RESEARCH ISSUES IN FOREST HYDROLOGY1

ABSTRACT: This paper explores a range of forest hydrology issues and identifies my concepts of the field's most pressing research needs. I extend the topic to include teaching and education in the broader sense because current teaching is usually part of the researcher's portfolio and because education involves that of both the research scientist and a broader audience. I consider the primary research, education, and service roles of the forest hydrologist also within a range of domains or, as I prefer to identify them, scales: (1) the molecular or pore level; (2) hydrological process; (3) watershed function; (4) global considerations, and (5) the human dimension which, while not actually a scale itself, embraces, is important to, and is affected by the first four. All are topics screaming for attention by researchers, educators, and practitioners. I shall here focus on the middle three.     

森林影响河川径流的流域因素

国内外所进行的小区或小流域试验表明,砍伐森林径流量增加,增加森林植被覆盖则径流量减少。但是,在大流域,砍伐森林并不一定能增加河川径流量。小面积试验得出的结论不适于推而广之到大的流域。其主要原因是流域因素——所处的自然气候地带、地质地貌特别是水文地质条件的不同。大面积种树种草或砍伐森林,对一个较大流域总水量的影响是比较复杂的。在什么样的条件下水量减少、增加或者变化不大,要对整个流域进行详细地调查和观测,只进行简单的小流域试验是不可能得出正确结论的。     

基于GIS的黄土高原地区植被与气候关系研究

排序是植被与环境关系分析的重要手段。利用地理信息系统技术 (GIS)结合除趋势典范对应分析对黄土高原地区植被与气候关系进行了研究。结果清楚地反映了黄土高原地区植被与气候的地带性分布规律 ,证明GIS结合植被数量生态分析方法在黄土高原植被与环境关系的研究中是有效的     

南方林区2000~2016年林火释放污染物动态变化研究

以南方林区为研究区域,基于林业统计年鉴和MODIS卫星火点数据,结合相关文献中不同林型各类污染物的排放因子数据,估算2000~2016年间研究区域各省森林生物质燃烧及污染物排放总量,并分析其时空变化情况.结果表明,南方林区森林火灾总体呈先升后降的趋势,林火空间分布较为分散.2000~2016年南方林区森林生物质燃烧总量4.79×10⁴kt.其中,温带常绿针叶林、温带常绿阔叶林、温带落叶阔叶林、热带常绿阔叶林和灌木的燃烧比例分别为65.24%,17.45%,1.55%,1.10%和14.66%.CO、CO₂、NO_x、CH₄、VOCs和PM_2.5等主要污染物的排放总量均值依次为3.73×10³,5.87×10⁴,48.05,347.27,358.54和365.06kt.此外,各类污染物的时空分布差异性明显：福建、广东、广西全省,海南西部,以及江西和湖南南部是各类污染物网格排放高值区;江西和湖北各类污染物的排放呈显著下降,福建NO_x、VOCs和PM_2.5,以及广东CH₄和VOCs下降趋势显著,其余省份各类污染物排放下降但不显著.林火释放污染物占工业粉尘比例呈波动性上升,表明该地区森林火灾对大气环境的影响程度逐渐增加.     

内蒙古锡林郭勒盟景观尺度土壤保持功能的空间分布

景观作为理解和塑造人类社会与环境最具操作性的尺度,其土壤保持功能是实现景观可持续性的重要条件。在遥感和GIS技术的支持下,采用改进的通用土壤流失方程(RUSLE)对内蒙古锡林郭勒盟景观土壤保持功能的空间分布进行研究。研究表明,研究区土壤保持总量为1.699×10~9 t?a~(-1),单位面积土壤保持量为85.39 t?hm~(-2)?a~(-1);土壤中N、P、K元素保持量分别为9.25×10~6 t?a~(-1)、6.14×10~6 t?a~(-1)、3.41×10~7 t?a~(-1)。按一级景观估算,土壤保持能力从强到弱依次为林地耕地草地住宅用地未利用地水域;按二级景观估算,土壤保持能力以灌木林地为最高,其次分别为有林地、疏林地、丘陵旱地、平原旱地、高盖度草原、山地旱地、中盖度草原,最差的是盐碱地和裸岩石质地。不同景观的土壤保持功能随植被覆盖度的增加呈非线性增长趋势,当植被覆盖度小于50%时,单位面积土壤保持量随植被覆盖度增大而缓慢增加;当植被覆盖度大于50%时,土壤保持功能随植被覆盖度增大而显著增加。因地制宜地提高研究区的植被覆盖度,合理配置景观空间分布格局,有助于景观服务功能的发展,从而对区域生态安全和人类福祉做出更大贡献。     

辽河口沉积物环境要素时空动态及影响因素分析

以辽河口为研究区域,利用遥感影像数据、现状调查数据和历史监测数据,系统地分析了辽河口沉积物质量历史变化趋势和空间分异规律,并进一步研究不同海域使用类型和不同植被演替阶段对沉积物环境要素分异特征的影响.结果表明,辽河口区域沉积物质量总体良好,各要素平均含量均符合一类沉积物质量要求;沉积物营养元素呈现显著的带状分布规律,重金属元素空间分布具有一定随机性,未呈现显著规律;不同海域使用类型对沉积物污染物富集的影响具有一定差异显著性,说明重金属及污染物的分布受到人类活动的影响,具有一定的随机性;植被不同演替阶段下主控因子具有显著差异,初级阶段主要受盐度控制,随着由盐生植被向陆生植被逐渐过渡,植被分布特征与总有机碳(TOC)、总氮(TN)和总磷(TP)的内在联系逐渐增大,同时重金属等污染物含量与植被群落内在联系并不显著.     

20世纪初以来沂蒙山区森林植被动态及其对气候变化的响应——基于遥感和树轮的研究

遥感能够直接反映植被生长信息,但目前观测时间较短;树轮资料可以弥补遥感手段的不足,但往往缺乏与植被生长状况（如植被生产力）的直接关联。已有研究往往计算不同植被指数指标和树轮指数的相关性,并基于此来重建长时间尺度的植被动态信息。但基于相关性所选取的指标在不同地区存在较大差异,不利于空间对比研究。以沂蒙山区为研究区,选取能够有效表征植被年初级生产力的生长季NDVI累积值指标,利用Bootstrap法建立了其与树轮宽度的关系,重建了20世纪初期以来植被动态时间序列,并分析了变化特征及其与气候变化的关系。结果表明：沂山地区生长季NDVI累积值的多年平均值为7.36,低于蒙山和塔山地区;蒙山地区植被状况呈现好转趋势,特别是20世纪90年代之后植被好转趋势更加明显,而塔山和沂山地区植被无显著变化。小波分析结果表明研究区植被动态存在较显著的2 a、4 a或8 a尺度的周期变化,与生长季帕尔默干旱指数及平均温度的周期变化相一致,但干旱指数与植被动态具有更高的相关性。本研究综合运用树轮与遥感技术发展了长时间尺度植被动态时间序列重建方法,有助于更好地理解植被动态及其对气候变化的响应。     

我国西南地区森林土壤中有机氯农药和多氯联苯残留的初步研究

对西南地区森林土壤中有机氯农药和多氯联苯的分布和剖面进行了区域尺度分析。相比较发达国家和地区,我国西南地区森林土壤中有机氯农药含量水平较高,多氯联苯则相对较低。这与我国此类持久性有机污染物历史使用情况吻合。多氯联苯和有机氯农药在腐殖质层的含量一般高于表层土壤中,说明淋溶作用导致污染物向下移动。DDTs和HCHs是土壤样品中有机氯农药的主要成分,说明我国历史上长期施用农药对森林土壤农药的组成有显著影响。环境参数（包括TOC、降雨量和海拔高度）对大多数有机氯农药的区域空间分布的作用并不显著,周边污染源是控制有机氯农药在腐殖质层土壤中分布的关键因素;尤其是DDTs,比值分析结果显示仍有新鲜的工业滴滴涕输入。多氯联苯在腐殖质层中的含量明显要高于其在表层土壤中的含量,多氯联苯在土壤中的空间分布和土层中的垂直分布主要受土壤TOC含量的控制。以大气干湿沉降来源贡献为主的多氯联苯与土壤中的有机质有效结合会降低它们的再挥发过程,表明西南地区山地森林对多氯联苯具有一定森林过滤效应。     

三峡库区社区水平乡村路网对森林景观变化的影响

人为扰动是短时空尺度内森林景观变化或用途转换的主要动力,而乡村路网则成为人为扰动拓展的主要通道。基于1992、2002、2014年三峡库区重庆市石柱县西沱镇3期遥感影像和实地调研数据,在ArcGIS平台支持下,研究社区水平乡村路网对森林景观变化的影响。结果表明：1）1992—2014年研究区乡村路网影响域内次生林、退化林地和耕地的动态变化较显著,集中分布在中西部平坦区。1992—2002年乡村路网缓冲区内森林景观整体呈退化趋势,退化类型以次生林→退化林地、次生林→耕地、退化林地→耕地为主,演化量达1 705.91 hm²;2002—2014年乡村路网缓冲区内森林景观主要呈恢复趋势,恢复类型以耕地→退化林地、耕地→次生林、退化林地→次生林和原始林→退化原始林为主,演化量达1 674.52 hm²。2）相比发现,前一时期研究区乡村路网长度的增加和路网材质的提升很大程度上驱动森林景观的退化,而后一时期低等级路段的消失、废弃或利用率的降低则有助于森林景观的恢复,消失路段恢复率近100%。3）研究有助于丰富人们对社区水平乡村路网影响森林景观变化的理解与认识,为生态文明建设中合理规划乡村路网提供科学依据。     

黄土丘陵区撂荒恢复过程中植物群落组成与土壤养分及酶活性变化的关系

为揭示黄土丘陵区植被恢复过程中土壤性质变化趋势,以黄土丘陵区10~45a的撂荒地为研究对象,分析撂荒后植被恢复过程中植物群落演变规律、土壤养分含量、4种酶活性变化及其相关关系.结果表明,随着撂荒年限的增加,恢复过程中主要群落的演变为猪毛蒿(Artemisia scoparia)→达乌里胡枝子(Lespedeza dahurica)+铁杆蒿(Artemisia sacrorum)→茭蒿(Artemisia giraldii)+铁杆蒿→白羊草(Bothriochloa flaccidum)+茭蒿,群落多样性指数整体表现为先增后减的趋势,菊科(Compositae)、禾本科(Poaceae)及豆科(Leguminosae)这3科占比从66. 67%降至50%,后上升到75%.土壤有机碳(SOC),全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)、速效磷(AP)与碱性磷酸酶(ALP)、过氧化氢酶(CAT)、脲酶(UE)与蔗糖酶(SC)这4种酶活性呈增加趋势,但增加程度不同,化学计量比总体呈波动上升趋势.菊科、禾本科与豆科相比总科数、总属数、总种数及植物多样性,对养分和酶活性有更显著的影响,贡献率分别为72. 8%、69. 1%、66. 0%,且三大科对土壤酶的影响大于土壤养分,其中禾本科与豆科对养分及酶活性表现为正影响,而菊科表现为负影响.撂荒恢复过程中草地群落优势科占比的升高显著影响土壤酶的升高,并导致土壤养分变化.