水熱梯度下森林類型的水源涵養(yǎng)功能

水熱梯度下森林類型的水源涵養(yǎng)功能

水源保護(hù)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一。隨著林冠的入口，總上升氣體被重新分配，一些是莖流，另一些是降水（包括穿過林冠和不穿過林冠直接到達(dá)森林表面），其中一些是稀釋林冠的。穿越冠層的水分被凋落物截持,然后滲透進(jìn)入土壤,完成由大氣到土壤的轉(zhuǎn)化過程。森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能主要與植被類型及蓋度、枯枝落葉層組成及現(xiàn)存量、土壤孔隙度及土層厚度等因素密切相關(guān)。但由于林分結(jié)構(gòu)和樹種生物學(xué)特性等不同,不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能也有差異。我國東部南北樣帶是國際地圈生物圈計(jì)劃于2000年劃定的第15條國際標(biāo)準(zhǔn)樣帶。本文的研究區(qū)域就在此樣帶范圍內(nèi),從北至南跨越了半干旱中溫帶季風(fēng)氣候帶、半濕潤暖溫帶季風(fēng)氣候帶和亞熱帶季風(fēng)氣候帶,具有明顯的熱量梯度和水熱組合梯度變化;自20世紀(jì)中葉,我國開始森林水源涵養(yǎng)功能研究之初至今,該區(qū)域開展了大量有關(guān)森林水源涵養(yǎng)功能的研究,但多數(shù)研究針對一個(gè)氣候帶或單一林分類型。本文旨在全面總結(jié)我國東部森林樣帶4個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站近年來大量觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,較為系統(tǒng)地闡述了東部樣帶典型森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截持降雨、枯落物蓄水、土壤蓄水以及綜合水源涵養(yǎng)調(diào)節(jié)能力,為開展區(qū)域和全國大尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能對比研究奠定基礎(chǔ),增強(qiáng)對我國東部森林水文功能的認(rèn)識,從而為我國東部森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)和水土保持實(shí)踐提供重要依據(jù)。1森林生態(tài)系統(tǒng)本研究4個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的森林生態(tài)系統(tǒng)分別代表了中溫帶、暖溫帶、亞熱帶不同類型的森林生態(tài)系統(tǒng)。長白山站(E128°28′,N42°24′)位于吉林省安圖縣二道白河鎮(zhèn),屬中溫帶地區(qū),海拔736m,年均溫3.5℃,5—10月份多年平均降雨量599mm。主要林分類型是闊葉紅松林,樹種組成主要有紅松(Pinuskoraiensis)和多種闊葉樹如楓樺(Betulacostata)、春榆(Ulmuspropinqua)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、色木(Acermono)等。北京站(E115°26′,N39°58′)位于北京市門頭溝區(qū)齊家莊鄉(xiāng)小龍門林場,地處東靈山暖溫帶落葉闊葉林區(qū),海拔1050—1250m,年均溫2—8℃,5—10月份多年平均降水量498mm。主要林分類型為落葉闊葉混交林、油松人工林和落葉松人工林。落葉闊葉混交林喬木層以遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz)、棘皮樺(Betuladahurica)、糠椴(Tiliamandshurica)占優(yōu)勢;油松人工林林下灌木層和草本層較貧乏。落葉松人工林灌木和草本層稀疏。會同站(E109°30′,N26°48′)位于中亞熱帶地區(qū),海拔300—500m,年均溫16.5℃,5—10月份多年平均降雨量628mm。地帶性植被類型為典型的亞熱帶常綠闊葉林。自然植被主要是以多種櫧(Castanopsissclerophylla)、栲(Castanopsis)和石櫟(Lithocarpus)屬為主的亞熱帶常綠闊葉林以及杉木人工林。鼎湖山站(E112°30′,N23°11′)位于南亞熱帶地區(qū),海拔100—700m,年均溫20.9℃,5—10月份多年平均降雨量1216mm。季風(fēng)常綠闊葉林分布于海拔30—400m,是本區(qū)最主要的森林類型,約占森林總面積的18%。次生季風(fēng)常綠闊葉林和針闊葉混交林分布于海拔100—450m;馬尾松林分布于海拔300m以下丘陵區(qū)。研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)樣地特征見表1。由于研究區(qū)內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)跨越3個(gè)氣候帶,而森林水源涵養(yǎng)功能主要受水、熱氣候因素調(diào)節(jié),以下總結(jié)研究期內(nèi)(2005—2007年)生長季(5—10月)各森林生態(tài)站的降雨量、水面蒸發(fā)量以及5—10月的平均溫(圖1)。北京站生長季的蒸發(fā)量大于降雨量,其余各站同期蒸發(fā)量小于降水量;長白山站5—10月平均溫14.09℃,北京站同期14.19℃,兩站比較接近;會同站同期平均溫22.98℃,鼎湖山站同期平均溫26.86℃,在4站最高。研究區(qū)5—10月總降雨量、總蒸發(fā)量、平均溫度見圖1。2生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理示范模式構(gòu)建本研究使用的4個(gè)生態(tài)站的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN),CERN各野外試驗(yàn)站均以中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)科學(xué)委員會編著的《陸地生態(tài)系統(tǒng)生物觀測規(guī)范》的統(tǒng)一要求為觀測指標(biāo)體系和觀測規(guī)范,開展長期試驗(yàn)觀測和聯(lián)網(wǎng)綜合研究,建立生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理的示范模式。統(tǒng)一規(guī)范的觀測方法是本研究不同站點(diǎn)數(shù)據(jù)的可比性的重要基礎(chǔ),表2總結(jié)了本研究相關(guān)觀測項(xiàng)目的指標(biāo)、頻度和樣本數(shù)。2.1林木穿透率測定本研究使用的水文觀測數(shù)據(jù)主要集中在2005—2007年5—10月。在每一標(biāo)準(zhǔn)地中,對降雨量、林內(nèi)穿透雨、樹干徑流量進(jìn)行觀測,所有測定方法參見《陸地生態(tài)系統(tǒng)生物觀測規(guī)范》。在每一標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)均勻布置簡易穿透雨收集器測定林內(nèi)穿透雨;根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地喬木胸徑調(diào)查結(jié)果,選取能夠代表樣地范圍所有喬木胸徑徑級的標(biāo)準(zhǔn)木,在離地面1.3m處用聚氯乙烯膠管蛇形環(huán)繞樹干,接引到樹干莖流收集器中。最后計(jì)算單位面積的樹干徑流量(mm)。樹冠截留量按公式:Pi=P-Ps-Pt計(jì)算,式中,Pi為樹冠截留量;P為大氣降雨量;Ps為喬木樹干徑流量:Ps為穿透雨量。2.2凋落物貯量測定凋落物貯量的測定按林分類型設(shè)置小樣方,即在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)或系統(tǒng)放置20個(gè)面積為1m2的帶編號的枯枝落葉收集框,定期量測凋落物層的厚度并收取樣方中所有的凋落物(由于凋落物現(xiàn)存量季節(jié)變化很大,一般在現(xiàn)存量最少時(shí)期:即植物生長盛期觀測),清除土壤顆粒,按枝、葉、花、果、皮苔蘚地衣、雜物等分開,在65℃下烘干至恒重后稱重,測得凋落物的自然含水率與干重,以此推算單位面積的凋落物貯量;凋落物最大持水率的測定用“浸水法”,是將收集的凋落物浸入水中24h后稱重與其干重之比。2.3土壤物理性質(zhì)測定在各種林分下,用100cm2環(huán)刀按0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60cm土層取樣,帶回室內(nèi)測定土壤容重、孔隙度、持水能力等物理性質(zhì)。本研究中一定土層厚度的土壤蓄水量,用下式計(jì)算:Tw=Ts×θν,式中,Tw為土壤蓄水量(mm),Ts為土層厚度(mm),θν為該土層的體積含水量。3結(jié)果分析3.1樹干莖流,冠層水平衡大氣降水、莖流和穿透雨這三者的關(guān)系及其影響因素是森林水文生態(tài)功能研究的重要內(nèi)容;其中,樹干莖流是森林冠層水量平衡中的重要組成部分。2005—2007年的5—10月期間,南北樣帶各站點(diǎn)森林生態(tài)系統(tǒng)冠層生態(tài)水文功能在水熱梯度下沒有明顯的規(guī)律性。南北樣帶各站點(diǎn)森林生態(tài)系統(tǒng)冠層生態(tài)水文功能如表3所示。3.1.1林冠截留分析研究區(qū)9種林分類型的林冠截留量差異較大,平均值介于71.2—245mm之間,變異系數(shù)為2.1%—37.0%。從平均值分析,截留量最大的是鼎湖山站的針闊混交林為245mm,因該林分具有較高的冠層密度、較高的植株密度,使得與雨滴接觸的枝葉表面積相應(yīng)增大,增加了冠層的截留量;研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留率的平均值變動在14.3%—31.6%之間,變動系數(shù)為6.3%—36.8%之間;林冠截留率最高的為闊葉紅松林31.6%,因長白山站同期大氣降雨量少、雨強(qiáng)相對小,而闊葉紅松林枝葉較為茂密,林冠截留率相對較高。各森林生態(tài)系統(tǒng)截留量與截留率如表4所示。3.1.2林冠截留與大氣降雨的相關(guān)分析大量研究證明,林冠截留量與降雨量存在著緊密正相關(guān)關(guān)系,但各種森林,兩者相關(guān)的線形是不同的。對本研究區(qū)的各森林類型的林冠截留量與同期大氣降雨量做相關(guān)分析,結(jié)果如表5所示:闊葉紅松林、常綠闊葉林、針闊混交林的林冠截留量與降雨量表現(xiàn)為較好的冪函數(shù)關(guān)系,其余的林分除杉木林外,都表現(xiàn)為顯著直線相關(guān);不同森林的林冠截留量存在顯著差異。3.1.3林冠截留率與降水的關(guān)系表6是不同森林林冠截留率與降水量的回歸方程及相關(guān)系數(shù)。從表6可以看出,和林冠截留量相反,各種森林林冠截留率與降水量呈緊密負(fù)相關(guān),其線形為冪函數(shù)式。且不同森林生態(tài)系統(tǒng)的截留率也存在較大差異。3.2凋落物貯量和持水率由于氣候條件和森林生長量的不同,凋落物量有很大差別。森林凋落物層疏松多孔,有著重要的水源涵養(yǎng)功能,主要體現(xiàn)在攔蓄降雨、降低雨滴動能、防止土壤濺蝕、保持水土、抑制林地土壤水分蒸發(fā)、阻延地表徑流,從而減少水土流失,其水文效應(yīng)的強(qiáng)弱主要取決于凋落物的現(xiàn)存量和持水率的大小。研究表明,在研究區(qū)內(nèi)凋落物的貯量由北向南大體呈現(xiàn)遞減變化趨勢,亞熱帶水熱環(huán)境適宜、凋落物分解迅速,死地被物積累較少,因此凋落物的現(xiàn)存量相對較少;根據(jù)各林分的地理分布可總結(jié)為:研究區(qū)內(nèi)凋落物貯量由高緯度、高海拔森林向低緯度、低海拔森林遞減的規(guī)律。本研究區(qū)內(nèi)最大持水率沒有明顯的變化規(guī)律,各林分持水率最大的是落葉闊葉混交林為455.8%,最小的是杉木林為249.7%;最大持水量與凋落物蓄積量、最大持水率緊密相關(guān),本研究區(qū)內(nèi)持水量最大的是北京站的落葉闊葉混交林,為6.0mm,最小的是鼎湖山站的季風(fēng)常綠闊葉林,為1.0mm(表7)。3.3森林土壤容重與森林總蓄水量的關(guān)系土壤的蓄水能力與土壤的空隙狀況密切相關(guān);即最大蓄水量與土壤的總孔隙度密切相關(guān),土壤的非毛管空隙是土壤重力水移動的主要通道,因此土壤對降雨的貯存能力與土壤的非毛管孔隙亦密切相關(guān);另外,土壤容重、土壤水分滲透性也是土壤水文生態(tài)功能的重要方面,是影響地表徑流、林地土壤水分調(diào)節(jié)能力的重要因素。研究表明,在各森林生態(tài)系統(tǒng)中,隨著土層深度的增加,土壤的總孔隙度、非毛管孔隙度均逐漸降低;而土壤容重隨土層增加呈增大趨勢,如表8所示。森林土壤是森林群落最主要的涵養(yǎng)水源的貯庫,其涵養(yǎng)水源的能力,主要取決于土壤和森林的綜合狀況。由表8可知,研究區(qū)內(nèi)各林分土壤的0—60cm總蓄水量在45.5—247mm之間,天然林分的土壤平均容重(0—60cm)大于人工林分;天然林分的平均非毛管孔隙度(0—60cm)也大于人工林分;就表層土壤來說,闊葉紅松林的容重最小為0.50g/cm3,這主要因?yàn)殚L白上闊葉紅松林林齡較高、土壤表層腐殖質(zhì)層較厚,較多的腐殖質(zhì)也有利于貯存更多的水分;從0—60cm土層的總蓄水量來看,天然林的總蓄水量大于人工林,總體趨勢是亞熱帶的常綠闊葉林、針闊混交林的土壤蓄水量相對較高。長白山站闊葉紅松林總蓄水量高達(dá)202mm,主要與該森林生態(tài)系統(tǒng)林齡比較大、林下枯枝落葉和腐殖質(zhì)層厚度等因素有關(guān)。3.4綜合調(diào)節(jié)能力林分總持水量由地上部分持水量和土壤持水量組成,林分總持水量越大,表明林分涵養(yǎng)水分的能力越強(qiáng)。各森林生態(tài)系統(tǒng)總的持水能力隨時(shí)空變化而改變。由表9可知,研究區(qū)內(nèi)各森林生態(tài)系統(tǒng)的綜合調(diào)節(jié)能力在49.6—252mm之間,由于所處環(huán)境不同,綜合調(diào)節(jié)能力也有所差異。總體來說,亞熱帶的各林分的綜合調(diào)節(jié)能力除馬尾松林99.7mm,其余的都在100mm以上,其中闊葉林和針闊混交林的綜合調(diào)節(jié)能力相對穩(wěn)定且較高;而處于暖溫帶的北京站的3種林分的綜合調(diào)節(jié)能力都在100mm以下;從表9也可以看出林分總持水量主要集中在土壤層,其能力占綜合調(diào)節(jié)能力的90%以上,地上部分所占的比例不到10%;其次是枯枝落葉層的調(diào)節(jié),約為1—6mm,森林冠層的調(diào)節(jié)能力相對較弱,均在3mm以內(nèi)。然而土壤的調(diào)節(jié)能力受制于森林的作用,只有在保持良好森林和地被物覆被下,土壤的調(diào)節(jié)功能才可能得到最大限度的發(fā)揮。4林冠截留率差異顯著性分析森林的水源涵養(yǎng)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、枯落物層和土壤層攔截滯蓄降水,從而有效涵蓄土壤水分和補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)河川流量的功能。林分地上部分持水量的大小對森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮具有積極作用。但由于林分結(jié)構(gòu)不同,不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能有很大差異。本研究表明,大氣降雨同各林分林冠截留量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,而林冠截留率存在顯著的冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明林冠截留量和林冠截留率依賴于研究時(shí)間內(nèi)降水量的波動。同時(shí)也依賴于森林林冠的郁閉度,樹種的影響相對較小。本研究中,長白山站闊葉紅松林總穿透降雨、樹干徑流和截留量分別占大氣降水的52.4%、15.9%和31.7%;高于我國闊葉紅松林截留率平均值28.92%,亦高于黑龍江涼水自然保護(hù)區(qū)闊葉紅松林林冠截留率27%;暖溫帶各種森林類型的林冠截留率多介于14%—27%,本研究中北京站的落葉闊葉混交林林冠截留率19.05%、油松林14.29%,落葉松林14.69%;落葉闊葉混交林的截留率明顯高于油松林和落葉松林,可能是由于落葉闊葉混交林的冠幅和葉面積指數(shù)都高于油松和落葉松林;杉木林廣泛分布于亞熱帶地區(qū)的16省區(qū),在郁閉度接近0.7—0.9的條件下,各地杉木林截留率廣西岑溪為14.64%,湖南株洲為9.6%,貴州德江為3%,江西千煙洲為10.35%,本研究中湖南會同為22.18%;常綠闊葉林遍及整個(gè)亞熱帶地區(qū),由于分布廣,環(huán)境變化明顯,常綠闊葉林的林型、組成和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的地帶性差異及其復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)使其林冠截留率具明顯差異:云南哀牢山為15.8%,江西九連山為16%—17.5%,縉云山自然保護(hù)區(qū)為11.76%,廣西龍勝9.95%,浙江天童公園22.52%,廣東鼎湖山19.95%,本研究湖南會同常綠闊葉林林冠截留率為20.7%。國內(nèi)各地杉木和常綠闊葉林林冠截留率差異很大,是由于不同地區(qū)受氣候條件、環(huán)境因素的影響群落結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)及葉面積指數(shù)等的差異影響。馬尾松林是亞熱帶地區(qū)森林的典型代表之一,其分布具明顯地理替代現(xiàn)象,水文特征差異顯著。各地馬尾松林林冠截留率,湖南張家界55.4%,廣西宜山15.34%,南京紫金山27.28%,本研究廣東鼎湖山馬尾松林林冠截留率為15.44%;上述各地馬尾松林林冠截留率差異顯著;同地區(qū)的季風(fēng)常綠闊葉林林冠截留率為19.48%,針闊混交林林冠截留率為20.15%,和馬尾松林林冠截留率相比略有差異,三者同為本地區(qū)的地帶性植被,林分結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的差異、冠層結(jié)構(gòu)不同以及葉面積指數(shù)的差異是造成林冠截留率顯著差異的主要因素。單株樹木干流量不僅取決于樹木的大小,而且取決于樹冠結(jié)構(gòu);由于樹干特性和林冠結(jié)構(gòu)不同,直徑較大的樹木其干流量反而較小,長白山闊葉紅松林干流率為15.9%明顯高于涼水保護(hù)區(qū)的6.3%,這些差異可能主要是由于林分結(jié)構(gòu)、密度及降雨差異所致;北京站落葉闊葉混交林、油松林、落葉松林的干流率分別為2.0%、1.5%、1.9%,站內(nèi)各森林類型的干流率較為接近;而寧夏六盤山的油松林干流率1.36%,落葉松林的干流率0.63%,低于北京站同種森林類型的干流率;湖南會同站杉木和常綠闊葉林的干流率分別為2.2%和4.0%,研究區(qū)杉木林的樹高、胸徑也都大于常綠闊葉林;廣東鼎湖山站季風(fēng)常綠闊葉林、馬尾松林、針闊混交林的干流率分別為5.9%、1.6%、5.6%,由于冠層結(jié)構(gòu)、胸徑等的不同此3種森林類型的干流率差異顯著;與本地區(qū)的其他森林類型的干流率的差異也很明顯:本地區(qū)桉樹林干流率為3.6%,毛竹林為6.8%,這些差異可能主要是由于林分結(jié)構(gòu)、密度以及降雨差異等所致。凋落物最大持水量反映了凋落物調(diào)蓄降水能力的大小。一般凋落物蓄積量越大、持水率越高,其截留降水的能力就越大。長白山闊葉紅松林凋落物最大持水率268.32%,低于該地區(qū)各森林類型凋落物持水率平均值296.17%,在本研究中,除鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林凋落物最大持水量為1.03mm外,其余森林類型凋落物最大持水量均高于闊葉紅松林1.31mm;北京站油松林、華北落葉松林凋落物蓄積量、最大持水量分別低于五臺山油松林凋落物蓄積量19.88t/hm2、最大持水量3.63mm,華北落葉松林凋落物蓄積量51.3t/hm2、最大持水量9.13mm;亦分別低于寧夏六盤山油松林凋落物蓄積量24.69t/hm2、最大持水量7.8mm,落葉松林凋落物蓄積量24.23t/hm2、最大持水量10.0mm;亞熱帶地區(qū),常綠闊葉林凋落物蓄積量、最大持水量分別值介于4.15—24.60t/hm2、2.33—5.47mm之間;本研究中會同站常綠闊葉林凋落物蓄積量、最大持水率分別為9.35t/hm2、3.18mm,在上述范圍之內(nèi);會同站杉木林凋落物蓄積量、最大持水量分別為9.96t/hm2、2.49mm,在亞熱帶地區(qū)杉木林凋落物蓄積量、最大持水量1.20—15.86t/hm2、0.4—4.09mm范圍之內(nèi);亞熱帶地區(qū)馬尾松林凋落物蓄積量、最大持水量分別值介于3.51—25.47t/hm2、1.27—5.12mm之間;廣東鼎湖山站馬尾松林凋落物蓄積量、最大持水量分別為5.58t/hm2、3.24mm,亦在上述范圍之內(nèi);鼎湖山站針闊混交林凋落物蓄積量3.72t/hm2低于該地區(qū)針闊混交林凋落物蓄積量范圍7.70—26.21t/hm2的最小值,最大持水量2.41mm在該地區(qū)該林分類型最大持水量范圍2.3—7.64mm之內(nèi);造成同種森林類型在不同地區(qū)、或不同森林類型在同一地區(qū)林內(nèi)凋落物最大蓄積量、最大持水量差異明顯的原因可能是:各種森林類型凋落物分解速率快慢不一、蓄積量差異顯著,各地降雨量也不同。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的主要場所和調(diào)節(jié)器,森林土壤的蓄水能力與土壤空隙狀況密切相關(guān)。研究區(qū)0—60cm土壤蓄水量在45.5—247mm之間變動;闊葉紅松林0—60cm土壤持水深高達(dá)202mm,0—60cm平均總孔隙度為57.9%,中溫帶地區(qū)闊葉紅松林總空隙度介于49.7%—64.2%之間,平均為56.5%。本研究闊葉紅松林0—60cm總空隙度在此范圍之內(nèi)且略高于平均值;油松林、落葉松林、馬尾松林、杉木林都為人工林或人工半自然林,0—60cm土壤總貯水量依次為:79.42、45.5、94.52、246.96mm;闊葉紅松林、落葉闊葉混交林、常綠闊葉林、季風(fēng)常綠闊葉林、針闊混交林都為天然林或天然次生林,0—60cm土壤總貯水量依次為:202.3、64.7、229.22、136.68、114.72mm。天然林林下土壤0—60cm總貯水能力強(qiáng)于人工林0—60cm土壤總貯水能力,主要是由于天然林土壤受破壞程度較小,土壤空隙度較大,因此貯水量高于人工林土壤貯水量。本研究中,4個(gè)不同的森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能分別代表了中國東部4種不同氣候帶的森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能。由圖1和表9可知,除北京站,其余各站生長季的平均降雨量、平均蒸發(fā)量由北向南呈遞增趨勢,而各站森