桉樹人工林對(duì)林區(qū)地表水的影響.pdf

1、植被變化是當(dāng)前森林生態(tài)水文變化的最主要驅(qū)動(dòng)力，也是森林地表水水質(zhì)的重要影響因素。桉樹人工林因其造林前的煉山、挖坑等營(yíng)林措施，徹底改變了原有植被以及土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，營(yíng)林后頻繁而強(qiáng)烈的撫育措施(追肥、除草等)、林木的快速生長(zhǎng)等，致使新建的植被結(jié)構(gòu)和土壤生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)生劇烈變化，上述過(guò)程均可能引起森林水循環(huán)和物質(zhì)周轉(zhuǎn)的顯著變化。為了探討桉樹人工林對(duì)森林主要生態(tài)水文以及林區(qū)地表水質(zhì)的影響過(guò)程與機(jī)理，為區(qū)域水資源管理以及桉樹人工林水分高效

2、利用提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)我國(guó)南方人工林的可持續(xù)發(fā)展，本文應(yīng)用氣象觀測(cè)儀和經(jīng)典土壤水分測(cè)試方法研究了2008年種植桉樹人工林(Eucalyptus plantation，08EU)以及馬尾松-杉木混交林(Pinus massoniana×Cunninghamia Lanceolata，MF)林內(nèi)氣象以及土壤水分調(diào)蓄功能變化特征；采用小型蒸發(fā)儀對(duì)08EU、MF以及2011年種植的桉樹林(11EU)土壤蒸發(fā)進(jìn)行了為期9個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)；采用巴歇爾

3、槽-超聲波自動(dòng)液位計(jì)對(duì)08EU和MF集水區(qū)產(chǎn)流量進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)；采用分程式采集系統(tǒng)研究了2002年(02EU)、2006年(06EU)、2008年(08EU)種植的尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)以及雜交相思(Acacia mangium×A.auriculaef，AM)、馬尾松(Pinus massoniana，PL)等人工林冠層穿透水水質(zhì)，同時(shí)對(duì)桉樹人工林(02EU、06EU和08EU)、PL和

4、MF等林地或集水區(qū)內(nèi)不同部位地表水(坡面徑流、不同斷面溪水)的水質(zhì)時(shí)空演變特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了以下主要進(jìn)展：
　　 (1)桉樹人工林林內(nèi)空氣最高溫濕度和表土含水量的波動(dòng)幅度以及土壤層剩余蓄水空間顯著大于、表土平均含水量和林冠層雨水截留能力顯著低于馬尾松-杉木混交林，桉樹人工林林內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性較差，其林內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)可加快土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)速率，土壤肥力衰退風(fēng)險(xiǎn)高于其他森林。相比于MF，08EU林內(nèi)日空氣溫濕度波動(dòng)幅度顯著增加，主要表現(xiàn)

5、為擴(kuò)大了空氣日溫濕度極差以及降低了日最小溫濕度，在秋冬季，桉樹林內(nèi)日最小空氣濕度比MF低7.0%～10.6%，但兩種人工林日平均空氣溫度和濕度差異不顯著。桉樹林冠層雨水穿透率(92.1%)比混交林(88.7%)大3.8%，其雨水最大截留量(8.8 mm)比混交林(14.9 mm)少6.1 mm。08EU0～15 cm土層最大蓄水量比MF高3.7 mm，但有機(jī)層和0～50 cm土層比后者少9.5 mm。桉樹人工林0～30 cm土壤含水量顯

6、著低于MF，降雨越少兩者的差異越大。6月至12月，桉樹林地0～15 cm和0～50 cm土層水分現(xiàn)存量平均值比MF的分別低15.0 mm和20.0 mm，剩余蓄水空間比MF的分別大18.6 mm和10.5 mm。
　　 (2)桉樹人工林土壤水分蒸發(fā)速率顯著大于混交林，桉樹林齡越小土壤蒸發(fā)越強(qiáng)烈，本研究建立的以4個(gè)氣象因子為變量的擬合方程對(duì)土壤蒸發(fā)的模擬效果好于Penman公式，更適用于我國(guó)南方人工林土壤蒸發(fā)模擬。2011年6月至

7、2012年2月，11EU、08EU和MF的蒸發(fā)總量分別為112.4、96.3和74.4 mm，前兩者分別比后者大38.0和21.9 mm；7～9月為人工林土壤蒸發(fā)高峰期，1月為蒸發(fā)最弱月份，11EU、08EU和MF土壤蒸發(fā)最大月份日均蒸發(fā)量分別為0.786、0.766和0.579 mm，為最弱月份的5.9～6.7倍；人工林土壤蒸發(fā)速率在雨后較大，雨前較小，但土壤蒸發(fā)速率與土壤水分含量相關(guān)性不顯著，與林內(nèi)日均氣溫(Ta)、最高氣溫(Tm)

8、、氣溫極差、濕度極差(Hr)以及土表溫度顯著正相關(guān)，與日最小空氣濕度(Hm)顯著負(fù)相關(guān)；相關(guān)度最大的4個(gè)氣象因子(Ta、Tm、Hr和Hm)與土壤日蒸發(fā)速率的模擬方程為：y=0.0036Ta+0.0047Tm+0.0015Hr-0.0013Hm+0.257
　　 該方程對(duì)08EU和MF的土壤蒸發(fā)總量(9個(gè)月)模擬的偏差分別為-10.7%和+15.1%，對(duì)總量以及日蒸發(fā)量的模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合度高于Penman公式。
　　

9、(3)桉樹人工林產(chǎn)流量比混交林少60.9%(162.3 mm)，徑流模數(shù)和徑流系數(shù)均顯著小于混交林，桉樹林強(qiáng)烈的土壤蒸發(fā)以及表土較強(qiáng)的攔蓄能力是其重要原因；桉樹人工林對(duì)區(qū)域水資源安全存在威脅，雨季降雨偏少情況下其對(duì)水資源安全的威脅更嚴(yán)重，實(shí)行桉樹人工林面積總量控制、避免區(qū)域過(guò)度集中種植和減小連片種植面積可有效降低桉樹人工林對(duì)水資源的影響。08EU和MF集水區(qū)暴雨-徑流過(guò)程線形態(tài)相似，洪峰呈單峰型，漲落急促；暴雨和中大雨對(duì)08EU和MF總

10、產(chǎn)流量的貢獻(xiàn)率分別75.3%、74.1%和7.0%、5.7%；混交林基流量(或基流模數(shù))顯著大于桉樹人工林，但桉樹林在久旱后的首次暴雨(50 mm以上)中易于產(chǎn)生地表徑流，而在隨后的連續(xù)降雨中，混交林洪峰流量增速比桉樹林快。2011年6月至12月，桉樹人工林徑流系數(shù)為0.110，徑流模數(shù)為486.1 m3·d-1·km-2，比混交林分別低54.4%和60.9%，地表產(chǎn)流量為104.0 mm，比混交林少162.3 mm。
　　 (

11、4)桉樹人工林顯著改變了穿透水、坡面徑流以及溪水水質(zhì)，樹種類型、林齡、凋落物以及降雨特征是森林水質(zhì)的主要影響因子，土壤侵蝕是影響坡面徑流pH、總P含量最直接因子，穿透水向溪水的匯流過(guò)程中大部分水質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)好，正常情況下桉樹林溪水COD、總N、硝態(tài)N、銨態(tài)N、總P符合或好于國(guó)家地表水三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，非施肥期間正常生長(zhǎng)桉樹人工林對(duì)林區(qū)地表水無(wú)大的水質(zhì)安全威脅。桉樹林冠層穿透水色度、化學(xué)需氧量(COD)顯著大于AM和PL，pH值顯著低于后兩者及雨

12、水，pH值比雨水低0.7～1.0；桉樹幼齡林穿透水色度、濁度和COD最低，中林齡最大，總N和總P受林齡影響較小。桉樹成熟林坡面徑流色度分別為AM和PL的3.6～5.6倍和2.1倍，桉樹林坡面徑流pH值顯著大于PL、小于AM，幼齡林總N含量低于AM和PL，近熟或成熟桉樹林高于AM和PL；桉樹林坡面徑流色度、pH值以及COD隨林齡增加而顯著提高，pH值和COD由幼齡林的4.36和26.8 mg·L-1逐漸升高至成熟林的5.47和388.4m

13、g·L-1；但總N和總P含量差異不顯著。清除凋落物顯著增加桉樹人工林坡面徑流濁度、總N和總P含量，降低pH值、色度和COD。距上次暴雨間隔時(shí)間越長(zhǎng)，桉樹林坡面徑流色度、COD、總N和總P含量越高，pH值越低，降雨特征對(duì)幼齡和中齡桉樹人工林坡面徑流水質(zhì)的影響大于成熟林、AM和PL。桉樹林溪水色度和COD顯著小于、pH顯著高于穿透水和坡面徑流，溪水色度、pH隨匯流增多而增高。桉樹林齡越小其小溪上斷面pH越低，但林齡對(duì)中、下斷面影響較??；距上

14、次降雨間隔越長(zhǎng)雨強(qiáng)越大，桉樹林溪水與其外部大集水區(qū)河水水質(zhì)差異就越大。PL小溪上斷面pH值為3.65～3.82，顯著低于桉樹林和大集水區(qū)河水；桉樹林溪水總N含量顯著高于MF，且波動(dòng)較大，總P波動(dòng)較小，桉樹林小溪不同斷面溪水總N含量差異不顯著。
　　 (5)人工林冠層穿透水總N以有機(jī)態(tài)N為主，而溪水以硝態(tài)N為主，硝態(tài)N是桉樹面源污染的主要物質(zhì)，主要來(lái)自桉樹施肥，暴雨是面源污染的驅(qū)動(dòng)因子，林齡越小N污染越嚴(yán)重，以傳統(tǒng)方式對(duì)大面積桉樹

15、人工林同時(shí)施肥，將會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的面源污染，溪水總N含量最高超出國(guó)家地表水五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的4倍，雨后分片分期施肥可減輕桉樹人工林面源污染。穿透水銨態(tài)N含量占總N比例一般小于10%，硝態(tài)N小于3%；溪水硝態(tài)N占總N的比例隨匯流增多而增大，至出水口，其比重為51.0%～63.7%，顯著大于混交林和杉木林以及大集水區(qū)河水；桉樹林溪水銨態(tài)N占總N的比例小于10%，顯著低于MF、CL和大集水區(qū)河水；施肥后桉樹林溪水總N含量最高達(dá)10.6 mg·L-

16、1，為施肥前20倍左右，劣于地表水五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，相同條件下，林齡越小N污染越嚴(yán)重。
　　 (6)桉樹人工林采伐跡地黑水為一種偶發(fā)自然現(xiàn)象，顏色較深、pH值較低、化學(xué)需氧量高是其主要水質(zhì)特征，新鮮桉樹剩余物的大量存在、高溫多雨高濕天氣是其發(fā)生的主要環(huán)境條件；雨季大面積采伐桉樹人工林可引起黑水大面積爆發(fā)，對(duì)區(qū)域水質(zhì)安全構(gòu)成威脅；選擇在秋冬季和減少在雨季采伐、采伐后攤開剩余物、避免采伐中大量剩余物堆積在低洼處、均衡安排各年度桉樹造林面