長江上游森林植被水文功能功能評價

長江上游森林植被水文功能功能評價

森林水源保護是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)功能。這意味著森林中含有土壤、地下水和水的功能，這主要反映在降雨量的保護上。這是森林的三個功能區(qū)，即森林植被層、枯枝落葉層和土壤層的復(fù)雜過程。森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能主要表現(xiàn)在:調(diào)節(jié)林內(nèi)溫度和濕度,減少水分蒸發(fā),截留和再分配降水,以及調(diào)蓄河川流量等方面。森林水源涵養(yǎng)能力與植被類型和蓋度、林地枯落物組成和現(xiàn)存量、土層厚度及土壤物理性質(zhì)等密切相關(guān),是森林植被和土壤共同作用的結(jié)果。長江上游地處我國一級階梯向二級階梯的過渡地帶,由青藏高原、橫斷山地、云貴高原、秦巴山地、四川盆地等組成。長江上游地勢跨度大,海拔從>4000m降低到500～600m,生態(tài)環(huán)境脆弱,土壤較薄,水土流失嚴重。長江上游是長江的水源區(qū),植被的水源涵養(yǎng)和保護對整個流域乃至全國水資源的保障發(fā)揮著重要作用。長江上游集中分布著豐富的天然林,總面積超過1629×104hm2,總蓄積超過18.5×108m3,天然林面積占該區(qū)森林總面積的78.9%,蓄積占96.9%。目前,長江上游森林土壤系統(tǒng)最大持水量達687.7×l08m3,對維系長江流域水環(huán)境功能發(fā)揮了重要作用,具有巨大的涵養(yǎng)水土、調(diào)節(jié)河川徑流的重要功能,是維護整個長江流域生態(tài)平衡的屏障,充當著我國東部半壁江山的天然“水塔”。森林植被是長江上游植被的主體,因此,評價該區(qū)主要森林植被的蓄水能力具有重要意義。從森林生態(tài)系統(tǒng)植被層、枯落物層和土壤層截留降水最大能力來探討生態(tài)系統(tǒng)的蓄水能力已有較多研究,但大多數(shù)是針對某一類生態(tài)系統(tǒng)或者一定地區(qū)進行的。溫遠光等和劉世榮等對我國主要植被類型降水截留規(guī)律進行了數(shù)量分析,鄧坤枚和石培禮從水量平衡的角度探討了長江上游各區(qū)的蓄水能力,但尚缺乏對長江上游各種森林類型的植被層、枯落物層和土壤持水能力的比較和蓄水能力綜合評價。本文的目的是在廣泛收集文獻資料的基礎(chǔ)上,比較長江上游主要森林植被的林冠一次性降水截留能力、枯落物最大持水量和土壤飽和持水量的平均值和變化幅度,并估算主要植被類型的蓄水能力。1學(xué)習(xí)方法1.1枯落物層持水量和土壤持水率森林蓄水能力由地上植被部分的持水和地下土壤部分的持水兩部分組成。在本研究中,森林蓄水能力計量包括植被層、枯枝落葉層和土壤層截留降水的綜合能力。植被層截留降水的能力系指一次降水過程中林冠的截留能力(CIi),即冠層和林下灌、草叢枝葉的持水量?？萋湮飳映炙康拇笮∪Q于枯落物的現(xiàn)存量和枯落物最大持水率,枯落物持水量:LCi=Li×Wi/1×000,其中LCi為單位面積枯落物持水量(mm),Li為每hm2森林枯落物積累量(t/hm2),Wi為枯落物最大持水率(%)。土壤涵養(yǎng)水分能力取決于土壤和植物的綜合狀況,降水主要蓄于非毛管孔隙內(nèi)。土壤最大持水量:Si=10Pi·Di,其中,Pi為第i林型土壤的非毛管孔隙度(%),Di為第i林型土壤的深度(m),Si為第i林型的單位面積土壤降水截留量(mm)。森林蓄水能力為上述3個作用層持水量之和,即:Tu=CIi+LCi+Si。1.2森林植被型及其土壤溫度變化以1:1000000中國植被圖為基礎(chǔ),收集主要森林群落類型的林冠一次性最大降水截留量、枯落物現(xiàn)存量和土壤非毛管孔隙特征,建立數(shù)據(jù)庫。植被類型按照《中國植被》分類系統(tǒng),將相似的植物群系合并,并考慮山地氣候帶和生活型的相似性,將該區(qū)森林歸并為14種森林植被型,反映和代表了長江上游地區(qū)植被分布的水平地帶性和山地垂直地帶性規(guī)律。參照長江上游地區(qū)各省的土壤和土種志,該地區(qū)土壤平均深度接近0.6m,同時,為便于與國內(nèi)相關(guān)研究比較,土壤蓄水能力評價的有效深度都以0.6m為準。比較各種森林植被型的林冠截留降水力、枯落物和土壤最大持水力,統(tǒng)計平均值和變化幅度。最后,對各種森林植被類型的蓄水能力進行綜合評價。2結(jié)果2.1林分及混交林林冠層一次性飽和持水量是評價森林植被層降水截留量的一個重要參數(shù)。它決定于植被結(jié)構(gòu),主要與植被郁閉度和葉的形態(tài)有關(guān)。林分郁閉度的大小直接關(guān)系到林冠與降水的接觸面,郁閉度大的林分,其截留量也較大。由表1可知,一次性林冠降雨截留量最大的是云、冷杉林,可達到1.4mm左右;其次是落葉松林、鐵杉、槭、樺林混交林,為1.06～1.23mm;再次是亞熱帶的常綠闊葉林和常綠落葉闊葉混交林、常綠硬葉闊葉林,一次性林冠截留量均可以達到0.9mm以上;竹林及落葉闊葉林,如暖溫帶落葉闊葉林、溫帶落葉櫟林和山地楊樺林等在0.7～0.85mm之間;亞熱帶針葉林,如思茅松、云南松和馬尾松等最低,只有0.53mm;而高山圓柏林和以華山松和高山松為代表的溫帶中山性松林一次性降雨截留量依然較高,可以達到0.7mm以上。長江上游各種類型森林植被林冠一次性降水最大截留量平均為0.97mm。不同的森林類型,由于樹種組成不同,林冠的截雨量不同。一般而言,樹干粗、枝葉稠密、葉面粗糙的樹種截留降水量較多。針葉林枝葉密集,一次性降水截留量大于闊葉林。2.2存量和枯落物持水率凋落層對降水的截留量決定于枯落物的現(xiàn)存量和枯落物的持水率。表2是長江上游各種森林類型的枯落物現(xiàn)存量、最大持水率和枯落物最大持水量的平均值及其變化幅度。2.2.1枯落物現(xiàn)存量由表2可以看出,各種林型的枯落物現(xiàn)存量隨氣候帶由暖變冷和山地垂直帶海拔由低到高有增高的趨勢,即由山地亞熱帶經(jīng)溫帶至寒溫帶或由低海拔向高海拔呈升高的趨勢,但在針闊混交林和云杉林達到最高,大約為26.2～27.1t/hm2,由亞高山云、冷杉林再往上逐漸降低,到達高山圓柏疏林就更低。山地垂直帶枯落物的現(xiàn)存量總體呈上升型單峰曲線特征。亞熱帶森林枯落物現(xiàn)存量為11.0～15.0t/hm2,其中竹林最低,平均只有6.72t/hm2;亞熱帶常綠闊葉林和落葉闊葉林平均為12.0t/hm2左右,松林稍高,可達到15.5t/hm2左右。溫帶森林枯落物現(xiàn)存量為14～26t/hm2左右。以白櫟、短柄枹、楓香、化香、旱冬瓜、漆樹、色木等為代表的森林枯落物現(xiàn)存量最低,只有10.4t/hm2左右,落葉松林也只有13.9t/hm2左右。其它森林呈現(xiàn)較有規(guī)則的分布,隨海拔升高呈增加的趨勢。從落葉櫟林到海拔較高的硬葉常綠闊葉林、溫帶針葉林、山地楊樺林,再到由鐵杉、槭、樺組成的針闊葉混交林,枯落物現(xiàn)存量由15.4、15.7、18.1、18.4增加到26.2t/hm2。寒溫帶的云、冷杉林枯落物現(xiàn)存量較高,可以達到24～27t/hm2,但高山圓柏形成疏林或矮林,枯落物現(xiàn)存量就較低了,只有6.9t/hm2左右。各種植被類型枯落物的最大持水率變化幅度較大,沒有明顯的規(guī)律?？偟膩碚f,闊葉林高于針葉林,柔質(zhì)葉森林高于革質(zhì)葉森林。但處于山地寒溫帶的云冷杉林的枯落物持水率較高,這可能與枯落物地被層含有大量的死亡苔蘚和地衣有關(guān)。2.2.2枯落物現(xiàn)存量與枯落物現(xiàn)存量的變化趨勢一致,各種森林植被枯落物最大持水量隨氣候帶由暖變冷和山地垂直帶海拔由低到高有增大的趨勢,總的來說,山地垂直氣候帶中,枯落物持水量的變化規(guī)律為寒溫帶>溫帶>亞熱帶。針闊葉混交林、云杉林和冷杉林因為現(xiàn)存量高而導(dǎo)致枯落物層持水量居高。這說明長江上游各種森林植被類型之間枯落物持水率的差異沒有其現(xiàn)存量的差異顯著,從而導(dǎo)致各種森林植被類型的持水量主要受枯落物現(xiàn)存量的影響(表2)。山地垂直氣候帶中亞熱帶各種森林枯落物平均持水量為1.24～4.56mm,其中,常綠闊葉林>常綠落葉闊葉林>松林>竹林;山地溫帶森林枯落物持水量為2.78～7.98mm,鐵杉、槭、樺組成的針闊葉混交林最高,可達7.98mm,以白櫟、短柄枹、楓香、化香、旱冬瓜、漆樹、色木等樹種為代表的落葉闊葉林最低。各種林型枯落物持水量由大到小的順序是:鐵杉、槭、樺林>云、冷杉林>山地楊樺林>硬葉常綠闊葉林>落葉櫟林>落葉松林>落葉闊葉林;山地寒溫帶云、冷杉林枯落物持水量較高,可以達到7.5mm以上,但高山圓柏林枯落物量很低,所以枯落物持水量也很低,在2.0mm以下。長江上游各種森林植被類型平均枯落物最大持水量為4.56mm。2.3土壤孔隙度的測定土壤吸持的水量即蓄水量,土壤貯蓄的水分總量取決于土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和土層深度。根據(jù)土壤水的形態(tài),土壤蓄水量可分為最大蓄水量(飽和持水量)、田間持水量和最大分子持水量等。以土壤孔隙度為基準計算的最大蓄水量是毛管水和非毛管水均達飽和狀態(tài)時土壤的蓄水量,它是土壤涵蓄潛力的最大值。以往都是以總孔隙度為基準計算飽和持水量,但近年來有不少學(xué)者認為,毛管水供植物根系吸收和林地蒸發(fā),只做上下垂直運動,森林土壤蓄水能力主要取決于土壤的非毛管孔隙,并以它作為計量土壤蓄水量的基準較合適。土壤蓄水量與土壤孔隙度、土層厚度關(guān)系密切,由土壤孔隙度及各林分土壤基準厚度(60cm)推算的結(jié)果表明,不同森林土壤孔隙度大不相同,決定了土壤最大持水量的差異(表3)。2.3.1不同植被類型土壤非毛管孔隙度長江上游森林土壤非毛管孔隙度在同一山地垂直氣候帶中的總體變化趨勢為:闊葉林>針葉林,常綠闊葉林>落葉闊葉林,針闊葉混交林>針葉林(表3)。在山地亞熱帶,常綠闊葉林和常綠落葉闊葉林土壤非毛管孔隙度最高,達到15.3%以上。暖性針葉林最低,只有9%左右。在山地溫帶,土壤非毛管孔隙度為8.38%～14.72%,孔隙度由大到小的變化順序為:硬葉常綠闊葉林>鐵杉、槭、樺林>落葉闊葉林>落葉櫟林>山地楊樺林>溫性針葉林>落葉松林。在山地寒溫帶,土壤非毛管孔隙度為11.6%～14.5%,大小排列順序為:冷杉林>云杉林>山地圓柏林。長江上游各種森林植被土壤非毛管孔隙度平均為12.37%。2.3.2林、硬葉類型表3中的土壤持水量是各種森林植被類型0～60cm土壤非毛管孔隙蓄水達到飽和時的最大蓄水量。常綠闊葉林、常綠落葉闊葉林、硬葉常綠闊葉林、鐵杉、槭、樺林和冷杉林的土壤最大持水量均在80mm以上,平均值變動于80～105mm之間,其中,常綠闊葉林和常綠落葉闊葉林是最高的類型;而土壤持水量最低的主要是松林和落葉松林,只有50～60mm;其它各種落葉闊葉林植被類型土壤的非毛管孔隙持水量為60～80cm。長江上游各種森林植被類型土壤毛管孔隙持水量平均為74.2mm。2.4不同土壤結(jié)構(gòu)的水文功能差異森林的綜合持水能力是林冠層、枯落物層和土壤層持水能力的總和,森林綜合持水能力是生態(tài)系統(tǒng)的重要水文功能。長江上游各種森林類型綜合持水能力見圖1,由于各種森林類型的結(jié)構(gòu)及土壤結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了水文功能的差異。長江上游各種森林植被型綜合持水能力為:亞熱帶常綠闊葉林(110.11mm)>亞熱帶常綠落葉闊葉林(96.33m)>冷杉林(95.30mm)>常綠硬葉高山櫟林(94.24mm)>鐵杉、槭、樺林(88.84mm)>云杉林(83.69mm)>溫帶落葉櫟林(75.30mm)>山地楊樺林(74.56mm)>亞熱帶落葉闊葉林(73.90mm)>竹林(72.56mm)>圓柏林(72.36mm)>溫帶針葉林(66.86mm)>亞熱帶針葉林(57.94mm)>紅杉林(54.61mm)。3枯落物所持水量的影響在長江上游地區(qū),枯枝落葉層的持水率在亞高山寒溫帶的云冷杉林的枯落物持水率較高,馬雪華的研究表明,川西暗針葉林枯枝落葉層的最大持水率可達500%～700%,這不但與暗針葉林厚厚的枯落物層有關(guān),而且地被層苔蘚植物巨大的吸水能力也具有很大的作用。此外,不容忽視的是暗針葉林中的粗木質(zhì)物殘體量大,盡管枯枝落葉層蓄水能力高于粗木質(zhì)物殘體,但對增強枯落物層涵養(yǎng)水源能力具有一定的貢獻?？葜β淙~層的持水量與枯落物的現(xiàn)存量密切相關(guān)。劉世榮對我國森林枯落物持水量與其現(xiàn)存量的相關(guān)分析表明,二者呈顯著的直線正相關(guān)。圖2對長江上游森林枯落物層持水量與枯落物層現(xiàn)存量相關(guān)分析表明,二者也有極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(p<0.001)。由圖1可以看出,生態(tài)系統(tǒng)最大持水量最主要受土壤非毛管孔隙度決定,這是因為冠層一次性降水持水量和枯落物持水量相對來說要小得多。圖2表明長江上游各種森林生態(tài)系統(tǒng)綜合持水能力與土壤非毛管孔隙度有極顯著的線性關(guān)系(P<0.001)。因此,可以采用土壤非毛管孔隙度來估算各類森林生態(tài)系