桉树蒸散发对降雨反渗透膜湿季降雨的影响

桉树蒸散发对降雨反渗透膜湿季降雨的影响

桉树树干光滑，叶面积指数一般为1.4（油松、杉木等其他林分叶面积指数为3.10）。刀片表面为皮质，带有细蜡。叶肉栏杆的组织和维持体系得到了发展。不仅雨滴很难堵塞，而且叶面蒸发和传播也会不同程度地削弱。陈少雄等测定桉树林年平均蒸腾量为480～530mm,截流量为降雨量的11%～20%。加之桉树的水分利用率(消耗单位重量水所生成干物质量)较高,因此桉树常被称作节水型树种,在一些干旱贫瘠的地区得到了广泛种植。如表1列举了几个乔木属的水分利用率。由表1可以看出,当生成1kg干物质时,桉树所消耗的水分是最少的,仅为758L,不少专家学者均以此来说明桉树的节水性能。但从另一个角度看,桉树生成1kg干物质总耗水758L,实际利用510L,返还给外界的水分为248L,少于表1中其他几个乔木属返还给外界的水分,(从针叶树到合欢返还量分别为:538L、593L、463L、407L、387L),也就是说桉树再次参与水分循环的量是最少的,所以桉树林区常常较干燥。总之,桉树在“节水”的同时造成大量水分无法重新进入大气而影响局部地区水分循环,从而间接地导致其他水文要素的改变。另一方面桉树养分利用率也很高,在水肥充足的情况下生长极快,能在单位时间内产生比其他树种较多的生物量,是中国乃至世界速生林的标志性树种,当然这是以在短时间内消耗成倍于其他物种的水分和养分为代价的。有文献记载,桉树在18、19世纪被种在罗马附近的沼泽地,主要目的是排除沼泽地的多余水分。卢旺达、以色列和美国加利福尼亚均是通过种植桉树来排除沼泽地多余水分,避免土地盐渍化,减少蚊虫产卵地,从以上描述中可以认识到桉树对水肥的吸取能力有多强。相比而言,我国的桉树除少量商业林外,大多种植在干旱贫瘠的地区,水肥条件都不好,这样下来一个地区一旦种植上桉树,需水量将会突增,而供水往往是有限的,长此以往整个桉林系统的水分供给平衡将会遭到破坏,而造成了地下水水位下降、浅层土壤水分减少、土壤板结、林下不长草等一系列问题,而由这些问题又会引发出一些新问题,下面将作进一步讨论。2这棵树对排水沟的影响2.1林下土壤层和枝条落叶层降雨在林冠层被初次截流后到达林下植被层会再次被截流,该层植被种类和数量直接影响着森林持水性能,是森林涵养水源的主要组成部分。雨滴因为林下植被的阻隔使得其击溅土壤的动能大大减弱,不但保护了林下土壤层,延迟了汇流时间,也增加了林地水分涵养和空气湿度。枯枝落叶层也能起到减轻雨滴击溅动能的作用,此外它还能增加土壤腐殖质和有机质,并参与土壤团粒结构的形成,有效地增加了土壤孔隙度,当降雨来临时能够形成有效的壤中流,减少迳流流量,减缓地表迳流速度,为林地土壤层蓄水、滞洪提供了物质基础。张理宏,李昌哲等得出了枯枝落叶层有效拦蓄量的算式:W=(0.85RmRO)×M,定量地表达了枯枝落叶在截留和水源涵养方面的重要作用。[式中W为有效拦蓄量,Rm为最大持水量(为枯枝落物干重的2～4倍),R0为自然含水量,M为枯枝落叶的现存量。]2.2桉树本身生物特性的原因桉树属于常绿植物,树身高大,树冠呈尖塔形、多枝形、垂枝形等,郁闭度不高(一般为50%,而混交林和原生林可达70%以上)。关于桉树林下植被情况,国内外学者经过长期的观察和研究后认为:桉树林林下地面植物极少,草本及灌木只散布于零星的低洼地。因此,桉树人工林被称为“空中绿化”;没有生物多样性的绿色沙漠等,可见桉树林下植被种类数量是十分稀少的。这种现象的出现可以通过笔者上文对桉树水分、养分利用率和桉树本身生物特性的论述加以分析:(1)桉树较高的水分利用率和极强的吸水能力,使得它和其他植物在水分竞争中占有绝对优势,而压制其它植物的生长,这种现象在干旱地区将表现得更加明显。(2)桉树快速的生长,在短时间内产生较多的生物量,必然要超负荷地吸取土壤养分,这样属于次生植物的林下植被就很难再获得充足的养分来维持生长。(3)由于桉树很高的水分和养分利用率,使得林地土壤变得干燥缺水和养分不足,严重地造成地力衰竭,新的植被就很难生长出来。(4)桉树有化学相克作用,即化感作用,它能抑制周围生物生长,我国的曾杰、黄卓烈等做过相应的研究,美国的加州、印度、伊拉克、埃塞俄比亚、澳大利亚等也观察到这种现象。桉树林下枯枝落叶情况也不容乐观,这种结果不全是经营制度的问题,因为桉树这种常绿植物,不会像其他热带树木那样在旱季末期大规模凋落枝叶,再则在我国桉树林大部分采取的是全树利用方式,树干做造纸原材料,枝条做薪柴,叶片用于炼制桉油,有的地方为了防止森林火灾要人为的取走部分枯枝落叶(桉树叶片内含有易燃的桉油、酚醛树脂等)。这说明,桉树林下枯枝落叶覆盖厚度和数量都不能保证其正常生态功能的需求。2.3洪涝灾害对枯水东南角的影响2.3.1桉树林对洪峰的影响虽然学术界对森林的削峰作用还存在争议,但还是有一个共同点,即认为:森林在没有前期降雨或前期降雨有限时,森林能起到减少洪水量,削弱洪峰流量及推迟和延长洪水的汇集时间的作用,而森林能起到这种作用,林下植被和枯枝落叶是关键,而且作用的大小随着森林的类型、树种的种类、叶面积指数、林下植被情况的不同而不同。在桉树林中,由于林下植被稀少,枯枝落叶有限,这样降雨时雨滴溅蚀土壤的动能将增加,从而破坏表层土壤结构,造成水土流失。同时,因缺乏有效拦蓄,水分无法在林下植被和枯枝落叶层中过多停留,也无法入渗到土壤中,而是迅速汇集成流,当降雨强度过大或降雨时间较长时,极易形成较大洪峰流量的洪水,使种植区及相关流域遭受洪涝灾害。2.3.2桉树林对枯水迳流的影响枯水迳流是指一年中地表迳流补给减少而主要由地下水补给时期的产流,在森林生态系统中,通过林下植被和枯枝落叶的共同作用,使得汛期降雨量在该层被拦蓄形成壤中流,不但保持了土壤湿度,也有效地补给了地下水。森林蓄积的这部分水会在枯水期以泉或泄流的形式重新返回地表,使得迳流能够均一稳定,这对于整个水文过程和工农业生产都十分有利。而地下水水量、土壤层含水量和有效地补给是枯水期径流保持均一稳定的基础,目前研究者尚未发现桉树抽取地下水的直接证据,但研究发现桉树根系也像枝干一样生长迅速,其向地下水层穿透的平均速率约为2.5m/a,1年生桉树的根系可生长至3m以下区域,3～4年生桉树根系可达7～8m,如此发达的根系势必存在着抽取地下水的隐患。下面笔者从土层含水量和地下水补给进行分析,在桉林下植被和枯枝落叶都较少,土壤孔隙度低,入渗能力差,因此径流速度较大,导致水分迅速流走无法蓄积,更无法形成有效壤中流补给地下水,使林地土壤含水量降低,地下水补给减少或中断。钟继洪等对雷州半岛桉林砖红壤贮水量进行了研究,结果如表2所示。由表2可以看出,桉林砖红壤贮水量是最低的,甚至比鼎湖山赤红壤混交林和阔叶林0～50cm土层的贮水量还少,因此地下水很难得到地表的补充,这样在枯水期就不易形成枯水径流。有的研究者在南非观测到,以松树和桉树为主的森林,由于枯水期蒸发增加,从而使枯水迳流严重减少。Vital等(1999)研究发现,巴西圣保罗地区原始植被为牧草地,营造柳叶桉(E.saligna)人工林后,集水区迳流量减少,至造林后7a迳流完全消失。Scott和Lesch也报导,在以大叶桉为主的Mokobulaan研究区,植树以后第9年,迳流量完全消失;当桉树生长到第16年时进行了皆伐,5a以后年迳流量也没有进一步恢复。总的来说,桉树种植影响了土壤层含水量,使森林涵养水源的能力下降,枯水迳流形成受阻,这样不易保持迳流均匀稳定,在雨季林区迳流较大,面临洪水的威胁,在旱季枯水迳流减少,林区又面临干旱的威胁。3对其他植物生长的影响桉树体内会分泌黏稠状的汁水,其中含有多种化感物质,目前科学工作者从桉树体内分离得到的水溶性化感物质主要有阿魏酸、香豆酸、咖啡酸、巨桉酚、没食子酸、季豆酸、绿原酸等酚酸类化合物,挥发性化感物质有蒎烯、均烯、非兰烯和桉树脑等。这些化感物质当达到一定浓度时,会对其他植物的生长产生抑制作用。有人在广东省惠州市观察到,柠檬桉与荔枝间作,2a后荔枝开始枯萎,3a后大量死亡,同样研究人员也发现尾叶桉的叶片提取液可强烈抵制绿豆和豌豆插条生根。当降雨时这些水溶性化感物质将伴随着迳流流入农田、河流、湖泊中,如果长期积累将会对桉林下游的水质和农作物的生长构成巨大的隐患。另一方面,由于桉树林中植被和枯枝落叶稀少,缺少了植被和凋落物的覆盖使林地土壤抗蚀力较弱,降水能迅速汇集形成流量较大的迳流,从而加大对林地表面的冲刷,从林地流出的迳流不但带走了林地表层的养分,也夹杂了大量的泥沙,造成水土流失的同时,使沟渠,河道瘀塞。4影响水文要素水文特性是一个地区一切自然科学研究的基础,其一旦改变,必然会对当地的自然地理条件、气候条件等产生深远的影响。总的来说,桉树种植对林区水文特性的影响主要有以下几个方面:(1)大量消耗水分的同时不能通过蒸散发补给大气水分,使局部地区土壤含水量急剧下降,水分循环受到影响,并间接影响到其他水文要素;(2)桉树强烈的压制作用使林下植被稀少、地力衰减,降雨时不会起到森林应有的拦蓄洪水、削弱洪峰的作用,对土壤水和地下水补给也会减少,影响枯水期迳流;(3)桉树分泌的化感物质随迳流流入水体,对水质和农作物的生长构成威胁,林内降雨迳流较大,易造成水土流失。桉树作为一种外来物种,在没有对其生物学特性、林地生物多样性、土壤、气候、水文条件进行长期、系统、全面地定位研究之前就盲目的大规模推广种植,这有悖于科学发展观和可持续经营的理念,也会影响到人与自然和谐共处。桉树的种植概况桉树(Eucalyptus),桃金娘科桉属乔木,原产澳大利亚及其周围岛屿。桉树最早于1770年由英国植物学家J.Bank和D.Solander发现,1777年植物学家D.Nelson在塔斯马尼亚采到一份桉树标本,1788年由植物学家L.HeritierdeBrutell描述和定名为斜叶桉(E.obliqua)自此正式建立桉树属。由于桉树生长速度快、产量高、适应能力强以及用途广等特点,在世界各国(主要是热带和亚热带地区)得到广泛地引种种植。我国于19世纪末开始引种桉树,并在20世纪80年代开始迅速发展,主要的种植地区有广东、广西、福建、云南、海南等。至2005年,我国成片种植桉树为196万hm2,面积居世界第2位,增速世界第一。截至2008年底,仅云南全省种植面积已经超过200万hm2,发展之迅速可想而知。但无论是国内还是国外桉树的种植一直都伴随着争议,焦点集中在桉树种植的生态问题上,包括对土壤水分的过度利用、造成林地地力衰竭和生物多样性减少等。本文通过对桉树本身及桉树林地的分析,来说明桉树种植对林区水文特性的影响。1蒸腾、森林水分桉树的耗水主要表现为林冠和林下植被的截流、枝叶的蒸散发及光合作用等过程。蒸腾和蒸发作用是整个水分循环的动力和纽带,通过这一作用,使大气水和地表水不断交替循环。在正常生长条件下,云杉一个生长旺季可以蒸腾2130t/hm2水分,阔叶林一个夏季就蒸腾2