百望山森林公園典型林地森林水源涵養功能研究

楊 俊 趙新航 張丹丹

(首都綠色文化碑林管理處,北京 100094)

森林作為陸地生態系統的主體,是生物圈生態系統中分布最廣、類型最豐富、結構最復雜的生態系統,是自然界最完善的資源庫、蓄水庫、碳貯庫和能源庫,占近30%的陸地面積,卻能產生地球60%以上的生物量,對改善生態環境、維護生態平衡和促進經濟社會可持續協調發展起著決定性的作用[1-2]。其不僅為人類提供重要的社會和經濟產品與服務,還具有涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、凈化大氣環境、森林保護、生物多樣性保護和森林游憩等多種生態服務功能[3-4]。

森林涵養水源功能主要包括攔蓄洪水、調節徑流和凈化水質等[5]。攔蓄洪水是指森林通過減少洪水發生危險提供的一種效益。在山區,雨季高強度降雨事件經常引發洪災、泥石流和滑坡,森林通過植被冠層、枯落物層和土壤層截留一部分雨水,減少直接落在森林地表的降水量,從而大大減少洪災、泥石流和滑坡發生的概率。調節徑流是指森林通過雨季存儲降雨,在旱季補給河道,從而穩定河道旱季流量。凈化水質是指森林通過河流、湖泊和含水層來過濾、保持和存儲水資源。

森林的水源涵養能力除了與森林的生長特征相關外,也受土壤的孔隙結構、質地等因素影響[6-7]。土壤毛管孔隙蓄存的水分不能補給江河或地下水,只能供給植物根系吸收或土壤蒸發,而非毛管孔隙除為飽和土壤水分提供通道外,還為水分的暫時貯存提供了空間,是土壤快速貯水場所,它體現了林地調節洪水,蓄洪作用能力,也反映了非毛管孔隙對降水的短期停滯量;而土壤排水能力反映在大雨過后土壤吸飽的水分通過土壤的大孔隙向下滲漏到地下水層或通過側向徑流和地下徑流緩慢流向溪谷的能力,是非降水時期或旱季森林溪谷徑流水和江河、水庫的泉源。

依據2018年7月正式印發的《北京市生態保護紅線劃定方案》,按主導生態功能劃分,百望山是太行山余脈,屬小西山一帶,是重要的水土保持類型功能區,在涵養水源、調節徑流、固持土壤等生態保護方面具有重要作用。本研究以百望山的4種典型林地(即側柏林、油松林、元寶楓林和黃櫨林)為研究對象,開展了不同類型林地的水源涵養效益和水土保持功能的監測和調查,分析并評估其水源涵養功能,旨在加深管理單位和公眾對百望山森林水源涵養功能的科學認知,為實現百望山森林生態系統的科學管理和保護提供基礎數據和理論指導。

1 研究區概況

百望山屬太行山余脈,是太行山延伸到華北平原最東端的山峰。主峰海拔210m,總面積244.6hm2,植被茂密,屬溫帶落葉闊葉林區。百望山森林公園現有森林總面積246.34hm2,主要為新中國成立后的人工營造林,現已全部納入國家級重點生態公益林,林地面積227.46hm2,森林覆蓋率達92.34%。在林地中針葉林面積111.7hm2,以油松、側柏為主,占林地總面積的47.7%,面積較廣;闊葉林面積13.2hm2,以元寶楓、黃櫨、刺槐為主;針闊混交林面積109.1hm2,混交形式有油松×山杏、側柏×栓皮櫟等。百望山屬典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促。全年無霜期180～200天,西部山區較短。其中2007年平均降水量483.9mm,為華北地區降水最多的地區之一。降水季節分配很不均勻,全年降水的80%集中在夏季6—8月,7月和8月常有大雨。

2 研究方法

2.1 監測點設置

根據百望山林地類型的空間分布特征(見圖1),通過結合百望山遙感影像圖、DEM圖,并根據已有植被調查資料,選取有代表性的10塊樣地進行園區森林健康和水源涵養監測和評估。此外,在百望山森林公園內建設了4個20m×5m的林地徑流小區,對徑流區內降雨、徑流量、徑流水質、土壤水分等水文參數進行監測,用以監測與評估不同林地徑流調控功能。以油松、側柏為代表的針葉林和以元寶楓、黃櫨為代表的景觀闊葉林為研究對象。4種優勢種面積合計186.72hm2,占百望山林地面積達80%,見表1。

表1 4種典型林地面積統計

2.2 樣地與監測小區設置

調查樣地基本信息見表2,在所挑選樣地內建立1個20m×20m的喬木樣方、2個5m×5m的灌木樣方、2個50cm×50cm的草本樣方、2個30cm×30cm的枯落物樣方,并記錄樣地編號、調查日期、調查人員、經緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、植被類型、群落結構等信息。徑流小區的基本信息見表3。

表2 調查樣地基本信息

表3 監測徑流小區基本信息

2.3 樣地與監測小區設置

森林土壤蓄水能力可用單位面積蓄水容量來表示[8]:

S=10000hp

(1)

式中:S為蓄水能力,t/hm2;h為土壤平均厚度,m;p為土壤非毛管孔隙度,%。

3 研究結果

3.1 不同林地水源涵養能力監測與評估

水源保護林的生態效益主要體現在水源涵養、調節氣候、林木生長、保育土壤等方面。分別以水文水質、氣象、植被和土壤等方面的監測數據為基礎,分析百望山林地水源涵養、水土保持生態效益。

通過對百望山各植被類型土壤物理性質的測定,可計算得到不同植被類型土壤持水特性及蓄水能力[9-10],結果見表4。由表4可見,百望山各林地土壤的最大蓄水能力為1130.50～1454.50t/hm2,其中,油松林地土壤蓄水能力最大,側柏林最小。

表4 百望山不同植被類型土壤持水特性和蓄水能力

3.2 不同林地徑流調節功能監測與評估

3.2.1 降雨監測

2022年6—10月油松和側柏林內的氣象站記錄的降雨數據見表5。監測期內,共發生降雨19場,根據《降水等級標準》(GB/T 28592—2012),包括11場小雨(0.1～9.9mm)、3場中雨(10～24.9mm)、3場大雨(25～49.9mm)和2場暴雨(50～99.9mm)。監測期內最大降雨在7月28日,降雨量為57.8mm,觀測期間累計降雨量為292mm,見圖2。

表5 百望山氣象站監測期降雨特征

圖2 氣象站監測期累計降雨量

3.2.2 小區土壤水監測

監測期內最長的降雨間歇期是2022年8月22日至9月8日,圖3為油松林在這段降雨間歇期的土壤水分變化情況。地下0～10cm土層的土壤含水率遞減速度最快,從38.2%下降至22.9%。10～30cm土層的含水率始終保持最高,從40.6%下降至27.3%。30～50cm的土壤水分(36.6%)在8月22日略低于0～10cm土層,但自8月25日開始土壤含水率高于0～10cm土層,最終土壤含水率為27.4%,僅次于10～30cm的土壤含水率。50～70cm的土壤含水率始終最低,且變化最為緩慢,在20.5%～26.1%之間。

圖3 降雨間歇期8月22日至9月8日油松小區各土層含水率

8月22日—9月9日,側柏林0～10cm土層的含水率最高(見圖4),遞減速率最快,從55.9%下降至27.1%;油松林次之,從38.2%下降至22.9%;黃櫨林和元寶楓林的初始含水率相近,明顯低于側柏林和油松林,土壤含水率變化不明顯,黃櫨林和元寶楓林的含水率分別為18.7%～23.5%和19.4%～23.5%;元寶楓林的土壤含水率探針可能受到外界因素擾動,在9月2—8日之間出現波動。

圖4 降雨間歇期8月22日至9月8日各小區0～10cm土層含水率

3.2.3 小區徑流量監測

根據流量計監測數據,側柏徑流小區共監測到6場有效降雨產流[11-12],總徑流量為25.2L;油松徑流小區共監測到9場有效產流,總徑流量為1495.4L;黃櫨徑流小區共監測到有效產流4場,總徑流量274.0L;元寶楓徑流小區共監測到有效產流9場,總徑流量為312.4L。

2022年8月6日,側柏和油松林氣象站測得降雨23.0mm,黃櫨林氣象站測得降雨24.0mm,元寶楓林氣象站測得降雨15.4mm,各徑流小區徑流總量見圖5。其中,油松小區產生的徑流總量最多,為664.8L;側柏小區產生的徑流總量最少,為16.8L;黃櫨小區和元寶楓小區徑流總量較為相近,分別為49.4L和34.6L。

圖5 8月6日降雨各徑流小區產流量

8月6日油松小區的產流量是監測期間的最大值,其降雨-徑流過程見圖6,可能由于8月5日的降雨使油松小區產生了113L的徑流,土壤含水率較高,22:40,徑流開始產生。23:00的降雨量強度達0.7mm/min,23:10時洪峰流量為9.6L/min。23:30達到最大雨強,為0.78mm/min,對應的洪峰產生時間為次日0:20,洪峰流量為8.42L/min,可以看出徑流小區有一定的洪峰延遲作用。0:20～2:00,降雨中止但小區仍持續產生徑流,而2:00～2:10分的降雨強度較小,未能超過土壤的下滲速度,所以未能產生徑流。

圖6 8月6日中雨狀況下油松小區的徑流響應

3.2.4 小區徑流水質監測

3.2.4.1 泥沙監測

監測期間,分別在8月7日、8月13日、9月11日和9月13日對各徑流小區進行徑流采樣,各徑流小區徑流中泥沙含量見圖7。不同降雨場次后徑流中泥沙含量差異明顯,8月13日取樣泥沙含量明顯高于其他3次取樣。這是因為8月12日場降雨量較小,各區域的降雨量在2～3.8mm,各小區產生的徑流量均較少,使泥沙的濃度相對較高。對比各徑流小區的徑流泥沙量,發現在不同降雨中側柏林、油松林和元寶楓林徑流小區的徑流中泥沙含量無明顯規律。黃櫨林的地表植被覆蓋較多,且黃櫨根系可能對徑流小區內土壤性質有一定的改良作用。從監測數據來看,黃櫨林小區在8月7日、8月13日、9月11日、9月13日取樣徑流中泥沙含量分別為0.04g/L、3.9g/L、0.18g/L和0.09g/L,明顯低于其他徑流小區。

圖7 各徑流小區徑流泥沙含量

3.2.4.2 徑流營養元素濃度

圖8 各徑流小區徑流中營養元素濃度

3.2.4.3 重金屬濃度監測

各徑流小區徑流中均幾乎未檢測出Ni、Cd和Pb(見表6),側柏林和元寶楓林的徑流中幾乎不含Cr(前者平均濃度為0.06μg/L,后者未檢出),明顯低于油松林(5.69μg/L)和黃櫨林(23.43μg/L)。油松林徑流中Fe的平均濃度最高,達到14.91μg/L,明顯高于黃櫨林(8.92μg/L)、側柏林(8.07μg/L)和元寶楓林(1.32μg/L)。油松林和側柏林徑流中Mn的平均濃度(分別為15.35μg/L和9.36μg/L)明顯高于元寶楓林和黃櫨林(分別為0.71μg/L和0.34μg/L)。側柏林徑流中Cu和Zn的平均濃度(分別為5.79μg/L和7.17μg/L)依次高于油松林(4.84μg/L和1.89μg/L)、黃櫨林(2.89μg/L和1.69μg/L)和元寶楓林(1.9μg/L和0.17μg/L)。樣地土壤本身性質、樹根分泌物、人為影響等可能是影響徑流中重金屬濃度的主要因素。整體來看,臨近山腳、易受人為影響的側柏林和油松林徑流中重金屬的濃度高于黃櫨林和元寶楓林,而海拔最高的元寶楓林徑流中重金屬濃度最低。

表6 百望山各徑流小區徑流中重金屬濃度 單位:μg/L

4 結 論

本研究通過在油松、側柏、元寶楓、黃櫨林地內標準樣地開展植被、土壤、生物多樣性調查,修建標準徑流小區,構建氣象、水文等自動監測系統,綜合評估百望山森林公園不同類型林地的水源涵養功能。研究取得的主要結論如下:

a.各林地土壤的蓄水能力為1130.5～1454.50t/hm2,其中,油松林地土壤蓄水能力最大,側柏林最小;調查林地0～30cm土層土壤容重為1.38～1.44g/cm3,土壤毛管孔隙度為39%～44%,非毛管孔隙度為4%～5%,黃櫨林地土壤礫石含量最高,容重最大;油松林地土壤孔隙度大,容重最低。

b.2022年7—9月,側柏徑流小區共監測到6場有效降雨產流,總徑流量為25.2L;油松徑流小區共監測到9場有效產流,總徑流量為1495.4L;黃櫨徑流小區共監測到有效產流4場,總徑流量274.0L;元寶楓徑流小區共監測到有效產流9場,總徑流量為312.4L;黃櫨林的地表植被覆蓋較多,且黃櫨根系對徑流小區內土壤性質具有改良作用,黃櫨林徑流小區徑流泥沙含量明顯低于其他徑流小區。