王 沖,祖艷群,李 元

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南昆明 650201)

元陽(yáng)梯田區(qū)域不同植物群落枯落物及表層土壤水分涵養(yǎng)功能研究

王 沖,祖艷群,李 元

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南昆明 650201)

植物群落;土壤;枯落物;水分涵養(yǎng)功能;元陽(yáng)

分析了元陽(yáng)梯田區(qū)域 12個(gè)植物群落土壤層和枯落物層涵養(yǎng)水源的能力,結(jié)果表明:各闊葉林地土壤容重都小于 1.00 g/cm3,針葉林群落改善土壤結(jié)構(gòu)的能力弱于闊葉林。山地山龍眼群落土層的平均總孔隙度最大,為 61.80%,飽和蓄水量和非毛管持水量最高,分別為 1 235.9和 226.4 t/hm2。木姜子、紅果樹闊葉混交林的土壤涵養(yǎng)水分能力強(qiáng),表層土田間持水量為 77.20%和75.72%。闊葉林枯落物的持水能力強(qiáng),針葉林群落產(chǎn)生的枯落物量大,杉木林和云南松林的枯落物持水總量為 991.54和 1 570.40 g/m2。云南松群落和山地山龍眼群落綜合持水能力較強(qiáng),分別為 2 521.6和2 163.8 t/hm2。草地群落持水能力最弱,僅為 1 099.4 t/hm2。

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一。20世紀(jì) 80年代以來(lái),已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)森林涵養(yǎng)水源效益做出了評(píng)價(jià)[1-3]。森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能主要表現(xiàn)在調(diào)節(jié)林內(nèi)溫度和濕度、減少水分蒸發(fā)、截留和再分配降水以及調(diào)蓄河川徑流等方面[4]。森林水源涵養(yǎng)能力與植被類型和蓋度、林地枯落物組成和現(xiàn)存量、土層厚度及土壤物理性質(zhì)等密切相關(guān),是森林植被和土壤共同作用的結(jié)果[5]。森林類型、林分結(jié)構(gòu)不同,其水源涵養(yǎng)能力也有一定的差異。云南元陽(yáng)哈尼梯田是世世代代哈尼族人民留下的杰作,是世界級(jí)的自然景觀和文化景觀,是人地和諧共處的良性人類生態(tài)系統(tǒng)和資源持續(xù)利用的樣板[6]。梯田灌區(qū)年需水量大約為 2萬(wàn) m3[7],梯田上方具有很好的森林植被,在水源涵養(yǎng)方面起到了非常重要的作用。本研究通過(guò)對(duì)元陽(yáng)梯田地區(qū)森林的生態(tài)水文調(diào)查,來(lái)分析比較不同群落的水分涵養(yǎng)功能,以揭示不同林地的水土保持作用和對(duì)梯田水分的貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

元陽(yáng)梯田位于云南省元陽(yáng)縣的哀牢山南部?？h境內(nèi)最低海拔為 144m,最高海拔為 2 939.6m,海拔高差 2 795.6m。日最高氣溫 32.4℃,最低氣溫 -2.6℃,年均降雨量為1 398mm,全年相對(duì)濕度 85%,霧期長(zhǎng)達(dá) 174～180 d,全年日照時(shí)長(zhǎng)1 770 h。縣內(nèi)氣候多屬亞熱帶季風(fēng)類型,受地理環(huán)境和地形條件的影響,立體氣候明顯:海拔 1 200m以下為河谷區(qū),常年無(wú)霜,雨量充沛,蒸發(fā)量大,氣候炎熱;1 200—1 700m之間為中低山區(qū),雨量較充沛,氣候較溫和;1 700 m以上為中山區(qū),多霧多雨。梯田灌區(qū)溝谷縱橫,屬紅河南岸深切之中山坡地地貌,地勢(shì)南高北低,地形坡度變化不大,坡度在 15°～35°之間。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)分布及群落特點(diǎn)

根據(jù)地形和植物分布的特征確定了元陽(yáng)縣箐口、水庫(kù)和壩達(dá)三個(gè)區(qū)域不同海拔分布的 12個(gè)植物群落。箐口的研究區(qū)位于梯田上方,呈垂直分布;水庫(kù)研究區(qū)位于元陽(yáng)的水源地附近;壩達(dá)的研究區(qū)位于梯田上方,呈環(huán)形分布。主要喬木樹種有臭牡丹(Clerodend rum bungei)、杉木 (Cunninghamia lanceolata)、旱冬瓜 (Alnus nepalensis D.Don)、水冬瓜(Alnus cremastogyne Burk.)、山地山龍眼(Helicia clivicola W.W.Sm ith)、云南松(Pinus yunnanensis Franch.)、木姜子 (Litsea pungens Hemsl.)、五眼果(Choerospondias axillaris)、喜樹(Camptotheca acum inate)、紅果樹(Stranvaesia daviana)等,灌木有茶樹(Camellia sinensis)、無(wú)花果樹(Ficus carica)等,草本有藎草(Arthraxon hispidus)、鼠麹草(Gnapha lium a ffine D.Don)、紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum)等(見表 1)。

2.2 土壤性質(zhì)測(cè)定

用室內(nèi)環(huán)刀法[8]分別測(cè)定 0—10 cm和 10—20 cm土層的容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量,然后計(jì)算土壤的飽和蓄水量和非毛管孔隙持水量,計(jì)算公式為

2.3 枯落物蓄存量及持水率測(cè)定

在每個(gè)研究區(qū)取 4個(gè)1m×1m的枯落物樣方,收集樣方內(nèi)的枯落物,通過(guò)對(duì)枯落物物理形態(tài)的觀察來(lái)判斷其分解程度[9]。用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物的最大持水率[10],根據(jù)所獲得的數(shù)值用公式算出其最大持水量。計(jì)算公式為

表 1 三個(gè)研究區(qū)各群落的優(yōu)勢(shì)種植物及位置特征

枯落物最大持水量 =枯落物最大持水率×枯落物蓄存量

3 結(jié)果與分析

3.1 不同群落土壤持水能力分析

3.1.1 土壤容重及孔隙度

12 個(gè)植被類型土壤的容重和孔隙度見表 2。由表 2可知,不同植被類型的土壤層自上而下土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度逐漸減少;土壤容重變異規(guī)律不顯著,但是大體上是增加的。云南松群落和杉木林群落的土壤容重在 1.00 g/cm3以上,其他群落都在 1.00 g/cm3以下,說(shuō)明闊葉林群落改良土壤的能力強(qiáng)于針葉林群落。水庫(kù)和壩達(dá)地區(qū)的土壤容重總體上要小于箐口地區(qū)。

表2 12個(gè)植被類型土壤的容重和孔隙度

0—10 cm土層非毛管孔隙度除臭牡丹群落、云南松群落、草地群落較低外,其他的群落都在 8%以上,以旱冬瓜群落最大,為 12.08%。0—20 cm各群落土壤平均總孔隙度依次為:山地山龍眼群落＞木姜子群落 ＞紅果樹群落 ＞茶樹群落 ＞五眼果群落＞水冬瓜群落＞旱冬瓜群落 ＞草地群落 ＞臭牡丹群落＞茶樹-旱冬瓜群落 ＞杉木群落 ＞云南松群落。上層土壤總孔隙度大于下層土壤,因此吸收和蒸發(fā)水分的速度都快于下層土壤。0—10 cm土壤總孔隙度山地山龍眼群落和木姜子群落較高,分別為 63.12%和 64.91%;云南松群落和杉木林群落較低,分別為 47.80%和54.44%;茶樹群落和草地群落為灌木林群落和草本群落,土壤總孔隙度相對(duì)于闊葉林群落較低。

3.1.2 土壤蓄水能力

從表 3可以看出,山地山龍眼群落土壤飽和蓄水量最大,為 1 235.9 t/hm2;云南松群落土壤飽和蓄水量最小,僅為 951.2 t/hm2。闊葉林群落土壤的飽和蓄水量都在 1 050 t/hm2以上,云南松群落和杉木林群落土壤的飽和蓄水量均低于闊葉林群落。水庫(kù)區(qū)域的植被群落平均土壤飽和蓄水量為 1 186.4 t/hm2,要高于壩達(dá)地區(qū)和箐口地區(qū),箐口地區(qū)土壤飽和蓄水量大致隨海拔的增高而增大,壩達(dá)地區(qū)土壤飽和蓄水量隨海拔的增高而減少。各群落的土壤非毛管持水量在 129～227 t/hm2之間,有較好的土壤蓄水能力,山地山龍眼群落土壤非毛管持水量最大,為 226.4 t/hm2。

表3 不同植被類型土壤的蓄水量

各群落按 0—20 cm土壤的平均田間持水量大小排序依次為:紅果樹群落＞木姜子群落＞山地山龍眼群落＞水冬瓜群落＞旱冬瓜群落 ＞茶樹群落 ＞五眼果群落 ＞草地群落 ＞臭牡丹群落 ＞茶樹 -旱冬瓜群落 ＞杉木群落 ＞云南松群落,闊葉林群落土壤的田間持水量明顯優(yōu)于針葉林群落。云南松群落土壤的田間持水量最低,0—10 cm土層僅為 37.61%,木姜子群落和紅果樹群落土壤田間持水量(0—10 cm)是云南松群落的 2倍。

3.2 不同群落枯落物蓄存量及持水能力分析

從表 4看,針葉林和常綠闊葉林的枯落物蓄存量差異很大,木姜子群落、五眼果群落的枯落物蓄存量比較低,而云南松群落的枯落物蓄存量是木姜子群落的 6倍多,杉木林群落的枯落物蓄存量是木姜子群落的3倍多,對(duì)群落枯落物的持水量影響很大。

表4 不同植被類型枯落物持水能力

各群落按枯落物持水率大小排序依次為:木姜子群落 ＞紅果樹群落 ＞山地山龍眼群落 ＞茶樹群落 ＞水冬瓜群落 ＞旱冬瓜群落 ＞五眼果群落 ＞茶樹 -旱冬瓜群落 ＞杉木群落 ＞臭牡丹群落 ＞云南松群落 ＞草地群落。木姜子群落枯落物持水能力最好,為 257.87%;茶樹群落、紅果樹群落和山地山龍眼群落的枯落物種類持水性強(qiáng),持水率在 250%以上。研究區(qū)內(nèi)闊葉林群落持水能力比較一致,各群落的枯落物持水率都在本身重量的 2倍以上,可以有效地增加雨水入滲,減少地表徑流?？萋湮镄钏恳栽颇纤扇郝渥畲?為 1 570.40 g/m2;其次是杉木林群落,為 991.54 g/m2。常綠闊葉林的枯落物蓄存量比針葉林少,旱冬瓜、臭牡丹、紅果樹、山地山龍眼、水冬瓜群落的枯落物持水量在 600～940 g/m2之間,五眼果和木姜子群落的枯落物持水量為 452.35和 370.84g/m2。壩達(dá)地區(qū)的群落枯落物平均最大持水量為 1 030.28 g/m2,大于箐口地區(qū)的 754.31 g/m2,是水庫(kù)地區(qū)群落枯落物平均最大蓄水量的 2.5倍。箐口地區(qū)的群落內(nèi)枯落物持水率隨海拔的升高而增長(zhǎng)。從表 4還可以看出,枯落物分解程度高的持水能力強(qiáng),涵養(yǎng)水分多,分解程度低的本身水分較多,可吸入水分量相對(duì)較少。

3.3 不同群落的綜合蓄水能力分析

為了比較不同植物群落的涵養(yǎng)水源能力,以枯落物最大持水量和 0—20 cm土壤層的飽和蓄水量之和作為植物群落的綜合蓄水能力。由圖 1可以看出,各植物群落按綜合蓄水能力的大小排序?yàn)?云南松群落＞山地山龍眼群落 ＞水冬瓜群落 ＞紅果樹群落 ＞茶樹群落 ＞杉木群落＞旱冬瓜群落 ＞茶樹 -旱冬瓜群落＞臭牡丹群落＞木姜子群落 ＞五眼果群落 ＞草地群落。草地群落綜合蓄水量最小,為 1 099.4 t/hm2,涵養(yǎng)水源的能力相對(duì)較差。壩達(dá)地區(qū)的平均綜合蓄水量為 2 167.0 t/hm2,大于箐口地區(qū)的 1 674.8 t/hm2和水庫(kù)地區(qū)的 1 598.0 t/hm2。云南松群落枯落物持水量大是該群落綜合蓄水能力大的主要原因。

圖1 不同植物群落綜合蓄水能力

4 討論與結(jié)論

土壤的物理性質(zhì),特別是土壤的結(jié)構(gòu)和孔隙度,對(duì)土壤層的水文生態(tài)效應(yīng)具有顯著的影響[11]。紅果樹、木姜子、山地山龍眼等闊葉林群落由于下立面的植被根系生長(zhǎng)密集,使土壤構(gòu)造較疏松,通氣透水性強(qiáng),因而具有更強(qiáng)的涵養(yǎng)水源和保持水土的能力。杉木群落和云南松群落下立面的灌木和草本稀少,是植被多樣性最差的群落,土壤蓄水能力相對(duì)于其他群落也較差。這說(shuō)明木姜子、紅果樹等混交闊葉林比單一樹種的針葉林土壤蓄水能力強(qiáng),具有更顯著的改善土壤理化性質(zhì)的能力,在保持水土和提供梯田水源方面作用顯著。以不同地點(diǎn)的同種植物群落茶樹來(lái)看土壤的蓄水能力基本一致。

枯落物層是保障森林充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源功能的一個(gè)極其重要的森林水文層次,具有明顯的蓄水作用?？萋湮镒畲蟪炙渴欠磻?yīng)枯枝落葉層水文特性的一個(gè)重要因子,它與枯落物類型、組成結(jié)構(gòu)、蓄存量、分解狀況等有關(guān)[12]。垂直結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的喬、灌、草群落的枯落物儲(chǔ)量及其持水能力都高于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的灌木群落和草本群落。紅果樹群落和木姜子群落枯落物持水率較高,可為梯田提供充足的水分,云南松群落和杉木林群落枯落物持水率雖低但具有大量的蓄存量來(lái)涵養(yǎng)水分,使得群落下方的梯田水分供應(yīng)優(yōu)于其他群落。水庫(kù)的木姜子群落和五眼果群落由于是常綠闊葉林,枯落物相對(duì)于其他群落少,因此枯落物蓄水總量小于壩達(dá)地區(qū)和箐口地區(qū)。三個(gè)地區(qū)的綜合蓄水能力以壩達(dá)地區(qū)最大,為元陽(yáng)梯田提供水分的能力最強(qiáng),使得下方梯田的水分供應(yīng)最為充足,因?yàn)槠渫寥里柡托钏亢涂萋湮锍炙慷急容^大;水庫(kù)地區(qū)雖然土壤蓄水能力強(qiáng),但是因常綠闊葉林的枯落物較少,所以綜合蓄水量相對(duì)較少;箐口地區(qū)除了草地群落的蓄水能力較差外,其余群落都很好地起到了保持水土的作用,為元陽(yáng)梯田涵養(yǎng)了豐富的水源。

山區(qū)森林具有調(diào)節(jié)溪流、涵養(yǎng)水源的功能,這個(gè)功能是通過(guò)山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)作為積聚和儲(chǔ)存水分的中心來(lái)實(shí)現(xiàn)的。正因?yàn)樵?yáng)地區(qū)的林地能較好地涵養(yǎng)水源、防止水土流失,使得哈尼梯田一直擁有很好的水源供應(yīng),得以延續(xù)幾百年。今后還應(yīng)采取更合理的經(jīng)營(yíng)管理措施,來(lái)維護(hù)土壤地力、保護(hù)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)森林土壤生態(tài)系統(tǒng)保持良性的物質(zhì)循環(huán)和提高經(jīng)濟(jì)效益。

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M oisture Conservation Functions of Surface Soil and Litters of Different Plant Communities in Yuanyang Terraced Field Region

WANG Chong,ZU Yan-qun,LIYuan
(College of Resources and Environment,Yunnan Agricultural University,Kunm ing,Yunnan 650201,China)(43)

The paper analyzes the capacity of water conservation of soil and litters of 12 plant communities in terraced field region of Yuanyang.The outcomes show that the soil volume weight of each broad-leaved forest is smaller than 1.0 g/cm3and the capability for im proving soil structure of coniferous forest community isweaker than that of broad-leaved forest.Among the 12 plant communities,theaverage total porosity of Helicia clivicola community ismaximum as 61.8%,and the saturated water storage capacity and the non-capillarymoistureholding capacity are the highest as 1 235.9 t/hm2and 226.4 t/hm2respectively.The capacity of water conservation ofm ixed broad-leaved forests of Litsea pungens and Stranvaesia davidiana is strong and themoisture holding capacity of surface soil are 77.20%and 75.72%.Themoisture holding capacity of broad-leaved litters is strong and the litter quantity of coniferous forest community is great.The totalmoisture holding capacity of litters of Cunninghamia lanceolata and Pinus yunnanensis communities are 991.54 g/m2and 1 570.40g/m2.The integratedmoisture holding capacity of Pinus yunnanensis and Helicia clivicola communities are stronger as 2 521.6 t/hm2and 2 163.8 t/hm2respectively and thatof grassland community is the lowestonly 1 099.4 t/hm2.

plant community;soil;litter;moisture conservation function;Yuanyang

S727

A

1000-0941(2011)05-0043-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 (“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2006CB100203)

王沖(1984—),男,河南漯河市人,碩士研究生,主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)方面的研究工作;通信作者祖艷群(1966—),女,湖南沅江市人,教授,博士,從事環(huán)境生態(tài)學(xué)方面的研究和教學(xué)工作。

2010-12-20

(責(zé)任編輯 徐素霞)