福建省森林水文對(duì)降水的影響

福建省森林水文對(duì)降水的影響

水是森林生態(tài)系統(tǒng)中最活躍、影響最大的因素。一方面,它作為物質(zhì)存在的一種形式作用于森林生態(tài)系統(tǒng);另一方面,水又是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)的重要載體。森林生態(tài)系統(tǒng)的水分狀況對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、連續(xù)性等都有很大的影響。森林水文效應(yīng)則是生態(tài)系統(tǒng)中森林和水相互作用及其功能的綜合體現(xiàn)。森林與水之間的關(guān)系是極其復(fù)雜的。從水分平衡方面來看,由于不同類型的森林對(duì)大氣降水的林內(nèi)降雨量、樹干截留量等的影響不同,產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流也不盡相同,林地蒸發(fā)散也可能不一樣。因此,不同地帶、不同類型的森林對(duì)水分的大循環(huán)、小循環(huán)、水量平衡等各個(gè)方面的影響自然存在差異,甚至這種變化是很大的。森林植被變化對(duì)森林水文過程的影響將會(huì)改變水量平衡的各個(gè)環(huán)節(jié),影響森林的水分狀況和河川徑流。本文概述了近幾十年國(guó)內(nèi)外森林水文生態(tài)功能的研究進(jìn)展,旨在為我國(guó)不同地區(qū)深入研究森林變化對(duì)區(qū)域水分循環(huán)的調(diào)節(jié)作用提供參考信息,為森林保護(hù)和森林生態(tài)工程建設(shè)提供依據(jù),特別對(duì)當(dāng)前實(shí)施西部開發(fā)“植樹種草”生態(tài)保護(hù)工程更具現(xiàn)實(shí)意義。1森林調(diào)節(jié)降水作用從森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能的角度出發(fā),論述了森林對(duì)降水的影響機(jī)制,即林冠層截留、林下植被層截留、枯枝落葉層截持、土壤蓄水四個(gè)方面,較詳細(xì)地說明了森林在調(diào)節(jié)降水中的重要作用。不同的森林類型,其樹種組成不一樣,群落的結(jié)構(gòu)存在差異,對(duì)降雨的攔蓄能力也不同,這種差別是評(píng)價(jià)不同森林類型水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要數(shù)量特征,也是區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)與維護(hù)的重要依據(jù)。1.1林冠截留率與林內(nèi)降水率的關(guān)系在森林與降水關(guān)系中,林冠截留降水是森林對(duì)降水的第一次阻截,也是對(duì)降水的第一次分配。其余大部分降水通過林內(nèi)降水形式到達(dá)地面枯枝落葉層,形成土壤蓄水。林冠層截留降雨的能力因不同樹種、不同器官有很大差異,主要與林冠層枝葉生物量及其枝葉持水特性有關(guān)。例如:我國(guó)福建省不同森林類型林冠層持水量就差別很大(見表1)。由表1分析可知:杉木持水量平均值為19.23t/hm2,持水量變動(dòng)范圍在5.46～49.14t/hm2,變異系數(shù)為77.43%,表明杉木林內(nèi)林冠層持水量變異較大;持水率范圍為64.08%～67.62%,平均值為65.21%,表明杉木樹冠持水率較大,這與杉木枝葉的生長(zhǎng)方式有很大關(guān)系。而格氏栲等硬闊葉類樹種,持水率范圍為70.00%～77.06%,平均值為72.63%(變動(dòng)系數(shù)4.03%),林冠層枝葉持水率普遍較高。就我國(guó)目前來說,主要森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留率大約為11.4%～36.5%,變動(dòng)系數(shù)約為6.68%～55.05%,樹冠截留功能波動(dòng)性大,穩(wěn)定性小,其中以亞熱帶西部高山常綠針葉林最大,亞熱帶山地常綠落葉闊葉混交林最小(具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱帶山地雨林和季雨林除外)。而國(guó)外一般認(rèn)為溫帶針葉林林冠截留率為20%～40%。林冠截留率與降水量呈緊密的負(fù)相關(guān),一般表現(xiàn)為負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。大量研究證明,林冠截留損失受多種因素的影響,包括降水頻率、降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)、風(fēng)速、林冠特征等。目前Rutter模型和Gash解析模型是較為完善且應(yīng)用廣泛的林冠截流模型。林內(nèi)降雨量與林分密度成反比,隨樹冠截留增加而減少,隨離樹干距離增大而增加,數(shù)值上等于降雨量減去林冠截留量與樹干徑流量之和。加拿大M.K.Mahendrappa(1984)確定了計(jì)算林內(nèi)降水(Y)的回歸模型:Y=bX-a(其中X為降雨量,b為斜率,a為回歸線升角)。美國(guó)J.W.Raich(1983)曾對(duì)哥斯達(dá)黎加的濕地成林和一片1年生演替林作過6個(gè)月觀測(cè),發(fā)現(xiàn)成林林內(nèi)降水量占總降水量的52%,演替林占68%。西德J.Weihe(1983)通過測(cè)定兩片密度不同的云杉林分提出,用系統(tǒng)布點(diǎn)方式測(cè)得稀疏林林內(nèi)降雨量為77.6mm,郁閉林為38.7mm。森林干流量很小,通常占降水量5%以下,很少超過10%,在水量平衡中,干流量可忽略不計(jì),但在研究大氣降水化學(xué)輸入、可溶性物質(zhì)淋溶及森林對(duì)水質(zhì)的影響中有重要意義。1.2林下植被層持水量降雨通過林冠層到達(dá)林下植被層是再次被截留,從而使雨滴擊濺土壤的動(dòng)能大大減弱。林下植被的種類以及數(shù)量受林分結(jié)構(gòu)的影響,使得不同林分林下植被層的持水性能存在差異。灌草層居于林內(nèi)近地層,林內(nèi)與林外相比,具有溫度低、風(fēng)速小的特點(diǎn)。在降雨過程中,林下幾乎沒有產(chǎn)生蒸發(fā),用浸水法測(cè)得的灌草層最大持水量可近似地認(rèn)為是其對(duì)降雨的截留量。一般以林下植被層的最大持水量來表示林下植被層持水功能的大小。林下植被層持水量是林下灌木層持水量和草本層持水量之和。不同森林類型林下植被層持水量變化較大(見表2)。由表2可知:福建省主要森林類型林下植被層生物量為0.66～39.25t/hm2,平均值為10.61t/hm2,林下植被層持水量為0.60～30.35t/hm2,平均值為7.84t/hm2,相當(dāng)于0.06～3.04mm的降水深度,平均值為0.78mm。福建省主要森林類型林下植被層持水量較小。通常情況下天然林林下植被層的持水量較大,這是因?yàn)樘烊涣质苋藶楦蓴_較少,易形成復(fù)層林,林冠層疏開,郁閉度降低,林下的光照條件好,林下植被繁茂,林下植被層生物量一般較高,所以林下植被層持水量較高。1.3枯落葉層截持水能力枯枝落葉層具有保護(hù)土壤免受雨滴沖擊和增加土壤腐殖質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的作用,并參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,有效地增加了土壤孔隙度,減緩地表徑流速度,為林地土壤層蓄水、滯洪提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。這是枯枝落葉層對(duì)森林涵養(yǎng)水源的重要貢獻(xiàn)。有關(guān)資料表明:在林冠層、枯枝落葉層和土壤層這3個(gè)層次中,枯枝落葉層的貢獻(xiàn)很大。地表枯枝落葉層根據(jù)分解程度的不同,一般可分為未分解的L亞層、半分解的F亞層和完全分解的H亞層3個(gè)層次(張萬儒等,1986)。森林枯枝落葉層不僅具有較大的水分截持能力,從而影響林內(nèi)降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)充和植物的水分供應(yīng),而且具有很強(qiáng)的透水性?？葜β淙~層具有比土壤更多更大的空隙,因而水分易蒸發(fā)。Kelliher研究表明,不同類型的森林枯枝落葉層的蒸發(fā)散占林地總蒸發(fā)散的3%～21%?？葜β淙~層一般吸持水量可達(dá)自身干重的2～4倍,各種森林枯落物最大持水率平均為309.54%。枯枝落葉層吸持水能力的大小與枯枝落葉層現(xiàn)存量和持水率密切相關(guān)(見表3),并受林分類型、林齡、枯落物分解狀況、累積狀況、前期水分狀況、降雨特點(diǎn)等因素的影響。由表3可知:福建省主要森林類型的枯枝落葉層持水量平均值為12.16t/hm2,變異較大,變異系數(shù)為96.38%;持水率變化在95.28%～295.68%,平均值為167.88%,變異系數(shù)為28.39%,持水率變化比較穩(wěn)定?？葜β淙~層的截留量表征指標(biāo)有枯枝落葉層的最大持水量和枯枝落葉層的有效攔蓄量。枯枝落葉層的有效攔蓄量算式:W=(0.85RmR0)×M,式中:W為有效攔蓄量,Rm為最大持水量,R0為自然含水量,M為枯枝落葉現(xiàn)存量。枯枝落葉層的截留量為最大持水量和自然含水量之差。通過枯枝落葉層的截留,第3次改變了到達(dá)土壤表面的自然降水過程和降雨量。由于枯枝落葉層截留了大量的水分,并減緩了水在土壤表面的流動(dòng)速度,因此增加了水向土壤中入滲的機(jī)會(huì)?？葜β淙~層不僅具有一定的持水能力,而且具有促進(jìn)入滲、抑制林地蒸發(fā)、防止雨滴擊濺侵蝕等作用。1.4土壤貯水量與林分的關(guān)系森林中透過林冠層的降水量有70%～80%進(jìn)入土壤,進(jìn)行再次分配。一般森林土壤疏松,物理結(jié)構(gòu)好,孔隙度高,具有比其他土地利用類型高的入滲率。對(duì)于良好的森林土壤,其土壤穩(wěn)定入滲率高達(dá)8.0cm/h以上,林地入滲過程的模擬以Philip模型為主。土壤滲透能力通常與非毛管孔隙度呈顯著正線性相關(guān),林地土壤具有較大孔隙度,特別是非毛管孔隙度大,從而加大了林地土壤入滲率、入滲量。研究表明,闊葉紅松林皆伐形成的草地的初滲率和穩(wěn)滲率只相當(dāng)于原始紅松林的30%～60%,大大降低了森林土壤的滲透性能。森林土壤貯水量常因森林類型、土壤類型不同而異。據(jù)研究,杉木人工林、間伐林和皆伐跡地土壤貯水能力分別為1220、1030和860t/hm2,皆伐跡地土壤貯水能力最低。森林土壤層的最大貯水量與土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙度密切相關(guān)。由本研究項(xiàng)目*得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知(見表4):福建省不同森林類型0～40cm土壤層最大貯水量與土壤表層有機(jī)質(zhì)含量、容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度相關(guān)關(guān)系密切,其中與有機(jī)質(zhì)、非毛管孔隙度、毛管孔隙度呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系,與0～40cm土層的容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)看最大貯水量與土壤層容重相關(guān)關(guān)系最密切,其他影響因素影響程度大小依次為非毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度。森林土壤層非毛管貯水量表征了土壤在短時(shí)間里所能貯存水分能力的大小,也是降雨進(jìn)入土壤層的主要表征指標(biāo)之一。非毛管孔隙是降雨進(jìn)入土壤的主要通道,表層土壤的非毛管貯水量對(duì)森林土壤層蓄水功能的充分發(fā)揮起到了特別重要的作用。表層土壤的非毛管貯水量如果不能充分利用,就會(huì)導(dǎo)致土壤下層巨大的貯水空間在降雨時(shí)不能充分利用。2森林和河流2.1流域內(nèi)的河段流量森林與徑流關(guān)系一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期爭(zhēng)論的一個(gè)問題,爭(zhēng)論焦點(diǎn)是森林植被的存在能否提高流域的徑流量。一種觀點(diǎn)認(rèn)為,森林可以增加降水和河水流量;另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為,森林不具備增加降水的作用,森林采伐后,河水的流量不是增加,而是減少。前蘇聯(lián)的B.N.Moiseev根據(jù)對(duì)前蘇聯(lián)西北部和上伏爾加流域100～1900km2集水區(qū)的觀測(cè),提出森林覆蓋率每增加10%,小流域內(nèi)的河川流量年增加約19mm。Rahmanov在伏爾加河上游19100km2的流域內(nèi)設(shè)50個(gè)觀測(cè)站進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)隨著流域內(nèi)森林面積的增加,年徑流量和夏、秋、冬季的徑流量均增加,春季徑流量減少。而美國(guó)學(xué)者則認(rèn)為,森林用水量很大,林區(qū)河水流量一般都小于其他植被類型和空曠地。1924年日本也在愛知縣進(jìn)行流域試驗(yàn),結(jié)果表明,森林采伐可增加直接徑流15%～100%,森林完全采伐后,年徑流量增加300mm左右。我國(guó)森林集水區(qū)研究開始于20世紀(jì)60年代,研究?jī)?nèi)容主要集中在討論森林植被覆蓋率變化與流域徑流量變化的關(guān)系。劉世榮等對(duì)我國(guó)有關(guān)森林水文生態(tài)效應(yīng)的集水區(qū)研究做了比較全面細(xì)致的總結(jié)和對(duì)比,從地跨寒溫帶、溫帶、亞熱帶、熱帶的小集水區(qū)實(shí)驗(yàn)以及黃河流域、長(zhǎng)江流域等較大集水區(qū)的研究結(jié)果來看,多數(shù)結(jié)論認(rèn)為森林覆蓋率的減少會(huì)不同程度地增加河川年徑流量。但在四川省西部米亞羅高山林區(qū)、岷江上游冷杉林小集水區(qū)以及長(zhǎng)江流域4對(duì)大流域的對(duì)比研究表明,森林流域年徑流量較無林或少林流域大。馬雪華認(rèn)為在森林水分循環(huán)中,主要通過蒸發(fā)來影響徑流。高人、張玲、朱勁偉等也從不同角度研究了森林植被的水分循環(huán)和水量平衡。我國(guó)這方面的研究大多屬于小尺度分析。2.2森林泥沙成為重要污染源國(guó)內(nèi)外在研究森林對(duì)土壤侵蝕影響方面,其研究方法、尺度與對(duì)象上均有顯著的差別。我國(guó)在防護(hù)林(人工林)水土保持效益方面研究較為廣泛和深入。許靜儀研究表明,森林可削減年侵蝕深度94.7%,即使降水量達(dá)32.3mm和121.6mm時(shí),其攔沙作用也只下降了3.2%。魏秉玉通過實(shí)驗(yàn)也證明了森林小流域基本沒有泥沙流失。馬雪華認(rèn)為,岷江上游森林的采伐可使河流年平均含沙量增加1～3倍。油松刺槐混交林地可減少土壤侵蝕約96%;在天然降雨下,荒坡產(chǎn)沙量是刺槐林地的4.1～12.4倍,是油松林地的19.2～44.8倍。2.3林內(nèi)降雨和樹干徑流生長(zhǎng)情況近幾年由于大氣污染對(duì)森林流域水文循環(huán)以及森林水質(zhì)的影響,受到了人們廣泛的關(guān)注。前蘇聯(lián)研究表明,農(nóng)田集水區(qū)下部的森林有助于從本質(zhì)上凈化徑流水質(zhì),排除污染成分和固體徑流。日本觀測(cè)結(jié)果表明,林內(nèi)降雨和樹干徑流中的Na、K、Ca、Mg、P、NO3-N等的含量均有所增加,而樹干徑流增幅較大,地表徑流中Na含量有較大增加,而NH4-N、NO3-N含量有較大減少。我國(guó)這方面研究主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)本身的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)上,有關(guān)森林植被變化對(duì)溪流、水庫(kù)水質(zhì)的影響研究較少,是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)。田大倫等研究表明,大氣降水中含有85種以上有機(jī)化合物,且多數(shù)為環(huán)境污染物,這些污染物經(jīng)過林冠層、地被物和土壤層的過濾、截留作用,種類不僅減少,而且數(shù)量大為降低,可使有害物質(zhì)的濃度低于1μg/l。3挪威云水氣藏蒸騰量林地蒸發(fā)散影響因素較多,又具有極大的時(shí)空變異性,因此,將小尺度田間試驗(yàn)結(jié)果外推到較大坡面或尺度,勢(shì)必影響到準(zhǔn)確性。Riekerk采用窩式雙箱滲透計(jì)測(cè)定樹木最大蒸騰量可達(dá)11mm/d,Dunin等采用氘示蹤法測(cè)定67a生的挪威云杉,其蒸騰量占降水量的88%。我國(guó)20世紀(jì)60年代初開始了森林蒸發(fā)散研究工作,多數(shù)研究結(jié)果表明,蒸發(fā)散最大約占降雨量的40%～80%。森林蒸發(fā)散受樹種、林齡、海拔、降水量及其他氣象因子的影響,隨緯度的降低、降水量增加,森林蒸發(fā)散略呈增加趨勢(shì),相對(duì)蒸發(fā)散則減少。蒸發(fā)散是森林生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)中最主要的輸出項(xiàng),又由于在蒸發(fā)過程中要消耗大量熱能,因此,它又是森林生態(tài)系統(tǒng)熱量平衡中最主要的過程,這也是森林能調(diào)節(jié)局域溫度和濕度的機(jī)理