北京山区森林生态系统健康 结构与功能关系研究

1. 北京山区森林生态系统健康 结构与功能关系研究 余新晓 北京林业大学水土保持学院

2. 汇报内容 一、研究目标 二、研究技术路线 三、森林生态系统结构模型 四、森林生态系统功能模型 五、森林生态系统结构与功能关系

3. 一、研究目标 通过影响森林生态系统结构和功能的主要因子,使用多水平贝叶斯方法，建立系统的森林结构模型和森林结构指数，从水文生态、保育土壤、生物多样性保护等方面建立系列森林功能模型，在此基础上进行森林结构与功能耦合研究，从而达到环境、结构、功能的统一。

4. 样地尺度 林分尺度 区域尺度 多水平贝叶斯模型 森林生态系统结构模型 森林生态系统功能模型 水文生态功能 保育土壤功能 生物多样性保护功能 林木生长 土壤全磷模型…. 林冠截留模型 灌木截留模型 枯落物截留模型 土壤入渗模型 径流模型 土壤侵蚀模型 土壤全氮模型 物种丰富度模型 物种多样性模型 树高--胸径模型 枝条基径模型 枝长模型 树冠轮廓模型 三维结构指数 综合功能指数 结构 功能 耦合 二、研究技术路线

5. 三、森林生态系统结构模型 • 林木生长模型 • 森林生态系统三维结构指数

6. 3.1 林木生长模型 • 树高-胸径模型 • 树高随着胸径的增加而增加。当胸径每变化1个单位时，树高相应的变化7%。 • 当胸径等于12cm，该模型预测树高为6.6m。

7. 3.1 林木生长模型 立地-树高-胸径模型 植被类型-树高-胸径模型 区域-树高-胸径模型 • 胸径变化1个单位时，7个区域中昌平区树高变化幅度相对较大（9.0%），怀柔区树高变化幅度相对较小（5.2%）；当胸径为12cm时，7个区域中门头沟区树高最大（7.0m），平谷区树高最小（5.82m）。 • 胸径变化相同的幅度情况下，辽东栎树高变化幅度较大，黑桦变化幅度较小。当胸径为12cm时，30块样地中落叶松树高最大（13.3m），经济林最小（4.3m）。 • 胸径变化相同的幅度情况下，侧柏树高变化幅度较大，其它阔叶树种变化幅度较小。当胸径为12cm时，10种植被类型中山杨树高最大（9.5m），经济林最小（4.0m）

8. 3.1 林木生长模型 • 枝条基径生长模型 当胸径每增加一个单位，枝条基径将增加变化0.6%；树冠形状系数增加一个单位，枝条基径将增加变化6.8%；当胸径为12cm,树冠形状系数为1.1时，log(BD)为1.74。植被类型与枝条方位对枝条基径没有影响。 • 枝条长度模型 当树冠形状系数增加一个单位，枝长将增加变化13%。当树冠形状系数为1.1时，log(BL)为6.94。植被类型与枝条方位对枝条长度没有影响。 • 树冠轮廓模型 当胸径增加一个单位，树冠轮廓将增加变化58%。当胸径为12cm时，树冠轮廓log(Ae)为2.42。植被类型与树冠轮廓有影响，枝条方位对树冠轮廓没有影响。

9. 3.2 三维结构指数 3.2 三维结构指数 • 三维结构指数 数学方法 三维结构指数： 9号样地森林生态系统结构指数最大， 27号样地森林生态系统结构指数最小。

10. 四、森林生态系统功能模型 • 水文生态功能 • 保育土壤功能 • 生物多样性保护功能 • 森林生态系统综合功能指数

11. 4.1 水文生态功能 • 林冠截留模型 • 树高在平均高度上每变化1个单位，林冠截流将变化4%；当树高为7.5m时, 林冠截留平均值为0.24mm。 • 当树高为7.5m时，林冠截留在密云县、延庆县、昌平区、海淀区的林冠截留量分别为：0.18mm、0.31mm、0.58mm、0.18mm。 • 辽东栎样地林冠截留量最大，黑桦样地林冠截留量最小。 • 在9种植被类型中黄栌林冠截留量最大，杨树林冠截留量最小。

12. 4.1 水文生态功能 海拔、坡度、密度、建群种比率对林冠截留模型的影响 林冠截留量随着海拔的增加而增大，当海拔每增加1个单位时，林冠截留量增加0.068%。林冠截留量随着坡度的增加而减小，当坡度增加1个单位时，林冠截留量减少2.2%。林冠截留量随着随着密度的增加而增大，当密度增加1个单位时，林冠截留量增加0.13 %。林冠截留量随着建群种比率的增加而减少，当建群种比率增加1个单位时，林冠截留量减少11 %。 • 灌木截留模型 • 灌木截留量随着灌木盖度的增加而增大。盖度平均每增加1个单位，灌木截流量增加1.8%。 • 当灌木盖度为28%时,灌木截流量为0.12mm。

13. 4.1 水文生态功能 • 枯落物截留模型 当时间每增加1h时，枯落物持水量将会增加13200%。当浸水时间为1h时，枯落物持水量为1198g/kg。枯落物在浸水5h后基本达到饱和。 • 当时间每增加1h，未分解层枯落物持水量将增加15900%，半分解层枯落物持水量增加10400%。当浸水时间为1小时时，未分解层、半分解层枯落物持水量分别为1238g/kg、1156g/kg。 • 当时间变化1个单位时，5个区域门头沟区枯落物持水量变化幅度较大，海淀区持水量变化幅度较小。当时间为1h时，延庆县枯落物持水量较大1274g/kg，海淀区枯落物持水量较小为987g/kg。 • 当时间每变化1个单位时，在这10种植被类型中，杂木林枯落物持水量变化幅度较大，落叶松枯落物持水量变化幅度较小。当时间为1h时，杂木林枯落物持水量较大，落叶松持水量较小。

14. 4.1 水文生态功能 • 枯落物吸水速率模型 • 浸水时间和枯落物吸水速率成反比。当浸水时间为1h时，枯落物吸水速率的对数为0.07，即吸水速率为1.10g/g•h；当浸水时间每变化1%时，吸收速率的对数将变化89%。 • 即相同的时间变化幅度下，延庆县、海淀区枯落物吸水速率变化幅度较大，门头沟区枯落物吸水速率变化幅度较小。当时间为1h时，5个区域中密云县枯落物吸水速率较大1.03 g/g·h，门头沟枯落物吸水速率较小0.82 g/g·h 。 • 当浸水时间为1h时，未分解层、半分解层吸水速率分别为1.11g/g•h和1.01g/g•h，当浸水时间每变化1%时，未分解层、半分解层吸收速率的对数将分别变化87%、91%。 • 当时间为1h时，10种植被类型中杂木林枯落物吸水速率较大2.27 g/g•h，山杨枯落物吸水速率较小0.79 g/g•h。

15. 4.1 水文生态功能 • 土壤入渗模型 • 在0-5min之间，土壤入渗急速下降， 在5-30min土壤入渗速率变得缓和，在30min后土壤入渗速率基本达到稳定状态。 • 从模型可以看出区域、立地、植被类型对土壤入渗模型都有一定的影响。并且海拔、坡度、密度、建群种比率都对不同立地下土壤入渗模型都有一定的影响。

16. 4.2 保育土壤功能 • 土壤侵蚀模型 • 土壤侵蚀量和土壤抗冲时间、根系鲜重成反比，与放水流量成正比。当土壤抗冲时间变化1%时，土壤侵蚀量对数值变化12%。当放水流量变化1%时，土壤侵蚀量对数值变化15%。当根系鲜重变化1%时，土壤侵蚀量对数值变化2.9%。当抗冲时间为观测数据均值3.17min，放水流量为观测数据均值4.07L/min，根系鲜重为观测数据均值19.22g时，土壤侵蚀量为0.733g。 • 区域、立地、植被类型对土壤侵蚀模型都有一定的影响。并且海拔、坡度、密度、建群种比率都对不同立地下土壤侵蚀模型都有一定的影响。

17. 4.2 保育土壤功能 • 径流模型 • 径流量和土壤抗冲时间、放水流量成正比。当土壤抗冲时间变化1个单位时，径流量对数值变化13%；当放水流量变化1个单位时，径流量对数值变化12%；当抗冲时间为观测数据均值3.17min，放水流量为观测数据均值4.07L/min，径流量为1002g。 • 区域、立地、植被类型对径流模型都有一定的影响。并且海拔、坡度、密度、建群种比率都对不同立地下径流模型都有一定的影响。

18. 4.2 保育土壤功能 • 土壤养分模型（全氮） • 土壤全氮随着海拔的增加而增大，当海拔变化1个单位时，11种植被类型土壤全氮变化分别为：19%、34%、40%、37%、28%、37%、44%、37%、36%、41%、48%，蒙椴土壤全氮含量变化幅度较大，油松土壤全氮含量变化幅度较小。当海拔为693m时，11种植被土壤全氮含量分别为1.3、1.5、1.6、1.5、1.4、1.5、1.6、1.6、1.5、1.6、1.7，可见，蒙椴土壤全氮含量较大，油松土壤全氮含量较小。 • 土壤层次对土壤全氮含量有一定的影响，土壤全氮含量随着土壤层次的增加而减小。当海拔变化1个单位时，不同土壤层次土壤全氮含量变化分别为42%、36%、30%。当海拔为693m时，不同土壤层土壤全氮含量分别为2.0、1.5、1.1。可见，A层土壤全氮含量分别高于B、C层土壤全氮含量的25%、45%。

19. 4.2 保育土壤功能 • 土壤养分模型（全磷） • 植被类型对土壤全磷有一定的影响。土壤全磷随着海拔的增加而增大，当海拔变化1%时，11种植被类型土壤全氮变化分别为：10%、3%、6%、8%、3%、5%、8%、7%、10%、7%、9%，油松和经济林土壤全磷含量变化幅度较大，桦树和栎类土壤全磷含量变化幅度较小。当海拔为693m时，11种植被土壤全磷含量分别为0.73、0.49、0.59、0.66、0.49、0.56、0.65、0.64、0.71、0.61、0.69，可见，油松林土壤全磷含量较大，桦树和栎类土壤全磷含量较小。 • 土壤层次对土壤全磷含量基本没有影响。当海拔变化1%时，不同土壤层次土壤全磷含量变化分别为41%、45%、47%。当海拔为693m时，不同土壤层土壤全氮含量分别为0.61、0.58、0.57。

20. 4.2 保育土壤功能 • 土壤养分模型（有机质） • 植被类型对土壤有机质有一定的影响。土壤有机质随着海拔的增加而增大，当海拔变化1%时，11种植被类型土壤全氮变化分别为：720%、1210%、1310%、1200%、800%、1210%、1260%、1240%、1140%、1340%、1610%，经济林土壤有机质含量变化幅度较大，油松土壤有机质含量变化幅度较小。当海拔为693m时，11种植被土壤有机质含量分别为34、42、43、41、36、42、42、42、41、43、47，可见，11种植被类型土壤有机质含量差异并不明显，可以看出，经济林土壤有机质含量较大，油松土壤有机质含量较小。 • 土壤层次对土壤有机质含量有一定的影响，土壤有机质含量随着土壤层次的增加而减小。当海拔变化1%时，不同土壤层次土壤有机质含量变化分别为1400%、1200%、1000%。当海拔为693m时，不同土壤层土壤全氮含量分别为55、41、27。可见，A层土壤有机质含量分别高于B、C层土壤全氮含量的25%、50%。

21. 4.2 保育土壤功能 • 土壤养分模型（有机碳） • 植被类型对土壤有机碳有一定的影响。土壤有机碳随着海拔的增加而增大，当海拔变化1%时，11种植被类型土壤有机碳变化分别为：380%、660%、520%、540%、790%、670%、700%、460%、800%、710%、600%，经济林土壤有机碳含量变化幅度较大，油松土壤有机碳含量变化幅度较小。当海拔为693m时，11种植被土壤有机质含量分别为22、23、23、23、22、22、22、23、22、22、22，可见，11种植被类型土壤有机质含量差异并不明显。 • 土壤层次对土壤有机碳含量有一定的影响，土壤有机碳含量随着土壤层次的增加而减小。当海拔变化1%时，不同土壤层次土壤有机质含量变化分别为820%、620%、530%。当海拔为693m时，不同土壤层土壤全氮含量分别为33、21、16。可见，A层土壤有机质含量分别高于B、C层土壤全氮含量的36%、51%。

22. 4.3 生物多样性保护功能 • 丰富度模型（乔木） • 当海拔变化1%时，11种植被类型中落叶松乔木物种丰富度变化幅度较大，油松乔木物种丰富度变化幅度较小。当海拔为693m时，11种植被类型中，蒙锻乔木丰富度最大，栎类乔木丰富度变化最小。 • 当海拔变化1%时，3种坡向的多样性变化幅度分别为：283%、-47%、191%，可以看出，阴坡乔木多样性变化幅度较大，半阴半阳坡次子，阳坡变化幅度最小。当海拔为693m时，3种坡向的乔木丰富度中阴坡乔木多样性最大，半阴半阳坡乔木多样性次子，阳坡乔木多样性最小。

23. 4.3 生物多样性保护功能 • 丰富度模型（灌木） • 当海拔变化1%时，10种植被类型的物种丰富度变化幅度以侧柏灌木多样性变化幅度较大，黄栌灌木多样性指数变化幅度较小。当海拔为693m时，10种植被类型中以油松灌木多样性最大（14.8），侧柏灌木多样性最小（4.5）。 • 灌木丰富度随着海拔的增加而增大。当海拔变化1%时，3种坡向的灌木丰富度变化幅度分别为：220%、130%、180%，当海拔为693m时，3种坡向的灌木丰富度分别为：12、11、12。

24. 4.3 生物多样性保护功能 • 多样性模型（乔木） • 当海拔变化1个单位时，11种植被类型的乔木多样性变化幅度以经济林乔木多样性变化幅度较大（ 22% ），桦树乔木丰富度变化幅度较小（ 3% ）。当海拔为693m时，11种植被类型中，侧柏乔木多样性最大（ 0.6 ），经济林乔木多样性最小（ 0.51 ）。 • 当海拔变化1个单位时，3种坡向的乔木多样性变化幅度分别为：13%、11%、12%。当海拔为693m时，3种坡向的乔木多样性分别为0.53、0.51、0.52。

25. 4.3 生物多样性保护功能 • 多样性模型（灌木） • 当海拔变化1个单位时，10种植被类型的灌木多样性变化幅度以落叶松灌木多样性变化幅度较大（ 52% ），核桃楸灌木多样性变化幅度较小（ 1% ）。当海拔为693m时，10种植被类型中，落叶松灌木多样性最大（ 1.36 ），蒙椴灌木多样性最小（ 0.54 ）。 • 当海拔变化1个单位时，3种坡向的乔木多样性变化幅度分别为：4.6%、4.2%、4.5%。当海拔为693m时，3种坡向的乔木多样性均为0.79。的乔木多样性分别为0.53、0.51、0.52。

26. 4.4 森林生态系统综合功能指数 根据主成分综合模型： ….... 森林生态系统综合功能指数：

27. 五、森林生态系统结构与功能关系 • 森林生态系统结构与功能模型 • 森林生态系统结构与功能耦合模型

28. 5.1森林生态系统结构与功能模型 • 密度与功能模型 • 建群种比率和功能模型 • 结构指数(FBI-DBH)与功能模型

29. 5.1森林生态系统结构与功能模型 • 结构指数(FSI-H)与功能模型 • 结构指数(FSI-DBH)与密度、建群种比率模型 • 结构指数(FSI-H)与密度、建群种比率模型

30. 5.2 森林生态系统结构与功能耦合模型 根据结构指数（FSI－DBH）与密度、建群种比率模型和结构指数（FSI-DBH）与功能模型联合求得： 根据结构指数（FSI－H）与密度、建群种比率模型和结构指数（FSI-H）与功能模型联合求得：

31. 感谢各位领导和专家!