祁連山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能

孫昌平 ，劉賢德，雷 蕾，王有科，張學龍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅蘭州730070;2.甘肅祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅張掖734000)

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，不同森林類型由于其樹種生物學特性與林分結(jié)構(gòu)的不同，其林分的水源涵養(yǎng)效應(yīng)存在一定的差異[1]。森林涵養(yǎng)水源主要表現(xiàn)在調(diào)節(jié)水分變化，減少地表徑流，增加河流水量等功能上，有“綠色水庫”之美譽[2]。但是，不同森林土壤類型具有不同的涵養(yǎng)水源功能。

本研究以祁連山中部主要森林類型為對象，對其土壤特性和水源涵養(yǎng)功能進行研究，旨在為該區(qū)森林的合理經(jīng)營和利用提供依據(jù)。祁連山地處青藏、黃土兩大高原和蒙新荒漠的交匯處，地理位置為東經(jīng)97°24′—103°46′，北緯 36°43′—39°42′;東起烏鞘嶺，西至阿爾金山東段，總面積2.17×109hm2，林地面積4.18×108hm2[3]，海拔高度1 800～5 808 m，雪線4 200～5 000 m，4 500 m以上發(fā)育著現(xiàn)代冰川，是甘肅、青海、內(nèi)蒙古等地區(qū)諸內(nèi)陸河的發(fā)源地。該區(qū)自然條件復(fù)雜，水熱條件差異較大，形成了多種具有明顯垂直梯度和水平差異的植被和土壤類型。青海云杉(Piceacrassifolia)、祁連圓柏(Sabian przewalskii)是祁連山的喬木建群種或優(yōu)勢種，灌木優(yōu)勢種有金露梅(Potentilla f ruticosa)、箭葉錦雞兒(Caragana jubata)、鮮黃小檗(Berberis diaphana)、吉拉柳(Salix gilashanica)等;草本植物主要有珠牙蓼(Polygonum viviparum)、針茅(Stipa)、蒿(Artemisia sp.)、甘肅棘豆(Oxytropis kansuensis)等。

1 試驗區(qū)概況

試驗設(shè)在國家野外重點科學觀測試驗臺站——祁連山森林生態(tài)站西水試驗區(qū)排露溝流域(100°17′E，38°24′N)，海拔2 600～ 3 800 m ，屬高寒山地森林草原氣候。氣象站年均氣溫0.5℃，降水在290.2～467.8 mm，年均蒸發(fā)量1 051.7 mm，平均相對濕度60%。

2 研究方法

2.1 標準地設(shè)置與調(diào)查

在多方踏查的基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的青海云杉林、祁連圓柏林、高山灌叢林和牧坡草地4種主要植被類型，分別設(shè)置20 m×20 m的標準地進行林分調(diào)查和土壤物理性質(zhì)實驗，同時在每個標準地內(nèi)設(shè)5個1 m×1 m樣方，用來收集枯落物。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

2.2 測定方法

(1)在各灌木林樣地內(nèi)設(shè)置1 m×1 m的小樣方5個，采用四分法取樣稱重，置于烘箱中在85℃下烘干至恒重后稱重，計算枯落物自然持水率和有效持水率，根據(jù)含水量推算單位面積的現(xiàn)存量;

(2)采用環(huán)刀法，于5—9月在標準地內(nèi)按照土層深度0—10 cm，10—20 cm ，20—40 cm，40—60 cm這4層取樣，每個組合重復(fù)3次，測定土壤含水量、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和蓄水量、非毛管持水量等指標;

(3)用ZTS-A型智能土壤滲速儀測定土壤入滲性能指標。在標準地內(nèi)按照土層深度0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm 分4層取樣，每個組合重復(fù)3次，再結(jié)合電子秤上所設(shè)置的取樣時間、環(huán)刀橫截面積等參數(shù)即可計算出滲透率和滲透系數(shù)等入滲參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地類型土壤容重與孔隙度特點

在土壤物理特性中，土壤容重說明土壤的松實程度及孔隙狀況，反映土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況，是土壤物理性質(zhì)的一個重要指標[4]。由圖1可以看出，由于不同林分類型的枯落物特性與土壤中根系分布不同等原因，導(dǎo)致其土壤容重存在一定差異，且各層土壤容重均隨土壤深度的增加而增加。土壤容重均值的大小順序為:牧坡草地＞祁連圓柏林＞高山灌叢林＞青海云杉林。不同林地土壤容重變動在0.56～0.92 g/cm3，都小于無林地的土壤容重1.20 g/cm3(表2)。祁連圓柏土壤容重較之青海云杉林和高山灌叢林大，這與其分布生境條件差，林分結(jié)構(gòu)不良，土壤表層蒸發(fā)強烈，土壤非毛管孔隙度小等特點是一致的。

土壤孔隙的組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度，并且對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)功能[4-5]。由表2可以看出，就孔隙度而言，不同林地總孔隙度變動均值在49.08%～71.58%之間，其中表土層的最大，在44.7%～76.8%之間;土壤下層的最小，在52.30%～74.84%之間。總孔隙度均值表現(xiàn)為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地，這是因為云杉林的根系和土壤之間形成粗大的孔隙，地面的枯枝落葉苔蘚層又能減輕雨滴的沖擊，長期保持土壤的孔隙不被堵塞。林地各土層毛管孔隙度均大于38.38%，各土層毛管孔隙度平均值的大小順序為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地。毛管孔隙度越大，土壤中有效水的貯存容量越大，可供樹木根系利用的有效水分的比例就越大。

圖1 不同林地類型土壤容重隨土壤深度變化

高山灌叢林與其它林型相比，高山灌叢林的土壤孔隙度稍小于青海云杉林，但遠大于祁連圓柏和牧坡草地，這主要因為高山灌叢枝葉茂密，樹冠緊貼地表，截持降水量能力強，蒸騰量小;且低矮的高山灌叢林又減弱了雨滴的擊濺，從而避免了土壤孔隙被堵塞，提高了土壤孔隙度的質(zhì)量;加之高山灌叢林的根系也在改善著土壤的物理性狀，提高了土壤的滲透率和滲流速度，減少了地表徑流。

3.2 不同林地類型枯枝落葉涵養(yǎng)水源效益

3.2.1 不同林地類型枯落物的累積量 森林凋落物蓄積量和持水能力是反映森林水源涵養(yǎng)能力高低的重要因素之一。凋落物蓄積量主要取決于凋落物的輸入量、分解速度和累積年限，而森林的樹種組成不同、林分所處的水熱條件不同，均對凋落物蓄積量有較大影響[6]。祁連山林區(qū)林地枯落物特征如表3所示，枯落物現(xiàn)存量變動范圍為6.89～46.82 t/hm2，4種林地類型大小依次為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地，青海云杉林和高山灌叢林的枯落物累積量分別是祁連圓柏林的6.8和5.65倍。這主要是因為祁連圓柏林的分布生境條件差(坡度大、陽坡、蒸發(fā)損失大、放牧頻繁)等密切相關(guān);另外，河西地區(qū)群眾長期以來喜好祁連圓柏優(yōu)良的材質(zhì)用作壽木，用圓柏樹葉作焚香材料等原因，致使祁連圓柏林的枯落物蓄積量相當?shù)蚚7]。

表2 不同植被類型的土壤物理性質(zhì)

3.2.2 不同林地類型枯落物的持水能力 枯落物的持水能力多用干物質(zhì)的最大持水量和最大持水率來表示，其值的大小與林分類型、林齡、枯落物的組成、分解狀況、累積狀況等有關(guān)[8]。從表3看以看出，最大持水率的順序為:高山灌叢林(391.82%)＞青海云杉林(320.46%)祁連圓柏林(166.86%)＞牧坡草地。由調(diào)查可知，高山灌叢林地平均蓋度為0.66，林下分布著較厚的苔蘚和枯落物，形成一層厚達6～18 cm的天然蓄水層，加之高海拔降雨后產(chǎn)生的淺地表徑流由于重力作用向下匯集，使這一灌木林分布地段土壤最大持水率大于青海云杉林[9]。同時，枯枝落葉層對降雨的截留量與自身的蓄積量、組成結(jié)構(gòu)、分解程度、濕潤狀況以及降水等級等有關(guān)，截留過程是一個有限的增加過程，截留率隨降水等級的增加而減小[10]。實測資料表明，在總降水量小于434 mm的情況下，青海云杉林枯落物層共截留78.0 mm，占總降水量的17.9%，且單次降雨截留時間有時長達24 h[11]。但由于祁連山絕大多數(shù)降雨過程無法使枯枝落葉層飽和而發(fā)生蓄滿產(chǎn)流，所以森林枯枝落葉層具有良好的涵蓄降雨作用。

表3 不同森林類型枯落物現(xiàn)存量和持水能力

3.3 不同林地類型土壤的水源涵養(yǎng)能力

林地土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，林地具有大量腐根所形成的孔隙、動物孔穴和其它非毛管孔隙;同時具有較多的有機質(zhì)和水穩(wěn)性團聚體。因此，地表凋落物層截持的降水可沿著土壤孔隙下滲，貯存于土壤孔隙中或轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅?。林地土壤對降雨的調(diào)節(jié)能力主要表現(xiàn)在對降雨的動態(tài)調(diào)蓄能力(即滲透能力)和靜態(tài)調(diào)蓄能力兩方面，這兩方面功能的強弱直接影響降水經(jīng)過森林群落再分配后的時空分布狀況，尤其對地表徑流、土壤潛流以及地下水的補給有著重要影響[12]。

3.3.1 土壤滲透性能 土壤的滲透性能是土壤的重要水分物理性質(zhì)之一，也是林分水源涵養(yǎng)功能的重要指標，是將地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流、地下徑流的能力，對土壤水土保持及水源涵養(yǎng)功能影響極大[13]。它與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、有機質(zhì)、土壤濕度和溫度有關(guān)，滲透速率越大，表示降水后大部分降水很快通過非毛管孔隙轉(zhuǎn)入地下水，不易形成地表徑流，使林地水土流失得到有效控制，土壤理水調(diào)洪功能越強。

由祁連山4種植被類型土壤滲透實驗可知(表4)，青海云杉林的土壤穩(wěn)滲速率均隨土壤深度的增加而減小，祁連圓柏林、高山灌叢林及牧坡草地的土壤穩(wěn)滲速率隨土壤深度的增加先增加而減小。平均土壤穩(wěn)滲速率由大到小的順序為:青海云杉林(54.13 mm/min)＞牧坡草地(1.13 mm/min)＞高山灌叢林(1.06 mm/min)＞祁連圓柏林(0.78 mm/min);平均土壤初滲速率變動范圍為:1.90～82.93 mm/min，依次為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地。這主要是因為4種植被之間土壤非毛管孔隙度不同所致。另外，青海云杉林土壤的滲透率比其它土壤表層的滲透率要大幾百倍，滲流速度要大1 000多倍，且牧坡草地表層穩(wěn)滲率只為云杉林的0.43%，底土也只有30%。這主要是因為青海云杉林的根系和土壤之間形成粗大的孔隙，地面的枯枝落葉苔蘚層又能減輕雨滴的沖擊，長期保持土壤的孔隙不被堵塞。正是森林土壤這種良好的特性，使其涵蓄著大量大氣降水。經(jīng)測算青海云杉林地土壤層平均含水量高達324.8 mm，它可以在枯水季節(jié)補給河川徑流[14]。

表4 不同林分的土壤滲透性能

3.3.2 土壤的持水性能 土壤非毛管持水量被許多學者作為評價林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標，不同的植被類型土壤非毛管的孔隙度不同，林地的蓄水能力也不一樣[15]。

土壤非毛管持水量作為評價林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標，不同林地之間的差別較大。由表5可以看出，4種林地的土壤非毛管持水量由大到小依次為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地。且除祁連圓柏林外，其余林分各層非毛管持水量均隨土壤深度的增加而不斷減小;從持水能力的空間變化看，隨著土壤深度的增加，各森林土壤飽和持水量出現(xiàn)減小趨勢。

表5 不同林分土壤持水和蓄水特征值

土壤蓄水性能與土壤前期含水量密切相關(guān)，當土壤濕度大時，土壤蓄水量減少，即使降雨量很小，也會產(chǎn)生地表徑流。因此，把飽和蓄水量與土壤前期含水量之差作為衡量土壤涵蓄降水量的指標[16]。祁連山西水排露溝流域土壤飽和蓄水量以毛管蓄水量為主，故毛管蓄水量與土壤前期含水量之差更能反映土壤的蓄水特性，稱其為有效涵蓄量，大小與土壤涵蓄降水量一致，4種林地變化范圍為 184.98～222.27 mm，大小依次為:青海云杉林＞牧坡草地＞高山灌叢林＞祁連圓柏林。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，祁連圓柏分布在陽坡和半陽坡，微生物活動旺盛，凋落物分解快，積累相對較少，并且分布區(qū)放牧頻繁，枯落物破壞嚴重，蓄積量低，持水性較差。而青海云杉林分布在陰坡和半陰坡，凋落物積累多，再加上苔蘚層厚，枯落物補給量足，持水能力高。

4 結(jié)論

(1)不同林地類型的土壤容重和土壤孔隙度差異明顯，且土壤容重均隨土壤深度的增加而增加，土壤總孔隙度與毛管孔隙度均隨土壤深度的增加而減小。土壤容重均值的大小順序為:牧坡草地＞祁連圓柏林＞高山灌叢林＞青海云杉林。就孔隙度來看，不同林地總孔隙度變動在49.08%～71.58%之間，其中表土層的最大，均在61.3%以上;土壤下層的最小，在52.30%～74.84%之間?？偪紫抖染当憩F(xiàn)為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地。林地各土層毛管孔隙度均大于38.38%，各土層毛管孔隙度平均值的大小順序為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地。

(2)不同林地類型枯落物最大持水率由大到少依次為:高山灌叢林＞青海云杉林＞祁連圓柏林＞牧坡草地。高山灌叢林、青海云杉林的枯落物最大持水率分別為391.82%和320.46%，祁連圓柏林為166.86%。最大持水量亦表現(xiàn)為相同的性質(zhì)。最大持水量反映了林地持水能力，由此可知，高山灌叢林林地枯落物持水能力優(yōu)于青海云杉林、祁連圓柏林和牧坡草地。

(3)土壤非毛管持水量作為評價林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標，不同林地之間的差別較大。4林分的土壤非毛管持水量由大到小依次為:青海云杉林＞高山灌叢林＞祁連圓柏林＞牧坡草地。且除祁連圓柏林外，其余林分各層非毛管持水量均隨土壤深度的增加而不斷減小。

土壤蓄水性能與土壤前期含水量密切相關(guān)，當土壤濕度大時，土壤蓄水量減少，即使降雨量很小，也會產(chǎn)生地表徑流。有效涵蓄量大小與土壤涵蓄降水量一致，4種林地變化范圍為184.98～222.27 mm，大小依次為:青海云杉林＞牧坡草地＞高山灌叢林＞祁連圓柏林。

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