北京林业大学李亦然博士对本书的成稿提供了有益的帮助，在此一并感谢。

牛勇
2020年1月

牛勇，山东农业大学，副教授，主要从事森林水文研究，发表EI,SCI期刊论文6篇；2015年就职于山东农业大学水土保持与荒漠化防治专业，主要从事科研和教学工作。

《华北土石山区典型林分水文生态效应特征》以森林坡面水文过程为引线，以探索森林经营指标为目标，以北京山区典型林分为研究对象，基于水量平衡原理，定量分析林分密度、树种配置等森林经营措施对坡面水文过程、森林水分利用效率的影响，同时结合生态水文模型对冠层截留、蒸散量、入渗、径流等水文过程进行模拟和情景分析，揭示森林经营措施对坡面水文过程的影响机制。基于水分利用效率，提出该地区不同树种的适宜林分密度，以期能够为我国森林资源管理和生态文明建设提供一定的理论指导和技术支撑。
《华北土石山区典型林分水文生态效应特征》主要适用于水土保持、水利水电工程、水文水资源、环境科学和工程等高等院校师生和从事设计、施工和科研的相关人员参考。

1 森林水文国内外相关研究进展1
1.1生态水文学的发展1
1.2森林生态系统水文过程研究2
1.2.1林冠层水文效应3
1.2.2枯落物层水文效应6
1.2.3土壤层水文效应7
1.2.4林地径流的形成机制8
1.2.5林地蒸散量估算9
1.3森林生态系统水分利用效率研究12
1.4生态水文模型研究12
1.5森林经营措施研究14
1.6存在问题与发展方向15
1.6.1森林水文研究及森林经营中存在的问题15
1.6.2发展方向16

2 研究区概况17
2.1北京山区概况17
2.1.1区域位置17
2.1.2地质地貌17
2.1.3气候特点18
2.1.4水文特征18
2.1.5植被特征18
2.2北京市八达岭林场概况19
2.2.1地理位置19
2.2.2地貌及土壤20
2.2.3气候及水文20
2.2.4植物及动物20
2.2.5研究区森林经营措施21

3 观测方法介绍23
3.1研究目的23
3.2研究内容23
3.3技术路线25
3.4研究方法25
3.4.1样地设置25
3.4.2样地概况28
3.4.3测试内容与方法30

4 研究区气象变化特征分析43
4.1太阳辐射43
4.2温度45
4.3相对湿度46
4.4风速47
4.5大气降雨48
4.6潜在蒸散量50

5 典型林分冠层结构与地上生物量计量特征51
5.1不同林分叶面积指数（LAI）动态51
5.1.1不同林分密度的元宝枫林的LAI51
5.1.2不同林分密度、坡位的油松林的LAI52
5.1.3不同树种组成林分的LAI56
5.2研究区植被LAI空间变异性特征57
5.3典型林分生物量特征60
5.3.1典型树种的异速生长过程60
5.3.2典型林分乔木生物量动态变化特征62

6 不同林分类型的林冠层水文特征67
6.1不同林分的树干茎流特征67
6.2不同林分密度的穿透降雨特征68
6.2.1不同林分密度的元宝枫林穿透降雨68
6.2.2不同林分密度与坡向油松林穿透降雨69
6.3有效降雨特征74
6.4典型林分的冠层截留及模型分析76
6.4.1修正后的Gash模型介绍76
6.4.2参数计算77
6.4.3林冠截留模拟80
6.5不同林分类型的林木蒸腾量82
6.5.1胸径、树高与蒸腾的关系82
6.5.2林分密度对蒸腾的影响83

7 不同林分类型枯落物层水文效应86
7.1不同林分枯落物累积量86
7.2典型林分枯落物层水文效应89
7.2.1枯落物吸持水能力及影响因素89
7.2.2枯落物层降雨截留特征91
7.2.3枯落物有效截留量与最大持水量关系93

8 不同林分类型的土壤层水文效应95
8.1林地土壤水力学的特征95
8.1.1典型林分的土壤水分特征曲线95
8.1.2典型林分的土壤有效持水量99
8.1.3不同林分的土壤入渗速率100
8.1.4研究区土壤转换函数的构建101
8.2林地土壤水分动态特征102
8.2.1林分密度与土壤水分动态103
8.2.2树种组成与土壤水分动态106
8.2.3林地坡向与对土壤水分动态110
8.3林地土壤蒸发动态特征111
8.3.1不同林分的土壤蒸发量111
8.3.2不同林分的林内蒸发系数113

9 不同林分类型的地表径流特征115
9.1典型林分的坡面径流115
9.2坡面径流的影响因子118
9.3坡面径流的模拟分析119
9.3.1SCS-CN模型简介119
9.3.2模型结构119
9.3.3参数CN的统计模式构建120
9.3.4模型检验121

10 坡面水量平衡要素模拟及分析125
10.1Brook 90模型介绍125
10.2模型的检验与率定128
10.2.1参数率定128
10.2.2模型检验133
10.3坡面水文过程模拟分析135
10.3.1林分蒸散量136
10.3.2林冠截留137
10.3.3地表径流138
10.3.4土壤层含水量变化量138

11 典型林分的水分利用效率与适宜密度141
11.1典型林分水分利用效率141
11.1.1油松林水分利用效率142
11.1.2元宝枫林水分利用效率144
11.1.3针阔混交林水分利用效率145
11.2典型林分的适宜密度146
11.2.1典型树种固碳效率146
11.2.2适宜林分密度确定147

参考文献149