黃進,張金池?,楊會

(1.南京林業(yè)大學(xué),210037,南京;2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,511400,廣州)

桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評價

黃進1,張金池1?,楊會2

(1.南京林業(yè)大學(xué),210037,南京;2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,511400,廣州)

對浙江省桐廬縣生態(tài)公益林中主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能進行評價。選取林冠截留率、枯落物層蓄積量、枯落物層最大持水率、土壤穩(wěn)滲速率、土層厚度、土壤總孔隙度和非毛管孔隙度為評價指標,構(gòu)建森林水源涵養(yǎng)功能綜合評價方法。結(jié)合實測數(shù)據(jù),對研究區(qū)各森林類型水源涵養(yǎng)功能進行評價。結(jié)果表明:水源涵養(yǎng)功能為青岡林＞杉木林＞毛竹林＞香樟林＞馬尾松林＞板栗林;青岡林的水源涵養(yǎng)功能屬較好等級,杉木林、毛竹林、香樟林為中等,馬尾松林、板栗林較差。

生態(tài)公益林;水源涵養(yǎng)功能;森林類型;評價;桐廬

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)服務(wù)功能的重要功能之一,不同森林類型由于其生態(tài)學(xué)特性的差異,其林分整體水源涵養(yǎng)功能存在一定的差異。森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能大致可以由 3個環(huán)節(jié)組成:樹木冠層對大氣降雨的截留削弱;林地地表枯落物層的吸水截持;林地土壤水庫的滲透蓄水。這 3個環(huán)節(jié)的有機結(jié)合,使得森林對降雨過程進行了有效的攔蓄和分配,從而充分發(fā)揮了森林的水源涵養(yǎng)功能。目前,我國學(xué)者在森林水源涵養(yǎng)功能各個環(huán)節(jié)及整體涵養(yǎng)價值的量化上研究較多,但在定性評價其功能優(yōu)劣方面研究較少;多數(shù)學(xué)者的研究成果較好地反映出各自研究區(qū)內(nèi)不同森林類型水源涵養(yǎng)功能的差異,但結(jié)果往往有地域性,缺乏在全國水平下的縱向?qū)Ρ取?/p>

筆者著重對桐廬幾種主要生態(tài)公益林的冠層水文效應(yīng)、枯枝落葉層吸持水特性及土壤層蓄水特性進行研究,參考同行專家學(xué)者的研究成果,以我國不同地域不同森林類型的水源涵養(yǎng)功能水平為基礎(chǔ),選取針對性較強的評價指標,構(gòu)建較為合理的森林水源涵養(yǎng)功能綜合評價方法。運用此方法對研究區(qū)主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能進行定性評價,從而為綜合衡量桐廬生態(tài)公益林主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省桐廬縣,桐廬地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū) ,E 119°21′56.7″,N 29°49′19.5″。氣候溫暖,光照充足,四季分明,降水量充沛。年平均氣溫16.6℃,年降雨量1443.1mm,無霜期 252d,年日照時間 1 991.4h。土壤以沙壤為主,疏松透氣。動植物資源豐富,有各類保護植物 15種,各種保護動物13種。桐廬縣現(xiàn)有生態(tài)公益林面積 7.46萬 hm2,其中重點公益林面積 4.27萬 hm2,市級公益林面積1.39萬 hm2,縣級公益林面積 1.81萬 hm2。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選擇 青岡 (Cyclobalanopsis glauca)、香樟(Cinnamomum camphora)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata)、馬 尾 松 (Pinus massoniana)、毛 竹(Phyllostachys heterocycla)、板 栗 (Castanea mollissima)6種具有代表性的森林類型,建立調(diào)查樣地并進行常規(guī)調(diào)查,記錄其坡度、坡向、冠層郁閉度等常規(guī)指標,各樣地基本情況見表 1。

表 1 不同林分樣地基本情況Tab.1 Characters of different forest stands

2.2 試驗方法

2.2.1 林外氣象因子的觀測 在樣地外的空曠地上建立自動氣象站,實時監(jiān)測樣地外降雨量、降雨歷時、濕度、風(fēng)速相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.2 林內(nèi)降雨及樹干莖流的測定 林冠截留量與樹干莖流量依據(jù)森林水文定位觀測的常規(guī)方法測定。樹冠截留量按公式 Pc=P-Ps-Pt計算,式中:Pc為樹冠截留量,mm;P為大氣降雨量,mm;Ps為樹干莖流量,mm;Pt為穿透雨量,mm。

2.2.3 枯落物蓄積量及吸持水能力測定 在每塊林地中隨機布設(shè)面積 1m2的樣方 10個。將新采集的枯落物迅速稱其鮮質(zhì)量后,放置于實驗室干燥通風(fēng)處 7 d以上,直至用手觸摸無潮濕感時,稱其質(zhì)量作為不同林分枯落物風(fēng)干質(zhì)量,推算枯落物的自然含水率和單位面積蓄積量;枯落物吸持水能力采用浸水法測定,將原狀枯落物裝入網(wǎng)袋,浸水 24 h,浸水后枯落物質(zhì)量與浸水前質(zhì)量的比值為最大持水率。

2.2.4 土壤水分物理性質(zhì)的測定 用環(huán)刀法測定土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度;采用環(huán)刀有壓入滲法測定土壤的滲透性能。

2.3 森林水源涵養(yǎng)功能綜合評價方法的構(gòu)建

2.3.1 綜合評價原理 目前用于某一對象定性評價的方法有很多,層次分析法、模糊評價、灰色關(guān)聯(lián)評價、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價等,各評價方法特點不一,計算過程過于繁瑣。筆者從實用角度出發(fā),選擇使用最為普遍的一種評價方法,即加權(quán)平均法。該方法的實質(zhì)是賦予方案每個指標(準則)權(quán)重后,對方案各評價指標下實測值的評分值求加權(quán)和。以數(shù)學(xué)公式表達為

式中:U為待評方案的加權(quán)綜合評價值;xi為待評方案第 i個指標的實測值;Vi(xi)為 xi的評分值;wi為評價體系中第 i個指標的權(quán)重系數(shù)。

Vi(xi)通過構(gòu)造出不同評價指標的嶺形評分函數(shù)計算獲得。由于嶺形函數(shù)的特性,其評分值的大小在[0,1]中變化。

Vi(xi)min為第 i個指標偏小型嶺形函數(shù),在(a1,a2]中呈遞減趨勢,即 xi值越小,評分值 Vi(xi)min越高(a1、a2為指標 xi的上下限閥值)。

Vi(xi)max為第 i個指標偏大型嶺形函數(shù),在(a2,a1]中呈遞增趨勢,即 xi值越大,評分值 Vi(xi)max越高。

2.3.2 評價指標及閥值的選取 森林生態(tài)系統(tǒng)通過樹木冠層水文效應(yīng)、林地地表枯落物層的吸水截持、林地土壤水庫的滲透蓄水這 3個主要環(huán)節(jié)的共同作用,使得森林對降雨過程進行了有效的攔蓄和調(diào)節(jié)分配,從而發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能;因此,要客觀評價森林水源涵養(yǎng)功能,需要選擇能較好表征這 3個方面的指標。

1)森林冠層水源涵養(yǎng)功能評價指標。森林冠層是降雨過程中第一個接觸面,其不僅有效地截留了一定數(shù)量的降雨,同時還削弱了降雨的動能,因而樹木的林冠截留作用在森林發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的過程中發(fā)揮著極為重要的作用?？紤]到降雨分布的地域差異,選擇林冠截留率(X1)作為森林冠層水文效應(yīng)的評價指標。

程根偉[1]指出,溫帶針葉林、亞熱帶杉木、馬尾松林、季風(fēng)常綠闊葉林林冠截留分別占全年降雨量的 20%～40%、15%、25%和 30%;劉世榮等[2]根據(jù)我國不同區(qū)域生態(tài)站森林水文生態(tài)功能觀測結(jié)果,指出我國主要森林林冠截留率的變化范圍為 11%～37%。參照這些研究結(jié)果,設(shè)定指標 X1的上限閥值為 40%,下限閥值為 10%。

2)枯落物層水源涵養(yǎng)功能評價指標。枯枝落葉層的涵養(yǎng)水源作用主要體現(xiàn)在吸持水方面。衡量枯落物層吸持水性能的指標主要有最大持水量(率)、最大攔蓄量 (率 )、有效攔蓄量 (率 )等 ,其中對枯落物層吸持水特性起最主要作用的是枯落物層的蓄積量和最大持水率,故選擇枯落物層的蓄積量(X2)和最大持水率(X3)為枯落物層水源涵養(yǎng)功能評價指標。

王佑民[3]指出,我國各地喬木林地的枯落物蓄積量一般均在 10 t/hm2以上,生長良好的林分可達20～40 t/hm2,枯落物的最大吸水率多為其干質(zhì)量的 2～3倍,有的闊葉樹種可達 4倍;劉世榮等[2]根據(jù)我國不同區(qū)域生態(tài)站森林水文生態(tài)功能觀測結(jié)果,指出我國主要森林枯落物層蓄積量的變化范圍為 3.5～26.8 t/hm2,枯落物層的最大持水率變化范圍為 200%～500%。參照這些研究結(jié)果,設(shè)定指標X2的上限閥值為 40.0 t/hm2,下限閥值為 3.5 t/hm2,設(shè)定指標 X3的上限閥值為 400%,下限閥值為200%。

3)土壤水庫水源涵養(yǎng)功能評價指標。土壤水庫的水源涵養(yǎng)功能主要體現(xiàn)在土壤滲透性能和蓄水性能 2個方面。在降雨強度、降雨量適中的降雨條件下,土壤可以充分入滲雨水,使降雨滯留于土壤水庫中,使林地不易形成地表徑流,很好地起到水源涵養(yǎng)作用。

表征土壤滲透性能的指標主要有初滲透率、穩(wěn)滲速率、滲透系數(shù)等,選擇土壤穩(wěn)滲速率(X4)為衡量土壤水庫滲透性能優(yōu)劣的指標。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果[4-13],發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)不同森林類型土壤的穩(wěn)滲速率一般不超過 8mm/min,而一些透水性較差的土壤的穩(wěn)滲速率都低于 1mm/min,因而設(shè)定指標 X4的上限閥值為 8mm/min,下限閥值為 1mm/min。

表征土壤蓄水性能的指標有土壤總蓄水量、毛管蓄水量與非毛管蓄水量,其中土壤總蓄水量是毛管與非毛管蓄水量之和,反映土壤儲蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力,它是土壤涵蓄潛力的最大值;土壤非毛管蓄水量又稱涵養(yǎng)水源量,反映土壤迅速容納降雨徑流和調(diào)節(jié)水分的能力。土壤層的總蓄水量和非毛管蓄水量取決于土層的厚度和土壤孔隙狀況,因而,選取土層厚度(X5)、土壤總孔隙度(X6)和土壤非毛管孔隙度(X7)作為評價土壤蓄水性能的指標。參考林地立地質(zhì)量評價相關(guān)方法[14],設(shè)定指標 X5上限閥值為 100 cm,下限閥值為 20 cm,參考土壤總孔隙度的一般范圍[15](30%～60%),設(shè)定指標 X6的上限閥值為 60%,下限閥值為 30%,參考土壤非毛管孔隙度的一般范圍[15](5%～20%),設(shè)定指標 X7的上限閥值為 20%,下限閥值為 5%。

2.3.3 評價指標權(quán)重系數(shù)的確定和功能等級的劃分 依據(jù)評價指標的選取及其各自的閥值,采用專家打分法為各評價指標賦權(quán)重。各評價指標的權(quán)重系數(shù)及上下限閥值見表 2。

依據(jù)森林水源涵養(yǎng)功能綜合評價值(U)的大小可以將待評森林水源涵養(yǎng)功能定性劃分為 5個功能等級:好 (0.8～ 1.0)、較好(0.6 ～ 0.8)、中等(0.4 ～0.6)、較差(0.2～0.4)、差(0 ～0.2)。

2.3.4 各指標評分值計算 各評價指標的嶺形評分函數(shù) Vi(xi)max分別如下,利用這些公式可以分別計算各指標的評分值。

表 2 各評價指標的權(quán)重系數(shù)及閥限值Tab.2 Weight coefficient and threshou ld value of evaluation indexes

式中 V1(x1)max、V2(x2)max、V3(x3)max、V4(x4)max、V5(x5)max、V6(x6)max、 V7(x7)max分別為林冠截留率

(X1)、枯落物層蓄積量(X2)、枯落物層最大持水率

(X3)、土壤穩(wěn)滲速率(X4)、土層厚度(X5)、土壤總空隙度(X6)、土壤非毛管空隙度(X7)各評價指標的偏大嶺形評分函數(shù),x1、x2、…、x7分別為評價指標X1、X2、…、X7的實測值 。

3 結(jié)果與分析

桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能各評價指標的實測值見表 3(均為統(tǒng)計平均值)。

運用構(gòu)建的森林水源涵養(yǎng)功能綜合評價方法和表 3中的數(shù)據(jù),得到綜合評價結(jié)果,見表 4。從各森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評價值可以看出,綜合水源涵養(yǎng)功能的大小順序為青岡(0.755 0)＞杉木(0.5688)＞毛竹(0.4738)＞香樟(0.4665)＞馬尾松(0.3230)＞板栗(0.301 1)。

表 3 不同森林類型各評價指標實測值Tab.3 Measured value of indexes in different stands

表 4 各森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評價結(jié)果Tab.4 Evaluation resultof water conservation function of different stands

4 結(jié)論與討論

1)桐廬生態(tài)公益林主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能存在著一定差異,林冠截留率由高至低依序為青岡林、杉木林、馬尾松林、毛竹林、香樟林、板栗林;枯落物蓄積量由高至低依序為青岡林、香樟林、毛竹林、杉木林、馬尾松林、板栗林;枯落物最大持水率由高至低依序為板栗林、毛竹林、青岡林、杉木林、馬尾松林、香樟林;土壤穩(wěn)滲速率由高至低依序為青岡林、杉木林、毛竹林、香樟林、板栗林、馬尾松林;土壤總孔隙度由高至低依序為青岡林、香樟林、毛竹林、板栗林、杉木林、馬尾松林;土壤非毛管空隙度由高至低依序為青岡林、杉木林、香樟林、毛竹林、板栗林、馬尾松林。

2)桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評價結(jié)果為青岡林 ＞杉木林 ＞毛竹林 ＞香樟林 ＞馬尾松林 ＞板栗林;青岡林的水源涵養(yǎng)功能屬較好等級,杉木林、毛竹林、香樟林為中等,馬尾松林、板栗林較差。

桐廬地區(qū)青岡林的水源涵養(yǎng)功能最好,建議在生態(tài)公益林建設(shè)更新過程中將青岡林作為重要森林類型加以營造。

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Comp rehensive evaluation on water conservation function of main stand types of ecological protection forest in Tonglu County

Huang Jin1,Zhang Jinchi1,Yang Hui2
(1.Nanjing Forestry University,210037,Nanjing;2.Guangzhou Fanyu Vocational College,511400,Guangzhou:China)

Water conservation function ofmain stand typesofecological protection forest in Tonglu county of Zhejiang province were evaluated.Rate of canopy interception,litter volume,maximalwaterholding rate of litter layer,soil steady infiltration,soil thickness,soil general porosity and non-capillary porosity were selected as evaluation index,and comprehensive evaluation method of water conservation function wasused.The result show that the desending order of water conservation function was Cyclobalanopsis glauca,Cunninghamia Lanceolata,Phyllostachys heterocycla,Cinnamomum camphora,Pinusmassoniana,Castanea mollissima;the water conservation function of Cyclobalanopsis glauca belongs to better grade,Cunninghamia Lanceolata,Phyllostachys heterocycla and Cinnamomum camphora were middle,Pinusmassoniana and Castaneamollissima were worse.

ecological protection forest;water conservation function;stand types;evaluation;Tonglu

2009-04-08

2009-09-18

項目名稱:國家“十一五”林業(yè)科技支撐項目“長江中下游低山丘陵退化區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)示范”(2006BAD 03A 16)

黃進(1983—),男,博士研究生。主要研究方向:森林水文、環(huán)境生態(tài)。E-mail:hjtyforlove@yahoo.com.cn

?責(zé)任作者簡介:張金池(1962—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持、森林水文、林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:nfujczhang@sina.com

(責(zé)任編輯:宋如華)