桉樹蒸散發(fā)對降雨反滲透膜濕季降雨的影響

桉樹蒸散發(fā)對降雨反滲透膜濕季降雨的影響

桉樹樹干光滑，葉面積指數(shù)一般為1.4（油松、杉木等其他林分葉面積指數(shù)為3.10）。刀片表面為皮質(zhì)，帶有細(xì)蠟。葉肉欄桿的組織和維持體系得到了發(fā)展。不僅雨滴很難堵塞，而且葉面蒸發(fā)和傳播也會不同程度地削弱。陳少雄等測定桉樹林年平均蒸騰量為480～530mm,截流量為降雨量的11%～20%。加之桉樹的水分利用率(消耗單位重量水所生成干物質(zhì)量)較高,因此桉樹常被稱作節(jié)水型樹種,在一些干旱貧瘠的地區(qū)得到了廣泛種植。如表1列舉了幾個(gè)喬木屬的水分利用率。由表1可以看出,當(dāng)生成1kg干物質(zhì)時(shí),桉樹所消耗的水分是最少的,僅為758L,不少專家學(xué)者均以此來說明桉樹的節(jié)水性能。但從另一個(gè)角度看,桉樹生成1kg干物質(zhì)總耗水758L,實(shí)際利用510L,返還給外界的水分為248L,少于表1中其他幾個(gè)喬木屬返還給外界的水分,(從針葉樹到合歡返還量分別為:538L、593L、463L、407L、387L),也就是說桉樹再次參與水分循環(huán)的量是最少的,所以桉樹林區(qū)常常較干燥。總之,桉樹在“節(jié)水”的同時(shí)造成大量水分無法重新進(jìn)入大氣而影響局部地區(qū)水分循環(huán),從而間接地導(dǎo)致其他水文要素的改變。另一方面桉樹養(yǎng)分利用率也很高,在水肥充足的情況下生長極快,能在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生比其他樹種較多的生物量,是中國乃至世界速生林的標(biāo)志性樹種,當(dāng)然這是以在短時(shí)間內(nèi)消耗成倍于其他物種的水分和養(yǎng)分為代價(jià)的。有文獻(xiàn)記載,桉樹在18、19世紀(jì)被種在羅馬附近的沼澤地,主要目的是排除沼澤地的多余水分。盧旺達(dá)、以色列和美國加利福尼亞均是通過種植桉樹來排除沼澤地多余水分,避免土地鹽漬化,減少蚊蟲產(chǎn)卵地,從以上描述中可以認(rèn)識到桉樹對水肥的吸取能力有多強(qiáng)。相比而言,我國的桉樹除少量商業(yè)林外,大多種植在干旱貧瘠的地區(qū),水肥條件都不好,這樣下來一個(gè)地區(qū)一旦種植上桉樹,需水量將會突增,而供水往往是有限的,長此以往整個(gè)桉林系統(tǒng)的水分供給平衡將會遭到破壞,而造成了地下水水位下降、淺層土壤水分減少、土壤板結(jié)、林下不長草等一系列問題,而由這些問題又會引發(fā)出一些新問題,下面將作進(jìn)一步討論。2這棵樹對排水溝的影響2.1林下土壤層和枝條落葉層降雨在林冠層被初次截流后到達(dá)林下植被層會再次被截流,該層植被種類和數(shù)量直接影響著森林持水性能,是森林涵養(yǎng)水源的主要組成部分。雨滴因?yàn)榱窒轮脖坏淖韪羰沟闷鋼魹R土壤的動能大大減弱,不但保護(hù)了林下土壤層,延遲了匯流時(shí)間,也增加了林地水分涵養(yǎng)和空氣濕度?？葜β淙~層也能起到減輕雨滴擊濺動能的作用,此外它還能增加土壤腐殖質(zhì)和有機(jī)質(zhì),并參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,有效地增加了土壤孔隙度,當(dāng)降雨來臨時(shí)能夠形成有效的壤中流,減少逕流流量,減緩地表逕流速度,為林地土壤層蓄水、滯洪提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。張理宏,李昌哲等得出了枯枝落葉層有效攔蓄量的算式:W=(0.85RmRO)×M,定量地表達(dá)了枯枝落葉在截留和水源涵養(yǎng)方面的重要作用。[式中W為有效攔蓄量,Rm為最大持水量(為枯枝落物干重的2～4倍),R0為自然含水量,M為枯枝落葉的現(xiàn)存量。]2.2桉樹本身生物特性的原因桉樹屬于常綠植物,樹身高大,樹冠呈尖塔形、多枝形、垂枝形等,郁閉度不高(一般為50%,而混交林和原生林可達(dá)70%以上)。關(guān)于桉樹林下植被情況,國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過長期的觀察和研究后認(rèn)為:桉樹林林下地面植物極少,草本及灌木只散布于零星的低洼地。因此,桉樹人工林被稱為“空中綠化”;沒有生物多樣性的綠色沙漠等,可見桉樹林下植被種類數(shù)量是十分稀少的。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可以通過筆者上文對桉樹水分、養(yǎng)分利用率和桉樹本身生物特性的論述加以分析:(1)桉樹較高的水分利用率和極強(qiáng)的吸水能力,使得它和其他植物在水分競爭中占有絕對優(yōu)勢,而壓制其它植物的生長,這種現(xiàn)象在干旱地區(qū)將表現(xiàn)得更加明顯。(2)桉樹快速的生長,在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多的生物量,必然要超負(fù)荷地吸取土壤養(yǎng)分,這樣屬于次生植物的林下植被就很難再獲得充足的養(yǎng)分來維持生長。(3)由于桉樹很高的水分和養(yǎng)分利用率,使得林地土壤變得干燥缺水和養(yǎng)分不足,嚴(yán)重地造成地力衰竭,新的植被就很難生長出來。(4)桉樹有化學(xué)相克作用,即化感作用,它能抑制周圍生物生長,我國的曾杰、黃卓烈等做過相應(yīng)的研究,美國的加州、印度、伊拉克、埃塞俄比亞、澳大利亞等也觀察到這種現(xiàn)象。桉樹林下枯枝落葉情況也不容樂觀,這種結(jié)果不全是經(jīng)營制度的問題,因?yàn)殍駱溥@種常綠植物,不會像其他熱帶樹木那樣在旱季末期大規(guī)模凋落枝葉,再則在我國桉樹林大部分采取的是全樹利用方式,樹干做造紙?jiān)牧?枝條做薪柴,葉片用于煉制桉油,有的地方為了防止森林火災(zāi)要人為的取走部分枯枝落葉(桉樹葉片內(nèi)含有易燃的桉油、酚醛樹脂等)。這說明,桉樹林下枯枝落葉覆蓋厚度和數(shù)量都不能保證其正常生態(tài)功能的需求。2.3洪澇災(zāi)害對枯水東南角的影響2.3.1桉樹林對洪峰的影響雖然學(xué)術(shù)界對森林的削峰作用還存在爭議,但還是有一個(gè)共同點(diǎn),即認(rèn)為:森林在沒有前期降雨或前期降雨有限時(shí),森林能起到減少洪水量,削弱洪峰流量及推遲和延長洪水的匯集時(shí)間的作用,而森林能起到這種作用,林下植被和枯枝落葉是關(guān)鍵,而且作用的大小隨著森林的類型、樹種的種類、葉面積指數(shù)、林下植被情況的不同而不同。在桉樹林中,由于林下植被稀少,枯枝落葉有限,這樣降雨時(shí)雨滴濺蝕土壤的動能將增加,從而破壞表層土壤結(jié)構(gòu),造成水土流失。同時(shí),因缺乏有效攔蓄,水分無法在林下植被和枯枝落葉層中過多停留,也無法入滲到土壤中,而是迅速匯集成流,當(dāng)降雨強(qiáng)度過大或降雨時(shí)間較長時(shí),極易形成較大洪峰流量的洪水,使種植區(qū)及相關(guān)流域遭受洪澇災(zāi)害。2.3.2桉樹林對枯水逕流的影響枯水逕流是指一年中地表逕流補(bǔ)給減少而主要由地下水補(bǔ)給時(shí)期的產(chǎn)流,在森林生態(tài)系統(tǒng)中,通過林下植被和枯枝落葉的共同作用,使得汛期降雨量在該層被攔蓄形成壤中流,不但保持了土壤濕度,也有效地補(bǔ)給了地下水。森林蓄積的這部分水會在枯水期以泉或泄流的形式重新返回地表,使得逕流能夠均一穩(wěn)定,這對于整個(gè)水文過程和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都十分有利。而地下水水量、土壤層含水量和有效地補(bǔ)給是枯水期徑流保持均一穩(wěn)定的基礎(chǔ),目前研究者尚未發(fā)現(xiàn)桉樹抽取地下水的直接證據(jù),但研究發(fā)現(xiàn)桉樹根系也像枝干一樣生長迅速,其向地下水層穿透的平均速率約為2.5m/a,1年生桉樹的根系可生長至3m以下區(qū)域,3～4年生桉樹根系可達(dá)7～8m,如此發(fā)達(dá)的根系勢必存在著抽取地下水的隱患。下面筆者從土層含水量和地下水補(bǔ)給進(jìn)行分析,在桉林下植被和枯枝落葉都較少,土壤孔隙度低,入滲能力差,因此徑流速度較大,導(dǎo)致水分迅速流走無法蓄積,更無法形成有效壤中流補(bǔ)給地下水,使林地土壤含水量降低,地下水補(bǔ)給減少或中斷。鐘繼洪等對雷州半島桉林磚紅壤貯水量進(jìn)行了研究,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,桉林磚紅壤貯水量是最低的,甚至比鼎湖山赤紅壤混交林和闊葉林0～50cm土層的貯水量還少,因此地下水很難得到地表的補(bǔ)充,這樣在枯水期就不易形成枯水徑流。有的研究者在南非觀測到,以松樹和桉樹為主的森林,由于枯水期蒸發(fā)增加,從而使枯水逕流嚴(yán)重減少。Vital等(1999)研究發(fā)現(xiàn),巴西圣保羅地區(qū)原始植被為牧草地,營造柳葉桉(E.saligna)人工林后,集水區(qū)逕流量減少,至造林后7a逕流完全消失。Scott和Lesch也報(bào)導(dǎo),在以大葉桉為主的Mokobulaan研究區(qū),植樹以后第9年,逕流量完全消失;當(dāng)桉樹生長到第16年時(shí)進(jìn)行了皆伐,5a以后年逕流量也沒有進(jìn)一步恢復(fù)?？偟膩碚f,桉樹種植影響了土壤層含水量,使森林涵養(yǎng)水源的能力下降,枯水逕流形成受阻,這樣不易保持逕流均勻穩(wěn)定,在雨季林區(qū)逕流較大,面臨洪水的威脅,在旱季枯水逕流減少,林區(qū)又面臨干旱的威脅。3對其他植物生長的影響桉樹體內(nèi)會分泌黏稠狀的汁水,其中含有多種化感物質(zhì),目前科學(xué)工作者從桉樹體內(nèi)分離得到的水溶性化感物質(zhì)主要有阿魏酸、香豆酸、咖啡酸、巨桉酚、沒食子酸、季豆酸、綠原酸等酚酸類化合物,揮發(fā)性化感物質(zhì)有蒎烯、均烯、非蘭烯和桉樹腦等。這些化感物質(zhì)當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí),會對其他植物的生長產(chǎn)生抑制作用。有人在廣東省惠州市觀察到,檸檬桉與荔枝間作,2a后荔枝開始枯萎,3a后大量死亡,同樣研究人員也發(fā)現(xiàn)尾葉桉的葉片提取液可強(qiáng)烈抵制綠豆和豌豆插條生根。當(dāng)降雨時(shí)這些水溶性化感物質(zhì)將伴隨著逕流流入農(nóng)田、河流、湖泊中,如果長期積累將會對桉林下游的水質(zhì)和農(nóng)作物的生長構(gòu)成巨大的隱患。另一方面,由于桉樹林中植被和枯枝落葉稀少,缺少了植被和凋落物的覆蓋使林地土壤抗蝕力較弱,降水能迅速匯集形成流量較大的逕流,從而加大對林地表面的沖刷,從林地流出的逕流不但帶走了林地表層的養(yǎng)分,也夾雜了大量的泥沙,造成水土流失的同時(shí),使溝渠,河道瘀塞。4影響水文要素水文特性是一個(gè)地區(qū)一切自然科學(xué)研究的基礎(chǔ),其一旦改變,必然會對當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩項(xiàng)l件、氣候條件等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。總的來說,桉樹種植對林區(qū)水文特性的影響主要有以下幾個(gè)方面:(1)大量消耗水分的同時(shí)不能通過蒸散發(fā)補(bǔ)給大氣水分,使局部地區(qū)土壤含水量急劇下降,水分循環(huán)受到影響,并間接影響到其他水文要素;(2)桉樹強(qiáng)烈的壓制作用使林下植被稀少、地力衰減,降雨時(shí)不會起到森林應(yīng)有的攔蓄洪水、削弱洪峰的作用,對土壤水和地下水補(bǔ)給也會減少,影響枯水期逕流;(3)桉樹分泌的化感物質(zhì)隨逕流流入水體,對水質(zhì)和農(nóng)作物的生長構(gòu)成威脅,林內(nèi)降雨逕流較大,易造成水土流失。桉樹作為一種外來物種,在沒有對其生物學(xué)特性、林地生物多樣性、土壤、氣候、水文條件進(jìn)行長期、系統(tǒng)、全面地定位研究之前就盲目的大規(guī)模推廣種植,這有悖于科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)經(jīng)營的理念,也會影響到人與自然和諧共處。桉樹的種植概況桉樹(Eucalyptus),桃金娘科桉屬喬木,原產(chǎn)澳大利亞及其周圍島嶼。桉樹最早于1770年由英國植物學(xué)家J.Bank和D.Solander發(fā)現(xiàn),1777年植物學(xué)家D.Nelson在塔斯馬尼亞采到一份桉樹標(biāo)本,1788年由植物學(xué)家L.HeritierdeBrutell描述和定名為斜葉桉(E.obliqua)自此正式建立桉樹屬。由于桉樹生長速度快、產(chǎn)量高、適應(yīng)能力強(qiáng)以及用途廣等特點(diǎn),在世界各國(主要是熱帶和亞熱帶地區(qū))得到廣泛地引種種植。我國于19世紀(jì)末開始引種桉樹,并在20世紀(jì)80年代開始迅速發(fā)展,主要的種植地區(qū)有廣東、廣西、福建、云南、海南等。至2005年,我國成片種植桉樹為196萬hm2,面積居世界第2位,增速世界第一。截至2008年底,僅云南全省種植面積已經(jīng)超過200萬hm2,發(fā)展之迅速可想而知。但無論是國內(nèi)還是國外桉樹的種植一直都伴隨著爭議,焦點(diǎn)集中在桉樹種植的生態(tài)問題上,包括對土壤水分的過度利用、造成林地地力衰竭和生物多樣性減少等。本文通過對桉樹本身及桉樹林地的分析,來說明桉樹種植對林區(qū)水文特性的影響。1蒸騰、森林水分桉樹的耗水主要表現(xiàn)為林冠和林下植被的截流、枝葉的蒸散發(fā)及光合作用等過程。蒸騰和蒸發(fā)作用是整個(gè)水分循環(huán)的動力和紐帶,通過這一作用,使大氣水和地表水不斷交替循環(huán)。在正常生長條件下,云杉一個(gè)生長旺季可以蒸騰2130t/hm2水分,闊葉林一個(gè)夏季就蒸騰2