元陽梯田區域不同植物群落枯落物及表層土壤水分涵養功能研究

王 沖,祖艷群,李 元

(云南農業大學資源與環境學院,云南昆明 650201)

元陽梯田區域不同植物群落枯落物及表層土壤水分涵養功能研究

王 沖,祖艷群,李 元

(云南農業大學資源與環境學院,云南昆明 650201)

植物群落;土壤;枯落物;水分涵養功能;元陽

分析了元陽梯田區域 12個植物群落土壤層和枯落物層涵養水源的能力,結果表明: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構的能力弱于闊葉林。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水分能力強,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,針葉林群落產生的枯落物量大,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,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。

森林的水源涵養功能是森林生態系統的重要功能之一。20世紀 80年代以來,已經有許多學者對森林涵養水源效益做出了評價[1-3]。森林生態系統水源涵養功能主要表現在調節林內溫度和濕度、減少水分蒸發、截留和再分配降水以及調蓄河川徑流等方面[4]。森林水源涵養能力與植被類型和蓋度、林地枯落物組成和現存量、土層厚度及土壤物理性質等密切相關,是森林植被和土壤共同作用的結果[5]。森林類型、林分結構不同,其水源涵養能力也有一定的差異。云南元陽哈尼梯田是世世代代哈尼族人民留下的杰作,是世界級的自然景觀和文化景觀,是人地和諧共處的良性人類生態系統和資源持續利用的樣板[6]。梯田灌區年需水量大約為 2萬 m3[7],梯田上方具有很好的森林植被,在水源涵養方面起到了非常重要的作用。本研究通過對元陽梯田地區森林的生態水文調查,來分析比較不同群落的水分涵養功能,以揭示不同林地的水土保持作用和對梯田水分的貢獻。

1 研究區概況

元陽梯田位于云南省元陽縣的哀牢山南部。縣境內最低海拔為 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,全年相對濕度 85%,霧期長達 174～180 d,全年日照時長1 770 h。縣內氣候多屬亞熱帶季風類型,受地理環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,常年無霜,雨量充沛,蒸發量大,氣候炎熱;1 200—1 700m之間為中低山區,雨量較充沛,氣候較溫和;1 700 m以上為中山區,多霧多雨。梯田灌區溝谷縱橫,屬紅河南岸深切之中山坡地地貌,地勢南高北低,地形坡度變化不大,坡度在 15°～35°之間。

2 研究方法

2.1 研究區分布及群落特點

根據地形和植物分布的特征確定了元陽縣箐口、水庫和壩達三個區域不同海拔分布的 12個植物群落。箐口的研究區位于梯田上方,呈垂直分布;水庫研究區位于元陽的水源地附近;壩達的研究區位于梯田上方,呈環形分布。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 土壤性質測定

用室內環刀法[8]分別測定 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,然后計算土壤的飽和蓄水量和非毛管孔隙持水量,計算公式為

2.3 枯落物蓄存量及持水率測定

在每個研究區取 4個1m×1m的枯落物樣方,收集樣方內的枯落物,通過對枯落物物理形態的觀察來判斷其分解程度[9]。用室內浸泡法測定枯落物的最大持水率[10],根據所獲得的數值用公式算出其最大持水量。計算公式為

表 1 三個研究區各群落的優勢種植物及位置特征

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,說明闊葉林群落改良土壤的能力強于針葉林群落。水庫和壩達地區的土壤容重總體上要小于箐口地區。

表2 12個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。水庫區域的植被群落平均土壤飽和蓄水量為 1 186.4 t/hm2,要高于壩達地區和箐口地區,箐口地區土壤飽和蓄水量大致隨海拔的增高而增大,壩達地區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,持水率在 250%以上。研究區內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。枯落物蓄水量以云南松群落最大,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。壩達地區的群落枯落物平均最大持水量為 1 030.28 g/m2,大于箐口地區的 754.31 g/m2,是水庫地區群落枯落物平均最大蓄水量的 2.5倍。箐口地區的群落內枯落物持水率隨海拔的升高而增長。從表 4還可以看出,枯落物分解程度高的持水能力強,涵養水分多,分解程度低的本身水分較多,可吸入水分量相對較少。

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為: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,涵養水源的能力相對較差。壩達地區的平均綜合蓄水量為 2 167.0 t/hm2,大于箐口地區的 1 674.8 t/hm2和水庫地區的 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 討論與結論

土壤的物理性質,特別是土壤的結構和孔隙度,對土壤層的水文生態效應具有顯著的影響[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密集,使土壤構造較疏松,通氣透水性強,因而具有更強的涵養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,土壤蓄水能力相對于其他群落也較差。這說明木姜子、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,具有更顯著的改善土壤理化性質的能力,在保持水土和提供梯田水源方面作用顯著。以不同地點的同種植物群落茶樹來看土壤的蓄水能力基本一致。

枯落物層是保障森林充分發揮涵養水源功能的一個極其重要的森林水文層次,具有明顯的蓄水作用。枯落物最大持水量是反應枯枝落葉層水文特性的一個重要因子,它與枯落物類型、組成結構、蓄存量、分解狀況等有關[12]。垂直結構比較復雜的喬、灌、草群落的枯落物儲量及其持水能力都高于結構簡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涵養水分,使得群落下方的梯田水分供應優于其他群落。水庫的木姜子群落和五眼果群落由于是常綠闊葉林,枯落物相對于其他群落少,因此枯落物蓄水總量小于壩達地區和箐口地區。三個地區的綜合蓄水能力以壩達地區最大,為元陽梯田提供水分的能力最強,使得下方梯田的水分供應最為充足,因為其土壤飽和蓄水量和枯落物持水量都比較大;水庫地區雖然土壤蓄水能力強,但是因常綠闊葉林的枯落物較少,所以綜合蓄水量相對較少;箐口地區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,為元陽梯田涵養了豐富的水源。

山區森林具有調節溪流、涵養水源的功能,這個功能是通過山區森林生態系統作為積聚和儲存水分的中心來實現的。正因為元陽地區的林地能較好地涵養水源、防止水土流失,使得哈尼梯田一直擁有很好的水源供應,得以延續幾百年。今后還應采取更合理的經營管理措施,來維護土壤地力、保護生態環境,促進森林土壤生態系統保持良性的物質循環和提高經濟效益。

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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

國家重點基礎研究發展規劃 (“973”計劃)項目(2006CB100203)

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

2010-12-20

(責任編輯 徐素霞)