天然次生林和人工毛竹林水文生态特征比较*

孔维健,周本智 ,安艳飞,王小明

（中国林业科学研究院亚热带林业研究所,浙江富阳 311400）

陆地植被尤其是森林,作为陆地生态系统的主体和核心,在维护水资源供需平衡、改善生态环境和维持生态平衡中起着根本的、至关重要的作用[1]。森林水文生态特征揭示森林对降雨分配、水分循环及水土保持等生态功能,是森林生态系统的重要功能特征[2],具有重要的水文生态意义[3-6]。

常绿阔叶林主要分布在亚热带地区的大陆东岸,以我国分布的面积最大[7],为亚热带地带性植被类型。由于对木材、薪材的需求和农业的发展,天然阔叶林大多遭到破坏,目前多为次生林。天然次生林是我国亚热带地区重要的群落类型之一,是森林群落演替过程重要的过渡类型[8]。毛竹(Phy llostachys pubescens),广泛分布在我国亚热带地区,是我国最重要的竹种之一,是我国森林资源的重要组成部分。毛竹具有生长迅速、生物量大、适应性广等特点[9],是集经济、生态、社会效益于一体的优良树种,是竹产区人民经济收入的重要来源,也是人们安居乐业的生态屏障[10]。

影响森林水文生态特征的因素众多,包括自然条件、降雨特征、植被特点等。但在同一研究地点,其影响因素主要取决于植被特点。鉴于此,选择在中国亚热带地区分布较典型的天然次生林和人工毛竹林两种森林类型,从水文生态功能的角度出发,即林冠截留、林下植被截留、枯枝落叶截持、地表径流和径流泥沙等方面,在同一地点同步进行定位监测,来研究不同植被类型对森林生态系统水文生态特征的影响,为不同森林类型涵养水源和水土保持等功能的客观评价提供依据,亦可为天然林和人工林的可持续经营和改造提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本研究在浙江庙山坞自然保护区(119°56′-120°02′E,30°03′-30°06′N)进行 。该自然保护区位于浙江省富阳市境内,地形属浙西低山丘陵区天目山系余脉,山体主脉呈东西走向,由主脉延伸的多条南北向支脉为本区主体,峡谷相间,谷向朝南,濒临富春江。气候属中亚热带季风气候,季风显著,四季分明,降水充沛,温暖湿润。区内气候温和,夏季炎热,冬少严寒;年平均气温16.2℃(极端最高气温40.2℃,极端最低-14.4℃);年平均降水量 1 464 mm。保护区总面积816.8 hm2,其中天然次生林面积465 hm2,占总面积的56.9%。除天然森林资源外,还营造了一大批人工林和科研试验林、示范林等。主要植被类型包括天然次生林、人工毛竹林、人工杉木林、人工松林和灌丛地等,植物种类较为丰富。

1.2 样地选择和群落调查

在庙山坞自然保护区,天然次生林和人工毛竹林各选取一块面积为400 m2(20 m×20 m)的标准样地(两块样地相邻1 000 m内),采用每木检测的方法分别测定样地内树木的胸径和树高,对胸径≥2 cm的所有树木调查种类和数量。天然次生林样地坡度35°左右,坡向西南,海拔 181 m。乔木层主要树种为青冈,占56.1%,此外还有白栎、杉木、含笑、冬青、野柿树、红树等。乔木层下含有大量的灌木和草本,地表覆盖大量枯枝落叶,平均厚度约3.0 cm。树冠层盖度为75%,群落总盖度约为95%,胸径大于2 cm的树木密度为1 025株/hm2,样地内树木(胸径大于2 cm)的平均胸径为14.2 cm,平均树高为14.5 m;人工毛竹林样地坡度20°左右,坡向正南,海拔169 m。样地内竹林密度为3 875株/hm2,林冠层盖度为95%,竹株胸径分布在4.0～13.6 cm,平均胸径为9.8 cm,平均竹高 13.2 m,林下几乎没有灌木和草本,但地表覆盖较多枯枝落叶,平均厚度约2.5 cm。

1.3 水文生态特征的观测方法

1.3.1 穿透雨及大气降雨的观测 在天然次生林和人工毛竹林样地内规律性安置5个由白铁皮制成的集水槽(收集面积为1.5 m×0.5 m),样地内得到平均为穿透雨量值(T)。同时在林外空旷地上安置1个集水槽作为对照(林外降雨P),为了避免灌木及草本植物对穿透雨的影响,使集水槽距离地面的高度不低于100 cm,并与地面保持约0.5°的倾角,集水槽较低的一端底部开口,连接到一个地面上的集水器中,人工观测林内穿透雨量。天然次生林样地内杂灌下面规律性布设5个直径为0.208 m(面积0.034 m2)的塑料圆形漏斗,漏斗下接塑料水桶,人工观测杂灌下穿透雨量。为了避免枯枝落叶等落物对测量结果的影响,降雨前把集水槽和漏斗内的凋落物等物质清理干净。

1.3.2 树干茎流观测 根据样地内的树木种类、径级、树冠形状等,用径级标准木法各选择标准木(天然次生林内8株,人工毛竹林内9株)观测树干茎流。具体方法为在选定的每株标准木上,将剖开的聚乙烯塑料管(直径2 cm)螺旋形地围绕在树干上2～3圈,用玻璃胶将接缝处封严,做成截水槽,塑料管的下端接到一个地面上的集水器,用于收集树干茎流。然后,将标准木茎流量按林木径阶及其权重进行统计,利用加权平均法推算出单位面积林分的茎流量(S)。天然次生林下灌丛因为其植株平均胸径很小,所以本研究中未测量其树干茎流。

1.3.3 林冠截留(I)的计算 利用公式I=P-T-S计算林冠截留量。

1.3.4 地表径流(R)和径流泥沙观测 天然次生林和人工毛竹林样地内分别建立一个径流场(10 m×20 m),径流场下坡面建一集水池(容积1 m3),集水池底面建一沉沙池(40 cm×20 cm×10 cm),每次降雨后及时测量蓄水池中地表径流水量,并从沉沙池中用600 ml的水瓶取满泥沙和水的混合水样。水样先用滤纸过滤,然后把滤纸和泥沙一起放置在105℃的电烘箱内12～24 h,取出冷却后称重。记录每次径流的泥沙含量。

1.3.5 枯枝落叶层枯落物现存量及蓄水量的调查在天然次生林和人工毛竹林内各布设5个1 m×1 m的小样方,分别将样方内的所有枯落物装入封口袋中,带回实验室立即称重(G1)。然后将枯落物在水中浸泡24 h后取出置于筛网中,等枯落物没有明显水滴滴落时立即称重(G2)。然后将枯落物风干后置于烘箱中烘干至恒重(一般在105℃下烘16～24 h),立即称重(G0)。然后分别计算出枯落物的自然含水率[(G1-G0)/G0×100%]与最大含水率[(G2-G0)/G0×100%],并计算出其蓄水能力。

1.4 数据分析

使用SPSS 17.0统计软件对数据进行分析。

2 结果与分析

本实验观测记录了2009年3月10日-2009年7月1日的29次降雨数据,平均每3.9 d一次降雨。观测期内总降雨量544.5 mm,次降雨量分布在0.1～78.7 mm,降雨时间分布在 0.1～72 h。其中小雨(0～10 mm)12次,占降雨总次数的41.4%,中雨(10～25 mm)9次,占 31.0%,大雨(25～50 mm)7次,占 24.1%,暴雨(50 ～ 100 mm)1次,占3.5%。天然次生林与人工毛竹林水文生态特征各数值列于表1。

表1 天然次生林与人工毛竹林水文生态特征的比较

2.1 林冠截留作用比较

降落到森林中的雨滴,由于受到林冠层的截留作用,发生了到达地面过程的第一次水量分配,将大气降雨分配为穿透雨、树干茎流和林冠截留三部分[11]。数据分析结果显示,人工毛竹林内穿透雨高于天然次生林,分别是乔木层的1.28倍、灌木层的1.46倍;人工毛竹林茎流同样高于天然次生林,是1.18倍;而林冠截留(包括灌木截留)恰好相反,天然次生林远高于人工毛竹林,是2.40倍,其中乔木层截留2.0倍。产生茎流和穿透雨的最小次降雨量,天然次生林是3.3 mm,人工毛竹林是2.3 mm。

2.2 枯枝落叶层截持水作用比较

降水通过林冠后,到达枯枝落叶层,进行到达地面过程的第二次水量分配。森林枯枝落叶层具有较大的水分截持能力,从而影响到穿透降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应。森林枯枝落叶层的水文生态效应取决于其蓄水能力,而蓄水能力由枯落物蓄积量和持水率决定[6,12]。天然次生林枯枝落叶的现存量略高于人工毛竹林,为1.29倍,而最大持水率是1.42倍,林分枯枝落叶层的最大蓄水潜力是1.88倍。

2.3 地表径流和径流泥沙比较

通过林冠和枯落物层的拦截和消能作用,可以有效减少地表径流量及径流速度,减弱雨水对地表的直接冲击和侵蚀,林地表层土壤不会迅速流失,减少了径流泥沙含量[13-14]。分析结果显示,观测期内,人工毛竹林的地表径流是天然次生林的1.92倍,径流泥沙含量却达到3.82倍,另外研究发现,天然次生林与人工毛竹林产生明显地表径流(0.5 mm)的最小次降雨量分别为20.7 mm、36.7 mm。

2.4 降雨分配模型比较

在分别检测了各降雨分量与降雨量之间的几种回归模型后,根据最大R2值选择最佳的拟合方程,列于表2。分析发现,天然次生林和人工毛竹林降雨空间分配情况都可以用数学模型模拟,均具有较高的相关性与显著性水平。其中穿透雨量、茎流量、地表径流量与降雨量之间用线性方程拟合最好;林冠截留量、穿透雨率、茎流率、地表径流系数与降雨量之间用对数函数拟合最好;林冠截留率与降雨量之间用幂函数拟合最好。

3 结论与讨论

(1)天然次生林具有较高的林冠截留作用。总林冠截留是人工毛竹林的2.40倍,林冠截留率和产生穿透雨与茎流的最小次降雨量都大于人工毛竹林。天然次生林乔木层盖度虽然低于毛竹林,但由于其冠层高度较高,其枝叶层厚度、叶面积指数远远高于毛竹林,林冠截留作用本身就较强,再加上林下灌木层截留,总的截留效果显著[11]。不仅如此,毛竹秆、枝、叶部表面光滑,且被有坚硬透水性很差的硅化蜡质层,吸持水能力较弱,从而决定了林冠、竹秆、竹枝达到饱和所需的降水量相对较小[9]。因此林冠截留率和产生穿透和茎流的最小降雨量都小于天然次生林。

(2)天然次生林枯枝落叶层具有较高的截持水能力,其最大蓄水潜力是人工毛竹林的1.88倍。但两种生态系统的枯枝落叶现存量和最大蓄水潜力都比较小[12]。其原因可能是2008年的雪灾,使植被林冠层受到一定的破坏,林内光线较充足,再加上本地区一直以来降雨量较大,温湿度较高,加快了枯枝落叶的分解,枯落物现存量和最大蓄水潜力较小。

表2 天然次生林和人工毛竹林降雨分配拟合方程

(3)天然次生林的水土保持能力较好,其中人工毛竹林的地表径流是天然次生林的1.92倍,径流泥沙含量高达3.82倍。这一方面是因为天然次生林林冠截留和枯枝落叶层截持水作用更强,另一方面是因为天然次生林下存在灌木草本层及较多的根系,进一步消弱了穿透雨对地表的冲刷,其保水固土能力自然更强。

(4)天然次生林和人工毛竹林降雨空间分配情况都可以用数学模型模拟,具有较高的相关性与显著性水平。这与多数学者的研究结果[6,11,15-23]相同,降雨分配规律相似,仅常数不同。笔者认为这主要是由森林生态系统的结构和功能决定的,常数的不同只是由研究地自然条件、降雨特征和植被特点差异造成的。温远光等[12]也已对中国主要森林生态系统类型降雨截留模型进行了较深入的归纳整理,本文不再赘述。

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