发布时间：2022-01-05所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 近几十年来随着大面积的森林被不合理的采伐利用使生态环境遭受巨大破坏。同时近些年来受全球气候异常的影响水、旱灾频繁 水土流失严重且由于环境污染造成水质不断恶化水质型缺水日益严重。为保护水资源森林与水环境森林与水质已成为近十年来森林水文学研究的重点和热点
近几十年来‚随着大面积的森林被不合理的采伐利用‚使生态环境遭受巨大破坏。同时‚近些年来‚受全球气候异常的影响‚水、旱灾频繁‚ 水土流失严重‚且由于环境污染‚造成水质不断恶化‚水质型缺水日益严重。为保护水资源‚森林与水环境‚森林与水质已成为近十年来森林水文学研究的重点和热点。国内外的一些专家、学者经过多年来的观测和研究‚已取得很多成果。
1 关于森林和水质的研究现状
大约从本世纪50年代‚我国开始关注森林对水质的影响[1]。不过国内绝大多数的研究是着重于森林对河流悬移泥沙含量的影响。直到七十八十年代‚我国的一些科研院所‚如中国科学院南京土壤研究所‚中国林业科学院及其他一些大学科研院所开始了一些关于森林对水质影响的研究‚但主要侧重于大气降水在森林生态系统中对养分(N、P、K、Ca、Mg 等)的输入、输出所起的作用及其意义方面的研究;中南林学院、厦门大学在森林植被对大气降水、水体中的污染物的净化方面作过一些研究。我国在60年代起相继建立了一些森林生态系统定位研究站。大约从80年代开始‚一些定位站也开始了森林与水质的研究。如内蒙古大兴安岭根河落叶松林定位研究站‚在采伐方式和强度对水土流失和水质的影响方面作了一些研究。
国外一些国家在森林与水环境方面的研究有着近百年的资料。大约从本世纪60年代起‚ 世界上一批生态学者在世界科联(ICSU)的号召下开展国际生物学规划 IBP 提出的生态系统研究[2]‚如美国、前苏联、英国、加拿大、芬兰、日本等国‚相继建立了一些森林生态系统定位研究站‚对森林生态系统的结构、功能、动态‚外界干扰及环境污染进行综合研究‚其中也对森林与水质的关系进行了长期和系统的监测和研究。如美国科学基金会(NSF)制定的 LT ER 项目(Long -Term Ecological Research)所属的 Andrew 森林试验站‚Coweeta 水文实验室和 Hubbard Brook 森林试验站‚自1962年成立以来其研究工作一直持续下去‚积累了许多有价值的经验和方法。
80年代中期‚森林与水质的研究渐渐成为热点[3‚4]‚这些国家不仅研究森林对河流泥沙悬移质含量的影响‚也非常注重对森林与水质中的化学因子、生物因子的研究‚同时在营林对森林集水区水质的影响方面也研究较多‚取得了许多有价值的成果。
2 森林对水质的影响
森林植被的存在‚对溪流、河流中的泥沙悬移含量、水温、溶解氧(DO)、病原体及水化学性质 都有很大影响[1‚3‚5‚6]。在水流过森林的过程中‚ 林冠下的枯枝落叶层好似过滤器‚对水中的各种污染物质进行过滤、吸收和净化‚从而改善水质‚ 防止非点源污染。
2.1 对河流悬移质含量的影响
森林植被在森林流域的水文过程中起着很重要的作用。它们不仅通过蒸腾和截持改变水文系统内的水分转移‚而且能通过枯落物避免降雨对地表土壤的影响。植物根系一旦和土壤结合‚形成生物凝聚力‚则有利于稳定土壤‚从而有效地防止面蚀和滑坡。如海南岛热带雨林‚自 1950年以来‚由于不断乱砍盗伐‚毁林植胶‚森林覆盖率由25∙3%下降到12∙3%‚年平均河流含沙量增加1～2倍[1];另据中国林业科学研究院热带林业研究所在海拔200m 以上、坡度20°～25°、热带半落叶季雨林和农耕地(刀耕火种地)的坡面径流测定‚农耕地的坡面径流量较有林地大4 ～5倍‚林地径流含沙量为1∙2kg·m -3‚农用田为 3∙43kg·m -3‚相差约3倍。再如云南省西双版纳的测定‚刀耕火种地区表土流失量较有林地增加 149倍[1]。森林植被不仅可以降低水对土壤的侵蚀‚同时也可以有效地过滤、截留径流中的泥沙、悬浮物等‚使河流保持较低的泥沙悬移质含量。研究表明[7]‚不同的乔木和灌木树种对流经森林地带的水质所起的作用是不同的。流经松林带的水的含沙量能降到原来含沙量的20%‚流经榆树林的含沙量能够降到15%。
2.2 对水温、溶解氧(DO)、病原体含量的影响
从森林流域流出的水是清凉的‚且溶解氧(DO)丰富。因为森林溪流的主要热源是直射在溪流表面的太阳能。由于森林的荫蔽作用‚致使直射到溪流表面的阳光较少‚水温较低‚溶解氧(DO)含量较高[6]。
由于森林中的溪流远离人们居住的区域‚受到污染的机会较少‚且水温较低‚因而水质纯净‚ 溪流中的病原体较少。同时森林能防止淡水免受细菌污染。许多研究表明‚经过森林地区的水‚它的细菌指标比流经裸地的水的细菌指标低的多;流经森林地带的水中的细菌数量较流经农田水中的细菌数量少得多。有的测试表明[7]‚ 流经松树林的每1L 水的细菌含量是流经农田水的2%‚流经橡树、榆树林的是其含量的1% ‚流经相思树和榆树林的水细菌含量是其含量的 10%。
2.3 对水化学成分的影响
从森林流出的水含有多种化学成分。由于大气降水在经过森林流域时‚一方面‚可以使土壤岩石风化物及生物遗体上的各种有机物溶解‚ 从而增加水中各种化学成分‚其含有成分及数量随着林种、土壤、地质等的不同而有差异;另一方面‚降水通过森林流域变为溪流时‚又可能除去某些溶解成分‚下渗水中某些成分也可能被土壤吸收或通过交换而除去。另外‚雨水可以冲刷掉植物表面的物质‚并将叶被上的许多矿物质养分淋入土壤‚使这些物质迅速在生态系统中循环。
日本在滋贺县花岗岩地区松林流域(6ha)观测结果表明‚降水通过林冠或沿树干流下‚然后由溪流流出‚在此过程中化学成分的含量已经发生变化。
真岛征夫[4]在研究中观察到‚降入森林的雨通过树冠渗入到土壤中形成溪流。该过程中径流的有效雨水量相对减少‚通过林地的物质循环过程水质发生变化。因地形、地质、土壤、森林植被和经营方法、肥料和药剂的使用‚道路建设、山火、降雨量等诸多因子造成森林水质变化过程的复杂化。对林外雨、林内雨、树干径流、地表径流水的 Na、K、Ca、Mg、P、NO3-N、NH4-N 等各种浓度的变化作了比较。
同时‚森林能对大气降水、农田径流中的某些污染物进行净化。
中南林科院田大伦等1)在湖南会同生态定位研究站‚经过多年对“杉木林生态系统净化功能的研究”表明‚大气降水中有85种以上有机化合物‚且大多数为环境污染物‚其中二氯丁烷、苯等为首要污染物‚还有重金属元素如铅、镉等‚经过林冠层、地被物和土壤层的过滤、截留作用‚这些污染物质不仅种类减少‚而且浓度大为降低‚可使上述有害物质的浓度低于1ug·L -1‚铅和镉的浓度远低于生活饮用水标准中的限制浓度。
3 人类活动对水质的影响
采伐森林、旅游、放牧和施用化肥、杀虫剂等人类 活 动‚都 能 引 起 森 林 集 水 区 水 质 的 变化[8～13]。
3.1 采伐方式对水质的影响
森林采伐方式对溪流水温、营养成分的释放有很大影响。 Brown 和 krygier [11]在俄勒冈州海岸地带的 Alsea 流域研究中记录了皆伐引起溪流水温变化的情况。这个研究采用两种皆伐处理方式。Deer Green 流域‚303∙51ha‚分三块皆伐;皆伐面积占流域面积的25%‚在常流溪流边缘留15∙24～ 30∙48m 宽的缓冲带。第二个流域‚Needle Branch 流域(70∙82ha)被完全皆伐。第三个流域‚Flynn Green 流 域 (202∙34ha) 作 为 对 照‚未 采 伐。在 Deer Green 流域采伐未造成温度上升‚在这个择伐流域‚缓冲 带 一 直 为 溪 流 提 供 荫 蔽。Needle Branch 流域在剩余物清除后的第一个夏季‚月平均温 度 提 高 7∙78℃‚同 年‚年 最 高 温 度 提 高 15∙56℃‚但随着河岸植被的恢复‚年最高温度和月平均最高温度都降低。
日本的研究观测[5‚14] 也证明‚随着采伐‚林内溪流水温度渐渐上升。
Likens 等人[12] 在新罕布什尔的 Hubbard 河的实验林进行大面积采伐对养分释放进行过研究。经过一个时期的标定‚破坏了一个小森林流域‚另一个流域保持原貌‚观测溪流和水质的变化。观测结果表明‚采伐后流域溪流的净流失量比未干扰流域增加数倍到数十倍(SO4-S 除外)。
前苏联在几公顷的小试验流域‚对几百年生的冷杉山毛榉天然混交林采用多种方式进行采伐。在皆伐流域‚由于溪流的水温上升‚生物活动旺盛‚其 BOD(生物耗氧量)为群状择伐流域的 1∙11～1∙28倍‚溪流水中的 N 含量也为群状择伐流域的3～4倍‚皆伐流域在最大流量时的 BOD 和最小流量时的 N 含量分别为未伐区的1∙67倍和2∙7倍‚而群状择伐流域溪流水质尚未看出这样的变化[2]。
3.2 营林中施用的化学物质对水质的影响
在营林过程中‚有时要喷洒一些化学物质‚ 如化肥、杀虫剂和除草剂等‚这些化学物质会有一部分进入溪流‚污染水体。航空喷洒的化学物质‚如化肥、杀虫剂等‚最初分布在森林环境中的四个部分：空气、植物、林地和地表水[6]。林地是航空喷洒物的主要接收者。化学物质在林地和土壤存在的时间长短与它们将要污染水生环境的可能性有密切关系。林地中的化学物质可以通过挥发再进入大气‚被土壤胶体和有机体吸收、穿过土壤剖面被淋溶、被植物吸收或化学和生物降解。
这些化学物质从林地和土壤向溪流运动有两个主要作用力‚即淋溶和地表径流。
Norris [15]在俄勒冈州广泛地研究了溪流在森林喷洒作业后残余杀虫剂、除草剂的污染。研究表明‚ 溪流中 DDT、除草剂量取决于溪流水面的表面积和接收喷洒物的溪流长度‚但主要取决于溪流在喷洒区的位置;研究还表明‚使处理区远离溪流可以减少喷洒物直接进入水面‚认真选择化学物质、喷洒设备以及使用条件可以减少污染。
4 合理利用规划土地‚保护水资源
近年来‚由于经济发展‚人口巨增‚使得土地资源超限开发。而不合理的集水区坡地利用‚首先改变的就是集水区径流量增加‚随之而来的是土壤侵蚀率大增‚大量的营养元素输入集水区水源引起水质恶化‚最终导致水体富营养化。
钟旭和等[19]以台湾翡翠水库集水区为对象‚ 研究该区内部不同土地利用形态对集水区汇流水质的影响。结果显示‚集水区内相对完整的天然林中的溪流水质‚要优于两岸已受人为开发作为不同利用的溪流。此外‚耕地中农药、化肥使用量常大于林地‚亦为河川污染源之一。集水区的坡地为环境敏感地‚土地使用形态对水质的影响主要源于天然植被的破坏‚对环境敏感地的干扰‚河川径流改变及农田径流等非点源污染。
表1为不同土地利用形态下地表径流水的平均浓度值和相应的污染物排放量[20]。
由表1可知‚林地与草地对河川水质的污染程度远低于茶园与果园‚其中林地的污染又较草地低。茶园径流水中的 BOD 浓度约为林地的15 倍‚SS 为17倍‚T N 约为12倍‚TP 约为19倍。若将果园改为林地时‚则每年可减少 T N6∙33kg· ha -1‚TP5∙88kg·ha -1‚BOD42∙49kg·ha -1及 SS 1841∙06kg·ha -1。Laslo [21]指出‚若集水区由林地转为耕地时‚将导致地表径流增加‚提高洪峰流量及土壤侵蚀。而农业生产中所施用的农药、化肥中的 N、P、有机物的流失量(农田径流 run- off)是造成水库水质污染的主要因素。
Lowrance [22]及 Pinkowski [23] 研究显示‚沿岸森林缓冲带能作为一个营养元素的汇集地‚并有效降低流经农耕地进入溪流的营养元素(如 N、 P、K 等)的浓度‚其中对氮和磷的滞留效果最好。
在加拿大不列颠哥伦比亚省森林施业规程中规定‚为把森林和山地开发带给河流形态、构造以及水域生态系统和水质的影响降到最低限度‚进而把带给野生动植物多样性、生产力及持续性的影响降到最低限度‚专门设置河畔管理区。管理区由保护带和管理带组成。保护带原则不采伐‚管理带在采伐时要予以特别管理。河畔管 理 区 幅 度 决 定 于 河 流 幅 度‚一 般 在 20～ 100m‚其中保护带0～50m‚管理带20～100m。管理带内树木保留率在5%～50%。河畔管理区内的道路和采集作业有相应的约束。
因此‚利用森林净化水质的作用‚合理规划集水区坡地水源防护林‚从而有效防止农田、果园径流排水中营养元素的流失对水库、湖泊造成的富营养化污染‚保护水源水质。
5 结 论
森林在涵养水源、保持水土方面的作用已得到国内外的共识。而森林在净化水质‚防止非点源污染等方面的研究尽管很多‚但目前大多数的研究都属于尝试性的。这是因为森林与水质之间的关系较复杂‚不仅受森林、土壤、地质、气象等因素的影响‚也受人类活动的影响‚以至于很难找出影响森林与水质关系的主导因子。经多年探讨‚单因子的研究不再是主导方向‚多因子研究如森林生态系统的生物-地球化学循环成为主要研究方向。在今后的研究中‚以下问题应引起重视。
①如何定量评价森林在改善水质方面的能力?②森林影响溪流水水质的作用机制。③各种自然和人为干扰(土地利用方式、采伐、火烧、大气污染等)梯度下对森林流域水质和水文过程的影响机制。④有关森林与水质研究的一些技术和方法‚如监测断面布置、采样、分析、评价方法以及森林水质模型的建立等应该标准化‚以便对全球范围内的研究结果进行比较。——论文作者：施立新 余新晓 马钦彦
SCISSCIAHCI
