楊永紅, 王 飛, 曹秀文, 劉錦乾, 王若鑒, 李社勤, 徐德才, 王雙燕

(1.甘肅省白龍江林業(yè)管理局 林業(yè)科學(xué)研究所, 蘭州 730070;2.甘肅白龍江森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 甘肅 舟曲746300; 3.舟曲林業(yè)局沙灘林場(chǎng)，甘肅 舟曲746300)

高山林線是指從山地郁閉森林到樹(shù)種線之間的整個(gè)過(guò)渡帶[1]，是高山植被的分界線和生長(zhǎng)型發(fā)生急劇變化的地段，是劃分高山區(qū)景觀類型的一條重要生態(tài)界限[2]，指示著森林分布的極限環(huán)境，是全球氣候變化的敏感指示體[3]，由于極端的環(huán)境條件，林線生物類群均處于相對(duì)復(fù)雜的臨界狀態(tài)，是典型的生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)[4]，目前，高山林線是全球研究的熱點(diǎn)對(duì)象之一。其中地被物和土壤是植被生態(tài)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)[5]，地被物既能有效攔截降雨、防止土壤濺蝕，又對(duì)攔蓄地表徑流、減少土壤水分蒸發(fā)、增加土壤水分入滲發(fā)揮著重要作用[6-7]，土壤層起到森林涵養(yǎng)水源和保持水土的作用[8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)林線做了眾多研究，鄧?yán)っ兜萚9]認(rèn)為林線岳樺的生長(zhǎng)與土壤養(yǎng)分有關(guān)，Miao等[10]分析了林線土壤的溫度和水分對(duì)岳樺的影響，周曉峰等[11]研究了林線、氣候與土壤的變化關(guān)系，這些研究闡述了林線土壤與氣候、植被之間的關(guān)系，但是對(duì)林線地被物和土壤層持水特征研究較少，因此對(duì)高山林線過(guò)渡區(qū)域植被水源涵養(yǎng)功能研究具有的重要意義。

由于近年來(lái)對(duì)白龍江森林的破壞而引起下游的沙、污、旱、鹽、堿、澇等生態(tài)問(wèn)題的日益嚴(yán)重，再加上過(guò)度放牧、不合理采砂、人為破壞等因素，使小生境更加脆弱[12]，白龍江上游高山林線自然環(huán)境脆弱而敏感，對(duì)甘南高山生態(tài)系統(tǒng)的植被和水源涵養(yǎng)起著重要作用。文中選取白龍江上游高山林線過(guò)渡區(qū)域，分析該區(qū)域地被物和土壤水源涵養(yǎng)功能，為該地區(qū)生態(tài)脆弱帶的水源涵養(yǎng)和水土保持提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在白龍江上游舟曲縣和迭部縣的高山林線區(qū)域，該地區(qū)位于甘肅南部，地處青藏高原、黃土高原、秦巴山地和四川盆地的交匯區(qū)，地理位置特殊，自然環(huán)境獨(dú)特，森林資源豐富。但長(zhǎng)期以來(lái)的森工生產(chǎn)，使天然林資源遭到嚴(yán)重破壞，采伐跡地造林不及時(shí)或不成功后自然演替形成大面積灌叢群落或裸露。森林自然分布具明顯垂直帶譜，從下到上依次為針闊混交林、箭竹針葉林、杜鵑冷杉林、高山灌叢及高山草甸，約北緯33°22′，東經(jīng)103°79′，海拔高度為3 450 m，土壤屬暗棕色森林土。成土母質(zhì)為坡積母質(zhì)，土層厚度在1 m以下，表層石礫含量少。全年平均氣溫1.3℃，年降水量1 048 mm，全年降水量集中在5—10月份，年平均空氣相對(duì)濕度80%，無(wú)霜期80～103 d[13]。

1.2　研究方法

2016年9月，在白龍江上游選擇具有代表性的高山林線地帶設(shè)置20 m×20 m的3種樣方(表1)，第一種是以林線為中心設(shè)置的樣方為林線樣方，在林線樣方以上區(qū)域的樣方為林線上樣方，在林線樣方以下區(qū)域的樣方為林線下樣方，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，總計(jì)設(shè)置9個(gè)樣方，利用每木檢尺法[14]調(diào)查林下植被，計(jì)算地被物和土壤持水特征。

表1　樣地基本情況

1.2.1地被物的采集和持水能力的測(cè)定在樣方中隨機(jī)布設(shè)5個(gè)50 cm×50 cm的小樣方，分別收集小樣方中的木殘?bào)w、苔蘚和枯落物，并記錄苔蘚和枯落物的厚度，將收集的地被物帶回實(shí)驗(yàn)室稱重，然后放入80℃[15]的烘干箱至恒重，計(jì)算地被物儲(chǔ)量和自然含水量。將烘干的部分地被物裝入尼龍網(wǎng)袋稱重，然后浸泡到水中，測(cè)其0.5，1，1.5，2，4，8，12，16，20，24 h的重量，由此計(jì)算在不同浸泡時(shí)間段內(nèi)枯落物層的持水量，一般認(rèn)為地被物浸水24 h時(shí)持水量為最大持水量[16]，主要計(jì)算公式如下[17-18]：

Wo=Mo-Md

(1)

Ro=(Mo-Md)/Md×100%

(2)

Whmax=M24-Md

(3)

Rhmax=(M24-Md)/Md×100%

(4)

Rsmax=Rhmax-Ro

(5)

Wsv=(0.85Rhmax-Ro)Md

(6)

式中：Wo為地被物自然含水量；Md為地被物單位面積儲(chǔ)量(干儲(chǔ)量)；Mo為地被物自然狀態(tài)下的儲(chǔ)量(鮮儲(chǔ)量)；Whmax為地被物最大持水量；Wsv為地被物有效攔蓄量(t/hm2)；M24為地被物吸水飽和單位質(zhì)量(t/hm2)；Ro，Rhmax，Rsmax分別為地被物自然含水率、最大持水率和最大攔蓄率(%)，0.85為有效攔蓄系數(shù)[19]。

1.2.2土壤樣品采集和水文特性的測(cè)定各樣方中隨機(jī)布設(shè)3個(gè)點(diǎn)挖掘土壤剖面，用環(huán)刀分別取0—10，10—20，20—40 cm原狀土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，每層分別取6個(gè)，測(cè)定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤持水量、初滲率、穩(wěn)滲率等，各指標(biāo)處理方法為[20]：

Wt=10000Pth

(7)

Wc=10000Pch

(8)

Wa=10000Poh

(9)

式中：Wt為土壤最大持水量；Pt為土壤總孔隙度；h為土層厚度；Wc為土壤毛管持水量；Pc為土壤毛管孔隙度；Wo為土壤有效持水量；Po為土壤非毛管孔隙度。初滲率=最初入滲時(shí)段滲透量/入滲時(shí)間；平均滲透速率=達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率。數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS 18.0軟件分析處理。

2　結(jié)果與分析

2.1　地被物蓄積量

地被物是森林地表層持水的載體，其蓄積量的大小和性質(zhì)將直接影響地被物層持水能力的高低，蓄積量越大、水分吸附性能力越好，則持水量也會(huì)越大[21]。因此，在評(píng)價(jià)森林生態(tài)水文功能的時(shí)候，蓄積量是根本因素之一。不同森林類型，地被物的成分組成、樹(shù)種類型、堆積方式、環(huán)境條件、林下微生物活動(dòng)等不同，造成地表層水、熱、氣等的差異，從而影響地被物的分解速率，而影響地被物的儲(chǔ)量。

根據(jù)表2可知，林線上、林線下與林線的總蓄積量差別較大，總蓄積量在37.33～127.28 t/hm2，林線上最小，林線下最大，林線下是林線上的3.41倍，林線總蓄積量是109.31 t/hm2，與林線下的總蓄積量相差不大，是林線上總蓄積量的2.93倍。在同一位置處，枯落物分解層的蓄積量最大，占到總蓄積量的一半以上，木殘?bào)w的蓄積量與枯落物未分解層的蓄積量相差不大，苔蘚的蓄積量最小。林線下4種地被物的蓄積量最大，林線4種地被物蓄積量次之，林線上4種地被物蓄積量最小。總干重和蓄積量的變化一致，在同一位置處枯落物分解層總干重最大，依次是木殘?bào)w、枯落物未分解層，苔蘚最?。辉诓煌恢锰幜志€下的4種地被物總干重也最大，林線次之，林線上最小。自然含水率指在自然條件下地被物儲(chǔ)水的多少，自然含水率與總干重變化基本相似，苔蘚的含水率略大于木殘?bào)w和枯落物未分解的含水率。白龍江高山林線區(qū)域地被物主要以枯落物分解層為主，林線下蓄積量最多，經(jīng)分析是因?yàn)槲⑸锘顒?dòng)頻繁，加速了地被物的分解。

表2　不同地理位置地被物蓄積量

注：T為苔蘚；K1為枯落物未分解層；K2為枯落物分解層；M為木殘?bào)w，下表同。

2.2　地被物的水文特性

森林地被物可以增加林地土壤儲(chǔ)水，使有限的降水資源能更大程度地被林木吸收利用[15]。地被物的持水能力多用最大持水量和最大持水率表示，由表3可知，林線下地被物的最大持水量和最大持水率最大，林線上最小，持水量與地被物的蓄積量、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、分解程度等有關(guān)，林線下地被物的蓄積量也最大，則枯落物的最大持水量和最大持水率呈正比關(guān)系；有效攔蓄量、最大攔蓄量和最大攔蓄率都是林線下最大，林線上最小，說(shuō)明林線下地被物的持水能力最大，林線上地被物的持水能力最小。

地被物的類型不同持水能力也不同。地被物不同成分中都表現(xiàn)出木殘?bào)w的最大持水量最小，枯落物分解層的最大持水量均最大，苔蘚的最大持水率最大，和枯落物分解層的最大持水率相差不大，木殘?bào)w的最大持水率均最小，最大攔蓄量和最大持水量變化一致，都是分解層枯落物最大，苔蘚的最大攔蓄率最大。

表3　地被物攔蓄能力

2.3　土壤的持水能力

土壤的持水能力與本身的結(jié)構(gòu)、分解狀況及儲(chǔ)量有關(guān)，是反映森林水文特性的重要指標(biāo)，真接影響森林土壤的水源涵養(yǎng)作用，土壤蓄水能力是評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)水循環(huán)的主要指標(biāo)之一[22]。

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，兩者直接影響著土壤持水和通氣性能。不同林分下地被物的組成都會(huì)引起土壤物理性質(zhì)的差異，造成土壤持水能力的不同[23]，由表4可知同一林線位置的土壤容重隨著土層深度變化土壤容重也隨著變化，林線上土壤容重變化最大，在0—10 cm時(shí)最小為0.56 g/cm3，在20—40 cm時(shí)最大為1.12 g/cm3，林線與林線下隨著土層深度的增加，土壤容重也增加，但是變化較小。非毛管孔隙度在土層0—10 cm時(shí)最大，隨著土層深度的增加非毛管孔隙度有減小的趨勢(shì)，但是在林線下隨著土層深度的增加非毛管孔隙度逐漸減??；毛管孔隙度隨著土層厚度的增大變化不大，總體林線上的毛管孔隙度大于林線和林線下土壤的毛管孔隙度，表層土壤非毛管孔隙度最大。表層土壤疏松，通氣性最好，微生物活動(dòng)頻繁，有機(jī)質(zhì)含量高，容重最小，隨著土層厚度的增加土壤越緊實(shí)，通氣性變差，微生物活動(dòng)較小，土壤容重越大。

土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量隨土層深度的改變也相應(yīng)呈現(xiàn)出一定變化，隨著土層深度的增加土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量減小，0—10 cm土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量最大，10—20 cm與20—40 cm變化不大。不同林線位置同一土層深度土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量林線下較大，但是相差不明顯?？梢?jiàn)研究區(qū)的表層土壤持水能力強(qiáng)于深層次土壤。

表4　土壤持水能力

2.4　土壤滲透性

入滲是降水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，較強(qiáng)的土壤滲透性可以直接減少地表徑流，并大幅度減少水土流失，也是森林土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)之一。不同林線位置土壤初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率隨著土層深度的變化并非一致(表5)，林線上10—20 cm的穩(wěn)滲率小于20—40 cm，林線10—20 cm的初滲率小于20—40 cm。林線0—10 cm的初滲率最大為23.17 ml/min，林線下0—10 cm的初滲率最小為12.18 ml/min，林線不同土壤層初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率大于林線上和林線下。

隨著時(shí)間的增加土壤滲透率趨于穩(wěn)定，不同土層土壤趨于穩(wěn)定的時(shí)間不同，對(duì)不同土層土壤持水率和時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，二者之間存在著冪函數(shù)關(guān)系，即符合以下公式：

Y=atk

(10)

式中：Y為滲透速率；a為系數(shù)；t為滲透時(shí)間；k為指數(shù)，不同土層土壤滲透速率與時(shí)間的回歸方程和R2見(jiàn)表6。

表5　不同土層滲透率性質(zhì)

表6　滲透速率與時(shí)間的關(guān)系

3　討 論

高山林線區(qū)域林分類型不同，其水源涵養(yǎng)、固土保水能力也存在著差異。白龍江上游高山林線上主要以灌叢為主，灌叢植株矮小、稀疏，地表裸露較多，地被物蓄積量較少；林線區(qū)域主要以灌叢和喬木樹(shù)種混合而成，樹(shù)木相對(duì)高大，枝葉較茂盛，地表濕潤(rùn)，苔蘚含量較多；林線下主要以高大的喬木為主，伴生部分灌木，其枝葉茂盛，苔蘚含量較多，地被物蓄積量大，在水源涵養(yǎng)，固土保肥方面林線下較強(qiáng)，即地被物的蓄積量與立地條件和林分類型有關(guān)，這與張遠(yuǎn)東等[24]研究一致。林線下地被物蓄積量最大，且主要以枯落物分解層蓄積量為主則林線下地被物的最大持水量、最大持水率、最小持水量最大，林線上地被物蓄積量最少，相應(yīng)地被物的最大持水量、最大持水率、最小持水量最小，即地被物最大相應(yīng)的持水量也最大，這與宮淵波等[25]研究結(jié)果基本一致。

從不同深度土壤性狀來(lái)看，0—10 cm土壤容重最小，土壤非毛管孔隙度最大，土壤最大持水量、毛管持水量和土壤最小持水量均大于其他土層，這與劉洋[26]等研究結(jié)果基本一致。隨著土層深度的變化土壤容重增加，土壤非毛管孔隙度、土壤最大持水量、土壤最小持水量、毛管持水量等都變小，這與王謙等[8]研究基本一致。

4　結(jié) 論

白龍江上游高山林線不同區(qū)域地被物總蓄積量相差較大，林線上最小為37.33 t/hm2，林線下最大為127.28 t/hm2，林線地被物總蓄積量與林線下相差不大，為109.33 t/hm2，地被物不同成分中枯落物分解層的蓄積量最大，占總蓄積量的一半以上，苔蘚蓄積量最小，林線下地被物不同成分的蓄積量均大于林線和林線上，且枯落物分解層最大，苔蘚最小，說(shuō)明白龍江高山林線區(qū)域地被物主要以枯落物分解層為主，林線下地被物蓄積量最大。

林線下地被物的最大持水量和最大持水率最大，林線上地被物的最大持水量和最大持水率最小，林線下地被物的蓄積量也最大，林線上地被物蓄積量最小，說(shuō)明地被物的最大持水量和最大持水率與蓄積量呈正比關(guān)系，地被物不同成分中木殘?bào)w的最大持水率最小，苔蘚的最大持水率和最大攔蓄率最大。

土壤容重隨著土層深度變化而增加，林線上土壤容重的變化最大，在0—10 cm土壤容重最小為0.56 g/cm3，在20—40 cm土壤容重最大為1.12 g/cm3，林線與林線下各土層土壤容重在0.69～0.96 g/cm3，變化較?。环敲芸紫抖鹊淖兓c土壤容重的變化相反，隨著土層的增加非毛管孔隙度減小，林線下表層土壤非毛管孔隙度最大為8.07%，林線上表層土壤非毛管孔隙度為6.27%，表層土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量最大，表層土壤疏松，通氣性好，故表層土壤容重最小且土壤非毛管孔隙度最大。

林線0—10 cm的初滲率最大，平均入滲率也最大，林線上的初滲率最小，土壤初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率隨著土層深度的變化基本一致，除了林線下10—20 cm的初滲率大于表層土壤，穩(wěn)滲率和平均滲透率與初滲率變化一致，林線土壤滲透性能最好，土壤持水率與時(shí)間進(jìn)行回歸擬合，二者存在著冪函數(shù)關(guān)系，符合關(guān)系式Y(jié)=atk。

群落水源涵養(yǎng)能力取決于冠層截留量、地被物截留量、土壤儲(chǔ)水量及滲透能力[26]，本研究只對(duì)高山林線區(qū)域地被物及土壤持水能力和土壤滲透性能進(jìn)行了研究，還需要進(jìn)一步探討林冠層的截留能力。綜合來(lái)看，白龍江上游高山林線區(qū)域林線下地被物持水性能較強(qiáng)，林線土壤持水性能強(qiáng)于林線上和林線，林線群落交錯(cuò)區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能維持著甘南高山生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

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