摘要
本文以阿什河上游帽儿山地区光明沟小流域内5种林地类型为研究对象,通过对小流域内土壤水分物理性质、林木蒸腾作用、土壤水分蒸发等进行研究,定量分析了森林生态系统的生态用水状况。
兴安落叶松林土壤具有较低的土壤密度以及较高的孔隙度和贮水能力,与红松林和樟子松林之间差异显著(P<0.05)。10℃时的稳渗系数K10大小依次为兴安落叶松林(4.86mm/min)>杂木林(1.71 mm/min)>水曲柳林(0.78 mm/min)>红松林(0.63mm/min)>樟子松林(0.57mm/min)。综合分析表明,兴安落叶松林土壤的涵养水源功能最强,其次是杂木林和水曲柳林,樟子松林和红松林的较差。
5种林地类型不同土层间土壤含水量和变异系数差异均显著(P<0.05)。除水曲柳林外,其他4种林地类型土壤含水量均随土层深度的增加而降低,为降低型。在0-40cm土层中,兴安落叶松林土壤含水量最大为32.91%,其次为水曲柳林(28.79%)、杂木林(25.99%)、红松林(23.64%)和樟子松林(18.76%)。各林地类型土壤含水量在生长季内大致呈高—低—高—低的规律。土壤含水量与降雨量存在较一致的对应关系,森林对该小流域内土壤含水量起到了显著的调节作用。
5种林地类型蒸腾强度的日变化曲线大致呈单峰型,峰值出现在12：00-14：00时间段内。总体而言,水曲柳林和杂木林的蒸腾强度高于兴安落叶松林、樟子松林和红松林,即阔叶林蒸腾强度大于针叶林蒸腾强度。在7-9月份,各林地类型蒸腾量大小顺序为：水曲柳林(247.09mm)>杂木林(170.18mm)>兴安落叶松林(167.17mm)>樟子松林(152.29mm)>红松林(117.76mm)。5种林地类型的蒸腾量均小于同期降雨量,蒸腾量占同期降雨量比例在0.38-0.80之间。在该小流域内,林分水分供应充足,没有出现水分亏缺的现象,可以满足林木生长需要。
5种林地类型土壤蒸发量日变化均呈单峰型,最大值出现在10：00-14：00时间段内。7月份的平均蒸发强度最高,达到0.62mm/d；8月中旬、8月下旬和9月中上旬蒸发强度依次为0.50 mm/d、0.47 mm/d、0.45mm/d；9月下旬下降较大,仅为0.26mm/d。土壤蒸发量与0-5cm土壤含水量呈现出负相关性,这与小流域内土壤含水量较高、林分郁闭度较大等有关。
5种林地类型7-9月份林地生态用水量总和大小顺序为：兴安落叶松林(604.33mm)>水曲柳林(599.09mm)>红松林(546.07mm)>杂木林(500.20mm)>樟子松林(472.36mm)。其中各林地类型蒸散量占生态用水量的比例在27%-41%之间。由此可见,在该小流域内,土壤贮水量是林地生态用水的主要组成部分。
综上所述,兴安落叶松林涵养水源功能较强,对于山区的水土保持、涵养水源起到了显著的作用,但是兴安落叶松林的蒸散力也较强、生态用水量较大,如果种植面积太大势必影响流域的正常产流。水曲柳林的生态用水量较大,而且蒸散量大,不适宜作为水源涵养林大面积培育。红松林和樟子松林生态用水量较小,但其涵养水源功能较弱,而杂木林不但生态用水量较小,而且涵养水源功能较强,说明杂木林是水源地非常适宜的林分类型。因此,建议对林分进行结构调整,尤其是适当减少生态用水量较大的兴安落叶松人工林的林地面积,合理调整樟子松林、红松林等人工林的林分结构,重视杂木林、混交林的培育,合理配置水资源,促进小流域生态环境向更好的方向发展,实现山区的“山青水秀”,促进社会经济的可持续发展。
In this paper, the ecological use of water of 5 forest lands in the upper reaches of Ashihe river was studied.
Larix gmelinii, which was significantly different (P<0.05)from the others, had the lower bulk density as well as the higher porosity and water storage ability among the 3 artificial forests. The stable infiltration coefficient at 10℃of Larix gmelinii (4.86mm/min) was the biggest,followed by mixed forest(1.71mm/min),Fraxinus mandshurica (0.78mm/min),Pinus koraiensis(0.63mm/min) and Pinus sylvestris var.mongolica (0.57mm/min). The conclusion was that the water conservation function of Larix gmelinii was the best among the 5 forests.
The vertical change of soil moisture content distribution was obviously decreased with the depth except Fraxinus mandshurica. In the layer of 0-40cm, the soil moisture content of Larix gmelinii,Fraxinus mandshurica,mixed forest,Pinus koraiensis and Pinus sylvestris var. mongolica was 32.91%,28.79%,25.99%,23.64% and 18.76% respectively. The soil moisture in the growth season followed the high-low-high-low law, and changed along with precipitation. Forests played an important role in the dynamics of soil moisture content in the small watershed.
The daily dynamic of transpiration intencity presented one peak, and the maximum reached at 12:00-14:00. The transpiration intencity of broad-leaf forests was bigger than the coniferous forests. The transpiration values were as follows, Fraxinus mandshurica (247.09mm)> mixed forest (170.18mm)>Larix gmelinii (167.17mm)>Pinus sylvestris var.mongolica (152.29mm)>Pinus koraiensis (117.76mm).The transpiration values were all smaller than the precipitation. It didn't present the phenomenon of lack of water in the small forest watershed.
The diurnal variation of soil evaporation showed a single peak curve pattern,and the peak value accured at 10:00-14:00. The evaporation intensity during growing season was in such sequence:late July(0.62mm/d)>middle August(0.50mm/d)>late August(0.47mm/d)>middle September(0.45mm/d)>late September(0.26 mm/d). The evaporation intensity and soil water content showed the negative correlation.
The ecological use of water of 5 forest lands was that Larix gmelinii(604.33mm)>Fraxinus mandshurica(599.09mm)>Pinus koraiensis(546.07mm)>mixed forest(500.20mm)>sylvestris var.mongolica(472.36mm). The evapotranspiration was 27%-41% of the ecological water use. The soil water storage was the main part of ecological water use in this small watershed.
The conclusion is that the stand structure, such as the composition of tree species、age and spatial structure, should be changed in the small forest watershed. Use water resources reasonably, ensure the ecological use of water of forest ecosystem, coordinate the relation between environmental improvement and economic development, enhance three effects of forest ecosystem.
引文
[1]李玉山.黄土高原治理开发与黄河断流的关系.水土保持通报,1997,17(6)：41-44
[2]傅伯杰,陈利顶.黄土丘陵区小流域土地利用变化对生态环境的影响：以延安市羊圈沟为例.地理学报,1999,54(3)：241-246
[3]李文华.森林对径流影响研究的回顾与展望.自然资源学报,2001,16(5)：398-406
[4]王礼先,张志强.森林植被变化的水文生态效应研究进展.世界林业研究,1998(6)：14-23
[5]刘文兆.小流域水分行为、生态效应及其优化调控研究方面的若干问题.地球科学进展,2000,15(5)：541-544
[6]杨海军,孙立达,余新晓.晋西黄土区森林流域水量平衡研究.水土保持通报,1994,14(2)：26-31
[7]王红闪,黄明斌,张橹.黄土高原植被重建对小流域水循环的影响.自然资源学报,2004,19(3)：344-349
[8]徐学选,刘文兆,王炜.黄土丘陵区小流域尺度生态建设的水文响应研究.中国生态农业学报,2005,13(2)：155-157
[9]李林,王振宇,汪青春.黑河上游地区气候变化对径流量的影响研究.地理科学,2006,26(1)：40-46
[10]中国工程院“21世纪中国可持续发展水资源战略研究”项目组.中国可持续发展水资源战略研究综合报告.中国工程科学,2000,2(8)：1-17
[11]刘强,陈祥伟,马华文,姚玉君.东北林业大学帽儿山试验林场森林的流域经营技术.东北林业大学学报,2002,30(4)：118-121
[12]王礼先.植被生态建设与生态用水—以西北地区为例.水土保持研究,2000,7(3)：5-7
[13]王永安.浅谈森林生态用水.中南林业调查规划,2004,23(1)：44-46
[14]张远,杨志峰.黄淮海地区林地最小生态需水量研究.水土保持学报,2002,16(2)：72-75
[15]Peter H G.WATER USE. Annu.Rev.Environ.Resour,2003,28:275-314
[16]Cristina F,Jose A V,Jose M G,et al.Changes in water yield after a sequence of perturbations and forest management practices in an Eucalyptus globulus Labill.watershed in Northern Spain. Forest Ecology and Management,2006,234:275-281
[17]Ian R C.Forests and water—Ensuring forest benefits outweigh water costs.Forest Ecology and Management,2007,251:110-120
[18]Soares J V, Almeida A C. Modeling the water balance andsoil water fluxes in a fast growing in a Eucalyptus Plantation in Brazil.Journal of Hydrology,2001,253:130-137.
[19]Rockstr M J, Gordon L. Assessment of green water flows to sustain major biomes of the world:implications for future ecohydrological landscape management.Phy. Chem.Earth,2001,26:843-851
[20]杨荣金,傅伯杰,刘国华,等.黄土丘陵沟壑区生态环境建设中的水问题—以延河流域为例.环境科学,2004,25(2)：37-42
[21]黄奕龙,陈利顶,傅伯杰,等.黄土丘陵小流域植被生态用水评价.水土保持学报,2005,19(2)：152-155
[22]叶兵.北京延庆小叶杨与刺槐林的蒸腾耗水特性与水量平衡研究.中国林业科学研究院博士学位论文.2007
[23]Jewiit G.Can integrated water resources management sustain the provision of ecosystem good and services.Phy.Chem.Earth,2002,27:887-895
[24]刘霞,王礼先,张志强.生态环境用水研究进展.水土保持学报,2001,15(6)：58-61
[25]何永涛,闵庆文,李文华.植被生态需水研究进展及展望.资源科学,2005,27(4)：8-11
[26]陈丽华,王礼先.北京市生态用水分类及森林植被生态用水定额的确定.水土保持研究,2001,8(4)：162-164
[27]宋炳煜,杨吉力,郭广芬,等.皇甫川流域人工杨树林地的生理生态用水.水土保持学报,2004,18(6)：159-162
[28]黄奕龙,陈利顶,傅伯杰,等.黄土丘陵小流域生态用水试验研究.水科学进展,2006,17(1)：14-19
[29]宋明伟,张仁陟,李宗礼,等.石羊河流域河流系统生态环境需水量概算.水土保持学报,2007,21(5)：137-141
[30]辛良杰.南四湖湖泊湿地生态环境需水量初步研究.山东师范大学硕士学位论文.2005
[31]耿艳辉.泾河流域植被生态需水量研究.山东师范大学硕士学位论文.2005
[32]左其亭.干旱半干旱地区植被生态用水计算.水土保持学报,2002,16(3)：114-117
[33]苗鸿,魏彦昌,姜立军,等.生态用水及其核算方法.生态学报,2003,23(6)：1156-1162
[34]杨爱民,唐克旺,王浩,等.水利学报,0559-9350(2004)12-0039-07
[35]韩英,饶碧玉.植被生态需水量计算方法综述.水利科技与经济,2006,12(9)：605-606
[36]张远,杨志峰.林地生态需水量计算方法与应用.应用生态学,2002,13(12)：1566-1570
[37]张杰,高雪峰,王润元.生态用水的估算方法研究和问题探讨.干旱气象,2008,26(2)：12-16
[38]Tomo'omi K, Taku M S, Yoshinobu S,et al. Annual water balance and seasonality of evapotranspirationin a Bornean tropical rainforest. Agricultural and Forest Meteorology,2005,128:81-92
[39]田晶会,贺康宁,王百田,等.黄土半干旱区侧柏蒸腾作用及其与环境因子的关系.北京林业大学学报,2005,27(3)：53-56
[40]张华,王百田,郑培龙.黄土半干旱区不同土壤水分条件下刺槐蒸腾速率的研究.水土保持学报,2006,20(2)：122-125
[41]叶兵.北京延庆小叶杨与刺槐林的蒸腾耗水特性与水量平衡研究.中国林业科学研究院博士学位论文.2007
[42]Murakami S,Tsuboyama Y, Shimizu T,et al. Variation of evapotranspiration with stand age and climate in a small Japanese forested catchment. Journal of Hydrology,2000,227:114-127
[43]Robert A V,Fred G R,Sharon K O.Factors determining relations between stand age and catchment water balance in mountain ash forests. Forest Ecology and Management,2001,143:13-26
[44]Cornish P M,Vertessy R A.Forest age-induced changes in evapotranspiration and water yield in a eucalypt forest. Journal of Hydrology,2001,242:43-63
[45]Kell B W,Paul J H,Patrick J M,et al. A comparison of methods for determining forest evapotranspiration and its components:sap-flow, soil water budget,eddy covariance and catchment water balance.Agricultural and Forest Meteorology,2001,106:153-168
[46]牛丽丽,张学培,曹奇光.植物蒸腾耗水研究.水土保持研究,2007,14(2)：158-160
[47]刘奉觉.用快速称重法测定杨树蒸腾速率的技术研究.林业科学研究,1990,3(2)：162-165
[48]沈芳.黄土半干旱区刺槐林地实际蒸散量测算方法对比研究.北京林业大学硕士学位论文.2003
[49]王政友.土壤水分蒸发的影响因素分析.山西水利,2003,2,26-27
[50]王会肖,刘昌明.农田蒸散、土壤蒸发与水分有效利用.地理学报,1997,52(5)：447-453
[51]刘浩,孙景生,段爱旺,等.日光温室白菜棵间土壤蒸发变化规律试验研究.水土保持学报,2008,22(1)：208-211
[52]张卫强,贺康宁,周毅,等.黄土半干旱区刺槐林地土壤蒸发特性研究.水土保持研究,2007,14(6)：367-370
[53]刘丽霞,王辉,孙栋元,等.绿洲农田防护林系统土壤蒸发特征研究.干旱区资源与环境,2008,22(1)：163-165
[54]宋克超,康尔泗,金博文,等.两种小型蒸渗仪在黑河流域山区植被带的应用研究.冰川冻土,2004,26(5)：617-622
[55]李王成,王为,冯绍元,等.不同类型微型蒸发器测定土壤蒸发的田间试验研究.农业工程学报,2007,23(10)：6-12
[56]李笑吟.晋西黄土区土壤水分时空变化规律研究.北京林业大学硕士学位论文.2006
[57]刘士余,左长清,朱金兆.地被物对土壤水分动态和水量平衡的影响研究.自然资源学报,2007,22(3)：424-432
[58]Andrew W W, Rodger B G,et al.SCALING OF SOIL MOISTURE:A Hydrologic Perspective.Earth Planet.Sci,2002,30:149-180
[59]何福红.黄土高原沟壑区小流域水文性质的空间变异性.西北农林科技大学硕士学位论文.2003
[60]包铁军.皇甫川流域植被生态用水分析.内蒙古大学硕士学位论文.2005
[61]代锋刚.黄土高原丘陵沟壑区小流域生态环境需水与水资源合理利用研究.西北农林科技大学硕士学位论文.2005
[62]贾宝全,张志强,张红旗,等.生态环境用水研究现状、问题分析与基本构架探索.生态学报,2002,22(10)：1735-1739
[63]杨洪学.阿什河流域森林植被水源涵养功能综合评价.东北林业大学硕士学位论文.2005
[64]周传艳,丛沛桐,祖元刚,等.老山生态试验站森林资源的消长.东北林业大学学报,2004,32(2)：26-28
[65]丁壮,姚余君,宋日清.帽儿山实验林场老山地区森林资源的历史变迁.东北林业大学学报,2006,34(3)：87-89
[66]陈立新.土壤实验技术与分析.哈尔滨：东北林业大学出版社,2001：25-35
[67]陈祥伟.嫩江上游流域生态系统水量平衡的研究.应用生态学报,2001,12(6)：903-907
[68]李家龙.快速测算松树叶面积的方法.林业科学,1984,30(4)：913-921
[69]Weihermuller L,Huisman J A,Lambot S,et al.Mapping the spatial variation of soil water content at the field scale with different ground penetrating radar techniques.Journal of Hydrology,2007,340:205-216
[70]吕刚,吴祥云.土壤入渗特性影响因素研究综述.农业工程科学,2008,24(7)：494-499
[71]余新晓,赵玉涛,张志强,等.长江上游亚高山暗针叶林土壤水分入渗特征研究.应用生态学报,2003,14(1)：15-19
[72]柴亚凡,王恩姮,陈祥伟,等.植被恢复模式对黑土贮水性能及水分入渗特征的影响.水土保持学报,2008,22(1)：60-64
[73]刘霞,张光灿,李雪蕾,等.小流域生态修复过程中不同森林植被土壤入渗与贮水特征.水土保持学报,2004,18(6)：1-5
[74]张雷燕,刘常富,王彦辉,等.宁夏六盘山地区不同森林类型土壤的蓄水和渗透能力比较.水土保持学报,2007,21(1)：95-98
[75]王伟,张洪江,李猛,等.重庆市四面山林地土壤水分入渗特性研究与评价.水土保持学报,2008,22(4)：95-99.
[76]王玉杰,王云琦,齐实,等.重庆缙云山典型林地土壤分形特征对水分入渗影响.北京林业大学学报,2006,28(2)：73-78
[77]王梦军,张光灿,刘霞,等.沂蒙山林区不同森林群落土壤水分贮存与入渗特征.中国水土保持科学,2008,6(6)：26-31
[78]赵成义,王玉朝.荒漠—绿洲边缘区土壤水分时空动态研究.水土保持学报,2005,19(1)：124-127
[79]潘成忠,上官周平.黄土半干旱丘陵区陡坡地土壤水分空间变异性研究.农业工程学报,2003,19(6)：5-8
[80]李德生,张萍,张水龙,等.黄前库区经济林土壤水文效益研究.水土保持研究,2004,11(1)：141-143
[81]Western A W, Grayson R B, Willgoose G R,et al.Observed spatial organization of soil moisture and its relation to terrain indices. Water Resources Research,1999,35:797-810
[82]杨弘,裴铁,关德新,等.长白山阔叶红松林土壤水分动态研究.应用生态学报,2006,17(4)：587-591
[83]刘江华,刘国彬,侯禧禄,等.刺槐林地土壤水分与林下植物群落生物量的关系.水土保持学报,2008,22(3)：43-46
[84]贾志清,宋桂萍,李清河,等.宁南山区典型流域土壤水分动态变化规律研究.北京林业大学学报,1997,19(3)：15-20
[85]董铁狮,党宏忠,赵雨森,等.黑龙江省东部水源区植被土壤水源涵养功能分析.水土保持通报,2005,25(5)：28-31
[86]陶大立,靳月华,林继惠.长白山树木蒸腾和气孔阻力的日变化.植物生理学通讯,1989(3)：22-25
[87]申登峰,周晓雷,闫月娥,等.绿洲防护林体系主要造林树种蒸腾特征研究.甘肃林业科技,2003,28(1)：1-6
[88]李世荣,周心澄,李福源,等.青海云杉和华北落叶松混交林林地蒸散和水量平衡研究,水土保持学报,2006,20(2)：118-121
[89]闫俊华,周国逸,黄忠良.鼎湖山亚热带季风常绿阔叶林蒸散研究.林业科学,2001,37(1)：37-44
[90]翟翠霞,马健,李彦,等.古尔班通古特沙漠风沙土土壤蒸发特征.干旱区地理,2007,30(6)：805-810
[91]牛志明.生态用水理论及其在水土保持生态环境建设中的现实意义.资源环境,2001,7-11
[92]左其亭,周可法,杨辽.关于水资源规划中水资源量与生态用水量的探讨.干旱区地理,2002,25(4)：296-300
[93]姚爱静,朱清科,张宇清,等.林分结构研究现状与展望,林业调查规划,2005,30(2)：70-76