王 彬, 于澎濤,*, 王順利, 王彥輝,張 雷,劉賢德,金 銘,張學(xué)龍

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院, 張掖 734000

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祁連山北坡青海云杉林下苔蘚層對(duì)土壤水分空間差異的影響

王 彬1, 于澎濤1,*, 王順利2, 王彥輝1,張 雷1,劉賢德2,金 銘2,張學(xué)龍2

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院, 張掖 734000

苔蘚層是青海云杉林(Piceacrassifoliaforest)下的一個(gè)重要層片,它通過(guò)截持降水和減少土壤蒸發(fā),對(duì)土壤水分產(chǎn)生影響。以祁連山北坡排露溝小流域的一個(gè)陰坡(海拔2700 m,植被為青海云杉林)作為樣坡,于2010—2012年生長(zhǎng)季對(duì)青海云杉林下有、無(wú)苔蘚層覆蓋地點(diǎn)的土壤水分進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。結(jié)果表明在祁連山青海云杉林下,苔蘚層覆蓋能減少土壤水分的空間差異。主要表現(xiàn)為：(1)無(wú)苔蘚覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量極差達(dá)62.2 mm,空間變異系數(shù)(CV)為17.3%；有苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間變異系數(shù)為2.3%,僅為無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的1/7.5,空間差異極顯著(sig. <0.001)。(2)在持續(xù)無(wú)雨、小雨后和連陰雨天氣下,有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量空間差異均顯著小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)(sig. <0.05)。在持續(xù)無(wú)雨的情況下,無(wú)苔蘚層覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間變異系數(shù)平均值為19.8%,有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量空間變異系數(shù)平均值為6.6%,僅為無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的1/3。小雨后,無(wú)苔蘚覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間變異系數(shù)平均值為15.2%,有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤水分空間變異系數(shù)平均為5.1%,為無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的1/3。連陰雨后,無(wú)苔蘚覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間變異系數(shù)平均為15.4%,有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤水分空間變異系數(shù)平均為4.6%,為無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的1/3.3。(3)持續(xù)無(wú)雨的情況下,苔蘚層減小土壤水分空間差異的作用主要反映在土壤表層0—15 cm,對(duì)深層的作用不顯著。而小雨和連陰雨后,苔蘚層對(duì)15—80 cm深層土壤影響顯著,而表層0—15 cm沒(méi)有明顯規(guī)律。

祁連山；苔蘚層；土壤水分；青海云杉林；空間差異

青海云杉林(Piceacrassifolia)是祁連山的主要森林類(lèi)型之一[1],其生態(tài)水文功能對(duì)黑河乃至西北的水資源時(shí)空分布具有重要作用[1- 3]。然而,通常的森林水文研究多關(guān)注喬木層的水文影響,如林冠的截留、蒸發(fā)等[3-13]。而對(duì)于普遍存在于青海云杉林下的苔蘚層卻較少關(guān)注。

研究表明苔蘚層具有類(lèi)似“海綿”的吸水作用,如在充分浸泡后,苔蘚能夠吸收達(dá)其自身干重的幾倍甚至十幾倍的水分[14]。青海云杉林下的苔蘚層,就一次降水過(guò)程而言,林內(nèi)降水小于3.7 mm時(shí)可截留全部的降水[15]。苔蘚層作為直接覆蓋在地表上的層片,還可以有效抑制土壤水分蒸發(fā),如在太行山主要植被苔蘚層水文作用的研究表明,在1995年8月份,裸地表的日蒸發(fā)量為1.82 mm,而有苔蘚覆蓋的日蒸發(fā)量?jī)H為0.45 mm,1個(gè)月期間,覆蓋有苔蘚的地表蒸發(fā)量為13.8 mm,裸地為56.3 mm,有苔蘚覆蓋地點(diǎn)蒸發(fā)量?jī)H為裸地表的1/5左右,據(jù)估算苔蘚的存在每年可減少地表蒸發(fā)量的75.49%[16]。劉興明等對(duì)祁連山青海云杉林苔蘚層的研究也證明有苔蘚林地土壤水分蒸發(fā)較無(wú)苔蘚林地少且穩(wěn)定[17]。

正因?yàn)樘μ\層截持降水,從而減少了土壤水分的入滲,亦即減少了土壤水分的輸入；與此同時(shí),苔蘚層的覆蓋減少了蒸發(fā),亦即減少了水分從地表的直接輸出,而在這兩個(gè)過(guò)程綜合作用下必然改變坡面土壤含水量。但苔蘚層是否會(huì)改變土壤含水量的空間分布尚不清楚,這大大限制了對(duì)坡面植被和土壤水分相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)。因此,本研究選取位于祁連山北坡的一個(gè)陰坡,在同一片青海云杉林下,連續(xù)觀測(cè)有苔蘚層覆蓋和無(wú)苔蘚層覆蓋地點(diǎn)的土壤含水量,比較苔蘚層覆蓋對(duì)青海云杉林下土壤水分空間變化的影響。以期確定苔蘚層對(duì)青海云杉林下的水文過(guò)程和祁連山區(qū)生態(tài)水文的影響,為進(jìn)一步系統(tǒng)研究該地區(qū)區(qū)域水文過(guò)程的影響提供依據(jù),并為西北干旱區(qū)水-土-植被綜合管理提供一定的科學(xué)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅祁連山中段北坡排露溝小流域(38°32′—38°33′N(xiāo),100°17′—100°18′E),海拔2600—3800 m,流域面積為2.91 km2,屬于高寒半干旱半濕潤(rùn)山地森林草原氣候。小流域年降水量435.5 mm,年均蒸發(fā)量1051.7 mm；雨季(5月—10月)降水占全年的87.2%左右,旱季(11月—次年4月)降水僅占全年的12.8%左右,其中降雪占2.8%；流域降水不僅隨時(shí)間變化,而在空間上因海拔、坡向也有較大的差異,如陰坡降水比陽(yáng)坡多7%左右[18]。

流域陽(yáng)坡為山地草原,陰坡為森林景觀,以蘚類(lèi)青海云杉林為主。蘚類(lèi)青海云杉林,呈斑塊狀分布在2700 m到3300 m范圍內(nèi)的陰坡、半陰坡,在海拔3000—3300 m有灌木云杉林分布,海拔3300以上分布著亞高山濕性灌木林,森林覆蓋率為65%。

林下苔蘚層十分發(fā)育,其高度為0—14 cm,覆蓋度從50%左右到85%。林下苔蘚層分部不均,主要呈斑塊狀分布。苔蘚層的種類(lèi)主要為山羽蘚(Abietinellaabietina)。

研究區(qū)土壤主要為山地森林灰褐土,山地栗鈣土及亞高山灌叢草甸土等。

2 研究方法

2.1 樣坡的選取與土壤水分觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

選取排露溝小流域海拔2700—2800 m東北向陰坡做為研究樣坡,樣坡長(zhǎng)230 m左右。優(yōu)勢(shì)種和建群種為青海云杉,郁閉度平均為0.65,密度為0.2株/m2,林下灌木層和草本層均不發(fā)育,林下苔蘚層生長(zhǎng)茂盛,且呈斑塊狀分布。

樣坡坡下有20 m×20 m的固定樣地,為甘肅祁連山水源涵養(yǎng)林研究院的長(zhǎng)期固定樣地。以原有固定樣地為基礎(chǔ),又根據(jù)有、無(wú)苔蘚層覆蓋,再分設(shè)有苔蘚層覆蓋和無(wú)苔蘚層覆蓋的對(duì)照測(cè)點(diǎn),在樣坡上共布設(shè)了6個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn),依次編號(hào)為Y1(有苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)1)、Y2(有苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)2)、Y3(有苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)3)、W1(無(wú)苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)1)、W2(無(wú)苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)2)、W3(無(wú)苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)3)。觀測(cè)點(diǎn)均位于樣坡的坡中下部,坡向、坡度基本一致,土壤類(lèi)型主要為山地森林灰褐土,土質(zhì)主要為輕壤土和中壤土,土層厚度為1.2—1.6 m,土壤質(zhì)地較為粗糙,透水性強(qiáng)。觀測(cè)點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

表1 土壤水分觀測(cè)點(diǎn)基本信息

W：無(wú)苔蘚層覆蓋without moss layer cover；Y：有苔蘚層覆蓋with moss layer cover ；W、Y后的數(shù)字表示不同觀測(cè)點(diǎn)

2.2 土壤水分監(jiān)測(cè)

土壤水分測(cè)定采用土鉆法。于2010—2012年生長(zhǎng)季(5月至9月)對(duì)上述觀測(cè)點(diǎn)的土壤水分含量取樣、測(cè)定,其中,2011年5—10月為每月1日、11日和21日定期測(cè)定,2010年和2012年則在每月的中旬測(cè)定。取土?xí)r,按0—10 、10—20 、20—30 、30—40 、40—50 、50—60 、60—80 cm分層取樣,每個(gè)土層每次取3個(gè)平行土樣。帶回室內(nèi)測(cè)定濕重(G1)后,再在105℃下烘干,稱(chēng)其干重(G2),按下式(式1)計(jì)算得到每個(gè)土壤樣品的質(zhì)量含水量。

H= (G1-G2)/G2×100%

(1)

式中,H為土壤質(zhì)量含水量(%)。

再對(duì)3個(gè)平行樣的土壤質(zhì)量含水量取平均值,得到該土層的此次平均質(zhì)量含水量。

2.3 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)處理

第j層的土壤含水量不同測(cè)量時(shí)間的平均值為：

(2)

0—80 cm土層土壤總含水量：

(3)

對(duì)有、無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的空間差異使用空間變異系數(shù)(CV),直觀的反映有苔蘚覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)、無(wú)苔蘚覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)土壤水分的空間差異。使用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)有、無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)兩組土壤水分空間變異系數(shù)(CV)差異的顯著性。顯著性水平為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究期間降水特征

位于排露溝小流域2600 m處的氣象站1994—2003年測(cè)得的年降水量為290—468 mm,平均為368 mm[9]。如表2所示,2010—2012年研究區(qū)年降水總量分別為356、325 mm和335 mm,與多年平均降水量相近；降水主要集中在生長(zhǎng)季(5月1日至9月30日),降雨量分別為269、271 mm以及281 mm占年降雨總量的76%、83%、84%。

在所有降雨場(chǎng)次中以小雨居多,中大雨少,如2010年小雨41場(chǎng),中雨7場(chǎng),大雨1場(chǎng)；2011年小雨50場(chǎng),中雨4場(chǎng),大雨1場(chǎng)；2012年小雨49場(chǎng),中雨9場(chǎng),大雨0場(chǎng)；然而,少數(shù)幾場(chǎng)中到大雨降下的水量卻占到32%—51%?？傮w上,小雨降雨總量與中到大雨的雨量相當(dāng)。

生長(zhǎng)季連陰雨(指連續(xù)3—5d以上的陰雨天氣現(xiàn)象)較多,2010年生長(zhǎng)季共有9場(chǎng)連陰雨,連陰雨天數(shù)共44 d；2011年生長(zhǎng)季共有6場(chǎng)連陰雨,連陰雨天數(shù)共33 d；2012年生長(zhǎng)季連陰雨共有10場(chǎng),連陰雨天數(shù)為39 d。2011年5月9日—5月11日為連陰雨天氣,期間出現(xiàn)一場(chǎng)中雨(16.1 mm),降雨總量為22.3 mm；6月20日—7月5日處于連陰雨天氣,每場(chǎng)降雨均小于10 mm,降雨總量為48.4 mm。8月10日—8月18日為連陰雨天氣,期間出現(xiàn)兩場(chǎng)中雨(14.3 mm、17.9 mm)和一場(chǎng)大雨(27.4 mm),降雨總量為78.7 mm。

表2 2010—2012年生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度特征

3.2 苔蘚層覆蓋對(duì)生長(zhǎng)季平均土壤含水量空間差異的影響

圖1是有、無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)生長(zhǎng)季平均土壤含水量空間差異圖。無(wú)苔蘚覆蓋的各觀測(cè)點(diǎn),土壤含水量最高與最低的觀測(cè)點(diǎn)之差大于有苔蘚覆蓋地點(diǎn)。2010—2012年間有苔蘚層覆蓋地點(diǎn)土壤含水量極差為3.6—13.1 mm,平均為7.3 mm,空間變異系數(shù)(CV)為1.1%—4.2%；而無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量極差為55.6—66.5 mm,平均為62.2 mm,CV為16.0%—18.7%。無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量空間變異系數(shù)平均為17.3%；顯著大于有苔蘚覆蓋地點(diǎn),平均值為2.3%。有、無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的土壤含水量變異系數(shù)存在極顯著差異(sig. <0.001)。

圖1 0—80 cm土層生長(zhǎng)季平均含水量變化Fig.1 The growing season average soil moisture spatial variability on different sites with or without moss layer in Picea crassifolia forestW：無(wú)苔蘚層覆蓋without moss layer cover；Y：有苔蘚層覆蓋with moss layer cover ；W、Y后的數(shù)字表示不同觀測(cè)點(diǎn)

3.3 不同天氣條件下苔蘚層的作用

3.3.1 持續(xù)無(wú)雨時(shí)苔蘚層對(duì)不同測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間差異的影響

在持續(xù)無(wú)雨的天氣下,有苔蘚層覆蓋地點(diǎn)0—80 cm土壤總含水量的空間差異明顯小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)(表3),如在2010/8/6、2011/7/14、2012/7/16的3個(gè)測(cè)量時(shí)間,有苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量極差為4.6—24.7 mm,不同測(cè)點(diǎn)變異系數(shù)為2.4%—9.2%,平均值為6.6%；而無(wú)苔蘚層覆蓋地點(diǎn)極差為51.4 —63.7 mm,變異系數(shù)分別為17.7%—23.6%,平均值為19.8%。在該天氣條件下,有、無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的土壤含水量變異系數(shù)存在極顯著差異(sig.=0.009)。

表3 無(wú)降雨條件下青海云杉林有無(wú)苔蘚覆蓋土壤含水量的空間差異

有苔蘚層覆蓋測(cè)點(diǎn)Y1、Y2、Y3含水量極差在0—15 cm隨土壤深度的增加逐漸減小(圖2),在15 cm處達(dá)到相對(duì)較小值；15—80 cm深度范圍內(nèi),3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的極差有所增大。如在2010/8/6表層0—5 cm土壤含水量的極差為1.9 mm,0—15 cm深度內(nèi),土壤含水量極差的最小值為1.3 mm,15—80 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量極差的變化范圍為1.5—7.6 mm。

在整個(gè)土壤剖面上無(wú)苔蘚覆蓋測(cè)點(diǎn)W1、W2、W3含水量的極差總體上均大于有苔蘚覆蓋測(cè)點(diǎn)。無(wú)苔蘚層覆蓋測(cè)點(diǎn)W1、W2、W3土壤含水量極差由0—25 cm隨土壤深度的增加逐漸減小,在25 cm左右的土層深度達(dá)到相對(duì)較小值；如2010/8/6表層0—5 cm處3個(gè)測(cè)點(diǎn)土壤含水量的極差為5.5 mm,在0—25 cm范圍內(nèi)土壤含水量極差的最小值為2.9 mm,25—80 cm深度范圍內(nèi),土壤含水量的極差隨土層深度的增加呈逐漸增大的趨勢(shì),極差變化范圍為5.2—13.0 mm。

圖2 2010-08-06無(wú)降雨條件下有/無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤水分剖面變化特征Fig.2 Soil moisture variation along soil profile at sites with or without moss layer in Picea crassifolia forest on Aug 6th , 2010

3.3.2 小雨后苔蘚層覆蓋對(duì)土壤含水量空間差異的影響

小雨后,有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量的空間差異仍顯著小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)(表4)。2010-06-30、2011-07-24、2012-08-05的3個(gè)測(cè)量時(shí)間有苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)整個(gè)剖面的土壤含水總量極差為7.3—23.7 mm,變異系數(shù)為2.6%—6.4%,平均值為5.1%；無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量極差為35.1—66.4 mm,變異系數(shù)為10.3%—20.3%,平均值為15.2%。該天氣條件下,有、無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的土壤含水量變異系數(shù)存在較大差異(sig.=0.033)。

圖3是小雨后有、無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤水分沿剖面變化,在0—80 cm土壤剖面內(nèi),有苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)(Y1、Y2、Y3)和無(wú)苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)(W1、W2、W3)土壤含水量沿剖面仍具有相似的變化趨勢(shì),即含水量由表層至25 cm呈逐漸減小的趨勢(shì),在25 cm處出現(xiàn)較小值；在25—80 cm深度內(nèi)土壤含水量隨土壤深度的變化有不同程度的增加。

如有苔蘚覆蓋地點(diǎn)2011-08-05的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量極差由0—25 cm隨土壤深度的增加逐漸減小,在25 cm處達(dá)到相對(duì)較小值；25—80 cm深度范圍內(nèi),各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的空間差異基本維持較低的水平。表層0—5 cm處,土壤含水量的極差為8.6 mm；在0—25 cm深度內(nèi),土壤含水量極差的最小值1.3 mm；25—80 cm深度內(nèi)土壤含水量極差的變化范圍為1.4—3.9 mm。 無(wú)苔蘚覆蓋W1、W2、W3測(cè)點(diǎn)0—25 cm土壤含水量空間差異隨土層深度的增加而逐漸減小；25—80 cm深度范圍內(nèi),不同測(cè)點(diǎn)土壤含水量極差隨土層深度的增加呈增大的趨勢(shì)。如2011-08-05無(wú)苔蘚覆蓋測(cè)點(diǎn)W1、W2、W3表層0—5 cm土壤含水量極差分別為9.3 mm；在0—25 cm深度土壤含水量極差的最小值為1.8 mm；25—80 cm深度內(nèi)土壤含水量的極差變化范圍為3.0—10.7 mm。

表4 小雨后不同測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間變化

小雨后表層0—25 cm有苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的空間差異略小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)；而25—80 cm有苔蘚覆蓋測(cè)點(diǎn)含水量空間差異顯著小于無(wú)苔蘚覆蓋測(cè)點(diǎn)。

圖3 2011-08-05小雨后有/無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤水分剖面變化特征Fig.3 Soil moisture variation along soil profile at sites with/without moss layer in Picea crassifolia forest on Aug 5th , 2011

3.3.3 連陰雨后苔蘚層覆蓋對(duì)土壤含水量的空間差異的影響

連陰雨后,整個(gè)剖面土壤含水量均有明顯增加(表5)。2010-07-10、2011-07-05、2011-08-19的3個(gè)測(cè)量時(shí)間有苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間差異為15.1—27.5 mm,空間變異系數(shù)為3.2%—5.8%；無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量空間差異為45.6—82.2 mm,空間變異系數(shù)為12.1%—17.2%。有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量的空間差異仍顯著小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)。該天氣條件下,有、無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的土壤含水量變異系數(shù)存在極顯著差異(sig. =0.004)。

表5 連陰雨后不同測(cè)點(diǎn)土壤含水量

有、無(wú)苔蘚層覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量剖面變化如圖4,在0—80 cm土壤剖面內(nèi),有苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)(Y1、Y2、Y3)和無(wú)苔蘚層覆蓋觀測(cè)點(diǎn)(W1、W2、W3)土壤含水量沿剖面從表層至深層隨著土壤深度的增加差別顯著。

有苔蘚層覆蓋地點(diǎn)Y1、Y2、Y3土壤含水量空間差異沿剖面變化的總體趨勢(shì)為：0—15 cm極差略大于深層,15—80 cm土層土壤含水量極差趨于相對(duì)較小的穩(wěn)定值。如在2010-07-10,表層0—5 cm處有苔蘚層覆蓋3個(gè)測(cè)點(diǎn)土壤含水量的極差為4.8 mm；15—80 cm深度內(nèi)土壤含水量極差的變化范圍為2.6—5.0 mm。

2010-07-10無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)表層0—5 cm土壤含水量的極差為6.7 mm；15—80 cm土壤含水量極差隨土層深度的增加而增大,土壤含水量極差變化范圍分別為6.1—21.6 mm。連陰雨后有、無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)表層0—15 cm土壤含水量的極差差別較??；而15—80 cm有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量極差明顯小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)。

總體上,苔蘚層覆蓋地點(diǎn)土壤含水量的空間差異仍小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)。

圖4 2010/7/10連陰雨后有/無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤水分剖面變化特征Fig.4 Soil moisture variation along soil profile at sites with/without moss layer in Picea crassifolia forest on July 10th, 2010

4 討論

不同地區(qū)對(duì)苔蘚層的研究均發(fā)現(xiàn)苔蘚層具有很強(qiáng)的截水、持水及阻止土壤水分蒸發(fā)的功能。在加拿大魁北克地區(qū)對(duì)泥沼苔蘚的研究發(fā)現(xiàn),苔蘚層具有很強(qiáng)的保持和分配水分的能力[19]。Zdenka Hroudová等人對(duì)捷克地區(qū)沉積盆地不同地被類(lèi)型下土壤的研究發(fā)現(xiàn),苔蘚層的覆蓋可以有效減少太陽(yáng)對(duì)表層土壤的直接輻射,進(jìn)而減少土壤水分蒸發(fā)[20]。我國(guó)很多學(xué)者對(duì)苔蘚層的作用進(jìn)行了很多定量和定性的研究,長(zhǎng)白山暗針葉林下苔蘚層最大持水量可達(dá)等同于4.8 mm降水[14]。祁連山地區(qū)厚度僅為3 cm的苔蘚層持水量可達(dá)500%[16]。針葉林下苔蘚層持水量最高可達(dá)172%,單位面積內(nèi)1.1—2.2 mm的降水量將不會(huì)產(chǎn)生地表徑流,體現(xiàn)出苔蘚層的較強(qiáng)的水分涵養(yǎng)能力[16，21-22]。在長(zhǎng)江上游貢嘎山的冷杉中,苔蘚層具有明顯的攔截和調(diào)蓄降水的生態(tài)水文作用[23]。地被物覆蓋可以減少地表土壤水分的蒸發(fā),有地被物覆蓋地面土壤水分蒸發(fā)量為13.8 mm,裸露地面為56.3 mm,相差3倍[17]。在青海云杉林下有苔蘚覆蓋地點(diǎn)徑流比無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)更為緩和均勻[24]。在祁連山青海云杉林下,有苔蘚林地和無(wú)苔蘚林地土壤水分差異明顯,主要體現(xiàn)在苔蘚的保水性,有苔蘚林地土壤水分蒸發(fā)較小,土壤水分變化不大且穩(wěn)定；無(wú)苔蘚林地土壤水分蒸發(fā)大,變化明顯且不穩(wěn)定[16]。本研究結(jié)果表明苔蘚層覆蓋具有減少土壤含水量空間差異的作用,即是通過(guò)苔蘚層吸持降水、涵養(yǎng)地表徑流、減少土壤水分蒸發(fā)的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的,使得土壤含水量生長(zhǎng)季平均值趨于較穩(wěn)定的狀態(tài),與前人所得的苔蘚層具有很強(qiáng)的保水性,能顯著減少土壤水分的蒸發(fā)的結(jié)論具有一致性。

本研究發(fā)現(xiàn)在持續(xù)無(wú)降雨、小雨、連陰雨這3種天氣條件影響下,苔蘚層的覆蓋均能減小土壤含水量的空間差異。在無(wú)降雨時(shí),苔蘚層的保水功能起主要作用,苔蘚層覆蓋能夠減少微地形、小氣候等因素對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響,進(jìn)而使土壤含水量空間差異減少,因此表層0—15 cm土壤含水量空間差異明顯小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)；而15—80 cm土層由于長(zhǎng)時(shí)間得不到降水補(bǔ)充,且植物根系分布不均導(dǎo)致不同測(cè)點(diǎn)水分消耗程度不同,導(dǎo)致該深度范圍土壤含水量空間差異均較大。降雨時(shí),苔蘚層持水作用起主要的生態(tài)水文功能,苔蘚層的覆蓋能減少降水流失和其它地點(diǎn)水分匯入,使得不同觀測(cè)點(diǎn)的土壤總含水量空間差異相對(duì)小于無(wú)苔蘚層覆蓋地點(diǎn)。此時(shí),表層0—15 cm土壤含水量的空間差異在不同的觀測(cè)日期有、無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)無(wú)明顯變化規(guī)律。主要是因?yàn)楸韺油寥篮渴芙邓?、降水時(shí)間、苔蘚層自身厚度和蓋度等諸多因素共同影響,不同觀測(cè)日期測(cè)得的結(jié)果差異較大。而15—80 cm土層,有苔蘚覆蓋層覆蓋地點(diǎn)土壤含水量的空間差異均小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn),主要是因?yàn)樘μ\層的覆蓋可以減少?gòu)搅?、增加水分滲透時(shí)間,避免無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)出現(xiàn)的降水流失、低洼地點(diǎn)積水的情況,使得不同觀測(cè)點(diǎn)較深層次水分入滲更均勻,減少了不同觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的空間差異。

5 結(jié)論

(1)有苔蘚覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的空間差異小于無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn),有苔蘚覆蓋各觀測(cè)點(diǎn)土壤水分空間變異系數(shù)為1.1%—4.2%,無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)為16.0%—18.7%。苔蘚層的覆蓋能顯著縮小生長(zhǎng)季平均土壤含水量的空間差異。

(2)不同的天氣條件下,苔蘚層覆蓋對(duì)土壤水分空間差異均有減少作用。連陰雨后,苔蘚層的作用更為顯著。在持續(xù)無(wú)雨的情況下,無(wú)苔蘚層覆蓋地點(diǎn)0—80 cm土壤總含水量極差為51.4 —63.7 mm,空間變異系數(shù)平均值為19.8%；有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤含水量空間變異系數(shù)平均值為6.6%,僅為無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的1/3。小雨后,無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)0—80 cm土壤總含水量極差為7.3—23.7 mm,空間變異系數(shù)平均值為15.2%；有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤水分空間變異系數(shù)平均為5.1%,為無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的1/3。連陰雨后,無(wú)苔蘚覆蓋觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量極差為45.6—82.2 mm,空間變異系數(shù)平均為15.4%；有苔蘚覆蓋地點(diǎn)土壤水分空間變異系數(shù)平均為4.6%,為無(wú)苔蘚覆蓋地點(diǎn)的1/3.3。

(3)持續(xù)無(wú)雨的情況下,苔蘚層減小土壤水分空間差異的作用主要反映在土壤表層0—15 cm,對(duì)深層的作用不顯著。而小雨后和連陰雨后,苔蘚層在深層土壤15—80 cm顯著的作用顯著,而表層0—15 cm沒(méi)有明顯規(guī)律。

(4)在不同的天氣條件下,影響苔蘚層減少土壤水分空間差異的主要水文過(guò)程不同。在持續(xù)無(wú)雨的條件下,苔蘚層的保水功能起主要作用,主要表現(xiàn)為減少表層土壤水分蒸發(fā)；在降雨后,苔蘚層的持水功能起主要作用,主要表現(xiàn)為吸持降水、減少水分入滲速率及徑流的形成。

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Effects of moss layers on the spatial variation in soil moisture in aPiceacrassifoliaforest on the north-facing slope of the Qilian Mountains

WANG Bin1, YU Pengtao1,*, WANG Shunli2, WANG Yanhui1, ZHANG Lei1, LIU Xiande2, JIN Ming2, ZHANG Xuelong2

1ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2AcademyofWaterResourcesConservationForestsinQilianMountainofGansuProvince,Zhangye734000,China

Moss layers comprise an important synusia under thePiceacrassifoliaforest, as they can change the soil moisture content by intercepting precipitation and reducing soil water evaporation. In this study, a shady slope at an elevation of 2700 m in the Pailugou Small Watershed of the Qilian Mountains was chosen as the study region to analyze the influence of moss layers on soil moisture content through observations performed from years 2010 to 2012 in thePiceacrassifoliaforest. The results showed that moss layers can dramatically reduce the spatial variability of soil moisture content during the growing season of thePiceacrassifoliaforest. The spatial variability of the soil moisture content was 62.2 mm in the sites without moss layers, and the coefficient of variation (CV) in spatial change was 17.3%. The CV in the sites with moss layers was 2.3%. The sites with moss layers only account for 1/7.5 of the without moss layer covered. So the spatial variability of soil moisture content showed significant differences between sites. The CV of the sites with moss layers was significantly lower than that of sites without moss layers (sig.< 0.05). The presence of moss layers could reduce the spatial variability no matter the level of rainfall. For example, the CV of soil moisture content was 19.8% in the rainless sites without moss layers, while the sites with moss layers showed only 1/3 of this variation under rainless conditions. The CV of soil moisture content was 15.2% in the sites with light rain and without moss layers, while the sites with moss layers only showed 1/3 of this variation under light rain conditions. The CV of soil moisture content was 15.4% in the sites experiencing continuous rain that did not have moss layers, while the sites with moss layers only accounted for 1/3.3 of the sites with continuous rain. Under rainless conditions, spatial differences in sites with moss layers were significantly smaller than those in sites without moss layers in soil layers at a depth of 0—15 cm. Under conditions of light or continuous rain, spatial differences between sites with moss layers had no correlation with the sites without moss layers in the 0—15 cm soil layers, as the function of moss layers in reducing spatial differences in soil water content was mainly reflected in the 15—80 cm soil layers.

Qilian Mountains; moss layer; soil moisture;Piceacrassifolia; spatial variation

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91225302,91425301,31360201)

2015- 11- 11; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 10- 29

10.5846/stxb201511112282

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yupt@caf.ac.cn

王彬, 于澎濤, 王順利, 王彥輝,張雷,劉賢德,金銘,張學(xué)龍.祁連山北坡青海云杉林下苔蘚層對(duì)土壤水分空間差異的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(8):2753- 2762.

Wang B, Yu P T, Wang S L, Wang Y H, Zhang L, Liu X D, Jin M, Zhang X L.Effects of moss layers on the spatial variation in soil moisture in aPiceacrassifoliaforest on the north-facing slope of the Qilian Mountains.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2753- 2762.