桉樹蒸散發(fā)對降雨反滲透膜濕季降雨的影響

桉樹蒸散發(fā)對降雨反滲透膜濕季降雨的影響

桉樹樹干光滑，葉面積指數(shù)一般為1.4（油松、杉木等其他林分葉面積指數(shù)為3.10）。刀片表面為皮質(zhì)，帶有細蠟。葉肉欄桿的組織和維持體系得到了發(fā)展。不僅雨滴很難堵塞，而且葉面蒸發(fā)和傳播也會不同程度地削弱。陳少雄等測定桉樹林年平均蒸騰量為480～530mm,截流量為降雨量的11%～20%。加之桉樹的水分利用率(消耗單位重量水所生成干物質(zhì)量)較高,因此桉樹常被稱作節(jié)水型樹種,在一些干旱貧瘠的地區(qū)得到了廣泛種植。如表1列舉了幾個喬木屬的水分利用率。由表1可以看出,當生成1kg干物質(zhì)時,桉樹所消耗的水分是最少的,僅為758L,不少專家學者均以此來說明桉樹的節(jié)水性能。但從另一個角度看,桉樹生成1kg干物質(zhì)總耗水758L,實際利用510L,返還給外界的水分為248L,少于表1中其他幾個喬木屬返還給外界的水分,(從針葉樹到合歡返還量分別為:538L、593L、463L、407L、387L),也就是說桉樹再次參與水分循環(huán)的量是最少的,所以桉樹林區(qū)常常較干燥。總之,桉樹在“節(jié)水”的同時造成大量水分無法重新進入大氣而影響局部地區(qū)水分循環(huán),從而間接地導致其他水文要素的改變。另一方面桉樹養(yǎng)分利用率也很高,在水肥充足的情況下生長極快,能在單位時間內(nèi)產(chǎn)生比其他樹種較多的生物量,是中國乃至世界速生林的標志性樹種,當然這是以在短時間內(nèi)消耗成倍于其他物種的水分和養(yǎng)分為代價的。有文獻記載,桉樹在18、19世紀被種在羅馬附近的沼澤地,主要目的是排除沼澤地的多余水分。盧旺達、以色列和美國加利福尼亞均是通過種植桉樹來排除沼澤地多余水分,避免土地鹽漬化,減少蚊蟲產(chǎn)卵地,從以上描述中可以認識到桉樹對水肥的吸取能力有多強。相比而言,我國的桉樹除少量商業(yè)林外,大多種植在干旱貧瘠的地區(qū),水肥條件都不好,這樣下來一個地區(qū)一旦種植上桉樹,需水量將會突增,而供水往往是有限的,長此以往整個桉林系統(tǒng)的水分供給平衡將會遭到破壞,而造成了地下水水位下降、淺層土壤水分減少、土壤板結、林下不長草等一系列問題,而由這些問題又會引發(fā)出一些新問題,下面將作進一步討論。2這棵樹對排水溝的影響2.1林下土壤層和枝條落葉層降雨在林冠層被初次截流后到達林下植被層會再次被截流,該層植被種類和數(shù)量直接影響著森林持水性能,是森林涵養(yǎng)水源的主要組成部分。雨滴因為林下植被的阻隔使得其擊濺土壤的動能大大減弱,不但保護了林下土壤層,延遲了匯流時間,也增加了林地水分涵養(yǎng)和空氣濕度。枯枝落葉層也能起到減輕雨滴擊濺動能的作用,此外它還能增加土壤腐殖質(zhì)和有機質(zhì),并參與土壤團粒結構的形成,有效地增加了土壤孔隙度,當降雨來臨時能夠形成有效的壤中流,減少逕流流量,減緩地表逕流速度,為林地土壤層蓄水、滯洪提供了物質(zhì)基礎。張理宏,李昌哲等得出了枯枝落葉層有效攔蓄量的算式:W=(0.85RmRO)×M,定量地表達了枯枝落葉在截留和水源涵養(yǎng)方面的重要作用。[式中W為有效攔蓄量,Rm為最大持水量(為枯枝落物干重的2～4倍),R0為自然含水量,M為枯枝落葉的現(xiàn)存量。]2.2桉樹本身生物特性的原因桉樹屬于常綠植物,樹身高大,樹冠呈尖塔形、多枝形、垂枝形等,郁閉度不高(一般為50%,而混交林和原生林可達70%以上)。關于桉樹林下植被情況,國內(nèi)外學者經(jīng)過長期的觀察和研究后認為:桉樹林林下地面植物極少,草本及灌木只散布于零星的低洼地。因此,桉樹人工林被稱為“空中綠化”;沒有生物多樣性的綠色沙漠等,可見桉樹林下植被種類數(shù)量是十分稀少的。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可以通過筆者上文對桉樹水分、養(yǎng)分利用率和桉樹本身生物特性的論述加以分析:(1)桉樹較高的水分利用率和極強的吸水能力,使得它和其他植物在水分競爭中占有絕對優(yōu)勢,而壓制其它植物的生長,這種現(xiàn)象在干旱地區(qū)將表現(xiàn)得更加明顯。(2)桉樹快速的生長,在短時間內(nèi)產(chǎn)生較多的生物量,必然要超負荷地吸取土壤養(yǎng)分,這樣屬于次生植物的林下植被就很難再獲得充足的養(yǎng)分來維持生長。(3)由于桉樹很高的水分和養(yǎng)分利用率,使得林地土壤變得干燥缺水和養(yǎng)分不足,嚴重地造成地力衰竭,新的植被就很難生長出來。(4)桉樹有化學相克作用,即化感作用,它能抑制周圍生物生長,我國的曾杰、黃卓烈等做過相應的研究,美國的加州、印度、伊拉克、埃塞俄比亞、澳大利亞等也觀察到這種現(xiàn)象。桉樹林下枯枝落葉情況也不容樂觀,這種結果不全是經(jīng)營制度的問題,因為桉樹這種常綠植物,不會像其他熱帶樹木那樣在旱季末期大規(guī)模凋落枝葉,再則在我國桉樹林大部分采取的是全樹利用方式,樹干做造紙原材料,枝條做薪柴,葉片用于煉制桉油,有的地方為了防止森林火災要人為的取走部分枯枝落葉(桉樹葉片內(nèi)含有易燃的桉油、酚醛樹脂等)。這說明,桉樹林下枯枝落葉覆蓋厚度和數(shù)量都不能保證其正常生態(tài)功能的需求。2.3洪澇災害對枯水東南角的影響2.3.1桉樹林對洪峰的影響雖然學術界對森林的削峰作用還存在爭議,但還是有一個共同點,即認為:森林在沒有前期降雨或前期降雨有限時,森林能起到減少洪水量,削弱洪峰流量及推遲和延長洪水的匯集時間的作用,而森林能起到這種作用,林下植被和枯枝落葉是關鍵,而且作用的大小隨著森林的類型、樹種的種類、葉面積指數(shù)、林下植被情況的不同而不同。在桉樹林中,由于林下植被稀少,枯枝落葉有限,這樣降雨時雨滴濺蝕土壤的動能將增加,從而破壞表層土壤結構,造成水土流失。同時,因缺乏有效攔蓄,水分無法在林下植被和枯枝落葉層中過多停留,也無法入滲到土壤中,而是迅速匯集成流,當降雨強度過大或降雨時間較長時,極易形成較大洪峰流量的洪水,使種植區(qū)及相關流域遭受洪澇災害。2.3.2桉樹林對枯水逕流的影響枯水逕流是指一年中地表逕流補給減少而主要由地下水補給時期的產(chǎn)流,在森林生態(tài)系統(tǒng)中,通過林下植被和枯枝落葉的共同作用,使得汛期降雨量在該層被攔蓄形成壤中流,不但保持了土壤濕度,也有效地補給了地下水。森林蓄積的這部分水會在枯水期以泉或泄流的形式重新返回地表,使得逕流能夠均一穩(wěn)定,這對于整個水文過程和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都十分有利。而地下水水量、土壤層含水量和有效地補給是枯水期徑流保持均一穩(wěn)定的基礎,目前研究者尚未發(fā)現(xiàn)桉樹抽取地下水的直接證據(jù),但研究發(fā)現(xiàn)桉樹根系也像枝干一樣生長迅速,其向地下水層穿透的平均速率約為2.5m/a,1年生桉樹的根系可生長至3m以下區(qū)域,3～4年生桉樹根系可達7～8m,如此發(fā)達的根系勢必存在著抽取地下水的隱患。下面筆者從土層含水量和地下水補給進行分析,在桉林下植被和枯枝落葉都較少,土壤孔隙度低,入滲能力差,因此徑流速度較大,導致水分迅速流走無法蓄積,更無法形成有效壤中流補給地下水,使林地土壤含水量降低,地下水補給減少或中斷。鐘繼洪等對雷州半島桉林磚紅壤貯水量進行了研究,結果如表2所示。由表2可以看出,桉林磚紅壤貯水量是最低的,甚至比鼎湖山赤紅壤混交林和闊葉林0～50cm土層的貯水量還少,因此地下水很難得到地表的補充,這樣在枯水期就不易形成枯水徑流。有的研究者在南非觀測到,以松樹和桉樹為主的森林,由于枯水期蒸發(fā)增加,從而使枯水逕流嚴重減少。Vital等(1999)研究發(fā)現(xiàn),巴西圣保羅地區(qū)原始植被為牧草地,營造柳葉桉(E.saligna)人工林后,集水區(qū)逕流量減少,至造林后7a逕流完全消失。Scott和Lesch也報導,在以大葉桉為主的Mokobulaan研究區(qū),植樹以后第9年,逕流量完全消失;當桉樹生長到第16年時進行了皆伐,5a以后年逕流量也沒有進一步恢復。總的來說,桉樹種植影響了土壤層含水量,使森林涵養(yǎng)水源的能力下降,枯水逕流形成受阻,這樣不易保持逕流均勻穩(wěn)定,在雨季林區(qū)逕流較大,面臨洪水的威脅,在旱季枯水逕流減少,林區(qū)又面臨干旱的威脅。3對其他植物生長的影響桉樹體內(nèi)會分泌黏稠狀的汁水,其中含有多種化感物質(zhì),目前科學工作者從桉樹體內(nèi)分離得到的水溶性化感物質(zhì)主要有阿魏酸、香豆酸、咖啡酸、巨桉酚、沒食子酸、季豆酸、綠原酸等酚酸類化合物,揮發(fā)性化感物質(zhì)有蒎烯、均烯、非蘭烯和桉樹腦等。這些化感物質(zhì)當達到一定濃度時,會對其他植物的生長產(chǎn)生抑制作用。有人在廣東省惠州市觀察到,檸檬桉與荔枝間作,2a后荔枝開始枯萎,3a后大量死亡,同樣研究人員也發(fā)現(xiàn)尾葉桉的葉片提取液可強烈抵制綠豆和豌豆插條生根。當降雨時這些水溶性化感物質(zhì)將伴隨著逕流流入農(nóng)田、河流、湖泊中,如果長期積累將會對桉林下游的水質(zhì)和農(nóng)作物的生長構成巨大的隱患。另一方面,由于桉樹林中植被和枯枝落葉稀少,缺少了植被和凋落物的覆蓋使林地土壤抗蝕力較弱,降水能迅速匯集形成流量較大的逕流,從而加大對林地表面的沖刷,從林地流出的逕流不但帶走了林地表層的養(yǎng)分,也夾雜了大量的泥沙,造成水土流失的同時,使溝渠,河道瘀塞。4影響水文要素水文特性是一個地區(qū)一切自然科學研究的基礎,其一旦改變,必然會對當?shù)氐淖匀坏乩項l件、氣候條件等產(chǎn)生深遠的影響?？偟膩碚f,桉樹種植對林區(qū)水文特性的影響主要有以下幾個方面:(1)大量消耗水分的同時不能通過蒸散發(fā)補給大氣水分,使局部地區(qū)土壤含水量急劇下降,水分循環(huán)受到影響,并間接影響到其他水文要素;(2)桉樹強烈的壓制作用使林下植被稀少、地力衰減,降雨時不會起到森林應有的攔蓄洪水、削弱洪峰的作用,對土壤水和地下水補給也會減少,影響枯水期逕流;(3)桉樹分泌的化感物質(zhì)隨逕流流入水體,對水質(zhì)和農(nóng)作物的生長構成威脅,林內(nèi)降雨逕流較大,易造成水土流失。桉樹作為一種外來物種,在沒有對其生物學特性、林地生物多樣性、土壤、氣候、水文條件進行長期、系統(tǒng)、全面地定位研究之前就盲目的大規(guī)模推廣種植,這有悖于科學發(fā)展觀和可持續(xù)經(jīng)營的理念,也會影響到人與自然和諧共處。桉樹的種植概況桉樹(Eucalyptus),桃金娘科桉屬喬木,原產(chǎn)澳大利亞及其周圍島嶼。桉樹最早于1770年由英國植物學家J.Bank和D.Solander發(fā)現(xiàn),1777年植物學家D.Nelson在塔斯馬尼亞采到一份桉樹標本,1788年由植物學家L.HeritierdeBrutell描述和定名為斜葉桉(E.obliqua)自此正式建立桉樹屬。由于桉樹生長速度快、產(chǎn)量高、適應能力強以及用途廣等特點,在世界各國(主要是熱帶和亞熱帶地區(qū))得到廣泛地引種種植。我國于19世紀末開始引種桉樹,并在20世紀80年代開始迅速發(fā)展,主要的種植地區(qū)有廣東、廣西、福建、云南、海南等。至2005年,我國成片種植桉樹為196萬hm2,面積居世界第2位,增速世界第一。截至2008年底,僅云南全省種植面積已經(jīng)超過200萬hm2,發(fā)展之迅速可想而知。但無論是國內(nèi)還是國外桉樹的種植一直都伴隨著爭議,焦點集中在桉樹種植的生態(tài)問題上,包括對土壤水分的過度利用、造成林地地力衰竭和生物多樣性減少等。本文通過對桉樹本身及桉樹林地的分析,來說明桉樹種植對林區(qū)水文特性的影響。1蒸騰、森林水分桉樹的耗水主要表現(xiàn)為林冠和林下植被的截流、枝葉的蒸散發(fā)及光合作用等過程。蒸騰和蒸發(fā)作用是整個水分循環(huán)的動力和紐帶,通過這一作用,使大氣水和地表水不斷交替循環(huán)。在正常生長條件下,云杉一個生長旺季可以蒸騰2130t/hm2水分,闊葉林一個夏季就蒸騰2