林业科学  2006, Vol. 42 Issue (2): 8-12   PDF    
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崔向慧, 李海静, 王兵.
Cui Xianghui, Li Haijing, Wang Bing.
江西大岗山常绿阔叶林生态系统水量平衡的研究
Water Balance of Evergreen Broad_Leaved Forest Ecosystem in Dagangshan Mountain, Jiangxi Province
林业科学, 2006, 42(2): 8-12.
Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(2): 8-12.

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收稿日期:2004-03-30

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崔向慧
李海静
王兵

江西大岗山常绿阔叶林生态系统水量平衡的研究
崔向慧, 李海静, 王兵     
中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091
摘要: 采用水量平衡方法和集水区技术,利用2000年5月至2004年6月的观测资料,研究大岗山林区常绿阔叶林生态系统的水量平衡问题。结果表明:系统平均年输入降水1 772.7 mm,其中44%集中在4—6月,主要支出项为径流、蒸散及土壤蓄水,分别为854.3、852.5和65.9 mm,占降水的48.2%、48.1%和3.7%;林冠对降水的分配具有明显的季节变化,2002年在降水量大、降水强度和降水频率高的雨季(4—9月),林冠截留率偏小(16.5%),而在干旱季(当年10月至次年3月),截留率相当大(22.2%);集水区平均年径流输出总量为854.3 mm,径流系数为48.2%,其中地下径流为853.1 mm,地表径流仅为1.2 mm。
关键词: 大岗山    常绿阔叶林    水文特征    水量平衡    
Water Balance of Evergreen Broad_Leaved Forest Ecosystem in Dagangshan Mountain, Jiangxi Province
Cui Xianghui, Li Haijing, Wang Bing     
Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091
Abstract: Using the method of water_balance, watershed experiment technique and located observation, based on the data and information collected from May, 2000 to June, 2003, the water balance of evergreen broad_leaved forest ecosystem in Dagangshan Mountain is studied. The results showed: Average annual precipitation was 1 772.7 mm, mainly in April to June, and 48.2%, 48.1% and 3.7% of which allocated to total runoff(854.3 mm), evapotranspiration (852.5 mm) and change of soil water storage(65.9 mm); Precipitation distribution has obviously seasonal change in crown level in 2002, in rain season(April—September), its crown interception ratio(16.5%) is less than drought season(October—next March); Average annual output gross of watershed is 854.3 mm, the pathway of runoff flow is 48.2%. Mainly of this underground runoff flow is 853.1 mm, and the earth's surface runoff flow is 1.2 mm.
Key words: Dagangshan Mountain    evergreen broad_leaved forest    hydrological properties    water balance    

水循环和水量平衡是森林水文学的基本问题,也是营造和保护水源涵养林和水土保持防护林的重要理论依据(杨海军等,1994; 张永涛等,2003)。大岗山位于中亚热带,森林资源类型多样,以常绿阔叶树为地带性树种的森林类型以复杂的树种组成和层次结构形成独特的水文特征和显著的水文生态功能(蒋有绪,1996; 刘世荣等,1996)。因此探索森林与水的各种关系,研究并揭示该类型森林生态系统的各种水文生态功能,对今后区域森林资源的经营管理、小流域综合治理以及生态环境建设具有重要的意义。

大岗山国家级森林生态站成立以来,把研究重点放在了杉木人工林和毛竹人工林生态系统的结构和功能上(杨茂瑞,1992; 马雪华等,1993; 王彦辉等,1993),而对常绿阔叶林生态系统的水文特征研究不够充分。本文依据2000年以来的长期连续观测数据和试验数据,对天然常绿阔叶林的水量平衡规律进行了分析研究,以期为正确评价小流域森林水文生态效益和科学经营管理该类型森林资源提供理论依据。

1 试验地自然概况

试验地位于江西省大岗山林区(114°30′—114°45′ E,27°30′—27 °50′ N)。气候属亚热带季风湿润类型,年均气温15.8~17.7 ℃,1月份平均最低温度为-5.3 ℃,7月份平均最高温度为28.8 ℃,年均降水量为1 591 mm,降水主要集中在4—6月,年均蒸发量为1 503 mm。天然常绿阔叶林是本地区的地带性植被,也是天然林演替系列的顶级群落,但由于长期严重的人为干扰,地带性植被已破坏贻尽,现存植被类型主要有天然次生常绿阔叶林、落叶阔叶林、各类针阔混交林、毛竹(Phyllostachys pubescens)林以及大面积杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林。

选择有代表性的常绿阔叶林作为试验林分,并在试验林内海拔332 m处设立面积为40 m×60 m的标准地。标准地概况如下:坡向东南,下坡位并含少部分谷地,坡度27°,土壤类型黄红壤,土层厚度0.4~0.6 m; 乔木树种主要有丝栗栲(Castanopsis fargesii)、山矾(Symplocos sumuntia)、刨花楠(Machilus pauhoi)、木荷(Schima superba)、苦槠栲(Castanopsis sclerophylla)、豹皮樟( Litsea coreana)以及山杜英(Elaeocarpus sylvestris)等,其中山矾占40%,栲树占20%;乔木层可分为3个层次; 林分郁闭度为0.6,平均树高21.5 m,平均胸径23.4 cm。

2 研究方法

在试验林分内外布设试验设施和观测仪器,用于观测大气降水、林内雨量、树干茎流、枯落物层截留量、土壤贮水量及径流等因子(林业部科技司,1994; 韩德儒等,1995; 邓世宗等,1995; 张胜利等,2000; 申卫军等,2000; 陈祥伟,2001; Simon et al.,1985)。

2.1 大气降水的测定

在试验林分外约50 m的空旷地安置口径为20 cm的雨量筒,并与300 m常规气象观测场内的CR2型自记雨量仪对大气降水过程进行连续对比观测。

2.2 林内穿透降水的测定

在试验林分内随机布设沟槽状的矩形受雨器和CR2型自记雨量仪,通过贮水型量水器和自记记录观测林内降水量。

2.3 土壤水分的测定

用环刀按0~10、10~20、20~30、30~40、40~60 cm分层次采集土样,每层取3个重复,用烘干称重法进行测定,同时采用中子水分仪法的测定结果与之对比,分析计算土壤含水率及土壤含水量。

2.4 径流的测定

采用闭合集水区技术,在面积为5.0 hm2的天然常绿阔叶林小集水区内设置面积为20 m×10 m的坡面径流场2个,用于观测小集水区坡面径流的大小; 在集水区出口处设三角型测流堰1座测定径流量。

2.5 林分蒸散量的计算

根据水量平衡公式:E=P- RW,推算林分蒸散量(翟洪波等,2004)。式中:P为大气降水量(mm); R为径流量(mm); ΔW为土壤贮水变化量(mm); E为蒸散量(mm)。

3 结果与分析 3.1 大气降水对系统水分的输入及其特征

由于试验集水区是自然完全闭合流域,不存在水分在系统间的水平输入,所以只有大气降水和森林的水平降水量(雾、露),但后者量值小,可以不予考虑(周光益等,1996)。因此系统水分的输入仅为大气降水。

根据2000—2004年的降水资料计算,本区平均年降水量为1 772.7 mm,主要集中在4—6月,占全年降水量的44%,而10—12月降水少,占全年的12%。据统计,降水量级在5.0 mm以下、5.0~24.9 mm、25.0~50.0 mm和50.0 mm以上的降水日数分别占总降水日数的40.7%、39.3%、13.8%和6.2%,但50.0 mm以上的降水量却占总水量的48.4%。据观测,在4—6月的梅雨季节,平均降水强度不大,而降水量在全年降水中所占比例很高。根据多次对常绿阔叶林的观测发现,当降雨量较小(小于12 mm)、降雨强度低时,由于树冠截留作用,穿透降水量也很小。但在小于30 mm的降水范围内穿透水量及其分配率随降水量的增加而急剧增加。根据观测数据,对穿透降水(Pt)和大气降水( P)之间的关系进行拟合:Pt=0.902 3P-1.276 1 (R2=0.998 6)

另外,观测发现,当降水量相近时,穿透降水量还与降水强度及前期降水间隔时间有关,降水强度越大,穿透降水量越大,前期降水间隔时间越短,穿透降水量及其所占降水比重也越大。

从试验林林冠截留率的季节动态看,雨季林冠截留量大,但截留率较低; 而在单次降水量小,降水强度低的干旱季截留率则明显偏高。表 1是常绿阔叶试验林不同降水量及降水强度下,林冠截留量的变化情况。

表 1 单次降水量及其降水强度下的林冠截留量 Tab.1 Crown interception variation in different one_off precipitation and precipitation intensity

表 2是2002年常绿阔叶林试验林分林冠层对大气降水的再分配状况。从表中可以看出,林冠对降水的分配具有明显的季节变化,无论是林冠截留、树干茎流还是穿透降水量,量值变化基本上与降水量一致,即降水量大的月份,其降水分量也大; 但在降水量大、降水强度和降水频率高的雨季(4—9月),林冠截留率却偏小(16.5%),而在干旱季(10 —3月),虽然截留量小,截留率却相当大(22.2%)。从表中看出,林分内年降水输入量为1 713.5 mm,其中穿透降水1 316.3 mm、树干茎流92.1 mm、林冠截留305.1 mm,分别占降水量的76.8%、5.4%和17.8%。

表 2 常绿阔叶林冠层大气降水的季节分配 Tab.2 Seasonal distribution of precipitation in crown of forest stand
3.3 林地土壤水分动态特征分析 3.3.1 土壤蓄水变化量

土壤蓄水量的变化主要决定于气象条件,因而也随季节呈周期性变化(见表 4)。大岗山林区4—6月降水集中,而且大气温度较低,因此这个季节土壤蓄水变化量多为正值,属于土壤蓄水阶段; 7—10月,尽管降水量仍然很大,但由于温度升高,植被生命活动日趋旺盛,林分的蒸散强烈,此时土壤失水以弥补蒸散等水分的支出,土壤蓄水变化量多为负值,属于土壤失水阶段; 11月至翌年3月,降水量小、大气温度偏低,系统水分支出与输入持平,这个时期土壤水分变化趋向平稳,变化量值也非常小。

表 4 常绿阔叶林林分水量收支平衡表 Tab.4 Water balance in the experimental forest ecosystem
3.3.2 常绿阔叶林土壤水分季节动态

据每月5、15、25日不同深度的土壤含水量平均,计算出常绿阔叶林林地土壤水分的月平均含水量。根据计算结果可以看出,在每年的4月,也就是雨季开始,土壤含水量迅速增加,到6月达到最高值; 7月由于林分蒸散耗水开始增加,土壤蒸发强烈,树木根系耗水量较大,这时土壤水分开始下降; 在9月林木会出现一个生长期,需要消耗一定水分,这个过程大约持续到11月; 然后土壤水分开始保持在一个相对平稳的阶段,直到次年的3月。因此,可以把常绿阔叶林林地的土壤水分季节变化划分为3个阶段,即土壤水分积累期(4—6月)、消耗期(7—11月)和稳定期(12月—翌年3月)。

3.4 林分蒸散耗水量

根据水量平衡公式:E=P- RW,推算蒸散量。结果表明(见表 4),在常绿阔叶林生态系统水量平衡中,年蒸散总量为852.5 mm,占全年降水总量的48.1%,可见林分蒸散是整个系统中的主要水分输出项。从季节变化来看(见图 1),降水较多的6月的蒸散量最大(138.9 mm)。在降水季节,较高的林分蒸散量可以使系统径流量减少,从而降低洪水发生的机率; 而在温度较高、降水次数较少的7—9月份主要为大强度、短历时的降水,容易产生径流,其蒸散量比雨季稍低。

图 1 天然常绿阔叶林蒸散量季节变化 Fig. 1 Evapotranspiration seasonal change of Evergreen broad_leaved forest ecosystem
3.5 林地径流变化特征 3.5.1 地表径流量

对径流小区的观测表明,常绿阔叶林林地上很少产生地表径流,即使在降雨量与降雨强度较大的4—6月,测定的最大月径流量也只有0.4 mm,年平均地表径流总量为1.2 mm。这与试验区为受人为活动影响较小的天然常绿阔叶林有关,林分分层结构好,郁闭度高,林冠的截留作用减弱了降水对林地的冲击,加上林地土壤具有良好的结构,有利于水分入渗,因此一般的降雨很少产生地表径流。由此可见,中亚热带天然常绿阔叶林对地表径流具有良好的调节作用。

3.5.2 集水区径流量动态特征

表 3看出,集水区平均年径流输出总量为854.3 mm,径流系数为48.2%,其中地下径流为853.1 mm,地表径流仅为1.2 mm。从径流的月分配来看,径流量最小值出现在雨季前期的1月(16.4 mm),最大值出现在6月(169.0 mm),径流系数最小值出现在2月(17.4%),最大值出现在7、8月(分别为72.1%和72.2%)。雨季(4—9月)降水量大,径流相应多,占总径流的79.2%,说明季节分配不均匀。而且雨季前(1—3月)与雨季后(10—12月)的径流量有很大差异,前者仅为后者的58.9%。

表 3 常绿阔叶林集水区径流季节分配特征 Tab.3 Runoff seasonal characteristics of evergreen broad_leaved forest ecosystem
3.6 水量平衡分析

从水量平衡收支表(表 4)中看出,常绿阔叶林生态系统的年降水输入量为1 772.7 mm,主要支出项为径流量和蒸散量,分别为854.3和852.5 mm,占降水的48.2 %和48.1%,而土壤蓄水变化量仅为65.9 mm,占全年降水的3.7%。在多年的系统水量平衡中,土壤蓄水变化量将非常微小,可以忽略不计。

4 结论与讨论

在大岗山林区,与杉木人工林、马尾松(Pinus massoniana)人工林和毛竹人工林林冠层降水分量的观测结果(马雪华等,1993; 王彦辉等,1993)对比发现,林冠年截留率大小顺序为常绿阔叶林(17.8%)>杉木人工林(16.3%)>毛竹人工林(11.1%)>马尾松人工林(10.3%); 而年树干茎流率的对比结果是常绿阔叶林(5.4%)>毛竹人工林(4.4%)>马尾松人工林(1.4%)>杉木人工林(1.1%)。各种林型冠层对降水重新分配的不同除了与树种本身的特性有关外,主要原因为林分水平上的生态系统结构和功能上的差异。此外,通过对中国亚热带常绿阔叶林林冠层对降水的再分配特征进行比较(莫江明等,2002; 刘世荣等,1996),发现存在较大的差异,这种地域空间上的差异主要是由地域间的降水差异所导致,其中不同的降水分量受影响的程度不同,一般树干茎流和林冠截留所受影响较大。

大岗山常绿阔叶林生态系统的水量平衡特点为:主要支出项为径流量和蒸散量,而土壤蓄水变化量仅占全年降水的3.7%。就径流量而言,在一定的林分状况下,单次降水过程中,随着降雨量的增加,各种耗水逐渐被满足,径流量则缓慢上升,达到峰值后,又缓慢减小并逐渐趋于稳定。但降水量并不是径流量的唯一决定因素,它还与降水强度、土壤前期含水量、植物湿润程度、降水时空分布等多种因素有关(蒋有绪,1996; 刘世荣等,1996; Tajchman et al .,1997)。

大岗山林区常绿阔叶林具有庞大的冠层,对大气降水进行再分配,有效地减弱了雨滴对林地的溅击动能; 林地上一定储量的枯落物层也对减少地表径流起了关键作用; 此外,常绿阔叶树种一般均具有强大的根系群,使土壤结构得到了有效改良,土壤空隙特别是非毛管空隙增加,有利于降水的下渗,起到了防止水土流失和水源涵养的功效(王礼先等,1998; 陈仁升等,2002)。因此,大岗山林区的常绿阔叶林比其他林型具有更强的水文生态调节能力,应加强封山育林和调整森林资源结构,保护好现有的天然常绿阔叶林生态系统。

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