臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)沿海森林水文過程與養(yǎng)分遷移的影響

摘要：綜述了臺(tái)風(fēng)暴雨極端氣候?qū)ρ睾Ｉ稚鷳B(tài)系統(tǒng)林冠降雨再分配、地表徑流等水文過程以及森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和水化學(xué)特征的影響。臺(tái)風(fēng)暴雨增加了森林集水區(qū)的徑流，是沿海森林生態(tài)系統(tǒng)Ｐ、Ｋ等元素流失的重要原因，而且使溪水的水化學(xué)特征發(fā)生顯著變化。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)；暴雨；沿海森林；水文過程；養(yǎng)分遷移

中圖分類號(hào)：Ｐ４４４；Ｆ４２６．６２；Ｓ７１８．５ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０12）19－4181-03

在全球氣候變化的背景下，臺(tái)風(fēng)暴雨活動(dòng)強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，危害愈來愈嚴(yán)重［１，２］。中國(guó)是世界上遭受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的影響范圍主要集中在沿海地區(qū)［３］。２００５年，浙江省相繼遭受“海棠”、“麥莎”、“泰利”和“卡努”４大臺(tái)風(fēng)的侵襲，短時(shí)間總雨量高達(dá)４００ mm以上，臺(tái)風(fēng)雨量為４０年一遇，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)２５２．５億元。臺(tái)風(fēng)暴雨已成為制約中國(guó)沿海地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展、危害人民生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全的重大自然災(zāi)害［４］。沿海地區(qū)是中國(guó)森林資源的主要分布區(qū)，臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)沿海森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)過程影響十分嚴(yán)重［５］，尤其是對(duì)水文過程與養(yǎng)分遷移的影響更為突出［６，７］。開展臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)沿海森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程與養(yǎng)分遷移研究，可以揭示中國(guó)沿海森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)與養(yǎng)分遷移過程對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的響應(yīng)機(jī)制，為東部沿海地區(qū)滯洪減災(zāi)、植被恢復(fù)、生態(tài)安全及重大災(zāi)害預(yù)警體系建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

１ 臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)森林水文過程的影響

１．１ 臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)冠層降雨再分配的影響

臺(tái)風(fēng)暴雨通過對(duì)冠層的干擾和強(qiáng)降雨，影響森林降雨再分配過程，增加了穿透雨量［８］。Ｃｈｅｎｇ等［９］的研究表明，在中國(guó)臺(tái)灣水源林區(qū)，臺(tái)風(fēng)暴雨來襲時(shí)冠層截留為５％～２０％，平均為１１．６％，而一般降雨時(shí)，冠層截留可以達(dá)到５０％，說明臺(tái)風(fēng)帶來的是強(qiáng)度大、雨量多的暴雨，而森林的林冠層截留能力是有限的，當(dāng)雨量超過其最大容量時(shí)，林冠截留降雨的能力就逐漸減弱，且截留率變小，另外，臺(tái)風(fēng)暴雨造成的林冠受損和葉面積減少也會(huì)降低林冠截留量。Ｘｕ等［１０］在日本沖繩島亞熱帶常綠闊葉林的研究表明，臺(tái)風(fēng)暴雨在該區(qū)域森林水文中起著主導(dǎo)作用，穿透雨和樹干徑流各占全年降雨量的５３．９％和３０．９％，冠層截留量為１５．２％。周光益等［６］通過１９８９-１９９３年４個(gè)水文年的水文資料統(tǒng)計(jì)分析表明，以樹干徑流形式流入樹干根際周圍土壤中的水分，４９．３％是由臺(tái)風(fēng)暴雨產(chǎn)生的。樹干徑流對(duì)林地不但不產(chǎn)生侵蝕，而且樹干徑流水?dāng)y帶大量養(yǎng)分流入根際土壤，促進(jìn)了養(yǎng)分的吸收與利用。

１．２ 臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)徑流的影響

周光益等［６］對(duì)海南尖峰嶺熱帶森林的研究表明，臺(tái)風(fēng)對(duì)研究區(qū)域森林集水區(qū)徑流的增加起著重要作用，特別是臺(tái)風(fēng)引起的快速?gòu)搅髂昶骄玻担担?ｍｍ，占年總快速?gòu)搅髁康模罚担ィ倧搅飨禂?shù)為０．３２，水文響應(yīng)值為２３．２％，瞬時(shí)最大洪峰流量為１３５ ｍ３／ｓ。陳步峰等［１１］在海南尖峰嶺的研究表明，山地雨林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)特大暴雨具有延緩暴雨的產(chǎn)流作用。山地雨林系統(tǒng)對(duì)該地區(qū)３次特大暴雨的水文響應(yīng)依次為３２．７％、３５．２％和６２．５％；系統(tǒng)對(duì)雨季第一次大暴雨產(chǎn)流量的延緩、蓄貯效應(yīng)尤為顯著，隨著雨季山地雨林雨量的增多、降雨產(chǎn)流率增大，該系統(tǒng)的這種效益逐漸減小。Ｃｈｅｎｇ等［９］的研究表明，中國(guó)臺(tái)灣林區(qū)土壤滲透性好，年蒸發(fā)量高達(dá)８００～

１ ０００ ｍｍ，只有當(dāng)降雨強(qiáng)度超過２５０ ｍｍ／ｈ時(shí)才會(huì)產(chǎn)生暴雨徑流。很多學(xué)者針對(duì)森林集水區(qū)暴雨徑流的產(chǎn)流機(jī)制進(jìn)行了研究。Ｅｌｓｅｎｂｅｅｒ等［１２］研究了亞馬遜河集水區(qū)暴雨徑流的產(chǎn)生與流動(dòng)路徑，結(jié)果表明老成土雨林中暴雨徑流的產(chǎn)生與氧化土雨林明顯不同，表面徑流或亞表層徑流的產(chǎn)生是由于降雨強(qiáng)度大于土壤飽和導(dǎo)水率。Ｎｏｇｕｃｈｉ等［１３］的研究表明，土壤大孔隙優(yōu)先流對(duì)暴雨快速?gòu)搅鞯漠a(chǎn)生起重要作用。Ｉｒｏｕｍｅ等［１４］的研究發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)不同的森林覆蓋度對(duì)徑流和洪峰的影響很大。Ｇｏｌｌｅｒ等［１５］通過對(duì)降雨、穿透雨、有機(jī)質(zhì)土層土壤溶液、礦化層土壤溶液以及溪流的水樣δ１８Ｏ測(cè)定，認(rèn)為土壤中的側(cè)向流對(duì)暴雨徑流的產(chǎn)生起重要作用，并計(jì)算出３場(chǎng)暴雨新水對(duì)溪流貢獻(xiàn)比例分別為８１％、４４％和７８％。Ｚｈａｎｇ等［１６］通過水文過程中各水文分量的水化學(xué)特征研究，描述了各水文分量的路徑，揭示了徑流機(jī)理。

２ 臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分遷移的影響

２．１ 臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的影響

Ｃｈａｍｂｅｒｓ等［１］的研究表明，臺(tái)風(fēng)造成美國(guó)海灣地區(qū)大量樹木死亡、損傷，增加了林下大量粗木質(zhì)殘?bào)w（ＣＷＤ）的積累，平均損失碳生物量１．０５×１０１１ ｋｇ，相對(duì)于美國(guó)森林每年同化碳量的５０％～１４０％；Ｚｅｎｇ等［１７］研究了１８５１-２０００年臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)美國(guó)森林碳通量的影響，結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)暴雨致使美國(guó)每年平均碳釋放２．５０×１０１３ ｋｇ；１９８０-１９９０年，美國(guó)ＣＯ２的釋放量相當(dāng)于全國(guó)全部森林每年碳同化量的９％～１８％，是１９００年的２倍，原因是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的加強(qiáng)和美國(guó)森林面積的擴(kuò)大，臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)美國(guó)的碳平衡影響深遠(yuǎn)。Ｈｅｒｂｅｒｔ等［１８］研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)嚴(yán)重影響夏威夷森林養(yǎng)分的供應(yīng)效率。Ｒｉｌｅｙ等［１９］的研究表明，臺(tái)風(fēng)增加了森林內(nèi)氮化物的釋放，對(duì)森林氮素循環(huán)有重要影響。Ｘｕ等［２０］的研究表明，臺(tái)風(fēng)干擾強(qiáng)烈影響日本沖繩島亞熱帶森林每年凋落物和養(yǎng)分的輸入量，臺(tái)風(fēng)驅(qū)動(dòng)Ｐ、Ｎ的快速循環(huán)及Ｐ、Ｎ被土壤的高效利用是維持沖繩島亞熱帶森林生產(chǎn)力的重要機(jī)制。周光益［７］的研究表明，臺(tái)風(fēng)來襲期間，海南熱帶山地雨林內(nèi)Ｎ、Ｍｇ、Ｃａ和Ｋ的輸入大于輸出，Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ為輸出大于輸入，臺(tái)風(fēng)是熱帶地區(qū)缺P的主要原因。Ｍｉｈａｒａ［２１］的研究表明，裸地土壤的Ｎ、Ｐ流失是由臺(tái)風(fēng)暴雨帶來的土壤侵蝕造成的。Ｌｉｎ等［２２］在日本福山的研究發(fā)現(xiàn)，頻繁的臺(tái)風(fēng)干擾造成的大量枯枝落葉是養(yǎng)分流失的主要原因，尤其是Ｐ流失量很大，Ｐ缺失成為該地區(qū)樹木生長(zhǎng)和冠層高度的限制因子；Ｘｕ等［２３］在日本沖繩島通過對(duì)臺(tái)風(fēng)干擾后枯枝落葉分解過程中Ｃ∶Ｐ和Ｎ∶Ｐ的比例動(dòng)態(tài)變化發(fā)現(xiàn)Ｐ流失量非常大，這一結(jié)論在中國(guó)海南島熱帶雨林和美國(guó)夏威夷森林得到驗(yàn)證［７，１８］；陳耀德等［２４］在中國(guó)臺(tái)灣棲蘭山區(qū)對(duì)扁柏森林生態(tài)系統(tǒng)的研究表明，臺(tái)風(fēng)干擾造成的非正常大量落葉，會(huì)使Ｋ從此生態(tài)系統(tǒng)大量流失。陳步峰等［１１］在海南尖峰嶺熱帶山地雨林的研究表明，在臺(tái)風(fēng)特大暴雨年的水分循環(huán)中，山地雨林每年減少泥沙流失量６．０１ ｔ／ｈｍ２，保存養(yǎng)分２４１．５ ｋｇ／ｈｍ２，無臺(tái)風(fēng)特大暴雨年，年減少泥沙流失量０．４３ ｔ／ｈｍ２，保存養(yǎng)分１７．３ ｋｇ／ｈｍ２，顯示出熱帶雨林非常明顯的水文功能。

２．２ 臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)水化學(xué)動(dòng)態(tài)的影響

Ｓｃｈａｅｆｅｒ等［２５］通過對(duì)８?jìng)€(gè)臺(tái)風(fēng)干擾后森林水源區(qū)溪水化學(xué)特性的研究表明，溪水中Ｎ、Ｋ、ＮＨ４＋濃度顯著增加，并且保持到第二年，硫酸鹽、氯化物、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ變化不顯著；Ｌｉｎ等［８］研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)對(duì)穿透雨中的Ｈ＋、ＮＨ４＋、ＮＯ３－、ＳＯ４２－有很大影響；Ｘｕ等［２３］的研究表明，臺(tái)風(fēng)可導(dǎo)致林下穿透雨和樹干徑流中的總N、可溶性有機(jī)質(zhì)（ＤＯＣ）、Ｋ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ濃度比一般降雨中的顯著增加；Ｚｈａｎｇ等［１６］研究發(fā)現(xiàn)，在臺(tái)風(fēng)影響下，森林集水區(qū)基流中Ｎ、Ｐ和ＤＯＣ濃度很低，但在地表徑流中這些養(yǎng)分變動(dòng)很大，其中氮顆粒、磷顆粒是基流中的４～５０倍，因?yàn)樗鼈兣c懸浮沉積物有關(guān)，并且養(yǎng)分顆粒傳輸與林下坡面地表徑流有關(guān)。地表徑流中可溶性有機(jī)氮、ＮＯ３－-Ｎ、ＤＯＣ和可溶性磷濃度是基流的１～１０倍；Ｔｓａｉ等［２６］在中國(guó)臺(tái)灣蓮花池森林集水區(qū)對(duì)油松人工林和常綠闊葉天然林對(duì)比研究表明，在臺(tái)風(fēng)暴雨來襲過程中，油松人工林與常綠闊葉林相比，溪水流量顯著增加，離子數(shù)量和濃度波動(dòng)很大；油松人工林溪水中固體顆粒懸浮物是常綠闊葉林溪水中的２倍多。說明天然植被常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)獒樔~人工林后，臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)其水化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生了很大的影響。

綜上所述，國(guó)外的研究主要集中在美國(guó)的夏威夷、加利福尼亞等海灣地區(qū)以及日本的沖繩島、福山等地區(qū)。國(guó)內(nèi)研究主要集中在臺(tái)灣的蓮花池和海南的尖峰嶺。１９９８年《生態(tài)學(xué)雜志》專門出版一輯臺(tái)風(fēng)對(duì)海南熱帶森林植被和水文影響的論文集，但此后該項(xiàng)研究在中國(guó)鮮有報(bào)道。今后應(yīng)該加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)暴雨極端氣候條件下沿海森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程、養(yǎng)分遷移時(shí)間動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)期定位觀測(cè)以及沿海森林生態(tài)系統(tǒng)抵御臺(tái)風(fēng)暴雨的機(jī)理研究。

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［２２］ ＬＩＮ Ｋ Ｃ， ＨＡＭＢＵＲＧ Ｓ Ｐ， ＴＡＮＧ Ｓ， ｅｔ ａｌ． Ｔｙｐｈｏｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｌｉｔｔｅｒｆａｌｌ ｉｎ ａ ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ ｆｏｒｅｓｔ［Ｊ］． Ｃａｎａｄｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Fｏｒｅｓｔ Rｅｓｅａｒｃｈ－ｒｅｖｕｅ Cａｎａｄｉｅｎｎｅ ｄｅ Rｅｃｈｅｒｃｈé Fｏｒｅｓｔｉｅｒｅ，２００３，３３（１１）：２１８４－２１９２．

［２３］ ＸＵ Ｘ Ｎ， ＷＡＮＧ Ｑ， ＨＩＲＡＴＡ Ｅ Ｊ． Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｆｌｕｘｅｓ ｉｎ ａ ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ ｆｏｒｅｓｔ ｉｎ Ｏｋｉｎａｗａ，Ｊａｐａｎ［Ｊ］． Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００５，６２（３）：２４５－２５２．

［２４］ 陳耀德，葉青峯，劉美娟，等．臺(tái)灣山地霧林帶的水分與養(yǎng)分循環(huán)研究［Ｊ］．資源科學(xué)， ２００６，２８（３）：１７１－１７７．

［２５］ ＳＣＨＡＥＦＥＲ Ｄ Ａ， ＭＣＤＯＷＥＬＬ Ｗ Ｈ， ＳＣＡＴＥＮＡ Ｆ Ｎ， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｕｒｒｉｃａｎｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｎ ｓｔｒｅａｍ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｌｕｘｅｓ ｉｎ ｅｉｇｈｔ ｔｒｏｐｉｃａｌ ｆｏｒｅｓｔ ｗａｔｅｒｓｈｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ Lｕｑｕｉｌｌｏ Eｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Fｏｒｅｓｔ， Ｐｕｅｒｔｏ Ｒｉｃｏ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｒｏｐｉｃａｌ Ｅｃｏｌｏｇｙ，２０００，１６：１８９－２０７．

［２６］ ＴＳＡＩ Ｃ Ｊ， ＬＩＮ Ｔ Ｃ， ＨＷＯＮＧ Ｊ Ｌ， ｅｔ ａｌ． Ｔｙｐｈｏｏｎ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｎ ｓｔｒｅａｍ ｗａｔｅｒ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｉｎ ａ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎ ａｄｊａｃｅｎｔ ｎａｔｕｒａｌ ｆｏｒｅｓｔ ｉｎ ｃｅｎｔｒａｌ Ｔａｉｗａｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，２００９，３７８ （３－４）：２９０－２９８．