天然次生林和人工毛竹林水文生態特征比較*

孔維健,周本智 ,安艷飛,王小明

（中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所,浙江富陽 311400）

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

常綠闊葉林主要分布在亞熱帶地區的大陸東岸,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、薪材的需求和農業的發展,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,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、適應性廣等特點[9],是集經濟、生態、社會效益于一體的優良樹種,是竹產區人民經濟收入的重要來源,也是人們安居樂業的生態屏障[10]。

影響森林水文生態特征的因素眾多,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,從水文生態功能的角度出發,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測,來研究不同植被類型對森林生態系統水文生態特征的影響,為不同森林類型涵養水源和水土保持等功能的客觀評價提供依據,亦可為天然林和人工林的可持續經營和改造提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

本研究在浙江廟山塢自然保護區(119°56′-120°02′E,30°03′-30°06′N)進行 。該自然保護區位于浙江省富陽市境內,地形屬浙西低山丘陵區天目山系余脈,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主體,峽谷相間,谷向朝南,瀕臨富春江。氣候屬中亞熱帶季風氣候,季風顯著,四季分明,降水充沛,溫暖濕潤。區內氣候溫和,夏季炎熱,冬少嚴寒;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 樣地選擇和群落調查

在廟山塢自然保護區,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)的標準樣地(兩塊樣地相鄰1 000 m內),采用每木檢測的方法分別測定樣地內樹木的胸徑和樹高,對胸徑≥2 cm的所有樹木調查種類和數量。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規律性安置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),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,人工觀測林內穿透雨量。天然次生林樣地內雜灌下面規律性布設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果的影響,降雨前把集水槽和漏斗內的凋落物等物質清理干凈。

1.3.2 樹干莖流觀測 根據樣地內的樹木種類、徑級、樹冠形狀等,用徑級標準木法各選擇標準木(天然次生林內8株,人工毛竹林內9株)觀測樹干莖流。具體方法為在選定的每株標準木上,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,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,將標準木莖流量按林木徑階及其權重進行統計,利用加權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存量及蓄水量的調查在天然次生林和人工毛竹林內各布設5個1 m×1 m的小樣方,分別將樣方內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 數據分析

使用SPSS 17.0統計軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

本實驗觀測記錄了2009年3月10日-2009年7月1日的29次降雨數據,平均每3.9 d一次降雨。觀測期內總降雨量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特征各數值列于表1。

表1 天然次生林與人工毛竹林水文生態特征的比較

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]。數據分析結果顯示,人工毛竹林內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。森林枯枝落葉層的水文生態效應取決于其蓄水能力,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]。分析結果顯示,觀測期內,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,另外研究發現,天然次生林與人工毛竹林產生明顯地表徑流(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,根據最大R2值選擇最佳的擬合方程,列于表2。分析發現,天然次生林和人工毛竹林降雨空間分配情況都可以用數學模型模擬,均具有較高的相關性與顯著性水平。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、地表徑流系數與降雨量之間用對數函數擬合最好;林冠截留率與降雨量之間用冪函數擬合最好。

3 結論與討論

(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。但兩種生態系統的枯枝落葉現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,使植被林冠層受到一定的破壞,林內光線較充足,再加上本地區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學模型模擬,具有較高的相關性與顯著性水平。這與多數學者的研究結果[6,11,15-23]相同,降雨分配規律相似,僅常數不同。筆者認為這主要是由森林生態系統的結構和功能決定的,常數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系統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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