饒玉生

（甘肅洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局林業(yè)調(diào)查規(guī)劃隊(duì)，甘肅 卓尼 747600）

0 引言

森林在調(diào)節(jié)氣候、抵御洪澇災(zāi)害、涵養(yǎng)水源及保持水土等方面有著顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是在特定地理位置、特定林分結(jié)構(gòu)下，各林種之間有差異性功能。青藏高原生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，是我國(guó)的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域?；诖?，筆者分析和梳理青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，以期為青藏高原東南部山區(qū)生態(tài)保護(hù)提供一定的參考與借鑒。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

青藏高原東南部是我國(guó)水能資源最豐富的地區(qū)，屬于大陸性高寒半濕潤(rùn)氣候，海拔2 000～4 000 m，主要植被類(lèi)型是青海云杉林等寒溫性針葉林。青海云杉是青藏高原東南部山區(qū)森林中的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，占森林總面積的79.6%。青藏高原東南部河流水系發(fā)育良好，河流眾多，包括內(nèi)陸河系和外流河系，大小河流共計(jì)56條，除少量河水流入黃河以外，大部分為內(nèi)流河系。

1.2 研究方法

結(jié)合不同空間場(chǎng)地對(duì)青藏高原東南部青海云杉林的生態(tài)系統(tǒng)狀況進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，記錄青海云杉林的生長(zhǎng)情況、生長(zhǎng)特點(diǎn)，并對(duì)各地的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，以表格的形式進(jìn)行整理與分析。

2 研究過(guò)程

該研究主要以青藏高原東南部水源涵養(yǎng)林中的青海云杉林為研究對(duì)象，考察其林分結(jié)構(gòu)、空間分布規(guī)律及格局。通過(guò)調(diào)查和觀(guān)測(cè)研究青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)，揭示青藏高原東南部水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)對(duì)林分生態(tài)功能的影響機(jī)制，分析不同空間結(jié)構(gòu)特征的青海云杉林及其保育土壤、涵養(yǎng)水源等功能，并提出相應(yīng)的改善建議。

采用典型取樣法，在青藏高原東南部青海云杉的主要分布帶（3 000～3 200 m海拔范圍內(nèi)），選擇典型的青海云杉群落隨機(jī)布置臨時(shí)樣地。在調(diào)查中，主要參考各林場(chǎng)森林資源林斑分布圖設(shè)置樣地。在群落調(diào)查樣地中，喬木樣方為25 m×25 m，部分樣方為 30 m×30 m（青藏高原東南部，因林木密度較小，林木單株個(gè)體較少）。在喬木樣方對(duì)角線(xiàn)上設(shè)3個(gè) 5 m×5 m灌木樣方和3個(gè)1 m×1 m草本樣方。在青藏高原東南部青海云杉林的東段、中段和西段各設(shè)立10個(gè)調(diào)查樣地，共取得30個(gè)喬木樣方、90個(gè)灌木樣方、90個(gè)草本樣方。

3 結(jié)果與分析

3.1 青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

青海云杉林密度、胸徑、高度及郁閉度調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

3.1.1 青海云杉林的群落結(jié)構(gòu)。對(duì)于森林來(lái)說(shuō)，在群落結(jié)構(gòu)上具體可劃分為垂直結(jié)構(gòu)、徑級(jí)結(jié)構(gòu)、高度級(jí)結(jié)構(gòu)及空間分布格局。

青海云杉林群落的垂直結(jié)構(gòu)主要指其分層現(xiàn)象，這種分層現(xiàn)象與群落內(nèi)各層對(duì)光能的利用情況有關(guān)，是不同高度的森林植物在空間上的垂直排列。青藏高原東南部地區(qū)青海云杉林群落終年常綠，林冠呈半球形，垂直結(jié)構(gòu)較為單一，在自然狀態(tài)下有較為明顯的分層現(xiàn)象，往往可劃分為喬木層、灌木層、草本層和苔蘚層。由于當(dāng)?shù)靥厥獾牡乩憝h(huán)境，針葉林的生長(zhǎng)條件較為嚴(yán)酷，喬木層的物種多樣性較低，主要為陰性樹(shù)種，青海云杉層次發(fā)育不明顯。對(duì)于喬木層來(lái)說(shuō)，其郁閉度較大。由于林下光照不足，灌木叢生長(zhǎng)發(fā)育不良，生物多樣性較低，主要分布著一些薔薇科植物或灌木。灌木叢整體密度??；相較于灌木層來(lái)說(shuō)，草本層密度和蓋度較大，主要分布著苔草、馬先蒿等典型的高山草甸植物，有著較豐富的物種多樣性。從苔蘚層的發(fā)育來(lái)看，整體發(fā)育較好，蓋度達(dá)80%。

徑級(jí)結(jié)構(gòu)受樹(shù)種自身生命特征、對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)情況及周?chē)h(huán)境氣候的季節(jié)性波動(dòng)等因素的影響。林區(qū)青海云杉林胸徑分布范圍較廣（2～48 cm），以2 cm徑階統(tǒng)計(jì)青海云杉較小徑級(jí)（2～10 cm）、中等徑級(jí)（10～30 cm）和較大徑級(jí)（30～48 cm），發(fā)現(xiàn)其整體徑級(jí)分布合理，沒(méi)有斷層現(xiàn)象，總體更新良好（見(jiàn)圖1）。

圖1 樣本地青海云杉林種群徑級(jí)結(jié)構(gòu)

表1 青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高度級(jí)結(jié)構(gòu)能夠綜合反映林木個(gè)體空間配置情況，其與林木自身發(fā)育進(jìn)度和周?chē)h(huán)境條件緊密相關(guān)。在大樹(shù)、小樹(shù)的劃分范圍上，結(jié)合前文提及的較小徑級(jí)、中等徑級(jí)和較大徑級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，其中徑級(jí)為2～10 cm的屬于小樹(shù)，徑級(jí)為10～30 cm為中樹(shù)，徑級(jí)為30～48 cm的屬于大樹(shù)。結(jié)合植株高度對(duì)青海云杉林高度級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)其整體高度偏低，大多為小樹(shù)，中樹(shù)雖然占一定比例，但占比較小，大樹(shù)比例更小（見(jiàn)圖2）。

圖2 樣本地青海云杉林種群高度結(jié)構(gòu)

空間分布格局能夠反映出植株個(gè)體在空間上的配合狀態(tài)，也能夠展示出優(yōu)勢(shì)種群的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)青海云杉林空間分布格局進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)青海云杉林中的小樹(shù)和中樹(shù)呈現(xiàn)集聚式分布，而大樹(shù)則多呈現(xiàn)隨機(jī)分布，并沒(méi)有表現(xiàn)出較為明顯的空間異質(zhì)性。

3.1.2 青海云杉林種群結(jié)構(gòu)。種群作為特定空間內(nèi)同一個(gè)體的組合，是自然界物種存在的基本單位，也是生物群落的重要組成部分。通過(guò)觀(guān)察青海云杉林種群結(jié)構(gòu)，能夠從中分析把握群落特點(diǎn)，尤其對(duì)于青海云杉林這種單一優(yōu)勢(shì)種所構(gòu)建的群落而言，能夠通過(guò)其靜態(tài)生命表來(lái)分析種群的發(fā)展趨勢(shì)，也能從中得出種群的現(xiàn)實(shí)生長(zhǎng)狀況與周?chē)h(huán)境的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。結(jié)合圖1、圖2可知，青海云杉林各齡級(jí)階段均有個(gè)體存在，且從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，整體呈現(xiàn)出金字塔狀，具有底部寬、頂部窄的特點(diǎn)。這種特點(diǎn)也說(shuō)明了該種群幼樹(shù)數(shù)量較多，而老樹(shù)數(shù)量較少，幼苗儲(chǔ)備較多，整體郁閉結(jié)構(gòu)合理，屬于增長(zhǎng)型種群。而從青海云杉的高度級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)看，其整體呈間歇型結(jié)構(gòu)，個(gè)體頻率高峰出現(xiàn)在低高度級(jí)上。這也說(shuō)明了青藏高原東南部林區(qū)的青海云杉幼樹(shù)在垂直分布上較為適中，且云杉林生長(zhǎng)速度快，在種群結(jié)構(gòu)上復(fù)式結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)極為顯著。而青海云杉林的冠狀結(jié)構(gòu)能夠有效反映種群個(gè)體的競(jìng)爭(zhēng)水平。結(jié)合調(diào)查青海云杉林個(gè)體的冠狀分布頻率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厍嗪Ｔ粕剂植煌叨葮?shù)冠彼此重疊。

3.1.3 青海云杉林空間結(jié)構(gòu)。在種群空間分布格局上，角尺度用以描述林木個(gè)體在水平地面上分布形式的空間格局參數(shù)，描述林木的非規(guī)則性。相關(guān)研究表明，當(dāng)角尺度平均值在0.475～0.517時(shí)，屬于隨機(jī)分布；角尺度平均值大于0.517時(shí)，屬于團(tuán)狀分布；角尺度平均值小于0.475，屬于均勻分布。在青海云杉林角尺度取值上，對(duì)照上述標(biāo)準(zhǔn)可說(shuō)明林分中絕對(duì)均勻、均勻和不均勻、絕對(duì)不均勻分布的單元不多。其值為0.50的頻率最高達(dá)到51%。由圖3可知，云杉林角尺度分布屬于正態(tài)分布。

圖3 青海云杉林分角尺度及其頻率分布

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：隨著種群的繼續(xù)發(fā)展，種群內(nèi)部個(gè)體分布較為均勻；隨著空間生態(tài)位的重新分布，種群內(nèi)部群落分布格局被逐漸打破，從原有的集聚性分布逐漸轉(zhuǎn)向均勻分布，這能夠有效滿(mǎn)足云杉林內(nèi)部個(gè)體對(duì)空間和營(yíng)養(yǎng)的增長(zhǎng)需要。而從林分?jǐn)?shù)量特征中的直徑進(jìn)階分布來(lái)看，直徑分布呈不對(duì)稱(chēng)扇狀分布，屬于典型的異齡林直徑結(jié)構(gòu)。這也說(shuō)明了該林分處于種群穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)的功能分析

3.2.1 涵養(yǎng)水源。大氣降水進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)后，首先和林冠層發(fā)生相互作用，因而林冠層屬于第一作用層。林冠的截留作用會(huì)降低降水動(dòng)能，削弱水滴對(duì)地表的擊打力度，進(jìn)而降低雨水對(duì)地表的侵蝕程度，減少地表徑流量，起到涵養(yǎng)水源和蓄水保土的作用。而林冠截留能力取決于林分樹(shù)種的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)，林分樹(shù)種不同，林冠截流量也會(huì)有所差異。在同一樹(shù)種條件下，結(jié)構(gòu)稠密的林分會(huì)有更大的截流量；在密度相同條件下，樹(shù)木排列方式和分布規(guī)律也會(huì)對(duì)截流量造成一定影響。

結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，降水主要發(fā)生在5月上旬至9月下旬，并且全年有明顯的雨季和旱季之分。降水強(qiáng)度影響林冠截留率；一般來(lái)說(shuō)，降水強(qiáng)度越大，則截留率越低。同時(shí)，林冠枝葉自身的濕潤(rùn)狀況與前次降水間隔時(shí)間和截留率相關(guān)。前一次降水時(shí)間越早，則雨前林冠就會(huì)更加干燥，相應(yīng)的林冠層截流降水潛力就越大（見(jiàn)表2）。

表2 不同降水量對(duì)林冠截留作用的影響

從青海云杉樹(shù)干的徑流特征來(lái)看，隨著林木徑級(jí)的增大及枝灌面積的增加，樹(shù)干徑流也呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)；但與落葉松、紅松等樹(shù)種相比，青海云杉樹(shù)干徑流量明顯較低。由于青海云杉樹(shù)皮常呈裂片狀，且枝葉張開(kāi)角度較大，影響了徑流的運(yùn)動(dòng)，因而不利于樹(shù)冠承接降水向樹(shù)干集中。

青海云杉林枯落葉層是降水進(jìn)入林冠后的第三個(gè)作用層，始終處于輸入和分解的動(dòng)態(tài)變化之中，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況有重要影響，能夠有效防止土壤侵蝕，減少地面水分蒸發(fā)?？萋淙~層的持水能力與枯葉物的組成結(jié)構(gòu)和分解狀況有關(guān)。根據(jù)青藏高原東南部青海云杉林各林分狀況可知，灌木云杉林截流量最大，其次是蘚類(lèi)云杉林。當(dāng)處于連續(xù)降水條件下，枯落葉層會(huì)充分吸收水分達(dá)到最大持水量，隨著水分滲入土壤，地表徑流量逐漸減少。隨著季節(jié)的變化，青海云杉林枯落葉層持水能力也發(fā)生變化。枯落葉層截留降水主要包括開(kāi)始截留、截留、吸水飽和三大環(huán)節(jié)。其中，截留階段降水全部被截留，其時(shí)間由降水特性決定，與降水量成反比；滲透階段，隨著枯落物的充分吸水，截流量不再隨降水增加而增加，截流量逐漸變小，累積截留曲線(xiàn)仍緩慢上升；飽和階段隨著枯落物吸水飽和，截留作用消失。

3.2.2 保育土壤。該研究統(tǒng)計(jì)分析了祁連山西水林區(qū)不同海拔梯度青海云杉林0～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值變化情況（見(jiàn)表3）。

從青海云杉林土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值變化情況來(lái)看，處于不同海拔的青海云杉林，土壤有機(jī)質(zhì)含量略有差異，但隨著海拔升高，其土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷增加。這主要是由于隨著海拔的升高，溫度不斷降低，而土壤有機(jī)質(zhì)分解受土壤微生物和各種酶活性的影響，在溫度較低的環(huán)境下，土壤微生物和各種酶活性受到抑制，進(jìn)而延緩了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和周轉(zhuǎn)，使得輸入量大于損失量，進(jìn)而使土壤有機(jī)質(zhì)得到不斷積累。而土壤pH值則反映了有機(jī)質(zhì)合成與分解、土壤微生物活動(dòng)及營(yíng)養(yǎng)元素釋放等綜合內(nèi)容。青海云杉林土壤pH值整體呈弱堿性，主要是由于當(dāng)?shù)亓苋墁F(xiàn)象不強(qiáng)，土壤鹽基飽和度較高，進(jìn)而使得土壤中有較多鹽分。隨著海拔不斷升高，土壤pH值不斷降低。這主要是由于流域大氣降水量隨海拔升高而不斷增加，土壤淋溶作用加強(qiáng)，土壤復(fù)合體吸附H數(shù)量增加，OH數(shù)量減小，使得土壤堿性降低。

表3 祁連山西水林區(qū)不同海拔梯度青海云杉林0～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值變化

4 討論與建議

筆者以青藏高原東南部青海云杉為研究對(duì)象，根據(jù)青藏高原東南部林區(qū)森林分布狀況，對(duì)其中典型水源涵養(yǎng)林林分類(lèi)型進(jìn)行了劃分。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，青海云杉林群落具有較為明顯的層次現(xiàn)象，可以依次劃分為喬木層、灌木叢、草本層、苔蘚層四大層次，其中喬木層既是群落中最主要的層落，也是垂直高度結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的層落。從群落結(jié)構(gòu)來(lái)看，青海云杉整體表現(xiàn)為增長(zhǎng)型群落，層級(jí)較為均勻，且呈現(xiàn)一定的擴(kuò)散趨勢(shì)。而從青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)功能來(lái)看，其主要具備保育土壤功能和涵養(yǎng)水源功能。在森林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，除了要考慮經(jīng)濟(jì)效益，還要兼顧、調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境、凈化空氣等社會(huì)效益，要重視林木水源涵養(yǎng)等綜合價(jià)值，進(jìn)一步調(diào)整水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮水源涵養(yǎng)林的綜合功能。