白龍江上游水源涵養(yǎng)林植物多樣性及土壤養(yǎng)分特征研究

丁全定，楊永紅，劉錦乾，趙 棟，羅子渝，金 煒

（1．甘肅省白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學研究所，蘭州730070；2．甘肅省白水江林業(yè)局，甘肅 隴南746400）

水源涵養(yǎng)林泛指河川、水庫、湖泊的上游集水區(qū)內(nèi)大面積的原有林（包括原始森林和次生林）和人工林，是一種復雜的森林生態(tài)系統(tǒng)，不但有森林普遍具有的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益，而且最主要的是它具有涵養(yǎng)保護水源、防止土壤侵蝕、凈化水質(zhì)和調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)服務功能。加強水源涵養(yǎng)林建設是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和水土保持的有效途徑［1］。白龍江上游水源涵養(yǎng)林地處西秦嶺與青藏高原東緣褶皺帶，整個流域山巒起伏，江河縱橫，地勢由東南向西北遞增，地形復雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，歷史上經(jīng)過大規(guī)模森林采伐以及林區(qū)內(nèi)原居民長期生產(chǎn)活動，使林區(qū)植被和土壤退化加速，生態(tài)環(huán)境惡化，滑坡、泥石流等自然災害頻發(fā)。為進一步加強白龍江上游水源涵養(yǎng)林保護利用、提高管理水平，我們進行了白龍江上游水源涵養(yǎng)林植物種類、植被類型、主要水源涵養(yǎng)林土壤養(yǎng)分含量等研究。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于白龍江上游的迭部林區(qū)和舟曲林區(qū)，該區(qū)地形復雜，高差變化劇烈，相對高程500～1 500m，絕對高程為1 500～4 900m，平均坡度為30°～35°，局部可達50°，割切嚴重，高山峽谷，是典型的西北高山地形［2］。林區(qū)氣候?qū)俦眮啛釒Т箨憹駶櫄夂?，春季天氣多變，雨量不穩(wěn)，地勢高，溫度低，云霧多，濕度大，夏季常有冰雹，冬季嚴寒。

1．2 研究方法

1．2．1 植被類型及其主要植物種類調(diào)查 以白龍江上游的迭部縣和舟曲縣林地為對象，以踏查方法進行白龍江上游林地類型調(diào)查，海拔范圍為1 700～4 400m。

1．2．2 水源涵養(yǎng)林物種多樣性調(diào)查

（1）喬木林地：對植被類型調(diào)查結果得出的8種喬木林類型，每種根據(jù)不同地形地貌設置1～2個具有代表性的標準樣地，樣地面積為20m×30 m，逐個進行種類、高度、冠幅等調(diào)查測定，之后再在樣地4角分別設置5m×5m灌木樣方1個，調(diào)查測定灌木、草本層蓋度、植物種類、高度、生物量等，樣地、樣方調(diào)查同時，測定記載林地郁閉度、海拔、坡形、坡向、坡位、土層厚度等環(huán)境資料。共設置喬木林樣地19個，喬木林地灌木樣方36個。

（2）灌木林地：灌木林地在不同地形地貌、生長狀況等地段共設置12個樣方，樣方面積、調(diào)查內(nèi)容與方法等和喬木林地灌木樣方相同。

物種多樣性調(diào)查共設置喬木樣地19個，灌木樣方48個（其中喬木林地36個，灌木林地12個）。

1．2．3 林地土樣采集和理化性狀測定 在進行林地物種多樣性調(diào)查的同時，在每樣地四周設4個采樣點，挖取80cm深土壤剖面，觀察土壤厚度、類型、組成等，再按0～20cm、20～40cm共2層分別采集土樣，每層重復3次，每樣地分層混合土樣進行理化性狀測定。共挖土壤剖面及取樣坑136個。測定指標包括有機質(zhì)含量、堿解性氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、pH 值、電導率、風干土含水率，測定方法為經(jīng)典或常規(guī)測定法［13］。

1．2．4 林地物種多樣性計算 采用物種豐富度（S）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon＇s diversity index）H、辛普森多樣性指數(shù)（Simpson＇s diversity index）D、Pielou 均用一度指數(shù)（Species Evenness）J 等指標及其計算方法［14］。

2 結果與分析

2．1 白龍江上游水源涵養(yǎng)林植物種類

經(jīng)調(diào)查，白龍江上游主要木本植物共42個科91個屬136個種，其中發(fā)現(xiàn)國家一類珍稀瀕危保護樹種2種：紅豆杉（Taxus cuspidata）、獨葉草（Kingdonia uniflora）；國家二類珍稀瀕危保護樹種18種：岷江柏木（Cupressus chengiana）、麥吊云杉（Picea brachytyla）、大果青杄（P．neoveitchii）、紫果云杉（Piceapurpurea Mast）、秦嶺冷杉（Abies chensiensis）、紅杉（Larix potaninii）、粗榧（Cephalotaxus sinensis）、杜仲（Eucommia ulmoides）、連香樹（Cercidiphyllum japanlcunl）、水青樹（Tetracentron sinense）、厚樸（Magnolia officinalis）、青檀（Pteroceltis tatarinowii）、樟樹（Cinnamomum camphora ）、華榛（Corylus chinensis）、錦繡杜鵑（Rhododendron pulchrum）、金背杜鵑（Rhododendron clementinae）、水曲柳（Fraxinus mandschurica）、刺五加（Eleutherococcus senticosus）。

2．2 白龍江上游植被類型及其不同海拔分布特征

白龍江上游植被類型依據(jù)不同的海拔高度依次為干熱河谷灌叢、闊葉混交林、針葉闊葉混交林、針葉林、高山灌叢、高山草甸（表1），垂直帶譜明顯。

（1）高山灌叢草甸：海拔3 400～3 800m。陰坡和半陰坡分布有以山光杜鵑、金背杜鵑、烈香杜鵑、高山柳為建群樹種的陰性灌叢樹種，林下分布有蒿草、苔蘚等極耐陰濕的植物種群；陽坡、半陽坡則分布有針茅、苔草及禾本科植物，伴生有薔薇、花楸、珍珠梅、金露梅、小檗、錦雞兒等灌叢，平均蓋度90%。3 800m以上多為裸巖及物理風化流石灘。

（2）高山針葉林：海拔3 000～3 400m，是白龍江流域林型的最高海拔植被分布帶。在自然條件下形成森林復合景觀，巴山冷杉、青杄、青海云杉、粗枝云杉是該分布帶的主要建群樹種，林下植被組成單一，冷杉、青杄、云杉幼苗天然更新。陰坡、半陰坡生境比較溫潤，主要為巴山冷杉或青杄形成單層純林，林下分布有金背杜鵑、山光杜鵑、金露梅、銀露梅、忍冬和薔薇等灌木以及苔蘚、苔草等；在氣候相對溫熱的地區(qū)，還分布有少量山楊、樺樹等針闊混交林。陽坡、半陽坡比較干燥，主要建群種為針茅和其他禾本科草類，零星分布有高山柏、沙棘灌叢。

（3）暗針葉林：海拔2 600～3 000m，是白龍江流域主要的針葉植被分布帶。陰坡、半陰坡主要樹種有紫果云杉、青海云杉、粗枝云杉、青杄、油松等；下木主要有箭竹、忍冬、黃刺玫、峨眉薔薇、扁刺薔薇、繡線菊、珍珠梅、山楂、茶鑣子、遼東櫟、康定柳等。陰坡2 800～3 000m有大面積的紅樺純林，楊樹純林；陰坡2 600～2 700m主要為油松單層純林，林下灌木單一，主要為黃刺玫、峨眉薔薇、扁刺薔薇和忍冬，生境比較溫潤的草本分布茂盛。在石崖上或陽坡下部常有柏樹、樺樹、楊樹、遼東櫟、沙棘形成片狀林。

（4）針闊混交林：海拔2 200～2 600m，水熱條件相對較好，適宜喬木、灌木生長，是白龍江流域樹種最豐富，群落類型最多的植被帶。陰坡、半陰坡主要樹種有油松、華山松、鐵杉、青杄、遼東櫟、山楊、甘肅楓楊、白樺、紅樺、糙皮樺、漆樹、槭樹等針闊葉樹的混交林；林下主要有箭竹、青海柳、川滇柳、毛榛、刺葉高山櫟、甘肅小檗、黃蘆木、茶鑣子、繡線菊、珍珠梅、栒子、懸鉤子、峨眉薔薇、扁刺薔薇、胡枝子、忍冬、衛(wèi)矛、莢蒾、山楂、沙棘等灌叢。在溝谷河灘地帶分布人工撫育栽植的楊樹林和油松林。

（5）干熱河谷灌叢：海拔1 800～2 200m，陰坡溫涼濕潤，土層深厚肥，主要為楊樹，川滇柳、繡線梅、胡枝子、木姜子、薔薇等喬木或灌木；陽坡炎熱干燥，土壤淺薄貧瘠，其水熱條件不能滿足喬木、灌木生長。地表為灌叢草地，主要為錦雞兒、遼東櫟、沙棘、小檗及禾本科草本植物等。

表1 不同林型的水源涵養(yǎng)林

2．2 不同類型水源涵養(yǎng)林物種多樣性特征

據(jù)調(diào)查（表2），白龍江上游不同類型水源涵養(yǎng)植物物種豐富度為6～24，闊葉混交林最高，杜鵑灌叢林和杜鵑－冷杉混交林最低；物種豐富度變化總趨勢表現(xiàn)出隨海拔升高而降低，闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉林。香農(nóng)多樣性指數(shù)（H）0．8695～2．7385，干熱河谷灌叢最高，杜鵑灌叢最低；不同林型之間變化趨勢與物種豐富度相似。辛普森多樣性指數(shù)（D）0．3096～0．9848，冷杉－青杄混交林最高，油松林最低。Pielou均一度指數(shù)（J）為0．4468～0．9141，干熱河谷灌叢最高，杜鵑灌叢最低。從這4個指標總體來看，白龍江上游不同類型水源涵養(yǎng)林物種多樣性干熱河谷灌叢最高，天然闊葉混交林次之，樺樹遼東櫟闊葉混交林、油松闊葉混交林、青杄冷杉混交林較大，杜鵑灌叢林和杜鵑－冷杉混交林最低。觀察還發(fā)現(xiàn)，樺樹闊葉混交林中，白樺生長較差，病蟲害嚴重，糙皮樺死亡現(xiàn)象嚴重，而樺樹－云杉混交林，生長較好，病蟲害輕。青杄－冷杉混交林，物種豐富，分布較均勻，但生長勢弱，枯枝落葉多未分解，林下灌木稀疏。

針葉純林由于針葉樹種自身的缺陷，如枯落物分解困難、自肥能力較差等，涵養(yǎng)水源和保持水土能力相對于針闊混交林要差［10］。因此，為提高林地物種多樣性和保持水土、涵養(yǎng)水源能力，在進行人工造林或森林撫育時，可根據(jù)立地條件和樹種生物學特性，盡量多營造針闊混交林或闊葉混交林。

表2 不同林型水源涵養(yǎng)林群落物種多樣性指數(shù)

2．3 不同水源涵養(yǎng)林土壤養(yǎng)分含量

土壤有機質(zhì)含量和全N含量作為土壤養(yǎng)分中最主要的兩個指標［13］，其含量高低直接影響土壤的肥力狀況，進而影響植物的生長發(fā)育水平及其生態(tài)穩(wěn)定性。從表3可以看出，白龍江上游不同水源涵養(yǎng)林土壤有機質(zhì)含量為1．71%～25．19%，干熱河谷灌叢最高，冷杉－青杄混交林最低，杜鵑－冷杉混交林、樺樹－遼東櫟混交林、油松－闊葉混交林也較高。土壤全N含量為0．94～8．90g·kg－1，干熱河谷灌叢最高，冷杉－青杄混交林最低，杜鵑－冷杉混交林和油松－闊葉混交林也較高。從有機質(zhì)含量和全N含量看，干熱河谷灌叢土壤養(yǎng)分最好，其次為杜鵑－冷杉混交林和油松－闊葉混交林，冷杉－青杄混交林最最差。

同林地不同深度土壤養(yǎng)分含量存在差異，在從0～20cm至20～40cm過渡中，其中有機質(zhì)含量、全氮、堿解氮含量、速效磷、速效鉀和風干土含水率都在顯著降低。尤其以土壤有機質(zhì)含量（圖1）、全氮含量（圖2）變化變化最為顯著。

土壤有機質(zhì)和全氮含量變化與土壤pH值變化比較分析發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)和全氮含量較高的土壤其pH值較小，土壤呈弱酸性或中性（圖3），如杜鵑冷杉混交林和樺樹—遼東櫟闊葉混交林養(yǎng)分含量較高，pH值都較小，而養(yǎng)分含量最低的冷杉－青杄混交林pH 值卻最高（9．17）。

圖1 不同林型的不同層次土壤有機質(zhì)含量

圖2 不同林型的不同層次土壤含N含量

3 結論

白龍江上游主要木本植物共42個科91個屬136個種，其中國家保護植物20種；不同海拔高度植被垂直帶譜明顯，由低到高依次為干熱河谷灌叢、針闊混交林、暗針葉林、高山針葉林、高山灌叢草甸。不同類型水源涵養(yǎng)植物物種豐富度為6～24，香農(nóng)多樣性指數(shù)（H）0．8695～2．7385，辛普森多樣性指數(shù)（D）0．3096～0．9848，Pielou均一度指數(shù)（J）為0．4468～0．9141，物種多樣性天然干熱河谷灌叢最高，天然闊葉混交林次之，樺樹遼東櫟闊葉混交林、油松闊葉混交林、青杄冷杉混交林較大，杜鵑灌叢林和杜鵑－冷杉混交林最低。不同水源涵養(yǎng)林土壤有機質(zhì)含量為1．71%～25．19%，全 N含量為0．94～8．90g·kg－1，養(yǎng)分狀況干熱河谷灌叢土壤養(yǎng)分最好，其次為杜鵑－冷杉混交林和油松－闊葉混交林，冷杉－青杄混交林最最差。

表3 不同林型的水源涵養(yǎng)林土壤理化特征

干熱河谷灌叢物種多樣性高，但以灌木為主，灌層高度不超過3m，土壤肥力處于中下水平，且因在河谷階地處，放牧對植被破壞較大。闊葉混交林（樺木、遼東櫟等）多樣性水平次之，層高度不小于15m，但土壤肥力高，有利于土壤改造及幼林撫育。構建水源涵養(yǎng)林，以營造針闊混交林為主，合理搭配云杉、青杄、樺樹、楊樹等樹種，對提高林下灌木層物種多樣性水平具有重要作用，而針葉純林的物種多樣性則較差。建議在撫育和封育時，人為傾向于針葉純林的改造，對針葉純林補植闊葉樹種進行林分改造。

物種多樣性指數(shù)與土壤特征的關系較為復雜，本研究結果表明，土壤有機質(zhì)含量、堿解性氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量、束縛水含量的高低與香農(nóng)多樣性指數(shù)（H）、Pielou均一度指數(shù)（J）、辛普森多樣性指數(shù)（D）水平的極大值呈負相關，與多樣性水平的極小值呈正相關，這與肖德榮［12］等的研究結果相似。不同林型的土壤養(yǎng)分特征差異達到極顯著性水平，闊葉混交和針闊混交對提高土壤質(zhì)量作用顯著，尤其以天然闊葉混交林的養(yǎng)分狀況最好，而天然冷杉和青杄混交林的養(yǎng)分最差。因此，在白龍江上游區(qū)域，以營造水源涵養(yǎng)林為目的營林或幼林撫育，在針葉純林中栽植闊葉林構建針闊混交林，對闊葉混交林多進行人為干預，進行不定期修枝、割灌、鋤草，從而更有力于植物的生長發(fā)育，提高水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能。Gentry［16］認為隨著土壤肥沃程度的增加，群落的物種多樣性也逐漸增加。本文研究結果為針闊混交林（云杉混交林）和闊葉混交林物種多樣性和土壤肥力差異均極顯著，物種多樣性與土壤質(zhì)量相關性尤其顯著。因此，在以后的水源涵養(yǎng)林營林中，可將調(diào)查物種多樣性和檢測土壤特征因子作為選擇宜林地或林地改造參考條件或營林作業(yè)成功與否的重要評價指標之一。

［1］陳偉，李山東，薛立．水源涵養(yǎng)林的功能和效益綜述［J］．山西林業(yè)科技，2004（6）：2．

［2］尹祚棟，赫卓峰，姚剛．白龍江洮河林區(qū)綜合考察報告［J］．甘肅林業(yè)科技，1990，（2）：16－20．

［3］李占軍．白龍江林區(qū)水源涵養(yǎng)林天然更新情況調(diào)查［J］．陜西林業(yè)科技，2004，（3）：30－33．

［4］鞏文．洮河林區(qū)云、冷杉林分類型的多樣性及穩(wěn)定性［J］．中南林學院學報，2003，23（2）：71－75．

［5］白星．白龍江上游云、冷杉林密度控制及經(jīng)營決策的研究［J］．甘肅林業(yè)科技，1996（4）：59－62．

［6］羅榮軍．甘肅白龍江林區(qū)生物多樣性及其保護策略［J］．甘肅科技，2008，24（14）：168－170．

［7］艾麗，吳建國，劉建泉，等．土壤有機碳和全氮含量及其與海拔、植被和氣候要素的關系——以祁連山中段北坡為研究對象［J］．中國園藝文摘，2010（3）：27－33．

［8］吳建國，艾麗．土壤顆粒組分中氮含量及其與海拔和植被的關系［J］．林業(yè)科學，2008，44（6）：10－19．

［9］安樹青，王崢峰，朱學雷．土壤因子對次生森林群落物種多樣性的影響［J］．武漢植物學研究，1997，15（2）：143－150．

［10］王凱博，陳美玲，秦娟．子午嶺植被自然演替中植物多樣性變化及其與土壤理化性質(zhì)的關系［J］．西北植物學報，2007，27（10）：2089－2096．

［11］王長庭，曹廣民，王啟蘭，等．三江源地區(qū)不同建植期人工草地植被特征及其與土壤特征的關系［J］．應用生態(tài)學報，2007，18（11）：2426－2431．

［12］肖德榮，田昆，張利權．滇西北高原納帕海濕地植物多樣性與土壤肥力的關系［J］．生態(tài)學報，2008，28（7）：3116－3124．

［13］國家林業(yè)局．中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準－森林土壤分析方法［M］．北京：中國標準出版社，2000．

［14］章家恩．生態(tài)學常用實驗研究方法與技術［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2006．

［15］李生寶，王占軍，王月玲等．寧南山區(qū)不同生態(tài)恢復措施對土壤環(huán)境效應影響的研究［J］．水土保持學報，2006，20（4）：20－22．

［16］GENTRY A H．Endemism in Tropical vs．Temperate Plant Communi ties in Soule［M］．Sunderland，Massachusetts：Conservation Biology，Sinauer Press，1986：153－181．