甘肅省興隆山天然林下苔蘚凋落物蓄積量及持水特性

李國(guó)林，魏 強(qiáng)，凌 雷，張廣忠，柴春山

（1.甘肅興隆山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 蘭州730117；2.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州730020）

苔蘚、凋落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林生態(tài)系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)上的主要功能層之一，在保持水土，調(diào)節(jié)徑流，改良土壤理化性質(zhì)等方面具有重要作用［1－2］。

苔蘚植物雖然個(gè)體較小，但常形成大片叢生或墊狀群落，枝葉交錯(cuò)形成大量毛細(xì)孔隙，具有吸水快、蓄水量大等水文作用［3］。目前，關(guān)于苔蘚的研究主要集中在生物量［4］、蓄積量［5］、持水特性［6］等方面。不同地區(qū)、不同森林類(lèi)型、不同海拔間苔蘚蓄積量差異很大；不同森林類(lèi)型間最大持水率差異很大，而不同海拔及林齡間則差異不顯著；苔蘚植物種類(lèi)不同，其持水性能也不相同［7］。苔蘚持水率均隨時(shí)間增加而增大，浸泡8～12h后趨于穩(wěn)定［8］。不同森林類(lèi)型間苔蘚持水量差別較大［9］；不同林齡間差異顯著，隨林齡增大而增加。

森林凋落物層由于結(jié)構(gòu)疏松、透水性與持水能力強(qiáng)，能吸滯通過(guò)植被而降落在地面之水，在降水過(guò)程中起著緩沖器的作用，因此在森林涵養(yǎng)水源和保持水土過(guò)程中發(fā)揮著十分重要的作用［10］。凋落物層對(duì)降水的截留作用，主要體現(xiàn)在凋落物層蓄積量和持水能力兩個(gè)方面［11］。凋落物累積量取決于植物群落生產(chǎn)力，同時(shí)依賴(lài)于氣候、土壤肥力、土壤含水量和物種組成等因素［12－14］；凋落物持水能力取決于最大持水率及累積量［15］，不同地區(qū)、不同森林類(lèi)型間最大持水量差異較大［16］。甘肅興隆山原始青杄—白樺林和青杄林主要分布于坡度＞25°的陰坡及半陰坡，林下苔蘚層及凋落物層較厚，森林水土保持和水源涵養(yǎng)功能極強(qiáng)，苔蘚凋落物層在其中發(fā)揮著重要的作用。目前，對(duì)該地區(qū)森林苔蘚凋落物層累積量及持水性能對(duì)比研究較少。為此，本文以興隆山青杄純林、青杄—白樺針闊混交林為對(duì)象，研究林下苔蘚凋落物累積量及持水特性的變化，旨在為興隆山水源涵養(yǎng)林和水土保持林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘肅興隆山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于蘭州市東南45km 處（103°50′—104°10′E，35°38′—35°58′N(xiāo)），屬于祁連山的東延余脈，東西長(zhǎng)37km、南北寬17km，總面積33 301hm2，包括興隆山全部和馬啣山北麓，海拔1 800～3 670m，是黃土高原最西端的一顆綠色巖島。該區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)半干旱氣候類(lèi)型，受地形及海拔高度的影響，研究區(qū)內(nèi)氣候差異較大，在海拔＜1 800m區(qū)域，年均降水量350mm；海拔在1 800～2 600m區(qū)域，年降水量為400～600mm；海拔在2 600～3 000m，年降水量為600～800mm［17］。地貌以石質(zhì)山地和山間谷地為主要特征，土壤由高山草甸土、亞高山草甸土、灰褐土、栗鈣土、黃綿土、新積土組成。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林類(lèi)型主要有寒溫性針葉林、落葉闊葉林、落葉闊葉灌叢林和常綠闊葉灌叢林，其中原始青杄林分布較廣，是主要群系，平均林齡在200a左右，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

2 材料與方法

2.1 研究材料

在對(duì)興隆山森林詳細(xì)踏查的基礎(chǔ)上，選該區(qū)域最為主要的青杄純林、青杄—白樺針闊混交林為對(duì)象，進(jìn)行林下苔蘚層與凋落物層水文功能的研究。每種林分內(nèi)各選5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地（20m×20m），調(diào)查環(huán)境與林分因子（表1）。

表1 興隆山不同森林類(lèi)型林地概況

青杄純林（簡(jiǎn)稱(chēng)青杄林），喬木層由青杄（Picea wilsonii）組成；灌木層由華西箭竹（Fargesia nitida）、紅毛五加（Eleutherococcus giraldii）、山生柳（Salix oritrepha）等組成。其主要分布于興隆山峽口和麻家寺海拔2 200～2 700m的陰坡及半陰坡，面積約2 800hm2。林層由喬木層、灌木層、草被層和苔蘚層組成，喬木層常由青杄組成，林下廣布華西箭竹，隨青杄齡林增大，林分密度逐漸減少（中齡林達(dá)400株／hm2），華西箭竹密度逐漸增大，最終形成青杄—華西箭竹森林類(lèi)型。林帶上部常有青海云杉、紅樺與之混生；在海拔2 600～2 700m以上的山地，青杄失去優(yōu)勢(shì)地位，成為青海云杉的伴生樹(shù)種；在海拔2 200m以下的某些地段，青杄以散生木狀生長(zhǎng)于灌叢之中。

青杄—白樺針闊混交林（簡(jiǎn)稱(chēng)青杄—白樺林），喬木層由青杄和白樺（Betula platyphylla）組成，樹(shù)種組成比例為7青杄＋3白樺；灌木層由華西箭竹、紅毛五茄、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、陜甘花楸（Sorbus koehneana）、甘肅小檗（Berberis kansuensis）等組成。

2.2 研究方法

2.2.1 苔蘚凋落物采集與蓄積量測(cè)定 在2種森林類(lèi)型每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地四角及中心5個(gè)位置設(shè)100cm×100cm樣方，全部收集苔蘚、凋落物，裝入塑料袋中并立刻稱(chēng)量，獲得其鮮質(zhì)量；同時(shí)，在樣方四邊隨機(jī)各選10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行苔蘚、凋落物總厚度的測(cè)定。將所收集的苔蘚、凋落物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干、稱(chēng)量，得到單位面積苔蘚和凋落物層干物質(zhì)量。

2.2.2 苔蘚凋落物最大持水率與持水過(guò)程測(cè)定 將自然風(fēng)干的苔蘚及凋落物分別裝入100目15cm×20cm的尼龍網(wǎng)袋中，每個(gè)網(wǎng)袋中裝約50g，每個(gè)處理5次重復(fù)。將網(wǎng)袋完全浸入清水中浸泡24h，然后取出，懸掛在空中靜置約5min，當(dāng)無(wú)水滴滴下時(shí)立刻稱(chēng)量，最后將袋中的苔蘚及凋落物烘干（75℃）稱(chēng)量，計(jì)算苔蘚及凋落物最大持水率（Rmax）。

苔蘚及凋落物持水量及吸水速率測(cè)定采用浸水法，具體方法及計(jì)算公式參考魏強(qiáng)等［18］進(jìn)行。

2.2.3 苔蘚凋落物持水能力測(cè)定 一般認(rèn)為，苔蘚及凋落物浸水24h的持水量和持水率為最大持水量和最大持水率，這是一個(gè)理論值，但在現(xiàn)實(shí)中通常采用有效攔蓄量來(lái)估算苔蘚層及凋落物層對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量，并取調(diào)整系數(shù)0.85來(lái)估算苔蘚層及凋落物層的有效攔蓄量［19］。

式中：Wmax——苔蘚及凋落物最大持水量（t／hm2）；M——苔蘚及凋落物累積量（t／hm2）；Rmax——苔蘚及凋落物最大持水率（%）。

苔蘚及凋落物有效攔蓄量：

式中：Wsv——苔蘚及凋落物有效攔蓄量（t／hm2）；Rmax——苔蘚及凋落物最大持水率（%）；R0——苔蘚及凋落物平均自然含水率（%）；M——苔蘚及凋落物累積量（t／hm2）。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel軟件繪圖及數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同森林苔蘚和凋落物厚度及累積量

由表2可以看出，興隆山2種森林苔蘚層厚度3.00和3.30cm，青杄—白樺林＞青杄林；苔蘚層生物量0.69和2.23t／hm2，兩種森林差別較大，青杄林是青杄—白樺林的3.23倍。凋落物層總厚度4.1和5.00cm，累積量22.43和30.00t／hm2，青杄—白樺林均高于青杄林。就地表苔蘚及凋落物層，總厚度7.10和8.30cm，總重量24.66和30.69t／hm2，青杄—白樺林均高于青杄林。由此可以看出，對(duì)于青杄林，雖然苔蘚層較厚、生物量較大，但苔蘚層下的凋落物層較薄，累積量較小，因此苔蘚凋落物總厚度及總量均小于青杄—白樺林。對(duì)于2種森林，在總量中苔蘚層所占比例均小于10%，由此說(shuō)明凋落物層在地表物中是最為主要的部分。

表2 不同森林類(lèi)型苔蘚凋落物累積量

3.2 不同森林苔蘚和凋落物持水過(guò)程

3.2.1 不同森林苔蘚和凋落物持水率 研究結(jié)果表明（圖1），興隆山2種森林苔蘚層和凋落物層累積持水率在開(kāi)始浸水時(shí)增加較快，0.5h后隨浸水時(shí)間的不斷增加，累積持水率增幅逐漸減慢，最后達(dá)到某一穩(wěn)定值。對(duì)于苔蘚層和凋落物層，在整個(gè)吸持水過(guò)程中，青杄—白樺林累積持水率均高于青杄林；苔蘚層累積持水率遠(yuǎn)高于凋落物層，表明苔蘚層持水率高于凋落物層。對(duì)于最大持水率，青杄林和青杄—白樺林苔蘚層分別為410.60%和419.20%，而凋落物層依次為248.15%和260.24%；苔蘚層平均最大持水率是凋落物層的1.63倍。由此可以看出，苔蘚層最大持水率明顯高于凋落物層。

圖1 不同森林類(lèi)型苔蘚凋落物持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系

3.2.2 不同森林苔蘚和凋落物持水量 由圖2可以看出，凋落物層和苔蘚層持水量明顯不同，凋落物層持水量遠(yuǎn)高于苔蘚層。凋落物層和苔蘚層持水量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致，即隨浸水時(shí)間的增加，凋落物和苔蘚累積持水量不斷增加，但前10min內(nèi)增速較快，30min后減慢，浸水10h后持水量基本趨于某一穩(wěn)定值。苔蘚層持水量，青杄林＞青杄—白樺林，最大累積持水量分別為0.91和0.29mm；凋落物層持水量，青杄—白樺林＞青杄林，2種森林差別比較明顯，最大累積持水量分別為7.81和5.57mm；凋落物層和苔蘚層平均最大累積持水量為0.60和6.69mm，凋落物層是苔蘚層的11.15倍；產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是凋落物層累積量較大，苔蘚層生物量較小所致。由此看出，對(duì)于地表層攔蓄降水功能而言，凋落物層明顯要高于苔蘚層，并且位于主導(dǎo)地位。

3.2.3 不同森林苔蘚和凋落物吸水速率動(dòng)態(tài)變化由圖3看出，在浸水前1.0h內(nèi)，2種森林苔蘚層和凋落物層吸水速率均呈直線下降趨勢(shì)。在浸水0～5min內(nèi)，2種森林凋落物層吸水速率差異較大，青杄—白樺林最大吸水速率為59.83mm／h，而青杄林為39.97mm／h；苔蘚層間2種森林則無(wú)明顯差別，分別為42.12和40.82mm／h。就苔蘚層和凋落物層整個(gè)吸水過(guò)程而言，在浸水1.0h后各森林吸水速率較小，不同時(shí)段間變化基本趨于穩(wěn)定值，說(shuō)明苔蘚和凋落物在浸水的1.0h內(nèi)特別是0.5h內(nèi)吸水速率較快，苔蘚和凋落物對(duì)降水?dāng)r蓄能力較強(qiáng)；在浸水1.0h后隨苔蘚和凋落物持水量的不斷增大，吸水速率不斷減小，苔蘚和凋落物攔蓄降水功能也明顯減弱。

圖2 不同森林類(lèi)型苔蘚凋落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系

圖3 不同森林類(lèi)型苔蘚凋落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系

3.3 不同森林苔蘚和凋落物持水能力

由表3可以看出，苔蘚層最大持水量2.89和9.16t／hm2，青杄林＞青杄—白樺林；凋落物層最大持水量為55.67和78.06t／hm2，青杄—白樺林＞青杄林；凋落物層持水量遠(yuǎn)高于苔蘚層，并且是苔蘚層的11.15倍。

表3 不同森林類(lèi)型凋落物持水能力指標(biāo)

研究表明（表3），不同森林苔蘚層最大攔蓄率402.99%和407.02%，青杄—白樺林＞青杄林；苔蘚層最大攔蓄量2.81和8.99t／hm2，青杄林是青杄—白樺林的3.20倍，產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是青杄林苔蘚層量較大所致。凋落物最大攔蓄率229.11%和237.97%，青杄—白樺林＞青杄林；凋落物最大攔蓄量51.39和71.39t／hm2，青杄—白樺林＞青杄林。凋落物層最大攔蓄量高于苔蘚層，并且是苔蘚層的10.41倍。

興隆山2種森林苔蘚層有效攔蓄率為341.24%和344.50%，青杄—白樺林＞青杄林，有效攔蓄量（深）為0.24和0.76mm，青杄林＞青杄—白樺林；凋落物有效攔蓄率為191.87%和198.95%，有效攔蓄量（深）為4.30和5.97mm，青杄—白樺林均高于青杄林。凋落物層有效攔蓄量高于苔蘚層，是苔蘚層的10.27倍。

由上述可知，對(duì)于青杄—白樺林和青杄林，雖然苔蘚層最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均高于凋落物層，但由于其累積量遠(yuǎn)小于凋落物層，因此凋落物層最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量（深）均遠(yuǎn)大于苔蘚層。由此可見(jiàn)，凋落物層在對(duì)降水二次分配及吸持降水過(guò)程中發(fā)揮重要作用，并且占主導(dǎo)地位，而苔蘚層位于次要地位。

4 結(jié)論

（1）興隆山青杄—白樺林和青杄林苔蘚及凋落物層總厚度分別為8.30和7.10cm，總重量依次是30.69和24.66t／hm2，青杄—白樺林均高于青杄林。

（2）2種森林苔蘚層最大持水率明顯高于凋落物層，但凋落物層持水量高于苔蘚層，是苔蘚層的11.15倍；苔蘚及凋落物層持水量隨浸水時(shí)間的增加而不斷增加，前10min內(nèi)增速較快，30min后減慢，浸水10h后持水量基本趨于某一穩(wěn)定值。

（3）青杄—白樺林和青杄林凋落物層最大攔蓄量、有效攔蓄量遠(yuǎn)高于苔蘚層；凋落物層在對(duì)降水二次分配及在吸持降水過(guò)程中發(fā)揮重要作用，并且占主導(dǎo)地位。

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