1、一一研研究背景究背景二二森森林水林水源源涵养机制涵养机制 三三森森林景林景观观恢复恢复四四主主要结论要结论岷江是长江水量贡献最大的支流（8.9%)，对维护成都平原乃至长 江流域水资源、长江经济带生态屏障发挥着重要的作用；岷江流域复杂高山峡谷地貌和高山植被垂直带谱，以及气候变暖 和森林采伐、森林恢复等多种复合因子变化对森林水源涵养功能 的影响研究在中国乃至全球均具有特特殊殊性性、典典型型性性；Sichuan ChongqingShannxiYunnanXizhang(Tibet)Qinghai GuanshuGuizhouMingjiang WatershedEEEE#E#E#E#E#E#岷岷江
2、上江上游游天然植天然植被被破破坏坏/退化退化严严重重岷江流域森林覆盖率从38(1949)下降16(1985)、27(1998)、44.9(2014),天然林面积减少/结构与功能退化/景观破碎化严重19551955年年20002000年年706050403020100195019601970198019902000年采伐量(104m3)年份 years 中幼龄针叶中幼龄针叶林林 MYC老龄针叶老龄针叶林林OC针阔混交针阔混交林林MCD落叶阔叶落叶阔叶林林DB灌丛灌丛 草甸草甸 农田农田裸岩裸岩 冰雪冰雪400042003600400037004000米亚罗植被图米亚罗植被图采采伐导伐导致致森林景
3、森林景观观破碎化破碎化杂杂谷脑谷脑流流域域海拔3000-4000米y=0.0205x+3.636 R2=0.388422.533.544.555.561959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温The annual average temperature()时间 Time/a平均气温 The average temperature线性(平均气温 The average temperature)5年移动平均 The 5 years-mo
4、ving average海拔2000-3000米y=0.0117x+9.3381 R2=0.1817109.598.587.51110.51959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温The annual average temperature()时间 Time/a平均气温 The average temperature线性(平均气温 The average temperature)5年移动平均 The 5 years-moving a
5、verage海拔1000-2000米y=0.0142x+14.107 R2=0.201212.51313.51414.51515.5161959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温The annual average temperature()时间 Time/a平均气温 The average temperature线性(平均气温 The average temperature)5年移动平均 The 5 years-moving av
6、erage温度温度海拔1000-2000米y=1.2589x+996.98 R2=0.02127008009001000110012001300140015001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间 Time/a降水量 The Rainfall线 性(降 水 量 The Rainfall)5年移动平均 The 5 years-moving average海拔2000-3000米y=1.0347x+72
7、6.89 R2=0.05575005506006507007508008509001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间 Time/a降水量 The Rainfall线性(降水量 The Rainfall)5年移动平均 The 5 years-moving average海拔3000-4000米y=-2.072x+974.54 R2=0.08967008009001000110012001959196
8、119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间 Time/a降水量 The Rainfall线性(降水量 The Rainfall)5年移动平均 The 5 years-moving average降水量降水量岷江上游气候变岷江上游气候变化化-干暖化趋干暖化趋势势气气候变候变化化加剧水加剧水资资源减源减水水和和水水生态生态安安全危机全危机河川径流时程分配格局改变：雨洪径流增加，枯水期延长岷江上游流入成都平原的水资源总量从1
9、20亿万m3下降到年平均水流量90亿m3，成为水生态安全的重大危机地表与地下径流的比从7:3上升为8:2年最小枯水量从147亿m3下降到119亿m3洪枯流量比达90以上森林植被水源涵养功能下降、植被恢复和气候变化共同 影响流域水文、水资源和经济社会可持续发展。国际上普遍采用配对小集水区研究森林与径流的关系，视森林为黑箱 (Andrassian,2004),定式结论：森林采伐增加流域产水量 国内多采用对比流域研究森林覆被率与径流变化的关系，缺乏深入水文过 程及机制的认识，长江上游呈相反的结论并存在争议(马雪华,1987;程根 伟,1991)全球变化生态水文学冰冰川融化川融化雪雪积雪积雪融融变化变
10、化大气大气CO2增加增加 降水格降水格局变化局变化 全球气全球气温增加温增加气气候变化候变化响响 应应 与与 适适 应应人类活人类活动动LULUCF一一研研究背景究背景二二森森林水林水源源涵养机制涵养机制 三三森森林景林景观观恢复恢复四四主主要结论要结论 应用稳定同位素技术辨识典型森林植被类型 水文循环过程、路径及迁移转化变化规律1.1.亚高山暗针叶亚高山暗针叶林林:岷江冷杉岷江冷杉:30-60cm30-60cm 土壤水土壤水；大叶金顶杜鹃大叶金顶杜鹃:0-40cm:0-40cm 土壤水；土壤水；冷箭竹冷箭竹:枯落物枯落物层层和和 0-5cm0-5cm 土壤水土壤水 2.2.亚高山灌亚高山灌丛
11、丛:川滇高川滇高山栎和丝毛山栎和丝毛柳柳:吸收腐吸收腐殖质层殖质层和和0-30cm0-30cm 土壤土壤水水 3.3.高山草甸高山草甸:驴蹄驴蹄草草:0-5cm0-5cm 土壤水土壤水,狼毒狼毒:25-45cm 25-45cm 土壤水土壤水；InterflowGroundwater徐 庆，安树青，刘世荣等.2005，林业科学 徐振,安树青等.2007,资源科学Cui J,SQ An,et al.Journal of Hydrology,20082、森林植被水源涵养机制 定量阐明生态系统中优势植物吸收水模式和利用方式，枯枝落叶层和土壤层调蓄过程L-3 岷江冷杉051015202530树干径流量(
12、mm)0-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20树干径流18O()1 35 11 15 17 18 19 21 23 32 35 38 39 40 45 46 47天数(Day)树干径流量树干径流18O05101520258-108-118-138-158-248-308-319-1日 期 Date降 水 量 和 穿 透 水 量 Precipitationand throughfall amount/mm18O/降 水 量 precipitation amount树 干 茎 流 量 Stemflow amount枯 枝 落 叶 Litter w ater 18O树 干 茎 流 St
13、emflow 18O地表径流对降水响应依降水量而变化：降水降水15 mm时时第第2天天18O差差值值显显著影著影响响；降水降水10-15 mm时第时第3天天18O差差值明值明显显变小；变小；降降水水红桦冷杉(mm/day)最大林冠层蒸腾量：3.17 2.08 1.69原始林产水量增加75.51%次生林产水量增加36.46%刘世荣刘世荣等等.2001,自然资源自然资源学报学报Zhang YD,et al.2008,JAWRA2、森林植被水源涵养机制Liu et al.,2009,Journal of Hydrology 同位素水分溯源揭示了森林植被类型的产流强度:森林高山草甸；冰川融雪水是岷江枯
14、水季主要补给来源，气候变暖加剧冰川消融和降雪减少，减水了河流的基流 补给，可能威胁岷江水资源的安全。2、森林植被水源涵养机制同位素示踪发现：高山草甸低蒸发、低蒸腾、高渗透；亚高山森林为低蒸发、高蒸腾和高渗透；首次发现高山草甸与亚高山森林构成了完整的自然水文循环景观系统。低海拔亚高山森林蒸腾 水分形成高山草甸的雾水，雾水和雨水进入高山草甸入渗土壤转移补给亚高山森林的土壤水分，构成植被土壤浅层地下水河道快速下泄水分循环体系；季风水汽补充2、森林植被水源涵养机制Liu et al.,200902468距 离 采 伐 时 间（年）The number of years after harvesting
15、(year)10径 流 系 数变化率（%）Variation rate of runoff cofiecient(%)-100-50050100150200aaabbbcccc草本阶段草本阶段灌灌 丛丛 阶阶 段段a 配配对对径流场数据；径流场数据；b 配对集水区数据；c 插插值值数据数据原始原始冷杉冷杉林林采伐采伐后后产水产水量量动态动态变变化化6005004003002001000原始林 草地 灌丛 阔叶林 针阔混 人工林 年耗水量(mm)草本阶段（1-3年）：产水增加灌丛初期（4-6年）：不原始林持平灌丛阶段（7-15年）：低于原始林阔叶林阶段（15-40年）：进一步降低针阔混阶段（40
16、-100年）：产水量开始长 期缓慢回升老龄冷杉林（100年后）：重新达到最佳 水源涵养功能人人工工云云杉杉林林耗耗水水量量最高最高0100200300400500600700原始林 草地 灌丛 阔叶林 针阔混交林 老龄林 年产水量(mm)100年年以上以上2 201010 0-20-202 20 0未未来来5 50 0年年2、森林植被水源涵养机制0.80.70.60.50.40.30.9 20002000200020002001200120012001200220022002200320032003200320042004200420042005200520052005200620062006
17、20062007200720072007200820082008200920092009200920102010MODIS/NDVI原始冷杉林40-60年生云杉林粗糙粗糙度度静静态指标态指标 植被覆盖植被覆盖率率半静态半静态植被数植被数量变化量变化 植被指数和植被指数和叶面积叶面积指指数数 数量、数量、结构、功能动态变化结构、功能动态变化 时间时间、空间分布特征变、空间分布特征变化化 传 统 水文 学 采用遥感归一化植被指数(NDVI)和叶面积指数(LAI)表征植被时 空动态变化并建立与水文过程时间序列的对应耦合关系，揭示了 森林植被生态与水文过程的动态耦合机制2 0 0 01 5 0 01
18、0 0 05 0 003 0 0 02 5 0 019881989199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004 F l o w m 3/sS t r e a m f l o wB f l o w P a s s 3森林植被的动态变化2、森林植被水源涵养机制-生态水文耦合Y e a r流域水文过程的动态变化Sun et al.,2008,20124.85.05.65.45.25.86.019821984198619881990199219941996199820002002YearsTI-NDVIc4.54.64.7 4
19、.84.95.0AGDDA(10 3)TI-NDVI Linear annual AGDDLinear TI-NDVIc 130012001100 1000900800700600500400300200100019821984198619881990199219941996199820002002Yearsmm annual AGDDRunoff Precipitation ET 基于亚高山森林NDVI长时间系列分析检测出水文响应的敏感变 化，揭示了气候变化对森林影响引起流域水文变化的机制，气候 变暖诱发蒸散增强引起径流量变化贡献约43 改变了传统水文学定式认识，采用森林覆盖率(草 甸；产水
20、：草甸森林孙鹏森等2016；刘宁等201314921151861312212014871016221915317植植被类型被类型 ClassClass农田（CL）落叶阔叶林（DBF)常绿针叶林（EBF）针阔混交林（MF）灌木林（SL）灌草混合（SMT)高山草甸（AM）水体（WB）裸岩（R）永久积雪（SG）10 KM(a)(b)3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同森林植被覆盖率不土壤含水量的关系3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同植被类型主导流域的NEP不Runoff的关系1、产流（Q)：草甸主导的流域(z=-3.0,p 0.01)和混交林主导的流域(z=-2.8,p 0.01)显著度高于针 叶林主
21、导的流域(z=-2.5,p0.1)和混交林主导(z=1.3,p 0.1)的植被类型上升趋势不显著,而草甸主导的 类型上升显著(z=2.09,p 针阔混交林 次生桦木林 人工云杉林植被固碳能力：桦木冷杉林 人工云杉林 次生桦木林冷杉为节水、调水和蓄水最佳功能树种，具有较高的WUE以岷江冷杉林为亚高山针叶林具有相高固碳量和产水量，是亚高山水源涵养林恢复的最佳类型3、基于水碳权衡的森林景观恢复岷江流域森林景观恢复开开发前发前 原原始林始林为为主主大大规模规模开开发发草甸、灌丛、阔叶幼林的不草甸、灌丛、阔叶幼林的不断增加和原始林的不断减少断增加和原始林的不断减少全全面恢复面恢复目前目前次次生阔生阔叶叶
22、林为主林为主 针针阔混阔混为为主主岷岷江森江森林林景观景观恢恢复复对策对策：促进促进向向老龄老龄冷冷杉林杉林正正向向演替演替，确保确保未未来来产水产水缓缓慢恢复慢恢复阔阔 叶叶 林林 林林 下下 栽栽 栽栽 针针 冷冷 保保 杉杉 阔阔开开 人人 辟辟 工工 林林 云云 窗窗 杉杉 栽栽 林林 冷冷杉杉森林景观恢复景观恢复不仅是森林覆盖的恢复，而且是森林覆盖数量、质 量和功能的恢复，在较大的景观空间内能够提高森林的物质 产品、服务功能和生态过程景观恢复的生态完整性（生物多样性、生态功能、物质产品 生产和生态服务）并不仅指组成、结构和功能，而且还包括 动态变化和适应进化Forest landsc
23、ape restoration focuses on restoring forest functionality:that is,the goods,services and ecological processes that forests can provide at the broader landscape level as opposed to solely promoting increased tree cover at a particular location.森林景观恢复展望基基于于水碳权衡的森林景观恢复多功能经营规划系水碳权衡的森林景观恢复多功能经营规划系统统自主开发自
24、主开发了了FLMPS森林景观经营规划系森林景观经营规划系统统，并并与与水碳耦合模水碳耦合模型型WASSI-C模型融模型融合合，构建森林景观优化决策支持系，构建森林景观优化决策支持系统统。1030507090110130150170190140016001200140010002地位级12001b地位级8003地位级4地位级10008001a地位级1地位级6005地位级6002地位级4005a地位级4003地位级20020000205080110140170200230冷杉生冷杉生长过程长过程云杉生长过程云杉生长过程 模拟森林生长、采伐和更新 森林经营规划落实到小班软件注软件注册权：森林经营规划
25、软册权：森林经营规划软件件V1.0（登记号（登记号2009SR033815）;虚拟林虚拟林相及规划方案落实软相及规划方案落实软件件V1.0（登记号（登记号2009SR056650）技术关键：把线性规划、天然林经营、均匀 度理论、虚拟现实技术等有机结合起来，应用 于退化水源涵养林空间经营规划。FSMPS森林空间规划软件框架森林空间规划软件框架能能具具否否体体落落空空实实间间到到能能森林森林空间空间 规划规划实施实施 方案方案否否数字数字地地形形数据数据矢量矢量化化林林相图相图水系水系、植植被图被图约束约束条件条件分分 配配 到到 小小班班LP-Solve林分林分生生长长过程过程规划规划目标目标F
26、SMPS作业（采更育）规程作业（采更育）规程森林森林空间空间 规划规划方案方案空间空间分分配配原则原则提出提出了了岷岷江上江上游游亚亚高高山山水水源涵源涵养养林空林空间优间优化化布局布局与与多多 功能空功能空间间经经营营方方案案。水源涵养林规划期 末200年后林相图水源涵养林规划期末 云杉转换为冷杉林区域 水源涵养林规划期末 云杉与冷杉年龄分布图 保护原始云冷杉林，天然更新或人工促进天然更新，人工林结构改造 优化森林-高山灌丛-草地的景观配置，以及树种空间布局。岷江上岷江上游生态水文研究图游生态水文研究图集集,中国地中国地图出版图出版社社,2008,北京北京基基于于水碳权衡的森林景观恢复多功能
27、经营规划系水碳权衡的森林景观恢复多功能经营规划系统统岷江上游流域不同作用层的水源涵养量与贡献率措施前措施后（人工更新、封育）水源涵养量贡献率（107m3）贡献率（%）水源涵养量（107m3）（%）林冠截留量5.712.765.712.63枯枝落叶持水量9.654.668.623.98土壤层蓄水量191.6092.58202.4093.39总水源涵养量206.96100.00216.72100.00岷江上游流域不同植被类型单位面积水源涵养量植被类型单位面积水源涵养量(t/hm2)面积比率（）措施前措施后（人工更新、封育）灌木820.74820.7417.85阔叶林1331.691331.6931
28、.37天然针叶林2164.382164.3826.73人工针叶林2124.342363.7924.04平均1610.291670.15-经过抚育更新+封育经营后，森林植被水源涵养量提高到1670.15t/hm2，提高了约3.72。其中，人工针叶林水源涵养量约提高了11.27。不同恢复措施对岷江上游森林植被水源涵养的影响经济效益经济效益：水源涵养经济价值可达318亿亿元元，增加56亿亿元元。森林景观恢复的水源涵养效森林景观恢复的水源涵养效益益生态效益生态效益：森林水源涵养能力由21.88亿吨亿吨提升至26.52亿吨亿吨，相对提升4.64亿吨亿吨，提升比例21.18%。相当于相当于26个大型水库个
29、大型水库库库 容容（以（以1亿立方米库容亿立方米库容计计）相当于相当于近近5个大型水个大型水库库库容库容（以以1亿立方米库容计）亿立方米库容计）21.8823.1623.8525.5526.5225.0030.00亿吨亿吨20.0015.0010.005.000.00现状现状5年后年后 10年后年后 20年后年后 30年年后后森林水源涵养森林水源涵养总总量量 杂谷脑洪枯比：6.0（1966年）11.5（1982年）7.1（2006）;紫坪铺洪枯比：7.7（1966年）10.3（1983年）5.8（1999-2006）4.95（2016 年)。时间时间森林覆被率森林覆被率194938%198833%199738%201240%201743%岷江流域森林覆被率岷江上游枯水期流量和洪枯比50年变化趋势（森林涵养水源、消洪补枯调节能力持续提升）岷江流域经历植被恢复和气候变暖的叠加期，其中植被快速恢 复对产水下降的贡献为40%，气候干暖化贡献占60%岷江冷杉是水文功能最佳树种，原始冷杉林水源涵养功能最高优先保护原始林，倡导天然更新或人工辅助天然更新，实施人工林的近自然化改造提升水源涵养功能加强山地景观系统的整体保护，优化流域中森林、灌丛、草地 景观配置，以及农牧业用地和城乡土地空间格局主要结论
