桉樹人工林對林區(qū)地表水的影響.pdf

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

2、利用提供科學依據，促進我國南方人工林的可持續(xù)發(fā)展，本文應用氣象觀測儀和經典土壤水分測試方法研究了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)林內氣象以及土壤水分調蓄功能變化特征；采用小型蒸發(fā)儀對08EU、MF以及2011年種植的桉樹林(11EU)土壤蒸發(fā)進行了為期9個月的連續(xù)觀測；采用巴歇爾

3、槽-超聲波自動液位計對08EU和MF集水區(qū)產流量進行了連續(xù)觀測；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，同時對桉樹人工林(02EU、06EU和08EU)、PL和

4、MF等林地或集水區(qū)內不同部位地表水(坡面徑流、不同斷面溪水)的水質時空演變特征進行了系統(tǒng)研究，取得了以下主要進展：
　　 (1)桉樹人工林林內空氣最高溫濕度和表土含水量的波動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，桉樹人工林林內環(huán)境穩(wěn)定性較差，其林內環(huán)境特點可加快土壤養(yǎng)分周轉速率，土壤肥力衰退風險高于其他森林。相比于MF，08EU林內日空氣溫濕度波動幅度顯著增加，主要表現(xiàn)

5、為擴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)越強烈，本研究建立的以4個氣象因子為變量的擬合方程對土壤蒸發(fā)的模擬效果好于Penman公式，更適用于我國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性不顯著，與林內日均氣溫(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，與日最小空氣濕度(Hm)顯著負相關；相關度最大的4個氣象因子(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08EU和MF的土壤蒸發(fā)總量(9個月)模擬的偏差分別為-10.7%和+15.1%，對總量以及日蒸發(fā)量的模擬值與實測值的吻合度高于Penman公式。
　　

9、(3)桉樹人工林產流量比混交林少60.9%(162.3 mm)，徑流模數(shù)和徑流系數(shù)均顯著小于混交林，桉樹林強烈的土壤蒸發(fā)以及表土較強的攔蓄能力是其重要原因；桉樹人工林對區(qū)域水資源安全存在威脅，雨季降雨偏少情況下其對水資源安全的威脅更嚴重，實行桉樹人工林面積總量控制、避免區(qū)域過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水資源的影響。08EU和MF集水區(qū)暴雨-徑流過程線形態(tài)相似，洪峰呈單峰型，漲落急促；暴雨和中大雨對08EU和MF總

10、產流量的貢獻率分別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，樹種類型、林齡、凋落物以及降雨特征是森林水質的主要影響因子，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程中大部分水質指標轉好，正常情況下桉樹林溪水COD、總N、硝態(tài)N、銨態(tài)N、總P符合或好于國家地表水三類水質標準，非施肥期間正常生長桉樹人工林對林區(qū)地表水無大的水質安全威脅。桉樹林冠層穿透水色度、化學需氧量(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。距上次暴雨間隔時間越長，桉樹林坡面徑流色度、COD、總N和總P含量越高，pH值越低，降雨特征對幼齡和中齡桉樹人工林坡面徑流水質的影響大于成熟林、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，但林齡對中、下斷面影響較小；距上

14、次降雨間隔越長雨強越大，桉樹林溪水與其外部大集水區(qū)河水水質差異就越大。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，且波動較大，總P波動較小，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，主要來自桉樹施肥，暴雨是面源污染的驅動因子，林齡越小N污染越嚴重，以傳統(tǒng)方式對大面積桉樹

15、人工林同時施肥，將會導致較為嚴重的面源污染，溪水總N含量最高超出國家地表水五類水質標準的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10.6 mg·L-

16、1，為施肥前20倍左右，劣于地表水五類水質標準，相同條件下，林齡越小N污染越嚴重。
　　 (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、化學需氧量高是其主要水質特征，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)，對區(qū)域水質安全構成威脅；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