閩江小流域主要林分類型持水性能及土壤滲透能力研究

森林水源保護(hù)功能是森林生態(tài)服務(wù)功能的重要組成部分之一。不同的森林類型在樹種、生態(tài)特性和森林群落結(jié)構(gòu)方面存在差異，因此森林的整體保護(hù)效應(yīng)存在一些差異。森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能大致可以有三個(gè)環(huán)節(jié)組成:樹木冠層以及干體對(duì)大氣降雨的截留削弱;林地表層枯落物的吸水截持;林地土壤水庫的滲透蓄水。這三個(gè)環(huán)節(jié)的共同作用使得森林降雨過程進(jìn)行了有效的攔蓄和調(diào)節(jié)分配,削弱了降雨對(duì)土壤的外營力侵蝕作用,從而綜合發(fā)揮了森林水源涵養(yǎng)和保持水土的功能。本文從森林冠層水文效應(yīng)、枯枝落葉層吸持水特性及土壤水分物理特性3個(gè)方面對(duì)江寧小流域內(nèi)幾種主要林分的涵養(yǎng)水源功能進(jìn)行了定量研究分析。1一般研究和研究方法1.1蘇集山水氣象區(qū)5年,7月江寧小流域是典型的蘇南丘陵地區(qū)小流域類型,研究地點(diǎn)設(shè)在流域內(nèi)南京市江寧區(qū)銅山國營林場(chǎng)中。該地區(qū)位于東經(jīng)118°52′08″,北緯31°39′22″,海拔115m,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,雨量豐沛,年平均氣溫15.5℃,年均無霜期為224d,年平均降水量為1012mm,主要集中在夏季,一般可達(dá)400～500mm,占全年降水量的50%左右。最冷月是1月份,平均月氣溫2.8℃,最熱月是7月,平均月氣溫27.9℃。本文研究選擇櫟林、杉木林、毛竹林、馬尾松林這4種小流域內(nèi)最主要的林分類型,建立調(diào)查樣地并進(jìn)行常規(guī)調(diào)查,記錄其坡度、坡向、冠層郁閉度等指標(biāo),各樣地基本情況見表1。1.2測(cè)試方法1.2.1林外氣候因素的觀測(cè)觀測(cè)指標(biāo)包括林外降雨量、降雨歷時(shí)、溫度、濕度、風(fēng)速等。選擇樣地外的空曠地上建立自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。1.2.2莖流、樹冠截留量測(cè)定在各林型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對(duì)角線隨機(jī)布設(shè)5個(gè)溝槽狀的接雨槽(200cm×20cm×20cm),測(cè)定林內(nèi)穿透雨量;樹干莖流采用用野外實(shí)測(cè)法,在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),按徑級(jí)選擇若干株標(biāo)準(zhǔn)木,在標(biāo)準(zhǔn)木半米高度處,用剖開的聚乙烯管蛇狀纏繞樹干,尾接容器收集雨水,從而獲得單株標(biāo)準(zhǔn)木莖流量,然后將標(biāo)準(zhǔn)株莖流量按林木徑階及其權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì),利用加權(quán)平均法推算出單位面積林分的莖流量;樹冠截留量按公式:Pc=P-Ps-Pt計(jì)算。其中,Pc為樹冠截留量;P為大氣降雨量;Ps為樹干莖流量;Pt為穿透雨量。1.2.3枯落物持水率測(cè)定在每塊林地中隨機(jī)布設(shè)面積1m2的樣方10個(gè)。將新采集的枯落物迅速稱其鮮質(zhì)量后,放置于實(shí)驗(yàn)室干燥通風(fēng)處7d以上,直至用手觸摸無潮濕感時(shí),稱其質(zhì)量作為不同林分枯落物風(fēng)干質(zhì)量,推算枯落物的自然含水率和單位面積干基蓄積量;枯落物持水量采用浸水法測(cè)定,將原狀枯落物裝入網(wǎng)袋,浸水24h后稱重與其干重之比,計(jì)算最大持水率,用重量百分比(%)表示;枯落物吸水動(dòng)態(tài)測(cè)定,取一定質(zhì)量風(fēng)干后的枯落物試樣,浸泡在清水中,分別測(cè)定浸水0.5,1,1.5,2,3,4,5,7,9,11,13,15,24h重量變化。1.2.4土壤孔隙度測(cè)定在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3品字狀土壤剖面,用環(huán)刀法測(cè)定0-20,20-40,40-60cm土層的土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度;采用環(huán)刀有壓入滲法測(cè)定土壤的滲透性。1.3各評(píng)價(jià)對(duì)象和最優(yōu)方案的距離的確定本文選用Topsis(TechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoIdealSolution)優(yōu)劣解距離法作為比較研究區(qū)不同林分水源綜合涵養(yǎng)功能優(yōu)劣的方法。Topsis優(yōu)劣解距離法的基本原理是基于歸一化后的原始數(shù)據(jù)矩陣,找出有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案(分別用最優(yōu)向量和最劣向量表示),然后分別計(jì)算諸評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案和最劣方案的距離,獲得各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的相對(duì)接近程度,以此作為評(píng)價(jià)優(yōu)劣的依據(jù)。具體方法為:設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象、m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),原始數(shù)據(jù)可寫為矩陣X=(Xij)n×m。對(duì)高優(yōu)(越大越好)、低優(yōu)(越小越好)指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化變換,如式(1):Ζij=Wj×Xij√n∑i=1X2ijZij=Wj×Xij∑i=1nX2ij√或Ζij=Wj×1/Xij√n∑i=11/X2ij(1)Zij=Wj×1/Xij∑i=1n1/X2ij√(1)式中:Wj——不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),歸一化得到矩陣Z=(Zij)n×m,其各列最大、最小值構(gòu)成的最優(yōu)、最劣向量分別記為:Z+=(Zmax1Zmax2…Zmaxm),Z-=(Zmin1Zmin2…Zminm)第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)、最劣方案的距離如式(2):D+i=√m∑j=1(Ζmaxj-Ζij)D+i=∑j=1m(Zmaxj?Zij)?????????????ue001?ue000ue000和D-i=√m∑j=1(Ζminj-Ζij)(2)D?i=∑j=1m(Zminj?Zij)?????????????ue001?ue000ue000(2)第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的接近程度Ci(值越大綜合效益越好,本文則體現(xiàn)為林分水源涵養(yǎng)功能越強(qiáng))為:Ci=D-iD+i+D-iCi=D?iD+i+D?i。2結(jié)果與分析2.1林分結(jié)構(gòu)對(duì)林分流量的影響林分對(duì)大氣降雨的林冠截留作用以及樹干莖流作用不僅受到林外降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)這些外部因素影響,而樹種類型、林齡、林分密度等自身生態(tài)學(xué)特性則是造成相同外部降雨條件下林分對(duì)降雨分配各環(huán)節(jié)差異的本質(zhì)原因。對(duì)研究區(qū)2008年雨季6,7,8月份觀測(cè)結(jié)果見表2。觀測(cè)期內(nèi),在樹干莖流環(huán)節(jié),不同林型間的莖流量差異很大,這與不同林型的枝葉毛密度和樹種的形態(tài)結(jié)構(gòu)等有關(guān)。毛竹林郁閉度較大,枝干樹體表面光滑,枝葉截獲的水分能較好順枝條流而下,樹干莖流量較多;而馬尾松林郁閉度低,枝葉較少,樹干表面死樹皮厚而吸水性好,且樹皮粗糙有條紋不利雨水匯集下流,因而樹干徑流量最小。平均莖流率由高到低排序?yàn)槊窳?7.89%)、櫟林(5.13%)、杉木林(3.28%)、馬尾松林(1.85%)。觀測(cè)期內(nèi),在林冠截留環(huán)節(jié),從樹冠截留量和截留率來看,各個(gè)林分冠層對(duì)降雨均有較大的截留作用,平均截留量為72.41～139.46mm,平均截留率為16.2%～31.2%。櫟林郁閉度高,枝葉稠密,林冠構(gòu)筑型較好,雨水能較好附著在枝葉上,截留量(率)最大;馬尾松郁閉度較低,樹冠層開放且枝葉較少,因而截留量(率)最小。平均截留量(率)排序由高到低排序?yàn)闄盗?139.46mm,31.2%)、毛竹林(108.03mm,24.17%)、杉木林(91.93mm,20.57%)、馬尾松林(72.41mm,16.2%)。2.2枯落物最大持水能力枯枝落葉層的涵養(yǎng)水源作用主要體現(xiàn)在枯枝落葉的吸持水方面(在降雨過程中,枯落物作為主要下墊面層以其吸持水特性截持林內(nèi)穿透雨)。表征森林枯落物層的吸持水能力的指標(biāo)為最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率等,其計(jì)算方法如下:R0=G0-GdGd×100%?Rhmax=G24-GdGd×100%R0=G0?GdGd×100%?Rhmax=G24?GdGd×100%Rsmax=Rhmax-R0,Wsv=(0.85Rhmax-R0)×M式中:R0,Rhmax,Rsmax——枯落物自然含水率、最大持水率與最大攔蓄率(%);G0,Gd,G24——枯落物自然狀態(tài)下質(zhì)量、枯落物風(fēng)干質(zhì)量及浸水24h后質(zhì)量(g);Wsv——枯落物有效攔蓄量(t/hm2);M——枯落物蓄積量(t/hm2);0.85——有效攔蓄系數(shù)。各指標(biāo)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以看出,由于各林分枯落物蓄積量的顯著差異,其各持水能力指標(biāo)實(shí)測(cè)值有著明顯差異。以最大持水量來看,櫟林枯落物(58.36t/hm2)最好,其次為毛竹林(39.72t/hm2),再次為杉木林(17.48t/hm2),馬尾松林(6.52t/hm2)則最差;以有效攔蓄量來看,櫟林枯落物(37.23t/hm2)最好,其次為毛竹林(28.15t/hm2),再次為杉木林(11.89t/hm2),馬尾松林(4.78t/hm2)則最差。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)地4種林分枯落物持水量與浸泡時(shí)間、枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間之間關(guān)系進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析發(fā)現(xiàn):枯落物持水量(Wh)與浸泡時(shí)間(t)、枯落物吸水速率(V)與浸泡時(shí)間(t)存在著如式(3)、式(4)的顯著回歸關(guān)系。Wh=Klnt+p(3)V=kt-a(4)不同林分類型枯落物層持水量(Wh)、枯落物層吸水速率(V)與浸泡時(shí)間(t)的回歸方程見表4。2.3不同林分土壤的水源保護(hù)能力2.3.1控水土流失能力土壤的滲透性能是林分土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)之一。林地土壤滲透性與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、有機(jī)質(zhì)等有關(guān)。強(qiáng)度適中的林內(nèi)降雨條件下,雨水可以充分滲入土壤中貯存或形成土壤內(nèi)部徑流,使得林地不易形成地表徑流,從而有效地控制了林地的水土流失。由于林分樹木生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特性的不同,其對(duì)林地土壤滲透性改善作用也不同,使得不同林分間土壤滲透性能存在著一定差異,從評(píng)價(jià)土壤滲透性優(yōu)劣的3個(gè)主要指標(biāo):初滲速率率、穩(wěn)滲速率、平均入滲速率來看,馬尾松林土壤的滲透性能最好,其次為杉木林,再次為櫟林,毛竹林最差。2.3.2森林土壤層蓄水量土壤的蓄水性能則是是林分土壤水源涵養(yǎng)功能的又一重要指標(biāo)。林地土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)貯蓄水分的主要容庫,在土層厚度一致的條件下,林地土壤的蓄水性能取決于土壤孔隙度的大小和組成,評(píng)價(jià)林地土壤蓄水能力一般以最大蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量為指標(biāo)。這三個(gè)指標(biāo)分別是由土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度計(jì)算得出的,計(jì)算公式如下:森林土壤層總蓄水量=森林土壤總孔隙度×土層厚度(m)×104×林地面積(hm2);森林土壤層毛管蓄水量=森林土壤毛管孔隙度×土層厚度(m)×104×林地面積(hm2);森林土壤層非毛管蓄水量=森林土壤非毛管孔隙度×土層厚度(m)×104×林地面積(hm2)。從表6可以看出,一方面各林分土壤自身蓄水性能均存在著垂直方向的差異,均隨土層的深度的變大而變差;另一方面不同林分土壤的蓄水性能也有一定差異,以每10cm厚度土層的非毛管空隙度來看,馬尾松林(14.6%)最好,其次為杉木林(14.5%),再次為毛竹林(9.8%),櫟林(7.8%)最差;以每10cm厚度土層的總空隙度來看馬尾松林(55.4%)最好,其次為杉木林(53.5%),再次為毛竹林(48.4%),櫟林(48.2%)最差。2.4林分影響因子的確定森林生態(tài)系統(tǒng)主要通樹木冠層及干體截留削弱大氣降雨、林地表層枯落物的吸水截持、林地土壤水庫的滲透蓄水這三個(gè)環(huán)節(jié)綜合發(fā)揮出涵養(yǎng)水源的功能,因此,要客觀科學(xué)的比較不同林分涵養(yǎng)水源功能好壞必須考慮到不同環(huán)節(jié)對(duì)于總體功能的重要性。本文選用Topsis優(yōu)劣解距離法為比較方法。以各林分的林冠平均截留率X1、枯落物層的蓄積量X2、自然持水率X3(其為低優(yōu)指標(biāo))、最大持水率X4、林地土壤的平均入滲速率X5、平均總空隙度X6、平均非毛管空隙度X7為評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于各林分土層厚度大體一致,這里未采用土層厚度為比較指標(biāo)。并采用專家打分法為這7個(gè)指標(biāo)賦上權(quán)重(表7)。對(duì)各林分待評(píng)數(shù)據(jù)并考慮各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行Topsis法中要求的歸一化處理結(jié)果見表8。通過Topsis法計(jì)算,得其最終結(jié)果如表9,從指標(biāo)Ci可以看出櫟林的綜合水源涵養(yǎng)功能最好,其次為毛竹林,再次為杉木林,馬尾松林最差。3林地土壤侵蝕研究區(qū)4種主要林分水