子午嶺林區(qū)遼東櫟、油松、柴松群落特征及其枯枝落葉層水文效應(yīng)研究

胡秀娟，程積民，萬惠娥

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌，712100;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌，712100)

植物群落特征可以反映出植物與植物之間、植物與環(huán)境之間的相互關(guān)系，是植物對生存環(huán)境長期適應(yīng)和對環(huán)境長期作用的綜合體現(xiàn)[1]，其性質(zhì)取決于植物在時(shí)間和空間上的配置情況，即植物群落的物種組成結(jié)構(gòu)、群落的垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)。

研究群落特征對闡明森林生態(tài)系統(tǒng)的形成和維持具有極為重要的意義[2-3]，同時(shí)對人工恢復(fù)模式的構(gòu)建和結(jié)構(gòu)調(diào)控也具有指導(dǎo)意義。

枯落物作為森林生態(tài)環(huán)境中重要組成部分，在水分調(diào)節(jié)過程中起著重要的中轉(zhuǎn)站作用[4-5]。當(dāng)其吸水達(dá)到飽和時(shí)，水分在自身重力作用下，緩緩下滲補(bǔ)給土壤;另外，枯枝落葉通過分解改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤入滲能力增強(qiáng)，提高了森林土壤轉(zhuǎn)化降水的能力。同時(shí)，枯枝落葉層作為森林土壤的覆蓋層，阻斷了土壤毛管孔隙的直接相連，抑制土壤水分蒸發(fā)，提高了土壤含水率，起到蓄水、保水、保土作用。

遼東櫟(Quercus liaotungensis)、油松(Pinus tabulaeformis)、柴松(Pinus tabulaef ormis f.shekannesis)是子午嶺地區(qū)主要的優(yōu)勢森林樹種，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響有著舉足輕重的作用，已有學(xué)者[6-7]對黃土高原子午嶺林區(qū)不同演替階段3種演替森林群落山楊林、油松林與遼東櫟林的群落結(jié)構(gòu)特征、黃土高原子午嶺天然柴松林種群結(jié)構(gòu)與動態(tài)特征進(jìn)行了研究。本研究對子午嶺林區(qū)遼東櫟、油松、柴松群落特征其枯枝落葉層水文效應(yīng)進(jìn)行了相應(yīng)研究，以期對深入探討森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)和子午嶺林區(qū)植被合理保護(hù)和經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

子午嶺林區(qū)位于黃土高原中部，分布于陜西和甘肅兩省交界處 ，地理位置在 107°59′—108°43′E 和35°16′—36°39′N 。屬典型黃土丘陵溝壑地形 ，黃土厚度一般50—100 m，其下為厚 80—100 m的紅土，在深切的溝谷及河谷能看到基巖出露[7-8]，地勢變化復(fù)雜，海拔為1 100～1 600 m。該區(qū)處于森林草原和半干旱草原的過渡區(qū)，氣候溫和濕潤，其北小半部屬隴中北部溫帶半干旱氣候，南大半部屬隴中南部溫帶半濕潤氣候[9-10]。年平均氣溫7.4℃～8.5℃，極端最低溫度為-27.7℃，極端最高氣溫為36.7℃，≥10℃的活動積溫2 671.0℃，年無霜期110～150 d，年降水量500～620 mm，其中6—8月份降水量約占到全年降水量的60%，年平均相對濕度63%～68%[11]，土壤為發(fā)育于原生(山坡)或次生(溝谷)黃土，以石灰性褐土為主[12]。分布于子午嶺的森林大部分為天然次生林，森林群落建群種油松、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、山楊(Populus davidiana)、白樺(Betula platyphylla)等主要分布于平緩濕潤的陽坡和半陰坡。在干旱陡峭的陽坡和半陽坡上有散生的杜梨(Pyrusbetulaefolia)、山杏(Armeniaca sibirica)、白榆(Ulmus pumila)等。灌木主要優(yōu)勢種有多花胡枝子(Lespedezaf loribunda)和土莊繡線菊(Spiraea pubescen)等。常見種有黃薔薇(Rosa hugonis)和二色胡枝子(Lespedeza bicolor)等。草本層的優(yōu)勢種有細(xì)葉裂蓮蒿(Artemisias antolinaefolia)和華北米蒿(Artemisiagiraldii)等。

2 研究方法

2.1 群落調(diào)查

經(jīng)充分踏查后，在子午嶺區(qū)遼東櫟、油松、柴松占據(jù)主體地位的群落中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置。在群落內(nèi)選擇具有代表性的地段進(jìn)行取樣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查。標(biāo)準(zhǔn)地面積大小視該群落的最小表現(xiàn)面積而定，一般為400 m2，但也可以根據(jù)研究目的在群落內(nèi)加大其面積。本次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地面積為400 m2:喬木層20 m×20 m，記錄樣地內(nèi)所有的喬木;在喬木樣地的4個(gè)角上，沿對角線1.4 m處，分別作4個(gè)5 m×5 m的樣方，進(jìn)行灌木調(diào)查;灌木樣方內(nèi)，在每個(gè)最外部的灌木樣方的角上，分別作4個(gè)1 m×1 m的小樣方用于草本的調(diào)查。具體標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置如表1所示。

表1 子午嶺林區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地特征

(1)每木檢尺。從標(biāo)準(zhǔn)地一端開始，由坡上方沿等高線按“S”形路線向坡下方進(jìn)行檢尺，防止重測和漏測。目測林分平均直徑，確定起測徑階及徑階階距，進(jìn)行測量，按徑階進(jìn)行記載，同時(shí)采用實(shí)測法對樹高進(jìn)行測定。記錄其胸徑、樹高、地徑、枝下高、冠幅和生長狀況等內(nèi)容;每木檢尺結(jié)束后按公式(1)計(jì)算林分平均直徑:

式中:k——徑階個(gè)數(shù)(i=1，2，…，k);di——第 i徑階中值;ni——第i徑階株樹;n——總株樹

(2)生境。包括氣象、地形地貌、人為干擾強(qiáng)度、海拔、坡位、坡向、土壤;物種豐富度以樣地內(nèi)出現(xiàn)的物種數(shù)來衡量，用Margalef指數(shù)來衡量;物種多樣性用Shannon—Wiener指數(shù)來表示和衡量;群落的均勻度表征了群落中各個(gè)種的多度或重要值的均勻程度，用Pielou指數(shù)來表示[13-14]。

(3)群落學(xué)特征。包括群落組成、高度、蓋度、郁閉度等;在灌木樣方和草本樣方中分別調(diào)查植物的種類、高度、冠幅、基徑、生活力、多度、蓋度和物候期等內(nèi)容。

2.2 枯落物調(diào)查

(1)枯落物蓄積量的測定。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)0.5 m×0.5 m的小樣方，隨機(jī)選10個(gè)點(diǎn)測定枯枝落葉層厚度，取均值作為最后總厚度，采集樣品，帶回室內(nèi)稱重，推算單位面積的枯落物蓄積量，然后在85℃下烘干，測定其干重，推算其(自然)含水率。

(2)枯落物持水能力的測定。本試驗(yàn)采用室內(nèi)浸泡法進(jìn)行測定。將枯落物樣品分別裝入尼龍袋，在清水中浸泡24 h，然后稱重，計(jì)算其最大持水率?？萋湮飳拥淖畲髷r蓄率(t/hm2)采用最大持水率扣除枯落物層本身含水量后與枯落物蓄積量乘積進(jìn)行計(jì)算。據(jù)雷瑞德[20]的研究，當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后，不論是哪種植被類型的枯落物層，其含水量高低如何，它的實(shí)際持水率均約為最大持水率的85%左右，所以取調(diào)整系數(shù)0.85來估算枯落物層的有效攔蓄量(公式2)

式中:W——有效攔蓄量(t/hm2);M——枯落物蓄積量(t/hm2)[15];Ro——含水率(%);Rm——最大持水率(%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 群落基本結(jié)構(gòu)特征

遼東櫟林為子午嶺林區(qū)氣候類型的演替頂極群落，常分布在陰坡、半陰坡、半陽坡和梁峁緩坡，其林內(nèi)組成，除局部林是與其它林木混交外，一般都是純林，灌木的生長由于受高大喬木開闊樹冠和龐大根系的影響，分布零散，生長低矮。油松主要分布在子午嶺林區(qū)溝谷臺地、陰坡、半陰半陽坡以及平緩的梁脊上，常形成以該種群為主的單優(yōu)群落，主林層主要由油松占據(jù)，但混有少量闊葉樹種。柴松多生長于子午嶺林區(qū)西坡、東坡和北坡，多以純林分布為主，同時(shí)在林緣地帶常伴生有闊葉樹種。具體特征見表2—3。

表2 子午嶺林區(qū)3種林型植物物種組成

表3 子午嶺林區(qū)3種林型層次結(jié)構(gòu)概況

3.2 植物多樣性特征

物種多樣性是一個(gè)群落結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的度量，表征著生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，體現(xiàn)了群落的結(jié)構(gòu)類型、組織水平、發(fā)展階段、穩(wěn)定程度和生境差異，是揭示植被組織水平的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。為此本試驗(yàn)采用物種豐富度指數(shù)(Margalef指數(shù))、多樣性指數(shù)(Shannon—Wiener指數(shù))和均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))這3類指標(biāo)對3種植被類型多樣性特性進(jìn)行了研究(圖1)。

圖1 子午嶺林區(qū)3種林型植物多樣性特征

在3種林型的喬木層中，油松林的物種豐富度指數(shù)(Margalef指數(shù))與植物均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))均是最大的，而柴松林的物種豐富度指數(shù)(Margalef指數(shù))、多樣性指數(shù)(Shannon—Wiener指數(shù))均是最小的。3種林型喬木層、灌木層及草本層中Shannon—Wiener指數(shù)變化幅度較大，對多樣性的變化敏感。其中遼東櫟林喬木層Shannon—Wiener多樣性最高為1.31，柴松林喬木層Shannon—Wiener多樣性最低為0.80。對基于Shannon—Wiener多樣性指數(shù)的Pielou均勻度指數(shù)來說，3種林型喬木層、灌木層及草本層的均勻度變化幅度不大。

總體上來看，在子午嶺林區(qū)，遼東櫟林、油松林、柴松林這3種林型中，遼東櫟林和油松林的物種較為豐富且分布均勻，多樣性大，而柴松林喬木層多樣性較差，物種不豐富。3種林型喬木層物種豐富度指數(shù)與植物物種多樣性指數(shù)低于灌木層，而灌木層又低于草本層，即草本層＞灌木層＞喬木層，其均勻度變化與多樣性變化一致，這與汪超、王孝安等[14]對黃土高原馬欄林區(qū)主要森林群落物種多樣性研究結(jié)果一致，這是由于在所調(diào)查區(qū)域，油松林為天然林，遼東櫟林在該區(qū)是群落演替的頂級階段，而柴松林為人工林，所以群落中物種的豐富度逐漸降低，群落優(yōu)勢種類型也在逐漸減少，因而群落的多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)也趨于降低。

3.3 水文效應(yīng)分析

枯落物層作為森林生態(tài)環(huán)境中重要的組成部分、植被水文作用的第2個(gè)功能層[15]，在截持降雨[16]、攔蓄地表徑流[17-18]、減少土壤水分蒸發(fā)[19]和增加土壤水份入滲，改變土壤結(jié)構(gòu)等方面具有重要作用。由于不同植被類型和不同植物種類間枯落物的特性不同，其水文效應(yīng)也存在明顯差別。所以于2008年10月底對遼東櫟林、油松林和柴松林的枯枝落葉層進(jìn)行含水率、最大持水率等項(xiàng)目進(jìn)行了測定，用于比較不同群落間水文效應(yīng)的差異，結(jié)果如表4所示。

表4 枯枝落葉層的特征

立地氣候因素、林分因子、樹種生物學(xué)特性決定了枯落物厚度狀況[22]，遼東櫟為闊葉樹種，其凋落物層(L層)、半腐層(F層)比例小，細(xì)菌和軟體動物多，其死地被物為中性或微酸性反應(yīng)，分解迅速，厚度雖與油松相差不大，但在重量及蓄積量上卻比油松少很多，相差值分別為64(0.002 5 g/m2)和16.3 t/hm2。油松和柴松都油松屬于針葉樹種，其死亡地被物呈酸性反應(yīng)，分解緩慢，但油松生長在陽坡，比生長在陰坡或半陰坡的柴松土壤溫度較高，蒸發(fā)較強(qiáng)，枯枝落葉的分解速度較快，所以油松林枯枝落葉層的厚度比柴松林薄1.5 cm，但由于油松枯枝落葉重量大于柴松，所以蓄積量卻是油松比柴松多出1.65 t/hm2。

為估算林中枯枝落葉層吸水保水量，對最大攔蓄量和有效攔蓄量進(jìn)行了計(jì)算。最大攔蓄量代表最大可能的降雨截留量，是扣除枯落物層本身含水量的持水容量以外的持水能力大小。結(jié)果表明，遼東櫟枯枝落葉的含水率為 105.5%，最大攔蓄量為50.93 t/hm2;油松的含水率為 125.9%，最大攔蓄量為70.15 t/hm2;柴松的含水率為121.5%，最大攔蓄量為61.68 t/hm2。但是，最大攔蓄量不能反映枯落物層對實(shí)際降水的攔蓄情況，因此需要計(jì)算枯落物的有效攔蓄量。本試驗(yàn)根據(jù)雷瑞德[18]的研究結(jié)果估算枯落物層的有效攔蓄量。其中，遼東櫟枯枝落有效攔蓄量為38.13 t/hm2;油松有效攔蓄量為50.38 t/hm2;柴松有效攔蓄量為43.81 t/hm2。由于在降雨量較小時(shí)，截留機(jī)會、時(shí)間等也較小，所以實(shí)際攔蓄量會低于有效攔蓄量。

4 結(jié)論

(1)遼東櫟林為子午嶺林區(qū)氣候類型的演替頂極群落，其林內(nèi)組成，除局部林與其它林木混交外，一般都是純林[20]。灌木以黃刺玫、灰栒子、忍冬、衛(wèi)矛、繡線菊為主，由于受高大喬木開闊樹冠和龐大根系的影響，分布零散，生長低矮，其林下灌木的蓋度為12%～25%，平均高度為0.6 m。草本層主要有披針苔草、鐵桿蒿、本氏針茅等，草本層平均蓋度34.6%，高度介于12～24 cm。

油松林常形成以該種群為主的單優(yōu)群落，主林層主要由油松占據(jù)，但混有少量闊葉樹種，如山楊、遼東櫟等，灌木層主要種類為胡枝子、忍冬、黃刺玫等。灌木層的平均蓋度為11%～29%，平均高度為1.3 m。草本層主要有披針苔草、蒿類、茜草等。草本層平均蓋度42.6%，高度介于9～26 cm。

柴松林多以純林分布為主，主要伴生種以遼東櫟、山楊、為主，常分布在林緣周圍。灌木層優(yōu)勢種為胡枝子、繡線菊、黃櫨蓋度在36%～60%之間，平均株高在0.5～1.6 m，約20種。草本層主要由大披針苔、蒿類、異葉敗醬等組成，蓋度在10%～26%之間，平均株高為10～28 cm，約40種。

(2)子午嶺林區(qū)，遼東櫟林、油松林、柴松林這3種林型中，油松林的物種豐富度指數(shù)(Margalef指數(shù))與植物均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))均是最大的，而柴松林喬木層多樣性較差，物種不豐富。3種林型喬木層物種豐富度指數(shù)與植物物種多樣性指數(shù)低于灌木層，而灌木層又低于草本層，即草本層＞灌木層＞喬木層，其均勻度變化與多樣性變化一致。

(3)子午嶺不同森林類型下的枯枝落葉層厚度及蓄積量均有所差異:遼東櫟林枯落物厚度為4.7 cm，蓄積量為32.65 t/hm2;油松林枯落物厚度為4.8 cm，蓄積量為48.95 t/hm2;柴松林枯落物厚度為6.3 cm，蓄積量為47.30 t/hm2。

(4)枯枝落葉層可吸收大量的降水，減少地表徑流，形成森林水文效應(yīng)的第二個(gè)活動層。遼東櫟枯枝落葉的含水率為105.5%，最大攔蓄量為50.93 t/hm2;油松的含水率為125.9%，最大攔蓄量為70.15 t/hm2;柴松的含水率為121.5%，最大攔蓄量為61.68 t/hm2。

油松林作為子午嶺林區(qū)優(yōu)勢群落，在生物多樣性、涵養(yǎng)水源方面均體現(xiàn)出其優(yōu)勢，遼東櫟林作為子午嶺林區(qū)氣候類型的演替頂極群落，在生物多樣性方面優(yōu)于柴松林，但其林下灌木由于受高大喬木開闊樹冠和龐大根系的影響，分布零散，生長低矮，且枯落物層有效攔蓄量也遜色于柴松林。森林枯枝落葉層不僅能減少降水所引起的地表徑流和土壤侵蝕，而且能促使降水逐漸滲入土壤，起到森林涵養(yǎng)水源的作用。因此在經(jīng)營森林時(shí)，應(yīng)采取措施保護(hù)好林內(nèi)的枯枝落葉層，在林木密度大，生長年限長，枯枝落葉層積累過厚，分解不良的林分中，要合理撫育間伐，促進(jìn)其分解，以提高林地土壤肥力和林分的生產(chǎn)力，并充分發(fā)揮森林涵養(yǎng)水源的作用。

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