太湖地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能特征

張 彪,楊艷剛,張燦強

（中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101）

森林是陸地上最重要的生態(tài)系統(tǒng),有著獨特的生態(tài)水文功能[1],主要表現(xiàn)為攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、凈化水質(zhì)等水源涵養(yǎng)功能[2]。充分發(fā)揮森林的生態(tài)水文功能已成為國際上流域水資源保護的重要手段[3-5]。我國傳統(tǒng)的林業(yè)發(fā)展決策多基于森林的生產(chǎn)功能,因此,如何平衡森林的生態(tài)水文效應,如何最大限度地滿足不同發(fā)展方面對森林植被恢復的要求,以及如何在不同地區(qū)開展森林植被與水資源的綜合管理等問題,都需要開展深入研究[6]。近年來,太湖地區(qū)湖泊生態(tài)功能日益退化,尤其是水體污染和富營養(yǎng)化問題成為制約流域發(fā)展的主要問題[7]。雖然這些問題的出現(xiàn)主要與社會、經(jīng)濟因素有關[8-9]。但是,統(tǒng)籌考慮流域生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響[10-11],充分發(fā)揮森林植被的生態(tài)水文功能對于流域水資源保護和水環(huán)境治理意義重大。尤其是目前太湖地區(qū)森林生態(tài)水文功能已開展了大量研究[12-20],為深入認識森林生態(tài)系統(tǒng)與水資源之間的關系奠定了良好基礎。但是,這些研究多是針對典型地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的實測研究,需要在宏觀尺度上對這些研究成果進行綜合比較分析。因此,本文在借鑒前人研究成果的基礎上,重點綜合比較了太湖地區(qū)森林枯枝落葉層和土壤層的涵養(yǎng)水源功能特征,希望能為太湖地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控以及森林生態(tài)水文功能的有效發(fā)揮提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

太湖地區(qū)(119°11′-121°53′E,30°28′-32°15′N)位于長江下游三角洲,流域面積3.69萬km2,主要屬蘇、浙、滬兩省一市,包括上海、蘇州、無錫、常州、杭州、嘉興和湖州等地區(qū)。地勢平坦,平原占流域面積的60.5%,丘陵山地占22%,其余為水域[20]。太湖地區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū),年平均氣溫15～17℃,多年平均降雨量為1 180 mm(表1)。

太湖地區(qū)地跨北亞熱帶與中亞熱帶,自然植被主要分布于丘陵山地,地帶性土壤相應為亞熱帶的黃棕壤與中亞熱帶的紅壤。地帶性常綠針葉林以馬尾松林(Pinusmassoniana)與杉木林(Cunninghamia lanceolata)為主,落葉闊葉林多為以麻櫟(Quercusacutissima)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、化香(Platycarya strobilacea)、黃檀(Dalbergia hupeana)等為主的次生林,常綠闊葉林主要包括青岡(Cyclobalanopsis glauca)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)、石 櫟 (Lithocarpus glaber)、小紅栲(Castanea henryi)、木荷(Schima superba)與紫楠(Phoebe sheareri)等樹種,竹林廣泛分布于中亞熱帶丘陵山區(qū),主要建群種有毛竹(Phyllostachys pubescens)、剛竹(Phyllostachys viridis)、淡竹(Phyllostachys glauca)等,灌叢大多為森林嚴重破壞后出現(xiàn)的初期次生類型,主要有狹葉山胡椒(Lindera angusti folia)、鐵黑漢條(Spiraea chinensis)、白櫟(Quercus f abri)、短柄袍(Quercus glanduli f era)與杜鵑(Rhododendron simsii)等。

根據(jù)森林資源調(diào)查數(shù)據(jù),太湖地區(qū)單位面積森林蓄積量較低(如表2),而且林齡結(jié)構(gòu)以中幼齡林為主,其中幼齡林面積占地區(qū)森林總面積的67%～90%,而成熟林僅占10%～33%。有林地中,純林面積占到62%～86%,而混交林比例明顯偏低(如圖1)。

表1 太湖典型地區(qū)年均降雨量

表2 太湖地區(qū)森林單位面積蓄積量

圖1 太湖地區(qū)有林地森林結(jié)構(gòu)面積比例

2 研究方法

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)多個水文過程及其水文效應的綜合表現(xiàn)[2],主要涉及林冠層、枯枝落葉層和土壤層三個作用層,其中土壤非毛管孔隙的調(diào)節(jié)能力占90%以上,其次為枯枝落葉層的調(diào)節(jié),森林林冠層的調(diào)節(jié)能力較弱[1]。因此,本研究重點討論枯枝落葉層和土壤層的水文功能特征。首先在總結(jié)參考太湖地區(qū)森林生態(tài)水文功能現(xiàn)有研究成果的基礎上,重點針對不同森林類型下枯枝落葉層和土壤層涵養(yǎng)水源功能的評價指標和影響因子,主要包括枯枝落葉層的現(xiàn)存量、持水量和持水率,土壤層的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度,以及土壤層的初滲率和穩(wěn)滲率,分別選取相應研究成果計算平均值,從而綜合比較太湖地區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能的特征。

3 結(jié)果分析

3.1 枯枝落葉層持水功能

森林枯枝落葉層具有較大的水分截持能力,從而影響穿透降雨對土壤水分的補充和植物的水分供應[21]。森林枯枝落葉層吸持水的能力與森林流域產(chǎn)流機制密切相關,并受枯落物組成、林分類型、林齡、枯落物分解狀況、積累狀況、林地水分狀況以及降雨特點的影響[22]。我國各類森林枯枝落葉層的現(xiàn)存量平均變動于3.50～26.81 t/hm2,變動系數(shù)為18.01%～67.80%;森林枯枝落葉吸持水量可達自身干重的2～4倍,最大持水率平均為309.54%[1]。

太湖地區(qū)主要森林生態(tài)系統(tǒng)林下枯枝落葉層現(xiàn)存量平均值變動于4.68～14.4 t/hm2,其中常綠闊葉林最大,然后依次為落葉闊葉林、馬尾松林、灌木林和杉木林,毛竹林最小;亞熱帶地區(qū)森林枯枝落葉層現(xiàn)存量變動于6.25～11.71 t/hm2?？梢?太湖地區(qū)林下枯落物現(xiàn)存量明顯低于亞熱帶平均值,原因可能是太湖地區(qū)城鎮(zhèn)密集,人類活動對森林生態(tài)系統(tǒng)的干擾頻繁所致。

太湖地區(qū)森林枯落物持水量均值為 11.6～29.99 t/hm2(相當于1.16～2.99 mm),其中常綠闊葉林＞落葉闊葉林＞灌木林＞馬尾松林＞杉木林＞毛竹林,亞熱帶森林枯落物持水量均值為13.92～35.16 t/hm2(相當于1.39～3.52 mm)。太湖地區(qū)主要森林枯枝落葉層持水率變動于187.24%～246.22%,其中灌木林＞落葉闊葉林＞毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞馬尾松林,而亞熱帶森林平均值為207.19%～388.65%。因此,整體來看,太湖地區(qū)森林枯枝落葉層的現(xiàn)存量和持水功能幾乎都低于亞熱帶平均值(如圖2)。

圖2 太湖地區(qū)森林枯落物層現(xiàn)存量、持水量與持水率

圖3 太湖地區(qū)森林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度與總孔隙度

3.2 土壤層蓄水功能

林地土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)貯蓄水分的主要場所[22],評價其蓄水性能一般以總持水量、毛管持水量和非毛管持水量為指標?？紤]到土壤蓄水量與土層厚度、土壤孔隙狀況等物理性質(zhì)有關,因此本文重點從森林土壤物理性質(zhì)進行比較?？紫抖仁欠从惩寥牢锢硇再|(zhì)的重要參數(shù),是土壤中養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的遷移通道、貯存庫和活動場所[23]。據(jù)研究,森林土壤蓄水能力與土壤孔隙狀況密切相關,尤其與土壤的非毛管孔隙更為密切[1]。

太湖地區(qū)主要森林類型土壤層毛管孔隙度平均值變動于39.01%～44.21%,其中毛竹林土壤毛管孔隙度最大,其余的依次為馬尾松林＞灌木林＞落葉闊葉林＞常綠闊葉林,杉木林土壤孔隙度最小;亞熱帶森林土壤層毛管孔隙度均值為43.3%～53.66%。太湖地區(qū)主要森林類型土壤的非毛管孔隙度為10.21%～16.53%,最大的為落葉闊葉林,然后是常綠闊葉林、灌木林、杉木林和毛竹林,馬尾松林土壤的非毛管孔隙度最小;亞熱帶森林土壤層非毛管孔隙度平均值為8.96%～21.13%。如果從土壤總孔隙度來看,太湖地區(qū)森林土壤總孔隙度變動于51.71%～57.58%,灌木林＞落葉闊葉林＞毛竹林＞常綠闊葉林＞馬尾松林＞杉木林,亞熱帶地區(qū)森林土壤總孔隙度均值為54.35%～72.65%。因此,總體來看,太湖地區(qū)森林土壤孔隙狀況基本上均小于亞熱帶平均值(如圖3)。

3.3 土壤層滲透性能

土壤滲透性是描述土壤入滲快慢的重要土壤物理特征參數(shù)[22]。在其他條件相同情況下,土壤滲透性能越好,地表徑流越少,土壤流失量越少。也正因為林地土壤具有較大的孔隙度,特別是非毛管孔隙度,加大了林地土壤的入滲率和入滲量,有利于對暴雨徑流的調(diào)蓄[24]。

太湖地區(qū)主要森林類型土壤初滲率均值變動于11.94～19.06 mm/min(如圖4),其中落葉闊葉林土壤的初滲率最大,其次為常綠闊葉林、毛竹林和松林,杉木林土壤的初滲率相對最小;亞熱帶森林土壤初滲率平均值為3～22.46 mm/min。太湖地區(qū)各種森林類型土壤的穩(wěn)滲率均值變動于3.77～6.74 mm/min,其中落葉闊葉林＞杉木林＞毛竹林＞常綠闊葉林＞松林,而亞熱帶森林土壤穩(wěn)滲率均值為1.84～15.19 mm/min。因此,從太湖地區(qū)來看,除落葉闊葉林和松林外,其他森林類型土壤的滲透性都低于亞熱帶平均值。

4 結(jié)論

(1)太湖地區(qū)主要森林生態(tài)系統(tǒng)的林下枯枝落葉層現(xiàn)存量平均值為4.68～14.4 t/hm2,持水量為11.6～29.99 t/hm2,持水率為187.24%～246.22%;主要森林類型土壤層的毛管孔隙度變動于39.01%～44.21%,非毛管孔隙度為10.21%～16.53%;而土壤層的初滲率變動于11.94～19.06 mm/min,穩(wěn)滲率介于3.77～6.74 mm/min。不過,太湖地區(qū)森林枯枝落葉層和土壤層的涵養(yǎng)水源功能指標幾乎都低于亞熱帶平均值。

(2)太湖地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控應重點關注森林植被結(jié)構(gòu)調(diào)整和森林的近自然經(jīng)營。近20 a來太湖地區(qū)森林生物多樣性水平呈下降的趨勢[26],這可能也是我國森林經(jīng)營中存在的一種普遍現(xiàn)象,應進一步引起重視。而水源林的營造或經(jīng)營應以闊葉樹種為主[1]。尤其是由于闊葉混交林比針闊混交林的涵養(yǎng)水源功能高,因此在水源涵養(yǎng)林經(jīng)營過程中,要注意近自然森林經(jīng)營模式的運用;而且只有在保持良好的森林和地被物覆蓋下,土壤的調(diào)節(jié)功能才能得到最大限度的發(fā)揮[1]。

圖4 太湖地區(qū)林地土壤初滲率與穩(wěn)滲率

致謝:感謝浙江省安吉縣林業(yè)局、長興縣林業(yè)局和江蘇省江陰市農(nóng)林局提供數(shù)據(jù)。

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