桐庐生态公益林主要森林类型水源涵养功能综合评价

黄进,张金池†,杨会

(1.南京林业大学,210037,南京;2.广州番禺职业技术学院,511400,广州)

桐庐生态公益林主要森林类型水源涵养功能综合评价

黄进1,张金池1†,杨会2

(1.南京林业大学,210037,南京;2.广州番禺职业技术学院,511400,广州)

对浙江省桐庐县生态公益林中主要森林类型的水源涵养功能进行评价。选取林冠截留率、枯落物层蓄积量、枯落物层最大持水率、土壤稳渗速率、土层厚度、土壤总孔隙度和非毛管孔隙度为评价指标,构建森林水源涵养功能综合评价方法。结合实测数据,对研究区各森林类型水源涵养功能进行评价。结果表明:水源涵养功能为青冈林＞杉木林＞毛竹林＞香樟林＞马尾松林＞板栗林;青冈林的水源涵养功能属较好等级,杉木林、毛竹林、香樟林为中等,马尾松林、板栗林较差。

生态公益林;水源涵养功能;森林类型;评价;桐庐

森林的水源涵养功能是森林生态服务功能的重要功能之一,不同森林类型由于其生态学特性的差异,其林分整体水源涵养功能存在一定的差异。森林生态系统的水源涵养功能大致可以由 3个环节组成:树木冠层对大气降雨的截留削弱;林地地表枯落物层的吸水截持;林地土壤水库的渗透蓄水。这 3个环节的有机结合,使得森林对降雨过程进行了有效的拦蓄和分配,从而充分发挥了森林的水源涵养功能。目前,我国学者在森林水源涵养功能各个环节及整体涵养价值的量化上研究较多,但在定性评价其功能优劣方面研究较少;多数学者的研究成果较好地反映出各自研究区内不同森林类型水源涵养功能的差异,但结果往往有地域性,缺乏在全国水平下的纵向对比。

笔者着重对桐庐几种主要生态公益林的冠层水文效应、枯枝落叶层吸持水特性及土壤层蓄水特性进行研究,参考同行专家学者的研究成果,以我国不同地域不同森林类型的水源涵养功能水平为基础,选取针对性较强的评价指标,构建较为合理的森林水源涵养功能综合评价方法。运用此方法对研究区主要森林类型的水源涵养功能进行定性评价,从而为综合衡量桐庐生态公益林主要森林类型的水源涵养功能提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于浙江省桐庐县,桐庐地处亚热带季风气候区 ,E 119°21′56.7″,N 29°49′19.5″。气候温暖,光照充足,四季分明,降水量充沛。年平均气温16.6℃,年降雨量1443.1mm,无霜期 252d,年日照时间 1 991.4h。土壤以沙壤为主,疏松透气。动植物资源丰富,有各类保护植物 15种,各种保护动物13种。桐庐县现有生态公益林面积 7.46万 hm2,其中重点公益林面积 4.27万 hm2,市级公益林面积1.39万 hm2,县级公益林面积 1.81万 hm2。

2 研究方法

2.1 样地设置

选择 青冈 (Cyclobalanopsis glauca)、香樟(Cinnamomum camphora)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata)、马 尾 松 (Pinus massoniana)、毛 竹(Phyllostachys heterocycla)、板 栗 (Castanea mollissima)6种具有代表性的森林类型,建立调查样地并进行常规调查,记录其坡度、坡向、冠层郁闭度等常规指标,各样地基本情况见表 1。

表 1 不同林分样地基本情况Tab.1 Characters of different forest stands

2.2 试验方法

2.2.1 林外气象因子的观测 在样地外的空旷地上建立自动气象站,实时监测样地外降雨量、降雨历时、湿度、风速相关数据。

2.2.2 林内降雨及树干茎流的测定 林冠截留量与树干茎流量依据森林水文定位观测的常规方法测定。树冠截留量按公式 Pc=P-Ps-Pt计算,式中:Pc为树冠截留量,mm;P为大气降雨量,mm;Ps为树干茎流量,mm;Pt为穿透雨量,mm。

2.2.3 枯落物蓄积量及吸持水能力测定 在每块林地中随机布设面积 1m2的样方 10个。将新采集的枯落物迅速称其鲜质量后,放置于实验室干燥通风处 7 d以上,直至用手触摸无潮湿感时,称其质量作为不同林分枯落物风干质量,推算枯落物的自然含水率和单位面积蓄积量;枯落物吸持水能力采用浸水法测定,将原状枯落物装入网袋,浸水 24 h,浸水后枯落物质量与浸水前质量的比值为最大持水率。

2.2.4 土壤水分物理性质的测定 用环刀法测定土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度;采用环刀有压入渗法测定土壤的渗透性能。

2.3 森林水源涵养功能综合评价方法的构建

2.3.1 综合评价原理 目前用于某一对象定性评价的方法有很多,层次分析法、模糊评价、灰色关联评价、神经网络评价等,各评价方法特点不一,计算过程过于繁琐。笔者从实用角度出发,选择使用最为普遍的一种评价方法,即加权平均法。该方法的实质是赋予方案每个指标(准则)权重后,对方案各评价指标下实测值的评分值求加权和。以数学公式表达为

式中:U为待评方案的加权综合评价值;xi为待评方案第 i个指标的实测值;Vi(xi)为 xi的评分值;wi为评价体系中第 i个指标的权重系数。

Vi(xi)通过构造出不同评价指标的岭形评分函数计算获得。由于岭形函数的特性,其评分值的大小在[0,1]中变化。

Vi(xi)min为第 i个指标偏小型岭形函数,在(a1,a2]中呈递减趋势,即 xi值越小,评分值 Vi(xi)min越高(a1、a2为指标 xi的上下限阀值)。

Vi(xi)max为第 i个指标偏大型岭形函数,在(a2,a1]中呈递增趋势,即 xi值越大,评分值 Vi(xi)max越高。

2.3.2 评价指标及阀值的选取 森林生态系统通过树木冠层水文效应、林地地表枯落物层的吸水截持、林地土壤水库的渗透蓄水这 3个主要环节的共同作用,使得森林对降雨过程进行了有效的拦蓄和调节分配,从而发挥水源涵养功能;因此,要客观评价森林水源涵养功能,需要选择能较好表征这 3个方面的指标。

1)森林冠层水源涵养功能评价指标。森林冠层是降雨过程中第一个接触面,其不仅有效地截留了一定数量的降雨,同时还削弱了降雨的动能,因而树木的林冠截留作用在森林发挥水源涵养功能的过程中发挥着极为重要的作用。考虑到降雨分布的地域差异,选择林冠截留率(X1)作为森林冠层水文效应的评价指标。

程根伟[1]指出,温带针叶林、亚热带杉木、马尾松林、季风常绿阔叶林林冠截留分别占全年降雨量的 20%～40%、15%、25%和 30%;刘世荣等[2]根据我国不同区域生态站森林水文生态功能观测结果,指出我国主要森林林冠截留率的变化范围为 11%～37%。参照这些研究结果,设定指标 X1的上限阀值为 40%,下限阀值为 10%。

2)枯落物层水源涵养功能评价指标。枯枝落叶层的涵养水源作用主要体现在吸持水方面。衡量枯落物层吸持水性能的指标主要有最大持水量(率)、最大拦蓄量 (率 )、有效拦蓄量 (率 )等 ,其中对枯落物层吸持水特性起最主要作用的是枯落物层的蓄积量和最大持水率,故选择枯落物层的蓄积量(X2)和最大持水率(X3)为枯落物层水源涵养功能评价指标。

王佑民[3]指出,我国各地乔木林地的枯落物蓄积量一般均在 10 t/hm2以上,生长良好的林分可达20～40 t/hm2,枯落物的最大吸水率多为其干质量的 2～3倍,有的阔叶树种可达 4倍;刘世荣等[2]根据我国不同区域生态站森林水文生态功能观测结果,指出我国主要森林枯落物层蓄积量的变化范围为 3.5～26.8 t/hm2,枯落物层的最大持水率变化范围为 200%～500%。参照这些研究结果,设定指标X2的上限阀值为 40.0 t/hm2,下限阀值为 3.5 t/hm2,设定指标 X3的上限阀值为 400%,下限阀值为200%。

3)土壤水库水源涵养功能评价指标。土壤水库的水源涵养功能主要体现在土壤渗透性能和蓄水性能 2个方面。在降雨强度、降雨量适中的降雨条件下,土壤可以充分入渗雨水,使降雨滞留于土壤水库中,使林地不易形成地表径流,很好地起到水源涵养作用。

表征土壤渗透性能的指标主要有初渗透率、稳渗速率、渗透系数等,选择土壤稳渗速率(X4)为衡量土壤水库渗透性能优劣的指标。根据现有的研究结果[4-13],发现不同地区不同森林类型土壤的稳渗速率一般不超过 8mm/min,而一些透水性较差的土壤的稳渗速率都低于 1mm/min,因而设定指标 X4的上限阀值为 8mm/min,下限阀值为 1mm/min。

表征土壤蓄水性能的指标有土壤总蓄水量、毛管蓄水量与非毛管蓄水量,其中土壤总蓄水量是毛管与非毛管蓄水量之和,反映土壤储蓄和调节水分的潜在能力,它是土壤涵蓄潜力的最大值;土壤非毛管蓄水量又称涵养水源量,反映土壤迅速容纳降雨径流和调节水分的能力。土壤层的总蓄水量和非毛管蓄水量取决于土层的厚度和土壤孔隙状况,因而,选取土层厚度(X5)、土壤总孔隙度(X6)和土壤非毛管孔隙度(X7)作为评价土壤蓄水性能的指标。参考林地立地质量评价相关方法[14],设定指标 X5上限阀值为 100 cm,下限阀值为 20 cm,参考土壤总孔隙度的一般范围[15](30%～60%),设定指标 X6的上限阀值为 60%,下限阀值为 30%,参考土壤非毛管孔隙度的一般范围[15](5%～20%),设定指标 X7的上限阀值为 20%,下限阀值为 5%。

2.3.3 评价指标权重系数的确定和功能等级的划分 依据评价指标的选取及其各自的阀值,采用专家打分法为各评价指标赋权重。各评价指标的权重系数及上下限阀值见表 2。

依据森林水源涵养功能综合评价值(U)的大小可以将待评森林水源涵养功能定性划分为 5个功能等级:好 (0.8～ 1.0)、较好(0.6 ～ 0.8)、中等(0.4 ～0.6)、较差(0.2～0.4)、差(0 ～0.2)。

2.3.4 各指标评分值计算 各评价指标的岭形评分函数 Vi(xi)max分别如下,利用这些公式可以分别计算各指标的评分值。

表 2 各评价指标的权重系数及阀限值Tab.2 Weight coefficient and threshou ld value of evaluation indexes

式中 V1(x1)max、V2(x2)max、V3(x3)max、V4(x4)max、V5(x5)max、V6(x6)max、 V7(x7)max分别为林冠截留率

(X1)、枯落物层蓄积量(X2)、枯落物层最大持水率

(X3)、土壤稳渗速率(X4)、土层厚度(X5)、土壤总空隙度(X6)、土壤非毛管空隙度(X7)各评价指标的偏大岭形评分函数,x1、x2、…、x7分别为评价指标X1、X2、…、X7的实测值 。

3 结果与分析

桐庐生态公益林主要森林类型水源涵养功能各评价指标的实测值见表 3(均为统计平均值)。

运用构建的森林水源涵养功能综合评价方法和表 3中的数据,得到综合评价结果,见表 4。从各森林类型水源涵养功能综合评价值可以看出,综合水源涵养功能的大小顺序为青冈(0.755 0)＞杉木(0.5688)＞毛竹(0.4738)＞香樟(0.4665)＞马尾松(0.3230)＞板栗(0.301 1)。

表 3 不同森林类型各评价指标实测值Tab.3 Measured value of indexes in different stands

表 4 各森林类型水源涵养功能综合评价结果Tab.4 Evaluation resultof water conservation function of different stands

4 结论与讨论

1)桐庐生态公益林主要森林类型的水源涵养功能存在着一定差异,林冠截留率由高至低依序为青冈林、杉木林、马尾松林、毛竹林、香樟林、板栗林;枯落物蓄积量由高至低依序为青冈林、香樟林、毛竹林、杉木林、马尾松林、板栗林;枯落物最大持水率由高至低依序为板栗林、毛竹林、青冈林、杉木林、马尾松林、香樟林;土壤稳渗速率由高至低依序为青冈林、杉木林、毛竹林、香樟林、板栗林、马尾松林;土壤总孔隙度由高至低依序为青冈林、香樟林、毛竹林、板栗林、杉木林、马尾松林;土壤非毛管空隙度由高至低依序为青冈林、杉木林、香樟林、毛竹林、板栗林、马尾松林。

2)桐庐生态公益林主要森林类型水源涵养功能综合评价结果为青冈林 ＞杉木林 ＞毛竹林 ＞香樟林 ＞马尾松林 ＞板栗林;青冈林的水源涵养功能属较好等级,杉木林、毛竹林、香樟林为中等,马尾松林、板栗林较差。

桐庐地区青冈林的水源涵养功能最好,建议在生态公益林建设更新过程中将青冈林作为重要森林类型加以营造。

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Comp rehensive evaluation on water conservation function of main stand types of ecological protection forest in Tonglu County

Huang Jin1,Zhang Jinchi1,Yang Hui2
(1.Nanjing Forestry University,210037,Nanjing;2.Guangzhou Fanyu Vocational College,511400,Guangzhou:China)

Water conservation function ofmain stand typesofecological protection forest in Tonglu county of Zhejiang province were evaluated.Rate of canopy interception,litter volume,maximalwaterholding rate of litter layer,soil steady infiltration,soil thickness,soil general porosity and non-capillary porosity were selected as evaluation index,and comprehensive evaluation method of water conservation function wasused.The result show that the desending order of water conservation function was Cyclobalanopsis glauca,Cunninghamia Lanceolata,Phyllostachys heterocycla,Cinnamomum camphora,Pinusmassoniana,Castanea mollissima;the water conservation function of Cyclobalanopsis glauca belongs to better grade,Cunninghamia Lanceolata,Phyllostachys heterocycla and Cinnamomum camphora were middle,Pinusmassoniana and Castaneamollissima were worse.

ecological protection forest;water conservation function;stand types;evaluation;Tonglu

2009-04-08

2009-09-18

项目名称:国家“十一五”林业科技支撑项目“长江中下游低山丘陵退化区植被恢复技术示范”(2006BAD 03A 16)

黄进(1983—),男,博士研究生。主要研究方向:森林水文、环境生态。E-mail:hjtyforlove@yahoo.com.cn

†责任作者简介:张金池(1962—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持、森林水文、林业生态工程。E-mail:nfujczhang@sina.com

(责任编辑:宋如华)