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生态系统水文学、能量学规律以及水热结构及其变化机理的研究不仅是退化生态系统恢复、生态系统平衡重建等理论与实践研究的核心议题，同时也关乎到千年生态系统评估(The Millennium Ecosystem Assessment)计划推动下有关气候变化、土地利用变化等因素对生态系统影响的正确认识及科学决策问题。因此，如何认识与评价当前气候变化及大面积造林背景下森林生态系统对气候的“屏蔽作用”及其改变机理，对于理解和评估森林与气候间相互作用，以及深入解析森林对区域蒸散和水资源的影响等科学与社会命题至关重要。 森林生态系统的诸多过程主要发生在生态系统的内部，气候变化对生态系统内部过程的影响受森林对外界气候的直接与间接屏蔽作用的调控。本研究以中国南亚热带地区鼎湖山封闭式小流域及其流域内地带性顶级群落季风常绿阔叶林(monsoon evergreen broad-leaved forest,MEBF)及其演替序列上早期阶段的马尾松人工林(Pinus massonniana forest，PF)、中期马尾松针阔叶混交林(mixed Pinusmassonniana/ broad-leaved forest，MF)为研究对象，依托其流域及生态系统尺度长期水、土、气、生等监测数据，探讨气候变暖及区域降水格局改变背景下森林演替/恢复过程中其生态系统内部水热环境的变化，并围绕森林蒸散等系统水热过程以及生态系统碳-水格局与过程的耦合关系等方面进行机理分析，试图构建生态系统服务功能的综合评价指标。主要结论如下: 演替驱动下，随着PF→MF→MEBF的正向发展，林内环境如气温、土壤温度逐渐降低，而且均显著低于林外空地。林内相对湿度、土壤层含水量及凋落物含水率等水分状况逐步提高，“降温增湿”效应越来越显著。时间序列上，区域降水趋于“极端化”的格局影响下，森林生态系统的水分固持能力下降。主要表现为:自1984年以来，3种林型0～50 cm土壤含水量均呈显著降低的趋势(P＜0.001)，且湿季土壤含水量下降速率高于干季;林型间，土壤含水量下降速率在全年及湿季表现为MF＞MEBF＞PF，干季为MEBF＞MF＞PF。此外，研究期间顶级群落MEBF林内空气相对湿度(P=0.021)、凋落物自然状态下含水量(P=0.003)在年际尺度上均呈现显著下降的趋势。与土壤含水量干、湿季下降速率的格局一致，亦表现为湿季大于干季。成熟森林在当前气候变暖及水热格局“极端化”影响下更为敏感。 基于集水区水量平衡法(WBM)、半经验蒸散模型法(SPM)、涡度相关技术(EC)对流域蒸散的估算，以及热耗散探针法对流域内代表性林型主要优势树种的树干液流的监测，结果表明:2003～2011年，WBM、SPM以及EC三种方法估算的流域年蒸散量分别为:809.9±62.8 mm、801.6±46.9 mm以及803.8±36.6mm，年蒸散量平均约为同期降雨量的50.2％。基于树干液流法估算流域内植被的年蒸腾量约为EC法估算年蒸散量的60.2％，同期土壤蒸发量仅为流域总蒸散量的8.1％。此外，流域植被蒸腾量在白天与饱和水汽压差(Vapor pressure deficit，VPD)关系最为显著，随VPD升高呈对数形式增长，并在VPD＞1 kPa时趋于稳定。夜间树干液流约为日总液流量的6％，且与气温、空气相对湿度以及VPD等气象因子没有显著性关系。与植被蒸腾过程的影响机制不同，土壤蒸发在无雨日受土壤含水量、气温及风速影响最为显著。 基于2002～2012年人工野外实测大气降水、林内穿透雨、树干茎流数据，鼎湖山流域内3个不同演替阶段林型的冠层截留率分别为:MEBF(24.8％)＞MF(21.8％)＞PF(16.8％)。修正的Gash模型在该区域地带性顶级群落季风常绿阔叶林林冠截留的模拟应用中表现出很好的拟合效果，模拟2009年林冠降雨截留总量为473.0 mm，模拟截留量比实测值(498.9mm)低25.9 mm，相对误差为5.2％。2013～2014年干季土壤水分的动态监测数据表明:演替后期的林型土壤具有较高的降雨吸持能力，使得林分土壤在较长的无雨日内保持较高的蒸散量，用于植被的蒸腾与土壤的物理蒸发，从而维持林分较适宜的温湿条件、群落多样的水分需求以及较高生产力。植被恢复/演替对土壤理化性质及水力特征具有重要的改善作用。 伴随演替的进行，地上与地下部分碳的积累，生态系统的蓄水量逐步增加。3种林型生态系统总蓄水量分别为:140.2 mm(PF)、161.5 mm(MF)和197.9 mm(MEBF)，其中土壤蓄水量占生态系统总的水分库的绝对比重。3种林型凋落物最大持水量为13.68～50.10 t·hm-2，约合持水深依次为:PF(5.0 mm)＞MF(2.8mm)＞ MEBF(1.4 mm)，MEBF凋落物层相对最低的持水量与其林下凋落物的现存量最小(10.40 t·hm-2)有关。此外，PF已分解层凋落物持水量占凋落物持水总量比重大(44.3％)，而MEBF已分解层的贡献仅为16.7％;伴随PF→MF→MEBF的演替，半分解层及已分解层凋落物的持水能力明显降低。演替早期PF凋落物具有较高的降水截留能力，尤其是其凋落物的已分解层，而后期MEBF凋落物未分解层对整体截留能力贡献大。自然林分中，森林林下灌、草及凋落物层的截留及对生态系统蒸散的影响不可小视。 通过分析3个不同演替阶段森林生态系统的土壤层有机质及土壤水分在林内及林型间的分布格局表明:由PF至地带性顶级群落MEBF的3种林分虽然相距很近且有关环境因子一致，但林型间不同土层的土壤含水量差异显著，MEBF土壤含水量最高、MF其次、PF最低;林型间，林内土壤水分的垂直分布格局迥异，MEBF土壤层水分含量随土层加深而递减的趋势明显，MF土壤各层水分较为均一，PF表层土壤的水分含量相对较低。土壤水分特征曲线显示，MEBF的0～40 cm土壤具有最高的饱和含水量，且在相同基质吸力条件下土壤含水量林型间表现为:MEBF＞MF＞PF。进一步分析发现，土壤孔隙度对土壤含水量的影响最大，饱和含水量、土壤有机质含量次之，考虑到土壤孔隙度和土壤饱和含水量对土壤有机质的高度依赖性，我们认为土壤有机质控制着土壤含水量及其水分有效性(P=0.014)。作为常规测定指标的土壤有机质含量，不仅是森林固碳效益的关键指标，而且可用来量度土壤水分保持及其有效性。土壤有机质含量可以作为评价森林生态系统服务功能的一个综合指标。