西藏色季拉山不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能研究*

石玉龍，周晨霓，邱英強(qiáng)，王建鋒

(西藏大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏　林芝860000)

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西藏色季拉山不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能研究*

石玉龍，周晨霓，邱英強(qiáng)，王建鋒

(西藏大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏林芝860000)

對西藏色季拉山急尖長苞冷杉林3 700～4 200m海拔梯度上土壤物理性質(zhì)、持水性能及土壤滲透性能進(jìn)行測定，研究其土壤水分物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能特征。結(jié)果表明：西藏色季拉山急尖長苞冷杉林土壤容重在垂直剖面上表現(xiàn)為隨著土層的加深而增大，隨著海拔梯度的上升而減小。而土壤總孔隙度的變化特征與土壤容重正好相反，其中海拔4 200m處0～10cm土層的土壤容重最小，為0.561g/cm3；海拔3 800m處、20～40cm土層的土壤容重最大，為1.1g/cm3。土壤最大持水量、最大滯留水量、飽和貯水量均隨著海拔的上升而增加，土壤入滲性能指標(biāo)(初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率、滲透總量)在同一海拔梯度不同土壤層次上均表現(xiàn)為隨著土層深度的加深而逐漸減小的趨勢。從不同海拔梯度看，4個入滲指標(biāo)在海拔3 700m處呈現(xiàn)最大值，而在海拔4 200m處呈現(xiàn)最小值。通過主成分分析綜合評價，海拔4 100m處急尖長苞冷杉林土壤涵養(yǎng)水源功能最強(qiáng)，而海拔4 200m和海拔3 900m處最弱。總的來說，林線植被生境的脆弱和人為干擾是影響色季拉山急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能的重要因素。

水源涵養(yǎng)；土壤特性；急尖長苞冷杉；色季拉山；海拔梯度

水源涵養(yǎng)能力是森林植被生態(tài)功能研究中的熱點(diǎn)之一[1]。而森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的重要場所[2]。其中森林土壤含水量、入滲性能和蓄水能力等土壤水文物理指標(biāo)可以表征森林植被在減少地表徑流、控制水土流失方面的作用[3]。土壤物理性質(zhì)是土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)特征、持水保水能力及滲透性能的綜合反映，直接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)的水文生態(tài)功能，而同時，研究土壤層的水文生態(tài)特征可以較大程度地反映出植被對土壤理化性質(zhì)的改良效果[4]。國內(nèi)外學(xué)者對土壤水分的研究主要集中在不同植被類型[5～7]、不同群落結(jié)構(gòu)[8～10]、不同恢復(fù)模式[11]以及不同土地利用方式[12～14]等對土壤持水性及滲透性能的影響。

急尖長苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)是松科(Pinaceae)冷杉屬(Abies)常綠喬木，主要分布在滇西北、川西南和藏東南地區(qū)。西藏色季拉山是藏東南最為典型的高原山地暗針葉林，其中急尖長苞冷杉占絕對優(yōu)勢，是這一區(qū)域的顯域植被和頂級群落[15]，并且是我國的二級保護(hù)植物[16～17]。急尖長苞冷杉的結(jié)實(shí)特性[15]、不同海拔梯度對其種子發(fā)芽的影響[16]有報道，而涉及其原始林土壤水文特征及其水源涵養(yǎng)功能的研究還未見報道。本文以藏東南色季拉山急尖長苞冷杉林為研究對象，在其長勢較好的海拔(3 700～4 200m)范圍內(nèi)，研究其不同海拔梯度土壤水文物理性質(zhì)、土壤持水貯水性能及滲透性能的差異，全面評價其水源涵養(yǎng)功能，以期為藏東南森林生態(tài)功能和健康狀況評價提供理論依據(jù)，促進(jìn)該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1　研究區(qū)概況

西藏東南部色季拉山位于西藏林芝縣境內(nèi)(93°12′～95°35′E，29°10′～30°15′N)，其大部分區(qū)域處于海拔3 000m以上，最高峰海拔5 300m。區(qū)域內(nèi)氣候受印度洋季風(fēng)的影響，冬溫夏涼、干濕季分明。雨季為6～9月份，全年降水量的30%集中在8月份，年均降水量1 134mm，蒸發(fā)量544.0mm，平均相對濕度60%～80%。冬季平均氣溫0～2.8℃，夏季平均氣溫11.5～18.2℃，年平均氣溫6.5℃，無霜期180d。酸性棕壤和山地棕壤為主要土壤類型。主要森林植被類型為山地溫帶暗針葉林，急尖長苞冷杉為建群種，并有林芝云杉林(Picealikiangensisvar.linzhiensis)、云-冷杉混交林及急尖長苞冷杉-方枝柏(Sabinasaltuaria)混交林等，林線優(yōu)勢樹種陰陽坡分別為急尖長苞冷杉和方枝柏。

2　研究方法

2.1樣地設(shè)置和樣品采集

2014年7月，在色季拉山西坡海拔3 700～4 200m的范圍內(nèi)，每隔100m海拔梯度選擇典型地段設(shè)置一個20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)樣方，記錄樣方內(nèi)的樹木密度、平均樹高、平均胸徑等林分特征，各樣地基本概況見表1。

表1　樣地基本概況

在每個標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)選擇代表性地段挖掘3個1m×1m土壤剖面，按照土壤發(fā)生層，分0～10cm，10～20cm，20～40cm土層用環(huán)刀取原狀土，每個土層取1個鋁盒樣，2個環(huán)刀樣，250g散土樣。每層3個重復(fù)，每個海拔樣地挖取2個土壤剖面。鋁盒樣用于測定土壤含水量和容重，另外2個環(huán)刀樣1個用于測定土壤孔隙度指標(biāo)，1個用于測定土壤滲透性能。散土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定有機(jī)質(zhì)含量。

2.2土壤水文特征指標(biāo)測定

采用烘干法測定土壤含水量，環(huán)刀法[18]測定土壤容重、孔隙度、滲透性能。

(1)土壤持水性能各指標(biāo)由下列公式進(jìn)行計算。

土壤吸持貯水量(mm)Wc=1000Pch,滯留貯水量(mm)Wn=1000Pnh,飽和貯水量(mm)Wt=Wc+Wn,其中Pc、Pn分別為毛管孔隙度(%)和非毛管孔隙度(%)；h為計算土層深度(m)。

(2)土壤滲透性能指標(biāo)[9～10]

初滲速率=最初2min內(nèi)滲透量/入滲時間；穩(wěn)滲速率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率；平均滲透速率=達(dá)穩(wěn)滲時的滲透總量/達(dá)穩(wěn)滲的時間，因所有土樣滲透速率在90min前已穩(wěn)定，便于比較，本研究滲透總量統(tǒng)一取90min內(nèi)的滲透量。

2.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析及作圖。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤水文物理指標(biāo)分析

色季拉山急尖長苞冷杉林不同海拔梯度土壤容重和孔隙度特征見圖1、圖2。由圖1可知，從剖面垂直方向來看，各個海拔梯度的土壤容重均表現(xiàn)為隨著土層深度增加而增加的趨勢，即表層土容重小于下層土。從不同海拔梯度來看，總體上土壤容重有隨著海拔梯度增加而減少的趨勢，其中海拔3 800m處土壤容重極顯著高于海拔4 200m處土壤容重(P<0.01)。不同海拔土壤容重大小排序?yàn)椋? 800m>3 700m>3 900m>4 100m>4 000m>4 200m。其中海拔4 100m處0～10cm土壤容重最小，為0.561g/cm3，海拔3 800m處20～40cm土壤容重最大，為1.1g/cm3。

圖1　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤容重特征

圖2　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤孔隙度特征

從圖2看出，土壤總孔隙度隨著土壤層次的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢，即在各個海拔梯度上均表現(xiàn)為0～10cm >10～20cm >20～40cm。從不同海拔梯度來看，土壤總孔隙度總體上表現(xiàn)為,隨著海拔的升高呈逐漸增加的趨勢。從0～10cm土壤孔隙度來看，低海拔(3 700～3 900m)與高海拔(4 000～4 200m)之間差異顯著(P<0.05),而兩組內(nèi)部各海拔之間差異并不顯著(P>0.05)。從10～20cm土壤孔隙度來看，海拔3 700m土壤孔隙度與較高海拔(3 800～3 900m)之間差異顯著(P<0.05)，同時與高海拔(4 000～4 200m)之間差異顯著(P<0.05)。20～40cm差異顯著性規(guī)律與0～10cm土壤孔隙度特征一致。總孔隙度最小值出現(xiàn)在海拔3 700m處20～40cm土層(40.08%)，而最大值出現(xiàn)在海拔4 200m處0～10cm土層(79.82%)。

圖3　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤含水量特征

從圖3可知，從不同土壤層次上來看，各個海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤含水量均隨著土壤層次的增加而增大；除了海拔3 800m處和海拔3 900m處，其他各個海拔梯度0～10cm土層土壤含水量均顯著小于深層土壤(10～40cm)(P<0.05)，減小幅度在16.8%～66.9%之間，以海拔3 700m表層土壤含水量減少幅度最大。從不同海拔梯度來看，海拔3 700m和3 800m處0～10cm和10～20cm土層的土壤含水量差異不顯著(P>0.05)，20～40cm土層差異顯著(P<0.05)；海拔3 900m和4 000m處0～10cm和10～20cm土層土壤含水量差異顯著(P<0.05)，但20～40cm土層差異卻不顯著(P>0.05)。而最后兩個高海拔4 100m和4 200m處各個層次上土壤含水量差異不顯著(P>0.05)。

3.2土壤貯水性能分析

從圖4～6可知，色季拉山急尖長苞冷杉林各個海拔梯度上土壤最大吸持水量、最大滯留水量和飽和貯水量均隨著土層深度的增加而增加。從不同土壤層次來看，各個海拔梯度帶上層土壤(0～20cm)3個貯水量指標(biāo)均顯著低于深層土壤(20～40cm) (P<0.05)。最大吸持水量的最大值出現(xiàn)在海拔4 000m的20～40cm土層，為148.1mm；最大滯留水量的最大值出現(xiàn)在海拔4 100m的20～40cm土層，為16.44mm；土壤飽和貯水量的最大值出現(xiàn)在海拔4 200m的20～40cm土層，為159.64mm。從不同海拔梯度來看，20～40cm土層的3個貯水量指標(biāo)均表現(xiàn)為海拔3 700～3 900m顯著低于海拔4 000m以上(P<0.05)。而0～10cm、10～20cm土壤層次3個貯水量指標(biāo)在各個海拔梯度間差異不顯著(P>0.05)。

圖4　　　　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤最大吸持水量特征

圖5　　　　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤最大滯留水量特征

圖6　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤飽和貯水量特征

3.3土壤滲透性能分析

相關(guān)研究常用土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和總滲透量來描述土壤入滲特征。

圖7　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤初滲速率

圖8　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤穩(wěn)滲速率

圖9　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤平均滲透速率

圖10　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤滲透總量

從圖7～10可以看出，在同一海拔梯度不同土壤層次上，土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率和總滲透量4個指標(biāo)都表現(xiàn)出隨著土壤層次的增加而逐漸減小的趨勢。初滲速率在海拔3 700m、3 800m、3 900m、4 100m、4 200m均表現(xiàn)出前兩個土層(0～10cm、10～20cm)顯著高于20～40cm土層(P<0.05)，而0～10cm和10～20cm土層之間差異不顯著(P>0.05)。而海拔4 000m處3個土層的初滲速率差異顯著(P<0.05)。穩(wěn)滲速率除了海拔3 700m和海拔4 200m處前兩個土層之間差異不顯著外(P>0.05)，其他各個海拔梯度帶3個層次土壤穩(wěn)滲速率差異顯著(P<0.05)。從同一土壤層次不同海拔梯度來看，海拔3 700m各個土壤層次上4個入滲指標(biāo)均和其他幾個海拔梯度差異極顯著(P<0.01)。各個入滲指標(biāo)在不同海拔梯度上的大小順序?yàn)椋撼鯘B速率3 700m>4 100m>4 000m>3 800m>3 900m>4 200m；穩(wěn)滲速率3 700m>4 100m>4 000m>3 800m>3 900m>4 200m；平均滲透速率3 700m>4 100 m>4 000m>3 800m>3 900m>4 200m；滲透總量3 700m>4 100m>3 800m>3 900m>4 200m>4 000m。

3.4不同海拔梯度急尖長苞冷山林土壤水源涵養(yǎng)

功能綜合評價

為了綜合評價不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能，選取初滲速率(X1)、穩(wěn)滲速率(X2)、最大吸持水量(X3)、飽和貯水量(X4)為評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表2)。結(jié)果表明，前兩個主成分的特征值分別為2.885和1.083，且方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)99.19%，幾乎解釋了整個總方差，信息損失量很小。因子負(fù)荷表明，第1主成分與前兩個變量即初滲速率(X1)、穩(wěn)滲速率(X2)相關(guān)性較大，第2主成分與后兩個變量即最大吸持水量(X3)、飽和貯水量(X4)相關(guān)性較大。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)后得到的主成分方程為，F(xiàn)1=0.536X1+0.566X2+0.16X3+0.104X4，F(xiàn)2=0.138X1+0.122X2+0.497X3+0.599X4(Xi為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù))。為了比較不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能，根據(jù)第1、2主成分方程，計算出不同海拔梯度不同土壤層次土壤水源涵養(yǎng)功能得分，并進(jìn)行排序(表3)。從表3可以看出，同一海拔梯度不同土壤層次上水源涵養(yǎng)功能大小規(guī)律不明顯?？傮w上看在不同海拔梯度上急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能隨著土層深度的增加而增加。同一個海拔梯度不同層次的評價得分與綜合平均得分相差不大，但排序又略有不同。其中海拔3 700m處3個層次的排序均為第2，海拔4 100m處10～20cm、20～40cm土層排序?yàn)榈?，但表層土(0～10cm)排序?yàn)榈?。綜合平均得分來看，不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能優(yōu)劣順序?yàn)椋? 100m>4 000m>3 700m>3 800m>4 200m>3 900m。

表2　　　　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)指標(biāo)主成分分析

表3　不同海拔梯度急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能評價

4　結(jié)論與討論

西藏色季拉山急尖長苞冷杉林土壤容重在垂直剖面上表現(xiàn)為隨著土層的加深而增大，隨著海拔梯度的上升而減?。欢寥揽偪紫抖鹊淖兓卣髋c土壤容重正好相反，這與前人在同一區(qū)域的研究結(jié)果一致[19～20]。研究區(qū)內(nèi)急尖長苞冷杉林土壤類型一致，坡向相同，海拔梯度對土壤容重的影響主要是由降雨的再分配差異[21]、土壤質(zhì)地發(fā)生變化[22]以及土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異[23]造成的。土壤含水量在垂直剖面上表現(xiàn)為隨著土層深度的增大而增大，隨著海拔梯度的上升而增大。降水沿剖面的再分配，導(dǎo)致了不同海拔帶和同一坡面不同位置處土壤含水量不同[24]。色季拉山海拔3 700～4 200m的區(qū)域內(nèi)，由于雅魯藏布江水蒸汽通道的作用，加之印度洋暖濕氣流的影響，降水量隨著海拔的變化在同一坡面上的再分配，可能是土壤水分狀況出現(xiàn)差異的重要因素。

西藏色季拉山急尖長苞冷杉林各個海拔梯度上土壤最大持水量、最大滯留水量、飽和貯水量均隨著海拔的上升而增加。原因是土壤持水能力大小與土壤孔隙度狀況、土壤厚度密切相關(guān)[25]。吸持貯存是水分在毛管空隙中的貯存，滯留貯存是土壤中自由重力水在非毛管空隙中的暫時貯存，主要容納降水并及時下滲[4]。兩者均具有減少地表徑流和防止土壤侵蝕的功能，但只有滯留貯存的水分具有水源涵養(yǎng)的功能。因此土壤非毛管孔隙度大小決定了土壤水源涵養(yǎng)的有效能力。土壤貯水能力的大小與土壤容重、孔隙度密切相關(guān)，土壤容重越大，孔隙度越大，說明土壤發(fā)育良好，利于水分的保持與滲透[1]。

色季拉山急尖長苞冷杉林土壤入滲性能指標(biāo)(初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率、滲透總量)在同一海拔梯度不同土層上均表現(xiàn)為隨著土層深度的加深而逐漸減小的趨勢。這與魏強(qiáng)等在甘肅興隆山的研究結(jié)果一致[6]。而從不同海拔梯度看，4個入滲指標(biāo)在海拔3 700m處呈現(xiàn)最大值，而在海拔4 200m處呈現(xiàn)最小值。說明海拔越高，土壤滲透能力越差。這可能是由以下3方面原因造成的：(1)海拔4 200m處土壤含水率較高，初始損耗較小，導(dǎo)致初滲速率變低，趨于穩(wěn)滲的時間變短；而海拔3 700m處土壤較干燥，初始入滲速率較大。(2)土壤容重從低海拔到高海拔逐漸減小，土壤質(zhì)地由疏松變?yōu)榫o實(shí)，土壤水分入滲性能就會變差。土壤物理性質(zhì)與滲透性關(guān)系的研究均發(fā)現(xiàn)土壤容重與土壤滲透性能呈負(fù)相關(guān)[8～10]。初始入滲速率與土壤含水量關(guān)系也極為密切[26]。土壤滲透性能是林分涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)[3]，土壤滲透性能越好，地表徑流就越小，地表水流失量也會相應(yīng)減少，發(fā)生土壤侵蝕的可能性也會減小。(3)色季拉山海拔4 200m左右是該山體林線位置，急尖長苞冷杉的分布已經(jīng)稀少，大型喬木數(shù)量也在該區(qū)域內(nèi)急劇減少，此地帶氣候也急劇變化，土壤較板結(jié)，土壤厚度也較淺，這些都是造成這一海拔內(nèi)土壤透水能力差的重要因素。

通過主成分分析綜合評價，海拔4 100m處急尖長苞冷杉林土壤涵養(yǎng)水源功能最強(qiáng)，而海拔4 200m和3 900m處最弱。造成這兩個海拔梯度功能差的原因是不同的。海拔4 200m處是林線位置，這是受自然環(huán)境以及植被的垂直演替造成的；而3 900m海拔范圍正是川藏公路318國道所經(jīng)之處，頻繁的人為干擾是造成這個海拔帶內(nèi)急尖長苞冷杉林土壤水源涵養(yǎng)功能較差的重要原因?？梢姡Ｗo(hù)林線植被，特別是在當(dāng)今全球氣候變化的大環(huán)境下是緊迫的；同時，應(yīng)當(dāng)減少川藏公路沿線帶來的巨大人為干擾，以保持色季拉山急尖長苞冷杉林土壤的水源涵養(yǎng)功能。

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Water Source Conservation Function of Abies georgei var. smithii Forest at Different Elevations of Sygara Mountains

SHI Yu-long，ZHOU Chen-ni，QIU Ying-qiang，WANG Jian-feng

(Research Institute of Plateau Ecology，Tibet Agriculture and Animal Husbandry College，Linzhi Xizang 860000，P.R.China)

Soil physical properties and water source conservation function ofAbiesgeorgeivar.smithiiforest at different elevations from 3 700m to 4 200m of Sygara Mountains in Xizang were comprehensively evaluated.The results showed that the soil bulk density increased gradually with the increase of soil layer and it decreased with the increase of elevation，while the changing characteristics of soil total porosity was the opposite of soil bulk density.The soil bulk density at 4 200m of 0～10cm soil layer presented the minimum value with 0.561g/cm3.It reached the maximum value with 1.1g/cm3at 3 800m of 20～40cm soil layer.Soil maximum moisture capacity，maximum water-holding capacity，and saturation water storage were all increased with the increase of elevation.Soil infiltration indicators (initial infiltration rates，steady-state infiltration rates，mean infiltration rates，and the total penetration) were decreased with the increase of soil depth at the same altitude.Four soil infiltration indicators showed the maximum value at 3 700m，and the minimum at 4 200m.Through PCA，the soil and water source conservation function at 4 100m were the strongest，and weak at 4 200m and 3 900m.In general，the most important influence factors of soil and water source conservation functions ofAbiesgeorgeivar.smithiiforest in Sygara Mountains were the fragile habitat of Alpine tree line and the human disturbances.

water source conservation; soil property;Abiesgeorgeivar.smithii;Sygara Mountains;elevation gredient

2015-10-09

西藏自治區(qū)“基于多源遙感影像及 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的色季拉山區(qū)魯朗河流域森林動態(tài)變化分析”項(xiàng)目,國家西藏林芝森林生態(tài)系統(tǒng)定位站資助項(xiàng)目(2012-LYPT-DW-016)，西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院定位站開放課題(XZA-211-0713-D)。

石玉龍(1991-)，男，碩士研究生，主要從事高原土壤水分動態(tài)研究。

簡介：周晨霓(1984-)，女，碩士，講師，主要從事高原土壤生態(tài)研究。E-mail: 106732825@ qq.com

S 714.7

A

1672-8246(2016)04-0147-08

doi:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.04.025