發布時間：2022-01-05所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 近幾十年來隨著大面積的森林被不合理的采伐利用使生態環境遭受巨大破壞。同時近些年來受全球氣候異常的影響水、旱災頻繁 水土流失嚴重且由于環境污染造成水質不斷惡化水質型缺水日益嚴重。為保護水資源森林與水環境森林與水質已成為近十年來森林水文學研究的重點和熱點
近幾十年來‚隨著大面積的森林被不合理的采伐利用‚使生態環境遭受巨大破壞。同時‚近些年來‚受全球氣候異常的影響‚水、旱災頻繁‚ 水土流失嚴重‚且由于環境污染‚造成水質不斷惡化‚水質型缺水日益嚴重。為保護水資源‚森林與水環境‚森林與水質已成為近十年來森林水文學研究的重點和熱點。國內外的一些專家、學者經過多年來的觀測和研究‚已取得很多成果。
1 關于森林和水質的研究現狀
大約從本世紀50年代‚我國開始關注森林對水質的影響[1]。不過國內絕大多數的研究是著重于森林對河流懸移泥沙含量的影響。直到七十八十年代‚我國的一些科研院所‚如中國科學院南京土壤研究所‚中國林業科學院及其他一些大學科研院所開始了一些關于森林對水質影響的研究‚但主要側重于大氣降水在森林生態系統中對養分(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;中南林學院、廈門大學在森林植被對大氣降水、水體中的污染物的凈化方面作過一些研究。我國在60年代起相繼建立了一些森林生態系統定位研究站。大約從80年代開始‚一些定位站也開始了森林與水質的研究。如內蒙古大興安嶺根河落葉松林定位研究站‚在采伐方式和強度對水土流失和水質的影響方面作了一些研究。
國外一些國家在森林與水環境方面的研究有著近百年的資料。大約從本世紀60年代起‚ 世界上一批生態學者在世界科聯(ICSU)的號召下開展國際生物學規劃 IBP 提出的生態系統研究[2]‚如美國、前蘇聯、英國、加拿大、芬蘭、日本等國‚相繼建立了一些森林生態系統定位研究站‚對森林生態系統的結構、功能、動態‚外界干擾及環境污染進行綜合研究‚其中也對森林與水質的關系進行了長期和系統的監測和研究。如美國科學基金會(NSF)制定的 LT ER 項目(Long -Term Ecological Research)所屬的 Andrew 森林試驗站‚Coweeta 水文實驗室和 Hubbard Brook 森林試驗站‚自1962年成立以來其研究工作一直持續下去‚積累了許多有價值的經驗和方法。
80年代中期‚森林與水質的研究漸漸成為熱點[3‚4]‚這些國家不僅研究森林對河流泥沙懸移質含量的影響‚也非常注重對森林與水質中的化學因子、生物因子的研究‚同時在營林對森林集水區水質的影響方面也研究較多‚取得了許多有價值的成果。
2 森林對水質的影響
森林植被的存在‚對溪流、河流中的泥沙懸移含量、水溫、溶解氧(DO)、病原體及水化學性質 都有很大影響[1‚3‚5‚6]。在水流過森林的過程中‚ 林冠下的枯枝落葉層好似過濾器‚對水中的各種污染物質進行過濾、吸收和凈化‚從而改善水質‚ 防止非點源污染。
2.1 對河流懸移質含量的影響
森林植被在森林流域的水文過程中起著很重要的作用。它們不僅通過蒸騰和截持改變水文系統內的水分轉移‚而且能通過枯落物避免降雨對地表土壤的影響。植物根系一旦和土壤結合‚形成生物凝聚力‚則有利于穩定土壤‚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‚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];另據中國林業科學研究院熱帶林業研究所在海拔200m 以上、坡度20°～25°、熱帶半落葉季雨林和農耕地(刀耕火種地)的坡面徑流測定‚農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‚農用田為 3∙43kg·m -3‚相差約3倍。再如云南省西雙版納的測定‚刀耕火種地區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土壤的侵蝕‚同時也可以有效地過濾、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含量。研究表明[7]‚不同的喬木和灌木樹種對流經森林地帶的水質所起的作用是不同的。流經松林帶的水的含沙量能降到原來含沙量的20%‚流經榆樹林的含沙量能夠降到15%。
2.2 對水溫、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。因為森林溪流的主要熱源是直射在溪流表面的太陽能。由于森林的蔭蔽作用‚致使直射到溪流表面的陽光較少‚水溫較低‚溶解氧(DO)含量較高[6]。
由于森林中的溪流遠離人們居住的區域‚受到污染的機會較少‚且水溫較低‚因而水質純凈‚ 溪流中的病原體較少。同時森林能防止淡水免受細菌污染。許多研究表明‚經過森林地區的水‚它的細菌指標比流經裸地的水的細菌指標低的多;流經森林地帶的水中的細菌數量較流經農田水中的細菌數量少得多。有的測試表明[7]‚ 流經松樹林的每1L 水的細菌含量是流經農田水的2%‚流經橡樹、榆樹林的是其含量的1% ‚流經相思樹和榆樹林的水細菌含量是其含量的 10%。
2.3 對水化學成分的影響
從森林流出的水含有多種化學成分。由于大氣降水在經過森林流域時‚一方面‚可以使土壤巖石風化物及生物遺體上的各種有機物溶解‚ 從而增加水中各種化學成分‚其含有成分及數量隨著林種、土壤、地質等的不同而有差異;另一方面‚降水通過森林流域變為溪流時‚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交換而除去。另外‚雨水可以沖刷掉植物表面的物質‚并將葉被上的許多礦物質養分淋入土壤‚使這些物質迅速在生態系統中循環。
日本在滋賀縣花崗巖地區松林流域(6ha)觀測結果表明‚降水通過林冠或沿樹干流下‚然后由溪流流出‚在此過程中化學成分的含量已經發生變化。
真島征夫[4]在研究中觀察到‚降入森林的雨通過樹冠滲入到土壤中形成溪流。該過程中徑流的有效雨水量相對減少‚通過林地的物質循環過程水質發生變化。因地形、地質、土壤、森林植被和經營方法、肥料和藥劑的使用‚道路建設、山火、降雨量等諸多因子造成森林水質變化過程的復雜化。對林外雨、林內雨、樹干徑流、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‚森林能對大氣降水、農田徑流中的某些污染物進行凈化。
中南林科院田大倫等1)在湖南會同生態定位研究站‚經過多年對“杉木林生態系統凈化功能的研究”表明‚大氣降水中有85種以上有機化合物‚且大多數為環境污染物‚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‚經過林冠層、地被物和土壤層的過濾、截留作用‚這些污染物質不僅種類減少‚而且濃度大為降低‚可使上述有害物質的濃度低于1ug·L -1‚鉛和鎘的濃度遠低于生活飲用水標準中的限制濃度。
3 人類活動對水質的影響
采伐森林、旅游、放牧和施用化肥、殺蟲劑等人類 活 動‚都 能 引 起 森 林 集 水 區 水 質 的 變化[8～13]。
3.1 采伐方式對水質的影響
森林采伐方式對溪流水溫、營養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。第二個流域‚Needle Branch 流域(70∙82ha)被完全皆伐。第三個流域‚Flynn Green 流 域 (202∙34ha) 作 為 對 照‚未 采 伐。在 Deer Green 流域采伐未造成溫度上升‚在這個擇伐流域‚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‚年最高溫度和月平均最高溫度都降低。
日本的研究觀測[5‚14] 也證明‚隨著采伐‚林內溪流水溫度漸漸上升。
Likens 等人[12] 在新罕布什爾的 Hubbard 河的實驗林進行大面積采伐對養分釋放進行過研究。經過一個時期的標定‚破壞了一個小森林流域‚另一個流域保持原貌‚觀測溪流和水質的變化。觀測結果表明‚采伐后流域溪流的凈流失量比未干擾流域增加數倍到數十倍(SO4-S 除外)。
前蘇聯在幾公頃的小試驗流域‚對幾百年生的冷杉山毛櫸天然混交林采用多種方式進行采伐。在皆伐流域‚由于溪流的水溫上升‚生物活動旺盛‚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的 BOD 和最小流量時的 N 含量分別為未伐區的1∙67倍和2∙7倍‚而群狀擇伐流域溪流水質尚未看出這樣的變化[2]。
3.2 營林中施用的化學物質對水質的影響
在營林過程中‚有時要噴灑一些化學物質‚ 如化肥、殺蟲劑和除草劑等‚這些化學物質會有一部分進入溪流‚污染水體。航空噴灑的化學物質‚如化肥、殺蟲劑等‚最初分布在森林環境中的四個部分：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�；瘜W物質在林地和土壤存在的時間長短與它們將要污染水生環境的可能性有密切關系。林地中的化學物質可以通過揮發再進入大氣‚被土壤膠體和有機體吸收、穿過土壤剖面被淋溶、被植物吸收或化學和生物降解。
這些化學物質從林地和土壤向溪流運動有兩個主要作用力‚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后殘余殺蟲劑、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度‚但主要取決于溪流在噴灑區的位置;研究還表明‚使處理區遠離溪流可以減少噴灑物直接進入水面‚認真選擇化學物質、噴灑設備以及使用條件可以減少污染。
4 合理利用規劃土地‚保護水資源
近年來‚由于經濟發展‚人口巨增‚使得土地資源超限開發。而不合理的集水區坡地利用‚首先改變的就是集水區徑流量增加‚隨之而來的是土壤侵蝕率大增‚大量的營養元素輸入集水區水源引起水質惡化‚最終導致水體富營養化。
鐘旭和等[19]以臺灣翡翠水庫集水區為對象‚ 研究該區內部不同土地利用形態對集水區匯流水質的影響。結果顯示‚集水區內相對完整的天然林中的溪流水質‚要優于兩岸已受人為開發作為不同利用的溪流。此外‚耕地中農藥、化肥使用量常大于林地‚亦為河川污染源之一。集水區的坡地為環境敏感地‚土地使用形態對水質的影響主要源于天然植被的破壞‚對環境敏感地的干擾‚河川徑流改變及農田徑流等非點源污染。
表1為不同土地利用形態下地表徑流水的平均濃度值和相應的污染物排放量[20]。
由表1可知‚林地與草地對河川水質的污染程度遠低于茶園與果園‚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‚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‚若集水區由林地轉為耕地時‚將導致地表徑流增加‚提高洪峰流量及土壤侵蝕。而農業生產中所施用的農藥、化肥中的 N、P、有機物的流失量(農田徑流 run- off)是造成水庫水質污染的主要因素。
Lowrance [22]及 Pinkowski [23] 研究顯示‚沿岸森林緩沖帶能作為一個營養元素的匯集地‚并有效降低流經農耕地進入溪流的營養元素(如 N、 P、K 等)的濃度‚其中對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規程中規定‚為把森林和山地開發帶給河流形態、構造以及水域生態系統和水質的影響降到最低限度‚進而把帶給野生動植物多樣性、生產力及持續性的影響降到最低限度‚專門設置河畔管理區。管理區由保護帶和管理帶組成。保護帶原則不采伐‚管理帶在采伐時要予以特別管理。河畔管 理 區 幅 度 決 定 于 河 流 幅 度‚一 般 在 20～ 100m‚其中保護帶0～50m‚管理帶20～100m。管理帶內樹木保留率在5%～50%。河畔管理區內的道路和采集作業有相應的約束。
因此‚利用森林凈化水質的作用‚合理規劃集水區坡地水源防護林‚從而有效防止農田、果園徑流排水中營養元素的流失對水庫、湖泊造成的富營養化污染‚保護水源水質。
5 結 論
森林在涵養水源、保持水土方面的作用已得到國內外的共識。而森林在凈化水質‚防止非點源污染等方面的研究盡管很多‚但目前大多數的研究都屬于嘗試性的。這是因為森林與水質之間的關系較復雜‚不僅受森林、土壤、地質、氣象等因素的影響‚也受人類活動的影響‚以至于很難找出影響森林與水質關系的主導因子。經多年探討‚單因子的研究不再是主導方向‚多因子研究如森林生態系統的生物-地球化學循環成為主要研究方向。在今后的研究中‚以下問題應引起重視。
�、偃绾味吭u價森林在改善水質方面的能力?②森林影響溪流水水質的作用機制。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)梯度下對森林流域水質和水文過程的影響機制。④有關森林與水質研究的一些技術和方法‚如監測斷面布置、采樣、分析、評價方法以及森林水質模型的建立等應該標準化‚以便對全球范圍內的研究結果進行比較。——論文作者：施立新 余新曉 馬欽彥
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