桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)

黃進(jìn),張金池?,楊會(huì)

(1.南京林業(yè)大學(xué),210037,南京;2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,511400,廣州)

桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)

黃進(jìn)1,張金池1?,楊會(huì)2

(1.南京林業(yè)大學(xué),210037,南京;2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,511400,廣州)

對(duì)浙江省桐廬縣生態(tài)公益林中主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。選取林冠截留率、枯落物層蓄積量、枯落物層最大持水率、土壤穩(wěn)滲速率、土層厚度、土壤總孔隙度和非毛管孔隙度為評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建森林水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)方法。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)各森林類型水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:水源涵養(yǎng)功能為青岡林＞杉木林＞毛竹林＞香樟林＞馬尾松林＞板栗林;青岡林的水源涵養(yǎng)功能屬較好等級(jí),杉木林、毛竹林、香樟林為中等,馬尾松林、板栗林較差。

生態(tài)公益林;水源涵養(yǎng)功能;森林類型;評(píng)價(jià);桐廬

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)服務(wù)功能的重要功能之一,不同森林類型由于其生態(tài)學(xué)特性的差異,其林分整體水源涵養(yǎng)功能存在一定的差異。森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能大致可以由 3個(gè)環(huán)節(jié)組成:樹(shù)木冠層對(duì)大氣降雨的截留削弱;林地地表枯落物層的吸水截持;林地土壤水庫(kù)的滲透蓄水。這 3個(gè)環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合,使得森林對(duì)降雨過(guò)程進(jìn)行了有效的攔蓄和分配,從而充分發(fā)揮了森林的水源涵養(yǎng)功能。目前,我國(guó)學(xué)者在森林水源涵養(yǎng)功能各個(gè)環(huán)節(jié)及整體涵養(yǎng)價(jià)值的量化上研究較多,但在定性評(píng)價(jià)其功能優(yōu)劣方面研究較少;多數(shù)學(xué)者的研究成果較好地反映出各自研究區(qū)內(nèi)不同森林類型水源涵養(yǎng)功能的差異,但結(jié)果往往有地域性,缺乏在全國(guó)水平下的縱向?qū)Ρ取?/p>

筆者著重對(duì)桐廬幾種主要生態(tài)公益林的冠層水文效應(yīng)、枯枝落葉層吸持水特性及土壤層蓄水特性進(jìn)行研究,參考同行專家學(xué)者的研究成果,以我國(guó)不同地域不同森林類型的水源涵養(yǎng)功能水平為基礎(chǔ),選取針對(duì)性較強(qiáng)的評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建較為合理的森林水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)方法。運(yùn)用此方法對(duì)研究區(qū)主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行定性評(píng)價(jià),從而為綜合衡量桐廬生態(tài)公益林主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省桐廬縣,桐廬地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū) ,E 119°21′56.7″,N 29°49′19.5″。氣候溫暖,光照充足,四季分明,降水量充沛。年平均氣溫16.6℃,年降雨量1443.1mm,無(wú)霜期 252d,年日照時(shí)間 1 991.4h。土壤以沙壤為主,疏松透氣。動(dòng)植物資源豐富,有各類保護(hù)植物 15種,各種保護(hù)動(dòng)物13種。桐廬縣現(xiàn)有生態(tài)公益林面積 7.46萬(wàn) hm2,其中重點(diǎn)公益林面積 4.27萬(wàn) hm2,市級(jí)公益林面積1.39萬(wàn) hm2,縣級(jí)公益林面積 1.81萬(wàn) hm2。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選擇 青岡 (Cyclobalanopsis glauca)、香樟(Cinnamomum camphora)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata)、馬 尾 松 (Pinus massoniana)、毛 竹(Phyllostachys heterocycla)、板 栗 (Castanea mollissima)6種具有代表性的森林類型,建立調(diào)查樣地并進(jìn)行常規(guī)調(diào)查,記錄其坡度、坡向、冠層郁閉度等常規(guī)指標(biāo),各樣地基本情況見(jiàn)表 1。

表 1 不同林分樣地基本情況Tab.1 Characters of different forest stands

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 林外氣象因子的觀測(cè) 在樣地外的空曠地上建立自動(dòng)氣象站,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣地外降雨量、降雨歷時(shí)、濕度、風(fēng)速相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.2 林內(nèi)降雨及樹(shù)干莖流的測(cè)定 林冠截留量與樹(shù)干莖流量依據(jù)森林水文定位觀測(cè)的常規(guī)方法測(cè)定。樹(shù)冠截留量按公式 Pc=P-Ps-Pt計(jì)算,式中:Pc為樹(shù)冠截留量,mm;P為大氣降雨量,mm;Ps為樹(shù)干莖流量,mm;Pt為穿透雨量,mm。

2.2.3 枯落物蓄積量及吸持水能力測(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 7 d以上,直至用手觸摸無(wú)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蓄積量;枯落物吸持水能力采用浸水法測(cè)定,將原狀枯落物裝入網(wǎng)袋,浸水 24 h,浸水后枯落物質(zhì)量與浸水前質(zhì)量的比值為最大持水率。

2.2.4 土壤水分物理性質(zhì)的測(cè)定 用環(huán)刀法測(cè)定土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度;采用環(huán)刀有壓入滲法測(cè)定土壤的滲透性能。

2.3 森林水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建

2.3.1 綜合評(píng)價(jià)原理 目前用于某一對(duì)象定性評(píng)價(jià)的方法有很多,層次分析法、模糊評(píng)價(jià)、灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)等,各評(píng)價(jià)方法特點(diǎn)不一,計(jì)算過(guò)程過(guò)于繁瑣。筆者從實(shí)用角度出發(fā),選擇使用最為普遍的一種評(píng)價(jià)方法,即加權(quán)平均法。該方法的實(shí)質(zhì)是賦予方案每個(gè)指標(biāo)(準(zhǔn)則)權(quán)重后,對(duì)方案各評(píng)價(jià)指標(biāo)下實(shí)測(cè)值的評(píng)分值求加權(quán)和。以數(shù)學(xué)公式表達(dá)為

式中:U為待評(píng)方案的加權(quán)綜合評(píng)價(jià)值;xi為待評(píng)方案第 i個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值;Vi(xi)為 xi的評(píng)分值;wi為評(píng)價(jià)體系中第 i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

Vi(xi)通過(guò)構(gòu)造出不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的嶺形評(píng)分函數(shù)計(jì)算獲得。由于嶺形函數(shù)的特性,其評(píng)分值的大小在[0,1]中變化。

Vi(xi)min為第 i個(gè)指標(biāo)偏小型嶺形函數(shù),在(a1,a2]中呈遞減趨勢(shì),即 xi值越小,評(píng)分值 Vi(xi)min越高(a1、a2為指標(biāo) xi的上下限閥值)。

Vi(xi)max為第 i個(gè)指標(biāo)偏大型嶺形函數(shù),在(a2,a1]中呈遞增趨勢(shì),即 xi值越大,評(píng)分值 Vi(xi)max越高。

2.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及閥值的選取 森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)樹(shù)木冠層水文效應(yīng)、林地地表枯落物層的吸水截持、林地土壤水庫(kù)的滲透蓄水這 3個(gè)主要環(huán)節(jié)的共同作用,使得森林對(duì)降雨過(guò)程進(jìn)行了有效的攔蓄和調(diào)節(jié)分配,從而發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能;因此,要客觀評(píng)價(jià)森林水源涵養(yǎng)功能,需要選擇能較好表征這 3個(gè)方面的指標(biāo)。

1)森林冠層水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)。森林冠層是降雨過(guò)程中第一個(gè)接觸面,其不僅有效地截留了一定數(shù)量的降雨,同時(shí)還削弱了降雨的動(dòng)能,因而樹(shù)木的林冠截留作用在森林發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的過(guò)程中發(fā)揮著極為重要的作用?？紤]到降雨分布的地域差異,選擇林冠截留率(X1)作為森林冠層水文效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

程根偉[1]指出,溫帶針葉林、亞熱帶杉木、馬尾松林、季風(fēng)常綠闊葉林林冠截留分別占全年降雨量的 20%～40%、15%、25%和 30%;劉世榮等[2]根據(jù)我國(guó)不同區(qū)域生態(tài)站森林水文生態(tài)功能觀測(cè)結(jié)果,指出我國(guó)主要森林林冠截留率的變化范圍為 11%～37%。參照這些研究結(jié)果,設(shè)定指標(biāo) X1的上限閥值為 40%,下限閥值為 10%。

2)枯落物層水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)?？葜β淙~層的涵養(yǎng)水源作用主要體現(xiàn)在吸持水方面。衡量枯落物層吸持水性能的指標(biāo)主要有最大持水量(率)、最大攔蓄量 (率 )、有效攔蓄量 (率 )等 ,其中對(duì)枯落物層吸持水特性起最主要作用的是枯落物層的蓄積量和最大持水率,故選擇枯落物層的蓄積量(X2)和最大持水率(X3)為枯落物層水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

王佑民[3]指出,我國(guó)各地喬木林地的枯落物蓄積量一般均在 10 t/hm2以上,生長(zhǎng)良好的林分可達(dá)20～40 t/hm2,枯落物的最大吸水率多為其干質(zhì)量的 2～3倍,有的闊葉樹(shù)種可達(dá) 4倍;劉世榮等[2]根據(jù)我國(guó)不同區(qū)域生態(tài)站森林水文生態(tài)功能觀測(cè)結(jié)果,指出我國(guó)主要森林枯落物層蓄積量的變化范圍為 3.5～26.8 t/hm2,枯落物層的最大持水率變化范圍為 200%～500%。參照這些研究結(jié)果,設(shè)定指標(biāo)X2的上限閥值為 40.0 t/hm2,下限閥值為 3.5 t/hm2,設(shè)定指標(biāo) X3的上限閥值為 400%,下限閥值為200%。

3)土壤水庫(kù)水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)。土壤水庫(kù)的水源涵養(yǎng)功能主要體現(xiàn)在土壤滲透性能和蓄水性能 2個(gè)方面。在降雨強(qiáng)度、降雨量適中的降雨條件下,土壤可以充分入滲雨水,使降雨滯留于土壤水庫(kù)中,使林地不易形成地表徑流,很好地起到水源涵養(yǎng)作用。

表征土壤滲透性能的指標(biāo)主要有初滲透率、穩(wěn)滲速率、滲透系數(shù)等,選擇土壤穩(wěn)滲速率(X4)為衡量土壤水庫(kù)滲透性能優(yōu)劣的指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果[4-13],發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)不同森林類型土壤的穩(wěn)滲速率一般不超過(guò) 8mm/min,而一些透水性較差的土壤的穩(wěn)滲速率都低于 1mm/min,因而設(shè)定指標(biāo) X4的上限閥值為 8mm/min,下限閥值為 1mm/min。

表征土壤蓄水性能的指標(biāo)有土壤總蓄水量、毛管蓄水量與非毛管蓄水量,其中土壤總蓄水量是毛管與非毛管蓄水量之和,反映土壤儲(chǔ)蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力,它是土壤涵蓄潛力的最大值;土壤非毛管蓄水量又稱涵養(yǎng)水源量,反映土壤迅速容納降雨徑流和調(diào)節(jié)水分的能力。土壤層的總蓄水量和非毛管蓄水量取決于土層的厚度和土壤孔隙狀況,因而,選取土層厚度(X5)、土壤總孔隙度(X6)和土壤非毛管孔隙度(X7)作為評(píng)價(jià)土壤蓄水性能的指標(biāo)。參考林地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)相關(guān)方法[14],設(shè)定指標(biāo) X5上限閥值為 100 cm,下限閥值為 20 cm,參考土壤總孔隙度的一般范圍[15](30%～60%),設(shè)定指標(biāo) X6的上限閥值為 60%,下限閥值為 30%,參考土壤非毛管孔隙度的一般范圍[15](5%～20%),設(shè)定指標(biāo) X7的上限閥值為 20%,下限閥值為 5%。

2.3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定和功能等級(jí)的劃分 依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及其各自的閥值,采用專家打分法為各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)重。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)及上下限閥值見(jiàn)表 2。

依據(jù)森林水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)值(U)的大小可以將待評(píng)森林水源涵養(yǎng)功能定性劃分為 5個(gè)功能等級(jí):好 (0.8～ 1.0)、較好(0.6 ～ 0.8)、中等(0.4 ～0.6)、較差(0.2～0.4)、差(0 ～0.2)。

2.3.4 各指標(biāo)評(píng)分值計(jì)算 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的嶺形評(píng)分函數(shù) Vi(xi)max分別如下,利用這些公式可以分別計(jì)算各指標(biāo)的評(píng)分值。

表 2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)及閥限值Tab.2 Weight coefficient and threshou ld value of evaluation indexes

式中 V1(x1)max、V2(x2)max、V3(x3)max、V4(x4)max、V5(x5)max、V6(x6)max、 V7(x7)max分別為林冠截留率

(X1)、枯落物層蓄積量(X2)、枯落物層最大持水率

(X3)、土壤穩(wěn)滲速率(X4)、土層厚度(X5)、土壤總空隙度(X6)、土壤非毛管空隙度(X7)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的偏大嶺形評(píng)分函數(shù),x1、x2、…、x7分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)X1、X2、…、X7的實(shí)測(cè)值 。

3 結(jié)果與分析

桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表 3(均為統(tǒng)計(jì)平均值)。

運(yùn)用構(gòu)建的森林水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)方法和表 3中的數(shù)據(jù),得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,見(jiàn)表 4。從各森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)值可以看出,綜合水源涵養(yǎng)功能的大小順序?yàn)榍鄬?0.755 0)＞杉木(0.5688)＞毛竹(0.4738)＞香樟(0.4665)＞馬尾松(0.3230)＞板栗(0.301 1)。

表 3 不同森林類型各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值Tab.3 Measured value of indexes in different stands

表 4 各森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation resultof water conservation function of different stands

4 結(jié)論與討論

1)桐廬生態(tài)公益林主要森林類型的水源涵養(yǎng)功能存在著一定差異,林冠截留率由高至低依序?yàn)榍鄬?、杉木林、馬尾松林、毛竹林、香樟林、板栗林;枯落物蓄積量由高至低依序?yàn)榍鄬?、香樟林、毛竹林、杉木林、馬尾松林、板栗林;枯落物最大持水率由高至低依序?yàn)榘謇趿?、毛竹林、青岡林、杉木林、馬尾松林、香樟林;土壤穩(wěn)滲速率由高至低依序?yàn)榍鄬?、杉木林、毛竹林、香樟林、板栗林、馬尾松林;土壤總孔隙度由高至低依序?yàn)榍鄬帧⑾阏亮?、毛竹林、板栗林、杉木林、馬尾松林;土壤非毛管空隙度由高至低依序?yàn)榍鄬?、杉木林、香樟林、毛竹林、板栗林、馬尾松林。

2)桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為青岡林 ＞杉木林 ＞毛竹林 ＞香樟林 ＞馬尾松林 ＞板栗林;青岡林的水源涵養(yǎng)功能屬較好等級(jí),杉木林、毛竹林、香樟林為中等,馬尾松林、板栗林較差。

桐廬地區(qū)青岡林的水源涵養(yǎng)功能最好,建議在生態(tài)公益林建設(shè)更新過(guò)程中將青岡林作為重要森林類型加以營(yíng)造。

[1]程根偉.山地森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)與數(shù)學(xué)模擬.北京:城市科學(xué)出版社,2004:14-15

[2]劉世榮,孫鵬森,溫遠(yuǎn)光.中國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的比較研究.植物生態(tài)學(xué)報(bào),2003,27(1):16-22

[3]王佑民.中國(guó)林地枯落物持水保土作用研究概況.水土保持學(xué)報(bào),2000,14(4):108-113

[4]朱兵兵,張平倉(cāng),王一峰,等.長(zhǎng)江中上游地區(qū)土壤入滲規(guī)律研究.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2006,28(4):43-47

[5]王鵬程,肖文發(fā),張守攻,等.三峽庫(kù)區(qū)主要森林植被類型土壤滲透性能研究.水土保持學(xué)報(bào),2007,21(6):51-54

[6]袁建平,張素麗,張春燕,等.黃土丘陵區(qū)小流域土壤穩(wěn)定入滲速率空間變異.土壤學(xué)報(bào),2001,38(4):579-583

[7]劉少?zèng)_,段文標(biāo),陳立新.蓮花湖庫(kù)區(qū)幾種主要林型水文功能的分析和評(píng)價(jià).水土保持學(xué)報(bào),2007,21(1):79-83

[8]王云琦,王玉杰.縉云山典型林分森林土壤持水與入滲特性.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(3):102-108

[9]呂剛,吳祥云,雷澤勇,等.遼西半干旱低山丘陵區(qū)人工林地表層土壤水文效應(yīng).水土保持學(xué)報(bào),2008,22(5):204-208

[10]楊海龍,朱金兆,畢利東.三峽庫(kù)區(qū)森林流域生態(tài)系統(tǒng)土壤滲透性能的研究.水土保持學(xué)報(bào),2003,17(3):63-65

[11]潘紫文,劉強(qiáng),佟得海.黑龍江省東部山區(qū)主要森林類型土壤水分的入滲速率.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,30(5):24-26

[12]王月玲,蔣齊,蔡進(jìn)軍,等.半干旱黃土丘陵區(qū)土壤水分入滲速率的空間變異性.水土保持通報(bào),2008,28(4):52-55

[13]王偉,張洪江,李猛,等.重慶市四面山林地土壤水分入滲特性研究與評(píng)價(jià).水土保持學(xué)報(bào),2008,22(4):95-98

[14]張康健,王藍(lán),孫長(zhǎng)忠.森林立地定量評(píng)價(jià)與分類.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1988:28-42

[15]孫向陽(yáng).土壤學(xué).北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2004:131-135

[16]魯紹偉,毛富玲,靳芳,等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能.水土保持研究,2005,12(4):223-226

[17]溫光遠(yuǎn),劉世榮.我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)類型降雨截流規(guī)律的數(shù)量分析.林業(yè)科學(xué),1995,31(4):289-298

[18]鮑文,包維楷,何丙輝,等.岷江上游油松人工林對(duì)降雨的分配效應(yīng)研究.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(5):10-13

[19]李德生,張萍,張水龍.黃前庫(kù)區(qū)森林土壤蓄水能力研究.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,28(1):25-27

Comp rehensive evaluation on water conservation function of main stand types of ecological protection forest in Tonglu County

Huang Jin1,Zhang Jinchi1,Yang Hui2
(1.Nanjing Forestry University,210037,Nanjing;2.Guangzhou Fanyu Vocational College,511400,Guangzhou:China)

Water conservation function ofmain stand typesofecological protection forest in Tonglu county of Zhejiang province were evaluated.Rate of canopy interception,litter volume,maximalwaterholding rate of litter layer,soil steady infiltration,soil thickness,soil general porosity and non-capillary porosity were selected as evaluation index,and comprehensive evaluation method of water conservation function wasused.The result show that the desending order of water conservation function was Cyclobalanopsis glauca,Cunninghamia Lanceolata,Phyllostachys heterocycla,Cinnamomum camphora,Pinusmassoniana,Castanea mollissima;the water conservation function of Cyclobalanopsis glauca belongs to better grade,Cunninghamia Lanceolata,Phyllostachys heterocycla and Cinnamomum camphora were middle,Pinusmassoniana and Castaneamollissima were worse.

ecological protection forest;water conservation function;stand types;evaluation;Tonglu

2009-04-08

2009-09-18

項(xiàng)目名稱:國(guó)家“十一五”林業(yè)科技支撐項(xiàng)目“長(zhǎng)江中下游低山丘陵退化區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)示范”(2006BAD 03A 16)

黃進(jìn)(1983—),男,博士研究生。主要研究方向:森林水文、環(huán)境生態(tài)。E-mail:hjtyforlove@yahoo.com.cn

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:張金池(1962—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持、森林水文、林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:nfujczhang@sina.com

(責(zé)任編輯:宋如華)