重庆铁山坪马尾松天然次生林降雨截持与贮水特征

王轶浩,王彦辉,李振华,王耀建

1 重庆师范大学地理与旅游学院 重庆市三峡库区地表生态过程野外科学观测研究站,重庆 401331 2 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室,北京 100091 3 新乡学院土木工程与建筑学院,新乡 453000 4 深圳市北林苑景观及建筑规划设计院有限公司,深圳 518052

森林生态系统以其复杂的功能层次结构对大气降水再分配,包括林冠层截留、草本层和枯落物层截持、土壤层贮存等水文过程,从而改变降水输入数量及时空格局,进而实现涵养水源这个重要生态服务功能[1]。森林涵养水源功能的大小与气象因子、立地条件、森林类型及其结构特征等密切相关[2- 3]。目前国内外学者对森林的冠层截留、穿透雨和干流特征、枯落物持水、土壤水文物理性质等均做了大量研究[4- 6],取得了较多成果。如袁秀锦等[7]研究认为马尾松林冠截留量与叶面积指数、胸高断面积、冠幅面积呈显著正相关；Honda等[8]研究认为具有多年生叶、单轴生长的大树能产生较多的干流；刘效东等[9]研究认为随着森林演替进程,半分解层及已分解层枯落物的持水能力明显降低,以演替早期的森林枯落物层的降水截留能力较高；王轶浩等[10]研究认为土壤水文物理性质存在较强空间变异性。

三峡库区作为我国最大的淡水资源战略储备库,是长江上游生态屏障的最后一道关口,生态区位十分重要,因此,构建以涵养水源为主导功能的三峡库区防护林体系非常必要和至关重要。马尾松(Pinusmassoniana)作为我国南方山地丘陵主要造林树种和先锋树种,是三峡库区防护林体系中面积最大和最重要的森林类型,在保护库区生态环境方面发挥着重要作用[11]。以往关于马尾松林的冠层截留、枯落物持水、土壤贮水等单一水文过程已有不少研究[12- 14],但主要针对马尾松人工林,而对马尾松天然次生林的生态水文效应研究还较少,尤其马尾松天然次生林包括林冠层、林下草本层、枯落物层、土壤层等完整作用层的系统研究还未见报道。

本文在三峡库区的重庆铁山坪林场,以50—70年林龄的马尾松天然次生林为研究对象,通过长期定位监测和室内测定,系统研究了马尾松林冠层、林下草本层、枯落物层、土壤层等完整作用层的水文特征,以期为三峡库区森林水源涵养功能的准确评价及可持续经营提供科学依据和理论指导。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市江北区铁山坪林场(29°38′N,106°41′E),属亚热带湿润气候,多年平均降水量1100 mm,年均气温18 ℃。该地属四川盆东平行岭谷地貌,海拔变异范围在242—584 m,坡度变异范围在5°—30°。铁山坪林场现有森林面积1200 hm2,森林覆盖率高达90%以上,主要是20世纪50、60年代天然林被破坏后经自然更新形成的马尾松次生林。林分的分层明显,上层以马尾松为主,伴有少量香樟(Cinnamomumcamphora)、楠木(Phoebezhennan)；下木层主要有木荷(Schimasuperba)、杜英(Elaeocarpussylvestris)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)、杉木(Cuninhamalanceolata)、毛桐(Mallotusbarbatus)、白栎(Quercusfabric)等；草本层以铁芒萁(Dicranopterislinearis)为主。具体研究地点位于面积0.27 km2的林中园小流域,其土壤以砂岩上发育的山地黄壤为主,土壤质地为粉砂壤土和粉砂粘壤土,厚度50—80 cm。

1.2 研究方法

1.2.1样地设置

在铁山坪林场林中园小流域,选择代表性区域布设3个马尾松林典型样地,马尾松林龄均在62年左右,下木有杜英(Elaeocarpussylvestris)、杉木(Cuninhamalanceolata)、毛桐、(Mallotusbarbatus)、檵木(Loropetalumchinense)等,草本植物以铁芒萁(Dicranopterislinearis)为主,规格为30 m×30 m,并调查各典型样地基本情况和每木检尺(表1)。

表1 马尾松林典型样地基本概况

1.2.2林冠层水文特征测定

2010年1月—2011年12月,在马尾松林各典型样地内共计随机布设16个雨量桶(内径20 cm),每次降雨后测定穿透雨量,取其均值作为马尾松林的穿透雨量。同时,在各典型样地内根据马尾松径级大小分布,一共选择有代表性的14棵马尾松,通过缠绕树干的塑料水管及其接水容器,测定马尾松单株干流量,马尾松林分的干流量通过公式(1)计算得到。

(1)

式中,S为马尾松林分的干流量(mm),N为树干径级数,Si为第i径级的单株样树干流量(ml),Mi为第i径级的树木株数,A为样地面积(m2)。

利用林外空旷处设置的自动气象站(WeatherHawk232)记录次降雨量,马尾松林的林冠截留量通过公式(2)计算得到。

I=P-T-S

(2)

式中,I为马尾松林的林冠截留量(mm),P为林外次降雨量(mm),T为林内穿透雨量(mm),S为马尾松林的干流量(mm)。

1.2.3草本植物储量及水文特征测定

在每个马尾松林典型样地内随机布设3个2 m×2 m草本植物样方,采用收获法测定草本植物地上生物量[15]。采用浸水法测定草本植物的水文特征,即随机称取一定重量的草本植物样品(6个重复)后放入清水中浸泡,分别在浸水第0.5、1 、2 、4 、6 、8 、12 h和24 h时称重,每次称重时要求静置到不滴水为止,然后将其在85℃烘箱中烘干至恒重并称重。草本样品不同时间的浸水重量与其自然重量的差值即为草本植物持水量,其与烘干重量的比值即草本植物持水率,并根据样地草本植物储量计算草本植物层的持水能力。

1.2.4枯落物贮存量及水文特征测定

在每个马尾松林典型样地内,随机布设3个1 m×1 m枯落物样方,首先用钢尺测量枯落物未分解层、半分解层和已分解层厚度,然后分层收集带回实验室内,在85℃烘箱中烘干后测定枯落物的干贮存量。采用浸水法测定枯落物的水文特征,即将烘干的枯落物分未分解、半分解、未分解与半分解混合(混合比例依据样地枯落物组成的调查结果获得)3种处理,分别称取一定重量的枯落物装入孔径为1 mm的25 cm×30 cm(或20 cm×30 cm)尼龙袋内,每种处理6个重复样本(即,共计18个尼龙袋),然后浸水48 h后取出静置直到枯落物不滴水为止,称重,所得重量与烘干重量差值即枯落物最大持水量,最大持水量与烘干重量比值即最大持水率,并根据样地的枯落物贮存量计算样地枯落物层的最大持水能力。

1.2.5土壤水文特征测定

采用环刀法测定土壤水文特征,分别于2010年10月、2011年10月在各个马尾松林典型样地选择代表性地段,开挖深为80 cm的土壤剖面(1 m×1 m),若土层厚度未达80 cm则挖至基岩,然后用容积为200 cm3的环刀按0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm等深度分层取原状土样,每层3个重复,测定土壤容重、孔隙度和持水量,一定土层深度内的土壤贮水量通过公式(3)、(4)和(5)计算得到。

Wc=1000Pch

(3)

Wnc=1000Pnch

(4)

Wt=1000Pth

(5)

式中,Wc、Wnc和Wt分别为土壤吸持贮水量(mm)、土壤滞留贮存量(mm)和土壤饱和贮水量(mm)；Pc、Pnc和Pt分别为毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)和总孔隙度(%)；h为土层深度(m)。

1.2.6数据处理

采用Excel2019软件对数据进行处理与绘图,利用SPSS 23.0软件进行马尾松林冠层水文特征与次降雨量、草本植物持水特征与浸水时间及草本重量的回归方程拟合,不同枯落物组分水文特征的单因素方差分析(one-way ANOVA)及LSD检验法的多重均值比较分析。

2 结果

2.1 马尾松林冠层水文特征

研究期间共观测到有效大气降雨84场,累计降雨量达1972.39 mm,次降雨量最小仅2 mm,最大达122 mm,平均次降雨量为23.48 mm。从雨量等级来看(表2),<30 mm的降雨有59场,占总降雨场次的66.67%,而80—90 mm和>90 mm的降雨分别仅有1场；<30 mm的降雨量为683.39 mm,仅占累计降雨量34.58%。说明研究区的降雨次数以<30 mm的为主,但降雨量以>30 mm的为主。

研究期间,马尾松林的穿透雨总量1669.81 mm,干流量5.19 mm,林冠截留量297.31 mm,分别占总降雨量的84.66%、0.26%和15.07%。

由图1可知,马尾松林穿透雨量随次降雨量增大而增大,两者呈显著线性关系(R2=0.9887,P<0.01,n=84)。马尾松林穿透雨率则随次降雨量增大呈非线性增大,可用对数函数拟合(y=11.332ln(x)+45.513,R2=0.4302,P<0.01,y为穿透雨率,x为次降雨量,n=84)。当次降雨量小于15 mm时,穿透雨率随次降雨量增大而快速增大；当次降雨量超过15 mm时,穿透雨率随次降雨量增大而缓慢增大,并在92%左右趋于稳定。

表2 不同雨量等级的马尾松林冠层水文特征

图1 马尾松林冠水文特征与次降雨量的关系Fig.1 Relations between hydrological characteristics of canopy of Masson pine forests and rainfall depth of individual rainfall events

由图1可知,马尾松林的干流量和干流率均与次降雨量呈显著的非线性关系(P<0.01)。当次降雨量达到5 mm时,马尾松林才产生干流；当次降雨量大于12 mm时,干流量随次降雨量增大而近线性地快速增大。当次降雨量小于50 mm时,马尾松林的干流率随次降雨量增大而快速增大；当次降雨量大于50 mm时,干流率随次降雨量增加而缓慢增加,并在0.4%左右渐趋稳定。

马尾松林冠截留量、截留率与次降雨量的关系均用对数函数拟合较好(P<0.01,图1)。马尾松林冠截留量随次降雨量增大而增加,当次降雨量小于20 mm时,林冠截留量随次降雨量增大而较快增加；之后增加渐趋缓慢,最后相对稳定在6 mm左右。马尾松林冠截留率则随次降雨量增大而一直非线性减小,当次降雨量小于12 mm时,林冠截留率随次降雨量增大而快速减小；之后缓慢减小,并在次降雨量达到60 mm时趋于稳定(7%左右)。

2.2 草本植物层水文特征

由图2可知,马尾松林下草本植物持水率随浸水时间延长而增大,用对数函数拟合效果较好(R2=0.9801,P<0.01,n=9)。在浸水前4 h内,持水率随浸水时间延长而增加较快,之后增加缓慢,并在450%左右趋于稳定。研究表明,马尾松林下草本植物地上生物量平均为1.32 t/hm2。结合图2中拟合的草本植物持水量(浸水24 h时)随自身干重变化的线性函数(y=4.5978x,R2=0.9764,P<0.01,y为持水量,x为草本干重,n=6),可知浸水24 h时马尾松林下草本植物层的持水量为0.61 mm。

图2 林下草本层植物持水特征与浸水时间、草本重量的关系Fig.2 Relations between water-holding characteristics of undergrowth herbaceous and the soaking time and the dry weight of herbaceous for Masson pine forests

2.3 枯落物层水文特征

由表3可知,2010—2011年马尾松林的枯落物贮存量平均为10.74 t/hm2,其中,未分解层、半分解层和已分解层的平均厚度为2.02、1.37、1.84 cm,平均储量为3.10、4.18、3.46 t/hm2,分别占枯落物总贮存量的28.86%、38.92%和32.22%。

表3 马尾松林枯落物贮存量

由表4可知,马尾松林未分解、半分解、未分解与半分解混合枯落物的最大持水率分别为183.76%、206.31%、197.62%。结合枯落物贮存量(表3),可知马尾松林未分解层、半分解层、未分解与半分解层枯落物的最大持水量分别为5.70、8.62、14.39 t/hm2,最大持水能力分别0.57、0.86、1.44 mm(表4)。经方差分析及LSD多重均值比较检验表明,不同处理对枯落物持水特征影响不明显(P>0.05),但未分解枯落物和半分解枯落物的持水特征差异显著(P<0.05)。

表4 马尾松林枯落物持水特征

2.4 土壤层水文特征

研究表明,马尾松林土壤容重随土层加深而增大,由0—10 cm的1.24 g/cm3增到70—80 cm的1.65 g/cm3,0—80 cm的土壤容重平均为1.56 g/cm3(表5)。土壤持水率和贮水量则随土层加深而减小,0—80 cm的土壤饱和持水率、毛管持水率和田间持水率分别为27.42%、23.20%和22.23%。土壤饱和贮水量和滞留贮水量反映了土壤层的总贮水能力和调节水量能力,由表5可知,0—80 cm的土壤饱和贮水量达334.75 mm,滞留贮水量达到49.08 mm,占饱和贮水量14.66%。

表5 马尾松林土壤层水文特征

3 讨论

森林穿透雨包括直接穿过林冠间隙的自由穿透雨和被冠层枝叶遮挡溅落的冠滴雨,本研究期间的马尾松林穿透雨量1669.81 mm,占总降雨量84.66%,这与袁秀锦等[12]、莫江明等[16]研究结果(分别为82.3%和82.7%)相近。穿透雨量与次降雨量一般呈较好线性关系[5,12],其线性函数斜率反映了穿透雨量随次降雨量的变化程度。本研究中马尾松林为0.906,大于鼎湖山马尾松林(0.675)[16]和湖南张家界马尾松林(0.747)[14],但小于三峡库区秭归马尾松林(0.927)[12]。这主要是因穿透雨与冠层特征(冠型、厚度、叶面积指数等)密切相关[6,17],本研究马尾松林受酸沉降危害影响,冠层落叶率较高[18]、叶面积指数小(2011年变化在0.92—1.83,月均1.25)、冠层稀疏。

干流对森林生态系统养分循环和树木生长有着重要作用,但干流量普遍较低,其与冠幅面积、叶形、枝叶方向与角度、树皮糙度等相关[19]。往往光滑的树皮具有较低的吸持雨水能力,能产生较多的干流[20]。本研究马尾松林干流量仅5.19 mm,这与马尾松树皮粗糙有关。森林干流率一般变化在0—5%之间[21],本研究马尾松林干流率仅0.26%,与30—40年生马尾松林(0.27%)接近[22],低于47年生马尾松人工林(1.4%)[12]和25年生马尾松林(2.4%)[14],高于30年生马尾松林(0.15%)[16],这可能与本研究马尾松林密度较小、冠层稀疏、叶面积指数小有关。正如袁秀锦等[7]研究表明,干流率与树高、冠层厚度呈显著负相关,与叶面积指数、林分密度呈显著正相关。同时,干流的产生存在一个雨量阈值,即达到这个阈值后,才产生干流。本研究马尾松林产生干流的雨量阈值为5 mm,与杜妍等[23]研究结果相近,但低于杨茂瑞[24]、莫江明等[16]研究结果(分别为7 mm、8 mm)。

研究表明,我国森林的林冠截留率一般变化在11.4%—36.5%之间,平均为21.6%,且针叶林的林冠截留率高于阔叶林[25]。本研究马尾松林林冠截留率为15.07%,与崔鸿侠等[22](16.3%)、莫江明等[16](17.2%)的研究结果相近,低于我国森林的林冠截留率平均水平,也低于25年生马尾松林(29%)[14]和30—40年生马尾松林(23.03%)[22],但高于18年马尾松林(10.6%)[24],这些差异主要是受林分密度、冠层结构特征及降雨条件等所致。

林下草本植物以其较大的叶面积对穿透雨进行吸持与截留,参与林地降雨输入的再分配,且能有效提高地表植被覆盖、防止土壤侵蚀和增加生物多样性,但在森林水源涵养功能研究中往往被忽略。本研究中,马尾松林下草本植物持水率随浸水时间延长而增大,但在浸水24 h时持水率已几乎不再增加(图2)。因此,可将浸水24 h时的持水率视为草本植物最大持水率,故理论上马尾松林的林下草本层最大持水能力可达0.61 mm。李德生[26]通过模拟降雨研究了不同类型森林的林下植被降雨截持,表明当降雨量为12.3 mm、持续时间为2.3 h时,阴坡油松林的林下植被降雨截持量为0.72 mm；当降雨量为46.5 mm、持续时间为6.6 h时,林下植被的降雨截持量为0.93 mm。这说明林下植被的降雨截持能力不仅与植物种类、多少等植被特征有关,还受到降雨特征影响。

枯落物层是森林的重要功能层,在拦蓄降水、减缓地表径流和防止土壤侵蚀等方面具有重要作用。同时,森林演替阶段、林分结构以及树种组成均影响着枯落物贮存量及其组分构成[9]。本研究马尾松林枯落物贮存量为10.74 t/hm2,其中未分解层、半分解层和已分解层分别占28.86%、38.92%和32.22%,这与贾秀红等[27]研究结果相近(马尾松林未分解层和半分解层凋落物储量为6.32 t/hm2),但低于贵州龙里林场马尾松林(32.20 t/hm2)[28]、重庆四面山马尾松—杉木—木荷混交林(64.47 t/hm2)[29]和三峡库区马尾松林枯落物贮存量平均值(15.70 t/hm2)[30]。这可能与本研究马尾松林密度较小及受长期酸沉降危害使得树木健康水平降低和每年新生针叶量少[31]有关。枯落物最大持水能力常被作为森林水文功能重要指标,而最大持水率反映了单位重量枯落物的持水能力。本研究马尾松林的未分解、半分解、未分解与半分解混合枯落物的最大持水率分别为183.76%、206.31%和197.62%,与其它研究区域[28-30]的马尾松林枯落物最大持水率相比均较低,其原因尚不清楚,有待进一步研究。不过可以确定的是,虽然室内浸水法作为一种操作简便的方法被广泛用于测定枯落物持水特征,但在实验过程中不可避免会改变枯落物的结构与组分,并且是在完全浸水情况下测定,其结果势必与野外枯落物持水能力存在一定偏差。

土壤层作为森林发挥水源涵养功能的主体,其贮水量可占到森林生态系统同期贮水量的50%以上[21],对降水分配格局影响最明显[5]。一般认为,土壤容重小则土质疏松,利于拦截降水、促进降水入渗和减缓地表径流[32]。本研究马尾松林0—80 cm土层的土壤容重为1.56 g/cm3,土壤饱和贮水量、吸持贮水量和滞留贮水量分别达334.75、285.67、49.08 mm,其在0—40 cm土层的指标均与马尾松—冬青混交林接近,且高于马尾松纯林[27],但其在0—60 cm土层的指标均低于福建莘口林场的马尾松中龄林[33]、广西桂平金田的马尾松中龄林[34]、福建武夷山的马尾松近熟林和成熟林[35]。这主要与本研究区长期受酸沉降危害而导致土壤酸化和由此引发的马尾松根系较少与分布趋于土壤表层化[36]、凋落物营养元素回归土壤不足[31]有关。

在完全饱和状态下,重庆铁山坪马尾松天然次生林林冠层、林下草本层、枯落物层、土壤层(0—80 cm)的降雨截持量或贮水量可分别达6.0、0.61、1.44、334.75 mm,可见,马尾松天然次生林各作用层的降雨截持与贮水作用明显,且尤以土壤层贮水能力最强。但以上马尾松天然次生林林下草本层、枯落物层和土壤层的降雨截持与贮水作用与其野外实际降雨截持与贮水能力还存在一定差距,因为马尾松天然次生林各作用层的降雨截持与贮水能力不仅均与降雨特征(也不止降雨量,还包括降雨强度、降雨历时等)有关,还受各作用层的结构特征影响,如林下草本层的植物种类、覆盖面积、叶面积指数等。因此,今后还需加强马尾松天然次生林各作用层的降雨截持与贮水作用及其影响因素的野外监测,并进一步建立降雨截持与贮水作用及其影响因素的数量关系,以从机理上掌握马尾松天然次生林的降雨截持与贮水特征。

4 结论

2010—2011年观测的84场有效大气降雨的累计降雨量为1972.39 mm,其中降雨次数以<30 mm的降雨为主；降雨量以>30 mm的降雨为主。马尾松林的穿透雨量、干流量、林冠截留量分别占总降雨量84.66%、0.26%、15.07%,且与次降雨量分别呈显著线性、一元二次函数和对数函数关系,其中干流在次降雨量达到5 mm时产生,林冠截留量随次降雨量增大而逐渐达到饱和(6 mm左右)。穿透雨率和干流率均与次降雨量呈显著正相关,并随次降雨量增大而分别在92%、0.4%左右趋于稳定。林下草本植物的地上生物量为1.32 t/hm2,其持水率随浸水时间呈显著对数函数增加,最大持水量达0.61 mm。枯落物贮存量为10.74 t/hm2,其未分解、半分解、未分解与半分解混合枯落物的最大持水率分别为183.76%、206.31%和197.62%；未分解与半分解层枯落物的最大持水能力达1.44 mm,且未分解和半分解枯落物的持水特征差异显著。0—80 cm土层的土壤饱和贮水量达334.75 mm,其中滞留贮水量达49.08 mm,占饱和贮水量14.66%。可见,马尾松天然次生林各作用层的降雨截持及贮水作用明显,其中尤以土壤层贮水能力最强。