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桉树人工林对林区地表水的影响

杨钙仁  
【摘要】:植被变化是当前森林生态水文变化的最主要驱动力,也是森林地表水水质的重要影响因素。桉树人工林因其造林前的炼山、挖坑等营林措施,彻底改变了原有植被以及土壤生态系统结构;同时,营林后频繁而强烈的抚育措施(追肥、除草等)、林木的快速生长等,致使新建的植被结构和土壤生态系统持续发生剧烈变化,上述过程均可能引起森林水循环和物质周转的显著变化。为了探讨桉树人工林对森林主要生态水文以及林区地表水质的影响过程与机理,为区域水资源管理以及桉树人工林水分高效利用提供科学依据,促进我国南方人工林的可持续发展,本文应用气象观测仪和经典土壤水分测试方法研究了2008年种植桉树人工林(Eucalyptus plantation,08EU)以及马尾松—杉木混交林(Pinus massoniana×Cunninghamia Lanceolata, MF)林内气象以及土壤水分调蓄功能变化特征;采用小型蒸发仪对08EU、MF以及2011年种植的桉树林(11EU)土壤蒸发进行了为期9个月的连续观测;采用巴歇尔槽—超声波自动液位计对08EU和MF集水区产流量进行了连续观测;采用分程式采集系统研究了2002年(02EU)、2006年(06EU)、2008年(08EU)种植的尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E. grandis)以及杂交相思(A cacia mangium×A. auriculaef, AM)、马尾松(Pinus massoniana, PL)等人工林冠层穿透水水质,同时对桉树人工林(02EU、06EU和08EU)、PL和MF等林地或集水区内不同部位地表水(坡面径流、不同断面溪水)的水质时空演变特征进行了系统研究,取得了以下主要进展: (1)桉树人工林林内空气最高温湿度和表土含水量的波动幅度以及土壤层剩余蓄水空间显著大于、表土平均含水量和林冠层雨水截留能力显著低于马尾松—杉木混交林,桉树人工林林内环境稳定性较差,其林内环境特点可加快土壤养分周转速率,土壤肥力衰退风险高于其他森林。相比于MF,08EU林内日空气温湿度波动幅度显著增加,主要表现为扩大了空气日温湿度极差以及降低了日最小温湿度,在秋冬季,桉树林内日最小空气湿度比MF低7.0%-10.6%,但两种人工林日平均空气温度和湿度差异不显著。桉树林冠层雨水穿透率(92.1%)比混交林(88.7%)大3.8%,其雨水最大截留量(8.8mm)比混交林(14.9mm)少6.1mm。08EU0-15cm土层最大蓄水量比MF高3.7mm,但有机层和0-50cm土层比后者少9.5mm。桉树人工林0-30cm土壤含水量显著低于MF,降雨越少两者的差异越大。6月至12月,桉树林地0-15cm和0-50cm土层水分现存量平均值比MF的分别低15.0mm和20.0mm,剩余蓄水空间比MF的分别大18.6mm和10.5mm。 (2)桉树人工林土壤水分蒸发速率显著大于混交林,桉树林龄越小土壤蒸发越强烈,本研究建立的以4个气象因子为变量的拟合方程对土壤蒸发的模拟效果好于Penman公式,更适用于我国南方人工林土壤蒸发模拟。2011年6月至2012年2月,11EU、08EU和MF的蒸发总量分别为112.4、96.3和74.4mm,前两者分别比后者大38.0和21.9mm;7-9月为人工林土壤蒸发高峰期,1月为蒸发最弱月份,11EU、08EU和MF土壤蒸发最大月份日均蒸发量分别为0.786、0.766和0.579mm,为最弱月份的5.9-6.7倍;人工林土壤蒸发速率在雨后较大,雨前较小,但土壤蒸发速率与土壤水分含量相关性不显著,与林内日均气温(Ta)、最高气温(Tm)、气温极差、湿度极差(Hr)以及土表温度显著正相关,与日最小空气湿度(Hm)显著负相关;相关度最大的4个气象因子(Ta、Tm、Hr和Hm)与土壤日蒸发速率的模拟方程为:y=0.0036Tα+0.0047Tm,+0.0015Hr,-0.0013Hm+0.257 该方程对08EU和MF的土壤蒸发总量(9个月)模拟的偏差分别为-10.7%和+15.1%,对总量以及日蒸发量的模拟值与实测值的吻合度高于Penman公式。 (3)桉树人工林产流量比混交林少60.9%(162.3mm),径流模数和径流系数均显著小于混交林,桉树林强烈的土壤蒸发以及表土较强的拦蓄能力是其重要原因;桉树人工林对区域水资源安全存在威胁,雨季降雨偏少情况下其对水资源安全的威胁更严重,实行桉树人工林面积总量控制、避免区域过度集中种植和减小连片种植面积可有效降低桉树人工林对水资源的影响。08EU和MF集水区暴雨—径流过程线形态相似,洪峰呈单峰型,涨落急促;暴雨和中大雨对08EU和MF总产流量的贡献率分别75.3%、74.1%和7.0%、5.7%;混交林基流量(或基流模数)显著大于桉树人工林,但桉树林在久旱后的首次暴雨(50mm以上)中易于产生地表径流,而在随后的连续降雨中,混交林洪峰流量增速比桉树林快。2011年6月至12月,桉树人工林径流系数为0.110,径流模数为486.1m3·d-1km-2,比混交林分别低54.4%和60.9%,地表产流量为104.0mm,比混交林少162.3mm。 (4)桉树人工林显著改变了穿透水、坡面径流以及溪水水质,树种类型、林龄、凋落物以及降雨特征是森林水质的主要影响因子,土壤侵蚀是影响坡面径流pH、总P含量最直接因子,穿透水向溪水的汇流过程中大部分水质指标转好,正常情况下桉树林溪水COD、总N、硝态N、铵态N、总P符合或好于国家地表水三类水质标准,非施肥期间正常生长桉树人工林对林区地表水无大的水质安全威胁。桉树林冠层穿透水色度、化学需氧量(COD)显著大于AM和PL,pH值显著低于后两者及雨水,pH值比雨水低0.7~1.0;桉树幼龄林穿透水色度、浊度和COD最低,中林龄最大,总N和总P受林龄影响较小。桉树成熟林坡面径流色度分别为AM和PL的3.6~5.6倍和2.1倍,桉树林坡面径流pH值显著大于PL、小于AM,幼龄林总N含量低于AM和PL,近熟或成熟桉树林高于AM和PL;桉树林坡面径流色度、pH值以及COD随林龄增加而显著提高,pH值和COD由幼龄林的4.36和26.8mg·L-1逐渐升高至成熟林的5.47和388.4mg·L-1;但总N和总P含量差异不显著。清除凋落物显著增加桉树人工林坡面径流浊度、总N和总P含量,降低pH值、色度和COD。距上次暴雨间隔时间越长,桉树林坡面径流色度、COD、总N和总P含量越高,pH值越低,降雨特征对幼龄和中龄桉树人工林坡面径流水质的影响大于成熟林、AM和PL。桉树林溪水色度和COD显著小于、pH显著高于穿透水和坡面径流,溪水色度、pH随汇流增多而增高。桉树林龄越小其小溪上断面pH越低,但林龄对中、下断面影响较小;距上次降雨间隔越长雨强越大,桉树林溪水与其外部大集水区河水水质差异就越大。PL小溪上断面pH值为3.65~3.82,显著低于桉树林和大集水区河水;桉树林溪水总N含量显著高于MF,且波动较大,总P波动较小,桉树林小溪不同断面溪水总N含量差异不显著。 (5)人工林冠层穿透水总N以有机态N为主,而溪水以硝态N为主,硝态N是桉树面源污染的主要物质,主要来自桉树施肥,暴雨是面源污染的驱动因子,林龄越小N污染越严重,以传统方式对大面积桉树人工林同时施肥,将会导致较为严重的面源污染,溪水总N含量最高超出国家地表水五类水质标准的4倍,雨后分片分期施肥可减轻桉树人工林面源污染。穿透水铵态N含量占总N比例一般小于10%,硝态N小于3%;溪水硝态N占总N的比例随汇流增多而增大,至出水口,其比重为51.0%~63.7%,显著大于混交林和杉木林以及大集水区河水;桉树林溪水铵态N占总N的比例小于10%,显著低于MF、CL和大集水区河水;施肥后桉树林溪水总N含量最高达10.6mg·L-1,为施肥前20倍左右,劣于地表水五类水质标准,相同条件下,林龄越小N污染越严重。 (6)桉树人工林采伐迹地黑水为一种偶发自然现象,颜色较深、pH值较低、化学需氧量高是其主要水质特征,新鲜桉树剩余物的大量存在、高温多雨高湿天气是其发生的主要环境条件;雨季大面积采伐桉树人工林可引起黑水大面积爆发,对区域水质安全构成威胁;选择在秋冬季和减少在雨季采伐、采伐后摊开剩余物、避免采伐中大量剩余物堆积在低洼处、均衡安排各年度桉树造林面积、减小桉树林集中分布面积是防控桉树人工林黑水大面积发生的主要措施。黑水色度高达936度,COD为136.4mg·L-1,分别为桉树林正常溪水的40倍和6~20倍,而浊度、总N和总P没有发生显著变化。


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