缙云山典型林分对径流水质的作用及评价研究

论文摘要

本论文结合“十一五”国家科技支撑项目“重庆北部水源区水源涵养林构建技术试验示范（2006BAD03A1802）”,研究了重庆缙云山典型林分对径流及水质的影响,以期为重庆水源涵养林建设提供科学依据。研究样地计8个：马尾松×四川大头茶混交林（I1）、四川大头茶×四川山矾混交林（I2）、毛竹林（I3）、灌丛（I4）、马尾松×广东山胡椒混交林（I6）、广东山胡椒×杉木混交林（I7）、及毛竹×四川山矾×马尾松混交林（I8）等典型林分为研究对象,同时以裸地（I5）作为对照。首先,统计分析2002-2009年的降雨和径流监测数据,得出了该地区的降雨和产流特征。第二,首次在该地区森林水质研究中引入空气质量监测和云雾水水质的监测,了解空气质量和云雾与降雨化学性质的关系；在2007-2010年期间,对实验地区降雨、林内雨、地表径流和壤中流的水质进行监测与分析,通过对降雨、林内雨、地表径流和壤中流的分析,揭示典型林分不同层次（林冠层、枯落物层、土壤层）的水质效应及影响水质变化的原因；首次对该地区枯落物对酸雨的响应进行人工模拟试验研究,探讨典型林分枯落物对酸雨水质的影响。第三,研究了酸雨影响下森林优势乔木叶片、枯落物、土壤养分储量以及其碳储量的特征,并以这三个对象为三个层次,研究了三个层次间元素含量的相关性,探索它们之间的相互影响关系。对酸雨影响下的典型林分土壤、枯落物养分储量和酸缓冲潜力进行综合评价。第四,使用单因子评价、综合指数法、主成分分析与聚类、灰色关联法和BP神经网络法对典型林分地表径流和壤中流的水质状况进行综合评价。结果如下：（1）缙云山2002年-2009年平均年降雨量为1233.2mmm,主要集中在4-10月份,暴雨多发生在6-9月,且降雨量大,降雨强度高。缙云山典型林分径流量以5-8月最多,地表径流量占全年的51.05%-65.90%,地下径流量占55%-68.4%。有林地对降雨、径流的调节作用要优于裸地,林地中毛竹林（I3）调节径流的能力最差,马尾松×四川大头茶混交林（I1）和四川大头茶×四川山矾混交林（I2）较优。（2）缙云山地区主要空气污染气体为SO2。云雾水pH平均值（3.45）小于同期降雨pH平均值（4.04）且所含的离子浓度高于雨水。该地区降雨酸化严重,有向复合型酸雨转化的趋势。（3）对典型林分不同层次水质效应的分析表明：①降雨呈酸性,林冠层使降雨pH值降低,地表径流和壤中流的pH比降雨有明显的升高,其中地表汇流阶段对水体pH的缓冲作用最大。降雨中所含离子的浓度在其经过林冠层之后,除了Na+以外,其全部呈现增加的趋势。②除Ca2+外,典型林分对降雨输入的离子均有不同程度的削减作用,对SO42-、NH4+、Mg2+、Mn和A13+的削减主要阶段是地表汇流阶段,对N03"、K+、Na+和Fe的截留则主要是土壤层。③地表径流元素浓度与枯落物或者土壤中该元素的储量关系不大；壤中流相应元素的浓度与土壤中该元素的储量具有一定的关系,除了Mg2+和Mn（仅在I2、I4壤中流检出）外,其余元素在壤中流的浓度与其在土壤中的储量均具有正相关或者负相关的关系。（4）枯落物酸缓冲潜力综合评价结果为：P3（-82.01）>P7（-93.85）>P8（-94.98）>P6（-95.90）>P1（-97.58）>P4（-100.08）>P2（-103.16）, I3枯落物的缓冲潜力最大,I2最小。土壤酸缓冲潜力综合评价结果为P6（29.37）>P4（23.23）>P8（22.71）>P7（18.50）>P1（15.39）>P2（13.61）>P3（13.22）>P5（11.31）,林地土壤缓冲能力优于裸地,I6的缓冲能力最大,I1最小。（5）对I1、I2、I3、I4、I6、I8等6种典型林分枯落物进行的模拟酸雨淋溶实验的结果表明：6种枯落物对模拟酸雨pH值有一定的缓冲能力,在pH值2.7、3.5和4.5酸雨作用下,林分I8的枯落物层对pH值的缓冲效果最好。随着模拟酸雨pH值的降低,6种典型林分枯落物淋滤液中的盐基离子（Ca2+、Mg2+、KNa+、H4+）、Al3+、Fe、Mn浓度呈现增加的趋势。林分I8的淋滤液中Ca/A1的摩尔比始终处于较低水平,较容易受到铝毒危害。当酸雨pH值降低到2.7时,在几种林分中,林分I8的Fe（4.4μmol/L）、Mn（10.7μmol/L）的含量均为最高的,表明该林分较易受到重金属的危害。（6）对地表径流和壤中流水质综合评价表明：该地区马尾松×四川大头茶混交林具有较好的水质效应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 森林与水质研究进展
• 1.1.1 森林坡面产流与侵蚀产沙研究
• 1.1.2 森林生态系统水化学性质及养分研究进展
• 1.1.3 酸雨与环境酸化
• 1.2 水质评价方法
• 1.3 研究内容
• 2 研究区概况与研究方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 试验区概况
• 2.2.1 地理位置
• 2.2.2 地质地貌
• 2.2.3 气候特征
• 2.2.4 水文特征
• 2.2.5 土壤特征
• 2.2.6 植被特征
• 2.3 研究区环境质量概况
• 2.3.1 环境空气质量状况
• 2.3.2 酸雨污染状况
• 2.3.3 水环境质量状况
• 2.4 样地布设
• 2.5 研究方法
• 2.5.1 空气质量检测
• 2.5.2 降水、径流观测
• 2.5.3 水样采集与测定方法
• 2.5.4 径流泥沙含量水样采集与测定方法
• 2.5.5 土壤、植物叶片及枯落物样品采集与测定方法
• 2.5.6 枯落物层模拟酸雨淋溶试验
• 2.5.7 数据分析
• 3 降雨及典型林分产流特征
• 3.1 降雨时间及雨量特征
• 3.1.1 降雨时间分布
• 3.1.2 降雨量分级和雨强分析
• 3.1.3 典型暴雨及雨强分析
• 3.2 典型林分产流特征
• 3.2.1 地表径流与地下径流时间分布特征
• 3.2.2 暴雨产流特征
• 3.3 小结
• 3.3.1 缙云山降雨特征
• 3.3.2 典型林分产流特征
• 4 典型林分的水质净化功能
• 4.1 地表径流侵蚀产沙特征及其与浊度的关系
• 4.1.1 地表径流产沙量
• 4.1.2 地表径流泥沙含量与浊度的关系
• 4.2 典型林分不同层次的水质效应
• 4.2.1 降雨化学性质
• 4.2.2 典型林分不同层次对水质的影响
• 4.3 小结
• 4.3.1 典型林分地表侵蚀产沙与浊度
• 4.3.2 典型林分水化学效应
• 5 典型林分酸缓冲性能
• 5.1 优势乔木
• 5.1.1 叶片C、N、P
• 5.1.2 叶片Ca、Mg、K、Na
• 5.1.3 叶片Fe、Mn
• 5.1.4 叶片Al
• 5.2 枯落物层
• 5.2.1 C、N、P
• 5.2.2 Ca、Mg、K、Na
• 5.2.3 Fe、Mn
• 5.2.4 Al
• 5.2.5 枯落物层对模拟酸雨的响应
• 5.2.6 枯落物养分评价
• 5.2.7 枯落物酸缓冲潜力的评价
• 5.3 森林土壤
• 5.3.1 有机碳（SOC）
• 5.3.2 全氮（TN）、全磷（TP）和全钾（TK）
• 5.3.3 速效氮、速效磷和速效钾
• 5.3.4 阳离子交换量（CEC）
• 5.3.5 交换性盐基
• 5.3.6 Fe和Mn
• 5.3.7 交换性Al
• 5.3.8 土壤养分评价
• 5.3.9 土壤酸缓冲潜力评价
• 5.4 森林不同层次间元素含量的关系
• 5.5 小结
• 6 典型林分径流水质综合评价
• 6.1 水域功能和标准分类
• 6.2 水质评价
• 6.2.1 单因子评价
• 6.2.2 综合指数评价
• 6.2.3 主成分分析与聚类分析
• 6.2.4 灰色关联评价
• 6.2.5 BP网络评价
• 6.2.6 不同径流水质评价方法对比
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 成果目录清单
• 致谢