太湖地區森林生態系統的水源涵養功能特征

張 彪,楊艷剛,張燦強

（中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101）

森林是陸地上最重要的生態系統,有著獨特的生態水文功能[1],主要表現為攔蓄降水、調節徑流、凈化水質等水源涵養功能[2]。充分發揮森林的生態水文功能已成為國際上流域水資源保護的重要手段[3-5]。我國傳統的林業發展決策多基于森林的生產功能,因此,如何平衡森林的生態水文效應,如何最大限度地滿足不同發展方面對森林植被恢復的要求,以及如何在不同地區開展森林植被與水資源的綜合管理等問題,都需要開展深入研究[6]。近年來,太湖地區湖泊生態功能日益退化,尤其是水體污染和富營養化問題成為制約流域發展的主要問題[7]。雖然這些問題的出現主要與社會、經濟因素有關[8-9]。但是,統籌考慮流域生態系統的綜合影響[10-11],充分發揮森林植被的生態水文功能對于流域水資源保護和水環境治理意義重大。尤其是目前太湖地區森林生態水文功能已開展了大量研究[12-20],為深入認識森林生態系統與水資源之間的關系奠定了良好基礎。但是,這些研究多是針對典型地區森林生態系統水源涵養功能的實測研究,需要在宏觀尺度上對這些研究成果進行綜合比較分析。因此,本文在借鑒前人研究成果的基礎上,重點綜合比較了太湖地區森林枯枝落葉層和土壤層的涵養水源功能特征,希望能為太湖地區森林生態系統的優化調控以及森林生態水文功能的有效發揮提供決策依據。

1 研究區概況

太湖地區(119°11′-121°53′E,30°28′-32°15′N)位于長江下游三角洲,流域面積3.69萬km2,主要屬蘇、浙、滬兩省一市,包括上海、蘇州、無錫、常州、杭州、嘉興和湖州等地區。地勢平坦,平原占流域面積的60.5%,丘陵山地占22%,其余為水域[20]。太湖地區屬亞熱帶季風氣候區,年平均氣溫15～17℃,多年平均降雨量為1 180 mm(表1)。

太湖地區地跨北亞熱帶與中亞熱帶,自然植被主要分布于丘陵山地,地帶性土壤相應為亞熱帶的黃棕壤與中亞熱帶的紅壤。地帶性常綠針葉林以馬尾松林(Pinusmassoniana)與杉木林(Cunninghamia lanceolata)為主,落葉闊葉林多為以麻櫟(Quercusacutissima)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、化香(Platycarya strobilacea)、黃檀(Dalbergia hupeana)等為主的次生林,常綠闊葉林主要包括青岡(Cyclobalanopsis glauca)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)、石 櫟 (Lithocarpus glaber)、小紅栲(Castanea henryi)、木荷(Schima superba)與紫楠(Phoebe sheareri)等樹種,竹林廣泛分布于中亞熱帶丘陵山區,主要建群種有毛竹(Phyllostachys pubescens)、剛竹(Phyllostachys viridis)、淡竹(Phyllostachys glauca)等,灌叢大多為森林嚴重破壞后出現的初期次生類型,主要有狹葉山胡椒(Lindera angusti folia)、鐵黑漢條(Spiraea chinensis)、白櫟(Quercus f abri)、短柄袍(Quercus glanduli f era)與杜鵑(Rhododendron simsii)等。

根據森林資源調查數據,太湖地區單位面積森林蓄積量較低(如表2),而且林齡結構以中幼齡林為主,其中幼齡林面積占地區森林總面積的67%～90%,而成熟林僅占10%～33%。有林地中,純林面積占到62%～86%,而混交林比例明顯偏低(如圖1)。

表1 太湖典型地區年均降雨量

表2 太湖地區森林單位面積蓄積量

圖1 太湖地區有林地森林結構面積比例

2 研究方法

水源涵養功能是森林生態系統內多個水文過程及其水文效應的綜合表現[2],主要涉及林冠層、枯枝落葉層和土壤層三個作用層,其中土壤非毛管孔隙的調節能力占90%以上,其次為枯枝落葉層的調節,森林林冠層的調節能力較弱[1]。因此,本研究重點討論枯枝落葉層和土壤層的水文功能特征。首先在總結參考太湖地區森林生態水文功能現有研究成果的基礎上,重點針對不同森林類型下枯枝落葉層和土壤層涵養水源功能的評價指標和影響因子,主要包括枯枝落葉層的現存量、持水量和持水率,土壤層的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度,以及土壤層的初滲率和穩滲率,分別選取相應研究成果計算平均值,從而綜合比較太湖地區森林水源涵養功能的特征。

3 結果分析

3.1 枯枝落葉層持水功能

森林枯枝落葉層具有較大的水分截持能力,從而影響穿透降雨對土壤水分的補充和植物的水分供應[21]。森林枯枝落葉層吸持水的能力與森林流域產流機制密切相關,并受枯落物組成、林分類型、林齡、枯落物分解狀況、積累狀況、林地水分狀況以及降雨特點的影響[22]。我國各類森林枯枝落葉層的現存量平均變動于3.50～26.81 t/hm2,變動系數為18.01%～67.80%;森林枯枝落葉吸持水量可達自身干重的2～4倍,最大持水率平均為309.54%[1]。

太湖地區主要森林生態系統林下枯枝落葉層現存量平均值變動于4.68～14.4 t/hm2,其中常綠闊葉林最大,然后依次為落葉闊葉林、馬尾松林、灌木林和杉木林,毛竹林最小;亞熱帶地區森林枯枝落葉層現存量變動于6.25～11.71 t/hm2。可見,太湖地區林下枯落物現存量明顯低于亞熱帶平均值,原因可能是太湖地區城鎮密集,人類活動對森林生態系統的干擾頻繁所致。

太湖地區森林枯落物持水量均值為 11.6～29.99 t/hm2(相當于1.16～2.99 mm),其中常綠闊葉林＞落葉闊葉林＞灌木林＞馬尾松林＞杉木林＞毛竹林,亞熱帶森林枯落物持水量均值為13.92～35.16 t/hm2(相當于1.39～3.52 mm)。太湖地區主要森林枯枝落葉層持水率變動于187.24%～246.22%,其中灌木林＞落葉闊葉林＞毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞馬尾松林,而亞熱帶森林平均值為207.19%～388.65%。因此,整體來看,太湖地區森林枯枝落葉層的現存量和持水功能幾乎都低于亞熱帶平均值(如圖2)。

圖2 太湖地區森林枯落物層現存量、持水量與持水率

圖3 太湖地區森林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度與總孔隙度

3.2 土壤層蓄水功能

林地土壤是森林生態系統貯蓄水分的主要場所[22],評價其蓄水性能一般以總持水量、毛管持水量和非毛管持水量為指標。考慮到土壤蓄水量與土層厚度、土壤孔隙狀況等物理性質有關,因此本文重點從森林土壤物理性質進行比較?？紫抖仁欠从惩寥牢锢硇再|的重要參數,是土壤中養分、水分、空氣和微生物等的遷移通道、貯存庫和活動場所[23]。據研究,森林土壤蓄水能力與土壤孔隙狀況密切相關,尤其與土壤的非毛管孔隙更為密切[1]。

太湖地區主要森林類型土壤層毛管孔隙度平均值變動于39.01%～44.21%,其中毛竹林土壤毛管孔隙度最大,其余的依次為馬尾松林＞灌木林＞落葉闊葉林＞常綠闊葉林,杉木林土壤孔隙度最小;亞熱帶森林土壤層毛管孔隙度均值為43.3%～53.66%。太湖地區主要森林類型土壤的非毛管孔隙度為10.21%～16.53%,最大的為落葉闊葉林,然后是常綠闊葉林、灌木林、杉木林和毛竹林,馬尾松林土壤的非毛管孔隙度最小;亞熱帶森林土壤層非毛管孔隙度平均值為8.96%～21.13%。如果從土壤總孔隙度來看,太湖地區森林土壤總孔隙度變動于51.71%～57.58%,灌木林＞落葉闊葉林＞毛竹林＞常綠闊葉林＞馬尾松林＞杉木林,亞熱帶地區森林土壤總孔隙度均值為54.35%～72.65%。因此,總體來看,太湖地區森林土壤孔隙狀況基本上均小于亞熱帶平均值(如圖3)。

3.3 土壤層滲透性能

土壤滲透性是描述土壤入滲快慢的重要土壤物理特征參數[22]。在其他條件相同情況下,土壤滲透性能越好,地表徑流越少,土壤流失量越少。也正因為林地土壤具有較大的孔隙度,特別是非毛管孔隙度,加大了林地土壤的入滲率和入滲量,有利于對暴雨徑流的調蓄[24]。

太湖地區主要森林類型土壤初滲率均值變動于11.94～19.06 mm/min(如圖4),其中落葉闊葉林土壤的初滲率最大,其次為常綠闊葉林、毛竹林和松林,杉木林土壤的初滲率相對最小;亞熱帶森林土壤初滲率平均值為3～22.46 mm/min。太湖地區各種森林類型土壤的穩滲率均值變動于3.77～6.74 mm/min,其中落葉闊葉林＞杉木林＞毛竹林＞常綠闊葉林＞松林,而亞熱帶森林土壤穩滲率均值為1.84～15.19 mm/min。因此,從太湖地區來看,除落葉闊葉林和松林外,其他森林類型土壤的滲透性都低于亞熱帶平均值。

4 結論

(1)太湖地區主要森林生態系統的林下枯枝落葉層現存量平均值為4.68～14.4 t/hm2,持水量為11.6～29.99 t/hm2,持水率為187.24%～246.22%;主要森林類型土壤層的毛管孔隙度變動于39.01%～44.21%,非毛管孔隙度為10.21%～16.53%;而土壤層的初滲率變動于11.94～19.06 mm/min,穩滲率介于3.77～6.74 mm/min。不過,太湖地區森林枯枝落葉層和土壤層的涵養水源功能指標幾乎都低于亞熱帶平均值。

(2)太湖地區森林生態系統的優化調控應重點關注森林植被結構調整和森林的近自然經營。近20 a來太湖地區森林生物多樣性水平呈下降的趨勢[26],這可能也是我國森林經營中存在的一種普遍現象,應進一步引起重視。而水源林的營造或經營應以闊葉樹種為主[1]。尤其是由于闊葉混交林比針闊混交林的涵養水源功能高,因此在水源涵養林經營過程中,要注意近自然森林經營模式的運用;而且只有在保持良好的森林和地被物覆蓋下,土壤的調節功能才能得到最大限度的發揮[1]。

圖4 太湖地區林地土壤初滲率與穩滲率

致謝:感謝浙江省安吉縣林業局、長興縣林業局和江蘇省江陰市農林局提供數據。

[1]劉世榮,溫遠光,王兵,等.中國森林生態系統水文生態功能規律[M].北京:中國林業出版社,1996:1-5.

[2]張彪,李文華,謝高地,等.森林生態系統的水源涵養功能及其計量方法[J].生態學雜志,2009,28(3):529-534.

[3]Nun?nez D,Nahuelhual L,Oyarzun C.Forests and water:The value of native forests in supplying water for human consumption[J].Ecological Economics,2006,5:606-616.

[4]Andreassian V.Water and forests:From historical controversy to scientific debate[J].Journal of Hydrology,2004,291:1-27.

[5]Farley K,Jobbagy E,Jackson P.Effects of afforestation on water yield:A global synthesis with implications for policy[J].Global Change Biology,2005,11:1565-1567.

[6]宋子剛.森林生態水文功能與林業發展決策[J].中國水土保持科學,2007,5(4):101-107.

[7]秦伯強,吳慶農,高俊峰,等.太湖地區的水資源與水環境:問題、原因與管理[J].自然資源學報,2002,17(2):221-228.

[8]黃智華,薛濱,逄勇.太湖水環境演變與流域經濟發展關系及趨勢[J].長江流域資源與環境,2006,15(5):627-631.

[9]劉莊,鄭剛,張永春,等.社會經濟活動對太湖流域的生態影響分析[J].生態與農村環境學報,2009,25(1):27-31.

[10]蔡慶華,吳剛,劉建康.流域生態學:水生態系統多樣性研究和保護的一個新途徑[J].科技導報,1997(5):24-26.

[11]閻水玉,王祥榮.流域生態學與太湖流域防洪、治污及可持續發展[J].湖泊科學,2001,13(1):1-7.

[12]蔣文偉,余樹全,周國模,等.安吉地區不同森林植被水源涵養功能的研究[J].江西農業大學學報:自然科學版,2002,24(5):635-639.

[13]楊學軍,姜志林.蘇南丘陵區主要森林類型地被層水源涵養功能研究[J].水土保持通報,2001,21(3):28-31.

[14]林海禮,宋緒忠,錢立軍,等.千島湖地區不同森林類型枯落物水文功能研究[J].浙江林業科技,2008,28(1):70-74.

[15]周重光,沈辛作,于建國,等.浙江山地森林枯落物層的生態水文效應[J].浙江林業科技,1989,9(5):1-8.

[16]劉為華,張桂蓮,徐飛,等.上海城市森林土壤理化性質[J].浙江林學院學報,2009,26(2):155-163.

[17]周重光,柴錫周,沈辛作,等.天目山森林土壤的水文生態效應[J].林業科學研究,1990,3(3):215-221.

[18]黃進,楊會,張金池.桐廬生態公益林主要林分類型的土壤水文效應[J].生態環境學報,2009,18(3):1094-1099.

[19]玉冬米.森林土壤透水蓄水性能的研究[J].林業科技開發,2000,14(4):10-12.

[20]謝紅彬,虞孝感,張運林.太湖流域水環境演變與人類活動耦合關系[J].長江流域資源與環境,2001,10(5):393-400.

[21]Putuhena W M,Cordery I.Estimation of interception capacity of the forest floor[J].Journal of Hydrology,1996,180:283-299.

[22]余新曉,張志強,陳麗華,等.森林生態水文[M].北京:中國林業出版社,2004:32-35.

[22]溫遠光,劉世榮.我國主要森林生態系統類型降水截留規律的數量分析[J].林業科學,1995,31(4):289-298.

[23]孫艷紅,張洪江,程金花,等.縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養功能[J].水土保持學報,2006,20(2):106-109.

[24]何東寧,王占林,張洪勛.青海樂都地區森林涵養水源效能研究[J].植物生態學報與地植物學學報,1991,15(1):71-78.

[25]Dunne T,Zhang W,Aubry B F.Effects of rainfall,vegetation and microtopography on infiltration and runoff[J].Water Resoures Research,1991,27(9):2271-2285.

[26]楊學軍,姜志林.溧陽地區森林景觀的生物多樣性評價[J].生態學報,2001,21(4):671-675.