百望山森林公園典型林地森林水源涵養(yǎng)功能研究

楊 俊 趙新航 張丹丹

(首都綠色文化碑林管理處,北京 100094)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是生物圈生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣、類型最豐富、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),是自然界最完善的資源庫(kù)、蓄水庫(kù)、碳貯庫(kù)和能源庫(kù),占近30%的陸地面積,卻能產(chǎn)生地球60%以上的生物量,對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展起著決定性的作用[1-2]。其不僅為人類提供重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品與服務(wù),還具有涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、森林保護(hù)、生物多樣性保護(hù)和森林游憩等多種生態(tài)服務(wù)功能[3-4]。

森林涵養(yǎng)水源功能主要包括攔蓄洪水、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等[5]。攔蓄洪水是指森林通過減少洪水發(fā)生危險(xiǎn)提供的一種效益。在山區(qū),雨季高強(qiáng)度降雨事件經(jīng)常引發(fā)洪災(zāi)、泥石流和滑坡,森林通過植被冠層、枯落物層和土壤層截留一部分雨水,減少直接落在森林地表的降水量,從而大大減少洪災(zāi)、泥石流和滑坡發(fā)生的概率。調(diào)節(jié)徑流是指森林通過雨季存儲(chǔ)降雨,在旱季補(bǔ)給河道,從而穩(wěn)定河道旱季流量。凈化水質(zhì)是指森林通過河流、湖泊和含水層來過濾、保持和存儲(chǔ)水資源。

森林的水源涵養(yǎng)能力除了與森林的生長(zhǎng)特征相關(guān)外,也受土壤的孔隙結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等因素影響[6-7]。土壤毛管孔隙蓄存的水分不能補(bǔ)給江河或地下水,只能供給植物根系吸收或土壤蒸發(fā),而非毛管孔隙除為飽和土壤水分提供通道外,還為水分的暫時(shí)貯存提供了空間,是土壤快速貯水場(chǎng)所,它體現(xiàn)了林地調(diào)節(jié)洪水,蓄洪作用能力,也反映了非毛管孔隙對(duì)降水的短期停滯量;而土壤排水能力反映在大雨過后土壤吸飽的水分通過土壤的大孔隙向下滲漏到地下水層或通過側(cè)向徑流和地下徑流緩慢流向溪谷的能力,是非降水時(shí)期或旱季森林溪谷徑流水和江河、水庫(kù)的泉源。

依據(jù)2018年7月正式印發(fā)的《北京市生態(tài)保護(hù)紅線劃定方案》,按主導(dǎo)生態(tài)功能劃分,百望山是太行山余脈,屬小西山一帶,是重要的水土保持類型功能區(qū),在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、固持土壤等生態(tài)保護(hù)方面具有重要作用。本研究以百望山的4種典型林地(即側(cè)柏林、油松林、元寶楓林和黃櫨林)為研究對(duì)象,開展了不同類型林地的水源涵養(yǎng)效益和水土保持功能的監(jiān)測(cè)和調(diào)查,分析并評(píng)估其水源涵養(yǎng)功能,旨在加深管理單位和公眾對(duì)百望山森林水源涵養(yǎng)功能的科學(xué)認(rèn)知,為實(shí)現(xiàn)百望山森林生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理和保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

百望山屬太行山余脈,是太行山延伸到華北平原最東端的山峰。主峰海拔210m,總面積244.6hm2,植被茂密,屬溫帶落葉闊葉林區(qū)。百望山森林公園現(xiàn)有森林總面積246.34hm2,主要為新中國(guó)成立后的人工營(yíng)造林,現(xiàn)已全部納入國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)公益林,林地面積227.46hm2,森林覆蓋率達(dá)92.34%。在林地中針葉林面積111.7hm2,以油松、側(cè)柏為主,占林地總面積的47.7%,面積較廣;闊葉林面積13.2hm2,以元寶楓、黃櫨、刺槐為主;針闊混交林面積109.1hm2,混交形式有油松×山杏、側(cè)柏×栓皮櫟等。百望山屬典型的北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促。全年無霜期180～200天,西部山區(qū)較短。其中2007年平均降水量483.9mm,為華北地區(qū)降水最多的地區(qū)之一。降水季節(jié)分配很不均勻,全年降水的80%集中在夏季6—8月,7月和8月常有大雨。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)百望山林地類型的空間分布特征(見圖1),通過結(jié)合百望山遙感影像圖、DEM圖,并根據(jù)已有植被調(diào)查資料,選取有代表性的10塊樣地進(jìn)行園區(qū)森林健康和水源涵養(yǎng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。此外,在百望山森林公園內(nèi)建設(shè)了4個(gè)20m×5m的林地徑流小區(qū),對(duì)徑流區(qū)內(nèi)降雨、徑流量、徑流水質(zhì)、土壤水分等水文參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),用以監(jiān)測(cè)與評(píng)估不同林地徑流調(diào)控功能。以油松、側(cè)柏為代表的針葉林和以元寶楓、黃櫨為代表的景觀闊葉林為研究對(duì)象。4種優(yōu)勢(shì)種面積合計(jì)186.72hm2,占百望山林地面積達(dá)80%,見表1。

表1 4種典型林地面積統(tǒng)計(jì)

2.2 樣地與監(jiān)測(cè)小區(qū)設(shè)置

調(diào)查樣地基本信息見表2,在所挑選樣地內(nèi)建立1個(gè)20m×20m的喬木樣方、2個(gè)5m×5m的灌木樣方、2個(gè)50cm×50cm的草本樣方、2個(gè)30cm×30cm的枯落物樣方,并記錄樣地編號(hào)、調(diào)查日期、調(diào)查人員、經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、植被類型、群落結(jié)構(gòu)等信息。徑流小區(qū)的基本信息見表3。

表2 調(diào)查樣地基本信息

表3 監(jiān)測(cè)徑流小區(qū)基本信息

2.3 樣地與監(jiān)測(cè)小區(qū)設(shè)置

森林土壤蓄水能力可用單位面積蓄水容量來表示[8]:

S=10000hp

(1)

式中:S為蓄水能力,t/hm2;h為土壤平均厚度,m;p為土壤非毛管孔隙度,%。

3 研究結(jié)果

3.1 不同林地水源涵養(yǎng)能力監(jiān)測(cè)與評(píng)估

水源保護(hù)林的生態(tài)效益主要體現(xiàn)在水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)氣候、林木生長(zhǎng)、保育土壤等方面。分別以水文水質(zhì)、氣象、植被和土壤等方面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析百望山林地水源涵養(yǎng)、水土保持生態(tài)效益。

通過對(duì)百望山各植被類型土壤物理性質(zhì)的測(cè)定,可計(jì)算得到不同植被類型土壤持水特性及蓄水能力[9-10],結(jié)果見表4。由表4可見,百望山各林地土壤的最大蓄水能力為1130.50～1454.50t/hm2,其中,油松林地土壤蓄水能力最大,側(cè)柏林最小。

表4 百望山不同植被類型土壤持水特性和蓄水能力

3.2 不同林地徑流調(diào)節(jié)功能監(jiān)測(cè)與評(píng)估

3.2.1 降雨監(jiān)測(cè)

2022年6—10月油松和側(cè)柏林內(nèi)的氣象站記錄的降雨數(shù)據(jù)見表5。監(jiān)測(cè)期內(nèi),共發(fā)生降雨19場(chǎng),根據(jù)《降水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 28592—2012),包括11場(chǎng)小雨(0.1～9.9mm)、3場(chǎng)中雨(10～24.9mm)、3場(chǎng)大雨(25～49.9mm)和2場(chǎng)暴雨(50～99.9mm)。監(jiān)測(cè)期內(nèi)最大降雨在7月28日,降雨量為57.8mm,觀測(cè)期間累計(jì)降雨量為292mm,見圖2。

表5 百望山氣象站監(jiān)測(cè)期降雨特征

圖2 氣象站監(jiān)測(cè)期累計(jì)降雨量

3.2.2 小區(qū)土壤水監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)期內(nèi)最長(zhǎng)的降雨間歇期是2022年8月22日至9月8日,圖3為油松林在這段降雨間歇期的土壤水分變化情況。地下0～10cm土層的土壤含水率遞減速度最快,從38.2%下降至22.9%。10～30cm土層的含水率始終保持最高,從40.6%下降至27.3%。30～50cm的土壤水分(36.6%)在8月22日略低于0～10cm土層,但自8月25日開始土壤含水率高于0～10cm土層,最終土壤含水率為27.4%,僅次于10～30cm的土壤含水率。50～70cm的土壤含水率始終最低,且變化最為緩慢,在20.5%～26.1%之間。

圖3 降雨間歇期8月22日至9月8日油松小區(qū)各土層含水率

8月22日—9月9日,側(cè)柏林0～10cm土層的含水率最高(見圖4),遞減速率最快,從55.9%下降至27.1%;油松林次之,從38.2%下降至22.9%;黃櫨林和元寶楓林的初始含水率相近,明顯低于側(cè)柏林和油松林,土壤含水率變化不明顯,黃櫨林和元寶楓林的含水率分別為18.7%～23.5%和19.4%～23.5%;元寶楓林的土壤含水率探針可能受到外界因素?cái)_動(dòng),在9月2—8日之間出現(xiàn)波動(dòng)。

圖4 降雨間歇期8月22日至9月8日各小區(qū)0～10cm土層含水率

3.2.3 小區(qū)徑流量監(jiān)測(cè)

根據(jù)流量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),側(cè)柏徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到6場(chǎng)有效降雨產(chǎn)流[11-12],總徑流量為25.2L;油松徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到9場(chǎng)有效產(chǎn)流,總徑流量為1495.4L;黃櫨徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到有效產(chǎn)流4場(chǎng),總徑流量274.0L;元寶楓徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到有效產(chǎn)流9場(chǎng),總徑流量為312.4L。

2022年8月6日,側(cè)柏和油松林氣象站測(cè)得降雨23.0mm,黃櫨林氣象站測(cè)得降雨24.0mm,元寶楓林氣象站測(cè)得降雨15.4mm,各徑流小區(qū)徑流總量見圖5。其中,油松小區(qū)產(chǎn)生的徑流總量最多,為664.8L;側(cè)柏小區(qū)產(chǎn)生的徑流總量最少,為16.8L;黃櫨小區(qū)和元寶楓小區(qū)徑流總量較為相近,分別為49.4L和34.6L。

圖5 8月6日降雨各徑流小區(qū)產(chǎn)流量

8月6日油松小區(qū)的產(chǎn)流量是監(jiān)測(cè)期間的最大值,其降雨-徑流過程見圖6,可能由于8月5日的降雨使油松小區(qū)產(chǎn)生了113L的徑流,土壤含水率較高,22:40,徑流開始產(chǎn)生。23:00的降雨量強(qiáng)度達(dá)0.7mm/min,23:10時(shí)洪峰流量為9.6L/min。23:30達(dá)到最大雨強(qiáng),為0.78mm/min,對(duì)應(yīng)的洪峰產(chǎn)生時(shí)間為次日0:20,洪峰流量為8.42L/min,可以看出徑流小區(qū)有一定的洪峰延遲作用。0:20～2:00,降雨中止但小區(qū)仍持續(xù)產(chǎn)生徑流,而2:00～2:10分的降雨強(qiáng)度較小,未能超過土壤的下滲速度,所以未能產(chǎn)生徑流。

圖6 8月6日中雨?duì)顩r下油松小區(qū)的徑流響應(yīng)

3.2.4 小區(qū)徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)

3.2.4.1 泥沙監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)期間,分別在8月7日、8月13日、9月11日和9月13日對(duì)各徑流小區(qū)進(jìn)行徑流采樣,各徑流小區(qū)徑流中泥沙含量見圖7。不同降雨場(chǎng)次后徑流中泥沙含量差異明顯,8月13日取樣泥沙含量明顯高于其他3次取樣。這是因?yàn)?月12日?qǐng)鼋涤炅枯^小,各區(qū)域的降雨量在2～3.8mm,各小區(qū)產(chǎn)生的徑流量均較少,使泥沙的濃度相對(duì)較高。對(duì)比各徑流小區(qū)的徑流泥沙量,發(fā)現(xiàn)在不同降雨中側(cè)柏林、油松林和元寶楓林徑流小區(qū)的徑流中泥沙含量無明顯規(guī)律。黃櫨林的地表植被覆蓋較多,且黃櫨根系可能對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)土壤性質(zhì)有一定的改良作用。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看,黃櫨林小區(qū)在8月7日、8月13日、9月11日、9月13日取樣徑流中泥沙含量分別為0.04g/L、3.9g/L、0.18g/L和0.09g/L,明顯低于其他徑流小區(qū)。

圖7 各徑流小區(qū)徑流泥沙含量

3.2.4.2 徑流營(yíng)養(yǎng)元素濃度

圖8 各徑流小區(qū)徑流中營(yíng)養(yǎng)元素濃度

3.2.4.3 重金屬濃度監(jiān)測(cè)

各徑流小區(qū)徑流中均幾乎未檢測(cè)出Ni、Cd和Pb(見表6),側(cè)柏林和元寶楓林的徑流中幾乎不含Cr(前者平均濃度為0.06μg/L,后者未檢出),明顯低于油松林(5.69μg/L)和黃櫨林(23.43μg/L)。油松林徑流中Fe的平均濃度最高,達(dá)到14.91μg/L,明顯高于黃櫨林(8.92μg/L)、側(cè)柏林(8.07μg/L)和元寶楓林(1.32μg/L)。油松林和側(cè)柏林徑流中Mn的平均濃度(分別為15.35μg/L和9.36μg/L)明顯高于元寶楓林和黃櫨林(分別為0.71μg/L和0.34μg/L)。側(cè)柏林徑流中Cu和Zn的平均濃度(分別為5.79μg/L和7.17μg/L)依次高于油松林(4.84μg/L和1.89μg/L)、黃櫨林(2.89μg/L和1.69μg/L)和元寶楓林(1.9μg/L和0.17μg/L)。樣地土壤本身性質(zhì)、樹根分泌物、人為影響等可能是影響徑流中重金屬濃度的主要因素。整體來看,臨近山腳、易受人為影響的側(cè)柏林和油松林徑流中重金屬的濃度高于黃櫨林和元寶楓林,而海拔最高的元寶楓林徑流中重金屬濃度最低。

表6 百望山各徑流小區(qū)徑流中重金屬濃度 單位:μg/L

4 結(jié) 論

本研究通過在油松、側(cè)柏、元寶楓、黃櫨林地內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)樣地開展植被、土壤、生物多樣性調(diào)查,修建標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū),構(gòu)建氣象、水文等自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),綜合評(píng)估百望山森林公園不同類型林地的水源涵養(yǎng)功能。研究取得的主要結(jié)論如下:

a.各林地土壤的蓄水能力為1130.5～1454.50t/hm2,其中,油松林地土壤蓄水能力最大,側(cè)柏林最小;調(diào)查林地0～30cm土層土壤容重為1.38～1.44g/cm3,土壤毛管孔隙度為39%～44%,非毛管孔隙度為4%～5%,黃櫨林地土壤礫石含量最高,容重最大;油松林地土壤孔隙度大,容重最低。

b.2022年7—9月,側(cè)柏徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到6場(chǎng)有效降雨產(chǎn)流,總徑流量為25.2L;油松徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到9場(chǎng)有效產(chǎn)流,總徑流量為1495.4L;黃櫨徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到有效產(chǎn)流4場(chǎng),總徑流量274.0L;元寶楓徑流小區(qū)共監(jiān)測(cè)到有效產(chǎn)流9場(chǎng),總徑流量為312.4L;黃櫨林的地表植被覆蓋較多,且黃櫨根系對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)土壤性質(zhì)具有改良作用,黃櫨林徑流小區(qū)徑流泥沙含量明顯低于其他徑流小區(qū)。