楊 光,戴 麗,李小英
(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650224;2.云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明 650034)
昆明市松華壩水源區(qū)不同森林類型的水源涵養(yǎng)功能研究
楊 光1,2,戴 麗2,李小英1
(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650224;2.云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明 650034)
以昆明市松華壩水源保護區(qū)四種典型的水源涵養(yǎng)林 (針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌木林地)為研究對象,分別對林冠截留能力、枯落物層持水和截留能力以及土壤水源涵養(yǎng)能力三個方面分析比較。結(jié)果表明:四種森林類型中,針闊混交林水源涵養(yǎng)效果最好,灌木林地水源涵養(yǎng)效果最差。
水源林;森林類型;涵養(yǎng)水源;功能;研究;松華壩;昆明
水源涵養(yǎng)林,也稱為水源林,是指河川、湖泊、水庫的上游集水區(qū)內(nèi)具有良好的林分結(jié)構(gòu)和林下地被物層的天然林 (包括原始森林和次生林)和人工林,是防護林種之一[1]。這些森林在水源區(qū)占有一定的面積,具有保持水土、涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)、調(diào)減洪峰等作用[2]。森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一,不同的森林類型由于其生態(tài)學(xué)特征存在差異,導(dǎo)致林分整體的水源涵養(yǎng)功能也存在一定差異[3]。
松華壩水源保護區(qū)作為昆明市重要的集中式飲用水水源地之一,近三年日均供水量在 130萬 m3左右 (2010—2012年),約占昆明城區(qū)日供水量的25%。2009年以來,云南省遭受百年不遇的持續(xù)干旱,松華壩水庫水位線不斷下降。因此,開展松華壩水源區(qū)不同森林類型水源涵養(yǎng)功能研究對于保障昆明城市飲用水安全和水源區(qū)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義。
松華壩水源區(qū)位于昆明市北郊,東經(jīng) 102°45′~102°59′,北緯25°10′~25°28′,包括松華壩水庫徑流區(qū)以及水庫樞紐工程兩部分。松華壩水源區(qū)屬于湖庫型水源地,主要入庫河流為牧羊河和冷水河,匯水面積629.8km2(含地表593km2和地下水匯入?yún)^(qū)域),海拔高程1920~2800m。
根據(jù)調(diào)查,水源區(qū)地帶性植被是以滇石櫟、滇青岡為優(yōu)勢種組成的亞熱帶半濕潤常綠闊葉林。但是在長期的歷史過程中由于人為干擾,地帶性原生植被受到了嚴重破壞,出現(xiàn)了針葉林、針闊混交林、次生灌叢等次生植被,森林覆蓋率一度下降至27% (1985年)[4]。通過人工造林、封山育林、退耕還林和水土流失治理等措施,目前水源區(qū)森林覆蓋率已提高到61.46%,主要植被類型為常綠闊葉林和針葉林。
2.1 樣地選擇和設(shè)置
通過對松華壩水源區(qū)的詳細調(diào)查,綜合考慮研究區(qū)的土壤狀況,植被分布和地形條件等立地因子,選取水源區(qū)四種典型的植被類型:針葉林、闊葉林、針闊混交林和灌木林作為研究對象,最終選定了8塊20m×30m的研究樣地。分別是:針葉林(云南松林、華山松林、云南松 -油杉林);針闊混交林(旱冬瓜-云南松林、旱冬瓜-華山松林);闊葉林 (旱冬瓜林、圣誕樹林)和灌木林地。樣地基本信息見表1。
2.2 林冠截留水量測定
在樣地外空曠地上設(shè)置林外雨量站,用標準雨量器測定林外雨量;通過在樣地內(nèi)標準木林冠下和林冠空隙放置的標準雨量計,通過公式計算林內(nèi)雨量(透過雨量);在樣地內(nèi)選擇不同胸徑的標準木,用聚乙烯或剖開的膠皮管做槽,螺旋環(huán)繞樹干,用黃油或瀝青填充縫隙并粘牢,下方設(shè)置集水器,用以測算樹干徑流量。樹冠截留量=林外雨量-透過雨量 -樹干徑流量。
表1 研究樣地基本情況
2.3 林地調(diào)查
在每塊樣地內(nèi)根據(jù)地形、母質(zhì)、植被等特點選擇具有代表性的典型地段,挖掘 2~3個土壤剖面進行觀測記錄。用環(huán)刀和鋁盒分別采集0 ~20cm,20~50cm土層土樣,運用常規(guī)分析方法,測定土壤含水量、毛管持水量、最大持水量、土壤孔隙度和森林土壤蓄水量等指標。在樣地內(nèi)間隔布設(shè) 3個 1m×1m的枯落物層樣方,每個小樣方內(nèi)測定枯落物層的厚度,并用鋁盒采樣3~5個,烘干稱重用以計算枯落物層質(zhì)量和含水量。
3.1 林冠層截留功能分析
林冠截留是森林對降雨到達地面的第一道阻截,也是對降雨進行重新分配的第一層次[5]。它一方面降低了到達地表的實際雨量,從而減輕侵蝕;另一方面減弱了雨滴對土壤的濺蝕和雨滴對坡面薄層水流的擾動[6]。不同林分結(jié)構(gòu)和植被蓋度導(dǎo)致不同森林類型的林冠截留量相差很大[7]。本研究將林冠層的截留劃分為喬冠層、灌木層和草被層三個亞層,以監(jiān)測期內(nèi)一次最大截留量,對各森林類型的林冠截留能力進行分析,詳見表2。
表2 不同森林類型林冠結(jié)構(gòu)與截留功能對比
從整體上看,四類樣地中喬、灌、草三個層次的蓋度和截留能力均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,喬冠層在林冠截留中占主導(dǎo)作用,約占截留總量的2/3,灌木層和草被層合計占1/3左右。
四類樣地中,針闊混交林截留量最大,原因是混交林具有多層次的林分結(jié)構(gòu),林下物種豐富,郁閉度大,林冠層持水能力強。四類樣地林冠截留量大小依次為針闊混交林 (0.65mm)>針葉林(0.37mm)>闊葉林 (0.28mm)>灌木林地(0.24mm)。由此可見,相比另外三種森林類型,針闊混交林能夠更好地降低雨水對林下土壤的侵蝕,減少地表徑流和水土流失量,截留效果最好。
3.2 枯落物層持水和截留功能分析
林地枯落物層由林冠層植物地上部分枯死脫落的新鮮的和半分解的凋落物組成,包括葉、枝、樹皮、花、果實和種子等[8]??萋湮飳邮巧謱α值亟涤暧绊懙牡诙€作用層,對降雨具有重要的調(diào)節(jié)和攔蓄作用[9]??萋湮飳拥某炙阅芘c林分結(jié)構(gòu)及枯落物的分解狀況有關(guān),不同森林類型枯落物層的質(zhì)和量不同,其持水性也存在差異[10~13]。研究區(qū)四種森林類型枯落物層持水能力和截留能力分異情況詳見表3和圖1。
表3 不同森林類型枯落物層持水能力和截留能力分異情況
通過表3可以發(fā)現(xiàn),不同森林類型枯落物層蓄積量大小順序為針葉林 (9.94 t/hm2)>針闊混交林 (5.45 t/hm2)>闊葉林 (5.30 t/hm2)>灌木林地 (1.64 t/hm2)。分析原因認為主要是針葉林郁閉度 (平均為0.93)較大,另外針葉林落葉相對其他三種森林落葉較難分解,因此枯落物蓄積量最大。枯落物最大持水率浮動范圍為 72.10%~275.15%,最大持水率大小依次為針闊混交林(275.15%) >針葉林 (265.45%) >闊葉林(259.90%)>灌木林地 (72.19%)。四種森林類型枯落物層的最大持水量浮動范圍為8.34~25.71 t/hm2,最大持水量從大到小順序為針葉林 (25.71 t/hm2)>針闊混交林 (18.43 t/hm2)>闊葉林(15.78 t/hm2)>灌木林地 (8.34 t/hm2)。
不同森林類型枯落物層最大持水量與枯落物蓄積量變化趨勢一致,伴隨枯落物蓄積量的增加,枯落物層最大持水量也會相應(yīng)提高。但是最大持水量與最大持水率的變化存在差異,分析原因可能是針闊混交林的枯落物組成、分解速度和葉片大小等因素更有利于提高枯落物層吸水能力,因此針闊混交林的最大持水率較高。
枯落 物 層的 截流 量 變化 范 圍 為0.07~0.68mm,截留量與枯落物的最大持水率成正比。四種森林類型的截留量大小順序為針闊混交林(0.68mm)>針 葉 林 (0.58mm)>闊 葉 林(0.57mm)>灌木林地 (0.07mm)。
在四種森林類型中,針闊混交林由于林分結(jié)構(gòu)合理、林下物種豐富,其枯落物層持水率和截留量都排名第一,持水量排名第二,說明針闊混交林枯落物層具有更好的持水、截留效果。
3.3 土壤的水源涵養(yǎng)功能分析
森林土壤是森林對林地降雨影響的第三個作用層[14]。所謂森林土壤的水源涵養(yǎng)功能,實際就是指林地土壤對降雨的攔蓄功能,這一功能主要與林地土壤的滲透性能、孔隙度及土壤層持水量、蓄水能力等指標有關(guān)[15]。由于森林土壤伴隨著森林發(fā)育過程,在不同森林類型的影響下與成土母質(zhì)相互作用而產(chǎn)生不同變化,因此土壤的水源涵養(yǎng)功能與其所在的森林類型和發(fā)育情況有著直接聯(lián)系。
3.3.1 不同森林類型土壤孔隙度特征分析
土壤孔隙度分為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度。土壤孔隙是土壤養(yǎng)分、水分和空氣的轉(zhuǎn)運通道,也為土壤中微生物提供活動空間,對調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱具有重要意義[16]。土壤毛管孔隙度與土壤蓄水能力成正比,土壤毛管孔隙越多,土壤持水性越強[17];土壤非毛管孔隙不具有持水能力,但能使土壤通氣、透水,是土壤中重力水轉(zhuǎn)運的重要通道,其數(shù)量的多少直接影響土壤調(diào)節(jié)水分的能力[18]。
通過表 4和圖2可以看出,四種森林類型的土壤孔隙度和容重均隨土層加深呈現(xiàn)出反比關(guān)系:土層越深,土壤容重越大,表明土壤越緊實、孔隙越少,結(jié)構(gòu)性越差。四種森林類型的土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度均存在較大差異,證明不同植被類型對土壤結(jié)構(gòu)改善的效果不同。四種森林類型的土壤毛管孔隙度大小依次為闊葉林 (44.38%)>針闊混交林 (41.92%)>灌木林地 (41.95%)>針葉林 (39.3%);土壤非毛管孔隙度大小依次為針闊混交林 (8.65%)>闊葉林 (8.06%)>針葉林 (7.23%)>灌木林地 (6.18%);土壤總孔隙度大小依次為闊葉林(52.44%)>針闊混交林(50.57%)>灌木林地 (48.13%)>針葉林(46.52%)。由此可知,四種森林類型都能有效改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤通透性、提高土壤水源涵養(yǎng)能力,作用效果依次為闊葉林>針闊混交林>灌木林地 >針葉林。
表4 不同森林類型土壤的物理性質(zhì)
3.3.2 不同森林類型土壤蓄水特征分析
土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中水分儲存的重要場所,土壤的持水能力主要取決于土壤孔隙的大小和組成,通常用土壤最大蓄水量和有效蓄水量來衡量[19]。土壤最大蓄水量是指土壤毛管水和非毛管水均達到飽和時土壤的蓄水量。土壤有效蓄水量是指土壤中的非毛管水量[20~21]。四種不同森林類型土壤蓄水量如表5,蓄水能力比較見圖3。
表5 四種不同森林類型土壤蓄水量
從表5可以看出,一方面不同森林類型土壤的自然含水量存在較大差異:針闊混交林最高(15.57%),針葉林位居第二 (12.49%),闊葉林(8.05%)和灌木林地 (6.55%)較差。相同森林類型的淺層土壤 (0~20cm)和深層土壤(20~50cm)自然含水量的垂直差異不明顯,但總體趨勢是淺層土壤自然含水量大于深層土壤。另一方面,四種森林類型的土壤有效蓄水量也存在明顯差異,針闊混交林最好 (416.45t/hm2),闊葉林較好 (387.17t/hm2),針葉林稍差 (346.63t/hm2),灌木林地最差 (299.18t/hm2),其主要原因是針闊混交林的非毛管孔隙度多于另外三類土壤。四種森林類型中,闊葉林的土壤最大蓄水量排名第一(2609.36 t/hm2),比 第 二名 針 闊混 交 林(2452.33t/hm2)多 6.40%,比排名第三的灌木林地 (2376.33t/hm2)多9.81%,比排名最末的針葉林 (2284.63t/hm2)多14.21%??傮w來看,針闊混交林、闊葉林的土壤蓄水能力比針葉林、灌木林地優(yōu)秀。
(1)整體來看,松華壩水源林喬、灌、草三個層次的蓋度和截留能力均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,喬冠層在林冠截留中占主導(dǎo)作用,約占截留總量的 2/3,灌木層和草被層合計占1/3左右。
(2)針闊混交林的林冠截留量最大,比針葉林多75.68%,比闊葉林多132.14%,比灌木林地多170.83%。針闊混交林攔蓄降雨的效果遠遠好于另外三種森林類型。
(3)針闊混交林枯落物層具有更好的持水、截留效果。針葉林、針闊混交林、闊葉林和灌木林地枯 落 物層 最 大 持水 率 依 次 為 265.45%、275.15%、259.90%和 72.19%;最大持水量依次為25.71t/hm2、18.43t/hm2、15.78t/hm2和8.34t/hm2;截留量依次為0.58mm、0.68mm、0.57mm和0.07mm。
(4)四種森林類型中改善土壤孔隙效果最好的是闊葉林。土壤總孔隙度大小依次為闊葉林 >針闊混交林>灌木林地 >針葉林,不同森林類型土壤總孔隙度范圍是46.52%~52.44%。
(5)針闊混交林、闊葉林的土壤蓄水能力比針葉林、灌木林地優(yōu)秀。結(jié)合土壤有效蓄水量和最大蓄水量兩方面來看,土壤有效蓄水量為:針闊混交林 >闊葉林 >針葉林>灌木林地;土壤最大蓄水量為:闊葉林 >針闊混交林 >灌木林地 >針葉林。
(6)通過上述分析得出:松華壩水源保護區(qū)涵養(yǎng)水源效果最好的是針闊混交林,最差的是灌木林地。建議松華壩水源區(qū)在林分經(jīng)營管理過程中注意優(yōu)化林分系統(tǒng)結(jié)構(gòu),努力改變目前林分單一、層次結(jié)構(gòu)簡單、生物多樣性低的現(xiàn)狀,加大混交林的營造力度,以便更好地發(fā)揮松華壩水源保護區(qū)水源涵養(yǎng)林的生態(tài)效益。
[1]高成德,余新曉.水源涵養(yǎng)林研究綜述 [J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,22(5):79-82.
[2]蘇艷霞,李海毅,高婷婷.我國水源涵養(yǎng)林研究概況[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(13):173-176.
[3]巍強,張秋良,代海燕,等.大青山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能 [J].水土保持學(xué)報,2008(2):111 -115.
[4]盧云濤,戴麗,吳鋼,等.松華壩水源區(qū)保護總體規(guī)劃研究[R].昆明:云南省環(huán)境科學(xué)研究院,2008.
[5]王艷紅,宋維峰,李財金.不同森林類型林冠截留效應(yīng)研究[J].亞熱帶水土保持,2008,20(3):5-10.
[6]王愛娟,章文波.林冠截留降雨研究綜述[J].水土保持研究,2009,16(4):55-59.
[7]謝春華,關(guān)文彬,吳建安.貢嘎山暗針葉林生態(tài)系統(tǒng)林冠截留特征研究 [J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,24(4):68-71.
[8]劉芝芹,郎南軍,彭明俊.云南高原金沙江流域森林枯落物層和土壤層水文效應(yīng)研究 [J].水土保持學(xué)報,2013,27 (3):165-169.
[9]馬正銳,程積民,班松濤.寧夏森林枯落物儲量與持水性能分析 [J].水土保持學(xué)報,2012,26(4):199-203.
[10]王佑民.中國林地枯落物持水保土作用研究概況[J].水土保持學(xué)報,2002,14(4):108-113.
[11]顧宇書,邢兆凱,韓友志,等.渾河上游4種典型林分類型枯落物持水特征 [J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,37(1):31-36.
[12]楊俊玲,王新杰.四種杉木人工林枯落物持水性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2013,33(6):70-74.
[13]王波,張洪江,徐麗君,等.四面山不同人工林枯落物儲量及其持水特性研究 [J].水土保持學(xué)報,2008,22(4):90-94.
[14]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(yǎng)功能 [J].水土保持學(xué)報,2006,20(2):106-109.
[15]張向峰,王玉杰,王云琦,等.縉云山水源涵養(yǎng)林保育土壤的功能 [J].水土保持通報,2013,33(1):68-73.
[16]王忠誠,張展,呂磊,等.鷹嘴界自然保護區(qū)不同植被類型土壤的水源涵養(yǎng)功能[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2011,31(10):21-25.
[17]彭明俊,郎南軍,溫紹龍,等.金沙江流域不同林分類型的土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能研究[J].水土保持學(xué)報,2005,19(6):108-111.
[18]曹鶴,薛立,謝騰芳.華南地區(qū)八種人工林的土壤物理性質(zhì)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(4):620-625.
[19]黃慶豐,高健,吳澤民.不同森林類型土壤肥力狀況及水源涵養(yǎng)功能的研究 [J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,29(1):82-86.
[20]于志明,王禮先.水源涵養(yǎng)林效益研究 [M].北京:中國林業(yè)出版社,1991:112-119,132-151.
[21]趙世偉,周印東,吳金水.子午嶺北部不同植被類型土壤水分特征研究 [J].水土保持學(xué)報,2002,16(4):119-122.
Research on Water Conservation in Different Forest Types in Kunming Songhuaba Water Resource Protection Area
YANG Guang1,2,DAI Li2,LI Xiao-ying1
(1.College of Environmental Science and Engineering,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650224,China)
Four types of forests including coniferous forest,mixed broadleaf-conifer forest,broadleaf forest,and shrub land were selected in Kunming Songhuaba Water Resource Protection Area to compare their water conservation capabilities.The capacity of canopy interception,the capacity of litters water-h(huán)olding,and the capacity of soil water conservation of these four forest types were analyzed.The results showed that mixed broadleaf-conifer forest has the highest water conservation capability.However,shrub land indicates the least capability.
water conservation forest;forest type;water source conservation;function;research;Songhuaba;Kunming
X173
A
1673-9655(2014)02-0025-06
2014-01-21
楊光 (1989-),男,在讀研究生,主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)研究。
李小英 (1967-),女,博士,副教授,主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)方面的研究。