中亞熱帶典型森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能1)

和嫻越 趙洋毅 王克勤 段旭 涂曉云

(西南林業(yè)大學,昆明,650224)

在水資源需求不斷提高和氣候變化異常的背景下,生態(tài)系統(tǒng)服務功能對于人類社會發(fā)展和維持生態(tài)安全的作用日益顯現(xiàn)[1],森林水源涵養(yǎng)功能作為其中的“調(diào)節(jié)器”,在產(chǎn)水、凈水、攔洪、補枯等方面發(fā)揮著重要作用[2]。由于地形、氣候、土壤、植被等多因子的耦合及某一因子的主導,導致森林和水作用過程具有高度復雜性和時空異質(zhì)性[3]。因此,基于動態(tài)視角構(gòu)建長期固定觀測體系來評估不同森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其發(fā)展趨勢[4],有利于生態(tài)服務價值的衡量和保護力度的把握。

森林水源涵養(yǎng)量反映了生態(tài)系統(tǒng)在一定時間和空間范圍內(nèi)儲蓄水的過程和能力[5]。迄今為止,國內(nèi)外研究對水源涵養(yǎng)內(nèi)涵尚未形成統(tǒng)一的認知致使計量方法多樣,不同的計量原理以不同的數(shù)據(jù)源和技術(shù)作為支撐,主要有水量平衡法[6]、降水儲存法[7]、綜合蓄水能力法[8]、地下徑流法[9]等。水量平衡法將某區(qū)域一段時間內(nèi)收入與支出水量之差視為水源涵養(yǎng)量[10],時空尺度適應性較強,是目前應用最廣的方法之一[11-12]。許多研究者利用3S技術(shù)對各類生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能進行了評估[13-15],但由于缺乏理論內(nèi)涵的統(tǒng)一性和立地條件的特殊性,難以在尺度效應間有效匹配和推算,限制了成果的分析和應用[16]。而尺度問題是導致包括水源涵養(yǎng)計量在內(nèi)的評估生態(tài)服務功能備受質(zhì)疑的另一關(guān)鍵點[17]。大區(qū)域尺度的涵養(yǎng)量評估常以多年平均數(shù)據(jù)來估算[18],但近年來氣候變化的強度和頻度都遠超出經(jīng)驗范圍,用均值或經(jīng)驗值難以體現(xiàn)具體某一年份的水源涵養(yǎng)量或發(fā)展趨勢[19]。故建立在精確識別單株尺度、林分尺度、區(qū)域尺度,降水事件、季節(jié)尺度、年尺度上開展森林水源涵養(yǎng)功能特異性的研究具有重大意義[20]。

降水貫穿整個森林生態(tài)系統(tǒng)后發(fā)生的水分調(diào)配、蓄持、釋放與水質(zhì)改善[21],本質(zhì)上決定了森林水源涵養(yǎng)功能的積極層面,對水文、氣象、土壤、植被等因素的時空依賴性是其根本屬性。國內(nèi)外關(guān)于水源涵養(yǎng)功能的研究集中在影響因素的量化和探索上,并在各種地形類型中取得豐碩成果[22-23],但鮮有對高海拔區(qū)域的研究[24]。磨盤山地處云貴高原橫斷山脈和青藏高原南緣的地理結(jié)合部,是一個低緯度高海拔的復合型生態(tài)過渡帶[25]。磨盤山森林生態(tài)系統(tǒng)是滇中地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障和水源涵養(yǎng)區(qū),發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保持水土、改善水質(zhì)等生態(tài)功能[26]。雖然云南屬于全國水資源相對豐富的區(qū)域,但水資源安全狀況處于全國中等偏下[27],且大部分地區(qū)干濕分明,頻發(fā)季節(jié)性干旱。鑒于此,本研究以國家林業(yè)和草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站觀測區(qū)域為研究區(qū)域,以中亞熱帶典型的5類森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,對不同森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能進行評估并分析其影響因素,以期為區(qū)域水源涵養(yǎng)林的建設和生態(tài)服務功能的完善提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市新平彝族傣族自治縣磨盤山森林公園內(nèi)的國家林業(yè)和草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站觀測區(qū)域(101°55′13″～102°4′E,23°54′～24°2′30″N),屬于中亞熱帶山地氣候,海拔1 260.0～2 614.4 m,因山地氣候和低緯度季風氣候交互作用形成不同類型的森林生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)觀測站長期氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計,該區(qū)多年平均降雨量為1 050 mm,降雨集中分布在5—9月份,干濕分明,雨熱同季。最高氣溫33 ℃,最低氣溫-2.2 ℃,年均氣溫為18.5 ℃。土壤以第三紀古紅土發(fā)育的山地紅壤和玄武巖紅壤為主,其次為黃壤和棕黃壤,土層厚度1 m左右。區(qū)域內(nèi)植被類型隨海拔變化有明顯的垂直分布特征,森林類型自上到下為常綠闊葉林、針葉林、針闊混交林。

2 研究方法

2.1 樣地布設

研究以區(qū)域內(nèi)的常綠闊葉林、滇油杉林、云南松針闊混交林、高山櫟林和華山松林5類典型森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,樣地基本概況見表1。在各林型內(nèi)分別布設了100 m×100 m的1 hm2固定樣地,并在每塊固定樣地內(nèi)的典型地段設置有3個20 m×20 m的固定觀測樣方,每塊樣地內(nèi)均設設置1個標準(20 m×5 m)徑流小區(qū)對降雨及產(chǎn)流開展實時動態(tài)監(jiān)測。

表1 磨盤山不同森林類型樣地基本概況

2.2 降雨及地表徑流觀測

在各林分樣地內(nèi)徑流小區(qū)的中坡位處布設一臺自記式翻斗雨量計(美國Onset HOBO公司生產(chǎn)的RG3-M),實時監(jiān)測林內(nèi)降雨特征。同時在林內(nèi)選取4處郁閉度適中的林冠下方布設直徑為20 cm的自制雨量筒,在雨季(5—9月)降雨2 h后記錄林內(nèi)雨量。在徑流小區(qū)集水池內(nèi)布置HOBO U20自計水位計對地表徑流水位進行自動觀測,進而計算產(chǎn)流量。研究區(qū)內(nèi)設有Envidata-thies全自動野外固定氣象站用于全年實時記錄林外氣象數(shù)據(jù)。

2.3 林地蒸騰、林分因子及土壤物理性質(zhì)測定

在各林地樣方內(nèi)確定不同樹種、灌木的標準木和標準枝并做標號,于每年選擇一個天氣晴朗的日子進行林木蒸騰量測定,方法參考劉奉覺[28]的野外離體快速沉重法。同時,對每個林地進行林分因子調(diào)查,包括樹種、林齡、林分密度、郁閉度、葉面積指數(shù)、凋落物蓄積量等指標。在各樣地內(nèi)挖掘一個50 cm的土壤剖面,采用環(huán)刀法[25]分5層取土樣,帶回實驗室測定土壤密度和通氣孔隙度等指標。

2.4 水源涵養(yǎng)量計算

研究采用水量平衡法計算涵養(yǎng)量來評估不同森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能,月、年時間尺度的水源涵養(yǎng)量用總降水量減去雨期蒸騰量和地表產(chǎn)流[9]。研究區(qū)干濕分明,雨季降雨量占全年降水量的90%,故選擇雨季降水量的均值作為降水量計算。研究表明林地地面蒸發(fā)僅占年降水量的8.9%[29],且較厚凋落物層能有效抑制土壤蒸發(fā),故水源涵養(yǎng)量計算未考慮土壤蒸發(fā)。水源涵養(yǎng)量計算公式為:

W=P-E-R。

式中:W為單元水源涵養(yǎng)量(mm),P為雨季降雨均值(mm),E為林地蒸騰量(mm),R為地表徑流均值(mm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量年際變化

對2017—2021年不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量使用Manna-Kendall檢驗法[17]進行時間序列趨勢檢驗,結(jié)果表明常綠闊葉林(z=0.734<1.280,P=0.462)、滇油杉林(z=1.224<1.280,P=0.220)、針闊混交林(z=0.245<1.280,P=0.807)、高山櫟林(z=0.734<1.280,P=0.462)、華山松林(z=0.735<1.280,P=0.462)均有增長趨勢但不顯著,5類森林生態(tài)系統(tǒng)在2017—2021年水源涵養(yǎng)量增幅分別為14.0%、27.8%、48.5%、167.5%以及56.7%。此外,2017—2021年降雨量和水源涵養(yǎng)量經(jīng)過非參數(shù)檢驗及多重比較后表明:2018年的降水量和水源涵養(yǎng)量相比于2017、2019年有顯著增長(P<0.05),2018年較其他年份雨水豐沛,5類森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)為5 a內(nèi)最多。

常綠闊葉林和高山櫟林在2019—2021年的水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)均勻增長的趨勢(表2),原因在于這3年較高海拔區(qū)域降水量呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的增勢。近3年高山櫟林水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)更佳,從2019年的34.9 mm增長到了2021年的93.4 mm,增幅高達170.3%,而常綠闊葉林雖然5 a內(nèi)水源涵養(yǎng)量最高,但2019—2021年僅增幅14.1%。這是因為高山櫟林因位于山頂受季風和低溫影響形成矮林,林分郁閉度較高,高山櫟林清晨、傍晚甚至是午后易出現(xiàn)持續(xù)時間較長的濃霧形成霧降雨,增加林內(nèi)降雨。總之,降雨較稀少的年份里,高山櫟林比常綠闊葉林水源涵養(yǎng)功能強。

表2 不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量、蒸騰量、林內(nèi)降雨量、地表徑流量年際變化

針葉樹種水源涵養(yǎng)量增減趨勢與常綠樹種不同(表2),2019—2021年僅華山松林有明顯的增勢,從2019年的46.9 mm增長到了2021年的66.1 mm,增幅41.1%。滇油杉和華山松均屬于近熟林,但華山松林林分密度更大(表3),并且滇油杉林坡度(30°)較陡,相比于坡度平坦(10°)的華山松攔蓄地表徑流能力較差。因此,華山松林水源涵養(yǎng)功能強于滇油杉林。然而,云南松針闊混交林2019—2021年的水源涵養(yǎng)量未表現(xiàn)出與常綠闊葉林、滇油杉林和華山松林一致的持續(xù)增長趨勢,結(jié)合林分調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)近3 a林木自然更新加快或幼木幼苗死亡,林分密度相較于2017年有明顯減少(表3),林分整體蒸騰能力變?nèi)?攔蓄地表徑流能力也波動較大。

表3 2017年和2021年不同森林生態(tài)系統(tǒng)林分調(diào)查

3.2 不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的空間分布

研究區(qū)各類森林生態(tài)系統(tǒng)2017—2021年多年平均水源涵養(yǎng)量的大小依次為常綠闊葉林(97.2 mm)、高山櫟林(77.6 mm)、針闊混交林(71.7 mm)、華山松林(65.2 mm)、滇油杉林(60.2 mm)。各森林生態(tài)系統(tǒng)多年平均水源涵養(yǎng)量的空間分布存在明顯的區(qū)域差異,從海拔梯度上看,2 362 m以上的常綠闊葉林和高山櫟林的水源涵養(yǎng)功能優(yōu)勢于2 196 m以下的的滇油杉林、針闊混交林和華山松林的水源涵養(yǎng)功能。同時,海拔梯度劃分了林分類型,常綠闊葉林和高山櫟林的平均水源涵養(yǎng)為87.5 mm,滇油杉林和華山松林的平均水源涵養(yǎng)量為62.7 mm,可以看出常綠林水源涵養(yǎng)量明顯高于針葉林水源涵養(yǎng)量。

此外,森林水源涵養(yǎng)量與降雨量空間分布基本一致,與蒸騰量空間分布接近,表現(xiàn)為常綠闊葉林和高山櫟林蒸騰能力高于針葉林和針闊混交林。地表徑流量空間分布與水源涵養(yǎng)能力空間分布相反,表明針葉林和針闊混交林攔蓄地表徑流能力較常綠闊葉林和高山櫟林能力較弱?？偠灾?水源涵養(yǎng)量的空間分布主要取決于降水量和林分類型,水源涵養(yǎng)能力最強的是常綠闊葉林。

3.3 影響水源涵養(yǎng)動態(tài)變化的因素

自2017年起,生態(tài)監(jiān)測站每年對森林生態(tài)系統(tǒng)的氣象、水文、生物和土壤等要素進行調(diào)查測定和記錄。對影響水源涵養(yǎng)量的林分因子和土壤物理性質(zhì)因子進行偏相關(guān)性分析(表4),選取的因子分別是林內(nèi)降水量、蒸騰量、地表徑流量、林分郁閉度、葉面積指數(shù)、凋落物蓄積量、土壤密度、土壤通氣孔隙度。結(jié)果表明,不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的影響因素不同且差異較大,5類森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量與林內(nèi)降水量皆呈顯著或極顯著正相關(guān),而與蒸騰量和地表徑流量無顯著相關(guān)關(guān)系。森林土壤的貯水能力主要取決于土壤通氣孔隙度,在相關(guān)因素分析中,常綠闊葉林和滇油杉林的水源涵養(yǎng)能力與土壤通氣孔隙度呈顯著正相關(guān),可以看出土壤通氣孔隙度是除降水量外最重要的影響因素。從高山櫟林和滇油杉林的影響因素相關(guān)分析中表明,凋落物蓄積量和林分郁閉度也是水源涵養(yǎng)量的重要影響因素,凋落物蓄積量與水源涵養(yǎng)量呈極顯著正相關(guān),林分郁閉度與水源涵養(yǎng)量呈顯著正相關(guān)。凋落物層能有效減緩地表徑流流速從而延長水分下滲時間,將地表徑流轉(zhuǎn)變?yōu)槿乐辛骰蛲寥浪?并且凋落物層能抑制土壤蒸發(fā),增強森林水源涵養(yǎng)功能。在華山松林的相關(guān)分析里,土壤密度是影響水源涵養(yǎng)功能的特殊因子,表現(xiàn)為與水源涵養(yǎng)量呈顯著負相關(guān),土壤密度越大,土壤通氣孔隙度越小,進而影響了土壤蓄水能力?；疑P(guān)聯(lián)度分析[30]在綜合評價森林水源涵養(yǎng)功能時表現(xiàn)出較強的科學性和適用性,在影響中亞熱帶典型森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能指標中,林內(nèi)降雨量(關(guān)聯(lián)度0.811)對水源涵養(yǎng)量的影響最大,凋落物蓄積量(0.731)、郁閉度(0.730)、地表徑流量(0.714)、葉面積指數(shù)(0.706)、蒸騰量(0.629)次之,通氣孔隙度(0.628)最小。

表4 不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)變化影響因素Pearson相關(guān)分析

此外,采用線性回歸模型來預測空間上未知點的水源涵養(yǎng)量或其參數(shù)。模型以氣象、土壤、林分特征等為影響因子,利用相關(guān)分析得出不同森林生態(tài)系統(tǒng)的顯著影響因子作為模型自變量,水源涵養(yǎng)量為因變量(表5)。常綠闊葉林水源涵養(yǎng)回歸模型為:Y=0.355X1-14.819X2-55.492,滇油松林水源涵養(yǎng)模型為:Y=0.813X1+3.967X2+0.021X3-92.924,針闊混交林水源涵養(yǎng)模型為:Y=0.972X-79.267,高山櫟林水源涵養(yǎng)模型為:Y=1.07X1-31.727X2+99.353,華山松林水源涵養(yǎng)模型為:Y=1.07X1+31.328X2-118.439。不同森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)回歸模型均表現(xiàn)與影響因子較好的線性關(guān)系,耦合程度較高。

表5 不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)回歸模型

4 討論與結(jié)論

通過水源涵養(yǎng)量的年際變化來分析磨盤山不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的發(fā)展趨勢,因時間尺度較小,MK趨勢檢驗沒有顯著的增減趨勢。有研究提出目前在有監(jiān)測能力和數(shù)據(jù)可用性有限的地區(qū),缺乏關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務模式和趨勢的詳細信息[31],特別是山區(qū),而本研究監(jiān)測時間雖短,但充分利用詳盡的監(jiān)測信息來彌補此不足,同時側(cè)面反映了固定生態(tài)觀測站長期監(jiān)測的必要性。不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的空間分布看,水源涵養(yǎng)量與降水量的空間分布基本一致且顯著相關(guān),該結(jié)論與水源涵養(yǎng)功能相關(guān)的研究基本一致,而尺度區(qū)域較大的研究中表明涵養(yǎng)量與蒸騰量呈顯著相關(guān)[17,32]。從森林類型看,常綠闊葉林水源涵養(yǎng)功能最強,與孫清琳[33]、曹葉琳[34]、馬維玲[35]等人研究結(jié)果一致,而龔詩涵[31]、王耀[36]、毛軍[37]等人的研究結(jié)論為針葉林或針闊混交林水源涵養(yǎng)功能最強,造成差異的原因除了研究區(qū)的地域分異外,在劉業(yè)軒[11]的研究中也闡明計算原理和使用模型的差異會導致研究結(jié)果不同。從海拔分析,研究結(jié)論為水源涵養(yǎng)功能隨海拔先增高后下降,與張宏鋒[38]在海拔高度為900～1 200 m的研究結(jié)論一致,而唐玉芝[39]在海拔680～2 880 m研究的中表明水源涵養(yǎng)量與海拔呈顯著負相關(guān),雖然海拔梯度差異使得結(jié)論不一致,但共性是海拔高的森林生態(tài)系統(tǒng)因低溫使生物特性和氣象因素受到影響,進而影響水源涵養(yǎng)功能。

在水源涵養(yǎng)功能影響因子的相關(guān)分析中表明林內(nèi)降雨量是所有森林生態(tài)系統(tǒng)的最重要的影響因素,而林分郁閉度和葉面積指數(shù)影響著林冠的截留能力,對水源涵養(yǎng)量有間接影響。常綠闊葉林和高山櫟林水源涵養(yǎng)功能相對較好,而林齡、林分密度和葉面積指數(shù)也相較于針葉林和針闊混交林表現(xiàn)更佳,故林齡、林分密度和葉面積指數(shù)也關(guān)系著水源涵養(yǎng)能力。盡管此研究針對的是雨季水源涵養(yǎng)量,未考慮林木和土壤的蒸散發(fā)情況,但對于旱季而言,土壤蒸發(fā)量大,土壤理化性質(zhì)是必不可少的影響因素。已有研究表明土壤類型也是水源涵養(yǎng)功能的影響因素,紅壤蓄水能力高與黃壤[32],而研究中海拔接近的華山松和滇油杉也呈現(xiàn)相同結(jié)論。森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)是多因子耦合后的復雜動態(tài)過程,因此,需要從綜合全面的角度來分析森林生態(tài)系統(tǒng)功能。

森林水源涵養(yǎng)量計算采用水量平衡法并用降水貯存法進行驗證,表明單元水源涵養(yǎng)量估算合理。無論水源涵養(yǎng)量的計算原理是依據(jù)水量平衡法、降水貯存法還是綜合蓄水法等,結(jié)果得到的是降水后的森林承載水能力的上限,未考慮地下水或更深層次含水量[12]。一些研究中表明旱季水源涵養(yǎng)量會出現(xiàn)負值[40],本研究通過雨季數(shù)據(jù)計算不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵量的最大值,未計算出旱季或整體而言的水源涵養(yǎng)量。而單元水源涵養(yǎng)量計算結(jié)果為相對值且綜合考慮了氣象、植被、土壤等因素,可用于評估不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能差異。

本研究基于國家林業(yè)和草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站監(jiān)測數(shù)據(jù),采用水量平衡法進行不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的計算,評估了2017—2021年磨盤山國家森林公園內(nèi)5類典型森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能的年際變化,分析了水源涵養(yǎng)量的時空分布特征和影響因素。得出以下主要結(jié)論:

(1)2017—2021年不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的有增長趨勢,2018年的降水量和水源涵養(yǎng)量相比于2017、2019年有顯著增長,2018年較其他年份雨水豐沛,5類森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)為5 a內(nèi)最多。2019—2021年常綠闊葉林、高山櫟林和華山松林水源涵養(yǎng)功能均呈較好增長趨勢,而滇油杉林和針闊混交林表現(xiàn)不佳。

(2)水源涵養(yǎng)量的空間分布主要取決于林內(nèi)降水量和林分類型,與林內(nèi)降雨量和蒸騰量空間分布大致相同,而與地表徑流量的空間分布不同?？臻g分布上常綠闊葉林水源涵養(yǎng)功能最強(97.2 mm),高山櫟林(77.6 mm)、針闊混交林(71.7 mm)、華山松林(65.2 mm)次之,滇油杉林水源涵養(yǎng)能力相對最弱(60.2 mm)。

(3)5類森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的影響因素不同且差異較大,綜合評價林內(nèi)降水量和凋落物蓄積量為主要顯著影響因素,與水源涵養(yǎng)量呈顯著正相關(guān)。通過建立不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量與顯著影響因素的線性回歸模型以預測空間上未知點和參數(shù),結(jié)果顯示其具有較高的耦合性。