甘肃子午岭林区不同林分水源涵养能力研究

魏宏征,肖战峰,何小军,李世轩,佘占军

(1.甘肃省子午岭林业管理局合水分局,甘肃 合水 745400；2.甘肃省子午岭林业管理局合水分局蒿咀铺林场,甘肃 合水 745405)

子午岭位于黄河中游,其森林生态系统为黄河流域主要水源涵养林区,也是黄土高原目前保存较好的一块天然植被区和重要的生态公益林。子午岭甘肃段位于黄土高原甘肃省东部庆阳市境内。子午岭林区既是泾河、洛河两大水系的分水岭,又是这两大水系的发源地和补给区,也是陕西和甘肃两省的分界线,被誉为陇东大地的“生态安全屏障”、黄土高原的“天然水库”。甘肃子午岭林区总经营面积 488 790hm2,其中:森林面积318 715.93hm2,活立木总蓄积1 605.28万m3,森林覆盖率65.21%。其较完备的森林生态系统在该区域内发挥着水土保持、水源涵养、调节气候、净化空气及生物多样性平衡等至关重要的作用。在干旱半干旱地区,生态环境问题的核心是水资源的有效保护和合理开发利用[1],而水源涵养林对减缓水土流失、维持流域水量和水质起着非常重要的作用[2]。本次研究的水源涵养是森林生态系统的重要生态功能之一,它主要体现在林冠层、枯枝落叶层及土壤层对水分的调蓄与再分配等功能上[3]。因此,该实验重点只从不同森林类型树冠截持、地表径流、枯落物持水量和土壤含水量等方面对涵养水源能力(仅从水量方面进行探讨,不作水质方面的研究分析)影响的差异性,进行综合分析研究,以期为该区域生态环境保护、修复和造林绿化树种合理配置提供理论依据。

1 研究区概况

实验点位于甘肃省子午岭林业管理局合水分局蒿咀铺林场的三官桥营林区12林班58小班和11小班内,地理坐标为北纬36°04′42.32′′,东经108°20′32.53″。蒿咀铺林场经营总面积为25 480hm2,其中:森林面积15 759.95hm2,活立木总蓄积为64.62万m3,森林覆盖率为61.85%。境内分布有大面积的天然次生林和人工林,常见的主要树种有油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)等常绿针叶纯林以及辽东栎(Quercuswutaishanica)、山杨(Populusdavidiana)、小叶杨(Populussimonii)、白桦(Betulaplatyphylla)、茶条槭(Acerginnala)等天然落叶阔叶混交林；天然生长灌丛以胡枝子(Lespedezabicolor)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、西北栒子(Cotoneasterzabelii)为主；草本以蒿类(Artemisiaspp)、羊茅草(Festucasp.)为主。实验点属于泾河水系,暖温带半湿润区,实测年均降雨量690.8mm,年均气温10.8℃；土壤种类以森林灰褐土为主,有机质含量较高。

2 研究材料与方法

2.2 研究材料

自2013年以来,甘肃省林业厅(现为甘肃省林业和草原局)“天保”办、公益林办共投入资金168.16万元,在蒿咀铺林场,建立了“天保”公益林森林生态效益监测点。截至目前,基础设施建设有:地面气象园1处、坡面径流场3处、树干径流观测样地1处、固定样地3处、量水堰1座、观测井1眼、小型实验室1处。仪器设备配有:气象监测类设备2台、水文水质监测类设备4台、森林土壤监测类设备3台、土壤入渗仪1组、植物生长状态检测类设备3台、数据采集类设备8台、复合气体检测仪1台、激光连续检测粉尘仪1台、负氧离子测定仪1台、泥沙比重计1台、电子天平1台、实验器皿等仪器。2016年1月,正式开始按照《森林生态系统定位观测指标体系》(LY/T 1606-2003)、《森林生态系统长期定位观测方法》(GB/T 33027-2016)等国家林业标准和行业标准的要求进行森林气象、水文、土壤、植物群落结构等基础数据的连续监测、分析和初步研究等工作。

2.2 研究方法

2.2.1样地设置

在典型代表性的地段,通过卫片比对和现地踏查取样方法,选择地形、流域、土壤、坡度、植被、密度等因子基本相同,枯落物层近自然状态的针阔混交林、阔叶混交林、油松纯林3种林分,在每一种林分内,分别选取3个植被类型不同的植物群落:1)乔木植被,实验点内该植物群落只有乔木树种且郁闭度为0.6,没有灌丛及草本植物,除油松纯林由于初植密度过大,可以直接选取样地之外,其它两个林分类型因实验所需,均通过人工抚育后达到实验标准；2)乔灌植被,实验点内该植物群落只有乔木树种和灌丛植被,且乔木层郁闭度为0.6,灌丛盖度为16%,没有草本植物,该植被类型的3个样地均通过人工抚育后达到实验标准；3)乔灌草植被:实验点内乔灌草植被均有,且乔木层郁闭度为0.6,灌丛和草本盖度为16%和22%,该植被类型的3个样地可以直接选取,没有经过人工抚育。3种林分共建立9个监测样地开展实验研究。

2.2.2观测方法

分别建立简易坡面径流场监测地表径流量,径流场四周有围堰,下部有储水槽,坡度在10°以上,宽度为5m,水平投影长20m,面积为100m2。以2cm为一个径阶,每个样地每个径阶选3株树形、冠幅接近平均值的标准树,采用横切的半环聚乙烯管,与水平面呈30°倾角绕树干1～2周,并用橡皮泥将树干与胶管间的空隙封严,胶管下端接入雨量筒,通过无线传感器读取数据的方式,测定树干径流量。在9个不同类型的径流场附近,选择草层均匀(高不超过20cm)的空旷地块,建立5m×5m的小气候观测站,安装10要素气象观测仪(型号:Vantage Pro2)获取林外降雨量。严格按照《森林生态系统定位研究站数据管理规范》要求,在3株目标树下和1处林间空隙处沿等高线方向,分别安装集雨槽4个,监测林内降雨量。在径流场下部通过集水导管,将地表径流水、林内降雨分别汇集到翻斗式雨量筒(型号:L3,UK-YL-D)中,通过自动雨量计(型号:Vantage Pro2)和无线传感器(型号:GPRS-1),在电脑终端花生壳软件上,自动读取地表径流量和林内降雨量数据。由于本研究对冬季降雪不做分析,因此,地表径流量、林内外降雨量和树干径流量监测从2019年4月开始至11月底结束；由于油松纯林完全落叶至第二年3月底结束,所以,枯落物及土壤测定数据在2020年3月底完成采样监测。

2.2.3测定与计算方法

1) 林冠截持量测定:依据树冠截持量计算公式(式(1)),得出不同林分类型和植被类型的林冠层截持降雨量；

I=P-T-S

(1)

式中:I为林冠截留量；P为大气降雨量；T为林内穿透降雨量；S为树干径流量,单位均为mm[4]。

本次实验将通过大气降雨进入林地内的所有降雨称为林内产水量,因此,林内产水量=林内穿透降雨量+树干径流。

2) 土壤侵蚀模数测算:测定一次径流过程泥沙总量,利用式(2)计算得出土壤侵蚀模数。在不考虑树木自身蒸腾储备降雨的情况下,林冠截持降雨全部通过冠层蒸散至大气层。

H=(10-6C)×(1000×1000)/(5×20)

(2)

式中:H为土壤侵蚀模数,C为一次径流过程泥沙总量)。

3) 枯落物层持水量测定:选择有代表性的地块,布设50cm×50cm的样方,按未分解层(基本保持原有形状和质地的枯枝落叶)、半分解层(未完全腐化,肉眼观察能分辨出枝叶大体形状的枯枝落叶)和已分解层(完全腐化,通过肉眼不能分辨出枝叶形状的枯枝落叶)分别取样调查。现地调查厚度及自然含水重量平均值后,将样品及时带回实验室,采用电热恒温干燥箱将样品烘干24 h后称重,求出自然含水率；原状装入细网尼龙袋,进行浸水实验,浸泡24 h后,静置至枯落物中有极少的水滴滴出为止,称枯落物湿重,分别计算枯落物未分解层、半分解层和已分解层持水率。计算公式[5]为:

W0=(ma-m)/m

(3)

式中:W0为枯落物层持水率(mm),ma为样品总湿重(g),m为烘干后样品质量(g)。

依据式(4)推算出枯落物持水总量:

枯落物持水总量=林内产水总量×(枯落物未分解层持水率+枯落物半分解层持水率+枯落物已分解层持水率)

(4)

4) 土壤容重测定:在选定的代表性地段,挖掘土壤剖面,分别在10,30,50cm和100cm处用200 cm3环刀(高5.2 cm,半径3.5 cm)分层采样取土,每层取样3个(环刀内样品无石块或粗根,土壤结构不受破坏,使环刀内土壤体积与环刀容积相等,并盖好盖子,写好标签),带回室内测定。将充满土样的环刀,放入烘箱中在105℃下烘至恒重、称重。计算公式为:

dv=(W-W环)/V

(5)

式中:dv为土壤容重,单位g/cm3；W为烘干后环刀重+干土重,单位g；W环为环刀重,单位g；V为环刀的体积,单位cm3。

5) 土壤饱和含水重量测定:将测定土壤容重的原土样放入水槽中,使水面高度和环刀土面相平,静置6h后,从水槽中取出,稍置10s,使多余水流出,用干布将环刀擦干、称重,然后再将环刀放回水槽内,放置4～5h后重复称重,直到恒重,利用土壤容重计算公式求出土壤饱和含水重量。

6) 土壤饱和含水率计算:通过实验测定的土壤容重和饱和含水重量平均值,利用式(6)得出土壤饱和含水率。土壤饱和含水率=(土壤饱和含水重量-土壤容重)/土壤容重×100%

(6)

7) 土壤层储水总量估算:本次实验通过各林分不同植被类型土壤饱和含水率,结合林内产水量,利用式(7)估算出各林分不同植被类型的土壤层储水总量。

土壤层储水总量=林内产水量×土壤饱和含水率

(7)

8) 地表蒸散量估算:由于监测点未设置蒸散仪等监测设备,本次实验通过测定的林外降雨量-地表径流总量-枯落物持水总量-土壤储水总量,估算得出各林分不同类型的地表蒸散量。

9) 水源涵养量计算:水源涵养量为区域降水量与蒸散量之差再扣除其它消耗部分[6]。计算公式为[7]:

W=P-E-R

(8)

式中:W为区域水源涵养量(mm),P为林外降雨量(mm),E为地表蒸散量(mm),R为地表径流量(mm)。

3 结果与分析

3.3 林冠层截持量

实验区各林分不同植被类型林外、林内降雨量数据采集分析情况如表1所示。由表1可知,各林分不同植被类型平均林冠截持量为71.84mm,截持量最大的是针阔混交林乔灌草植被(85.42mm),最小的是油松纯林乔木植被(48.30mm)。通过表1可以看出,树冠截持涵养水源几乎不受植被类型的影响,但受林分类型影响明显,呈现出针阔混交林>阔叶混交林>油松纯林,与林内穿透降雨量变化完全相反,即:林外降雨量相同的情况下,林冠截持量越大,林内降雨量越小。说明,林外降雨量通过不同林分的林冠层截持后,进入林内的降雨量不同。树冠截持的部分降水少量通过树体自身蒸腾涵蓄之外,其余全部蒸散于大气层。结合林冠层计算方法进一步分析可知,林冠截持量只与乔木层有关,与灌草层关系不是很明显。当然,林冠截持量的影响因素还与降雨强度、郁闭度、林冠结构、叶面积指数、风及温度等其它许多因素影响有关[8],本次试验研究的同一林分不同植被类型之间的数据差距,可能与选定样地内这些影响因素的微小差异有关,这里不再做深入研究。

表1 各林分不同植被类型林外 林内降雨量数据采集分析表Tab.1 Data collection and analysis of precipitation outside and within forest of different vegetation types mm

3.3 地表径流量

植被覆盖度的高低,明显影响地表径流和区域水土流失[9]。各林分不同植被类型地表径流量数据采集分析情况如表2所示。表2监测数据反映出地表径流量和土壤侵蚀模数既受林分类型影响,同时也受植被类型影响明显。各林分不同植被类型全年平均径流量为68.06 mm,土壤侵蚀模数为9.61 t/(km2·a),径流量和土壤侵蚀模数最大的是油松纯林乔木植被(162.39mm和22.99 t/(km2·a)),最小的是针阔混交林乔灌草植被(3.24mm和0.46 t/(km2·a))。分析其原因,影响因素主要是不同林分类型、不同植被群落、地表枯落物厚度和土壤结构决定的[10]。针阔混交林乔灌草植被林冠乔木层冠幅密度大,截持面广,进入林地内的林内降雨量小,并且林下植被物种较多、总盖度高、枯落物蓄积量大,在该种林地植被类型影响下,形成的表层土壤孔隙度大。这些因素减缓了降雨对地表的击溅,延长了降雨进入地表的时间和土壤入渗时间,因此,降雨在这种立地条件下,形成的地表径流相对较小,土壤侵蚀模数很低,减少了区域水土流失。相反,油松纯林乔木植被只有林冠层截持降雨,并且树种单一,林间空隙利用不充分,对降雨拦蓄能力不足,加之地表缺少其它植被缓冲,降雨直接进入地表后,得不到及时下渗储备,容易形成地表径流和区域水土流失。

表2 各林分不同植被类型地表径流量数据采集分析表Tab.2 Data collection and analysis of surface run off of different vegetation types

3.3 枯落物及土壤持水量

不同林分类型的枯落物蓄积量和持水量、土壤储水量各不相同,并且林地水源涵养能力重点体现在枯落物层和土壤层上,是森林水源涵养的主体[11]。各林分不同植被类型持水量及含水量数据分析情况如表3所示,通过表3测定数据可以看出,枯落物层和土壤层水源涵养能力均受林分类型、植被类型、枯落物蓄积量及分解程度影响,枯落物已分解层持水量最大,未分解层持水量最小,针阔混交林乔灌草植被持水量最大,油松纯林乔木植被持水量最小。结合枯落物厚度和土壤含水量分析可知,枯落物厚度和土壤空隙度越大,水源涵养能力越强。这是因为针阔混交林乔灌草植被枯落物和地下根系组成种类多,分布面广范围大,改善了土壤的通透性,从而增加了枯落物和土壤的含水量,加大了入渗速度,减少了地表径流量,提高了水源涵养能力。而阔叶混交林乔灌草植被和油松纯林乔灌草植被枯落物储量不及针阔混交林乔灌草植被类型,地下根系组成种类相对较少,在这些因素的影响下,形成的表层土壤结构比针阔混交林乔灌草植被差一点,因此,这两种植被类型的水源涵养能力比针阔混交林乔灌草植被类型差。其它植被类型在枯落物储量、种类以及土壤通透性能等方面均不占优势,尤其是油松纯林乔木植被类型,灌丛稀少,地表几乎没有草本层覆盖,除较少的枯落物之外,表层土壤接近裸露,土壤质地坚硬,林内降雨缺少阻延,最易形成地表径流,容易引发区域水土流失。

表3 各林分不同植被类型持水量及含水量数据分析表Tab. 3 Data analysis of water holding capacity and moisture content of different vegetation types

3.3 水源涵养量

3.4.1年水源涵养量

通过实验测定分析,各林分不同植被类型全年降雨量为690.8mm,年均水源涵养能力为505.45mm(图1),占全年降雨量的73.17%,说明甘肃子午岭林区具有较高的水源涵养能力,为典型的水源涵养林分。

图1 各林分不同植被类型水源涵养能力分析图Fig.1 Analysis of water conservation capacity of different vegetation types in each stand

不同林分类型和不同植被类型的水源涵养功能各不相同[12],从图1各林分不同植被类型的枯落物层和土壤层水源涵养量上可以看出,林分类型和植被类型不同,水源涵养量各不相同,并表现出针阔混交林乔灌草植被降雨拦蓄量最大,油松纯林乔木植被降雨拦蓄量最小。主要是因为针阔混交林林相密闭,林地枯落物种类多,根系分布深厚广阔,土壤空隙度大,通透性能好,因此,大量降雨能够通过枯落物和土壤充分拦蓄涵养。从林分类型上可以看出,前6种混交林类型的水源涵养量高于后3种纯林类型,说明混交林的水源涵养功能高于纯林模式；从植被群落上可以看出,完整结构的乔灌草植被水源涵养量均高于简单结构的乔木植被。这是因为,完整结构林内降雨截流载体多,土壤表层腐殖质深厚,裸露面少,不容易形成地表径流。因此,乔灌草植被类型水源涵养能力高于乔灌植被类型和乔木植被类型,这一点说明了完整结构植被群落水源涵养功能高于简单结构植被群落。

3.4.2年地表径流量

通过实验数据计算得出(表2),各林分不同植被类型年均地表径流总量只占全年降雨量的9.85%,大量降雨通过林地全部储存,说明林地是最好的降雨“储存器”,因此,可以通过增加林地面积,抑制高强度降雨引发的洪水峰值。从图1可以看出,针阔混交林乔灌草植被地表径流量最小,油松纯林乔木植被地表径流量最大,这主要是针阔混交林乔灌草植被降雨有效拦蓄量最高,不易形成地表径流,其它林分不同植被类型降雨拦蓄量相对低一些,所以形成的地表径流就比针阔混交林乔灌草植被类型大。

3.4.3水源涵养能力

从图1各林分不同植被类型水源涵养总量可以看出,针阔混交林乔灌草完整植被类型水源涵养能力最强(592.18mm),是甘肃子午岭林区水源涵养量的主体。一方面,因为该植被类型冠层生长空间利用充足,林间空隙少,林冠截持降雨量大,加之灌草层结构完整且蓄积量大,作为水源涵养的主要载体,承载了大量的林内产水量,在林冠和灌草层共同截持下,延缓了降雨到达地表的时间和地表水入渗时间,有效减少了地表径流量；另一方面,针阔混交林乔灌草植被类型土壤经过长期自然演替,形成非毛管孔隙度大、密度高、渗透性强的土壤团粒结构,有利于非重力水的垂直渗透,不易形成地表径流。相反,油松纯林乔木植被类型水源涵养量最低(376.92 mm),只占年降雨量的54.56%。

从图2可以明显看出,针阔混交林乔灌草植被土壤侵蚀模数最小(0.46t/(km2·a)),可有效减少区域水土流失,这是因为该植被类型降雨入渗量高,形成的地表径流量较小,不易引发区域水土流失；而油松纯林乔木植被土壤质地差,入渗率低,表层持水载体少,结构简单,形成的地表径流量大,容易引起水土流失。因此,油松纯林乔木植被的土壤侵蚀模数最大(22.99t/(km2·a)),水土流失治理效果不及其它林分植被类型。

图2 各林分不同植被类型土壤侵蚀量分析图Fig. 2 Analysis of soil erosion of different vegetation types

4 结论

1) 从林冠层、枯落物层和土壤层分析甘肃子午岭林区水源涵养能力,结果为:各林分不同植被类型树冠截持能力占林外降雨量的6.99%～12.37%,针阔混交林乔灌草植被截持量最大(85.42mm),可有效延缓降雨进入地表的时间,并可阻滞降雨对表层土壤的直接侵蚀,是水土保持林分的首选植被培育模式；各林分不同植被类型枯落物持水量占林外降雨量的18.56%～33.04%,针阔混交林乔灌草植被枯落物储量最丰富,是林内降雨的最佳“拦蓄器”；各林分不同植被类型土壤含水总量为248.73～363.97mm,是降雨的主要“储存器”,针阔混交林乔灌草植被土壤水源涵养量最大,是水源涵养林分培育模式的主要发展方向。从这些影响因子分析可知:在甘肃子午岭水源涵养林区,针阔混交林乔灌草植被水源涵养量最大,地表径流量最小,是该区域最理想的营林培育模式。

2) 综合分析结果表明:在甘肃子午岭林区9种不同林分植被类型中,针阔混交林乔灌草植被类型水源涵养能力最佳,土壤侵蚀模数最小,是甘肃子午岭林区水源涵养林最理想的培育模式、也是黄土高原水土流失治理效果最明显的森林植被群落。

3) 森林的水源涵养能力是森林生态系统研究中最为复杂的问题,也是目前甘肃子午岭林区森林生态价值评估的难点和热点问题,本次实验指标只对确定的林分和植被群落进行了监测研究,并且只在固定的指标中做了相关测定分析,没有进行范围扩充,分析的影响因子还不全面。在以后的监测研究中,还需从其它林分类型和影响因子进行动态分析,客观评价森林的蓄水保土能力,为营林培育模式提供更加科学的依据。