富春江流域人工闊葉幼林涵養水源效果分析

王小明,周本智,鐘紹柱,孔維健,王 剛

(1.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所,浙江富陽311400;2.浙江省富陽市水利局,浙江富陽311400)

常綠闊葉林作為亞熱帶地區的地帶性植物群落,具有極為顯著的綜合生態效應[1-4]。由于歷史原因,我國亞熱帶地區原生的常綠闊葉林植被遭到嚴重破壞,取而代之的是大面積次生的馬尾松和杉木等暖性針葉林[5]。針葉林闊葉化改造是改善亞熱帶地區林種、樹種結構和生態功能的重要途徑之一[6-8]。有關人工闊葉幼林造林模式和樹種選擇[9]、對土壤理化性質和微生物多樣性的影響[10-13]、生態防火效應[14]等內容已有相應報道,但目前針對人工闊葉幼林的水土保持和水源涵養狀況的研究較少報道[15-16]。鑒于此,本研究對富春江流域人工闊葉幼林的土壤水分狀況和水土保持效益進行了為期1 a的定位觀測和初步研究,旨在探討闊葉化改造幼林階段水土保持林的水文生態功能,為正確評價人工闊葉林的水文生態效益提供基礎數據,亦可為本地區水源林的建設提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

2006年初,浙江省實施闊葉林發展工程,對全省范圍內重要水系源頭、大中型水庫周圍等區域,采用“封育、改造、跡地更新”等綜合措施,改造低效生態公益林,培育闊葉林和針闊混交林。本研究在浙江省富陽市富春江流域的中埠水庫庫區(119°51-120°01′E,30°03′-30°06′N)的火燒跡地進行。研究區植被屬中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶,為浙皖山丘青岡、苦櫧林栽培植被區,天目山、古田山丘陵、山地植被片。氣候屬中亞熱帶季風氣候,年平均氣溫16.1℃;年平均降水量1 441.9 mm,年內降水分配不均,5-8月為豐水期,占全年降雨量的60%,年平均相對濕度80%[17]。研究區屬杉木林火燒跡地,少量無林地,屬低丘地形,海拔100 m左右,坡位大多為中坡或下坡,原有火燒跡地上主要樹種是木荷、香樟或者杉木,郁閉度0.2左右,林下植被主要為厥類和苦竹,植被蓋度60%～80%。土壤類型為紅壤,土壤質地砂土,坡度較緩,10°～20°。

試驗人工造林位于富春江流域的杉木火燒跡地和無林地,總造林面積33.3 hm2。主要樹種包括木荷、深山含笑、乳源木蓮等常綠闊葉樹種以及楓香、烏桕、馬褂木等落葉闊葉樹種。采用全劈清理林地,塊狀整地,株間混交模式和基于小地形的塊狀混交。造林時間2005年秋冬季。采用2～3年生實生大苗,苗高＞1.5 m,地徑＞3 cm,帶土球(20 mm×20 mm)造林,1 605株/hm2。通過對跡地造林的樣地調查,造林成活率均達到90%以上,引入的常綠、落葉闊葉樹種生長表現良好,7年生平均胸徑5.9 cm,平均高3.4 m,平均冠幅2.6 m。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤物理性質測定 2010年3月下旬,采用環刀法在樣地內挖掘土壤剖面,用環刀對0-40 cm土層取樣,重復3次,并以樣地附近無林地土壤作對照。在實驗室測定土壤容重、毛管持水量、毛管孔隙度、總孔隙度及滲透系數,具體方法見林業部科技司主編的《森林生態系統定位研究方法》中森林土壤定位研究方法的“環刀法”[18]。

1.2.2 地表徑流和徑流泥沙觀測 以研究區附近立地條件相似的40年生天然次生林為對照,在闊葉幼林和天然次生林內分別建立2個標準地表徑流場(10 m×20 m),徑流場下坡面建一集水池(容積1 m3),積水池底面建一沉沙池(0.4 m×0.2 m×0.1 m),在2009年雨季(3-11月)觀測小集水區坡面徑流的大小;每次降雨后及時測量蓄水池中地表徑流水量,并從沉沙池中用600 ml的水瓶取滿泥沙和水的混合水樣。水樣先用濾紙過濾,然后把濾紙和泥沙一起放置在105℃的電烘箱內12～24 h,取出冷卻后稱重。記錄每次徑流的泥沙含量。

2 結果分析

2.1 降雨特征

實驗觀測記錄了2009年3月24日至2009年11月13日的54次降雨數據,平均每4.9 d一次降雨。觀測期內總降雨量1 167.8 mm,次降雨量分布在0.1～191.1 mm之間,降雨歷時多數在24 h之內。依據氣象預報分類標準,24 h內累計降雨量＜10 mm為小雨、10～25 mm 為中雨 、25～50 mm 為大雨 、50～100 mm為暴雨、100～250 mm為大暴雨,對觀測期內每次降雨強度的分布頻率進行統計。結果顯示：觀測期內研究區54場降雨中,小雨23次,占降雨總次數的42.6%;中雨 12次,占 22.2%;大雨 13次,占24.1%;暴雨5次,占9.3%;大暴雨1次,占1.8%。

2.2 闊葉幼林土壤層水文效應

由表1可以看出,人工闊葉幼林對土壤水文性質的改善作用較明顯。與對照(無林地)相比,闊葉幼林土壤總孔隙度、毛管持水量和飽和持水量分別提高了21.45%、22.50%和31.14%。重建后林地土壤容重明顯降低,闊葉幼林對土壤入滲能力有明顯改善,從而提高了土壤水的維持能力。這表明闊葉幼林促進了土壤物理性質的改變,提高土壤孔隙度和持水、滲水能力,改善了林地土壤的水源涵養水土保持功能。

表1 闊葉幼林對土壤水分性質的改善效果

2.3 地表徑流和徑流泥沙的變化特征

以天然次生林為對照,對人工闊葉幼林水文效應進行觀測和分析。從圖1-2可知,觀測期內闊葉幼林地表徑流總量和平均地表徑流系數分別為1.87 mm和0.16%,略高于天然次生林同期地表徑流總量1.47 mm和平均地表徑流系數0.10%。人工闊葉幼林泥沙總量為173.74 kg/hm2,是天然次生林泥沙總量(31.99 kg/hm2)的 5.43倍。在 8月11日大暴雨(113.33 mm)情況下,人工闊葉幼林地表徑流(0.569 mm)與泥沙含量(136.4 g)分別是天然次生林地表徑流量的3.03倍和泥沙含量的7.91倍,說明人工闊葉幼林在大暴雨條件下的水土保持功能較低,這可能與人工闊葉幼林地尚未完全郁閉、地表枯落物較少、根系持水固土能力弱有關。

回歸分析結果顯示：人工闊葉幼林和天然次生林的地表徑流(Y)與總降雨量(X)均呈線性相關(圖1),即隨著降雨量的增加,地表徑流量增加,其方程式分別為Y=0.0022X-0.0243(R2=0.926,n=35,P＜0.01)和Y=0.0017X-0.0068(R2=0.993,n=54,P＜0.01)。地表徑流系數與總降雨量也成正相關(圖 2),其方程式分別為 Y=0.0006ln(X)-0.0008(R2=0.706,n=35,P＜0.01)和Y=0.0004 ln(X)+6E-06(R2=0.797,n=54,P＜0.01)。人工闊葉幼林和天然次生林的徑流泥沙量與降雨量關系均不顯著,這可能是由于泥沙量更多與降雨強度有關。

圖1 人工闊葉幼林和天然次生林地表徑流與降雨量的關系

圖2 人工闊葉幼林和天然次生林地表徑流系數與降雨量的關系

2.4 闊葉幼林對地表徑流截留效果分析

對闊葉幼林1年來的森林水文定位觀測結果分析(表1)顯示,人工闊葉幼林對地表徑流的攔截作用較明顯。小雨量(＜10 mm)的降水,平均地表徑流系數為0.056%;中雨量(10～25 mm)和大雨量(25～50 mm)的降雨情況下,平均地表徑流系數分別為0.098%和0.123%;暴雨(50-100 mm)和大暴雨(＞100 mm)條件下,平均徑流系數分別為0.196%和0.224%。雨量等級越低,攔截作用越大,尤其當降雨量小、歷時較長時,截留率越高。在中小降雨強度下,闊葉幼林平均地表徑流系數和天然次生林較接近;但在暴雨和大暴雨條件下,闊葉幼林的平均地表徑流系數顯著高于天然次生林。根據研究區氣象站(2008-2009年)觀測,全年降雨＜25 mm等級的雨量占23.4%,闊葉幼林能全部截留,不產生地表徑流。對于占全年27.6%的暴雨和大暴雨來說,其地表徑流系數也僅為0.17%～0.22%,大部分能被闊葉幼林生態系統涵養。照此估算,研究區全年降雨的80%以上能被闊葉幼林涵養,而不產生明顯的水土流失,表明闊葉幼林的水源涵養、水土保持效果較好。

表2 不同降雨強度下闊葉幼林和天然林的平均地表徑流系數 %

3 結論

通過對浙江富春江流域火燒跡地人工闊葉幼林的涵養水源效果的研究,得出以下主要結論：

(1)人工闊葉幼林改善土壤物理性質效果明顯。人工闊葉幼林地土壤容重、滲透速度、總孔隙度、飽和持水量等都優于對照,表明人工闊葉幼林能夠改變土壤結構,改善土壤性能,提高土壤的蓄水能力。

(2)人工闊葉幼林的水文生態效應比較明顯。監測期間,地表徑流總量為 1.87 mm,平均徑流系數0.16%,略高于天然次生林同期地表徑流總量1.47 mm和平均地表徑流系數0.10%。地表徑流與降雨量具有顯著的線性相關關系,徑流系數與降雨量也呈正相關。觀測期內人工闊葉幼林泥沙總量為173.74 kg/hm2,是天然次生林泥沙總量(31.99 kg/hm2)的5.43倍?？傮w而言,人工闊葉幼林水土流失較少,水土保持功能較強。

(3)本文僅對研究區火燒跡地闊葉化改造4 a的幼林階段的涵養水源效應開展了初步研究,未來還要對闊葉幼林重建的生態效應進一步定位監測,不斷完善和優化水土保持林樹種組合和模式構建,為我國東部亞熱帶地區水源涵養林重建提供科學依據。

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