湖南西毛里湖湖滨毛竹林水源涵养能力及其价值评估

雷 电

(中南林业科技大学环境科学与工程学院 长沙 140001)

水源涵养功能是森林生态系统的一项重要生态功能，水源涵养主要表现为对降雨的再分配过程，即森林的林冠层、枯枝落叶层和地下土壤层等通过拦截、吸收、蓄积降水，涵养大量水源[1]。不同学者关于森林水源涵养价值内涵的理解不同，因此利用不同的方法对森林生态系统的不同部位进行了估算[2]。肖寒等[3]利用水量平衡法对热带尖峰岭森林生态系统服务功能及其价值进行了研究，邓坤枚等[4]利用土壤蓄水能力对长江上游主要森林生态系统的土壤水源涵养能力进行了评价，李晶等[5]利用综合蓄水能力法对陕北黄土高原生态系统的水源涵养价值的时空动态进行了分析。相比而言，综合蓄水能力法能反映潜在的水源涵养价值，且操作性相对简单，因而被多数学者所采用[2,6-8]。

竹林是一种特殊的森林类型，具有重要的水源涵养功能[9]。目前，有学着对福建省[8-10]、重庆市[11-13]和贵州省[14]竹林的水文特征及其生态服务价值进行了研究，但相比其他森林类型，对竹林涵养水源服务价值的研究明显不足。毛竹林是中国竹林生态系统的主体，具有重要的利用价值[15]。本文选择湖南西毛里湖湖滨毛竹林为研究对象，利用综合蓄水能力法研究了湖滨毛竹林的水源涵养能力并对其服务价值进行评估，以期为科学认识毛竹林的生态功能、充分发挥毛竹林在西毛里湖的水源涵养功能提供数据支撑和理论参考。

1 研究区和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于西毛里湖国家湿地公园，地处湖南省常德津市东南部(111°54′3.29″E, 29°19′58.37″N)，位于中亚热带向北亚热带过渡的季风潮湿气候区，年均降水量1 164.3 mm，年均气温16.6 ℃，平均无霜期272 d，平均雾日17 d。西毛里湖周边是坡度平缓的丘岗地，海拔28～60 m。土壤为红壤，粘粒含量高，持水性强，分布有空心莲子草 (Alternantheraphiloxeroides)、野大豆(Glycinesoia)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、虉草(Phalarisarundinacea)、花榈木(Ormosiahenryi)、喜树(Camptothecaacuminata)等植物种类。由于近年来的围湖造田，湖南西毛里湖湿地水面减少，生态服务功能退化严重。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与林分调查

于2015年5月在津市东南曹家毛竹纯林内随机设置3块20 m×20 m的样地，并进行林分调查，记录物种名称、数量、胸径、树高、立竹度等林分结构因子(表1)。在每个样地的上、中、下坡分别设置3个0.5 m×0.5 m的地表枯落物小样方，用来估算枯落物质量；同时，随机设置3个1 m×1 m的灌草层小样方，利用收获法估算灌草层的鲜质量和生物量密度。

表1 样地毛竹纯林林分基本特征

1.2.2 野外定位观测和室内分析

为获得大气降水量，于2015年在毛竹林外空旷处放置2个自动记录雨量筒(RG3-M，Onset公司，美国)；同时在毛竹林的3块样地内分别设置5个自动记录雨量筒(样方4个角和对角线处各放置1个)，用于测定林内穿透雨量。在每个样地内随机选择3株立竹进行树干径流的测定；安装时，将橡皮管剖开后按“蛇”形缠绕一周半，用大图钉固定在树干上，下接雨量桶测量茎流，橡皮管与树皮接触的地方用石蜡密封。

在地表枯落物小样方，用直径卷尺分别测量未分解和半分解层的厚度，并全部取样封装带回实验室称量，以计算枯枝落叶单位面积的干质量。取自然风干后的样品100 g放入孔径为0.2 cm的纱网袋内，然后放入清水中充分浸泡，确定地表枯落物的最大持水率及最大持水量。为获得灌草层生物量密度及其最大持水量，收割小样方中所有灌木和草本，称其鲜质量，结合室内测得含水率数据估算样地灌草层的生物量密度；随机选取收获的灌草样本(1 kg)左右，放入水中浸泡，测定灌木层的平均最大持水量(重复3次)。土壤非毛管孔隙度采用环刀法测定[16]。

1.2.3 毛竹林涵养水源量的估算

林冠层截流量(Q1，m3)按式(1)计算：

Q1=S·P·α

(1)

α=(P-T-C)/P×100%

(2)

灌草层持水量(Q2，m3)或枯枝落叶层持水量(Q3，m3)的大小取决于灌草层(或枯枝落叶)干质量、最大持水率、竹林面积等因子，计算公式如下：

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Q2(或Q3)=S·L·β

(3)

土壤蓄水量(Q4，106m3)主要取决于土壤非毛管孔隙度的大小和土层厚度，计算公式如下:

Q4=S·H·γ

(4)

毛竹林水源涵养能力采用综合蓄水能力法。因此，毛竹林涵养水源的量(Q，m3)即为林冠层、灌草层、枯枝落叶层和土壤层涵养水源量之和，即

Q=Q1+Q2+Q3+Q4

(5)

上述公式中，P、T和C分别代表大气降水量、穿透雨量和树干茎流量(mm)，L为单位面积灌草层(或枯枝落叶层)的干质量(t/hm2)，α、β和γ为毛竹林冠层截留率(%)、灌草层(或枯枝落叶层)的最大持水率(%)和土壤的非毛管孔隙度比例(%)，S为林分面积(hm2)，H为土壤深度(本研究取80 cm)。

1.2.4 毛竹林涵养水源服务价值估算

毛竹林的涵养水源效益，相当于节省了工程投入的成本。因此，可用替代工程的影子价格来计算毛竹林水源涵养价值。根据我国水库工程造价，单位库容造价为0.67元/m3，参考大多数研究[4,9-10,17]，本文亦采用这一价格。结合水源涵养总量评价结果，采用公式(6)计算竹林每年的水源涵养服务总价值：

V水=Q×0.67

(6)

式中，V水为毛竹林每年涵养水源服务价值(元)，Q为每年水源涵养总量(m3)，0.67为单位库容建设成本(元/m3)。

2 结果与分析

2.1 林冠层截留量

基于野外雨量筒的连续观测数据表明，可计算出西毛里湖降水在毛竹林林冠的分配。毛竹林林冠层全年穿透雨和茎秆流量为1 118.00 mm和33.10 mm，分别占总降水量的85.17%和2.52%。由此，可计算出毛竹林林冠层截留量为161.50 mm，截留率为12.30%。根据式(1)和(2)即可计算出单位面积毛竹林林冠层全年的截流量为1 615.00 m3/hm2。

回归拟合结果发现，西毛里湖湖滨毛竹林林冠截留率与降水量具有明显的幂函数型关系(图1)。拟合关系表明，毛竹林林冠截留率与年降水呈现非线性下降趋势，即当降水量较小时，林冠截率较大；随着降水量的增加而林冠截留率不断降低；当降水量继续增大时，林冠截留率趋向平缓。这与降水量较大时林冠层截留趋向饱和的原因有关。

图1 西毛里湖毛竹林林冠层截留与降水的幂函数关系

2.2 灌草层和枯落物层持水量

利用收获法，不难得到灌草层的生物量密度，进而计算出该层的最大持水量(表2)。统计结果表明，西毛里湖毛竹林灌草层平均生物量密度为1.00 t/hm2，最大持水量为1.16 t/hm2，最大持水率约为55.12%。据公式(3)可计算出单位面积毛竹林灌草层的年截流量为0.76 m3/hm2。同样，可计算出枯落物层的储量为6.38 t/hm2，最大持水量为10.54 t/hm2，最大持水率约为165.20%，因此毛竹枯落物层年持水量为17.41 m3/hm2。

表2 毛竹林灌草层和枯落物层持水能力

2.3 土壤持水能力

利用环刀法测出样地毛竹林土壤非毛管孔隙度比例为21.51%，因此根据公式(4)可计算出土壤层的蓄水能力为1 720.80 m3/hm2。

2.4 生态系统涵养水源能力及其价值

利用综合蓄水能力法根据公式(5)可计算得到毛竹林生态系统年涵养水源量为3 353.97 m3/hm2，根据公式(6)可计算出毛竹林涵养水源服务的年价值为2 247.16元/hm2。其中，林冠层、灌草层、枯枝落叶层和土壤层的水源涵养服务年价值分别为1 082.05、0.51、11.66和1 152.94元/hm2，分别贡献总价值的48.15%、0.02%、0.52%和51.31%(表3)。

表3 毛竹林生态系统涵养水源服务价值及各层贡献

3 结论与讨论

利用综合蓄水能力法对西毛里湖湖滨毛竹林的林冠层、灌草层、枯枝落叶层、土壤层和生态系统的水源涵养能力分别进行了评价。西毛里湖湖滨毛竹林林冠层截留率为12.30%，与重庆缙云山的毛竹林相近[12]，但是低于福建的毛竹林(22.90%)[8]，而高于梁山慈竹(9.29%)[14]。冠层截留率差异较大，可能与降雨量、林分密度等不同有关。

相对于林冠层和土壤层，灌草层和枯落物层的水源涵养能力较小，两者之和不到生态系统总价值的1%。因此，部分学者在进行水源涵养能力及其价值评价时，忽略了灌草层[14, 18]，甚至直接用土壤涵养水源量作为整个生态系统的水源涵养能力[4]。但灌草层和枯枝落叶层在森林生态功能中扮演着十分重要的角色，其水土保持和水源涵养的作用不容忽视。

湖滨毛竹林单位面积水源涵养服务年价值排序依次为：土壤层(1 152.94元/hm2)>林冠层(1 082.05元/hm2)>枯枝落叶层(11.66元/hm2)>灌草层(0.51元/hm2)。这与多数研究关于土壤层水源涵养能力在生态系统中贡献最大的结论一致。然而本文结果显示，西毛里湖湖滨毛竹林林冠层的水源涵养能力仅次于土壤层，仅仅用土壤层指示整个生态系统是不太合适的。

非毛管孔隙度能够反映土壤贮水能力的强弱，是评价不同立地类型条件下土壤自身涵养水源及调整土壤水分循环的重要指标[19]。西毛里湖湖滨土壤非毛管孔隙度为21.51%，明显高于重庆和福建毛竹林的非毛管孔隙度。湖滨带土壤较疏松，因此湖滨毛竹林土壤涵养水源能力较内陆更强。当然，树高、胸径和土壤深度也明显影响非毛管孔隙度[16]。科学认识并充分发挥湖滨带毛竹林的水源涵养功能对于西毛里湖保护具有重要的现实意义。