（生态学专业论文）广西岩溶植被的生态水文地球化学效应——以弄拉次生林为例.pdf

i 广西岩溶植被的生态水文地球化学效应 广西岩溶植被的生态水文地球化学效应 以弄拉次生林为例以弄拉次生林为例 摘 要 研究生：邓新辉 指导教师：蒋忠诚 专 业：生态学 研究方向：环境生态学 生态系统退化问题是阻碍国民经济发展的重大问题。在岩溶分布广泛的广西，生态 系统退化问题更加严重，以石漠化现象表现出来，如何进行岩溶区生态系统的恢复和重 建，成为广西当前的重大课题。要恢复和重建本区退化的生态系统，阻击石漠化，必须 明确岩溶植被的生态水文地球化学效应。 目前对岩溶植被的生态水文地球化学效应研究 不多，一些规律还没有查清，不利于进行有关方面的决策。本研究通过对广西马山弄拉 生态监测站封山育林 40 多年后形成的以常绿阔叶林为主的次生林的生态水文地球化学 效应进行采样分析、仪器监测和数据处理，力图对岩溶植被的生态水文地球化学效应进 行初步探讨。 研究表明，大气降雨经过森林植被层后，化学成分(k+、ca2+、mg2+、hco3-、游离 co2、tc、doc 和 dic）的总含量增加了，如游离 co2由大气降雨中的 3.81mgl -1，增 加至穿透雨中的 4.55mgl -1和树干径流雨中的 6.1mgl-1；各种养分元素表现出不同的变 化， 根据淋溶系数的大小排列穿透雨中各离子的淋溶序列为： k +mg2+cl- hco 3 -ca2+ na +，其中 cl- 、hco 3 - 、na+和 ca2+为负淋溶，k+ 和 mg2+为正淋溶，树干径流雨中各离 子的淋溶序列为：k+mg2+hco3-ca2+cl-na+，相对穿透雨来说，树干径流雨 中 cl -和 na+减少，其余各离子都增加了，即其它各离子的富集作用比穿透雨强；总酸度 也增加了，各类水样总酸度的变化与游离 co2含量的变化呈正相关，雨水酸度的降低主 要是由溶解游离 co2的增加而引起的；穿透雨和树干径流雨的 ph 值较大气降雨表现为 下降，电导率上升。 在相同的自然条件下(降雨量、光照等)，以常绿阔叶林为主的次生林下收集到的土 壤水多于稀疏灌丛下收集到的土壤水； 以常绿阔叶林为主的次生林下的土壤自然含水量 高于稀疏灌丛下的土壤自然含水量。不同的植被-土壤系统对大气降雨的水化学总效应 基本相同，即总的化学物质量增加了，东旺和弄拉两个不同的植被-土壤系统对大气降 雨的水化学影响程度不一样，与大气降雨相比，两个不同的植被-土壤系统都能增加土 壤水化学物质的含量；两地土壤水相比，弄拉土壤水中 ca2+、mg2+和 hco3-的含量比 东旺土壤水低，cl-、so42-、k+、na+、和游离 co2的含量比东旺高，东旺土壤水较弄拉 土壤水酸度小，硬度大。 ii 弄拉兰电堂泉水中各化学物质的变异系数较大气降雨、 穿透雨和树干径流雨中的都 小，泉水物理化学特征比较稳定；受其上覆盖的植被的影响，弄拉兰电堂泉的各离子总 含量、ph 值、电导率、hco3-、固定 co2、总硬度和总碱度都要比桂林丫吉村草木灌丛 区内的 s25 表层岩溶泉高；弄拉兰电堂泉 ca2+和 hco3-以及 tc 和 dic 的含量高于上弄 拉泉和东旺泉；兰电堂泉水文地球化学特征表明，封山育林后形成的次生林对大气降雨 的稀释效应具有缓冲作用；其水温受气温的影响较大，从昼夜变化来看，植被的光合作 用和呼吸作用对泉水的影响效果较明显，从整年的时间尺度来看，植被的光合作用和呼 吸作用所产生的 co2浓度梯度对表层岩溶泉水物理化学特征的影响不是很明显。 被岩溶植被酸化后的水样， 携带大量的游离 co2进入岩溶动力系统后， 可打破 co2- 水-岩石三相的平衡，增强岩溶作用强度，促进岩溶作用和岩溶生态系统的碳循环，植 被涵养水源的功能可以延长岩溶作用时间，增强岩溶作用强度；经过森林植被后的大气 降雨向岩溶生态系统输入大量的营养物质，增加土壤中某些碱性元素的有效态，从而有 更多的养分物质提供给植被，加速生长发育和正向演替。 以上对岩溶植被的生态水文地球化学效应的研究只是停留在表面， 没有深入具体地 研究，所以许多问题还有待进一步探讨和研究。但可以得出一个基本的结论：岩溶植被 不但具有非岩溶区植被同样的生态水文地球化学效应， 还有其特有的与岩溶相关的生态 水文地球化学效应，要从根本上改善岩溶生态环境，必须进行岩溶植被的恢复和重建， 这是岩溶生态系统良性循环的关键所在。 关键词： 广西弄拉 岩溶植被 大气降雨 土壤水和土壤自然含水量 表层岩溶泉水 iii ecohydrogeochemical effects of karst vegetation in guangxi a case study on secondary forest in nongla abstract master: deng xinhui adviser: jiang zhongcheng major: ecology major direction: environment ecology the deterioration of ecosystem in karst areas in guangxi is very serious, which hinders local economic development and environmental improvement, and becomes one of key problems in the province. how to reconstruct the ecosystem is also one of the major projects in guangxi today. it is necessary to understand ecohydrogeochemical effects of karst vegetation. moreover, we should study the physicochemical characteristics of water samples which are affected by vegetation, and compare the physicochemical characteristics of water samples under different vegetation types. in this paper, the main types of karst vegetation in guangxi, including secondary forest mainly formed by ever-green broad-leaf wood after more than forty years of closing the land for reforestation, and scanty shrub cluster after twenty years of closing the land for reforestation is studied. some indexes of water samples, including ph value, electricity conductivity, acidity, alkality, negative ions content，positive ions content are discussed. the research shows: the total content of chemical compositions in rainfall are increased through vegetation, different elements show different variation. ions list in throughfall according to leaching coefficient shows: k+mg2+cl- hco3-ca2+na+，cl-, hco3-, na+ and ca2+ shows negative leaching, k+ and mg2+ shows positive leaching, ions list in stemflow shows: k+mg2+hco3-ca2+cl-na+，except for cl- and na+, others in stemflow assembled more than in throughfall. dissociative co2, total carbon, dissolved inorganic carbon, dissolved organic carbon, acidity are increased, ph values are declined and electricity conductivities rose in both water samples. in spite of the same outer factors, soil water in secondary forest mainly formed by ever-green broad-leaf wood is more than which in scanty shrub cluster, but natural water content of soil in secondary forest is less than which in scanty shrub cluster. the response of different vegetation-soil systems are similar: the total content of chemical compositions are increased，but different from each other: content of ca2+, mg2+and hco3- in soil water of nongla are lower than dongwang, contents of cl-, so42-, k+, na+ and dissociative co2 are higher than dongwang. iv spring landiantangs physicochemical characteristics are stable, its chemical contents variation coefficients are smaller than rainfall, throughfall and stemflow; moreover, its total ions content, ph value, electricity conductivity, combined co2, total rigidity and total alkality are higher than spring s25 in yajicun in guilin; its ca2+, hco3-, total carbon, total inorganic carbon and total organic carbon are higher than spring shangnongla and spring dongwang; its water temperature is affected remarkably by air temperature; from the diurnal physicochemical variations in a normal day with no rainfall, water temperature varies with air temperature, electricity conductivity and ph value of the spring are influenced by the vegetations photosynthesis and respiration besides air temperature; from the monthly physicochemical variations, water temperature still varies with air temperature, conductivity varies the same with water temperature, ph value varies different from water temperature; from the total years physicochemical variations, response of the vegetations photosynthesis and respiration is not obvious. a lot of dissociative co2 of rainfall after vegetation can break karst dynamics systems balance and strengthen dissolution rate, accelerate carbon cycle; some chemical contents are carried into karst ecosystem by rainfall after vegetation, which can increase some elements effectivity, provide more nutrition to vegetation so as to improve vegetations growth and succession. all the upper research is needed further study and discussion. but a basic conclusion can be drawn: karst vegetation not only has the same functions as the non-karst vegetation but also have unique functions. so people must restore and rebuild karst vegetation, it is the key to keep karst ecosystems healthy cycle. key words: guangxinongla karst vegetation rainfall soil water nature soil water content epikarst spring 论文独创性声明论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名： 邓新辉 日期： 2007-4-16 论文使用授权声明论文使用授权声明 本人完全了解广西师范大学有关保留、使用学位论文的规定。广西师 范大学、中国科学技术信息研究所、清华大学论文合作部，有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的 全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权广西师范大学学位办办理。 研究生签名： 邓新辉 日期： 2007-4-16 导 师签名： 日期： 1 第一章 前 言 1.1 研究意义 111 水资源是 21 世纪人类面临的重大问题 第一章 前 言 1.1 研究意义 111 水资源是 21 世纪人类面临的重大问题 人类文明的发展基于对自然的改造和对环境资源的利用。 伴随着人类文明的进步， 地球上每个角落都打上了人类的烙印。现在的地球是人与自然的组合，而生态系统是自 然界长期发展和人类活动干扰的综合结果 1。科学技术、经济的发展，人口的剧增，使 人类对自然的干预越来越多，而其负面影响也越来越大，其中，生态系统退化问题日趋 严重，保护和恢复各种森林植被已经是人类面临的一个重要任务。在一些生态环境脆弱 地区，如岩溶山区，生态的恢复和重建显得更加迫切。另一方面，随着人类工业社会的 发展，水资源缺乏及各种污染引起的水质下降，使得解决水资源问题成为人类面临的又 一重要任务，同时也是 21 世纪人类面临的重要资源问题之一 2，水业将是 21 世纪最大 的产业。从水资源问题产生的背景来看，主要是人类活动破坏了水资源的生态空间 3。 为维护社会稳定、经济健康发展，人类必须谋求水资源的持续利用。在具特殊水文结构 地表水缺乏，地下水资源丰富的岩溶生态系统中 4，对水分生态因子的研究迫在眉 睫。 生态水文学是淡水资源可持续利用的工具 5， 因此,同样在岩溶山区有必要将生态过 程与水文过程结合起来研究。 112 广西岩溶环境特点及问题 112 广西岩溶环境特点及问题 1）广西的岩溶类型，及其植被类型和物种组成丰富多样，在我国乃至世界的研究 中占有重要地位。 我国是世界上岩溶区面积最大的国家,其岩溶区总面积达344.3万km 2， 约占国土的 1/3，其中裸露型岩溶面积为 90.7 万 km 2，我国的岩溶区主要分布在西南6， 西南岩溶区是我国的七大脆弱生态环境类型之一 7。广西是我国最大的岩溶省区之一， 岩溶分布范围广，岩溶面积达 9.87 万平方公里，占广西总面积的 41.57%，其中裸露碳 酸盐岩面积占碳酸盐岩总面积的 75.7% 8。广西具有世界典型的热带岩溶景观，岩溶地 形地貌复杂多变 9，其所涵育的旅游资源、丰富的矿产和名特优动植物资源，在国内外 占有重要的地位。广西地处热带亚热带，热量丰富、雨量充沛，地形地貌多样，生物多 样性丰富，系统再生能力强。广西岩溶植被类型丰富、生态结构复杂，生物多样性丰富， 而且特有成分突出，具有较高经济价值的名特优植物资源丰富，形成了特殊的热带和亚热 带岩溶植物区系。 2）岩溶生态环境退化严重，石漠化进展趋势严峻，迫切需要进行恢复和重建。由 于岩溶生态系统的特殊性和脆弱性，如岩土的富钙性、土壤难形成易流失、地表缺水少 2 土，自然地理条件较恶劣，生态系统功能脆弱 6，容易出现水、土、植被三者不协调而 产生石漠化现象 10。人口的剧增、人类社会和经济的发展，反过来又加倍了对资源的利 用，造成环境的不断破坏，生态系统的功能进一步退化。由于人们长期以来对岩溶环境 的特殊性、脆弱性认识不足等社会的、历史的和自然的原因，广西的岩溶植被遭受严重 的损毁，造成岩溶区生态平衡失调，大面积石漠化且石漠化趋势仍在加剧，石山区岩溶 干旱、雨季内涝、塌陷、水土流失等灾害频繁，生物多样性丧失，植物生态系统异常脆 弱，亟待恢复和重建。生态环境恶化已成为广西岩溶地区贫困的根源，恢复和重建广西 岩溶地区生态系统，增强系统抗干扰的功能，从而实现经济的可持续发展，成为广西岩 溶地区的首要任务。 3）干旱缺水是岩溶生态系统的一大特征，地下水资源丰富，地表水资源严重缺乏， 雨季内涝，旱季干旱，弄清岩溶植被的生态水文效应才能科学的从水和植被这两个生态 因子方面来指导岩溶区的生态恢复和重建，并有效地解决地表水资源缺乏的问题。近年 来，生态系统中水的储存和运移过程日益受到关注，从微观的个体植物水分生理与生长 的关系研究，发展到关注区域水文循环过程对群落演替与生态过程关系的研究。在自然 生态系统与人类的众多复杂关系中，水是最为活跃和最具决定性的纽带，水资源开发利 用所导致的区域水文过程变化将不可避免的对区域生态环境体系产生影响， 而区域生态 环境变化，尤其是植被生态系统的变化，将势必对生态水文过程产生作用。虽然近年来 许多地方在生态恢复和重建方面做了很多的工作， 但是效果并不理想。 岩溶生态系统中， 水分同植被和土壤是岩溶生态系统中三个敏感而脆弱的生态因子。并且具有其特殊性， 经常出现“土在楼上，水在楼下”的水土资源不配套的基本格局。不但造成耕地困难， 而且人畜饮水困难。由于水的问题没有解决，造林成活率很低，常常在 40%以下，树木 生长速度很慢，耕地的粮食产量很低，形不成有效的“造血机制” 4。目前，缺水已成 为西南岩溶区遏制石漠化、发展区域经济和改善农民生存环境的关键性制约因素。岩溶 植被的恢复、自然生态系统的重建难度非常大，究其原因，除受自然经济条件限制外， 关键的还在于对岩溶植被的生态水文过程尚不明确， 无法科学的指导岩溶生态的恢复和 重建。研究岩溶地区植被对大气降雨、土壤水和表层岩溶泉水物理化学特征的影响，揭 示岩溶植被的生态水文效应规律，体现岩溶植被在岩溶生态系统中的重要地位，从而采 取有效的保护和恢复措施，才能促进岩溶地区生态系统的重建和恢复，进而实现岩溶地 区整个生态经济系统的良性循环、实现可持续发展的战略。 4）对退化的岩溶生态系统进行恢复，土壤是主导生态因子，如土壤肥力和土壤水 分 11。 岩溶区的土地退化的实质是土壤作为种子库、 水库和养分库功能的差异性退化12。 故首要任务是了解土壤的生态环境，认识其特征。土壤养分是决定岩溶山区造林成功与 否的重要因素，通过大气降雨及其淋溶、离子交换等可以向岩溶生态系统输入一定的养 分元素 13，为岩溶山区的植被提供一定的养分；土壤水分是决定岩溶山区造林成功与否 的关键 4。研究岩溶植被和土壤水分二者相互影响和制约的关系是解决岩溶区严重缺水 3 问题，实现表层岩溶带对表层岩溶水的良好调蓄 14，增加土壤水分含量，促进岩溶成土 速度的关键。植被、土壤和水分是岩溶生态系统中重要且敏感的自然环境因素，与非喀 斯特地区相比，具有明显的特殊性和脆弱性，并能反映岩溶生态系统的主要特点。植被 具有涵养水源、保持水土、改变水量和水质等功能，在岩溶区，植被还具有增强岩溶动 力、促进岩溶作用和加速岩溶风化的功能 14；水分含量的多少及其物理化学特征不但影 响植被的生长发育、岩溶作用的强度，还直接影响着岩溶区居民的生产和生活；土壤是 植被与水分之间的媒介，为植被提供立地条件，同时又是水分的源和汇，而森林植被能 在一定的条件下通过改变水分在蒸发、径流、土壤水和地下水间的分配，从而影响极端 水文事件（洪水和干旱）的发生，增加区域的保水能力和对水土流失的绝对控制能力， 森林生态系统的水源涵养功能实质上是体现在森林水文效应的机理上， 其内容包括森林 对降水的影响、森林的蒸发散、森林对径流的影响和森林对水质的影响等。 113 本文研究意义 113 本文研究意义 广西地跨热带和亚热带，名特优物种丰富，岩溶植被类型可作为整个西南的代表， 广西岩溶植被的研究在我国岩溶植被研究中具有重要的战略意义； 研究该区岩溶植被的 水文生态效应，以恢复本区退化的生态系统和调蓄本区有限的可利用的水资源，也是进 行西部大开发全面奔小康和建设社会主义和谐社会的重要基础之一。 1.2 国内外研究现状与研究进展 1.2 国内外研究现状与研究进展 生态水文学是 20 世纪 90 年代兴起的， 研究生态格局和生态过程变化的水文学机制 的一门边缘学科，介于生态学与水文学之间 16，它的一个重要研究方向是在不同时空尺 度上和一系列环境条件下探讨生态水文过程 17-18。生态系统中植物与水的关系研究是生 态水文科学的主要研究内容 19。而在岩溶生态系统中，植被与水的关系显得更加特殊， 本论文就岩溶区植被的生态水文方面做一些研究， 为岩溶区生态水文的最终目标保 持生物多样性、保证水资源的数量和质量的前提下，为建设一个环境健康、经济可行和 社会可接受的水资源持续管理范式提供科学数据和理论依据。 在生态环境保护备受广泛 关注的今天，人们越来越认识到与自然生态系统协调共处对环境可持续发展的重要性， 在自然生态系统与人类的众多复杂关系中，水是最活跃和最具决定性的纽带，区域水文 过程的变化不可避免地对区域生态环境体系产生影响，而区域生态环境的变化，尤其是 植被生态系统的变化，将势必对区域水文过程产生作用。 1.2.1 森林植被与大气降雨的研究 1.2.1 森林植被与大气降雨的研究 4 在非岩溶区，大气降水是森林生态系统养分输入的一个重要途径。对于贫瘠和岩石 风化速度缓慢的土壤，降水养分的供应具有极其重大的意义 20。雨水透过树木冠层后， 通过冠层交换，雨水对植物体表面渗出物的淋洗和枝叶对雨水中离子的吸收，以及对枝 叶表面粉尘、微粒、尘埃等固体沉降物的冲洗，其化学成分含量被强烈地改变，是森林 生态系统养分输入的一种重要途径 21-39，并且不同的森林结构对大气降雨养分成分的改 变不同 40-41。也有部分学者在森林植被对大气降雨的再分配方面做过许多研究，如研究 林冠截留量和树干径流量，不同树种截留能力的比较，森林枯枝落叶对雨水的截留，建 立各种林冠截留和林内穿透雨量的模型等 43-56。在岩溶区，有学者曾研究过大气降雨对 岩溶生态系统养分元素的输入 57， 也有学者研究过岩溶植被对大气降雨的截留和重新分 配 58，但是对于岩溶植被如何影响大气降雨的物理化学特征，经过岩溶植被后的各类雨 水将会对岩溶作用产生怎样的影响却鲜有报道，还有待研究。 1.2.2 植被与土壤水分的研究 1.2.2 植被与土壤水分的研究 土壤水是联系大气水、地表水和地下水的纽带 10，是影响造林成活率和植被生长发 育状况的直接水分，是降水资源化的有效形式；反过来，土壤上层覆盖的植被也影响土 壤本身的结构特征和土壤的水分含量及其物理化学性质 59-71，同时土壤中的细菌、碳酸 酐酶活性和微生物等也受到影响 73-74。雨水对土壤中的养分元素具有一定的淋溶作用 75-79； 土壤水分含量对大气降雨及其上覆盖物有一定的响应80,并且不同植被下的土壤对 大气降雨具有不同的分配 81。在岩溶区，对不同植被覆盖条件下深层土壤水分的空间异 质性，经过植被层后的各类雨水在土壤的淋溶、吸附和过滤后发生了怎样的变化以及将 会对岩溶作用和表层岩溶泉水产生怎样的影响等方面的研究还是一片空白。 1.2.3 植被与表层岩溶泉水的研究 1.2.3 植被与表层岩溶泉水的研究 表层岩溶带是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈四大圈层交汇的地带，岩石圈为土壤 的形成提供物质基础，大气圈提供雨水和大气 co2等物质，水圈为岩溶动力系统提供动 力和元素的迁移提供载体， 生物圈通过土壤微生物和植物根系的生命活动提供高浓度的 土壤空气 co2和大量的有机酸而影响表层岩溶泉水的物理化学特征 82，从而表层岩溶带 对环境的变化具有一定的敏感性 83。目前，对于表层岩溶泉水的研究和开发已经相当普 遍，已在不同的岩溶类型地区安放了自动化监测仪器对岩溶泉水进行长期监测，通过对 比研究表层岩溶泉水和下部包气带的水温 84， 反应出表层岩溶带比下部包气带受外界环 境的影响比较大；通过研究泉水的水化学动态变化来反应岩溶动力系统的特征,岩溶动 力系统中是水-岩-气相互作用，且受气温、纬度、降水等许多因素的影响 85-89；通过研 究表层岩溶泉水的水化学动态变化来反应当地的生态情况 90-91，如植被覆盖较好的集水 5 区的表层岩溶泉水物理化学指标动态变化相对比较稳定，泉水电导率高，对环境的敏感 性较小，表层岩溶泉水的水化学成分含量与其上土壤、植被的覆盖程度呈正相关。将表 层岩溶泉的水化学动态变化与其集水区上覆盖的植被的生理作用（蒸腾、光合和呼吸） 相结合，来研究峰丛山区植被的水文生态效应具有探索性。 13 本文的主要研究工作 13 本文的主要研究工作 本论文在生态恢复已经取得一定成效但还尚处于生态系统的结构和功能协调完善 阶段的生态区内，研究森林植被对大气降雨、土壤水和表层岩溶泉水物理化学特征的影 响，为岩溶植被的恢复和岩溶水资源的建设提供一些实验数据和资料。 6 第二章 研究区概况 第二章 研究区概况 2.1 自然地理概况 2.1 自然地理概况 弄拉位于广西马山县东南部，地理坐标为 10819e，2329n。作为古零镇的 一个自然屯，土地面积约 1km 2，总人口 125 人。其环境为典型的峰丛岩溶石山环境，主 要由弄拉和弄团两个峰丛洼地构成。共有连座的石峰 25 座，海拔 600-740m，石峰高峻、 陡峭，占地 80%，坡度一般在 50以上（图 2-1 和附录） 。该区属于亚热带季风气候区， 气候特点是高温多雨、 降雨集中、 湿度大。 据气象观测资料， 多年平均气温 19.84, 多 年平均降雨量为 1700mm，4-10 月雨量占年降雨量的 82%，年均相对湿度 85。 图 2-1 弄拉基本情况 1 居民点, 2 森林, 3 果树, 4 药材, 5 洼地, 6 落水洞, 7 岩溶泉, 8 山峰及高程, 9 公路 弄拉地势较高，处于北面的红水河流域和南部右江流域的分水岭地带，属于右江流 域。缺乏地表排水网，受地壳掀斜性抬升的影响，水流主要通过洼地中的落水洞及岩溶 管道排入南面的古零河（图 2-2） 。 2.2 地层及地质构造 2.2 地层及地质构造 弄拉屯的地质背景为泥盆系东岗岭组中段（d2d 2） 。岩性比较复杂，以含泥硅质的白 云岩为主，兰电堂附近有纯的灰岩，西南角有纯白云岩出露，西北部夹钙质页岩，裂隙 中充填有红色角砾等。 弄拉的表层岩溶带发育较好，中国地质科学院桂林岩溶所于 1994 年在此处建立了 一个典型表层岩溶动力系统监测站，表层岩溶带厚度可达 10 m，广泛分布于峰顶、垭口 和峰麓地带。 7 图 2-2 广西马山弄拉峰丛洼地水系统剖面结构图 2.3 植被 2.3 植被 弄拉的天然林已于 1958-1963 年全部砍光。1964 年开始对鸡蛋堡等几个泉水源地山 峰封山育林，到 20 世纪 80 年代这些山峰重新形成了以常绿阔叶林为主的茂密次生林， 森林覆盖率提高到 72%，植被覆盖率达 90%。现在树龄 30 多年的乔木都已 10m 多高， 胸径超过了 10cm。1984 年开始封山育林的石峰，现已成林，树高 5-8m。经调查和测量， 弄拉次生林的树木年生长量接近 1m 3，通过 2000 年 7 月对弄拉的植被调查，发现弄拉的 植被由人工经济林和天然植被两大部分组成，实地调查表明，该区现存天然植被主要是 岩溶灌木林、灌丛及以禾本科植物为主的草坡，平均郁闭度低于 0.4。本区共有维管束 植物 77 科 126 属 212 种，其中种子植物 72 科 120 属 206 种及种下类群。本区植被主要 组分中，既有次生种，如黄荆、老虎刺、火棘等，又存在了大量的原生植被建群种及优 势树种，如：青冈栎、化香、光叶海桐、任木等。本区保存较好之原生植被更能说明广 西岩溶地区森林群落顶级为非地带性土壤地形顶级亚热带常绿落叶阔叶混交林。 根 据本区植被组成特征及利用现状，可将其划分为以下五个类型： （1）园果化香（龙棕） 、 石斛群落。该群落类型由原生性较强的植被覆盖，分布于海拔 560m 以上； （2）黄荆、 紫珠、五节芒群落。该群落分布于 500-560m 的海拔的山体中部，为次生灌丛或灌木林； （3）箬竹、野桐、唇柱苣苔群落； （4）经济林。其物种组成有人工引种和天然适生种， 在不足 150 公顷的次生林中，有各类药用植物 270 多种，经济价值较高的有：苦丁茶、 青天葵、绞股兰、双勾藤、两面针、天狼星、吴茱萸、黄精、金银花、土党参、九龙藤 等。 （5）农作物群落。 通过林区抽样调查，在 10m10m 的样地内，共有植物个体 372 株，植物种 109 种。其中木本植物 79 种，藤本植物 14 种，草本 16 种。特殊的地球化 8 学背景和元素迁移等因素使其物种丰富， 并且物种因小生境的广泛存在而具有一定的分 异性，同时由于岩溶作用强烈，水土流失严重，土壤缺乏，植被多于基岩裂缝中生长。 2.4 土壤 2.4 土壤 弄拉土壤主要分布于封闭洼地的底部，其他部位的土壤则零星充填于岩缝中。区 内土壤为棕褐（黄）色石灰土，较粘，土壤厚度 30cm-250cm 不等，下面常有残留的白 云石砂，ph 值 6.35-7.92，土壤中有机物质的平均含量为 2.36%，全氮、磷和钾的平均 含量分别为 0.298%、0.0543%和 0.2575%，表土的肥力较高，有机质含量可达 10%以上， 土壤 5-35cm 的平均自然含水量为 31.521%。 季节性干旱是岩溶地区的普遍特点， 多数地 区，尤其在峰丛洼地地区常年处于水土分离状态，其特殊的地貌和成土过程使该地区极 易发生水土流失，植被一旦被破坏，水土流失加剧，导致许多地方形成石漠化。 2.5 水 2.5 水 弄拉发育较好的表层岩溶带涵养了一定的表层岩溶水，发育表层岩溶泉 11 个，为 主要的饮用水源。 本论文中所研究的兰电堂泉是位于弄拉森林环境下的一个表层岩溶泉 （图 2-3） ，该泉出露的条件有二：一是地貌部位为山峰向垭口的转折部位；二是白云岩 与石灰岩的交界处。它的补给范围很少，主要为鸡蛋堡山峰及大山山峰的北面部分，总 面积约 0.04 km 2（见附录） 。70 年代以前该泉为季节性泉，随着封山育林和植被的正向 演替，至今已经成为了常流泉，据 2000 年 ctdp300 多参数自动记录仪的监测数据，年 流量已达 2 万多方。兰电堂泉的水循环主要为表层岩溶带水浅循环：即雨水入渗至表 层岩溶带表层岩溶泉。 标高(m) 大山 700 鸡蛋堡 600 白云岩 岩溶泉 500 灰岩 钙华 图 2-3 弄拉兰电堂表层岩溶泉出露位置 2.6 2.6 人类经济活动 9 为了改变当地贫困落后的现状，近几十年来，在当地政府及有关部门的大力支持和 带动下， 弄拉农民进行了一系列的经济活动。 居民通过人工引种 （洼地种植果树、 庄稼） 、 种植天然适生种（山坡种植名、特、优药材）和保护水源林（石峰上的原生乔木） ，已 走上立体生态农业道路。弄拉森林的极度破坏，土地的严重退化，使得弄拉人在 1961 年就实行了“封、造、管”相结合的“封山育林”政策，在 1974 年又实施了“林果结 合，套种药材”的“立体林业”模式，到 2006 年为止，弄拉逐渐形成了陡峭山峰地段 长期封山育林，重点发展水源林和景观林，峰丛垭口和比较陡的山坡主要发展金银花等 藤本植物，有土地段，适当发展刁竹、运香竹等竹林，山麓、平缓的山坡重点发展果树 和经济林、用材林，间种药材的立体生态农林体系。林、果、药的综合发展，既涵养了 水源，又直接增加了农民的经济收入，由此弄拉被列为国家药物自然保护区。 10 第三章 岩溶植被对大气降雨物理化学特征的影响第三章 岩溶植被对大气降雨物理化学特征的影响 森林与水之间的关系问题已成为当今社会关注的一个热点问题， 在保护和恢复各种 森林植被、解决水资源问题的过程中需要研究森林植被与水之间的相互作用关系，以合 理利用水资源，充分发挥森林植被的功能 92。水是一个活跃的生态因子，能影响森林植 被的分布、 格局及生长发育状况， 水分承载力的大小决定森林植被的种类、 数量和格局。 森林植被是影响生态系统中水分循环的重要因素，不同的植被类型、数量及空间格局对 水分循环过程的影响也不同，具有不同的水文效应。对于森林生态系统来说，通过其水 文过程输入系统中的化学物质，来源于大气降水输入和地质水文输入 93 。水是干旱区 关键的生态因子， 植被的组成和结构与水密切相关， 同时各种尺度上对水产生重要反馈。 森林植被对水文循环机制的影响主要是对径流形成机制和化学传输物质的影响 94， 本研 究从化学传输物质的角度来分析岩溶区森林植被对大气降雨的影响。 3.1 研究方法与采样研究方法与采样 2006 年 5 月至 2006 年 7 月，研究工作在弄拉兰电堂表层岩溶泉集水区开展。实验 样带为次生乔木林，共收集 11 场大气降雨、穿透雨、树干径流雨。具体收集方法为： 在距兰电堂泉 100m 的农户家四层楼屋顶用聚乙烯塑料盆收集大气降雨，于集水区林内 随机布设聚乙烯塑料桶收集穿透雨， 选择几棵树用剖开的聚乙烯塑料管蛇形缠绕于树干 基部，再用塑料管引入小塑料桶内收集树干径流雨，同时于每场雨后在兰电堂泉采集相 应的表层岩溶泉水样。在近三个月的时间内共采集了 88 个水样，每种水样两瓶，各 350ml。每次采集完后，每种水样取 1 瓶送到中国地质科学院桂林岩溶地质研究所水质 分析实验室测定水中溶解的主要离子（hco3-、cl -、ca2+、mg2+、na+、k+、so 42-） 。另一 瓶用于测定有机碳（doc） 。doc 的测定是用岛津公司产的 tocvcpn 仪，先测定水中的 总碳（tc）和无机碳（dic） ，再采用 doc=tc-dic 的方法计算水中 doc 的含量。在采集 水样的同时，用德国 wtw 公司生产的 multilinep3 多参数仪，现场测定水的 ph 值和电导 率。用 spss 应用统计软件处理分析测定后的原始数据，并用 origin 软件作图。由于大 气降雨各项指标受地带内局部因子的影响较大，变化无规律，故本文采用各项指标的平 均值来进行分析。 3.2 结果与分析结果与分析 3.2.1 不同水样中的化学成分含量及其变化特征不同水样中的化学成分含量及其变化特征 降雨-穿透雨、茎流雨-泉水的化学含量特征的变化，可相对地反应岩溶生态系统内 水化学平衡状况和物质循环特征。大气降雨经过森林植被层后，化学成分的总含量增加 11 了（表 3-1） ，经大气降雨输入到该集水区水源林的化学成分含量顺序是 hco3-cl- 游离 co2ca2+mg2+na+k+so42-；穿透雨中含量顺序为 hco3-cl-游离 co2 ca2+k+mg2+na+so42-；树干径流雨中含量顺序为 hco3-游离 co2cl- ca2+ k+mg2+na+so42 -；表层岩溶泉水中顺序为 hco 3-ca2+ mg2+so42- cl-游离 co2k+。各顺序中 hco3-总是排列在第一，可能是岩溶区雨水的一大特点， 三种雨水中 cl-、 ca2+、游离 co2的含量靠前，泉水中 ca2+、 mg2+ 和 so42-的排列靠 前。三种雨水化学成分含量的不同顺序变化反应出植被改变不同化学成分的程度。从变 异系数来看，各类水样中的各种化学成分含量的变化，以表层岩溶泉水中的变化最小， 说明该泉水具有比较稳定的物理化学性质。 泉水稳定的物理化学性质与其上覆盖的植被 是分不开的，反应出兰电堂集水区的表层岩溶带具有较强的调蓄功能。 表 3-1 弄拉各类水样化学成分的含量（表 3-1 弄拉各类水样化学成分的含量（mgl-1） ） 水样类型 项 目 cl so42 hco3- k naca2 mg2 游离 co2 大气降雨 均值 6.8 0 10.16 0.15 0.52 3.36 0.61 3.81 标准差 2.99 4.44 0.18 0.72 2.14 0.53 1.74 变异系数 0.44 0.44 1.22 1.38 0.64 0.88 0.46 最大值 14.03 16.9 0.5 1.98 7.32 1.73 6.8 最小值 3.51 4.23 0 0 0.81 0 1.7 穿 透 雨 均值 6.48 0 8.76 0.75 0.19 2.81 0.7 4.55 标准差 2.97 3.93 0.9 0.3 1.25 0.61 2.02 变异系数 0.46 0.95 1.2 1.61 0.45 0.88 0.44 最大值 14.03 17.33 2.56 0.93 4.88 1.73 8.5 最小值 3.51 4.23 0 0 1.22 0 1.7 树干径流雨 均值 5.53 0 15.43 2.66 0.08 3.84 1.19 6.1 标准差 1.82 6.38 1.48 0.14 1.17 0.58 2.61 变异系数 0.33 0.41 0.56 1.68 0.3 0.49 0.43 最大值 8.18 25.35 6.23 0.44 6.1 2.47 11.89 最小值 3.51 5.78 1.45 0 2.44 0.49 2.61 表层岩溶 泉 水 均值 6.8 8.59 371.48 0 0.64 75.89 30.99 5.72 标准差 1.26 4.01 26.9 0.09 6.97 4.76 1.15 变异系数 0.18 0.47 0.07 0.13 0.09 0.15 0.2 最大值 8.18 13.64401.38 0.75 90.22 37.47 6.8 最小值 4.68 4.68 325.36 0.46 69.09 4.76 1.15 注 均值 n=11，变异系数=标准差/均值。 三种阴离子中， cl -在经过森林植被后减少了， 原因是雨水在穿过林冠表面流经树枝、 树干的过程中，对 cl -的吸收、吸附作用大于洗脱、淋洗作用。大气降雨、穿透雨和树 干