不同林龄桉树人工林对降雨水质的影响

不同林龄桉树人工林对降雨水质的影响

森林是地球水循环过程中的重要环节，同时影响全球降水过程中对森林表面和地下径流的水分布模式以及水质的变化。森林对水质的影响过程一般可以分为林冠层、灌草层、凋落物层和根系土壤层等4个作用层。降水首先通过林冠层进入森林生态系统其他环节,因此,林冠层是森林对降水水质影响的第一个作用层。以往的研究较多针对受大气污染降水的森林水质净化功能,更多关注林冠层对降水化学元素特别是重金属和营养元素的吸持,涉及的植被类型主要有落叶松、马尾松、湿地松、杉木、白桦、栎树、桤木等,而对人工林生态系统水质负面作用关注不够。近10多年来,速生桉在我国南方发展很快,目前片林面积已达2.3×104km2,然而,对于大力发展桉树人工林,学术界存在着争议,其争论的焦点是桉树的生态环境问题。针对桉树人工林发展中所碰到的生态环境问题,以往的研究在桉树人工林水肥利用与养分循环、水量平衡、生物多样性、化感作用等给予了较多的关注,而有关桉树对水质影响方面的研究未见有报道,对桉树人工林生态系统水质特征及其演变过程与机理缺乏了解。本研究应用连续分程式林内雨收集系统采集水样,根据对桉树、杂交相思、马尾松和软阔林等4种人工林冠层淋溶水质特征及其变化过程的研究结果,探讨桉树对冠层淋溶水的水质影响机理,为全面评价桉树人工林生态环境安全性及改善区域水资源质量提供必要的理论与技术支撑。1样地的选择研究区位于广西南宁市北部(108°21′14″-108°22′14″E,22°56′48″-22°58′35″N)高峰林场的现代林业科技示范园优良树种展示区内,属南亚热带季风气候,多年平均气温21.8℃,10℃以上年总积温7800℃左右,年均降雨量1304mm,且多集中于5-9月,平均相对湿度79%。丘陵地形,海拔高度为130~280m,坡度一般为10°~30°,成土母岩以砂岩为主,土壤类型主要为赤红壤,土层厚度40cm以上,呈酸性,pH值在4.50~5.00之间。在展示区内选择1年生尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)林、3年生尾巨桉林、7年生尾巨桉林、7年生杂交相思(Acaciamangium×A.auriculaef)林、13年生马尾松(Pinusmassoniana)林和软阔林等6种不同林分的森林作为水质研究样地。各试验林小流域(林地)基本情况如下:1年生尾巨桉林:流域面积约为30hm2,为2008年4月造林,造林规格有3种,分别为2m×2m、2m×3m和2m×4m,每种规格林地面积各约为10hm2。幼龄林,树高约4~6m,郁闭度60%~80%。3年生尾巨桉林:流域面积约8hm2,2006年4月造林,造林规格为2m×3m。成年林,树高13~15m,郁闭度80%~90%;7年生尾巨桉林:林地面积约4hm2,2002年5月造林,造林规格为2m×3m。成熟林,树高约14m,林冠郁闭,郁闭度90%以上;7年生杂交相思林:面积约4hm2,造林时间为2002年4月,造林规格为3m×3m,2007年12月间伐,成熟林,树高约14m,郁闭度60%~80%;13年生马尾松林:流域面积约10hm2,1996年4月造林,造林规格为3m×4m,2008年11月间伐,成熟林,郁闭度60%~70%;软阔林:主要树种为灰木莲(MagnoliaceaeglancaBlume),米老排(Mytilarialaosensis),以及少量的火力楠(Micheliamacclurel)和杉木(Cunninghamialanceolata)。灰木莲造林时间为20世纪60年代,其他树种造林时间不详。郁闭度95%以上。2样品采集与分析2.1水样采集方法雨水采集:收集装置由漏斗和玻璃瓶组成,放置于试验区附近空旷地采集雨水;重复4次;林冠层穿透水采集:采用连续分程式穿透水收集系统采集;重复3次;树干径流水采集:采用连续分程式树干径流收集系统采集;重复3次。于2009年5月20日在暴雨后采集水样。采样前根据天气预报,在大雨(或暴雨)前对收集系统用清水进行清洗。水样采集后及时进行水质分析测试。2.2浊度的测定及表征采用pH-25型pH计测定pH;色度的测定采用铂钴比色法(GB11903-89);浊度的测定采用QZ201L散射式浊度仪测定;化学需氧量(COD)的测定采用重铬酸钾法(GB11914-89)。3结果与讨论3.1种植桉树对树冠水结构的影响3.1.1淋溶过程及密度过程对桉树林干的影响表1结果显示,不同树种(林龄)间林冠层穿透水浊度存在差异。在淋溶的第1阶段(穿透雨深0~10mm),3年生桉树林冠穿透水浊度最高,为149.9NTU,马尾松人工林与软阔林差异不显著,分别为97.2NTU和89.1NTU,比3年生桉树林的低35%~41%;1年生和7年生桉树人工林比3年生桉树林低64%左右;7年生杂交相思林最低,为31.6NTU,但比雨水的高15.2NTU。在淋溶的第2阶段(穿透雨深10.1~20mm)和第3阶段(穿透雨深20.1~30mm),除第2阶段的杂交相思外,各林分穿透水的浊度均比第1阶段的低,但不同林分间其下降的幅度有较大差异,3年生桉树林的降幅最大,而马尾松林的浊度随淋溶过程变化相对较小,在第3阶段维持较高的浊度(70.6NTU)。3年生桉树林树干径流浊度(192.8NTU)在淋溶的第1阶段(收集量0~600ml)显著高于其他林分(表1),其他林分除杂交相思外,其浊度差异不显著,为66~78NTU。在第2(收集量601~1200ml)和第3阶段(收集量1201~1800ml),3年生桉树林树干径流浊度比其第1阶段的有较大幅度的降低,分别为109NTU和93NTU,但仍比1年生和7年生桉树林的要高。由于其他树种其树皮较粗糙、较厚或吸水性较强,因此在第2和第3阶段未能收集到足量水样用于分析。桉树和杂交相思人工林树干径流浊度显著高于其冠层穿透水,在淋溶前期(收集量0~600ml),后者是前者的1.20~1.35倍,在淋溶的中后期,为1.36~2.41倍,表明随着淋溶过程的进行其差异有增大的趋势。马尾松林和软阔林则表现为相反的规律,冠层穿透水浊度高于其树干径流。3.1.2淋溶阶段3年生和7年生桉树林分表1结果表明,在淋溶的各个阶段,3年和7年生桉树人工林林冠穿透水的色度(棕褐色)显著高于其他林分,在淋溶的第1阶段,其色度分别为55.0度和43.3度,3年生桉树的色度是该阶段1年生桉树林的2.75倍,杂交相思林的4.14倍,马尾松林的5.5倍,软阔林的4.14倍。在淋溶的第2和第3阶段亦呈现类似特征,但3年生和7年生桉树林冠层穿透水色度较第1阶段有所降低,而其他4种林分的色度变化幅度较小。3年生和7年生桉树树干径流色度显著高于其林冠层穿透水及另4种林分淋溶水(穿透水和树干径流),在第1阶段,其值分别为153.3度和106.7度,比其穿透水的分别高98.3度和63.4度;随着淋溶的不断进行,其色度逐渐下降,3年生桉树的下降幅度较大。其他4种林分树干径流的色度为17~37度,比穿透水的高5.0~17.5度。3.2种植桉树对林冠层渗透水结构的影响3.2.1年生桉树不同林分ph值的变化不同林分不同淋溶阶段的林冠层穿透水pH值存在显著差异(表1)。在6种不同林分人工林间,3年生和7年生桉树冠层穿透水的pH值最低,在3个淋溶阶段其pH值在4.97~5.26之间,比雨水(pH值为6.12)低0.86~1.15。软阔林的最高,其pH值在3个淋溶阶段分别为5.97,6.01和6.26,与雨水的比较接近,而显著高于其他林分。随着淋溶的不断进行,除1年生桉树林外,冠层穿透水pH值呈现逐渐升高的趋势。不同林分间树干径流pH值的变化亦呈现类似规律,7年生桉树的最低,其在第1阶段(0~600ml)的值为4.33,第2阶段的为4.28,比1年生桉树林的分别低1.10和1.22。除1年桉树林外,其余林分森林的树干径流水pH值均显著低于其冠层穿透水。3.2.2年生桉树冠层穿透水cod含量的变化在淋溶的第1阶段,3年生桉树林冠层穿透水COD含量显著大于其他林分(表1),为85.5mg/L,比7年生桉树林的高44.3mg/L,其他4种人工林(1年生桉树、7年生杂交相思、13年生马尾松和软阔林)穿透水COD含量远低于3年和7年生桉树林,为17.5~25.3mg/L。随着淋溶不断进行,3年生桉树冠层穿透水COD含量急剧下降,在淋溶的第2和第3阶段,其值分别为12.4mg/L和8.3mg/L,与雨水的(11.6mg/L)相当,但比相同淋溶阶段的另外4种人工林要低;7年生桉树冠层穿透水COD含量在所监测的3个阶段里维持在较高的水平(31.4~50.3mg/L)。6种森林的树干径流COD含量显著高于其冠层穿透水(表1)。在淋溶的第1阶段(0~600ml),桉树人工林树干径流COD含量(86.7~117.9mg/L)显著高于其他3种森林(29.0~54.7mg/L);在淋溶的第2阶段,桉树人工林以及马尾松林COD含量较高,但除马尾松林外,其与第1阶段的差异不显著。3.3林冠层对淋溶水的影响以上结果表明,树种和林龄是影响森林冠层淋溶水水质的主要因素。在不同树种间,桉树对淋溶水浊度、色度、pH值以及COD含量的影响大于其他3种森林。在相同条件下,COD含量的高低可以反映森林冠层淋溶水有机物含量的大小。在相似的生长期,桉树冠层淋溶水的COD含量远高于其他3种森林,表明桉树林冠层可淋溶的有机物质比后3者的多,其主要原因可能有2个,一是桉树冠层的枯死物、分泌物更易被淋溶;二是桉树生长速度快,新老组织更新快。同时,由于桉树淋溶水的有机物含量高,并且颗粒大小比较均匀,因此其浊度要比其他3种森林的大。表1结果显示,在COD含量相近的情况下,桉树冠层淋溶水的pH值小于杂交相思、马尾松和软阔林,而色度远大于后3者,表明桉树淋溶物的酸性物质含量较大,水溶性色素含量高,加上桉树可淋溶的有机物远高于后3者,因此,桉树改变淋溶水pH值和颜色的作用最大,这是由于树种性质即桉树和其他树种的组织中有机酸和水溶性色素成分与含量不同而造成的。在不同林龄桉树间,淋溶水浊度、色度以及COD含量一般随着林龄的增加而增加,而后趋于稳定或略有下降,pH值则逐渐降低并趋于稳定。上述变化规律与不同林龄桉树冠层可淋溶有机物的多寡密切相关。1年生桉树由于其处于生长旺盛期,林冠层新枝新叶较多,衰老组织和枯死物较少,同时郁闭度较小,因此其可淋溶物质较少,浊度、色度以及COD含量较低,pH值较高;随着林龄增加,郁闭度增大,林冠层衰老和枯死组织增多,其可淋溶物质增加,因此对淋溶水质影响作用增大;但林木生长到一定阶段后,其生物量将不再增加,甚至减少,其冠层可淋溶物质不再增加甚至减少,因此,7年生桉树对淋溶水水质的影响与3年生桉树的基本相当,或者要弱(如浊度)。通常情况下,树干径流有机物质含量要比穿透水的高,这是由于两者的淋溶过程不同造成的。树干径流的淋溶过程通常由两部分组成的,先是经林冠层(尽管不是整个冠层)的淋溶,而后沿着树干往下淋溶,其淋溶路径长介质多,因此其水质变化要比穿透水的大。一次降雨是对上次降雨后至本次降雨期间新形成的可淋溶物质不断淋溶的过程,对于雨强平稳的某次降雨,林冠层可淋溶物质一般随着降雨过程而不断减少,其对淋溶水水质的影响亦逐渐减弱。同时,一定条件下可淋溶物质的多寡与雨强有关,雨强越大,被淋溶物质总量就越多,雨强变化影响到可淋溶物质在各阶段的分配,这可能是各阶段淋溶水一些水质值波动的原因之一。4桉树人工林对林内雨水质的淋溶作用(1)桉树