西南亞高山老齡暗闊葉林生長過程中產(chǎn)水量變化

西南亞高山老齡暗闊葉林生長過程中產(chǎn)水量變化

為了研究森林植被變化對流域產(chǎn)水量的影響，通常采用聯(lián)合收集區(qū)的試驗方法。Bosch和Hewlett1在總結(jié)94個配對集水區(qū)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,得出了較為普遍性的規(guī)律,即森林采伐導(dǎo)致流域產(chǎn)水量增加的結(jié)論。Brown等在總結(jié)166個配對集水區(qū)試驗研究的基礎(chǔ)上,將其分為四類,分別是造林試驗、毀林試驗、再生長試驗和森林轉(zhuǎn)換試驗。毀林(森林采伐后轉(zhuǎn)換為農(nóng)田或草場)將導(dǎo)致產(chǎn)水量不斷增加,直到4—6a后達(dá)到新的平衡。森林再生長是指試驗集水區(qū)森林采伐后又自然恢復(fù)為原有狀態(tài),這種情況下采伐初期產(chǎn)水量將會增加,但隨著恢復(fù)時間的推移,這種增加將會逐漸消失,并于7—15a后在原產(chǎn)水量附近達(dá)到新的平衡。森林轉(zhuǎn)換是指森林采伐后優(yōu)勢樹種發(fā)生了變化,這種情況下采伐初期產(chǎn)水量也會增加,增量也隨時間逐漸減少并達(dá)到新的平衡,但平衡時的產(chǎn)水量與更換樹種的水分利用特征有關(guān)。總體說來,森林采伐初期產(chǎn)水量會增加,但產(chǎn)水量增加隨著森林的恢復(fù)而逐漸減少,最終達(dá)到新的平衡狀態(tài),這成為森林采伐及恢復(fù)過程中產(chǎn)水量變化的一般性規(guī)律。國內(nèi)研究的多數(shù)結(jié)論也是如此。劉世榮等對我國森林集水區(qū)研究做了比較全面細(xì)致的總結(jié)和對比,從地跨我國寒溫帶、溫帶、亞熱帶、熱帶的集水區(qū)試驗結(jié)果來看,除川西亞高山林區(qū)外,森林覆蓋率的減少會不同程度地增加河川年徑流量。石培禮等對國內(nèi)森林植被變化對水文過程和徑流的影響效應(yīng)進(jìn)行了綜述,認(rèn)為不同地區(qū)森林植被變化對徑流的影響幅度相差較大,但比較一致的結(jié)論是:除長江上游外,森林砍伐會降低植被層的蒸發(fā)散,增加河川徑流;反之,會減少河川徑流量。由此看來,除長江上游外,國內(nèi)的研究結(jié)論與國際上是一致的。長江上游位于青藏高原東緣,地形復(fù)雜,新構(gòu)造運動活躍,巖體松散,地震頻繁,是一個生態(tài)環(huán)境非常脆弱的地區(qū)。亞高山暗針葉林是該區(qū)主要的森林類型,這些森林集中分布于金沙江、雅礱江、岷江等流域及其支流,是我國西南亞高山水源涵養(yǎng)林的重要組成部分。早在20世紀(jì)60年代,中國林科院和四川林科院就在川西米亞羅林區(qū)開展了森林水文試驗研究,得到的主要結(jié)論是:亞高山森林具有增加年徑流量的作用,即采伐森林,導(dǎo)致流域年徑流量減少[11,12,13,11,12,13]。李榮昌等對長江上游幾組流域的對比分析表明,多林流域徑流系數(shù)較無林或少林流域大。程根偉使用統(tǒng)計學(xué)方法,對四川境內(nèi)長江上游各支流60—80年代的徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明隨森林覆蓋率的增加,年徑流量和徑流系數(shù)增加。國內(nèi)關(guān)于長江上游森林水文效應(yīng)的結(jié)論主要來自上述文獻(xiàn),這些文獻(xiàn)中的結(jié)論與國際普遍性規(guī)律及國內(nèi)其它地區(qū)的研究結(jié)果相駁。長江上游森林水文效應(yīng)具有其特殊性嗎?以往研究的試驗設(shè)計是否存在不足之處?本文采用元分析方法,綜合分析以往的研究案例和數(shù)據(jù),深入剖析該區(qū)森林植被變化與流域產(chǎn)流量的關(guān)系,以期給出更加科學(xué)的解釋。1亞高山兩大森林西南亞高山林區(qū)位于青藏高原東南緣,為中國林業(yè)區(qū)劃一級分區(qū)。該區(qū)主要地貌是高山峽谷。受地形的影響,氣溫和降水空間差異顯著,植被垂直成帶明顯,其類型和生境隨海拔與坡向分異。原生森林分布于海拔2400—4200m之間,以亞高山暗針葉林為主,優(yōu)勢樹種為冷杉(Abiesspp)和云杉(Piceaspp)。西南亞高山林區(qū)是我國南部和東南亞主要河流(包括長江、怒江和湄公河等)的水源區(qū),素有“中華水塔”之稱,同時也曾是我國的重點伐區(qū),20世紀(jì)50—80年代曾是我國第二大木材生產(chǎn)基地。新中國成立之前,亞高山森林以林齡200a以上的老齡暗針葉林為主,占森林面積的80%以上。50年代中期至90年代末,老齡暗針葉林被大面積采伐,伐后部分跡地上陸續(xù)進(jìn)行了以粗枝云杉(Piceaasperata)、川西云杉(Piceabalfouriana)、峨眉冷杉(Abiesfabri)為主的人工更新。無論是在跡地還是人工云杉林內(nèi),都普遍出現(xiàn)了大量的樺木(Betulaspp.)等闊葉先鋒樹種的天然更新。目前,西南亞高山森林正處于大規(guī)模的自然與人工恢復(fù)過程之中,天然更新的次生闊葉林、針闊混交林和人工云杉林是該區(qū)域的主要森林類型。2集水區(qū)與徑流場西南亞高山森林生態(tài)站和森林水文試驗站開展森林植被與水文過程的關(guān)系研究,包括川西岷江上游的米亞羅、臥龍、大渡河流域的貢嘎山3個站點。米亞羅森林水文試驗開始于1960年,包括配對集水區(qū)試驗、徑流場試驗和森林生態(tài)系統(tǒng)降水分配測定。臥龍森林水文試驗開始于20世紀(jì)90年代,包括單一集水區(qū)觀測、徑流場試驗和森林生態(tài)系統(tǒng)降水分配測定。貢嘎山森林水文試驗開始于80年代后期,包括嵌套集水區(qū)觀測和森林生態(tài)系統(tǒng)降水分配測定。由于臥龍和貢嘎山站均在其所屬的國家級自然保護(hù)區(qū)范圍之內(nèi),不能進(jìn)行森林采伐作業(yè),其觀測數(shù)據(jù)不能分析森林采伐對產(chǎn)水量的影響。米亞羅配對集水區(qū)試驗中,對照集水區(qū)面積3.31km2,平均坡度30°;森林覆蓋率為70%,流石灘20%,其余為草甸、農(nóng)耕地。森林以老齡冷杉林占絕對優(yōu)勢,林齡在200a以上,疏密度0.6—0.8,林下灌木為箭竹和杜鵑。處理集水區(qū)面積2.905km2,平均坡度35°,森林面積1.25km2,以老齡冷杉林占絕對優(yōu)勢,1954—1962年采伐0.81km2,采伐方式為塊狀皆伐,串坡集材,木滑道運材,林線和山脊附近設(shè)有保留帶;伐后植被恢復(fù)繁茂,1—3a為草本階段,4—10a為懸鉤子灌叢階段,10a之后逐漸進(jìn)入樺木林階段。對照集水區(qū)測定時段為1961、1962、1965、1966、1967年生長季,處理集水區(qū)測定時段為1965、1966、1967年生長季。特別需要指出的是,處理集水區(qū)1965年開始測定時,跡地已進(jìn)入懸鉤子灌叢的自然演替階段,并同時伴隨著樺、楊等幼樹的天然更新。米亞羅徑流場試驗包括2個徑流場。在毗鄰的馬爾康林區(qū),森林類型和氣候水文條件與米亞羅相近,該處3個徑流場的測定結(jié)果也用于本分析。上述徑流場試驗均包括處理和對照徑流場,對照徑流場為老齡暗針葉林,處理徑流場為面積相同或相近的皆伐跡地。由于米亞羅森林集水區(qū)測定時間短、不連續(xù),尤其是缺乏采伐后緊鄰數(shù)年的觀測數(shù)據(jù),本文將集水區(qū)和徑流場試驗結(jié)果結(jié)合起來,使用加權(quán)平均插值方法,建立森林采伐后產(chǎn)水量變化的時間序列?？紤]到徑流場試驗僅測定地表徑流,不包括滲透量,其徑流系數(shù)遠(yuǎn)低于集水區(qū)徑流系數(shù),本研究使用徑流系數(shù)變化的相對量(%)表示,其計算公式如下:VR=(ROT-ROC)/ROC×100%式中,VR、ROT、ROC分別為徑流系數(shù)變化率、處理區(qū)徑流系數(shù)和對照區(qū)徑流系數(shù)。缺失年份使用前后兩年的平均值,當(dāng)前一年或后一年數(shù)據(jù)也缺失時,則使用再前(后)一年的數(shù)據(jù),并賦予1/3權(quán)重,另一側(cè)緊鄰年份賦予2/3權(quán)重。米亞羅林區(qū)不同森林植被類型的蒸散量和產(chǎn)水量,使用SEBAL(SurfaceEnergyBalanceAlgorithmforLand)模型和水量平衡方程計算;其中的針葉林包括老齡暗針葉林和人工云杉林,沒有進(jìn)行區(qū)分。本文根據(jù)米亞羅老齡暗針葉林和人工云杉林的面積,結(jié)合張雷使用液流方法測定的該區(qū)主要林分冠層蒸騰量,使用以下方程組計算老齡暗針葉林和人工云杉林的年蒸散量;并通過水量平衡方程計算二者的年產(chǎn)水量:{ETOG/ETSP=TOG/TSPa1ETOG+a2ETSP=ETCF{EΤΟG/EΤSΡ=ΤΟG/ΤSΡa1EΤΟG+a2EΤSΡ=EΤCF式中,ETOG、ETSP、ETCF分別為老齡暗針葉林、人工云杉林和全部針葉林的年蒸散量,ETCF為SEBAL模型計算結(jié)果;TOG、TSP分別為老齡暗針葉林和人工云杉林的林分冠層蒸騰量,來自于液流測定估算結(jié)果;a1、a2分別為老齡暗針葉林和人工云杉林占全部針葉林面積的比例。3結(jié)果與討論3.1流動黨員天然更新而持續(xù)下降從圖1可以看出,亞高山老齡暗針葉林皆伐后產(chǎn)水率大幅上升,但是伴隨著跡地植被自然恢復(fù)過程而迅速下降,大約5—6a后就與對照持平,之后產(chǎn)水率隨植被恢復(fù)和演替繼續(xù)下降。按照Brown等對配對集水區(qū)研究的分類,米亞羅老齡林采伐后產(chǎn)生的植被變化表現(xiàn)為優(yōu)勢樹種的更換,即老齡冷杉林轉(zhuǎn)換為天然次生灌叢及樺木林。按照Brown等的歸納結(jié)論,這種情況下一般規(guī)律是森林采伐初期產(chǎn)水量會增加,增量隨時間逐漸減少并達(dá)到新的平衡,但平衡時的產(chǎn)水量與新樹種的水分利用特征有關(guān)。作為最節(jié)水的樹種之一,冷杉單位干重葉片的蒸騰速率只有樺木的九分之一。老齡暗針葉林生長緩慢,心腐率高達(dá)47%。這些都導(dǎo)致老齡暗針葉林的蒸散很低。在全國主要森林類型中,老齡暗針葉林的蒸散占降水量的比例是最低的,在生長季為30%—40%左右,非生長季會更低。因此,老齡暗針葉林采伐后跡地植被的快速恢復(fù)導(dǎo)致產(chǎn)水量增加的持續(xù)時間很短,進(jìn)入灌叢階段后產(chǎn)水量很快就與對照持平了,并隨著樺木等先鋒樹種的天然更新而持續(xù)下降。根據(jù)張雷對川西米亞羅、臥龍林區(qū)3種主要樹種液流的測定,液流速率粗枝云杉(30a)>樺木(30a)>冷杉(200a);按照邊材面積折算的林分最大冠層蒸騰量30年生人工云杉林(3.17mm/d)>30年生次生樺木林(2.08mm/d)>老齡冷杉林(1.69mm/d)。Zhang等使用SEBAL模型計算了2000年川西米亞羅林區(qū)針葉林、闊葉林、針闊混交林和灌叢的年蒸散量,其中的針葉林包括老齡暗針葉林和人工云杉林;根據(jù)米亞羅老齡暗針葉林和人工云杉林的面積,結(jié)合張雷使用液流方法測定的主要林分冠層蒸騰量,可計算出老齡暗針葉林和人工云杉林的年蒸散量(圖2)。從圖2可以看出,年蒸散量由小至大為老齡暗針葉林、灌叢、針闊混交林、落葉闊葉林和人工云杉林,年產(chǎn)水量則正好相反。人工云杉林由于高的耗水性,對流域產(chǎn)水量下降的影響最為顯著。在川西米亞羅林區(qū),落葉闊葉林為次生樺木林和山楊樺木林,針闊混交林主要為樺木冷杉林,都屬于該區(qū)森林演替的前期階段。由于樺木林屬先鋒群落,從演替初期階段發(fā)展到頂級群落的老齡暗針葉林將需要百年以上的漫長時間,所以這一過程引起的產(chǎn)水率下降也將持續(xù)相對長的時間。國際配對集水區(qū)試驗中也發(fā)現(xiàn),老齡林采伐后短期內(nèi)產(chǎn)水量大幅低于對照集水區(qū)的若干案例。在澳大利亞東南部,王桉老齡林(Eucalyptusregnans)試驗集水區(qū)于1972年采伐,之后自然恢復(fù),產(chǎn)水量5a后就與對照集水區(qū)持平,之后持續(xù)下降(圖3)。Vertessy等分析了王桉林齡與集水區(qū)水量平衡之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)采伐后迅速更新林分的冠層較旺盛的蒸騰作用是試驗集水區(qū)產(chǎn)水量大幅下降的主要原因(圖4)。該研究結(jié)果表明,王桉老齡林采伐后產(chǎn)水量的降低將會持續(xù)較長的時間,將會從伐后第6年后開始一直持續(xù)150a以上,直到再次演替成老齡林。Roberts等對不同林齡Eucalyptussieberi林分的蒸騰研究也表明,隨著林齡增加,森林的蒸騰量同樣會有較大的降低,并由此推斷,如果沒有未知因子對該類森林的水分平衡施加顯著影響,那么與王桉林一樣,該老齡林的采伐也會引起產(chǎn)水量的長期持續(xù)減少。另外,Hornbeck等研究HubbardBrook各種森林作業(yè)對產(chǎn)水量的長期影響時,其中有一個老齡林集水區(qū)(HB2)試驗,在采伐15a后產(chǎn)水量開始持續(xù)低于對照區(qū),并認(rèn)為其緣于更新恢復(fù)的次生林蒸散量高于原來生長緩慢的老齡林的蒸散量。在米亞羅集水區(qū)試驗中,處理集水區(qū)缺乏采伐前后的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。當(dāng)最初的采伐開始11a后才進(jìn)行觀測,跡地已經(jīng)進(jìn)入灌叢演替階段,并伴隨樺、楊幼樹的天然更新。所以,馬雪華和黃禮隆得出的森林能夠增加年徑流量的結(jié)論,只能適用于老齡暗針葉林的演替階段。從長期分析看,天然次生林演替階段將會使產(chǎn)水量下降維持較長的時間。另外,川西地區(qū)人工造林多采用速生的針葉樹種—粗枝云杉,其液流速率和冠層蒸騰量又大于天然次生的樺木林,因此,人工云杉林的產(chǎn)水量將會下降更多(圖2)。3.2森林開發(fā)的基本情況李榮昌等、程根偉對長江上游1960—1980年各支流的統(tǒng)計分析結(jié)果表明,隨森林覆蓋率的增加,年徑流量和徑流系數(shù)增加。這一結(jié)論與其分析的時段密切相關(guān)。建國初期,西南亞高山林區(qū)作為中國主要的木材生產(chǎn)基地之一,實施了大規(guī)模的森林采伐利用(圖5),導(dǎo)致了長江上游亞高山地區(qū)占主導(dǎo)地位的老齡暗針葉林被采伐,森林景觀發(fā)生了巨變,取而代之的是各種天然次生植被或人工林。由于地形復(fù)雜,木材運輸困難,林區(qū)開發(fā)遵循由近及遠(yuǎn)、先易后難、便利生產(chǎn)、方便生活的原則。50年代,森林開發(fā)主要在東部的四川岷江上游、大渡河流域的云冷杉林和云南南盤江的云南松林;60年代中期后,陸續(xù)向西開發(fā)雅礱江、金沙江和瀾滄江林區(qū)。1949—1980年間,先后在四川和云南高山林區(qū)建立了40個國有森工企業(yè)(四川23個,云南17個),成為西南亞高山森林經(jīng)營的主體。50年代建立的森工企業(yè),在60年代中期就出現(xiàn)可采資源不足,70年代末基本殆盡。以岷江上游較早建立的川西森工局為例,1953—1965年共采伐428.2萬m3,占全部可采資源的73%(圖6)。由于1960—1980年間正是西南亞高山老齡暗針葉林大規(guī)模采伐期,采伐后從草本階段很快進(jìn)入次生灌叢階段,繁茂的次生灌叢植被的耗水高于老齡暗針葉林(圖1,圖2),但由于該時期灌叢還沒有演替至森林階段,未統(tǒng)計為森林;因此,在大規(guī)模采伐期,該地區(qū)年徑流系數(shù)隨森林覆被率增加而增加。在這一時期,森林仍然以老齡暗針葉林占主體。但隨著演替時間的延長,次生灌叢陸續(xù)演替進(jìn)入天然次生林或人工云杉林階段,由于這些次生森林類型耗水量高于灌叢(圖2),所以原有結(jié)論不會再成立。在森林恢復(fù)期,隨著天然次生林和人工林面積的增加,流域產(chǎn)水量和徑流系數(shù)都將減少。4河道