1 引言

森林水文調節功能是森林所實現的重要服務功能之一，可是由于森林資源被無節制的開采利用，導致人們不斷遭受森林破環所帶來的各種災害。因此關于森林生態水文功能研究已成為生態學和水文學的研究重點之一。近年來，國內外從森林的水文過程出發，對林冠截留、樹干徑流、凋落物層截留、林地水分涵養和蒸發蒸騰及其影響因子等森林水文調節過程及生態學機制進行了廣泛深入的研究。眾多結果表明林地冠層均能夠截留降雨，降低雨水動能，從而減少地表徑流的產生和對地表的沖擊；凋落物層能蓄留水分、抑制蒸散、減緩地表徑流；而樹干徑流改變降雨水平空間格局，影響水分入滲以及土壤水源涵養。森林結構復雜，大氣降雨到達森林作用面后，會進行重新再分配，明顯改變了降雨分配過程。而森林水文過程及調節功能又受到森林結構的制約，因此定量定性探討森林生態系統的結構、過程與水文調節功能之間關系，是未來森林生態水文功能研究的重點。（曹云、歐陽志云等，2006）

2 觀測系統設計

2.1 目標

AZ-F0100森林水文過程觀測系統按照空間尺度，層次清晰地定量測量林冠降雨截留量、林冠降雨截留率、凋落物蓄水能力、土壤的滲透和蓄水能力，對森林生態系統不同層次水量空間分配格局及水量平衡進行分析，從而為揭示森林生態系統水文要素的時空規律，為研究森林植被變化對水分的分配和徑流的調節提供基礎數據。

2.2 觀測內容

大氣降雨量、穿透降雨量、樹干徑流量、枯枝落葉層持水量、地表徑流量、土壤含水量、壤中流量。

同時，AZ-F0100森林水文過程觀測系統可對比分析林外降雨和穿透降雨的降雨強度、降雨等級、降雨速度、降雨粒徑大小。

2.3 觀測點布設

2.3.1 降雨量觀測

在林中空地和林外約50～100m處空曠地分別設置激光雨滴譜儀1臺，自動觀測林內外降雨總量、降雨強度、降雨等級、降雨速度、降雨粒徑大小及其分布譜圖。

2.3.2 穿透水量觀測

網格機械布點法。在標準地內，根據樣地形狀及面積，按一定距離畫出方格線，在方格網的交點均勻布設自記雨量收集器。布設雨量儀器的個數按照如下公式計算。

式中：n—觀測計（器）數；N—抽采樣本所代表的區域大小，N=A/a（A為調查區面積m²；a為觀測計（器）受雨口面積m²）； —精度；c—變異系數（樣本標準差/樣本平均差）。

同時在林冠下布設激光雨滴譜儀，觀測穿透水的降雨強度、降雨等級、降雨速度、降雨粒徑大小及其分布譜圖。從而對比分析經過林冠截留后，降雨能量、降雨粒徑大小、降雨速度等參數的變化情況。

2.3.3 樹干徑流量觀測

采用徑階標準木法，調查觀測樣地內所有樹木的胸徑，按胸徑對樹木進行分級（一般2～4cm為一個徑級），從各級樹木中選取2～3株標準木進行樹干徑流觀測。然后每木安裝樹干徑流測量單元，進行人工或自動觀測。

2.3.4 枯枝落葉層含水量觀測

在樣地內劃定合適的小樣方，采集枯枝落葉層樣品，烘干測定其含水量和持水量。

2.3.5 地表徑流量觀測

在觀測場地中建立標準徑流場，位置應盡量設置在坡面平整的坡地上。實驗區在平整的坡面可以2個或更多的徑流場并排在一起，合用圍埂、保護帶、集水槽和觀測室。徑流場下部設置集水槽，在徑流場集水槽出水口，安裝地表徑流測量系統的平緩導流槽進行引流，承接全部徑流小區出水。應用自記翻斗流量記和水蝕采樣器觀測坡面地表徑流量。

2.3.6 土壤含水量觀測

土壤含水量觀測樣地設置應根據典型森林植被所在地形和土壤物理性質空間差異來確定。對于典型森林植被來說，應在林地坡上、坡中和坡腳分別設置一個大小為10m×10m的觀測樣地，在每個觀測樣地內設置3個觀測點，觀測點位置宜沿觀測樣地對角線均勻分布。

觀測深度根據土壤層最大土層深度確定，一般為1.0m左右。埋設1m長TDR土壤水分觀測管，把時域反射儀的探頭放入觀測管內，分別測量0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm土壤含水量。

2.3.7 壤中流量觀測

有坡面水量平衡場壤中流觀測設備的，從地表徑流集水槽下端混凝土澆筑的擋墻留有的水孔，用導管將地下徑流引入量水器，進行觀測。

2.4 觀測系統組成

AZ-F0100森林生態系統水文過程觀測系統由激光雨滴儀、自記雨量計、樹木莖干截留測量單元、土壤水分測量單元、地表徑流觀測單元共同組成。

3 數據處理

3.1 降雨總量

較大流域平均雨量計算采用泰森多邊形法，小流域采用加權平均法（控制圈法）。

3.2樹干徑流量

式中：C—樹干徑流量，mm；M—單位面積上的樹木株數，株/ m²；C_n—每一徑級的樹干徑流量，mm；K_n —每一徑階的樹冠平均投影面積，m²；N—各徑階數，階；M_n —每一徑階樹木的株數，株。

3.3林冠降雨截留量

林冠降雨截留量（mm）=降雨總量（mm）—林內穿透降雨量（mm）—樹干徑流量（mm）

林冠降雨截留率（％）=林冠降雨截留量（mm）/ 降雨總量（mm）

3.4枯枝落葉層含水量

3.4.1枯枝落葉層含水量

式中：W_L —枯枝落葉層質量含水量g·g^-1；m_a—樣品總質量g；m—烘干后樣品質量g。

3.4.2枯枝落葉層持水量

式中：W₀ —枯枝落葉層持水量，mm；m₁—樣品總質量，g；m₂—風干后樣品質量，g；ρ—水的密度，g·cm^-3；A_L —樣方面積，cm²。