技术领域
[0001] 本
发明专利属于一种基于分层次理论的森林生态系统酸雨缓解功能评估方法，涉及以PH值和雨量为表征参数的林木各层次酸雨缓冲能
力评价
基础模型、以叶面积指数为表征参数的树冠层酸雨缓冲能力评估模型、以凋落物量以及凋落物分解速率为表征参数的凋落物层酸雨缓冲能力评估模型、以
土壤孔隙率为表征参数的土壤层酸雨缓冲能力评估模型以及林木酸雨缓解能力综合评价模型。
背景技术
[0002] 氮、硫元素是生命体生长所必需的基本元素，也是生态系统必不可少的物质。然而随着人口的急剧增长、经济的迅猛发展和资源的大量消耗，排入大气中的硫
氧化物、氮氧化物及其二次污染物日渐增多，大气中的氮、硫平衡被打破，在雨
水的淋溶下，形成酸雨，对生态环境、人类健康等带来一系列严重危害。酸雨已经成为目前和将来影响人类福祉的重要环境问题之一，引起了国际社会的强烈关注。
[0003] 森林生态系统是陆地生态系统中酸沉降的最大接受者及相对稳定的一个组成部分，能够通过林冠层的
吸附、淋溶，
枯枝落叶层的过滤和土壤层的
净化，对降雨的化学成分及浓度进行了再次分配，使得大气降水中的有害成分大量减少，是有效缓冲湿沉降的重要途径之一。
[0004] 世界上最早提出酸雨问题是在1872年，随后英国、瑞典和挪威等走在工业化早期的西方国家学者开展了有关酸雨和森林生态系统的大量研究，内容主要集中两个方面：1)酸沉降对土壤化学状况的影响，如土壤
酸化与土壤化学状态、土壤缓冲性及缓冲速率的关系。目前世界上一些国家对酸沉降采取的最新研究方法是计算机模拟技术，如美国已成功模拟了南部氮、硫化物的沉降对当地森林土壤的影响。2)从酸雨与森林生态系统物质循环、酸性沉降对林木生长的影响、酸性沉降与土壤酸化等方面就有关酸性沉降与森林衰退关系的问题开展了大量研究。国内的研究起步相对较晚，研究内容主要集中在对比不同区域降水经过不同林木树冠层、树干、凋落物、土壤后PH值的变化，同时分析各层次雨 水中阳离子和阴离子的变化程度，从而揭示森林生态系统对酸雨缓冲能力的机理。
[0005] 纵观目前相关的研究，主要呈现出个别层次分析多，总体评估模型少，化学机理分析多，物理机理探讨不够深入，定性分析多，定量方法少等特点。
发明内容
[0006] 针对以上不足，本发明的目的在于提供一种基于分层次理论的森林生态系统酸雨缓解功能评估方法，其通过结合林木不同层次物理化学参数，分析林木不同层次酸雨缓解能力的机理，建立不同层次酸雨缓解定量评估模型，最终构建一套基于林木分层次理论的森林生态系统酸雨缓解功能定量评估方法，对森林生态系统的整体酸雨缓解能力进行评估。
[0007] 为了实现上述目的，本发明通过下列技术方案来实现：
[0008] 一种基于分层次理论的森林生态系统酸雨缓解功能评估方法，其包括以下步骤：
[0009] 步骤1、在森林生态系统多个林分内均选取若干个不同树种的林木，每个树种林木均构成一个林木样地，分别采集自然降雨依次经过各林木样地树冠层、凋落物层和土壤层的雨水样品，进行雨水PH值和雨量的测定；同时开展对各林木样地特征参数的测定，所述特征参数包括各林木的叶面积指数、凋落物量、凋落物分解速率、土壤容重以及土壤孔隙率；
[0010] 步骤2、综合各林木的PH中和能力和雨水截留能力，构建了以PH值和雨量为表征参数的林木各层次酸雨缓冲能力评价基础模型：
[0011] △δji＝α△PHji+β△Pji (1)
[0012] 其中：
[0013]
[0014]
[0015] α+β＝1 (4)
[0016] 结合实测的PH值数据和雨量数据，计算各林木各层次的酸雨的缓冲能力指数；
[0017] 式(1)-(4)中：j取值为1、2、3，分别代表林木的树冠层、凋落物层和土壤层；i是林木第j层次的上一邻近层次；△δji是林木第j层次的酸雨缓冲能力指数，取值范围为-1到1；△PHji是降水从林木第i层次到第j层次的PH值变化量；PHj、PHi分别是降水经过林木第j层次和第i层次后的PH值；△Pji是林木第j层次对雨水的截留量；Pj、Pi分别为降水经过林木第j层次和第i层次后的雨水量；α、β分别为PH中和能力和雨水截留能力的权重；式中PHj、PHi、Pj、Pi均为实验测定数据；
[0018] 步骤3、根据步骤2计算各林木树冠层酸雨缓冲能力指数，并结合步骤1测定的相对应林木样地的叶面积指数，分析叶面积指数与树冠层酸雨缓冲能力指数的关系，建立以叶面积指数为表征参数的树冠层酸雨缓冲能力评估模型：
[0019] △δ1＝0.1233×ln(LAI)+0.1948 (5)
[0020] 式(5)中：△δ1是树冠层酸雨缓冲能力指数；LAI是叶面积指数；
[0021] 步骤4、根据步骤2计算各林木凋落物层酸雨缓冲能力指数，并结合步骤1测定的相对应林木样地的凋落物量以及凋落物分解速率，分析凋落物量以及凋落物分解速率与凋落物层酸雨缓冲能力指数的关系，建立以凋落物量以及凋落物分解速率为表征参数的凋落物层酸雨缓冲能力评估模型：
[0022] △δ2＝-0.092×log(μL)+0.118×log(ξL)-0.079 (6)
[0023] 式(6)中：△δ2是凋落物层酸雨缓冲能力指数；μL是凋落物分解速率；ξL是凋落物量；
[0024] 步骤5、根据步骤2计算各林木土壤层酸雨缓冲能力指数，并结合步骤1测定的相对应林木样地的土壤孔隙率和容重，分析土壤孔隙率和容重与土壤层酸雨缓冲能力指数的关系，建立以土壤孔隙率为表征参数的土壤层酸雨缓冲能力评估模型：
[0025] △δ3＝-7.1962×m2+7.4868×m-1.7416 (7)
[0026] 式(7)中：△δ3是土壤层酸雨缓冲能力指数；m是土壤孔隙率；
[0027] 步骤6、基于步骤3-5分别构建的树冠层酸雨缓冲能力评估模型、凋落物层酸雨缓冲能力评估模型、土壤层酸雨缓冲能力评估模型，构建了以叶面积指数、凋落物量、凋落物分解速率以及土壤孔隙率为表征参数的林木整体酸雨缓冲能力评估模型：
[0028] δT＝△δ1+△δ2+△δ3
[0029] ＝0.1233×ln(LAI)-0.092×log(μL)+0.118×log(ξL)-7.1962×m2+7.4868×m-1.6258
[0030] (8)
[0031] 式(8)中：δT是林木整体酸雨缓冲能力指数。
[0032] 与
现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明首先构建了耦合PH值和雨量参数的林木各层次酸雨缓冲能力评价基础模型，并结合各层次PH值和雨量实测数据，计算了各层次酸雨缓冲能力指数。在此基础上分析树冠层叶面积指数与树冠层酸雨缓冲能力指数之间的关系、凋落物层凋落物量以及凋落物分解速率与凋落物层酸雨缓冲能力指数之间的关系、土壤层孔隙率与土壤层酸雨缓冲能力指数之间的关系，分别构建了树冠层酸雨缓冲能力评估模型、凋落物层酸雨缓冲能力评估模型、土壤层酸雨缓冲能力评估模型和林木整体酸雨缓冲能力评估模型。最终将基于各层次特征参数为表征的评估模型模拟结果与基于2
基础模型计算的结果，在Origin8.0
软件里面进行比较，结果发现，模拟的结果较好，R 为
0.9812，在0.01水平上显著相关，均方根误差RMSE为0.032，平均相对误差MRE为0.0014。
[0033] 可见，步骤3-6分别构建的树冠层酸雨缓冲能力评估模型、凋落物层酸雨缓冲能力评估模型、土壤层酸雨缓冲能力评估模型和林木整体酸雨缓冲能力评估模型
精度良好，是一种估算森林生态系统不同层次以及整体酸雨缓冲能力的新型定量方法。
附图说明
[0034] 图1是本发明基于分层次理论的森林生态系统酸雨缓解功能评估方法的
流程图；
[0035] 图2是21种林木的叶面积指数与各林木树冠层酸雨缓冲能力指数在SPSS里面进行相关性分析示意图；
[0036] 图3是21种林木的凋落物分解速率与各林木凋落物层酸雨缓冲能力指数在Origin8.0软件里面进行相关性分析示意图；
[0037] 图4是21种林木的凋落物量与各林木凋落物层酸雨缓冲能力指数在Origin8.0软件里面进行相关性分析示意图；
[0038] 图5是21种林木的土壤孔隙率与各林木凋落物层酸雨缓冲能力指数在Origin8.0软件里面进行相关性分析示意图；
[0039] 图6是21种林木的土壤容重与各林木凋落物层酸雨缓冲能力指数在Origin8.0软件里面进行相关性分析示意图；
[0040] 图7是基于各层次特征参数为表征的评估模型模拟结果与基于基础模型计算的结果比较示意图。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
[0042] 本发明基于林木分层次理论，通过建立林木各层次酸雨缓冲能力评估模型后完成林木整体酸雨缓冲能力评估模型，依此林木整体酸雨缓冲能力评估模型来表征森林生态系统的酸雨缓解功能。
[0043] 具体请参照图1所示，一种基于分层次理论的森林生态系统酸雨缓解功能评估方法，其包括以下步骤：
[0044] (1)林木各层次酸雨缓冲能力评价基础模型。
[0045] PH值作为反应酸
碱程度最直观的指数参数，降水经过林木不同层次后雨水的PH值变化值是评价林木各层次酸雨中和能力的重要指标。然而实际上，除了PH值变化以外，林木还会通过树冠层、凋落物、土壤对雨水进行不同程度的截留，大大地减少进入
地表径流的酸雨水量。因此林木不同对降水量的截留量也应该成为衡量各层次对酸雨的缓冲能力的重要指标。本发明综合PH中和能力和雨水截留能力，构建了林木各层次酸雨缓冲能力评价基础模型。具体见公式(9)-(12)。
[0046] △δji＝α△PHji+β△Pji (9)
[0047] 其中：
[0048]
[0049]
[0050] α+β＝1 (12)
[0051] 式(9)-(12)中：j依次指林木的树冠层、凋落物层和土壤层，即当j＝1时，代表降雨经过的是树冠层，当j＝2时，代表降雨经过的是凋落物层，当j＝3时，代表降雨经过的是土壤层。i是林木第j层次的上一层次，即当j＝1时，i代 表的是降雨，当j＝2时，i代表的是树冠层，当j＝3时，i代表的是凋落物层。△δji是林木第j层次对酸雨的缓冲能力指数(即林木第j层次的酸雨缓冲能力指数)，取值范围为-1到1，越接近-1说明该层次对酸雨表现为越大的增强作用，越接近1则对酸雨表现为越大的缓冲能力；△PHji是降水从林木第i层次到第j层次的PH值变化量；PHj、PHi分别是降水经过林木第j层次和第i层次后的PH值；△Pji是林木第j层次对雨水的截留量；Pj、Pi分别为降水经过林木第j层次和第i层次后的雨水量；α、β分别为PH中和能力和雨水截留能力的权重；式中PHj、PHi、Pj、Pi均为实验测定数据。
[0052] 通过上述公式(9)-(12)，在PHjk、PHik、Pjk、Pik已知的情况下，即可得到每个林木(确切来说是每个样品，因为每个林木在不同的生长环境以及不同的生育期得到的结果未必相同)的各层次酸雨缓冲能力指数(即每个层次的相对酸雨缓冲能力指数)。
[0053] 以广州市城区为例，本发明认为广州市城区林分PH中和能力和雨水截留能力对酸雨缓冲能力作用分别为70％和30％，因此分别赋予0.7和0.3的权重值，在广州市城区选取针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林3种典型林分21个林木样地(每个林木样地均为不同的林木，每个林分均选取多个林木)，分别收集至少50次自然降雨依次经过各林木样地树冠层、凋落物层和土壤层的雨水样品，进行雨水PH值和雨量的测定，依此为基础计算了广州市城区3大林分21个林木的酸雨缓冲能力指数，计算结果具体见附表1。
[0054] 附表1广州市城区3大林分21个林木的酸雨缓冲能力指数
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059] 由附表1可以看出，广州市城区每个林木对各个层次对酸雨的缓冲能力以及整体缓冲能力有较大的差别，从0.024到0.530。但是该方法需要等待每次降雨，并及时收集降雨样品送实验室化验，费时费力。本发明试图选取叶面积指数、凋落物量、凋落物分解速率、土壤容重、土壤孔隙率等各林分各层次物理参数，分析与各层次酸缓冲能力之间的关系。
[0060] (2)树冠层酸雨缓冲能力评估模型。
[0061] 将21个林木的叶面积指数与各林木树冠层酸雨缓冲能力指数在SPSS里面进行相关性分析发现，如图2所示，叶面积指数与树冠层酸雨缓冲能力指数呈现良好的对数相关关系，在0.01水平上显著相关，R2达到0.9537。可见叶面积指数是影响树冠层酸雨缓冲能力的主要参数。本发明基于两者的相关关系，构建了以叶面积指数为表征参数的树冠层酸雨缓冲能力评估模型。
[0062] △δ1＝0.1233×ln(LAI)+0.1948 (13)
[0063] 式(13)中：△δ1是树冠层酸雨缓冲能力指数；LAI是叶面积指数。
[0064] (3)凋落物层酸雨缓冲能力评估模型。
[0065] 将21个林木凋落物的分解速率与各林木凋落物层酸雨缓冲能力指数在Origin8.0软件里面进行相关性分析发现，各林木凋落物酸雨缓冲能力指数表现出与凋落物分解速率具有一定的负相关关系，在0.01水平上显著相关，R2为0.7201(图3)；而与凋落物的量则呈现正相关关系，R2为0.576，但显著度较低，仅在0.05水平上相关(图4)。将酸雨缓冲能力指数和凋落物分解速率(取对数)、凋落物的量(取对数)在SPSS17.0软件进行线性回归分析，结果如表2所示。
[0066] 表2基于线性回归分析的模型决定系数及其精度
[0067]
[0068]
[0069] 注：自变量为缓冲能力指数；因变量为凋落物分解速率和凋落物量分别取对数后的值。
[0070] 本发明基于以上分析构建了以凋落物分解速率以及凋落物量为表征参数的凋落物层酸雨缓冲能力评估模型。
[0071] △δ2＝-0.092×log(μL)+0.118×log(ξL)-0.079 (14)[0072] 式(14)中：△δ2是凋落物层酸雨缓冲能力指数；μL是凋落物分解速率，mg/d；ξL是凋落物量，kg/hm2。
[0073] (4)土壤层酸雨缓冲能力评估模型。
[0074] 将21种林木的土壤孔隙率与各林木土壤层酸雨缓冲能力指数在Origin8.0软件里面进行相关性分析发现，各林木土壤层酸雨缓冲能力指数表现出与土壤孔隙率显著的二项式关系，在0.01水平上显著相关，R2为0.7787(图5)，即随着土壤孔隙率的减少，酸雨缓冲能力指数首先不断增加，当土壤孔隙率达到53.5％时，随着土壤孔隙率的进一步增加，酸雨缓冲能力指数不断下降。土壤层酸雨缓冲能力指数并未表现出与土壤容重相关关系(图6)。
[0075] 本发明基于以上分析构建了以土壤孔隙率为表征参数的土壤层酸雨缓冲能力评估模型。
[0076] △δ3＝-7.1962×m2+7.4868×m-1.7416 (15)
[0077] 式(15)中：△δ3是土壤层酸雨缓冲能力指数；m是土壤孔隙率。
[0078] 需要说明的是，步骤(2)-(4)的顺序可以任意调整。
[0079] (5)林木整体酸雨缓冲能力评估模型。
[0080] 降水依次经过林木树冠层、凋落物层、土壤层，最终形成地表径流，是一个完整的连续的生态过程。因此林木整体酸雨缓冲能力是树冠层酸雨缓冲能力、凋落物层酸雨缓冲能力以及土壤层酸雨缓冲能力的
叠加。结合步骤(2)-(4)分别构建的树冠层酸雨缓冲能力评估模型、凋落物层酸雨缓冲能力评估模型、土壤层酸雨缓冲能力评估模型构建了林木整体酸雨缓冲能力评估模型。
[0081] δT＝△δ1+△δ2+△δ3
[0082] ＝0.1233×ln(LAI)-0.092×log(μL)+0.118×log(ξL)-7.1962×m2+7.4868×m-1.6258 (16)
[0083]
[0084] 式(16)中：δT是林木整体酸雨缓冲能力指数。
[0085] 为验证模型的精度，本发明将利用树冠层酸雨缓冲能力评估模型、凋落物层酸雨缓冲能力评估模型、土壤层酸雨缓冲能力评估模型和林木整体酸雨缓冲能力评估模型模拟的结果与基于步骤2建立的林木各层次酸雨缓冲能力评价基础模型的计算结果进行比较，如图7所示，结果发现，模拟的结果较好，R2为0.9812，均方根误差RMSE为0.032，平均相对误差MRE为0.0014。
[0086] 可见，步骤(2)-(5)分别构建的树冠层酸雨缓冲能力评估模型、凋落物层酸雨缓冲能力评估模型、土壤层酸雨缓冲能力评估模型和林木整体酸雨缓冲能力评估模型精度良好，是一种以林木来表征并估算森林生态系统不同层次以及整体酸雨缓冲能力的新型定量方法。
[0087] 上述实例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
