湖南西毛里湖湖濱毛竹林水源涵養(yǎng)能力及其價(jià)值評(píng)估

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(中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 140001)

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要生態(tài)功能，水源涵養(yǎng)主要表現(xiàn)為對(duì)降雨的再分配過程，即森林的林冠層、枯枝落葉層和地下土壤層等通過攔截、吸收、蓄積降水，涵養(yǎng)大量水源[1]。不同學(xué)者關(guān)于森林水源涵養(yǎng)價(jià)值內(nèi)涵的理解不同，因此利用不同的方法對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的不同部位進(jìn)行了估算[2]。肖寒等[3]利用水量平衡法對(duì)熱帶尖峰嶺森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值進(jìn)行了研究，鄧?yán)っ兜萚4]利用土壤蓄水能力對(duì)長(zhǎng)江上游主要森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，李晶等[5]利用綜合蓄水能力法對(duì)陜北黃土高原生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)價(jià)值的時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析。相比而言，綜合蓄水能力法能反映潛在的水源涵養(yǎng)價(jià)值，且操作性相對(duì)簡(jiǎn)單，因而被多數(shù)學(xué)者所采用[2,6-8]。

竹林是一種特殊的森林類型，具有重要的水源涵養(yǎng)功能[9]。目前，有學(xué)著對(duì)福建省[8-10]、重慶市[11-13]和貴州省[14]竹林的水文特征及其生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了研究，但相比其他森林類型，對(duì)竹林涵養(yǎng)水源服務(wù)價(jià)值的研究明顯不足。毛竹林是中國(guó)竹林生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有重要的利用價(jià)值[15]。本文選擇湖南西毛里湖湖濱毛竹林為研究對(duì)象，利用綜合蓄水能力法研究了湖濱毛竹林的水源涵養(yǎng)能力并對(duì)其服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，以期為科學(xué)認(rèn)識(shí)毛竹林的生態(tài)功能、充分發(fā)揮毛竹林在西毛里湖的水源涵養(yǎng)功能提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西毛里湖國(guó)家濕地公園，地處湖南省常德津市東南部(111°54′3.29″E, 29°19′58.37″N)，位于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風(fēng)潮濕氣候區(qū)，年均降水量1 164.3 mm，年均氣溫16.6 ℃，平均無霜期272 d，平均霧日17 d。西毛里湖周邊是坡度平緩的丘崗地，海拔28～60 m。土壤為紅壤，粘粒含量高，持水性強(qiáng)，分布有空心蓮子草 (Alternantheraphiloxeroides)、野大豆(Glycinesoia)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、虉草(Phalarisarundinacea)、花櫚木(Ormosiahenryi)、喜樹(Camptothecaacuminata)等植物種類。由于近年來的圍湖造田，湖南西毛里湖濕地水面減少，生態(tài)服務(wù)功能退化嚴(yán)重。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與林分調(diào)查

于2015年5月在津市東南曹家毛竹純林內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，并進(jìn)行林分調(diào)查，記錄物種名稱、數(shù)量、胸徑、樹高、立竹度等林分結(jié)構(gòu)因子(表1)。在每個(gè)樣地的上、中、下坡分別設(shè)置3個(gè)0.5 m×0.5 m的地表枯落物小樣方，用來估算枯落物質(zhì)量；同時(shí)，隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的灌草層小樣方，利用收獲法估算灌草層的鮮質(zhì)量和生物量密度。

表1 樣地毛竹純林林分基本特征

1.2.2 野外定位觀測(cè)和室內(nèi)分析

為獲得大氣降水量，于2015年在毛竹林外空曠處放置2個(gè)自動(dòng)記錄雨量筒(RG3-M，Onset公司，美國(guó))；同時(shí)在毛竹林的3塊樣地內(nèi)分別設(shè)置5個(gè)自動(dòng)記錄雨量筒(樣方4個(gè)角和對(duì)角線處各放置1個(gè))，用于測(cè)定林內(nèi)穿透雨量。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3株立竹進(jìn)行樹干徑流的測(cè)定；安裝時(shí)，將橡皮管剖開后按“蛇”形纏繞一周半，用大圖釘固定在樹干上，下接雨量桶測(cè)量莖流，橡皮管與樹皮接觸的地方用石蠟密封。

在地表枯落物小樣方，用直徑卷尺分別測(cè)量未分解和半分解層的厚度，并全部取樣封裝帶回實(shí)驗(yàn)室稱量，以計(jì)算枯枝落葉單位面積的干質(zhì)量。取自然風(fēng)干后的樣品100 g放入孔徑為0.2 cm的紗網(wǎng)袋內(nèi)，然后放入清水中充分浸泡，確定地表枯落物的最大持水率及最大持水量。為獲得灌草層生物量密度及其最大持水量，收割小樣方中所有灌木和草本，稱其鮮質(zhì)量，結(jié)合室內(nèi)測(cè)得含水率數(shù)據(jù)估算樣地灌草層的生物量密度；隨機(jī)選取收獲的灌草樣本(1 kg)左右，放入水中浸泡，測(cè)定灌木層的平均最大持水量(重復(fù)3次)。土壤非毛管孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定[16]。

1.2.3 毛竹林涵養(yǎng)水源量的估算

林冠層截流量(Q1，m3)按式(1)計(jì)算：

Q1=S·P·α

(1)

α=(P-T-C)/P×100%

(2)

灌草層持水量(Q2，m3)或枯枝落葉層持水量(Q3，m3)的大小取決于灌草層(或枯枝落葉)干質(zhì)量、最大持水率、竹林面積等因子，計(jì)算公式如下：

周竹葉：向服務(wù)轉(zhuǎn)型，最重要的還是轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)理念，改變農(nóng)化為營(yíng)銷服務(wù)的思想。首先是按照作物營(yíng)養(yǎng)吸收機(jī)理，以測(cè)土配方為指導(dǎo)向生產(chǎn)專用肥、配方肥為主轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型企業(yè)向“生產(chǎn)+服務(wù)型”企業(yè)轉(zhuǎn)變，重點(diǎn)發(fā)展適合測(cè)土配方施肥要求的肥料產(chǎn)品，以及適合農(nóng)業(yè)節(jié)水需求的水溶肥、液體肥，滿足農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展需求，維護(hù)環(huán)境安全。其次是創(chuàng)新農(nóng)化服務(wù)模式，建立相互協(xié)作的、專業(yè)化的農(nóng)化服務(wù)體系，提高服務(wù)科技含量，為農(nóng)戶提供從全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)。

Q2(或Q3)=S·L·β

(3)

土壤蓄水量(Q4，106m3)主要取決于土壤非毛管孔隙度的大小和土層厚度，計(jì)算公式如下:

Q4=S·H·γ

(4)

毛竹林水源涵養(yǎng)能力采用綜合蓄水能力法。因此，毛竹林涵養(yǎng)水源的量(Q，m3)即為林冠層、灌草層、枯枝落葉層和土壤層涵養(yǎng)水源量之和，即

Q=Q1+Q2+Q3+Q4

(5)

上述公式中，P、T和C分別代表大氣降水量、穿透雨量和樹干莖流量(mm)，L為單位面積灌草層(或枯枝落葉層)的干質(zhì)量(t/hm2)，α、β和γ為毛竹林冠層截留率(%)、灌草層(或枯枝落葉層)的最大持水率(%)和土壤的非毛管孔隙度比例(%)，S為林分面積(hm2)，H為土壤深度(本研究取80 cm)。

1.2.4 毛竹林涵養(yǎng)水源服務(wù)價(jià)值估算

毛竹林的涵養(yǎng)水源效益，相當(dāng)于節(jié)省了工程投入的成本。因此，可用替代工程的影子價(jià)格來計(jì)算毛竹林水源涵養(yǎng)價(jià)值。根據(jù)我國(guó)水庫(kù)工程造價(jià)，單位庫(kù)容造價(jià)為0.67元/m3，參考大多數(shù)研究[4,9-10,17]，本文亦采用這一價(jià)格。結(jié)合水源涵養(yǎng)總量評(píng)價(jià)結(jié)果，采用公式(6)計(jì)算竹林每年的水源涵養(yǎng)服務(wù)總價(jià)值：

V水=Q×0.67

(6)

式中，V水為毛竹林每年涵養(yǎng)水源服務(wù)價(jià)值(元)，Q為每年水源涵養(yǎng)總量(m3)，0.67為單位庫(kù)容建設(shè)成本(元/m3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 林冠層截留量

基于野外雨量筒的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，可計(jì)算出西毛里湖降水在毛竹林林冠的分配。毛竹林林冠層全年穿透雨和莖稈流量為1 118.00 mm和33.10 mm，分別占總降水量的85.17%和2.52%。由此，可計(jì)算出毛竹林林冠層截留量為161.50 mm，截留率為12.30%。根據(jù)式(1)和(2)即可計(jì)算出單位面積毛竹林林冠層全年的截流量為1 615.00 m3/hm2。

回歸擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，西毛里湖湖濱毛竹林林冠截留率與降水量具有明顯的冪函數(shù)型關(guān)系(圖1)。擬合關(guān)系表明，毛竹林林冠截留率與年降水呈現(xiàn)非線性下降趨勢(shì)，即當(dāng)降水量較小時(shí)，林冠截率較大；隨著降水量的增加而林冠截留率不斷降低；當(dāng)降水量繼續(xù)增大時(shí)，林冠截留率趨向平緩。這與降水量較大時(shí)林冠層截留趨向飽和的原因有關(guān)。

圖1 西毛里湖毛竹林林冠層截留與降水的冪函數(shù)關(guān)系

2.2 灌草層和枯落物層持水量

利用收獲法，不難得到灌草層的生物量密度，進(jìn)而計(jì)算出該層的最大持水量(表2)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，西毛里湖毛竹林灌草層平均生物量密度為1.00 t/hm2，最大持水量為1.16 t/hm2，最大持水率約為55.12%。據(jù)公式(3)可計(jì)算出單位面積毛竹林灌草層的年截流量為0.76 m3/hm2。同樣，可計(jì)算出枯落物層的儲(chǔ)量為6.38 t/hm2，最大持水量為10.54 t/hm2，最大持水率約為165.20%，因此毛竹枯落物層年持水量為17.41 m3/hm2。

表2 毛竹林灌草層和枯落物層持水能力

2.3 土壤持水能力

利用環(huán)刀法測(cè)出樣地毛竹林土壤非毛管孔隙度比例為21.51%，因此根據(jù)公式(4)可計(jì)算出土壤層的蓄水能力為1 720.80 m3/hm2。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力及其價(jià)值

利用綜合蓄水能力法根據(jù)公式(5)可計(jì)算得到毛竹林生態(tài)系統(tǒng)年涵養(yǎng)水源量為3 353.97 m3/hm2，根據(jù)公式(6)可計(jì)算出毛竹林涵養(yǎng)水源服務(wù)的年價(jià)值為2 247.16元/hm2。其中，林冠層、灌草層、枯枝落葉層和土壤層的水源涵養(yǎng)服務(wù)年價(jià)值分別為1 082.05、0.51、11.66和1 152.94元/hm2，分別貢獻(xiàn)總價(jià)值的48.15%、0.02%、0.52%和51.31%(表3)。

表3 毛竹林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源服務(wù)價(jià)值及各層貢獻(xiàn)

3 結(jié)論與討論

利用綜合蓄水能力法對(duì)西毛里湖湖濱毛竹林的林冠層、灌草層、枯枝落葉層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力分別進(jìn)行了評(píng)價(jià)。西毛里湖湖濱毛竹林林冠層截留率為12.30%，與重慶縉云山的毛竹林相近[12]，但是低于福建的毛竹林(22.90%)[8]，而高于梁山慈竹(9.29%)[14]。冠層截留率差異較大，可能與降雨量、林分密度等不同有關(guān)。

相對(duì)于林冠層和土壤層，灌草層和枯落物層的水源涵養(yǎng)能力較小，兩者之和不到生態(tài)系統(tǒng)總價(jià)值的1%。因此，部分學(xué)者在進(jìn)行水源涵養(yǎng)能力及其價(jià)值評(píng)價(jià)時(shí)，忽略了灌草層[14, 18]，甚至直接用土壤涵養(yǎng)水源量作為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力[4]。但灌草層和枯枝落葉層在森林生態(tài)功能中扮演著十分重要的角色，其水土保持和水源涵養(yǎng)的作用不容忽視。

湖濱毛竹林單位面積水源涵養(yǎng)服務(wù)年價(jià)值排序依次為：土壤層(1 152.94元/hm2)>林冠層(1 082.05元/hm2)>枯枝落葉層(11.66元/hm2)>灌草層(0.51元/hm2)。這與多數(shù)研究關(guān)于土壤層水源涵養(yǎng)能力在生態(tài)系統(tǒng)中貢獻(xiàn)最大的結(jié)論一致。然而本文結(jié)果顯示，西毛里湖湖濱毛竹林林冠層的水源涵養(yǎng)能力僅次于土壤層，僅僅用土壤層指示整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是不太合適的。

非毛管孔隙度能夠反映土壤貯水能力的強(qiáng)弱，是評(píng)價(jià)不同立地類型條件下土壤自身涵養(yǎng)水源及調(diào)整土壤水分循環(huán)的重要指標(biāo)[19]。西毛里湖湖濱土壤非毛管孔隙度為21.51%，明顯高于重慶和福建毛竹林的非毛管孔隙度。湖濱帶土壤較疏松，因此湖濱毛竹林土壤涵養(yǎng)水源能力較內(nèi)陸更強(qiáng)。當(dāng)然，樹高、胸徑和土壤深度也明顯影響非毛管孔隙度[16]?？茖W(xué)認(rèn)識(shí)并充分發(fā)揮湖濱帶毛竹林的水源涵養(yǎng)功能對(duì)于西毛里湖保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。