富春江流域人工阔叶幼林涵养水源效果分析

王小明,周本智,钟绍柱,孔维健,王 刚

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所,浙江富阳311400;2.浙江省富阳市水利局,浙江富阳311400)

常绿阔叶林作为亚热带地区的地带性植物群落,具有极为显著的综合生态效应[1-4]。由于历史原因,我国亚热带地区原生的常绿阔叶林植被遭到严重破坏,取而代之的是大面积次生的马尾松和杉木等暖性针叶林[5]。针叶林阔叶化改造是改善亚热带地区林种、树种结构和生态功能的重要途径之一[6-8]。有关人工阔叶幼林造林模式和树种选择[9]、对土壤理化性质和微生物多样性的影响[10-13]、生态防火效应[14]等内容已有相应报道,但目前针对人工阔叶幼林的水土保持和水源涵养状况的研究较少报道[15-16]。鉴于此,本研究对富春江流域人工阔叶幼林的土壤水分状况和水土保持效益进行了为期1 a的定位观测和初步研究,旨在探讨阔叶化改造幼林阶段水土保持林的水文生态功能,为正确评价人工阔叶林的水文生态效益提供基础数据,亦可为本地区水源林的建设提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

2006年初,浙江省实施阔叶林发展工程,对全省范围内重要水系源头、大中型水库周围等区域,采用“封育、改造、迹地更新”等综合措施,改造低效生态公益林,培育阔叶林和针阔混交林。本研究在浙江省富阳市富春江流域的中埠水库库区(119°51-120°01′E,30°03′-30°06′N)的火烧迹地进行。研究区植被属中亚热带常绿阔叶林北部亚地带,为浙皖山丘青冈、苦槠林栽培植被区,天目山、古田山丘陵、山地植被片。气候属中亚热带季风气候,年平均气温16.1℃;年平均降水量1 441.9 mm,年内降水分配不均,5-8月为丰水期,占全年降雨量的60%,年平均相对湿度80%[17]。研究区属杉木林火烧迹地,少量无林地,属低丘地形,海拔100 m左右,坡位大多为中坡或下坡,原有火烧迹地上主要树种是木荷、香樟或者杉木,郁闭度0.2左右,林下植被主要为厥类和苦竹,植被盖度60%～80%。土壤类型为红壤,土壤质地砂土,坡度较缓,10°～20°。

试验人工造林位于富春江流域的杉木火烧迹地和无林地,总造林面积33.3 hm2。主要树种包括木荷、深山含笑、乳源木莲等常绿阔叶树种以及枫香、乌桕、马褂木等落叶阔叶树种。采用全劈清理林地,块状整地,株间混交模式和基于小地形的块状混交。造林时间2005年秋冬季。采用2～3年生实生大苗,苗高＞1.5 m,地径＞3 cm,带土球(20 mm×20 mm)造林,1 605株/hm2。通过对迹地造林的样地调查,造林成活率均达到90%以上,引入的常绿、落叶阔叶树种生长表现良好,7年生平均胸径5.9 cm,平均高3.4 m,平均冠幅2.6 m。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤物理性质测定 2010年3月下旬,采用环刀法在样地内挖掘土壤剖面,用环刀对0-40 cm土层取样,重复3次,并以样地附近无林地土壤作对照。在实验室测定土壤容重、毛管持水量、毛管孔隙度、总孔隙度及渗透系数,具体方法见林业部科技司主编的《森林生态系统定位研究方法》中森林土壤定位研究方法的“环刀法”[18]。

1.2.2 地表径流和径流泥沙观测 以研究区附近立地条件相似的40年生天然次生林为对照,在阔叶幼林和天然次生林内分别建立2个标准地表径流场(10 m×20 m),径流场下坡面建一集水池(容积1 m3),积水池底面建一沉沙池(0.4 m×0.2 m×0.1 m),在2009年雨季(3-11月)观测小集水区坡面径流的大小;每次降雨后及时测量蓄水池中地表径流水量,并从沉沙池中用600 ml的水瓶取满泥沙和水的混合水样。水样先用滤纸过滤,然后把滤纸和泥沙一起放置在105℃的电烘箱内12～24 h,取出冷却后称重。记录每次径流的泥沙含量。

2 结果分析

2.1 降雨特征

实验观测记录了2009年3月24日至2009年11月13日的54次降雨数据,平均每4.9 d一次降雨。观测期内总降雨量1 167.8 mm,次降雨量分布在0.1～191.1 mm之间,降雨历时多数在24 h之内。依据气象预报分类标准,24 h内累计降雨量＜10 mm为小雨、10～25 mm 为中雨 、25～50 mm 为大雨 、50～100 mm为暴雨、100～250 mm为大暴雨,对观测期内每次降雨强度的分布频率进行统计。结果显示：观测期内研究区54场降雨中,小雨23次,占降雨总次数的42.6%;中雨 12次,占 22.2%;大雨 13次,占24.1%;暴雨5次,占9.3%;大暴雨1次,占1.8%。

2.2 阔叶幼林土壤层水文效应

由表1可以看出,人工阔叶幼林对土壤水文性质的改善作用较明显。与对照(无林地)相比,阔叶幼林土壤总孔隙度、毛管持水量和饱和持水量分别提高了21.45%、22.50%和31.14%。重建后林地土壤容重明显降低,阔叶幼林对土壤入渗能力有明显改善,从而提高了土壤水的维持能力。这表明阔叶幼林促进了土壤物理性质的改变,提高土壤孔隙度和持水、渗水能力,改善了林地土壤的水源涵养水土保持功能。

表1 阔叶幼林对土壤水分性质的改善效果

2.3 地表径流和径流泥沙的变化特征

以天然次生林为对照,对人工阔叶幼林水文效应进行观测和分析。从图1-2可知,观测期内阔叶幼林地表径流总量和平均地表径流系数分别为1.87 mm和0.16%,略高于天然次生林同期地表径流总量1.47 mm和平均地表径流系数0.10%。人工阔叶幼林泥沙总量为173.74 kg/hm2,是天然次生林泥沙总量(31.99 kg/hm2)的 5.43倍。在 8月11日大暴雨(113.33 mm)情况下,人工阔叶幼林地表径流(0.569 mm)与泥沙含量(136.4 g)分别是天然次生林地表径流量的3.03倍和泥沙含量的7.91倍,说明人工阔叶幼林在大暴雨条件下的水土保持功能较低,这可能与人工阔叶幼林地尚未完全郁闭、地表枯落物较少、根系持水固土能力弱有关。

回归分析结果显示：人工阔叶幼林和天然次生林的地表径流(Y)与总降雨量(X)均呈线性相关(图1),即随着降雨量的增加,地表径流量增加,其方程式分别为Y=0.0022X-0.0243(R2=0.926,n=35,P＜0.01)和Y=0.0017X-0.0068(R2=0.993,n=54,P＜0.01)。地表径流系数与总降雨量也成正相关(图 2),其方程式分别为 Y=0.0006ln(X)-0.0008(R2=0.706,n=35,P＜0.01)和Y=0.0004 ln(X)+6E-06(R2=0.797,n=54,P＜0.01)。人工阔叶幼林和天然次生林的径流泥沙量与降雨量关系均不显著,这可能是由于泥沙量更多与降雨强度有关。

图1 人工阔叶幼林和天然次生林地表径流与降雨量的关系

图2 人工阔叶幼林和天然次生林地表径流系数与降雨量的关系

2.4 阔叶幼林对地表径流截留效果分析

对阔叶幼林1年来的森林水文定位观测结果分析(表1)显示,人工阔叶幼林对地表径流的拦截作用较明显。小雨量(＜10 mm)的降水,平均地表径流系数为0.056%;中雨量(10～25 mm)和大雨量(25～50 mm)的降雨情况下,平均地表径流系数分别为0.098%和0.123%;暴雨(50-100 mm)和大暴雨(＞100 mm)条件下,平均径流系数分别为0.196%和0.224%。雨量等级越低,拦截作用越大,尤其当降雨量小、历时较长时,截留率越高。在中小降雨强度下,阔叶幼林平均地表径流系数和天然次生林较接近;但在暴雨和大暴雨条件下,阔叶幼林的平均地表径流系数显著高于天然次生林。根据研究区气象站(2008-2009年)观测,全年降雨＜25 mm等级的雨量占23.4%,阔叶幼林能全部截留,不产生地表径流。对于占全年27.6%的暴雨和大暴雨来说,其地表径流系数也仅为0.17%～0.22%,大部分能被阔叶幼林生态系统涵养。照此估算,研究区全年降雨的80%以上能被阔叶幼林涵养,而不产生明显的水土流失,表明阔叶幼林的水源涵养、水土保持效果较好。

表2 不同降雨强度下阔叶幼林和天然林的平均地表径流系数 %

3 结论

通过对浙江富春江流域火烧迹地人工阔叶幼林的涵养水源效果的研究,得出以下主要结论：

(1)人工阔叶幼林改善土壤物理性质效果明显。人工阔叶幼林地土壤容重、渗透速度、总孔隙度、饱和持水量等都优于对照,表明人工阔叶幼林能够改变土壤结构,改善土壤性能,提高土壤的蓄水能力。

(2)人工阔叶幼林的水文生态效应比较明显。监测期间,地表径流总量为 1.87 mm,平均径流系数0.16%,略高于天然次生林同期地表径流总量1.47 mm和平均地表径流系数0.10%。地表径流与降雨量具有显著的线性相关关系,径流系数与降雨量也呈正相关。观测期内人工阔叶幼林泥沙总量为173.74 kg/hm2,是天然次生林泥沙总量(31.99 kg/hm2)的5.43倍。总体而言,人工阔叶幼林水土流失较少,水土保持功能较强。

(3)本文仅对研究区火烧迹地阔叶化改造4 a的幼林阶段的涵养水源效应开展了初步研究,未来还要对阔叶幼林重建的生态效应进一步定位监测,不断完善和优化水土保持林树种组合和模式构建,为我国东部亚热带地区水源涵养林重建提供科学依据。

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