不同林齡桉樹人工林對降雨水質(zhì)的影響

不同林齡桉樹人工林對降雨水質(zhì)的影響

森林是地球水循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，同時影響全球降水過程中對森林表面和地下徑流的水分布模式以及水質(zhì)的變化。森林對水質(zhì)的影響過程一般可以分為林冠層、灌草層、凋落物層和根系土壤層等4個作用層。降水首先通過林冠層進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)其他環(huán)節(jié),因此,林冠層是森林對降水水質(zhì)影響的第一個作用層。以往的研究較多針對受大氣污染降水的森林水質(zhì)凈化功能,更多關(guān)注林冠層對降水化學(xué)元素特別是重金屬和營養(yǎng)元素的吸持,涉及的植被類型主要有落葉松、馬尾松、濕地松、杉木、白樺、櫟樹、榿木等,而對人工林生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)負(fù)面作用關(guān)注不夠。近10多年來,速生桉在我國南方發(fā)展很快,目前片林面積已達(dá)2.3×104km2,然而,對于大力發(fā)展桉樹人工林,學(xué)術(shù)界存在著爭議,其爭論的焦點是桉樹的生態(tài)環(huán)境問題。針對桉樹人工林發(fā)展中所碰到的生態(tài)環(huán)境問題,以往的研究在桉樹人工林水肥利用與養(yǎng)分循環(huán)、水量平衡、生物多樣性、化感作用等給予了較多的關(guān)注,而有關(guān)桉樹對水質(zhì)影響方面的研究未見有報道,對桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)特征及其演變過程與機(jī)理缺乏了解。本研究應(yīng)用連續(xù)分程式林內(nèi)雨收集系統(tǒng)采集水樣,根據(jù)對桉樹、雜交相思、馬尾松和軟闊林等4種人工林冠層淋溶水質(zhì)特征及其變化過程的研究結(jié)果,探討桉樹對冠層淋溶水的水質(zhì)影響機(jī)理,為全面評價桉樹人工林生態(tài)環(huán)境安全性及改善區(qū)域水資源質(zhì)量提供必要的理論與技術(shù)支撐。1樣地的選擇研究區(qū)位于廣西南寧市北部(108°21′14″-108°22′14″E,22°56′48″-22°58′35″N)高峰林場的現(xiàn)代林業(yè)科技示范園優(yōu)良樹種展示區(qū)內(nèi),屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均氣溫21.8℃,10℃以上年總積溫7800℃左右,年均降雨量1304mm,且多集中于5-9月,平均相對濕度79%。丘陵地形,海拔高度為130~280m,坡度一般為10°~30°,成土母巖以砂巖為主,土壤類型主要為赤紅壤,土層厚度40cm以上,呈酸性,pH值在4.50~5.00之間。在展示區(qū)內(nèi)選擇1年生尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)林、3年生尾巨桉林、7年生尾巨桉林、7年生雜交相思(Acaciamangium×A.auriculaef)林、13年生馬尾松(Pinusmassoniana)林和軟闊林等6種不同林分的森林作為水質(zhì)研究樣地。各試驗林小流域(林地)基本情況如下:1年生尾巨桉林:流域面積約為30hm2,為2008年4月造林,造林規(guī)格有3種,分別為2m×2m、2m×3m和2m×4m,每種規(guī)格林地面積各約為10hm2。幼齡林,樹高約4~6m,郁閉度60%~80%。3年生尾巨桉林:流域面積約8hm2,2006年4月造林,造林規(guī)格為2m×3m。成年林,樹高13~15m,郁閉度80%~90%;7年生尾巨桉林:林地面積約4hm2,2002年5月造林,造林規(guī)格為2m×3m。成熟林,樹高約14m,林冠郁閉,郁閉度90%以上;7年生雜交相思林:面積約4hm2,造林時間為2002年4月,造林規(guī)格為3m×3m,2007年12月間伐,成熟林,樹高約14m,郁閉度60%~80%;13年生馬尾松林:流域面積約10hm2,1996年4月造林,造林規(guī)格為3m×4m,2008年11月間伐,成熟林,郁閉度60%~70%;軟闊林:主要樹種為灰木蓮(MagnoliaceaeglancaBlume),米老排(Mytilarialaosensis),以及少量的火力楠(Micheliamacclurel)和杉木(Cunninghamialanceolata)?；夷旧徳炝謺r間為20世紀(jì)60年代,其他樹種造林時間不詳。郁閉度95%以上。2樣品采集與分析2.1水樣采集方法雨水采集:收集裝置由漏斗和玻璃瓶組成,放置于試驗區(qū)附近空曠地采集雨水;重復(fù)4次;林冠層穿透水采集:采用連續(xù)分程式穿透水收集系統(tǒng)采集;重復(fù)3次;樹干徑流水采集:采用連續(xù)分程式樹干徑流收集系統(tǒng)采集;重復(fù)3次。于2009年5月20日在暴雨后采集水樣。采樣前根據(jù)天氣預(yù)報,在大雨(或暴雨)前對收集系統(tǒng)用清水進(jìn)行清洗。水樣采集后及時進(jìn)行水質(zhì)分析測試。2.2濁度的測定及表征采用pH-25型pH計測定pH;色度的測定采用鉑鈷比色法(GB11903-89);濁度的測定采用QZ201L散射式濁度儀測定;化學(xué)需氧量(COD)的測定采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)。3結(jié)果與討論3.1種植桉樹對樹冠水結(jié)構(gòu)的影響3.1.1淋溶過程及密度過程對桉樹林干的影響表1結(jié)果顯示,不同樹種(林齡)間林冠層穿透水濁度存在差異。在淋溶的第1階段(穿透雨深0~10mm),3年生桉樹林冠穿透水濁度最高,為149.9NTU,馬尾松人工林與軟闊林差異不顯著,分別為97.2NTU和89.1NTU,比3年生桉樹林的低35%~41%;1年生和7年生桉樹人工林比3年生桉樹林低64%左右;7年生雜交相思林最低,為31.6NTU,但比雨水的高15.2NTU。在淋溶的第2階段(穿透雨深10.1~20mm)和第3階段(穿透雨深20.1~30mm),除第2階段的雜交相思外,各林分穿透水的濁度均比第1階段的低,但不同林分間其下降的幅度有較大差異,3年生桉樹林的降幅最大,而馬尾松林的濁度隨淋溶過程變化相對較小,在第3階段維持較高的濁度(70.6NTU)。3年生桉樹林樹干徑流濁度(192.8NTU)在淋溶的第1階段(收集量0~600ml)顯著高于其他林分(表1),其他林分除雜交相思外,其濁度差異不顯著,為66~78NTU。在第2(收集量601~1200ml)和第3階段(收集量1201~1800ml),3年生桉樹林樹干徑流濁度比其第1階段的有較大幅度的降低,分別為109NTU和93NTU,但仍比1年生和7年生桉樹林的要高。由于其他樹種其樹皮較粗糙、較厚或吸水性較強(qiáng),因此在第2和第3階段未能收集到足量水樣用于分析。桉樹和雜交相思人工林樹干徑流濁度顯著高于其冠層穿透水,在淋溶前期(收集量0~600ml),后者是前者的1.20~1.35倍,在淋溶的中后期,為1.36~2.41倍,表明隨著淋溶過程的進(jìn)行其差異有增大的趨勢。馬尾松林和軟闊林則表現(xiàn)為相反的規(guī)律,冠層穿透水濁度高于其樹干徑流。3.1.2淋溶階段3年生和7年生桉樹林分表1結(jié)果表明,在淋溶的各個階段,3年和7年生桉樹人工林林冠穿透水的色度(棕褐色)顯著高于其他林分,在淋溶的第1階段,其色度分別為55.0度和43.3度,3年生桉樹的色度是該階段1年生桉樹林的2.75倍,雜交相思林的4.14倍,馬尾松林的5.5倍,軟闊林的4.14倍。在淋溶的第2和第3階段亦呈現(xiàn)類似特征,但3年生和7年生桉樹林冠層穿透水色度較第1階段有所降低,而其他4種林分的色度變化幅度較小。3年生和7年生桉樹樹干徑流色度顯著高于其林冠層穿透水及另4種林分淋溶水(穿透水和樹干徑流),在第1階段,其值分別為153.3度和106.7度,比其穿透水的分別高98.3度和63.4度;隨著淋溶的不斷進(jìn)行,其色度逐漸下降,3年生桉樹的下降幅度較大。其他4種林分樹干徑流的色度為17~37度,比穿透水的高5.0~17.5度。3.2種植桉樹對林冠層滲透水結(jié)構(gòu)的影響3.2.1年生桉樹不同林分ph值的變化不同林分不同淋溶階段的林冠層穿透水pH值存在顯著差異(表1)。在6種不同林分人工林間,3年生和7年生桉樹冠層穿透水的pH值最低,在3個淋溶階段其pH值在4.97~5.26之間,比雨水(pH值為6.12)低0.86~1.15。軟闊林的最高,其pH值在3個淋溶階段分別為5.97,6.01和6.26,與雨水的比較接近,而顯著高于其他林分。隨著淋溶的不斷進(jìn)行,除1年生桉樹林外,冠層穿透水pH值呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。不同林分間樹干徑流pH值的變化亦呈現(xiàn)類似規(guī)律,7年生桉樹的最低,其在第1階段(0~600ml)的值為4.33,第2階段的為4.28,比1年生桉樹林的分別低1.10和1.22。除1年桉樹林外,其余林分森林的樹干徑流水pH值均顯著低于其冠層穿透水。3.2.2年生桉樹冠層穿透水cod含量的變化在淋溶的第1階段,3年生桉樹林冠層穿透水COD含量顯著大于其他林分(表1),為85.5mg/L,比7年生桉樹林的高44.3mg/L,其他4種人工林(1年生桉樹、7年生雜交相思、13年生馬尾松和軟闊林)穿透水COD含量遠(yuǎn)低于3年和7年生桉樹林,為17.5~25.3mg/L。隨著淋溶不斷進(jìn)行,3年生桉樹冠層穿透水COD含量急劇下降,在淋溶的第2和第3階段,其值分別為12.4mg/L和8.3mg/L,與雨水的(11.6mg/L)相當(dāng),但比相同淋溶階段的另外4種人工林要低;7年生桉樹冠層穿透水COD含量在所監(jiān)測的3個階段里維持在較高的水平(31.4~50.3mg/L)。6種森林的樹干徑流COD含量顯著高于其冠層穿透水(表1)。在淋溶的第1階段(0~600ml),桉樹人工林樹干徑流COD含量(86.7~117.9mg/L)顯著高于其他3種森林(29.0~54.7mg/L);在淋溶的第2階段,桉樹人工林以及馬尾松林COD含量較高,但除馬尾松林外,其與第1階段的差異不顯著。3.3林冠層對淋溶水的影響以上結(jié)果表明,樹種和林齡是影響森林冠層淋溶水水質(zhì)的主要因素。在不同樹種間,桉樹對淋溶水濁度、色度、pH值以及COD含量的影響大于其他3種森林。在相同條件下,COD含量的高低可以反映森林冠層淋溶水有機(jī)物含量的大小。在相似的生長期,桉樹冠層淋溶水的COD含量遠(yuǎn)高于其他3種森林,表明桉樹林冠層可淋溶的有機(jī)物質(zhì)比后3者的多,其主要原因可能有2個,一是桉樹冠層的枯死物、分泌物更易被淋溶;二是桉樹生長速度快,新老組織更新快。同時,由于桉樹淋溶水的有機(jī)物含量高,并且顆粒大小比較均勻,因此其濁度要比其他3種森林的大。表1結(jié)果顯示,在COD含量相近的情況下,桉樹冠層淋溶水的pH值小于雜交相思、馬尾松和軟闊林,而色度遠(yuǎn)大于后3者,表明桉樹淋溶物的酸性物質(zhì)含量較大,水溶性色素含量高,加上桉樹可淋溶的有機(jī)物遠(yuǎn)高于后3者,因此,桉樹改變淋溶水pH值和顏色的作用最大,這是由于樹種性質(zhì)即桉樹和其他樹種的組織中有機(jī)酸和水溶性色素成分與含量不同而造成的。在不同林齡桉樹間,淋溶水濁度、色度以及COD含量一般隨著林齡的增加而增加,而后趨于穩(wěn)定或略有下降,pH值則逐漸降低并趨于穩(wěn)定。上述變化規(guī)律與不同林齡桉樹冠層可淋溶有機(jī)物的多寡密切相關(guān)。1年生桉樹由于其處于生長旺盛期,林冠層新枝新葉較多,衰老組織和枯死物較少,同時郁閉度較小,因此其可淋溶物質(zhì)較少,濁度、色度以及COD含量較低,pH值較高;隨著林齡增加,郁閉度增大,林冠層衰老和枯死組織增多,其可淋溶物質(zhì)增加,因此對淋溶水質(zhì)影響作用增大;但林木生長到一定階段后,其生物量將不再增加,甚至減少,其冠層可淋溶物質(zhì)不再增加甚至減少,因此,7年生桉樹對淋溶水水質(zhì)的影響與3年生桉樹的基本相當(dāng),或者要弱(如濁度)。通常情況下,樹干徑流有機(jī)物質(zhì)含量要比穿透水的高,這是由于兩者的淋溶過程不同造成的。樹干徑流的淋溶過程通常由兩部分組成的,先是經(jīng)林冠層(盡管不是整個冠層)的淋溶,而后沿著樹干往下淋溶,其淋溶路徑長介質(zhì)多,因此其水質(zhì)變化要比穿透水的大。一次降雨是對上次降雨后至本次降雨期間新形成的可淋溶物質(zhì)不斷淋溶的過程,對于雨強(qiáng)平穩(wěn)的某次降雨,林冠層可淋溶物質(zhì)一般隨著降雨過程而不斷減少,其對淋溶水水質(zhì)的影響亦逐漸減弱。同時,一定條件下可淋溶物質(zhì)的多寡與雨強(qiáng)有關(guān),雨強(qiáng)越大,被淋溶物質(zhì)總量就越多,雨強(qiáng)變化影響到可淋溶物質(zhì)在各階段的分配,這可能是各階段淋溶水一些水質(zhì)值波動的原因之一。4桉樹人工林對林內(nèi)雨水質(zhì)的淋溶作用(1)桉樹