臺風暴雨對沿海森林水文過程與養分遷移的影響

摘要：綜述了臺風暴雨極端氣候對沿海森林生態系統林冠降雨再分配、地表徑流等水文過程以及森林生態系統物質循環和水化學特征的影響。臺風暴雨增加了森林集水區的徑流，是沿海森林生態系統Ｐ、Ｋ等元素流失的重要原因，而且使溪水的水化學特征發生顯著變化。

關鍵詞：臺風；暴雨；沿海森林；水文過程；養分遷移

中圖分類號：Ｐ４４４；Ｆ４２６．６２；Ｓ７１８．５ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）19－4181-03

在全球氣候變化的背景下，臺風暴雨活動強度呈上升趨勢，危害愈來愈嚴重［１，２］。中國是世界上遭受臺風影響最嚴重的國家之一，臺風活動的影響范圍主要集中在沿海地區［３］。２００５年，浙江省相繼遭受“海棠”、“麥莎”、“泰利”和“卡努”４大臺風的侵襲，短時間總雨量高達４００ mm以上，臺風雨量為４０年一遇，造成的直接經濟損失達２５２．５億元。臺風暴雨已成為制約中國沿海地區社會和經濟發展、危害人民生命財產和生態環境安全的重大自然災害［４］。沿海地區是中國森林資源的主要分布區，臺風暴雨對沿海森林生態系統生態學過程影響十分嚴重［５］，尤其是對水文過程與養分遷移的影響更為突出［６，７］。開展臺風暴雨對沿海森林生態系統水文過程與養分遷移研究，可以揭示中國沿海森林生態系統水文循環與養分遷移過程對臺風暴雨的響應機制，為東部沿海地區滯洪減災、植被恢復、生態安全及重大災害預警體系建設提供科學依據。

１ 臺風暴雨對森林水文過程的影響

１．１ 臺風暴雨對森林生態系統冠層降雨再分配的影響

臺風暴雨通過對冠層的干擾和強降雨，影響森林降雨再分配過程，增加了穿透雨量［８］。Ｃｈｅｎｇ等［９］的研究表明，在中國臺灣水源林區，臺風暴雨來襲時冠層截留為５％～２０％，平均為１１．６％，而一般降雨時，冠層截留可以達到５０％，說明臺風帶來的是強度大、雨量多的暴雨，而森林的林冠層截留能力是有限的，當雨量超過其最大容量時，林冠截留降雨的能力就逐漸減弱，且截留率變小，另外，臺風暴雨造成的林冠受損和葉面積減少也會降低林冠截留量。Ｘｕ等［１０］在日本沖繩島亞熱帶常綠闊葉林的研究表明，臺風暴雨在該區域森林水文中起著主導作用，穿透雨和樹干徑流各占全年降雨量的５３．９％和３０．９％，冠層截留量為１５．２％。周光益等［６］通過１９８９-１９９３年４個水文年的水文資料統計分析表明，以樹干徑流形式流入樹干根際周圍土壤中的水分，４９．３％是由臺風暴雨產生的。樹干徑流對林地不但不產生侵蝕，而且樹干徑流水攜帶大量養分流入根際土壤，促進了養分的吸收與利用。

１．２ 臺風暴雨對森林生態系統徑流的影響

周光益等［６］對海南尖峰嶺熱帶森林的研究表明，臺風對研究區域森林集水區徑流的增加起著重要作用，特別是臺風引起的快速徑流年平均２５５．７ ｍｍ，占年總快速徑流量的７５％，總徑流系數為０．３２，水文響應值為２３．２％，瞬時最大洪峰流量為１３５ ｍ３／ｓ。陳步峰等［１１］在海南尖峰嶺的研究表明，山地雨林生態系統對特大暴雨具有延緩暴雨的產流作用。山地雨林系統對該地區３次特大暴雨的水文響應依次為３２．７％、３５．２％和６２．５％；系統對雨季第一次大暴雨產流量的延緩、蓄貯效應尤為顯著，隨著雨季山地雨林雨量的增多、降雨產流率增大，該系統的這種效益逐漸減小。Ｃｈｅｎｇ等［９］的研究表明，中國臺灣林區土壤滲透性好，年蒸發量高達８００～

１ ０００ ｍｍ，只有當降雨強度超過２５０ ｍｍ／ｈ時才會產生暴雨徑流。很多學者針對森林集水區暴雨徑流的產流機制進行了研究。Ｅｌｓｅｎｂｅｅｒ等［１２］研究了亞馬遜河集水區暴雨徑流的產生與流動路徑，結果表明老成土雨林中暴雨徑流的產生與氧化土雨林明顯不同，表面徑流或亞表層徑流的產生是由于降雨強度大于土壤飽和導水率。Ｎｏｇｕｃｈｉ等［１３］的研究表明，土壤大孔隙優先流對暴雨快速徑流的產生起重要作用。Ｉｒｏｕｍｅ等［１４］的研究發現，流域內不同的森林覆蓋度對徑流和洪峰的影響很大。Ｇｏｌｌｅｒ等［１５］通過對降雨、穿透雨、有機質土層土壤溶液、礦化層土壤溶液以及溪流的水樣δ１８Ｏ測定，認為土壤中的側向流對暴雨徑流的產生起重要作用，并計算出３場暴雨新水對溪流貢獻比例分別為８１％、４４％和７８％。Ｚｈａｎｇ等［１６］通過水文過程中各水文分量的水化學特征研究，描述了各水文分量的路徑，揭示了徑流機理。

２ 臺風暴雨對森林生態系統養分遷移的影響

２．１ 臺風暴雨對森林生態系統物質循環的影響

Ｃｈａｍｂｅｒｓ等［１］的研究表明，臺風造成美國海灣地區大量樹木死亡、損傷，增加了林下大量粗木質殘體（ＣＷＤ）的積累，平均損失碳生物量１．０５×１０１１ ｋｇ，相對于美國森林每年同化碳量的５０％～１４０％；Ｚｅｎｇ等［１７］研究了１８５１-２０００年臺風暴雨對美國森林碳通量的影響，結果表明，臺風暴雨致使美國每年平均碳釋放２．５０×１０１３ ｋｇ；１９８０-１９９０年，美國ＣＯ２的釋放量相當于全國全部森林每年碳同化量的９％～１８％，是１９００年的２倍，原因是臺風活動的加強和美國森林面積的擴大，臺風暴雨對美國的碳平衡影響深遠。Ｈｅｒｂｅｒｔ等［１８］研究發現臺風嚴重影響夏威夷森林養分的供應效率。Ｒｉｌｅｙ等［１９］的研究表明，臺風增加了森林內氮化物的釋放，對森林氮素循環有重要影響。Ｘｕ等［２０］的研究表明，臺風干擾強烈影響日本沖繩島亞熱帶森林每年凋落物和養分的輸入量，臺風驅動Ｐ、Ｎ的快速循環及Ｐ、Ｎ被土壤的高效利用是維持沖繩島亞熱帶森林生產力的重要機制。周光益［７］的研究表明，臺風來襲期間，海南熱帶山地雨林內Ｎ、Ｍｇ、Ｃａ和Ｋ的輸入大于輸出，Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ為輸出大于輸入，臺風是熱帶地區缺P的主要原因。Ｍｉｈａｒａ［２１］的研究表明，裸地土壤的Ｎ、Ｐ流失是由臺風暴雨帶來的土壤侵蝕造成的。Ｌｉｎ等［２２］在日本福山的研究發現，頻繁的臺風干擾造成的大量枯枝落葉是養分流失的主要原因，尤其是Ｐ流失量很大，Ｐ缺失成為該地區樹木生長和冠層高度的限制因子；Ｘｕ等［２３］在日本沖繩島通過對臺風干擾后枯枝落葉分解過程中Ｃ∶Ｐ和Ｎ∶Ｐ的比例動態變化發現Ｐ流失量非常大，這一結論在中國海南島熱帶雨林和美國夏威夷森林得到驗證［７，１８］；陳耀德等［２４］在中國臺灣棲蘭山區對扁柏森林生態系統的研究表明，臺風干擾造成的非正常大量落葉，會使Ｋ從此生態系統大量流失。陳步峰等［１１］在海南尖峰嶺熱帶山地雨林的研究表明，在臺風特大暴雨年的水分循環中，山地雨林每年減少泥沙流失量６．０１ ｔ／ｈｍ２，保存養分２４１．５ ｋｇ／ｈｍ２，無臺風特大暴雨年，年減少泥沙流失量０．４３ ｔ／ｈｍ２，保存養分１７．３ ｋｇ／ｈｍ２，顯示出熱帶雨林非常明顯的水文功能。

２．２ 臺風暴雨對水化學動態的影響

Ｓｃｈａｅｆｅｒ等［２５］通過對８個臺風干擾后森林水源區溪水化學特性的研究表明，溪水中Ｎ、Ｋ、ＮＨ４＋濃度顯著增加，并且保持到第二年，硫酸鹽、氯化物、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ變化不顯著；Ｌｉｎ等［８］研究發現臺風對穿透雨中的Ｈ＋、ＮＨ４＋、ＮＯ３－、ＳＯ４２－有很大影響；Ｘｕ等［２３］的研究表明，臺風可導致林下穿透雨和樹干徑流中的總N、可溶性有機質（ＤＯＣ）、Ｋ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ濃度比一般降雨中的顯著增加；Ｚｈａｎｇ等［１６］研究發現，在臺風影響下，森林集水區基流中Ｎ、Ｐ和ＤＯＣ濃度很低，但在地表徑流中這些養分變動很大，其中氮顆粒、磷顆粒是基流中的４～５０倍，因為它們與懸浮沉積物有關，并且養分顆粒傳輸與林下坡面地表徑流有關。地表徑流中可溶性有機氮、ＮＯ３－-Ｎ、ＤＯＣ和可溶性磷濃度是基流的１～１０倍；Ｔｓａｉ等［２６］在中國臺灣蓮花池森林集水區對油松人工林和常綠闊葉天然林對比研究表明，在臺風暴雨來襲過程中，油松人工林與常綠闊葉林相比，溪水流量顯著增加，離子數量和濃度波動很大；油松人工林溪水中固體顆粒懸浮物是常綠闊葉林溪水中的２倍多。說明天然植被常綠闊葉林轉變為針葉人工林后，臺風暴雨對其水化學循環產生了很大的影響。

綜上所述，國外的研究主要集中在美國的夏威夷、加利福尼亞等海灣地區以及日本的沖繩島、福山等地區。國內研究主要集中在臺灣的蓮花池和海南的尖峰嶺。１９９８年《生態學雜志》專門出版一輯臺風對海南熱帶森林植被和水文影響的論文集，但此后該項研究在中國鮮有報道。今后應該加強臺風暴雨極端氣候條件下沿海森林生態系統水文過程、養分遷移時間動態和長期定位觀測以及沿海森林生態系統抵御臺風暴雨的機理研究。

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