甘南白龍江上游高山林線過渡區地被物及土壤水文特性

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

(1.甘肅省白龍江林業管理局 林業科學研究所, 蘭州 730070;2.甘肅白龍江森林生態系統國家定位觀測研究站, 甘肅 舟曲746300; 3.舟曲林業局沙灘林場，甘肅 舟曲746300)

高山林線是指從山地郁閉森林到樹種線之間的整個過渡帶[1]，是高山植被的分界線和生長型發生急劇變化的地段，是劃分高山區景觀類型的一條重要生態界限[2]，指示著森林分布的極限環境，是全球氣候變化的敏感指示體[3]，由于極端的環境條件，林線生物類群均處于相對復雜的臨界狀態，是典型的生態系統脆弱區[4]，目前，高山林線是全球研究的熱點對象之一。其中地被物和土壤是植被生態系統的重要結構[5]，地被物既能有效攔截降雨、防止土壤濺蝕，又對攔蓄地表徑流、減少土壤水分蒸發、增加土壤水分入滲發揮著重要作用[6-7]，土壤層起到森林涵養水源和保持水土的作用[8]。國內學者對林線做了眾多研究，鄧坤枚等[9]認為林線岳樺的生長與土壤養分有關，Miao等[10]分析了林線土壤的溫度和水分對岳樺的影響，周曉峰等[11]研究了林線、氣候與土壤的變化關系，這些研究闡述了林線土壤與氣候、植被之間的關系，但是對林線地被物和土壤層持水特征研究較少，因此對高山林線過渡區域植被水源涵養功能研究具有的重要意義。

由于近年來對白龍江森林的破壞而引起下游的沙、污、旱、鹽、堿、澇等生態問題的日益嚴重，再加上過度放牧、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境脆弱而敏感，對甘南高山生態系統的植被和水源涵養起著重要作用。文中選取白龍江上游高山林線過渡區域，分析該區域地被物和土壤水源涵養功能，為該地區生態脆弱帶的水源涵養和水土保持提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

試驗區設在白龍江上游舟曲縣和迭部縣的高山林線區域，該地區位于甘肅南部，地處青藏高原、黃土高原、秦巴山地和四川盆地的交匯區，地理位置特殊，自然環境獨特，森林資源豐富。但長期以來的森工生產，使天然林資源遭到嚴重破壞，采伐跡地造林不及時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103°79′，海拔高度為3 450 m，土壤屬暗棕色森林土。成土母質為坡積母質，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，年平均空氣相對濕度80%，無霜期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置20 m×20 m的3種樣方(表1)，第一種是以林線為中心設置的樣方為林線樣方，在林線樣方以上區域的樣方為林線上樣方，在林線樣方以下區域的樣方為林線下樣方，設置3個重復，總計設置9個樣方，利用每木檢尺法[14]調查林下植被，計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定在樣方中隨機布設5個50 cm×50 cm的小樣方，分別收集小樣方中的木殘體、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驗室稱重，然后放入80℃[15]的烘干箱至恒重，計算地被物儲量和自然含水量。將烘干的部分地被物裝入尼龍網袋稱重，然后浸泡到水中，測其0.5，1，1.5，2，4，8，12，16，20，24 h的重量，由此計算在不同浸泡時間段內枯落物層的持水量，一般認為地被物浸水24 h時持水量為最大持水量[16]，主要計算公式如下[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量(干儲量)；Mo為地被物自然狀態下的儲量(鮮儲量)；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[19]。

1.2.2土壤樣品采集和水文特性的測定各樣方中隨機布設3個點挖掘土壤剖面，用環刀分別取0—10，10—20，20—40 cm原狀土壤帶回實驗室，每層分別取6個，測定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤持水量、初滲率、穩滲率等，各指標處理方法為[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=最初入滲時段滲透量/入滲時間；平均滲透速率=達穩滲時的滲透總量/達穩滲時的時間；穩滲率為單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率。數據利用Excel和SPSS 18.0軟件分析處理。

2　結果與分析

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，則持水量也會越大[21]。因此，在評價森林生態水文功能的時候，蓄積量是根本因素之一。不同森林類型，地被物的成分組成、樹種類型、堆積方式、環境條件、林下微生物活動等不同，造成地表層水、熱、氣等的差異，從而影響地被物的分解速率，而影響地被物的儲量。

根據表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，木殘體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，依次是木殘體、枯落物未分解層，苔蘚最小；在不同位置處林線下的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體和枯落物未分解的含水率。白龍江高山林線區域地被物主要以枯落物分解層為主，林線下蓄積量最多，經分析是因為微生物活動頻繁，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為木殘體，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、結構狀態、分解程度等有關，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出木殘體的最大持水量最小，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，木殘體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構、分解狀況及儲量有關，是反映森林水文特性的重要指標，真接影響森林土壤的水源涵養作用，土壤蓄水能力是評價水源涵養、調節水循環的主要指標之一[22]。

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性質的重要參數，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引起土壤物理性質的差異，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時最小為0.56 g/cm3，在20—40 cm時最大為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時最大，隨著土層深度的增加非毛管孔隙度有減小的趨勢，但是在林線下隨著土層深度的增加非毛管孔隙度逐漸減小；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，微生物活動頻繁，有機質含量高，容重最小，隨著土層厚度的增加土壤越緊實，通氣性變差，微生物活動較小，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呈現出一定變化，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。可見研究區的表層土壤持水能力強于深層次土壤。

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化的重要環節，較強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能力的重要指標之一。不同林線位置土壤初滲率、穩滲率、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、穩滲率、平均滲透率大于林線上和林線下。

隨著時間的增加土壤滲透率趨于穩定，不同土層土壤趨于穩定的時間不同，對不同土層土壤持水率和時間的關系進行回歸分析，二者之間存在著冪函數關系，即符合以下公式：

Y=atk

(10)

式中：Y為滲透速率；a為系數；t為滲透時間；k為指數，不同土層土壤滲透速率與時間的回歸方程和R2見表6。

表5　不同土層滲透率性質

表6　滲透速率與時間的關系

3　討 論

高山林線區域林分類型不同，其水源涵養、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；林線區域主要以灌叢和喬木樹種混合而成，樹木相對高大，枝葉較茂盛，地表濕潤，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，固土保肥方面林線下較強，即地被物的蓄積量與立地條件和林分類型有關，這與張遠東等[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，即地被物最大相應的持水量也最大，這與宮淵波等[25]研究結果基本一致。

從不同深度土壤性狀來看，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 論

白龍江上游高山林線不同區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，說明白龍江高山林線區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，說明地被物的最大持水量和最大持水率與蓄積量呈正比關系，地被物不同成分中木殘體的最大持水率最小，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，變化較小；非毛管孔隙度的變化與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，土壤持水率與時間進行回歸擬合，二者存在著冪函數關系，符合關系式Y=atk。

群落水源涵養能力取決于冠層截留量、地被物截留量、土壤儲水量及滲透能力[26]，本研究只對高山林線區域地被物及土壤持水能力和土壤滲透性能進行了研究，還需要進一步探討林冠層的截留能力。綜合來看，白龍江上游高山林線區域林線下地被物持水性能較強，林線土壤持水性能強于林線上和林線，林線群落交錯區域的水源涵養功能維持著甘南高山生態系統的穩定。

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