祁連山排露溝流域典型植被類型的水源涵養(yǎng)功能差異

胡　健，呂一河，張　琨，陶蘊(yùn)之，李　婷，任艷嬌

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049 3 浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，金華　321004

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祁連山排露溝流域典型植被類型的水源涵養(yǎng)功能差異

胡健1,2，呂一河1,*，張琨1,2，陶蘊(yùn)之3，李婷1,2，任艷嬌1,2

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049 3 浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，金華321004

摘要:土壤水分是“綠水”重要的儲(chǔ)存，連接植被與水文系統(tǒng)的紐帶。水源涵養(yǎng)功能是山地生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，這種功能主要體現(xiàn)是生態(tài)系統(tǒng)將水分保持在系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)程和能力，并受多種因素的影響(如植被類型、土壤類型和地形)。通過(guò)對(duì)祁連山排露溝流域的土壤屬性、土壤溫濕度和降雨2個(gè)生長(zhǎng)季的野外調(diào)查與觀測(cè)，以及計(jì)算水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)來(lái)評(píng)估3種典型植被類型土壤水分涵養(yǎng)能力的差異。研究結(jié)果：(1) 灌叢和青海云杉林下有機(jī)質(zhì)、粉粒和砂粒含量、田間持水量、飽和持水量和孔隙度等土壤屬性值高于草地，而土壤容重和粘粒含量低于草地；(2) 青海云杉林的根區(qū)土壤累計(jì)入滲量高于灌叢和草地，草地土壤水分損失較灌叢和青海云杉林更快；(3) 整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)青海云杉林和灌叢土壤濕度明顯高于草地濕度，青海云杉林的水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)值多大于1。這些結(jié)果表明青海云杉林較灌叢和草地具有更強(qiáng)的水源涵養(yǎng)能力。因此，研究結(jié)果能為國(guó)內(nèi)干旱區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)的流域生態(tài)系統(tǒng)管理與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：祁連山；排露溝；土壤水分；水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)；可持續(xù)發(fā)展；綠水

瑞典水文學(xué)家Falkenmark在1995年提出“藍(lán)綠水”概念，并在2006年根據(jù)“藍(lán)綠”水通量進(jìn)一步豐富概念，這一概念強(qiáng)調(diào)了土壤水作為“綠水”重要組成，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有著重要作用，有助于水資源的可持續(xù)利用和管理，特別是水資源短缺地區(qū)[1- 3]。在“藍(lán)綠水”框架下，植被根區(qū)土壤水分和生態(tài)系統(tǒng)是“綠水”重要的儲(chǔ)存，“綠水流”直接與生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)有關(guān)，有著重要的生態(tài)功能，影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的產(chǎn)生和供給、權(quán)衡，而“藍(lán)水”貢獻(xiàn)給徑流和地下水，“藍(lán)水”能再次轉(zhuǎn)化為“綠水”，特別是通過(guò)灌溉農(nóng)業(yè)影響糧食生產(chǎn)[4- 6]。因此，山區(qū)土壤水分消耗不僅影響山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的自我維持，而且影響中下游地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)安全。

山地生態(tài)系統(tǒng)作為重要的水源區(qū)，具有水文調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，而水源涵養(yǎng)功能是山地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要功能之一[7- 8]。水文調(diào)節(jié)與水源涵養(yǎng)相比，水源涵養(yǎng)應(yīng)該是生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)服務(wù)的一部分，是生態(tài)系統(tǒng)在一定的時(shí)空范圍和條件下，將水分保持在系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)程和能力，在多種因素的作用下(如生態(tài)系統(tǒng)類型、 地形、 海拔、 土壤、 氣象等)具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性特征[9]。關(guān)于水源涵養(yǎng)功能的研究多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)，特別是森林林分結(jié)構(gòu)、土壤屬性和不同林地類型對(duì)水源涵養(yǎng)功能的影響，但是山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被類型并不是單一的森林植被[10- 16]。山地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能是通過(guò)不同植被類型對(duì)土壤中“綠水”的涵養(yǎng)作用來(lái)體現(xiàn)的，主要表現(xiàn)在土壤水分的動(dòng)態(tài)變化[17]。同時(shí)土壤水分受降雨、植被類型、土壤屬性和地形等多種因素影響，其中降雨入滲過(guò)程、土壤水分損失是影響土壤-植被連續(xù)體“綠水”儲(chǔ)存的主要分量。大氣降水經(jīng)入滲過(guò)程轉(zhuǎn)化為土壤-植被連續(xù)體中的“綠水”，“綠水”再通過(guò)植被的蒸騰和土壤的蒸發(fā)與地表徑流從土壤-植被連續(xù)體中損失，形成大氣和徑流中的“藍(lán)水”，大氣水汽經(jīng)大尺度大氣水文循環(huán)產(chǎn)生降水形成循環(huán)[4- 5]。其中土壤屬性和植被類型是影響土壤水分對(duì)降雨響應(yīng)和土壤水分保持與儲(chǔ)存兩個(gè)最主要的影響因子，并且土壤屬性與植被類型是相互影響的，植被類型的差異影響土壤的一系列物理化學(xué)性質(zhì)，如有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重等，土壤屬性又通過(guò)影響土壤對(duì)水分的保持與儲(chǔ)存影響植被的生理生態(tài)功能，如根系吸收、蒸騰等[18- 22]。因此，為了更好的理解祁連山典型植被水源涵養(yǎng)功能差異，有必要對(duì)不同植被類型下土壤對(duì)水分的保持與儲(chǔ)存進(jìn)行研究。本文選擇祁連山排露溝小流域3種典型植被對(duì)其土壤溫濕度和降雨進(jìn)行野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究不同植被類型對(duì)土壤水分涵養(yǎng)功能的差異，主要關(guān)注降雨入滲和土壤水分損失過(guò)程，希望能提高對(duì)不同植被類型水源涵養(yǎng)功能差異的理解，為流域生態(tài)系統(tǒng)管理與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1研究區(qū)概況

祁連山排露溝小流域位于大野口流域東北部，祁連山地區(qū)中段北麓，甘肅省張掖市區(qū)以南約50 km，肅南裕固族自治縣境內(nèi)，毗鄰張掖市甘州區(qū)花寨鄉(xiāng)(圖1)。地理位置在38°32′—38°33′ N，100°17′—100°18′ E，小流域面積為2.82 km2，流域海拔2600—3800 m，屬高寒山地森林草原氣候。根據(jù)地面氣象站數(shù)據(jù)，年平均氣溫為5.4 ℃，最低月平均氣溫為-12.5 ℃，最高月平均氣溫在19.6 ℃左右，且隨著海拔升高，氣溫以 0.58 ℃/100 m 的速率遞減；年降水量為300—500 mm (2002—2011年10年間，最低值出現(xiàn)在2004年為289.7 mm，最高值出現(xiàn)在2007年為550.9 mm)，多集中在6—9 月份 (占全年80%左右)，且存在隨海拔升高而增加的趨勢(shì)[17]。土壤呈現(xiàn)明顯的垂直分異，土壤類型從低海拔到高海拔依次為砂夾石、山地栗鈣土、山地森林灰褐土、灌叢草甸土、裸巖，其中，砂夾石主要分布在流域出口處，平均土層厚度 15 cm；山地栗鈣土主要分布在海拔 2720—3000 m 的陽(yáng)坡，平均土層厚度 40 cm；山地森林灰褐土主要分布在海拔 2600—3300 m 的陰坡，平均土層厚度 67 cm；灌叢草甸土分布在海拔 3300—3770 m 的亞高山地帶，平均土層厚度 44 cm；裸巖零星分布于海拔 3090—3770 m 的亞高山地帶。植被主要有青海云杉(Piceacrassifolia)林、灌叢、草地和少量祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)林，其中青海云杉林呈片狀分布于2400—3300 m的陰坡、半陰坡，土壤為山地灰褐土，陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡為山地草原，伴生有小灌木。高海拔(3300—3800 m)區(qū)主要為濕性灌木林，主要種類有箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)、忍冬(Laniceraspp)、高山繡線菊(Spiraeaglacia)等，土壤為亞高山灌叢草甸土和高山草甸土。在陽(yáng)坡3900 m和陰坡3800 m以上至山頂，主要生長(zhǎng)稀疏墊狀植被，大面積為裸巖，土壤為高山草甸土和高山寒漠土[23- 25]。

圖1　研究區(qū)位圖以及3種植被類型Fig.1　Location map of the study area and three typical vegetation types

2材料與方法

2.1樣地選擇與數(shù)據(jù)采集

祁連山排露溝流域植被分布格局呈現(xiàn)明顯的斑塊格局，即青海云杉林分布于陰坡、半陰坡，草地僅分布與陽(yáng)坡，灌叢分布于陰坡、半陰坡，緊鄰青海云杉林，3種植被類型對(duì)土壤水分的保持與儲(chǔ)存能力是理解小尺度生態(tài)水文過(guò)程的基礎(chǔ)，也是流域尺度生態(tài)水文過(guò)程模擬的重要內(nèi)容。因此，通過(guò)對(duì)3種典型植被的土壤溫濕度和降雨進(jìn)行野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究不同植被類型對(duì)土壤水分涵養(yǎng)功能的差異，主要內(nèi)容包括土壤溫濕度剖面差異、降雨入滲和土壤水分損失過(guò)程，并計(jì)算水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)。在海拔高度2900 m，選擇3種典型植被類型的樣地進(jìn)行野外觀測(cè)研究，分別是草地、灌叢和青海云杉林(圖1)。青海云杉林(Piceacrassifolia)，分布在陰坡，多為中齡林和近成熟林, 郁閉度為0.6左右，坡度為25°；灌叢主要植物種是金露梅(Potentillafruticosa)，分布在青海云杉林邊緣，郁閉度為0.4左右，坡度為15°；草地主要有珠芽蓼(Polygonumviviparum)、苔草(Carex)、針茅(Stipacapillata)、蒿(Artemisiaselengensis)、棘豆(Oxytropis)、馬藺(Irislacteal)等草本植物覆蓋，分布于陽(yáng)坡，坡度為30°。在野外安裝土壤溫濕度探頭之前，先挖土壤剖面，取土樣，通過(guò)烘干法、激光粒度儀(Mastersizer 2000)和重鉻酸鉀外加熱法等方法，測(cè)量了土壤容重、粒徑組成、有機(jī)質(zhì)含量、田間持水量、飽和持水力和孔隙度等土壤指標(biāo)。3種典型植被類型的土壤屬性差異見(jiàn)表1。

表1　3種植被類型下土壤屬性差異

在選擇樣地內(nèi)，采用自記錄雨量筒和土壤水分溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別記錄降雨量和土壤溫濕度的動(dòng)態(tài)變化。自記錄雨量筒的記錄閾值為0.2 mm，即雨量達(dá)到0.2 mm記錄1次，少于0.2 mm該系統(tǒng)不記錄。3組土壤水分溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(H21，Decagon Devices Inc., Pullman, WA)分別對(duì)3種植被下的土壤溫濕度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每組土壤水分溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(H21)各配備5組土壤水分傳感探頭(S-SMC-M005)和5組土壤溫度傳感探頭(S-TMB-M006)，全部按照土壤剖面0—10、10—20、20—40、40—60、 60—80 cm 進(jìn)行埋設(shè)，并通過(guò)HOBO氣象站(HOBO weather station logger)來(lái)記錄數(shù)據(jù)，按照15min/次采樣頻率。野外觀測(cè)期主要集中在2013和2014年的生長(zhǎng)季(6月—9月)，其中除了2014年灌叢0—10 cm土壤濕度探頭損壞。

2.2數(shù)據(jù)處理與分析

(1)降雨事件篩選根據(jù)根區(qū)土壤水分對(duì)單次降雨或多次連續(xù)降雨的脈動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)弱，選擇較強(qiáng)的土壤水分脈動(dòng)事件，其中具有較強(qiáng)的土壤水分脈動(dòng)事件時(shí)間段內(nèi)所對(duì)應(yīng)日降雨量累計(jì)為該次降雨事件的降雨總量，即降雨事件是包含多日降雨量，并引起了土壤水分強(qiáng)的脈動(dòng)響應(yīng)。在2013和2014年的生長(zhǎng)季一共篩選了9次引起根區(qū)土壤水分強(qiáng)的脈動(dòng)響應(yīng)的降雨事件(表2)。

表2　根據(jù)降雨脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)篩選的降雨事件以及土壤脈動(dòng)的響應(yīng)

θRZi： 土壤水分脈動(dòng)前期的初始根區(qū)土壤水分含量; θRZmax： 降雨事件引起土壤水分脈動(dòng)的最大根區(qū)土壤含水量;θRZe： 降雨事件后土壤濕度降到最低時(shí)的根區(qū)土壤水分含量

(2)根區(qū)土壤累計(jì)入滲量計(jì)算根據(jù)根區(qū)土壤水分對(duì)降雨事件響應(yīng)的前后土壤水分含量變化計(jì)算根區(qū)土壤累計(jì)入滲量IRZ，即

IRZ=(θRZmax-θRZi)D

(1)

式中,θRZmax是降雨事件引起土壤水分脈動(dòng)的最大根區(qū)土壤含水量(cm3/cm3)，θRZi是土壤水分脈動(dòng)前期的初始根區(qū)土壤水分含量(cm3/cm3)，D是土壤水分測(cè)量深度(80 cm)[26]。

(3)根區(qū)土壤水分累計(jì)損失量計(jì)算根據(jù)根區(qū)土壤水分對(duì)降雨事件響應(yīng)到達(dá)最高點(diǎn)、其后最低點(diǎn)之差和根區(qū)深度的乘積來(lái)計(jì)算根區(qū)土壤水分累計(jì)損失量CWLRZ，即

CWLRZ=(θRZmax-θRZe)D

(2)

式中,θRZmax是降雨事件引起土壤水分脈動(dòng)的最大根區(qū)土壤含水量(cm3/cm3)，θRZe是降雨事件后土壤濕度降到最低時(shí)的根區(qū)土壤水分含量(cm3/cm3)，D是土壤水分測(cè)量深度(80 cm)[21]。

(4)水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)(conservation of water resources，CWR)降雨經(jīng)入滲過(guò)程轉(zhuǎn)化為土壤-植被連續(xù)體中的“綠水”，“綠水”再通過(guò)植被的蒸騰和土壤的蒸發(fā)與地表徑流從土壤-植被連續(xù)體中損失，模式如圖2，定義水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)為每次土壤水分脈動(dòng)事件下根區(qū)土壤累計(jì)入滲量與根區(qū)土壤水分累計(jì)損失量的比值，即

(3)

各物理量的含義公式(1)、(2)中一致，其中當(dāng)CWR>1，說(shuō)明土壤-植被連續(xù)體涵養(yǎng)了水源，而CWR≤1，說(shuō)明土壤-植被連續(xù)體收入等于或小于水分損失，未能涵養(yǎng)水源。

圖2　水文與藍(lán)綠水流循環(huán)模式圖Fig.2　The framework of hydrological cycle and ‘blue and green’ flow cycle

本文中圖全部通過(guò)OriginPro軟件9.0版本制作(OriginLab Corporation, Northampton, U.S.A.)，而土壤溫濕度數(shù)據(jù)分析通過(guò)SPSS軟件21.0版本(SPSS Inc., Chicago, IL)進(jìn)行。對(duì)不同植被類型下土壤溫濕度進(jìn)行單因素方差分析和多重比較(LSD方法)，并對(duì)根區(qū)土壤累計(jì)入滲量與降雨事件強(qiáng)弱，以及根區(qū)土壤水分累計(jì)損失量與根區(qū)土壤溫度進(jìn)行線性相關(guān)分析和線性擬合的單因素方差分析。

3結(jié)果與分析

3.1典型植被下土壤屬性差異與生長(zhǎng)季土壤溫濕度變化

通過(guò)對(duì)3種植被類型下的土壤屬性分析，結(jié)果表明草地粘粒和粉粒百分比含量都高于灌叢和青海云杉林，分別為2.2%和80.27%，而砂粒含量草地最低；土壤有機(jī)質(zhì)含量灌叢和青海云杉林高于草地，分別為62.72%和54.83%，而土壤容重與其相反，灌叢、青海云杉林和草地依次增加；與土壤水分保持有關(guān)的飽和持水量和孔隙度等土壤屬性按灌叢、青海云杉林和草地的順序依次降低，而田間持水量青海云杉林最高。

根據(jù)2013和2014生長(zhǎng)季對(duì)3種典型植被類型土壤濕度的野外觀測(cè)，在0—80 cm 根區(qū)的土壤濕度均值有明顯差異，從大到小依次是灌叢、青海云杉林和草地(圖3,圖4)。與此同時(shí)，3種典型植被生長(zhǎng)季土壤濕度在各土壤層上有著顯著差異，P<0.001(圖5,圖6)。單因素方差分析表明除了2014年生長(zhǎng)季青海云杉林與灌叢在40—60 cm土壤深度的土壤濕度，以及青海云杉林與草地在60—80 cm 土壤深度的土壤濕度差異不顯著，其余各土壤層的土壤濕度有顯著差異，其中青海云杉林與灌叢在0—60 cm各土壤層都具有較高的土壤濕度，除了在60—80 cm 土壤深度青海云杉林的土壤濕度較低。除此之外，3種典型植被生長(zhǎng)季土壤濕度沿土壤剖面也有著明顯的規(guī)律性。在草地，10—20 cm土壤深度的土壤濕度值最高，土壤濕度沿10 cm到80 cm土壤深度依次減少；在灌叢，表層土壤到20—40 cm土壤層的土壤濕度依次升高，在20—40 cm的土壤濕度值最大，往更深土壤深度的土壤濕度依次減小；在青海云杉林，0—60 cm土壤深度的土壤濕度隨深度增加升高，60—80 cm土壤深度的土壤濕度最低，2013、2014年該層生長(zhǎng)季土壤濕度均值分別為0.086、0.114 m3/m3。這些結(jié)果說(shuō)明在祁連山區(qū)植被類型對(duì)土壤濕度有著顯著的影響，灌叢與青海云杉具有較高的土壤水分含量，有著較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)的功能。

圖3　2013生長(zhǎng)季3種植被類型土壤溫濕度動(dòng)態(tài)變化Fig.3　Soil moisture and soil temperature dynamics under three vegetation types during the growing season in 2013

圖4　2014生長(zhǎng)季3種植被類型土壤溫濕度動(dòng)態(tài)變化Fig.4　Soil moisture and soil temperature dynamics under three vegetation types during the growing season in 2014

根據(jù)2013和2014生長(zhǎng)季對(duì)3種典型植被類型土壤溫度野外觀測(cè)，3種植被在0—80 cm 根區(qū)的土壤溫度均值有明顯差異，從高到底的順序是草地、灌叢和青海云杉林(圖3,圖4)。3種典型植被的生長(zhǎng)季土壤溫度在各土壤剖面土壤層上也有著顯著差異，各土壤層的土壤溫度高低順序均是：草地>灌叢>青海云杉林(圖5,圖6)。除此之外，3種典型植被生長(zhǎng)季土壤溫度沿土壤剖面的變化規(guī)律一致，在0—80 cm土壤深度的土壤溫度隨土壤深度的增加而依次降低。這些結(jié)果表明在地形和植被類型的影響下，草地比灌叢和青海云杉林兩種植被類型接收更多的熱量，并且各植被類型下的土壤熱量沿剖面依次降低。

3.2典型植被下土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)差異

3種植被類型的土壤水分對(duì)強(qiáng)降雨都有著明顯響應(yīng)，特別是幾天的連續(xù)降雨，但是沿土壤剖面各土壤層對(duì)降雨的響應(yīng)存在差異，表層土壤相比深層土壤響應(yīng)更快，草地比青海云杉林和灌叢的土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)更快(圖3,圖4)。在草地，土壤表層(0—20 cm)對(duì)強(qiáng)降雨事件有著及時(shí)的響應(yīng)，20—40 cm土壤層響應(yīng)滯后于土壤表層，而深層土壤40—60 cm和60—80 cm的土壤水分很少受強(qiáng)降雨的補(bǔ)給，主要是上層土壤在重力作用下往深層土壤補(bǔ)給，從而使得土壤濕度的剖面特征沿土壤深度而升高；灌叢在強(qiáng)降雨或者連續(xù)幾天降雨的情況下，各層土壤水分對(duì)降雨都有著明顯的響應(yīng)，并且土壤水分在各土壤層保持在較高水平, 特別是2014年生長(zhǎng)季各土壤層的土壤水分都大于0.25 m3/m3；青海云杉林土壤深度在0—60 cm 內(nèi)土壤水分對(duì)降雨有著強(qiáng)的響應(yīng)，而60—80 cm 土壤深度的土壤水分對(duì)降雨響應(yīng)不強(qiáng)烈，整個(gè)生長(zhǎng)季土壤濕度低于上層土壤。

圖5　2013生長(zhǎng)季3種植被類型土壤溫濕度剖面單因素方差分析及多重比較Fig.5　One factor analysis of variance and multiple comparison of soil moisture and soil temperature profiles under three vegetation types during the growing season in 2013

圖6　2014生長(zhǎng)季3種植被類型土壤溫濕度剖面單因素方差分析及多重比較Fig.6　One factor analysis of variance and multiple comparison of soil moisture and soil temperature profiles under three vegetation types during the growing season in 2014

不同植被類型的根區(qū)土壤累計(jì)入滲量存在差異，從圖7中可以看出，根區(qū)土壤累計(jì)入滲量與降雨量有著明顯的正相關(guān)關(guān)系，但是不同植被類型下的各次降雨事件內(nèi)根區(qū)土壤累計(jì)入滲量存在差異。線性回歸發(fā)現(xiàn)，單次降雨事件下草地和青海云杉林的根區(qū)土壤累計(jì)入滲量高于灌叢，其中連續(xù)幾天降雨量低于32 mm時(shí)，青海云杉林的根區(qū)土壤累計(jì)入滲量高于草地，而連續(xù)幾天降雨量大于32 mm時(shí)，青海云杉林與草地的根區(qū)土壤累計(jì)入滲量關(guān)系則相反。

圖7　3種植被類型根區(qū)土壤累計(jì)入滲量與連續(xù)降雨事件降雨量關(guān)系Fig.7　The relationship of root zone soil cumulative infiltration and precipitation under three vegetation types

3.3典型植被水源涵養(yǎng)功能差異

從圖3和圖4豎立虛線分割部分表明，不同植被類型不同土壤層的土壤水分損失過(guò)程存在差異，其中草地沿土壤剖面差異最明顯，表層0—40 cm土壤損失曲線更陡峭，土壤水分損失比深層40—80 cm土壤層快，而灌叢和青海云杉林沿土壤剖面土壤水分損失相對(duì)一致，并且較緩慢。除此之外，圖8中根區(qū)土壤累計(jì)損失量與土壤溫度有較好一致的趨勢(shì)，根區(qū)土壤累計(jì)損失量隨著土壤溫度的升高而增加，并且草地的根區(qū)土壤累計(jì)損失量與土壤溫度有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，而灌叢與青海云杉林則不顯著。這些結(jié)果表明草地土壤水分損失較灌叢和青海云杉林更快，且對(duì)土壤溫度的敏感性最高，而青海云杉林土壤水分損失對(duì)土壤溫度敏感性最低。

圖8　 3種植被類型根區(qū)土壤累計(jì)損失量與土壤溫度關(guān)系Fig.8 　The relationship of root zone soil water loss and soil temperature under three vegetation typesGSWL: 草地土壤水分損失grass soil water loss;SSWL：灌叢土壤水分損失shrub soil water loss; QSWL: 青海云杉林土壤水分損失Qinhai spruce forest soil water loss

水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)(CWR)存在較大差異(圖9)，生長(zhǎng)季初期3種植被類型的CWR值都大于1，說(shuō)明初期土壤水分含量低，植被尚未處于生長(zhǎng)旺盛時(shí)期耗水量少，都涵養(yǎng)著水源，但是整個(gè)生長(zhǎng)季青海云杉林的CWR值多大于1，說(shuō)明其有較強(qiáng)涵養(yǎng)水源能力，即保持了水分的能力，而灌叢的CWR值多小于1，說(shuō)明其涵養(yǎng)水源能力較弱，土壤水分損失較高，而草地在生長(zhǎng)季初期(CWR>1)涵養(yǎng)水源，隨著生長(zhǎng)季溫度升高和植被開(kāi)始旺盛生長(zhǎng)，生長(zhǎng)季后期(CWR<1)，多為水分消耗。除此之外，水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)(CWR)值并沒(méi)有受降雨事件大小所影響。通過(guò)計(jì)算篩選降雨事件下的各植被類型水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)(CWR)的平均值，草地的CWR 值為1.8，灌叢的CWR 值為1.3，青海云杉林的CWR 值為1.6，這表明3種植被類型在生長(zhǎng)季都有著涵養(yǎng)水源的功能，即生長(zhǎng)季3種植被類型保持和儲(chǔ)存著水分，有利于其余季節(jié)的生活生長(zhǎng)。

4討論

4.1典型植被下土壤性質(zhì)與土壤水分保持

土壤水分保持是土壤重要的水力性質(zhì)，包括控制土壤水分儲(chǔ)存、再分布、植被可利用性、潛在蒸發(fā)等過(guò)程，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的水文過(guò)程和生態(tài)過(guò)程有著深遠(yuǎn)的影響[27]。土壤屬性與植被水源涵養(yǎng)功能密切相關(guān)，主要影響因素是土壤粒徑分布、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤容重，其他因素還有土壤結(jié)構(gòu)和實(shí)際表面面積等[22]。而植被又影響著土壤屬性，如土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量等，從而影響土壤水分的儲(chǔ)存[20]。通過(guò)對(duì)3種典型植被類型下土壤性質(zhì)的分析，灌叢和青海云杉林的有機(jī)質(zhì)含量高于草地，有利于改善土壤質(zhì)地，使得灌叢和青海云杉林的粉粒和砂粒含量、田間持水量、飽和持水量和孔隙度等土壤屬性值高于草地，而土壤容重和粘粒含量低于草地。3種植被類型的土壤屬性差異使得灌叢和青海云杉林可能比草地具有更強(qiáng)的水源涵養(yǎng)的功能。這與2013和2014生長(zhǎng)季對(duì)3種典型植被類型土壤濕度野外觀測(cè)結(jié)果一致，即在灌叢、青海云杉林根區(qū)的土壤濕度均值有明顯高于草地。

4.2典型植被下降雨入滲與土壤水分損失

土壤水分動(dòng)態(tài)是生態(tài)水文循環(huán)的中心組成，主要受入滲、蒸散發(fā)和泄流等過(guò)程影響[28]。根據(jù)土壤水分平衡原理，不同植被類型下土壤水分動(dòng)態(tài)差異主要受輸入與輸出過(guò)程決定。其中植被類型的作用首先影響的是降雨入滲過(guò)程，即土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)過(guò)程存在差異，其次是植被通過(guò)根吸收土壤水分和土壤表面蒸發(fā)過(guò)程消耗土壤水分，即土壤水分損失過(guò)程。在本研究中通過(guò)對(duì)2013和2014生長(zhǎng)季的典型植被土壤濕度和降雨的野外觀測(cè)，3種植被類型的土壤水分對(duì)強(qiáng)降雨都有著明顯響應(yīng)，特別是幾天的連續(xù)降雨，但是沿土壤剖面各土壤層對(duì)降雨的響應(yīng)存在差異，特別是草地土壤剖面的土壤濕度對(duì)降雨的響應(yīng)受土壤深度影響強(qiáng)烈，表層土壤相比深層土壤響應(yīng)更快，這與常宗強(qiáng)等[29]、He等[18]和Sun等[17]研究結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)根區(qū)土壤累計(jì)入滲量與降雨量進(jìn)行線性回歸分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降雨事件下青海云杉林的根區(qū)土壤累計(jì)入滲量高于灌叢和草地，這表明青海云杉林比草灌更能增加入滲，有利于土壤水分的保持作用。

在高的土壤水分條件下，溫度是造成土壤水分損失的主要因素，特別是土壤溫度[21]。土壤溫度也受多種因素的影響，如地形和植被形成的微氣候[30]。祁連山排露溝小流域典型植被分布呈斑塊格局，青海云杉林與灌叢主要分布在陰坡、半陰坡位置，而草地主要分布在陽(yáng)坡，這使得陽(yáng)坡草地不管是根區(qū)土壤溫度均值還是沿土壤剖面各層土壤溫度都明顯高于灌叢和青海云杉林，這也直接影響這3種植被類型的土壤水分損失情況[31]。本文通過(guò)降雨事件后根區(qū)土壤累計(jì)損失量與土壤溫度之間的關(guān)系結(jié)果表明根區(qū)土壤累計(jì)損失量與土壤溫度有明顯的正相關(guān)關(guān)系，即降雨事件后根區(qū)土壤累計(jì)損失量隨著土壤溫度的升高而增加，其中草地的根區(qū)土壤累計(jì)損失量與土壤溫度有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，而灌叢與青海云杉林則不顯著，這表明陽(yáng)坡草地的土壤水分損失受土壤溫度影響較大，灌叢與青海云杉林反之。草地沿土壤剖面差異最明顯，表層0—40 cm土壤水分損失比深層40—80 cm土壤層更快，這與草地根系主要分布于0—40 cm 土壤深度有密切聯(lián)系[18,32]。通過(guò)計(jì)算的水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)(CWR)結(jié)果表明，CWR值存在較大差異，但是青海云杉林的CWR值多大于1，說(shuō)明其每次降雨事件后是涵養(yǎng)了水源，這與整個(gè)生長(zhǎng)季青海云杉林與灌叢土壤濕度都高于草地土壤濕度一致，同時(shí)3種典型植被在生長(zhǎng)季都涵養(yǎng)了水源。這也說(shuō)明青海云杉林是保持“綠水”最多的植被類型，并主要用于自身消耗，與Sun等研究結(jié)果一致[17]。

5結(jié)論

灌叢和青海云杉林的有機(jī)質(zhì)、粉粒和砂粒含量、田間持水量、飽和持水量和孔隙度等土壤屬性值高于草地，而土壤容重和粘粒含量低于草地；草地比青海云杉林和灌叢的土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)更強(qiáng)，但是沿土壤剖面各土壤層對(duì)降雨的響應(yīng)表層土壤相比深層土壤響應(yīng)更快；青海云杉林的根區(qū)土壤累計(jì)入滲量高于灌叢和草地，草地土壤水分損失較灌叢和青海云杉林更快，并且陽(yáng)坡草地的土壤水分損失受土壤溫度影響較大，灌叢與青海云杉林則反之；整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)青海云杉林和灌叢土壤濕度明顯高于草地濕度，青海云杉林的CWR值多大于1。綜上所述，青海云杉林較灌叢和草地具有更強(qiáng)的水源涵養(yǎng)的能力，并儲(chǔ)存著更多的“綠水”。未來(lái)在流域生態(tài)系統(tǒng)管理與可持續(xù)發(fā)展利用中，應(yīng)重視青海云杉林強(qiáng)的蓄水保水對(duì)流域水文和生態(tài)系統(tǒng)健康的作用。

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收稿日期:2015- 06- 24;

修訂日期:2016- 02- 23

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: lyh@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201506241281

The differences of water conservation function under typical vegetation types in the Pailugou catchment, Qilian Mountain, northwest China

HU Jian1,2, LYU Yihe1,*, ZHANG Kun1,2, TAO Yunzhi3, LI Ting1,2, REN Yanjiao1,2

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China

Abstract：Soil water is an important element of “green water” that constitutes the physical linkage between vegetation and hydrological system. Water retention function represents the process and ability of retaining water in the ecosystem and is an essential ecosystem service in the mountainous ecosystems. Due to the soil heterogeneity, vegetation and topography, water retention function is variable in space and time. This study aimed to characterize the differences of water retention function of three typical vegetation types in the Pailugou catchment, Qilian Mountain, northwest China. The abilities of different vegetation types are evaluated by the water conservation function index, which portrayed as the integrated effect of soil properties, soil moisture, precipitation and temperature during the growing season. The results indicated that 1) the value of soil organic matter, sand and silt content, field capacity, saturation moisture capacity and porosity were considerably higher in the shrubland and Qinhai spruce (Picea crassifolia) forest than that in the grassland. By contrast, the value of the bulk density and clay content in the grassland was higher in comparison to that of shrubland and forestland; 2) The cumulative water infiltration of the root zone in the Qinhai spruce forest was higher than that in the shrubland and grassland, and the rate of soil water loss at the grassland reached the highest level among the different vegetation types; 3) Soil moisture in the Qinhai spruce forest and shrubland was higher than that in the grassland during the whole growing season, and the water conservation function index were mostly larger than 1. In conclusion, the Qinhai spruce forest had a higher soil water holding capacity in comparison to the shrubland and grassland. Thus, the results of this study can provide scientific guidelines for the management and sustainable development of the mountainous ecosystems in the semi-arid region of China.

Key Words:Qilian Mountain; Pailugou; soil moisture; water conservation function index; sustainable development; green water

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