孔維健,周本智 ,安艷飛,王小明

（中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,浙江富陽 311400）

陸地植被尤其是森林,作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體和核心,在維護水資源供需平衡、改善生態(tài)環(huán)境和維持生態(tài)平衡中起著根本的、至關(guān)重要的作用[1]。森林水文生態(tài)特征揭示森林對降雨分配、水分循環(huán)及水土保持等生態(tài)功能,是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能特征[2],具有重要的水文生態(tài)意義[3-6]。

常綠闊葉林主要分布在亞熱帶地區(qū)的大陸東岸,以我國分布的面積最大[7],為亞熱帶地帶性植被類型。由于對木材、薪材的需求和農(nóng)業(yè)的發(fā)展,天然闊葉林大多遭到破壞,目前多為次生林。天然次生林是我國亞熱帶地區(qū)重要的群落類型之一,是森林群落演替過程重要的過渡類型[8]。毛竹(Phy llostachys pubescens),廣泛分布在我國亞熱帶地區(qū),是我國最重要的竹種之一,是我國森林資源的重要組成部分。毛竹具有生長迅速、生物量大、適應(yīng)性廣等特點[9],是集經(jīng)濟、生態(tài)、社會效益于一體的優(yōu)良樹種,是竹產(chǎn)區(qū)人民經(jīng)濟收入的重要來源,也是人們安居樂業(yè)的生態(tài)屏障[10]。

影響森林水文生態(tài)特征的因素眾多,包括自然條件、降雨特征、植被特點等。但在同一研究地點,其影響因素主要取決于植被特點。鑒于此,選擇在中國亞熱帶地區(qū)分布較典型的天然次生林和人工毛竹林兩種森林類型,從水文生態(tài)功能的角度出發(fā),即林冠截留、林下植被截留、枯枝落葉截持、地表徑流和徑流泥沙等方面,在同一地點同步進行定位監(jiān)測,來研究不同植被類型對森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)特征的影響,為不同森林類型涵養(yǎng)水源和水土保持等功能的客觀評價提供依據(jù),亦可為天然林和人工林的可持續(xù)經(jīng)營和改造提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在浙江廟山塢自然保護區(qū)(119°56′-120°02′E,30°03′-30°06′N)進行 。該自然保護區(qū)位于浙江省富陽市境內(nèi),地形屬浙西低山丘陵區(qū)天目山系余脈,山體主脈呈東西走向,由主脈延伸的多條南北向支脈為本區(qū)主體,峽谷相間,谷向朝南,瀕臨富春江。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,季風(fēng)顯著,四季分明,降水充沛,溫暖濕潤。區(qū)內(nèi)氣候溫和,夏季炎熱,冬少嚴(yán)寒;年平均氣溫16.2℃(極端最高氣溫40.2℃,極端最低-14.4℃);年平均降水量 1 464 mm。保護區(qū)總面積816.8 hm2,其中天然次生林面積465 hm2,占總面積的56.9%。除天然森林資源外,還營造了一大批人工林和科研試驗林、示范林等。主要植被類型包括天然次生林、人工毛竹林、人工杉木林、人工松林和灌叢地等,植物種類較為豐富。

1.2 樣地選擇和群落調(diào)查

在廟山塢自然保護區(qū),天然次生林和人工毛竹林各選取一塊面積為400 m2(20 m×20 m)的標(biāo)準(zhǔn)樣地(兩塊樣地相鄰1 000 m內(nèi)),采用每木檢測的方法分別測定樣地內(nèi)樹木的胸徑和樹高,對胸徑≥2 cm的所有樹木調(diào)查種類和數(shù)量。天然次生林樣地坡度35°左右,坡向西南,海拔 181 m。喬木層主要樹種為青岡,占56.1%,此外還有白櫟、杉木、含笑、冬青、野柿樹、紅樹等。喬木層下含有大量的灌木和草本,地表覆蓋大量枯枝落葉,平均厚度約3.0 cm。樹冠層蓋度為75%,群落總蓋度約為95%,胸徑大于2 cm的樹木密度為1 025株/hm2,樣地內(nèi)樹木(胸徑大于2 cm)的平均胸徑為14.2 cm,平均樹高為14.5 m;人工毛竹林樣地坡度20°左右,坡向正南,海拔169 m。樣地內(nèi)竹林密度為3 875株/hm2,林冠層蓋度為95%,竹株胸徑分布在4.0～13.6 cm,平均胸徑為9.8 cm,平均竹高 13.2 m,林下幾乎沒有灌木和草本,但地表覆蓋較多枯枝落葉,平均厚度約2.5 cm。

1.3 水文生態(tài)特征的觀測方法

1.3.1 穿透雨及大氣降雨的觀測 在天然次生林和人工毛竹林樣地內(nèi)規(guī)律性安置5個由白鐵皮制成的集水槽(收集面積為1.5 m×0.5 m),樣地內(nèi)得到平均為穿透雨量值(T)。同時在林外空曠地上安置1個集水槽作為對照(林外降雨P(guān)),為了避免灌木及草本植物對穿透雨的影響,使集水槽距離地面的高度不低于100 cm,并與地面保持約0.5°的傾角,集水槽較低的一端底部開口,連接到一個地面上的集水器中,人工觀測林內(nèi)穿透雨量。天然次生林樣地內(nèi)雜灌下面規(guī)律性布設(shè)5個直徑為0.208 m(面積0.034 m2)的塑料圓形漏斗,漏斗下接塑料水桶,人工觀測雜灌下穿透雨量。為了避免枯枝落葉等落物對測量結(jié)果的影響,降雨前把集水槽和漏斗內(nèi)的凋落物等物質(zhì)清理干凈。

1.3.2 樹干莖流觀測 根據(jù)樣地內(nèi)的樹木種類、徑級、樹冠形狀等,用徑級標(biāo)準(zhǔn)木法各選擇標(biāo)準(zhǔn)木(天然次生林內(nèi)8株,人工毛竹林內(nèi)9株)觀測樹干莖流。具體方法為在選定的每株標(biāo)準(zhǔn)木上,將剖開的聚乙烯塑料管(直徑2 cm)螺旋形地圍繞在樹干上2～3圈,用玻璃膠將接縫處封嚴(yán),做成截水槽,塑料管的下端接到一個地面上的集水器,用于收集樹干莖流。然后,將標(biāo)準(zhǔn)木莖流量按林木徑階及其權(quán)重進行統(tǒng)計,利用加權(quán)平均法推算出單位面積林分的莖流量(S)。天然次生林下灌叢因為其植株平均胸徑很小,所以本研究中未測量其樹干莖流。

1.3.3 林冠截留(I)的計算 利用公式I=P-T-S計算林冠截留量。

1.3.4 地表徑流(R)和徑流泥沙觀測 天然次生林和人工毛竹林樣地內(nèi)分別建立一個徑流場(10 m×20 m),徑流場下坡面建一集水池(容積1 m3),集水池底面建一沉沙池(40 cm×20 cm×10 cm),每次降雨后及時測量蓄水池中地表徑流水量,并從沉沙池中用600 ml的水瓶取滿泥沙和水的混合水樣。水樣先用濾紙過濾,然后把濾紙和泥沙一起放置在105℃的電烘箱內(nèi)12～24 h,取出冷卻后稱重。記錄每次徑流的泥沙含量。

1.3.5 枯枝落葉層枯落物現(xiàn)存量及蓄水量的調(diào)查在天然次生林和人工毛竹林內(nèi)各布設(shè)5個1 m×1 m的小樣方,分別將樣方內(nèi)的所有枯落物裝入封口袋中,帶回實驗室立即稱重(G1)。然后將枯落物在水中浸泡24 h后取出置于篩網(wǎng)中,等枯落物沒有明顯水滴滴落時立即稱重(G2)。然后將枯落物風(fēng)干后置于烘箱中烘干至恒重(一般在105℃下烘16～24 h),立即稱重(G0)。然后分別計算出枯落物的自然含水率[(G1-G0)/G0×100%]與最大含水率[(G2-G0)/G0×100%],并計算出其蓄水能力。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

本實驗觀測記錄了2009年3月10日-2009年7月1日的29次降雨數(shù)據(jù),平均每3.9 d一次降雨。觀測期內(nèi)總降雨量544.5 mm,次降雨量分布在0.1～78.7 mm,降雨時間分布在 0.1～72 h。其中小雨(0～10 mm)12次,占降雨總次數(shù)的41.4%,中雨(10～25 mm)9次,占 31.0%,大雨(25～50 mm)7次,占 24.1%,暴雨(50 ～ 100 mm)1次,占3.5%。天然次生林與人工毛竹林水文生態(tài)特征各數(shù)值列于表1。

表1 天然次生林與人工毛竹林水文生態(tài)特征的比較

2.1 林冠截留作用比較

降落到森林中的雨滴,由于受到林冠層的截留作用,發(fā)生了到達地面過程的第一次水量分配,將大氣降雨分配為穿透雨、樹干莖流和林冠截留三部分[11]。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,人工毛竹林內(nèi)穿透雨高于天然次生林,分別是喬木層的1.28倍、灌木層的1.46倍;人工毛竹林莖流同樣高于天然次生林,是1.18倍;而林冠截留(包括灌木截留)恰好相反,天然次生林遠高于人工毛竹林,是2.40倍,其中喬木層截留2.0倍。產(chǎn)生莖流和穿透雨的最小次降雨量,天然次生林是3.3 mm,人工毛竹林是2.3 mm。

2.2 枯枝落葉層截持水作用比較

降水通過林冠后,到達枯枝落葉層,進行到達地面過程的第二次水量分配。森林枯枝落葉層具有較大的水分截持能力,從而影響到穿透降雨對土壤水分的補充和植物的水分供應(yīng)。森林枯枝落葉層的水文生態(tài)效應(yīng)取決于其蓄水能力,而蓄水能力由枯落物蓄積量和持水率決定[6,12]。天然次生林枯枝落葉的現(xiàn)存量略高于人工毛竹林,為1.29倍,而最大持水率是1.42倍,林分枯枝落葉層的最大蓄水潛力是1.88倍。

2.3 地表徑流和徑流泥沙比較

通過林冠和枯落物層的攔截和消能作用,可以有效減少地表徑流量及徑流速度,減弱雨水對地表的直接沖擊和侵蝕,林地表層土壤不會迅速流失,減少了徑流泥沙含量[13-14]。分析結(jié)果顯示,觀測期內(nèi),人工毛竹林的地表徑流是天然次生林的1.92倍,徑流泥沙含量卻達到3.82倍,另外研究發(fā)現(xiàn),天然次生林與人工毛竹林產(chǎn)生明顯地表徑流(0.5 mm)的最小次降雨量分別為20.7 mm、36.7 mm。

2.4 降雨分配模型比較

在分別檢測了各降雨分量與降雨量之間的幾種回歸模型后,根據(jù)最大R2值選擇最佳的擬合方程,列于表2。分析發(fā)現(xiàn),天然次生林和人工毛竹林降雨空間分配情況都可以用數(shù)學(xué)模型模擬,均具有較高的相關(guān)性與顯著性水平。其中穿透雨量、莖流量、地表徑流量與降雨量之間用線性方程擬合最好;林冠截留量、穿透雨率、莖流率、地表徑流系數(shù)與降雨量之間用對數(shù)函數(shù)擬合最好;林冠截留率與降雨量之間用冪函數(shù)擬合最好。

3 結(jié)論與討論

(1)天然次生林具有較高的林冠截留作用。總林冠截留是人工毛竹林的2.40倍,林冠截留率和產(chǎn)生穿透雨與莖流的最小次降雨量都大于人工毛竹林。天然次生林喬木層蓋度雖然低于毛竹林,但由于其冠層高度較高,其枝葉層厚度、葉面積指數(shù)遠遠高于毛竹林,林冠截留作用本身就較強,再加上林下灌木層截留,總的截留效果顯著[11]。不僅如此,毛竹稈、枝、葉部表面光滑,且被有堅硬透水性很差的硅化蠟質(zhì)層,吸持水能力較弱,從而決定了林冠、竹稈、竹枝達到飽和所需的降水量相對較小[9]。因此林冠截留率和產(chǎn)生穿透和莖流的最小降雨量都小于天然次生林。

(2)天然次生林枯枝落葉層具有較高的截持水能力,其最大蓄水潛力是人工毛竹林的1.88倍。但兩種生態(tài)系統(tǒng)的枯枝落葉現(xiàn)存量和最大蓄水潛力都比較小[12]。其原因可能是2008年的雪災(zāi),使植被林冠層受到一定的破壞,林內(nèi)光線較充足,再加上本地區(qū)一直以來降雨量較大,溫濕度較高,加快了枯枝落葉的分解,枯落物現(xiàn)存量和最大蓄水潛力較小。

表2 天然次生林和人工毛竹林降雨分配擬合方程

(3)天然次生林的水土保持能力較好,其中人工毛竹林的地表徑流是天然次生林的1.92倍,徑流泥沙含量高達3.82倍。這一方面是因為天然次生林林冠截留和枯枝落葉層截持水作用更強,另一方面是因為天然次生林下存在灌木草本層及較多的根系,進一步消弱了穿透雨對地表的沖刷,其保水固土能力自然更強。

(4)天然次生林和人工毛竹林降雨空間分配情況都可以用數(shù)學(xué)模型模擬,具有較高的相關(guān)性與顯著性水平。這與多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果[6,11,15-23]相同,降雨分配規(guī)律相似,僅常數(shù)不同。筆者認(rèn)為這主要是由森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能決定的,常數(shù)的不同只是由研究地自然條件、降雨特征和植被特點差異造成的。溫遠光等[12]也已對中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)類型降雨截留模型進行了較深入的歸納整理,本文不再贅述。

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