中亚热带韶山森林水文特征与主要营养物的生物地球化学过程研究

论文摘要

研究地韶山位于中国中南部的湖南省湘潭市韶山蔡家塘,属于亚热带气候,丘陵地貌,年平均降雨量12001700 mm,植被类型为亚热带针阔混交林,针叶为主。2000年1月2003年12月在韶山蔡加塘森林小流域中进行样品采集工作,其样地设置和采样方法及质量控制按EMEP手册的要求进行,对大气、土壤、地表水和土壤水的变化进行监测。森林的水文特征对森林的生产力和营养物质的循环有着重要的影响。林冠层截留损失在森林地蒸散发中通常是非常显著,有时可能成为主要的水分损失源。韶山森林冠层具有二维结构,上部乔木冠层的覆盖率约为82 %;下部灌木亚冠层覆盖率约为41 %。对于韶山森林的二维冠层结构很难一次应用Gash降雨截留解析模型来者模拟冠层截留损失。考虑到Gash模型的本质以及每层林冠的高度和冠层的覆盖率,用原始Gash模型来模拟上部乔木冠层的截留损失,用修正的Gash模型来模拟较为稀疏的下部灌木层的截留损失。2003年乔木冠层截留损失测量值占到年降水量的15.0 %,灌木亚冠层的截留损失占到年降水量的9.0 %,总截留损失占到了年降水量的24.0 %。Penman -Monteith（PM公式）方程算得乔木冠层单位地表面积的平均蒸发率为0.79 mm·h-1,稀疏灌木亚冠层的为0.32 mm·h-1。原始Gash模型模拟的乔木冠层的损失为215.6 mm,高出测量值17.2 %;稀疏Gash模型的模拟值为118.5 mm,高出模拟值7.0 %。韶山森林树枝和树干的蒸发损失所占截留损失较少的比重。解析冠层截留模型在许多环境中得到了成功的应用,但是决定冠层截留损失大小的蒸发速率和空气动力学阻力参数在以往的应用中,均被予以假设（空气动力学阻力参数通常被假设为0）而没有进行实际计算和测量。用7种不同的方法分别计算空气动力学参数值,用PM公式计算蒸发率。稀疏Gash模型模拟的穿透水的值高出测量值1.6 %,模拟的茎干流高出实测值12.4 %。韶山地区的降水属于硫酸性降水。韶山大气降水和森林穿透水中的阳离子浓度在降雨的总离子浓度中所占比重均大于65 %,有的甚至高达82 %。韶山大气降水、穿冠水和地表穿透水的离子是极不平衡的,大气降水中SO42-和NO3-的平均最大浓度都出现在春季,在韶山森林四年的观测年中,穿透雨中弱酸的浓度和通量比起降雨在各个季节均有较大程度的富集。韶山森林植被对酸雨的缓冲作用以及对酸性物质的中和作用是非常明显的,而且作用主要发生在冠层。韶山森林冠层三个空间层次中pH值与SO42-、NO3-以及Ca2+的回归分析和数学模拟结果表明,H+与SO42-的来源一致,主要来源于工业污染。盐基离子总沉降通量在春、

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 森林水文学及森林水文效应
• 1.1.1 森林水文学
• 1.1.2 森林水文效应
• 1.1.3 森林水文学研究现状及进展
• 1.1.4 森林与降水的相互作用
• 1.1.5 森林对径流泥沙和水质的影响
• 1.1.6 森林水文过程的模拟研究
• 1.1.7 森林水文学发展趋势
• 1.2 酸雨与环境酸化
• 1.2.1 酸雨形成机制与研究领域
• 1.2.2 中国的酸雨分布
• 1.2.3 酸雨的森林生态效应
• 1.2.4 森林对酸雨组成的改变及缓冲作用
• 1.3 酸沉降临界负荷及其模型研究进展
• 1.3.1 酸沉降临界负荷研究现状
• 1.4 本文构想
• 第2章 研究地概况与样区及监测点概况
• 2.1 研究地概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 气候
• 2.1.3 植被
• 2.1.4 气象参数及其测量
• 2.2 样方设置和仪器位置
• 2.2.1 样方的设置原理
• 2.2.2 采样仪器的分布
• 2.2.3 样品采集
• 2.3 分析方法及研究假设
• 2.3.1 分析方法
• 2.3.2 研究假设
• 2.3.3 数据处理
• 第3章 韶山森林冠层水流量的测量与模型估算
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.3 模型概述
• 3.3.1 原始Gash 模型
• 3.3.2 稀疏Gash 模型
• 3.3.3 树冠层结构参数的确定
• 3.4 结果
• 3.4.1 降雨的分流与可变化性
• 3.4.2 降雨分布及气象条件
• 3.4.3 树冠层结构参数
• 3.4.4 冠层截留成分
• 3.4.5 误差分析
• 3.5 讨论
• 3.5.1 冠层储存容量
• 3.5.2 蒸发速率
• 3.5.3 冠层截留损失
• 3.6 结论
• 第4章 中亚热带常绿森林冠层蒸发速率估算—Penman-Monteith 方程与空气动力学阻力法的应用
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 模型描述
• 4.3.1 冠层结构参数的确定
• 4.4 结果
• 4.4.1 气象数据分析
• 4.4.2 稀疏Gash 模型参数值估计
• 4.4.3 蒸发速率
• 4.4.4 冠层水流组成
• 4.5 讨论
• 4.5.1 森林结构参数
• 4.5.2 冠层水文成分的比较
• 4.5.3 运用稀疏Gash 模型要注意的问题
• 4.6 结论
• 第5章 韶山亚热带森林二维冠层沉降化学
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果
• 5.3.1 韶山森林大气降水离子分布
• 5.3.2 韶山森林大气降水污染程度
• 5.3.3 韶山森林大气降水影响源类型
• 5.3.4 森林穿透水离子分布
• 5.3.5 韶山降水离子平衡
• 5.3.6 韶山森林降水中离子的相关性及回归分析
• 5.3.7 主成份特征分析
• 5.3.8 韶山降水与中国部分城市降水的比较
• 5.4 讨论
• 5.4.1 人为因素对韶山污染的影响程度
• 5.4.2 树冠层对酸沉降的缓冲机理
• 5.4.3 大气降水对穿透水酸度的影响
• 5.5 结论
• 第6章 韶山亚热带森林大气湿沉降与冠层作用模式
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.3 计算与统计学分析
• 6.4 结果
• 6.4.1 降水与冠层截留
• 6.4.2 降水与穿透水化学
• 6.4.3 干沉降与冠层滤出
• 6.4.4 降水与穿透水中离子的相关性
• 6.4.5 净穿透水中的干沉降
• 6.4.6 净穿透水中的冠层滤出
• 6.4.7 离子浓度（Cx）与酸度
• 6.5 讨论
• 6.5.1 干沉降与冠层滤出
• 6.5.2 降水与穿透水模式
• 6.5.3 降水与穿透水中的离子通量
• 6.5.4 类似森林中的降水和穿透水化学
• 6.5.5 Na-比值法的应用
• 6.6 结论
• 第7章 弱酸（有机酸）在韶山亚热带针阔叶混交林冠层营养离子滤出与吸收过程的作用
• 7.1 前言
• 7.2 材料和研究方法
• 7.3 方法理论
• 7.3.1 通量计算
• 7.3.2. WA-INCLUDED 模型
• 7.3.3. WA-EXCLUDED 模型
• 7.4 结果与讨论
• 7.4.1 降雨和穿透水中的弱酸
• 7.4.2 盐基阳离子的冠层滤出
• 4⁺和H⁺的冠层交换'>7.4.3 NH₄⁺和H⁺的冠层交换
• +/ NH₄⁺ 交换比率的影响'>7.4.4 弱酸对冠层H⁺/ NH₄⁺交换比率的影响
• 7.5 不确定性分析
• 7.6 结论
• 第8章 韶山亚热带森林盐基离子的干沉降与冠层淋溶
• 8.1 引言
• 8.2 材料与方法
• 8.2.1 Na-比值法
• 8.2.2 多元线形回归分析
• 8.3 结果
• 8.3.1 降水和穿透雨的化学性质
• 8.3.2 净穿透通量
• 8.3.3 干沉降和冠层淋溶
• 8.4 讨论
• 8.4.1 降水和穿透雨的化学性质
• 8.4.2 干沉降和冠层淋溶
• 8.4.3 弱酸对冠层淋溶的影响
• 8.4.4 [H+]和P 对冠层淋溶的影响
• 8.4.5 气候影响
• 8.4.6 不确定性分析
• 8.5 结论
• 第9章 酸雨作用下韶山森林冠层主要营养离子及H+的季节性交换及总沉降通量
• 9.1 引言
• 9.2 材料与方法
• 9.2.1 总沉降与冠层盐基离子滤出计算
• 9.2.2 通量的计算和统计分析
• 9.3 结果
• 9.3.1 降雨及冠层的拦截损失
• 9.3.2 大气降雨、森林穿透水和亚冠层穿透水的pH 值
• 9.3.3 盐基离子冠层淋溶的季节特征
• 9.3.4 H+和N 在冠层交换中的季节性特征
• 9.3.5 离子总沉降通量（TD）和干沉降通量（DD）的季节变化特征
• 9.4 讨论
• 9.4.1 森林穿透水和亚冠层穿透水中雨水量
• 9.4.2 大气降水、森林穿透水和亚冠层穿透水的pH 值
• 9.4.3 盐基离子在冠层和亚冠层上的淋溶
• 4⁺-N, N0₃^--N）和H⁺的吸收'>9.4.4 两冠层中氮元素（NH₄⁺-N, N0₃^--N）和H⁺的吸收
• 9.4.5 不确定性分析
• 9.5 结论
• 第10章 韶山森林生态系统硫与氮的输入输出通量
• 10.1 引言
• 10.2 材料与方法
• 10.3 森林生态系统硫与氮的输入输出
• 10.3.1 韶山森林降水的输入输出
• 10.3.2 韶山森林降水的pH 值分布
• 10.3.3 韶山森林输入和输出浓度
• 10.4 讨论
• 10.4.1 降雨量和干沉降
• 10.4.2 氮的输入、输出特征
• 10.4.3 氮的净截留
• 10.4.4 硫的净截留
• 10.5 结论
• 第11章 应用动态模型确定韶山森林生态系统酸沉降临界负荷
• 11.1 前言
• 11.2 临界负荷主要计算模型及其特点
• 11.3 研究方法
• 11.3.1 模型选用的依据
• 11.3.2 确定临界负荷的一些化学指标
• 11.3.3 SMART 和MAGIC 结合模型的结构
• 11.4 模型的应用
• 11.4.1 模型参数的确定及校验
• 11.4.2 硫沉降临界负荷的计算
• 11.5 讨论
• 11.5.1 森林生态系统酸沉降临界负荷计算的不确定性
• 11.5.2 盐基离子沉降量的变化对酸沉降临界负荷的影响
• 11.6 酸沉降临界负荷及模型研究展望
• 11.7 结论
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢