不同森林類型枯落物水文生態(tài)功能對比研究
——以甘肅祁連山和云南元陽梯田水源林為例

蔣積榮1，牛赟2，3，苗毓鑫2，3

(1.張掖市寺大隆林場,甘肅 張掖 734016； 2.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

甘肅 張掖 734000；3.甘肅張掖生態(tài)科學(xué)研究院，甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，甘肅 張掖 734000)

摘要選擇甘肅祁連山和云南省元陽梯田水源林枯落物為研究對象，對野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：(1)祁連山枯落物平均厚度3.17 cm，平均蓄積量為27.67 thm-2；元陽梯田枯落物平均厚度2.33 cm，平均蓄積量為6.86 thm-2；前者比后者的枯落物平均厚度大1.4倍，平均蓄積量大4倍。(2)祁連山枯落物平均最大持水量為79.01 thm-2，平均最大持水率為294.05%；元陽梯田水源林枯落物平均最大持水量為4.76 thm-2，平均持水率為173.46%；前者比后者的枯落物平均最大持水量大16.61倍，平均持水率大1.7倍。

關(guān)鍵詞枯落物；蓄水量；持水率；祁連山；元陽梯田

作者簡介：蔣積榮(1978-)，男，甘肅張掖人，大學(xué)，工程師，主要從事森林資源管理方面的研究.

中圖分類號：S715

文章編號：1005-5215(2015)12-0008-03

Comparison on Hydrological Ecological Function of Litter in Different Forest Types

——Taking Qilian Mountains of Gansu Province and the Yuanyang

Terrace of Yunnan Province as an Example

Jiang Jirong1，Niu Yun2,3，Miao Yuxin2,3

(1. Sidalong Forest Farm of Zhangye City,Gansu Province ,Zhangye 734016,China; 2. Academy of Water Resource

Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu，Gansu Province Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil

Hydrology and Water Resources，Zhangye 734000,China；3. Academy of Ecology Science of Zhangye,Gansu Science

and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains，Gansu Province，Zhangye 734000,China )

AbstractTaking water conservation forest of Qilian Mountains of Gansu Province and Yuanyang terrace of Yunnan Province as research object,through field investigation and comparison on data,result shows that:(1) The average thickness and the average volume of litter is 3.17 cm & 27.67 t ·hm-2,respectively in Qilian Mountains; the average thickness of litter is 2.33 cm and the average volume is 6.86 t·hm-2 in Yuanyang terrace. The average thickness and the average volume of the former is 1.4 and 4 times respectively larger than that of the latter. (2) The average maximum water-holding capacity of litter is 79.01 t·hm-2 and the average maximum water holdup rate is 294.05% in Qilian Mountains; the average maximum water-holding capacity of litter is 4.76 t·hm-2 and the average maximum water hold up is 173.46% in Yuanyang terrace; the average maximum water-holding capacity and the average maximum water hold up rate of the former is 16.61 and 1.7 times larger respectively than that of the latter.

Key wordslitter; water-holding capacity; water holdup rate; Qilian Mountains; Yuanyang terrace

中國西北和西南部均為多山地區(qū)，森林以山地森林類型為主，但其森林分布和生態(tài)功能特征有很大差異。對比分析和科學(xué)評價(jià)這些差異，對于全面認(rèn)識(shí)和理解我國山地森林系統(tǒng)生態(tài)功能作用和水源涵養(yǎng)機(jī)理有重要意義。森林涵養(yǎng)水源從垂直角度上依次為，林冠層、枯落物層和土壤層。當(dāng)枯落物層吸水達(dá)到飽和時(shí)，水分在自身重力作用下緩慢下滲補(bǔ)給森林土壤。同時(shí)，苔蘚和枯枝落葉層作為森林土壤的覆蓋層，阻斷了降水與土壤毛管孔隙的直接相連，防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)，提高了土壤含水率和森林涵養(yǎng)水源能力；枯枝落葉層對水分的調(diào)節(jié)作用還在于枯枝落葉通過分解改善了土壤結(jié)構(gòu)，使土壤入滲性能增加，再一次提高了森林涵養(yǎng)水源的作用[1-7]。

在祁連山海拔2 500~3 500 m處，分布著約43.61萬hm2水源涵養(yǎng)林。在元陽梯田海拔1 600~1 900 m分布著季風(fēng)常綠闊葉林，在海拔1 900~2 300 m的中山分布著苔蘚常綠闊葉林。本文選擇甘肅省祁連山和云南省元陽梯田的水源林枯落物為研究對象，通過對比分析不同森林類型枯落物層的生態(tài)功能，提高對不同森林類型枯落物生態(tài)功能的全面認(rèn)識(shí)和理解，為制訂全國生態(tài)保護(hù)政策的決策提供參考。

1研究區(qū)概況

1.1　祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)

甘肅祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)，屬大陸性高寒半濕潤山地森林草原氣候，年降水在300~600 mm，其中60%以上集中在6—9月，相對濕度50%~70%，年均氣溫-0.6~2.1 ℃，7 月平均氣溫10.0~14.0 ℃；年水面蒸發(fā)1 200 mm左右，年均日照時(shí)數(shù)2 130 h左右，無霜期90～120 d。在祁連山陰坡或半陰坡，主要分布著青海云杉(Piceacrassifolia) 林，陽坡以草地為主，零星分布著祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)和灌木，亞高海拔主要有箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、金露梅(Potentillafruticosa)和吉拉柳(Salixgilashanica)等為優(yōu)勢種的濕性灌木林；草本主要有黑穗苔(Carexatrata)、針茅(Stipaspp.)和珠牙蓼(Polygonumviviparum) 等。

1.2　元陽縣梯田水源林區(qū)

云南省元陽縣核心區(qū)梯田上方各大林區(qū)，主要是全福莊小寨、大漁塘、多沙和勐品林區(qū)。本區(qū)屬中低山丘陵地貌，海拔1 584~1 955 m。屬亞熱帶山地季風(fēng)氣候，年降雨量1 500~2 000 mm，年均氣溫20.5 ℃，年均日照時(shí)數(shù)1 820.8 h。土壤多為黃紅壤，土層厚度1 m左右。本區(qū)天然林森林茂密，植物種類繁多，主要喬木樹種有杉木(Cunninghamialanceolata)、榿木(Alnuscremastogyne)、尼泊爾榿木(Alnusnepalensis)、苦櫟(Quercuscerris)、五椏果(Dilleniapentagyna)等。主要灌木樹種有槐樹(Sophorajaponica)臭牡丹(Clerodendrumbungei)、山茶(Camelliajaponica)、潤楠(Machilusyunnanensis)、茶(Camlliasinensis)。主要草本有鱗毛蕨(Dryopterisfilixmas)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、莎草蕨(Schizaeadigitata)、藎草(Arthraxonhispidus)、車前(Plantagoasiatica)。

2試驗(yàn)方法

2.1　樣地設(shè)置

2.1.1祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)在祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)苔蘚青海云杉林、祁連圓柏林灌叢林、牧坡草地選擇有代表性的地段布設(shè)5個(gè)固定樣地，并在其中的對角線方向布設(shè)10~15個(gè)1 m×1 m 的收集框架，定期收集凋落物，稱質(zhì)量后取其部分在烘箱中烘干，計(jì)算年、月凋落物累積量；收集林內(nèi)原狀枯落物，裝尼龍袋，然后放置于枯枝落葉層內(nèi)，定期稱質(zhì)量，計(jì)算分解率和分解量。

2.1.2元陽梯田水源林區(qū)在元陽梯田上方森林群落，林分類型主要有榿木林、杉木林、杉木+苦櫟混交林、五椏果林、元江栲林，在此基礎(chǔ)上布設(shè)6個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地，另布設(shè)1個(gè)10 m×10 m荒坡對照地(各樣地基本情況如表1)。在每塊樣地的代表性地段挖掘土壤剖面，并調(diào)查土壤因子。每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)分別布設(shè)3~5塊灌木小樣方(面積5 m×5 m)、草本小樣方及枯落物小樣方(面積1 m×1 m)。

表1　樣地基本情況

2.2　樣品采集及處理

在祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)和元陽梯田水源林區(qū)，樣品采集和處理方法基本相同，都是在固定樣地內(nèi)選擇苔蘚和枯落物分層取樣，測定自然狀況下的苔蘚和枯落物濕質(zhì)量；接著將自然狀況的苔蘚和枯落物在水中浸泡24 h后，測定其飽和質(zhì)量；然后采用65 ℃烘干，測定干質(zhì)量，分別計(jì)算自然含水率、最大持水率和最大持水量。

取原狀苔蘚枯落物完整地裝入雨量筒。在每次降水后，及時(shí)測定林內(nèi)穿透雨和通過苔蘚枯落物層下滲到集水瓶中的滲透雨，用林內(nèi)穿透雨與通過苔蘚枯落物層的滲透雨便可計(jì)算出苔蘚枯落物的截留量與截留率。

3結(jié)果與分析

3.1　枯落物組成與蓄積量對比分析

枯枝落葉層水文作用的大小，首先取決于其數(shù)量和質(zhì)量。因此，查明枯落物的蓄積及其動(dòng)態(tài)變化，對確切評價(jià)林分在不同時(shí)期的水文生態(tài)功能，合理經(jīng)營水源涵養(yǎng)林，提供科學(xué)的依據(jù)。

3.1.1枯落物組成對比分析祁連山水源涵養(yǎng)林和元陽梯田水源林枯落物組成存在明顯差異。祁連山水源林枯落物中未分解成分較多，占總量的42.8%；半分解和已分解成分較少，分別占23.8%和33.4%；未分解成分在0.8~7.8 cm波動(dòng)，半分解成分在0.7~2.9 cm波動(dòng)，已分解成分在0.4~3.8 cm波動(dòng)。元陽梯田水源林枯落物中也是未分解成分較多，占總量的62.8%；半分解和已分解成分較少，占37.2%；未分解成分在0.8~3.1 cm波動(dòng)，半分解和已分解成分在0.6~1.3 cm波動(dòng)。祁連山水源涵養(yǎng)林枯落物組成中，未分解成分比元陽梯田水源林的枯落物未分解成分低，相反，半分解和已分解成分比元陽梯田水源林的高。祁連山林區(qū)內(nèi)枯落物分解程度波動(dòng)性要比元陽梯田的大3~4倍。表明枯落物組成受立地條件、環(huán)境條件及樹種的綜合影響而表現(xiàn)出不同樣地之間的差別。

3.1.2枯落物蓄積量對比分析從圖1可見，不同區(qū)域和植被類型，其枯落物蓄積量差異很大。在祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)，枯落物蓄積量從大到小依次為蘚類云杉林、云杉幼林、灌木云杉林、亞高山灌叢(箭錦) 、亞高山灌叢(甘錦)、祁連圓柏林；在元陽梯田水源林區(qū)，枯落物蓄積量從大到小依次為杉木林、榿木林1、元江栲林、五椏果林、榿木林2、杉木+苦櫟林。祁連山水源涵養(yǎng)林枯落物平均厚度3.17 cm，平均蓄積量為27.67 thm-2；元陽梯田水源林枯落物平均厚度2.33 cm，平均蓄積量為6.86 thm-2。經(jīng)對比可以看出(詳見表2)，祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)枯落物平均厚度比元陽梯田水源林枯落物平均厚度大36.05%，平均蓄積量大284%。其中主要原因是，祁連山林區(qū)屬大陸性高寒半濕潤山地森林草原氣候，該區(qū)年平均氣溫-0. 6～2.0 ℃，年降水在300～600 mm ；而元陽梯田水源林氣候?qū)賮啛釒降丶撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為20.5 ℃，年降雨量為1 500～2 000 mm。水熱狀況是促進(jìn)凋落物分解的主要因素，因此，初步推斷，西北和西南林區(qū)相比，水熱狀況不同是造成枯落物蓄積量有較大差異的主要原因。另外，從調(diào)查得知，祁連山林區(qū)和元陽梯田林區(qū)針葉林枯落物蓄積量和厚度比其他林型的都高，而祁連山林區(qū)以針葉樹為主，這也是造成兩個(gè)地區(qū)枯落物蓄積量有較大差距另一主要原因。

圖1　祁連山與元陽梯田水源林枯落物蓄積量對比結(jié)果

另外，森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)包括植物碳庫、枯落物碳庫和土壤碳庫，其中枯落物部分研究枯落物自然狀態(tài)下分解和年新增枯落物量。祁連山水源涵養(yǎng)林枯落物碳庫比元陽梯田的大3~4倍。

3.2　枯落物持水量對比分析

林地枯落物是森林發(fā)揮水文生態(tài)效益的第3個(gè)層次，其水文涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱和攔蓄大氣降水的多少取決于枯落物本身的積累數(shù)量、厚度、與水分親和的性質(zhì)、分解狀況以及自然含水率等因素。

表2　祁連山和元陽梯田水源涵養(yǎng)林區(qū)枯落物

3.2.1枯落物持水率對比分析由于祁連山處于干旱半干旱區(qū)，一般降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度小，降雨強(qiáng)度<0.10mmmin-1的降雨量占降雨總量的9.24%，出現(xiàn)頻率則為42.86%；降雨強(qiáng)度>0.60 mmmin-1的降雨量占降雨總量的26.48%，出現(xiàn)頻率僅為8.16%，說明祁連山區(qū)高強(qiáng)度降雨出現(xiàn)頻率低，但降雨量較多；低強(qiáng)度降雨出現(xiàn)頻率高，但降雨量僅是高強(qiáng)度降雨總量的43.14%；降水透過林冠到達(dá)枯落物層的總量很小，要求枯落物層承受的穿透水的截留率小。

圖2　祁連山與元陽梯田水源林

元陽梯田水源林區(qū)屬亞熱帶山地季風(fēng)氣候，氣溫高、降水量大，最大持水率自然比祁連山低。從表2可見，祁連山枯落物平均最大持水率為294.05%；元陽梯田水源林枯落物平均持水率為173.46%。

經(jīng)對比可以看出，祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)枯落物平均持水率比元陽梯田大120.59個(gè)百分點(diǎn)，這說明兩個(gè)地區(qū)枯落物的持水能力有很大差別。

3.2.2枯落物最大持水量對比分析從2表可以看出，祁連山平均最大持水量為79.01 thm-2，而元陽梯田水源林區(qū)平均最大持水量為4.76 thm-2，祁連山平均最大持水量是元陽梯田水源林枯落物平均最大持水量的16.61倍。

圖3　祁連山與元陽梯田水源涵養(yǎng)林區(qū)

從圖3可見，祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)，枯落物平均最大持水量從大到小依次為蘚類云杉林、灌木云杉林、亞高山灌叢(箭錦) 、云杉幼林、亞高山灌叢(甘錦)、祁連圓柏林；元陽梯田水源林區(qū)，枯落物蓄積量從大到小依次為杉木林、元江栲林、杉木+苦櫟林、五椏果林、榿木林1、榿木林2。

4結(jié)論與討論

4.1　結(jié)論

4.1.1祁連山枯落物平均厚度3.17 cm，平均蓄積量為27.67 thm-2；元陽梯田水源林枯落物平均厚度2.33 cm，平均蓄積量為6.86 thm-2。祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)枯落物平均厚度比元陽梯田水源林枯落物平均厚度大36.05%，平均蓄積量大303%。

4.2　討論

中國西北和西南部均為多山地區(qū)，森林以山地森林類型為主，但其森林分布和生態(tài)功能特征有很大差異。森林涵養(yǎng)水源由3個(gè)層次綜合作用，而且各層次相互影響，形成一種生態(tài)系統(tǒng)對降水進(jìn)行調(diào)蓄。要全面了解森林涵養(yǎng)水源的機(jī)理，要從多層次多角度多尺度時(shí)空關(guān)系上研究，本文僅對2個(gè)地區(qū)的枯落物層的組成和持水能力作了初步探討，在以后的科研工作中，還要進(jìn)一步研究林冠截留、樹干徑流、土壤徑流、降水和蒸發(fā)等重要指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳奇,解明曙,張洪江,等.森林枯落物影響地表徑流和土壤侵蝕研究動(dòng)態(tài)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,16(增刊):88-97

[2] 段興鳳,宋維峰,李健,等.云南省元陽梯田水源區(qū)森林土壤入滲特性研究[J].水土保持通報(bào)，2011,31(4)：47-52

[3] 劉霞，車克鈞.祁連山青海云杉林枯落物層水文效應(yīng)分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，39(4)：434-438

[4] 張?jiān)?曹同,潘伯榮.干旱半干旱地區(qū)苔蘚結(jié)構(gòu)生態(tài)學(xué)研究綜述[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22(7):1129-1134

[5] 余新曉,于志民,等.水源保護(hù)林培育、經(jīng)營、管理、評價(jià)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2001：263-265

[6] 王兵,聶道平,郭泉水,等.大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)研究[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2003：204-206

[7] 張洪江,程金花,余新曉,等.貢嘎山冷杉純林枯落物儲(chǔ)量及其持水特性[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(5):147-151