發(fā)布時(shí)間：2022-01-05所屬分類(lèi)：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 近幾十年來(lái)隨著大面積的森林被不合理的采伐利用使生態(tài)環(huán)境遭受巨大破壞。同時(shí)近些年來(lái)受全球氣候異常的影響水、旱災(zāi)頻繁 水土流失嚴(yán)重且由于環(huán)境污染造成水質(zhì)不斷惡化水質(zhì)型缺水日益嚴(yán)重。為保護(hù)水資源森林與水環(huán)境森林與水質(zhì)已成為近十年來(lái)森林水文學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)
近幾十年來(lái)‚隨著大面積的森林被不合理的采伐利用‚使生態(tài)環(huán)境遭受巨大破壞。同時(shí)‚近些年來(lái)‚受全球氣候異常的影響‚水、旱災(zāi)頻繁‚ 水土流失嚴(yán)重‚且由于環(huán)境污染‚造成水質(zhì)不斷惡化‚水質(zhì)型缺水日益嚴(yán)重。為保護(hù)水資源‚森林與水環(huán)境‚森林與水質(zhì)已成為近十年來(lái)森林水文學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的一些專(zhuān)家、學(xué)者經(jīng)過(guò)多年來(lái)的觀測(cè)和研究‚已取得很多成果。
1 關(guān)于森林和水質(zhì)的研究現(xiàn)狀
大約從本世紀(jì)50年代‚我國(guó)開(kāi)始關(guān)注森林對(duì)水質(zhì)的影響[1]。不過(guò)國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的研究是著重于森林對(duì)河流懸移泥沙含量的影響。直到七十八十年代‚我國(guó)的一些科研院所‚如中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所‚中國(guó)林業(yè)科學(xué)院及其他一些大學(xué)科研院所開(kāi)始了一些關(guān)于森林對(duì)水質(zhì)影響的研究‚但主要側(cè)重于大氣降水在森林生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)養(yǎng)分(N、P、K、Ca、Mg 等)的輸入、輸出所起的作用及其意義方面的研究;中南林學(xué)院、廈門(mén)大學(xué)在森林植被對(duì)大氣降水、水體中的污染物的凈化方面作過(guò)一些研究。我國(guó)在60年代起相繼建立了一些森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站。大約從80年代開(kāi)始‚一些定位站也開(kāi)始了森林與水質(zhì)的研究。如內(nèi)蒙古大興安嶺根河落葉松林定位研究站‚在采伐方式和強(qiáng)度對(duì)水土流失和水質(zhì)的影響方面作了一些研究。
國(guó)外一些國(guó)家在森林與水環(huán)境方面的研究有著近百年的資料。大約從本世紀(jì)60年代起‚ 世界上一批生態(tài)學(xué)者在世界科聯(lián)(ICSU)的號(hào)召下開(kāi)展國(guó)際生物學(xué)規(guī)劃 IBP 提出的生態(tài)系統(tǒng)研究[2]‚如美國(guó)、前蘇聯(lián)、英國(guó)、加拿大、芬蘭、日本等國(guó)‚相繼建立了一些森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站‚對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、動(dòng)態(tài)‚外界干擾及環(huán)境污染進(jìn)行綜合研究‚其中也對(duì)森林與水質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了長(zhǎng)期和系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和研究。如美國(guó)科學(xué)基金會(huì)(NSF)制定的 LT ER 項(xiàng)目(Long -Term Ecological Research)所屬的 Andrew 森林試驗(yàn)站‚Coweeta 水文實(shí)驗(yàn)室和 Hubbard Brook 森林試驗(yàn)站‚自1962年成立以來(lái)其研究工作一直持續(xù)下去‚積累了許多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和方法。
80年代中期‚森林與水質(zhì)的研究漸漸成為熱點(diǎn)[3‚4]‚這些國(guó)家不僅研究森林對(duì)河流泥沙懸移質(zhì)含量的影響‚也非常注重對(duì)森林與水質(zhì)中的化學(xué)因子、生物因子的研究‚同時(shí)在營(yíng)林對(duì)森林集水區(qū)水質(zhì)的影響方面也研究較多‚取得了許多有價(jià)值的成果。
2 森林對(duì)水質(zhì)的影響
森林植被的存在‚對(duì)溪流、河流中的泥沙懸移含量、水溫、溶解氧(DO)、病原體及水化學(xué)性質(zhì) 都有很大影響[1‚3‚5‚6]。在水流過(guò)森林的過(guò)程中‚ 林冠下的枯枝落葉層好似過(guò)濾器‚對(duì)水中的各種污染物質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾、吸收和凈化‚從而改善水質(zhì)‚ 防止非點(diǎn)源污染。
2.1 對(duì)河流懸移質(zhì)含量的影響
森林植被在森林流域的水文過(guò)程中起著很重要的作用。它們不僅通過(guò)蒸騰和截持改變水文系統(tǒng)內(nèi)的水分轉(zhuǎn)移‚而且能通過(guò)枯落物避免降雨對(duì)地表土壤的影響。植物根系一旦和土壤結(jié)合‚形成生物凝聚力‚則有利于穩(wěn)定土壤‚從而有效地防止面蝕和滑坡。如海南島熱帶雨林‚自 1950年以來(lái)‚由于不斷亂砍盜伐‚毀林植膠‚森林覆蓋率由25∙3%下降到12∙3%‚年平均河流含沙量增加1～2倍[1];另?yè)?jù)中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所在海拔200m 以上、坡度20°～25°、熱帶半落葉季雨林和農(nóng)耕地(刀耕火種地)的坡面徑流測(cè)定‚農(nóng)耕地的坡面徑流量較有林地大4 ～5倍‚林地徑流含沙量為1∙2kg·m -3‚農(nóng)用田為 3∙43kg·m -3‚相差約3倍。再如云南省西雙版納的測(cè)定‚刀耕火種地區(qū)表土流失量較有林地增加 149倍[1]。森林植被不僅可以降低水對(duì)土壤的侵蝕‚同時(shí)也可以有效地過(guò)濾、截留徑流中的泥沙、懸浮物等‚使河流保持較低的泥沙懸移質(zhì)含量。研究表明[7]‚不同的喬木和灌木樹(shù)種對(duì)流經(jīng)森林地帶的水質(zhì)所起的作用是不同的。流經(jīng)松林帶的水的含沙量能降到原來(lái)含沙量的20%‚流經(jīng)榆樹(shù)林的含沙量能夠降到15%。
2.2 對(duì)水溫、溶解氧(DO)、病原體含量的影響
從森林流域流出的水是清涼的‚且溶解氧(DO)豐富。因?yàn)樯窒鞯闹饕獰嵩词侵鄙湓谙鞅砻娴奶?yáng)能。由于森林的蔭蔽作用‚致使直射到溪流表面的陽(yáng)光較少‚水溫較低‚溶解氧(DO)含量較高[6]。
由于森林中的溪流遠(yuǎn)離人們居住的區(qū)域‚受到污染的機(jī)會(huì)較少‚且水溫較低‚因而水質(zhì)純凈‚ 溪流中的病原體較少。同時(shí)森林能防止淡水免受細(xì)菌污染。許多研究表明‚經(jīng)過(guò)森林地區(qū)的水‚它的細(xì)菌指標(biāo)比流經(jīng)裸地的水的細(xì)菌指標(biāo)低的多;流經(jīng)森林地帶的水中的細(xì)菌數(shù)量較流經(jīng)農(nóng)田水中的細(xì)菌數(shù)量少得多。有的測(cè)試表明[7]‚ 流經(jīng)松樹(shù)林的每1L 水的細(xì)菌含量是流經(jīng)農(nóng)田水的2%‚流經(jīng)橡樹(shù)、榆樹(shù)林的是其含量的1% ‚流經(jīng)相思樹(shù)和榆樹(shù)林的水細(xì)菌含量是其含量的 10%。
2.3 對(duì)水化學(xué)成分的影響
從森林流出的水含有多種化學(xué)成分。由于大氣降水在經(jīng)過(guò)森林流域時(shí)‚一方面‚可以使土壤巖石風(fēng)化物及生物遺體上的各種有機(jī)物溶解‚ 從而增加水中各種化學(xué)成分‚其含有成分及數(shù)量隨著林種、土壤、地質(zhì)等的不同而有差異;另一方面‚降水通過(guò)森林流域變?yōu)橄鲿r(shí)‚又可能除去某些溶解成分‚下滲水中某些成分也可能被土壤吸收或通過(guò)交換而除去。另外‚雨水可以沖刷掉植物表面的物質(zhì)‚并將葉被上的許多礦物質(zhì)養(yǎng)分淋入土壤‚使這些物質(zhì)迅速在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)。
日本在滋賀縣花崗巖地區(qū)松林流域(6ha)觀測(cè)結(jié)果表明‚降水通過(guò)林冠或沿樹(shù)干流下‚然后由溪流流出‚在此過(guò)程中化學(xué)成分的含量已經(jīng)發(fā)生變化。
真島征夫[4]在研究中觀察到‚降入森林的雨通過(guò)樹(shù)冠滲入到土壤中形成溪流。該過(guò)程中徑流的有效雨水量相對(duì)減少‚通過(guò)林地的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程水質(zhì)發(fā)生變化。因地形、地質(zhì)、土壤、森林植被和經(jīng)營(yíng)方法、肥料和藥劑的使用‚道路建設(shè)、山火、降雨量等諸多因子造成森林水質(zhì)變化過(guò)程的復(fù)雜化。對(duì)林外雨、林內(nèi)雨、樹(shù)干徑流、地表徑流水的 Na、K、Ca、Mg、P、NO3-N、NH4-N 等各種濃度的變化作了比較。
同時(shí)‚森林能對(duì)大氣降水、農(nóng)田徑流中的某些污染物進(jìn)行凈化。
中南林科院田大倫等1)在湖南會(huì)同生態(tài)定位研究站‚經(jīng)過(guò)多年對(duì)“杉木林生態(tài)系統(tǒng)凈化功能的研究”表明‚大氣降水中有85種以上有機(jī)化合物‚且大多數(shù)為環(huán)境污染物‚其中二氯丁烷、苯等為首要污染物‚還有重金屬元素如鉛、鎘等‚經(jīng)過(guò)林冠層、地被物和土壤層的過(guò)濾、截留作用‚這些污染物質(zhì)不僅種類(lèi)減少‚而且濃度大為降低‚可使上述有害物質(zhì)的濃度低于1ug·L -1‚鉛和鎘的濃度遠(yuǎn)低于生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)中的限制濃度。
3 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水質(zhì)的影響
采伐森林、旅游、放牧和施用化肥、殺蟲(chóng)劑等人類(lèi) 活 動(dòng)‚都 能 引 起 森 林 集 水 區(qū) 水 質(zhì) 的 變化[8～13]。
3.1 采伐方式對(duì)水質(zhì)的影響
森林采伐方式對(duì)溪流水溫、營(yíng)養(yǎng)成分的釋放有很大影響。 Brown 和 krygier [11]在俄勒岡州海岸地帶的 Alsea 流域研究中記錄了皆伐引起溪流水溫變化的情況。這個(gè)研究采用兩種皆伐處理方式。Deer Green 流域‚303∙51ha‚分三塊皆伐;皆伐面積占流域面積的25%‚在常流溪流邊緣留15∙24～ 30∙48m 寬的緩沖帶。第二個(gè)流域‚Needle Branch 流域(70∙82ha)被完全皆伐。第三個(gè)流域‚Flynn Green 流 域 (202∙34ha) 作 為 對(duì) 照‚未 采 伐。在 Deer Green 流域采伐未造成溫度上升‚在這個(gè)擇伐流域‚緩沖 帶 一 直 為 溪 流 提 供 蔭 蔽。Needle Branch 流域在剩余物清除后的第一個(gè)夏季‚月平均溫 度 提 高 7∙78℃‚同 年‚年 最 高 溫 度 提 高 15∙56℃‚但隨著河岸植被的恢復(fù)‚年最高溫度和月平均最高溫度都降低。
日本的研究觀測(cè)[5‚14] 也證明‚隨著采伐‚林內(nèi)溪流水溫度漸漸上升。
Likens 等人[12] 在新罕布什爾的 Hubbard 河的實(shí)驗(yàn)林進(jìn)行大面積采伐對(duì)養(yǎng)分釋放進(jìn)行過(guò)研究。經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)期的標(biāo)定‚破壞了一個(gè)小森林流域‚另一個(gè)流域保持原貌‚觀測(cè)溪流和水質(zhì)的變化。觀測(cè)結(jié)果表明‚采伐后流域溪流的凈流失量比未干擾流域增加數(shù)倍到數(shù)十倍(SO4-S 除外)。
前蘇聯(lián)在幾公頃的小試驗(yàn)流域‚對(duì)幾百年生的冷杉山毛櫸天然混交林采用多種方式進(jìn)行采伐。在皆伐流域‚由于溪流的水溫上升‚生物活動(dòng)旺盛‚其 BOD(生物耗氧量)為群狀擇伐流域的 1∙11～1∙28倍‚溪流水中的 N 含量也為群狀擇伐流域的3～4倍‚皆伐流域在最大流量時(shí)的 BOD 和最小流量時(shí)的 N 含量分別為未伐區(qū)的1∙67倍和2∙7倍‚而群狀擇伐流域溪流水質(zhì)尚未看出這樣的變化[2]。
3.2 營(yíng)林中施用的化學(xué)物質(zhì)對(duì)水質(zhì)的影響
在營(yíng)林過(guò)程中‚有時(shí)要噴灑一些化學(xué)物質(zhì)‚ 如化肥、殺蟲(chóng)劑和除草劑等‚這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)有一部分進(jìn)入溪流‚污染水體。航空噴灑的化學(xué)物質(zhì)‚如化肥、殺蟲(chóng)劑等‚最初分布在森林環(huán)境中的四個(gè)部分：空氣、植物、林地和地表水[6]。林地是航空噴灑物的主要接收者。化學(xué)物質(zhì)在林地和土壤存在的時(shí)間長(zhǎng)短與它們將要污染水生環(huán)境的可能性有密切關(guān)系。林地中的化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò)揮發(fā)再進(jìn)入大氣‚被土壤膠體和有機(jī)體吸收、穿過(guò)土壤剖面被淋溶、被植物吸收或化學(xué)和生物降解。
這些化學(xué)物質(zhì)從林地和土壤向溪流運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)主要作用力‚即淋溶和地表徑流。
Norris [15]在俄勒岡州廣泛地研究了溪流在森林噴灑作業(yè)后殘余殺蟲(chóng)劑、除草劑的污染。研究表明‚ 溪流中 DDT、除草劑量取決于溪流水面的表面積和接收噴灑物的溪流長(zhǎng)度‚但主要取決于溪流在噴灑區(qū)的位置;研究還表明‚使處理區(qū)遠(yuǎn)離溪流可以減少?lài)姙⑽镏苯舆M(jìn)入水面‚認(rèn)真選擇化學(xué)物質(zhì)、噴灑設(shè)備以及使用條件可以減少污染。
4 合理利用規(guī)劃土地‚保護(hù)水資源
近年來(lái)‚由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展‚人口巨增‚使得土地資源超限開(kāi)發(fā)。而不合理的集水區(qū)坡地利用‚首先改變的就是集水區(qū)徑流量增加‚隨之而來(lái)的是土壤侵蝕率大增‚大量的營(yíng)養(yǎng)元素輸入集水區(qū)水源引起水質(zhì)惡化‚最終導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。
鐘旭和等[19]以臺(tái)灣翡翠水庫(kù)集水區(qū)為對(duì)象‚ 研究該區(qū)內(nèi)部不同土地利用形態(tài)對(duì)集水區(qū)匯流水質(zhì)的影響。結(jié)果顯示‚集水區(qū)內(nèi)相對(duì)完整的天然林中的溪流水質(zhì)‚要優(yōu)于兩岸已受人為開(kāi)發(fā)作為不同利用的溪流。此外‚耕地中農(nóng)藥、化肥使用量常大于林地‚亦為河川污染源之一。集水區(qū)的坡地為環(huán)境敏感地‚土地使用形態(tài)對(duì)水質(zhì)的影響主要源于天然植被的破壞‚對(duì)環(huán)境敏感地的干擾‚河川徑流改變及農(nóng)田徑流等非點(diǎn)源污染。
表1為不同土地利用形態(tài)下地表徑流水的平均濃度值和相應(yīng)的污染物排放量[20]。
由表1可知‚林地與草地對(duì)河川水質(zhì)的污染程度遠(yuǎn)低于茶園與果園‚其中林地的污染又較草地低。茶園徑流水中的 BOD 濃度約為林地的15 倍‚SS 為17倍‚T N 約為12倍‚TP 約為19倍。若將果園改為林地時(shí)‚則每年可減少 T N6∙33kg· ha -1‚TP5∙88kg·ha -1‚BOD42∙49kg·ha -1及 SS 1841∙06kg·ha -1。Laslo [21]指出‚若集水區(qū)由林地轉(zhuǎn)為耕地時(shí)‚將導(dǎo)致地表徑流增加‚提高洪峰流量及土壤侵蝕。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所施用的農(nóng)藥、化肥中的 N、P、有機(jī)物的流失量(農(nóng)田徑流 run- off)是造成水庫(kù)水質(zhì)污染的主要因素。
Lowrance [22]及 Pinkowski [23] 研究顯示‚沿岸森林緩沖帶能作為一個(gè)營(yíng)養(yǎng)元素的匯集地‚并有效降低流經(jīng)農(nóng)耕地進(jìn)入溪流的營(yíng)養(yǎng)元素(如 N、 P、K 等)的濃度‚其中對(duì)氮和磷的滯留效果最好。
在加拿大不列顛哥倫比亞省森林施業(yè)規(guī)程中規(guī)定‚為把森林和山地開(kāi)發(fā)帶給河流形態(tài)、構(gòu)造以及水域生態(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)的影響降到最低限度‚進(jìn)而把帶給野生動(dòng)植物多樣性、生產(chǎn)力及持續(xù)性的影響降到最低限度‚專(zhuān)門(mén)設(shè)置河畔管理區(qū)。管理區(qū)由保護(hù)帶和管理帶組成。保護(hù)帶原則不采伐‚管理帶在采伐時(shí)要予以特別管理。河畔管 理 區(qū) 幅 度 決 定 于 河 流 幅 度‚一 般 在 20～ 100m‚其中保護(hù)帶0～50m‚管理帶20～100m。管理帶內(nèi)樹(shù)木保留率在5%～50%。河畔管理區(qū)內(nèi)的道路和采集作業(yè)有相應(yīng)的約束。
因此‚利用森林凈化水質(zhì)的作用‚合理規(guī)劃集水區(qū)坡地水源防護(hù)林‚從而有效防止農(nóng)田、果園徑流排水中營(yíng)養(yǎng)元素的流失對(duì)水庫(kù)、湖泊造成的富營(yíng)養(yǎng)化污染‚保護(hù)水源水質(zhì)。
5 結(jié) 論
森林在涵養(yǎng)水源、保持水土方面的作用已得到國(guó)內(nèi)外的共識(shí)。而森林在凈化水質(zhì)‚防止非點(diǎn)源污染等方面的研究盡管很多‚但目前大多數(shù)的研究都屬于嘗試性的。這是因?yàn)樯峙c水質(zhì)之間的關(guān)系較復(fù)雜‚不僅受森林、土壤、地質(zhì)、氣象等因素的影響‚也受人類(lèi)活動(dòng)的影響‚以至于很難找出影響森林與水質(zhì)關(guān)系的主導(dǎo)因子。經(jīng)多年探討‚單因子的研究不再是主導(dǎo)方向‚多因子研究如森林生態(tài)系統(tǒng)的生物-地球化學(xué)循環(huán)成為主要研究方向。在今后的研究中‚以下問(wèn)題應(yīng)引起重視。
①如何定量評(píng)價(jià)森林在改善水質(zhì)方面的能力?②森林影響溪流水水質(zhì)的作用機(jī)制。③各種自然和人為干擾(土地利用方式、采伐、火燒、大氣污染等)梯度下對(duì)森林流域水質(zhì)和水文過(guò)程的影響機(jī)制。④有關(guān)森林與水質(zhì)研究的一些技術(shù)和方法‚如監(jiān)測(cè)斷面布置、采樣、分析、評(píng)價(jià)方法以及森林水質(zhì)模型的建立等應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化‚以便對(duì)全球范圍內(nèi)的研究結(jié)果進(jìn)行比較。——論文作者：施立新 余新曉 馬欽彥
