祁連山大野口流域青海云杉林分結構及其土壤水熱特征分析

牛赟 ，劉賢德 ，王立，趙永宏，常博

1. 甘肅省祁連山水源涵養林研究院，甘肅省森林生態與凍土水文水資源實驗室，甘肅 張掖 734000；2. 甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070

森林土壤是森林生態系統發揮水源涵養功能的主要載體，直接影響系統的水文過程（潘明亮等，2011）。林分結構不同，其土壤水熱生態特征存在一定差異（黨宏忠等，2006；吳家勝等，2009）。土壤水熱是氣候–植被–土壤屬性等綜合因素的影響結果（Porporato A D等，2002），也是決定植被水分供給的關鍵因素。

近年來，關于祁連山林地土壤水特征已有較多研究(姜林等，2013；成彩霞等，2007)，對山區土壤水變化過程有了一定認識。在祁連山淺山區不同植被類型的土壤水分在典型生長季期間時間異質性研究中，發現山區土壤水分時間變異系數最大值并不在表層（劉鵠等，2008）；在祁連山主要樹種下土壤水分特征的研究中，根據土壤水分的動態變化將其分為易變層-利用層-調節層3個層次（牛赟，2002）；在祁連山北坡水熱狀況與植物垂直分布關系的研究中，發現水熱狀況在水平、垂直方向都有明顯的差異（王金葉等，2001）；在西北內陸河流域山區水文過程綜述中，提出了后續研究的重點和難點在于研究山區森林草地生態系統在山區水文循環中的作用以及在維持和保護山區生態和環境中的作用和意義（Kang E等，2008）。目前大多數學者集中在土壤水分過程方面（王曉東和劉惠清，2011；唐振興等，2012；趙磊磊等，2012；黃承標等，2009），或者林分結構等方面進行研究（李金良等，2012；白尚斌等，2012），但是將林分結構、土壤水分及其溫度等同步實地監測來研究其生態特征還較少，特別是在祁連山區，由于凍土的存在，關注土壤水的同時，一定要重視土壤溫度的關注，因為土壤溫度調節著土壤水的形態（凍土水或消融水）及其植物的生長。長期對這些問題的忽視，制約了對林分結構及其水源涵養功能的深入理解，對進一步認識林分結構調節水和熱兩方面的生態機理缺乏科學依據。

祁連山地處青藏、蒙新、黃土三大高原的交匯地帶。《全國生態功能區劃》和《全國主體功能區規劃》分別將祁連山地區作為 50個國家重要生態功能區和 25個重點生態功能區之一，甘肅省制定的《甘肅省“十二五”科學和技術發展規劃》明確提出將“水資源合理利用與環境治理”作為重大科技專項和優先項目，將開發祁連山水源涵養生態恢復技術作為專項重點之一。又加之青海云杉是祁連山建群種，發揮著十分重要的水源涵養功能；又由于祁連山冰川是一個“固體水庫”，水源涵養林則是“綠色水庫”，高山冰雪帶的多年凍土層與中低山區的季節性凍土層成為連接“固體水庫”、“綠色水庫”和河川水系的紐帶（牛赟等，2013a，2013b，2013c；劉思敏等，2013），由于這種特殊的水熱性質，對土壤溫度的關注必將成為熱點。為此，選擇大野口流域為試驗流域，對青海云杉林分結構及其土壤水熱特征進行研究，旨在為下一步探索林分結構及其土壤水源涵養功能，植被與土壤水資源承載力等研究提供基礎數據和參考資料。

1 研究區概況

祁連山（36°30′～39°30′N，93°30′～103°E）是我國西北地區著名的高大山系之一，屬典型大陸性氣候特征。一般山前低山屬荒漠氣候，年均溫6 ℃左右，年降水量約150 mm；中山下部屬半干旱草原氣候，年均溫2～5 ℃,年降水量250～300 mm；中山上部為半濕潤森林草原氣候，年均溫0～1 ℃，年降水量400～500 mm。高山屬寒冷濕潤氣候，年均溫-5 ℃左右，年降水量約800 mm；山地東部氣候較濕潤，西部較干燥。

試驗區是祁連山比較典型中山氣候區域，位于祁連山大野口流域（38°16′～38°33′N，100°13′～100°16′E），行政上隸屬于甘肅省肅南裕固族自治縣馬蹄區，是祁連山國家級自然保護區西水自然保護站的管護區。大野口流域東至馬鬃梁、西至西溝梁、北鄰正南溝、南含排露溝，發源于肅南縣境內的野牛山，主要有東岔、西岔、頭灘溝、西溝梁、觀臺溝和深溝6條較大支流匯集于大野口水庫；水庫以上河流長18 km，面積約80 km2，控制了流域98%的集水區，是典型的閉合流域。試驗區海拔2400~4000 m，中低山區域較平緩，坡度20°~30°，高山區域較陡，坡度約40°；屬高寒干旱半干旱氣候，年均氣溫約5.4 ℃，月均最低氣溫–12.5 ℃，月均最高氣溫約 19.6 ℃；平均年降水量300~500 mm，多集中在6—9月份，年水面蒸發約為1488 mm。由于區內海拔變化區間較大，水熱條件有較大差異，形成了垂直梯度和水平差異的植被和土壤類型，是祁連山區較為典型且尺度較大的的流域。海拔由低到高，植被類型依次為山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亞高山草甸植被、高山冰雪植被；土壤類型依次為山地灰鈣土、山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土。在各類土壤中山地灰褐土和亞高山灌叢草甸土是生長森林的土壤，分別分布在海拔2400~3300 m和3300~4000 m區域內。建群種青海云杉呈斑塊狀或條狀分布在試驗區海拔2400~3300 m 陰坡和半陰坡地帶，與陽坡草地交錯分布；祁連圓柏Sibina przewal skii呈小塊狀分布于陽坡、半陽坡；灌木優勢種有金露梅Potentilla fruti-cosa Linn.、箭葉錦雞兒Caragana jubata (Pall.)Poir、吉拉柳Salix gilashanica C.Wang et P.Y.Fu等；草本主要有珠芽蓼Polygonum viviparum Linn.、黑穗苔Carex heterostachya Bge.和針茅Stipa capillata Linn.等。

2 樣地設置及其數據分析

2.1 樣地設置及調查

2.1.1 林分結構監測

按照森林生態系統長期定位觀測方法，結合目前國際上森林生態學的最新研究方法（國家林業局，LY/T1952—201l），于2013年7月植被生長季期間，在大野口河流域內建設了49塊25 m×25 m的林分結構監測樣地，喬木林主要是青海云杉林，土壤為山地森林灰褐土，水熱條件較好，空氣濕度相對較大。樣地調查內容包括：活立木木本植物的胸徑、樹高、冠幅、枝下高、年齡以及樣地內物種組成、生長狀況等，同時記錄胸徑小于1.0 cm的活立木木本植物株數和高度及草本植物物種組成、生長狀況等。

2.1.2 土壤水熱監測

土壤剖面設置在代表性較廣的地形部位上，在固定樣地外下方選擇土壤水熱監測樣地與林分結構監測同步進行。一般挖成1 m×(1.5～2) m的長方形土坑，其深度因土而異。祁連山由于存在凍土，土壤通常深不到1 m；先自上而下按0~10、10~20、20~40、40~60、60~80 cm劃分層次，接著用針式土壤溫度測量儀測量各層土壤溫度，每層土壤測3次重復，取平均值；然后在各層次用土壤環刀取樣，每層取2次重復，將各層土樣帶實驗室進行土壤質量含水率測定。

2.2 數據分析方法

2.2.1 林分結構、土壤水熱特征描述統計

主要引用平均值、標準誤差、中位數、標準差、方差、峰度、偏度、區域、最小值、最大值、觀測數、置信度等參數對林分結構、土壤質量含水率及溫度等生態特征進行統計分析。

2.2.2 林分結構多度分析

多度是某指標范圍內的植株個數與所有樣方內植株總數的百分比。主要引用與水源涵養功能密切相關的樹木徑級、高度級、冠長級、冠幅級4個指標，比如徑級1~5 cm是指胸徑Ф為1 cm≤Ф＜6 cm范圍的植株個數，上限不包括本數值，下限包括本數值，其他依此類推。

2.2.3 林分結構、生態環境、土壤水熱因子相關系數分析

應用相關系數分析法對林分結構、生態環境、土壤質量含水率及溫度等因子進行相關系數分析，其計算公式如下：

式中xσ、yσ分別為林分結構、生態環境、土壤質量含水率及溫度等因子各指標的標準差，n為數據對數。

3 結果與分析

3.1 青海云杉林分結構統計分析

3.1.1 生態環境及其林分結構特征統計分析

從表1可見，海拔從中山到亞高山(2733~3123 m)，海拔梯度區域390 m，是青海云杉主要垂直分布區；坡向主要集中在陰坡和半陰坡，坡度以緩坡為主，最陡坡為38.7°；25 m×25 m的固定樣地內喬木株數和郁閉度分別為（57.53±2.77）株和（0.62±0.0199），樣地內樹木最少是15株，最多是116株，郁閉度最小為0.269，最大為0.884。祁連山大野口流域49塊固定樣地中，對2819株青海云杉的結構特征參數進行統計，結果發現，胸徑、樹高、冠長、冠幅、胸徑斷面、冠幅面積、樹齡分別為(18.37±0.18) cm、(11.97±0.11) m、(7.76±0.09) m、(3.54±0.02) m、(0.034±0.001) m2、(2.779±0.020) m2、(63.84±2.17) a；胸徑、樹高、冠長、冠幅、冠幅面積的分布比正態分布平緩，樹齡、胸徑斷面的分布比正態分布劇烈，其中樹齡分布變化最劇烈，其峰值為3.17；從分布區域看，樹齡區域最大，胸徑斷面區域最小，這說明青海云杉群落為次生林演替。從水平結構看，胸徑斷面和冠幅投影與占地面積比值為0.31%和25.58%，從垂直結構來看，單位面積上青海云杉群落樹高、冠長分別為 1.10 m·m-2和0.71 m·m-2，這 4個指標對降水的林冠截留和樹干莖流影響十分強烈，也是評估祁連山森林水源涵養功能的重要指標。

3.1.2 林分結構多度分析

如圖1a所示，以5 cm等級排列，徑級與多度符合 3次多項式關系（y=0.1273x3–2.5109x2+12.388x，R2=0.9752，p＜0.05），徑級從 1~5 cm到26~30 cm，青海云杉株數為420±27.95，變化區間為304~482；徑級從31~35 cm到36~40 cm，青海云杉株數急劇下降，從183降到90，徑級41~45 cm和≥46 cm更少，分別為16株和10株。這說明青海云杉徑級從1~10 cm到21~30 cm，其多度變化平緩，出現水平分布趨勢，占89.4%；徑級≥31 cm的青海云杉多度僅占10.6%。如圖1b所示，高度級小于 2 m的青海云杉多度僅為 0.46%，高度級從14~16 m到16~18 m的多度最大，分別占14.97%、14.76%，總計占29.73%；高度級從2~4 m到12~14 m以及18~20 m，其多度變化平緩，出現水平分布趨勢，平均占 9.23%，總計占 64.63%；高度級從20~22 m到28~30 m，其多度較小，僅占5.64%。如圖1c所示，以2 cm等級排列，冠長級與多度符合 3 次多項式關系（y=0.0399x3–1.0682x2+7.1165x，R2=0.9344，p＜0.05），冠長級從0.1~1 m到2~4 m，青海云杉多度較小，從2.87%到8.87%；冠長級從2~4 m到4~12 m，其多度為（12.97±0.65）%，變化區域為4.47%；冠長級從14~16 m到22~24 m，其多度急劇下降，從6.67%下降到0.07%，青海云杉從188株、64株下降到11株、4株，冠長級22~24 m的僅有2株。如圖1d所示，冠幅級2~4 m的青海云杉多度48.49%，將近占一半，冠幅級4~6 m，其多度34.2%，占三分之一；冠幅級1~2 m，其多度占13.69%，其他冠幅級僅占3.62%。

表1 祁連山大野口流域林分結構及其生態環境特征統計（2013年）Table 1 Feature statistics of environmental factors and stand structure in Dayekou basin of Qilian Mountains (2013)

圖1 祁連山大野口流域林分結構多度分析（2013）Fig.1 The abundance analysis of stand structure in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

3.2 土壤水熱條件統計分析

祁連山大野口流域49塊固定樣地中，在40~80 cm的土壤層次中，能采土樣的樣地只有 9塊，能監測溫度的只有14塊（表2），這是由于該區域表土層和心土層都較薄（一般40 cm左右）以及凍土存在的原因。正是由于土壤的這種水熱特性，適應了青海云杉淺根性的生長。0~10、10~20、20~40、40~60、60~80 cm各土層的土壤質量含水率平均值分 別 為 (66.24±4.22)% 、 (57.62±3.23)% 、(48.44±3.21)%、(42.81±6.48)%、25.89%，而土壤溫度平均值分別為(7.2±0.26) ℃、(5.2±0.27) ℃、(2.8±0.29) ℃、(2.0±0.61) ℃、(1.6±0.95) ℃。從這些數據可以看出，在青海云杉林區，土壤含水率在垂直結構上變異較小，土壤溫度變異較大，從7.2 ℃降低到1.6 ℃以下。正是由于土壤溫度影響著土壤水的有效利用，在存在季節性或永久性凍土現象的地區，在林分結構和土壤物理性質關系的研究中，必須要將水熱結合起來同時考慮。

表2 祁連山大野口流域土壤水熱條件特征統計（2013年）Table 2 Feature statistics of soil moisture content and temperature in Dayekou basin of Qilian Mountains(2013)

3.3 林分結構及其土壤水熱特征相關分析

3.3.1 林分結構及其生態環境因子相關分析

一般地，相關系數|r|>0.95，存在顯著性相關；|r|≥0.8高度相關；0.5≤|r|<0.8中度相關；0.3≤|r|<0.5低度相關；|r|<0.3關系極弱，認為不相關。從表 3可以看出，青海云杉胸徑與其他因子相關性從大小依次為樹高、冠幅、冠長、樹齡，其均為中度正相關，這說明胸徑是主成因子；樹高與冠長中度正相關、與樹齡和冠幅低度正相關；冠長與冠幅、樹齡均低度正相關。

根據以上分析，在 49塊固定樣地中選擇 147株有代表性的青海云杉進行結構回歸分析，胸徑Ф與樹高h、冠幅d、冠長l、樹齡y之間的回歸方程為：Ф=0.651 h+0.15 l+1.776 d+0.053 y–0.362 (R2=0.6688，p<0.05，標準誤差 εi=3.44，自由度F=71.679)。

從表4可以看出，在祁連山大野口流域從2733~3123 m的海拔梯度范圍內，海拔與樹高中度正相關，也就是說，隨著海拔升高，青海云杉的高度隨之增大，而且有中度的依賴性，與冠長低相關，與其他因子不相關。在陰坡或半陰坡的青海云杉分布區域，坡向與冠幅、冠長、樹高低相關，其中，與冠幅相關性最大。坡度對青海云杉空間結構影響很小。

表3 祁連山大野口流域林分結構因子相關系數分析Table 3 Correlation analysis of stand structure factor in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

3.3.2 林分結構與土壤質量含水率特征相關分析

從表5可以看出，郁閉度和林木密度與土壤含水率成負相關，也就是說在沒有土壤徑流補給水分的區域，郁閉度或者林分密度與土壤含水率成反比。因此，在植被調控水資源過程中，要充分考慮植被與土壤水資源承載力的關系。林分胸徑和樹高生長與40~60 cm深處的土壤含水率相關性最大，與0~10 cm和10~20 cm的相關性最小，其主要原因是青海云杉林是淺根性樹種，根系主要集中在土壤的40~60 cm區域范圍內。冠長和冠幅生長與各層土壤含水率相關性差別不大，其主要原因是青海云杉冠長和冠幅生長主要由林分的郁閉度和密度決定；另外，主要決定林冠截留率的冠長和冠幅因子，對降水影響的同時，對土壤蒸發也形成影響，也就是說冠長和冠幅較大的青海云杉對降水截留較大，同時對土壤蒸發的滯留也較大，這種現象的相互作用形成了冠長和冠幅對土壤含水率影響較小的原因。

表4 祁連山大野口流域林分結構與環境因子相關系數分析（2013）Table 4 Correlation analysis between stand structure factors and environmental factors in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

表5 祁連山大野口流域林分結構與土壤含水量相關分析（2013）Table 5 Correlation analysis between stand structure and soil moisture content in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

表6 祁連山大野口流域林分結構與土壤溫度相關分析（2013）Table 6 Correlation analysis between forest stand structure and soil temperature in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

3.3.3 林分結構與土壤溫度特征相關分析

從表6可以看出，郁閉度、冠長和冠幅對40~60 cm深處的土壤溫度影響最大，主要原因是這些結構因子與太陽輻射對土壤溫度的影響成反比，而土層越深，其影響越大。林分胸徑和樹高生長與土壤溫度成相反，因此，加強森林資源的保護和建設，是減緩土壤變暖的有效途徑。

4 結論

（1）海拔、坡度、坡向等不同環境條件下，青海云杉的密度和郁閉度差別較大，隨著海拔升高，青海云杉的高度隨之增大，而且相互依賴性較強，但對冠長影響一般，與其他因子不相關；在陰坡或半陰坡的青海云杉分布區域，坡向與冠幅、冠長、樹高都有影響，但與冠幅影響最大；坡度對青海云杉林分結構分布幾乎沒有影響。

（2）祁連山大野口流域青海云杉在垂直方向上有顯著的層次現象，可劃分為喬木層、灌木層、草本層和苔蘚層，其中苔蘚層的高度和蓋度優勢較為明顯，在水源涵養林功能發揮中起著重要作用。青海云杉在群落位置在水源涵養功能中占主導地位，空間分布也表現出一定的規律性，其胸徑、樹高、冠長、冠幅、冠幅面積的分布比正態分布平緩，樹齡、胸徑斷面的分布比正態分布劇烈。從水平結構來看，胸徑斷面和冠幅投影面積與所在陸面面積比值為0.31%和25.58%，從垂直結構來看，樹高、冠長分別為1.10 m/m2和0.71 m/m2，青海云杉這4個指標對降水的林冠截留和樹干莖流影響十分強烈，也是評估祁連山森林水源涵養功能的重要指標。

（3）祁連山大野口流域青海云杉林分結構徑級從1~5 cm到26~30 cm、高度級從2~4 m到18~20 m、冠長級從2~4 m到12~14 m、冠幅級從2~4 m到4~6 m，其多度分別為89.4%、94.4%、77.8%和82.7%。由于在這幾個級別區間范圍內多度占主要部分，因此，在研究水源涵養功能林冠截留和樹干莖流過程中，要更多地關注青海云杉的這些林分結構級別多度問題。從相關系數分析來看，徑級與多度、冠長與多度均符合3次多項式關系，胸徑與樹高、冠長、冠幅、樹齡均中度正相關，符合線性多元回歸函數(R2=0.6688，P<0.05，標準誤差 εi=3.44，自由度F=71.679)。

（4）祁連山大野口流域青海云杉林分結構與土壤水熱條件有一定的相關性。在沒有土壤徑流補給水分的區域，郁閉度或者林分密度與土壤含水率成反比。林分胸徑和樹高生長與40~60 cm深處的土壤含水率相關性最大，與0~10 cm和10~20 cm的相關性最小；郁閉度、冠長和冠幅對40~60 cm深處的土壤溫度影響最大，胸徑和樹高生長與土壤溫度成反比。

總之，本研究的著眼點在于流域林分結構特征與土壤水源涵養功能機理研究，重點分析了與水源涵養功能密切相關的林分結構及其土壤水熱特征，隨著生態監測科技的進一步發展，利用土壤含水量和溫度監測儀對土壤水分和溫度進行實時動態自動監測，在將來的研究工作中，要重點研究林分結構與土壤水熱的動態變化耦合關系，為森林生態學水文學的發展提供基礎數據和參考資料。

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