1. 引言
水源涵养功能是森林生态系统生态效益的重要组成部分,主要是森林通过林冠、枯落物和土壤对降雨的截留、持存和蓄积作用影响流域水文过程、促进降雨再分配、缓和地表径流、增加土壤径流和地下径流,实质是植被层、枯枝落叶层和土壤层对降雨进行再分配的复杂过程。森林生态系统水源涵养功能计量方法 [1] 主要有:土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法、林冠截留剩余量法、水量平衡法、降水量贮存法、多因子回归法等8种,这些方法都有各自的优势与不足,实际应用中要灵活选择。综合蓄水能力法是指综合考虑了林冠层截留量、枯落物持水量和土壤层蓄水量的方法,比较全面,有助于比较分析不同作用层拦蓄降水功能的大小,计算理论上最大蓄水量。
洛南县地处秦岭东段南麓,是陕西省的重点林区县之一,秦岭是我国重要的水源涵养用材林区,评价本林区水源涵养功能,可为从严保护、合理经营和利用本地区森林资源,充分发挥其生态效益提供科学依据。
2. 研究区概况
洛南县地处秦岭东段南麓,南洛河上游,介于北纬33˚52'00''~34˚25'58'',东经109˚44'10''~110˚40'06''之间。地貌总的特征是:南北高,中间低,山地为主,川原皆具,地势起伏较大。最高海拔2646 m,最低670 m,最大相对高差1976 m。气候属暖温带季风性湿润气候区,年平均气温11℃,年平均降雨量754.8 mm,年日照时间2075 h,无霜期210 d左右,土壤平均侵蚀模数610.2 t/km2。由于水、热条件随地势的变化,植被垂直分布规律显著。海拔1100米以下的河谷低山丘陵区是落叶阔叶林和针叶混交林,主要树种是栓皮栎和油松;海拔1100~1800米地带,以油松、华山松和尖齿栎为主;海拔1800~2100米间的主要树种是桦木类,间有华山松、山梅、椴和少量的油松及云杉;海拔2100~2646米间,以云杉、冷杉为主。呈现了典型的暖温带植被类型。
3. 数据与方法
3.1. 数据收集与处理
收集最近的研究区森林资源二类调查数据,见表1,本林区森林资源以中幼龄林为主,占98.1%,针
Table 1. Statistical table of all kinds of forest area (hm2)
表1. 各类森林面积统计表(hm2)
叶林以油松为主,占99.7%,阔叶林以栎类为主,占88.4%,混交林以松栎混交为主,占99.8%,森林覆盖率61.3%。同时,查阅文献资料,收集、估算研究区不同类型、不同林龄森林的林冠截留率、枯枝落叶层最大持水量和土壤非毛管孔隙度等参数。
3.2. 研究方法
利用综合蓄水能力法 [2] ,估算和分析研究区森林生态系统对降雨的林冠层截留量(C)、枯枝落叶层持水量(L)和土壤层蓄水量(S),评价研究区不同类型森林的水源涵养效益。按照综合蓄水能力法,森林生态系统的总水源涵养量(WR)为:
(1)
3.2.1. 林冠层截留降水量(C)
(2)
式中,C为林冠层截留量(m3),Ai为第i类森林林冠截留率(%),R为单次最大降雨量(m),Di为第i类森林面积(m2)。
3.2.2. 枯枝落叶层持水量(L)
(3)
式中,L为枯枝落叶层持水量(m3),Bi为第i类森林枯枝落叶层最大持水量(m3/hm2),Di为第i类森林面积(hm2)。
3.2.3. 土壤层蓄水量(S)
(4)
式中,S为土壤层蓄水量(m3),Ki为第i类森林土壤非毛管孔隙度(%),H为土层厚度(m),Di为第i类森林面积(m2)。
4. 结果与分析
4.1. 不同类型森林生态系统林冠截留量
参考陈东立 [3] 、庞玉飞 [4] 、陈书军 [5] 等研究成果,估算出研究区不同类型森林生态系统林冠层截留率,见表2,单次最大降雨量采用研究区气象局监测的近三年降雨数据。
按公式(2)可以算出,研究区森林生态系统林冠层截留量为2.67 × 107 m3,单位面积截留量193.34 t/hm2,其中针叶林1.78 × 107 m3,占66.6%,单位面积截留量207.38 t/hm2;阔叶林7.43 × 106 m3,占27.8%,单位面积截留量165.78 t/hm2;混交林1.51 × 106 m3,占5.6%,单位面积截留量202.87 t/hm2。
4.2. 不同类型森林生态系统枯枝落叶层持水量
参考陈东立 [3] 、朱金兆 [6] 、张胜利 [7] 等研究成果,估算出研究区不同类型森林生态系统枯枝落叶层最大持水量,见表3。
按公式(3)可以算出,研究区森林生态系统枯枝落叶层截留量为5.34 × 106 m3,单位面积持水量38.67 t/hm2,其中针叶林3.61 × 106 m3,占67.5%,单位面积持水量42.06 t/hm2;阔叶林1.45 × 106 m3,占27.2%,单位面积持水量32.35 t/hm2;混交林2.83 × 105 m3,占5.3%,单位面积持水量38.02 t/hm2。
4.3. 不同类型森林生态系统土壤层蓄水量
参考陈东立 [3] 、陆斌 [8] 、陈莉莉 [9] 、刘宇 [10] 等研究成果,估算出研究区不同类型森林生态系统土壤层非毛管孔隙度,见表4。按公式(4)可以算出,研究区森林生态系统土壤层蓄水量为1.12 × 108 m3,单位面积蓄水量811.04 t/hm2,其中针叶林6.23 × 107 m3,占55.8%,单位面积蓄水量725.82 t/hm2;阔叶林4.11 × 107 m3,占36.9%,单位面积蓄水量917.05 t/hm2;混交林8.12 × 106 m3,占7.3%,单位面积蓄水量1090.93 t/hm2。
4.4. 不同类型森林系统水源涵养力
按公式(1)估算,洛南县森林生态系统总涵养水源能力为1.44 × 108 m3,单位面积水源涵养能力1042.76 t/hm2。总涵养水源能力排序为:土壤层蓄水(占77.8%) > 林冠层截留(占18.5%) > 枯枝落叶层持水(3.7%),土壤层是森林涵养水源的主体。
按森林类型分,针叶林涵养水源力8.37 × 107 m3,占58.2%,单位面积水源涵养能力975.13 t/hm2;阔叶林5.00 × 107 m3,占34.8%,单位面积水源涵养能力1115.19 t/hm2;混交林9.91 × 106 m3,占7.0%,
Table 2. Estimation of canopy interception rate for different types of forest ecosystems (%)
表2. 不同类型森林生态系统林冠层截留率估算表(%)
Table 3. Estimation of maximum water holding capacity of litter layer in different types of forest ecosystem (t/hm2)
表3. 不同类型森林生态系统枯枝落叶层最大持水量估算表(t/hm2)
Table 4. Estimation of non-capillary porosity of soil layers in different forest ecosystems (%)
表4. 不同类型森林生态系统土壤层非毛管孔隙度估算表(%)
Table 5. Estimation of water conservation capacity of forest ecosystems at different ages
表5. 不同林龄森林生态系统水源涵养能力估算表
单位面积水源涵养能力1331.42 t/hm2。总涵养水源能力排序为:针叶林 > 阔叶林 > 混交林,主要是研究区针叶林面积最大,占62.2%。混交林面积最少,占5.4%。单位面积涵养水源能力排序为:混交林 > 阔叶林 > 针叶林,保护和发展混交林,可提高本区域水源涵养功能。
4.5. 不同林龄森林生态系统水源涵养功能
研究区森林生态系统水源涵养能力按林龄排序为:中龄林 > 幼龄林 > 近熟林 > 成熟林 > 过熟林,主要是中龄林面积最大,其次是幼龄林,近熟林,成熟林,过熟林。单位面积水源涵养能力排序为:成熟林 > 近熟林 > 过熟林 > 中龄林 > 幼龄林,见表5。
5. 结论
1) 研究区内总涵养水源能力1.44 × 108 m3,单位面积水源涵养能力1042.76 t/hm2,经济价值达5.45亿元/a [11] ,效益非常显著。
2) 不同类型森林生态系统单位面积涵养水源能力排序为:混交林 > 阔叶林 > 针叶林,因此① 保护好现有混交林。② 采用合理的抚育间伐和人工更新,促使现有针叶林、阔叶林向混交林演替。③ 宜林地尽可能营造混交林,可提高本区域森林生态系统水源涵养能力。
3) 不同龄组森林生态系统单位面积水源涵养能力排序为:成熟林 > 近熟林 > 过熟林 > 中龄林 > 幼龄林,保护好现有森林,促进其向成熟林过渡,是提高本区域森林生态系统水源涵养功能的必要措施。
6. 讨论
综合蓄水能力法需要大量的实测数据,本文仅通过已发表的文献搜集、估算研究区森林生态系统水源涵养能力,旨在提高森林保护意识、合理经营和利用本地区森林资源,以充分发挥其生态效益,评价结果准确性不够。同时,本次估算中,降雨量采用单次最大降雨量,未考虑常年降雨量,也忽略了森林蒸发散耗影响,所得结论仅反映理论上研究区森林生态系统最大的蓄水能力,并不代表实际状态下森林的蓄水量。