閩江小流域主要林分類型持水性能及土壤滲透能力研究

閩江小流域主要林分類型持水性能及土壤滲透能力研究

森林水源保護功能是森林生態(tài)服務功能的重要組成部分之一。不同的森林類型在樹種、生態(tài)特性和森林群落結構方面存在差異，因此森林的整體保護效應存在一些差異。森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能大致可以有三個環(huán)節(jié)組成:樹木冠層以及干體對大氣降雨的截留削弱;林地表層枯落物的吸水截持;林地土壤水庫的滲透蓄水。這三個環(huán)節(jié)的共同作用使得森林降雨過程進行了有效的攔蓄和調(diào)節(jié)分配,削弱了降雨對土壤的外營力侵蝕作用,從而綜合發(fā)揮了森林水源涵養(yǎng)和保持水土的功能。本文從森林冠層水文效應、枯枝落葉層吸持水特性及土壤水分物理特性3個方面對江寧小流域內(nèi)幾種主要林分的涵養(yǎng)水源功能進行了定量研究分析。1一般研究和研究方法1.1蘇集山水氣象區(qū)5年,7月江寧小流域是典型的蘇南丘陵地區(qū)小流域類型,研究地點設在流域內(nèi)南京市江寧區(qū)銅山國營林場中。該地區(qū)位于東經(jīng)118°52′08″,北緯31°39′22″,海拔115m,屬北亞熱帶季風氣候,四季分明,雨量豐沛,年平均氣溫15.5℃,年均無霜期為224d,年平均降水量為1012mm,主要集中在夏季,一般可達400～500mm,占全年降水量的50%左右。最冷月是1月份,平均月氣溫2.8℃,最熱月是7月,平均月氣溫27.9℃。本文研究選擇櫟林、杉木林、毛竹林、馬尾松林這4種小流域內(nèi)最主要的林分類型,建立調(diào)查樣地并進行常規(guī)調(diào)查,記錄其坡度、坡向、冠層郁閉度等指標,各樣地基本情況見表1。1.2測試方法1.2.1林外氣候因素的觀測觀測指標包括林外降雨量、降雨歷時、溫度、濕度、風速等。選擇樣地外的空曠地上建立自動氣象站實時監(jiān)測采集傳輸相關數(shù)據(jù)。1.2.2莖流、樹冠截留量測定在各林型試驗標準地內(nèi)沿對角線隨機布設5個溝槽狀的接雨槽(200cm×20cm×20cm),測定林內(nèi)穿透雨量;樹干莖流采用用野外實測法,在標準地內(nèi),按徑級選擇若干株標準木,在標準木半米高度處,用剖開的聚乙烯管蛇狀纏繞樹干,尾接容器收集雨水,從而獲得單株標準木莖流量,然后將標準株莖流量按林木徑階及其權重進行統(tǒng)計,利用加權平均法推算出單位面積林分的莖流量;樹冠截留量按公式:Pc=P-Ps-Pt計算。其中,Pc為樹冠截留量;P為大氣降雨量;Ps為樹干莖流量;Pt為穿透雨量。1.2.3枯落物持水率測定在每塊林地中隨機布設面積1m2的樣方10個。將新采集的枯落物迅速稱其鮮質(zhì)量后,放置于實驗室干燥通風處7d以上,直至用手觸摸無潮濕感時,稱其質(zhì)量作為不同林分枯落物風干質(zhì)量,推算枯落物的自然含水率和單位面積干基蓄積量;枯落物持水量采用浸水法測定,將原狀枯落物裝入網(wǎng)袋,浸水24h后稱重與其干重之比,計算最大持水率,用重量百分比(%)表示;枯落物吸水動態(tài)測定,取一定質(zhì)量風干后的枯落物試樣,浸泡在清水中,分別測定浸水0.5,1,1.5,2,3,4,5,7,9,11,13,15,24h重量變化。1.2.4土壤孔隙度測定在每個標準地內(nèi)隨機設置3品字狀土壤剖面,用環(huán)刀法測定0-20,20-40,40-60cm土層的土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度;采用環(huán)刀有壓入滲法測定土壤的滲透性。1.3各評價對象和最優(yōu)方案的距離的確定本文選用Topsis(TechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoIdealSolution)優(yōu)劣解距離法作為比較研究區(qū)不同林分水源綜合涵養(yǎng)功能優(yōu)劣的方法。Topsis優(yōu)劣解距離法的基本原理是基于歸一化后的原始數(shù)據(jù)矩陣,找出有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案(分別用最優(yōu)向量和最劣向量表示),然后分別計算諸評價對象與最優(yōu)方案和最劣方案的距離,獲得各評價對象與最優(yōu)方案的相對接近程度,以此作為評價優(yōu)劣的依據(jù)。具體方法為:設有n個評價對象、m個評價指標,原始數(shù)據(jù)可寫為矩陣X=(Xij)n×m。對高優(yōu)(越大越好)、低優(yōu)(越小越好)指標分別進行歸一化變換,如式(1):Ζij=Wj×Xij√n∑i=1X2ijZij=Wj×Xij∑i=1nX2ij√或Ζij=Wj×1/Xij√n∑i=11/X2ij(1)Zij=Wj×1/Xij∑i=1n1/X2ij√(1)式中:Wj——不同評價指標的權重系數(shù),歸一化得到矩陣Z=(Zij)n×m,其各列最大、最小值構成的最優(yōu)、最劣向量分別記為:Z+=(Zmax1Zmax2…Zmaxm),Z-=(Zmin1Zmin2…Zminm)第i個評價對象與最優(yōu)、最劣方案的距離如式(2):D+i=√m∑j=1(Ζmaxj-Ζij)D+i=∑j=1m(Zmaxj?Zij)?????????????ue001?ue000ue000和D-i=√m∑j=1(Ζminj-Ζij)(2)D?i=∑j=1m(Zminj?Zij)?????????????ue001?ue000ue000(2)第i個評價對象與最優(yōu)方案的接近程度Ci(值越大綜合效益越好,本文則體現(xiàn)為林分水源涵養(yǎng)功能越強)為:Ci=D-iD+i+D-iCi=D?iD+i+D?i。2結果與分析2.1林分結構對林分流量的影響林分對大氣降雨的林冠截留作用以及樹干莖流作用不僅受到林外降雨量、降雨強度、降雨歷時這些外部因素影響,而樹種類型、林齡、林分密度等自身生態(tài)學特性則是造成相同外部降雨條件下林分對降雨分配各環(huán)節(jié)差異的本質(zhì)原因。對研究區(qū)2008年雨季6,7,8月份觀測結果見表2。觀測期內(nèi),在樹干莖流環(huán)節(jié),不同林型間的莖流量差異很大,這與不同林型的枝葉毛密度和樹種的形態(tài)結構等有關。毛竹林郁閉度較大,枝干樹體表面光滑,枝葉截獲的水分能較好順枝條流而下,樹干莖流量較多;而馬尾松林郁閉度低,枝葉較少,樹干表面死樹皮厚而吸水性好,且樹皮粗糙有條紋不利雨水匯集下流,因而樹干徑流量最小。平均莖流率由高到低排序為毛竹林(7.89%)、櫟林(5.13%)、杉木林(3.28%)、馬尾松林(1.85%)。觀測期內(nèi),在林冠截留環(huán)節(jié),從樹冠截留量和截留率來看,各個林分冠層對降雨均有較大的截留作用,平均截留量為72.41～139.46mm,平均截留率為16.2%～31.2%。櫟林郁閉度高,枝葉稠密,林冠構筑型較好,雨水能較好附著在枝葉上,截留量(率)最大;馬尾松郁閉度較低,樹冠層開放且枝葉較少,因而截留量(率)最小。平均截留量(率)排序由高到低排序為櫟林(139.46mm,31.2%)、毛竹林(108.03mm,24.17%)、杉木林(91.93mm,20.57%)、馬尾松林(72.41mm,16.2%)。2.2枯落物最大持水能力枯枝落葉層的涵養(yǎng)水源作用主要體現(xiàn)在枯枝落葉的吸持水方面(在降雨過程中,枯落物作為主要下墊面層以其吸持水特性截持林內(nèi)穿透雨)。表征森林枯落物層的吸持水能力的指標為最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率等,其計算方法如下:R0=G0-GdGd×100%?Rhmax=G24-GdGd×100%R0=G0?GdGd×100%?Rhmax=G24?GdGd×100%Rsmax=Rhmax-R0,Wsv=(0.85Rhmax-R0)×M式中:R0,Rhmax,Rsmax——枯落物自然含水率、最大持水率與最大攔蓄率(%);G0,Gd,G24——枯落物自然狀態(tài)下質(zhì)量、枯落物風干質(zhì)量及浸水24h后質(zhì)量(g);Wsv——枯落物有效攔蓄量(t/hm2);M——枯落物蓄積量(t/hm2);0.85——有效攔蓄系數(shù)。各指標測試及計算結果見表3。從表3可以看出,由于各林分枯落物蓄積量的顯著差異,其各持水能力指標實測值有著明顯差異。以最大持水量來看,櫟林枯落物(58.36t/hm2)最好,其次為毛竹林(39.72t/hm2),再次為杉木林(17.48t/hm2),馬尾松林(6.52t/hm2)則最差;以有效攔蓄量來看,櫟林枯落物(37.23t/hm2)最好,其次為毛竹林(28.15t/hm2),再次為杉木林(11.89t/hm2),馬尾松林(4.78t/hm2)則最差。同時對實驗地4種林分枯落物持水量與浸泡時間、枯落物吸水速率與浸泡時間之間關系進行研究,實驗數(shù)據(jù)回歸分析發(fā)現(xiàn):枯落物持水量(Wh)與浸泡時間(t)、枯落物吸水速率(V)與浸泡時間(t)存在著如式(3)、式(4)的顯著回歸關系。Wh=Klnt+p(3)V=kt-a(4)不同林分類型枯落物層持水量(Wh)、枯落物層吸水速率(V)與浸泡時間(t)的回歸方程見表4。2.3不同林分土壤的水源保護能力2.3.1控水土流失能力土壤的滲透性能是林分土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標之一。林地土壤滲透性與土壤質(zhì)地、結構、孔隙度、有機質(zhì)等有關。強度適中的林內(nèi)降雨條件下,雨水可以充分滲入土壤中貯存或形成土壤內(nèi)部徑流,使得林地不易形成地表徑流,從而有效地控制了林地的水土流失。由于林分樹木生物學及生態(tài)學特性的不同,其對林地土壤滲透性改善作用也不同,使得不同林分間土壤滲透性能存在著一定差異,從評價土壤滲透性優(yōu)劣的3個主要指標:初滲速率率、穩(wěn)滲速率、平均入滲速率來看,馬尾松林土壤的滲透性能最好,其次為杉木林,再次為櫟林,毛竹林最差。2.3.2森林土壤層蓄水量土壤的蓄水性能則是是林分土壤水源涵養(yǎng)功能的又一重要指標。林地土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)貯蓄水分的主要容庫,在土層厚度一致的條件下,林地土壤的蓄水性能取決于土壤孔隙度的大小和組成,評價林地土壤蓄水能力一般以最大蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量為指標。這三個指標分別是由土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度計算得出的,計算公式如下:森林土壤層總蓄水量=森林土壤總孔隙度×土層厚度(m)×104×林地面積(hm2);森林土壤層毛管蓄水量=森林土壤毛管孔隙度×土層厚度(m)×104×林地面積(hm2);森林土壤層非毛管蓄水量=森林土壤非毛管孔隙度×土層厚度(m)×104×林地面積(hm2)。從表6可以看出,一方面各林分土壤自身蓄水性能均存在著垂直方向的差異,均隨土層的深度的變大而變差;另一方面不同林分土壤的蓄水性能也有一定差異,以每10cm厚度土層的非毛管空隙度來看,馬尾松林(14.6%)最好,其次為杉木林(14.5%),再次為毛竹林(9.8%),櫟林(7.8%)最差;以每10cm厚度土層的總空隙度來看馬尾松林(55.4%)最好,其次為杉木林(53.5%),再次為毛竹林(48.4%),櫟林(48.2%)最差。2.4林分影響因子的確定森林生態(tài)系統(tǒng)主要通樹木冠層及干體截留削弱大氣降雨、林地表層枯落物的吸水截持、林地土壤水庫的滲透蓄水這三個環(huán)節(jié)綜合發(fā)揮出涵養(yǎng)水源的功能,因此,要客觀科學的比較不同林分涵養(yǎng)水源功能好壞必須考慮到不同環(huán)節(jié)對于總體功能的重要性。本文選用Topsis優(yōu)劣解距離法為比較方法。以各林分的林冠平均截留率X1、枯落物層的蓄積量X2、自然持水率X3(其為低優(yōu)指標)、最大持水率X4、林地土壤的平均入滲速率X5、平均總空隙度X6、平均非毛管空隙度X7為評價指標。由于各林分土層厚度大體一致,這里未采用土層厚度為比較指標。并采用專家打分法為這7個指標賦上權重(表7)。對各林分待評數(shù)據(jù)并考慮各指標權重進行Topsis法中要求的歸一化處理結果見表8。通過Topsis法計算,得其最終結果如表9,從指標Ci可以看出櫟林的綜合水源涵養(yǎng)功能最好,其次為毛竹林,再次為杉木林,馬尾松林最差。3林地土壤侵蝕研究區(qū)4種主要林分水