滇西北亞高山典型退化次生林水源涵養(yǎng)能力分析

和麗萍, 李貴祥, 柴 勇, 張正海, 邵金平, 馬賽宇

(云南省林業(yè)和草原科學(xué)院, 昆明 650201)

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要生態(tài)功能，指森林?jǐn)r蓄降水、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)的能力[1-3]。水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分，主要表現(xiàn)為對(duì)降雨的再分配過(guò)程[4]。在森林植被調(diào)節(jié)降雨的過(guò)程中，由于降雨量是影響坡面產(chǎn)流的主要因子，降雨動(dòng)能是影響坡面產(chǎn)沙的主要因子[5]。在具有植被覆蓋的林地上，降雨可以通過(guò)植被的再分配，從而減緩對(duì)地表的沖擊[6]。林分的水源涵養(yǎng)功能是林分系統(tǒng)各組成部分在其發(fā)育過(guò)程中相互作用的綜合結(jié)果。不同林分類型具有不同的水源涵養(yǎng)功能[7]。森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)森林植物的呼吸作用及蒸騰作用向大氣排放水分子，從而增加大氣降水；另一方面，森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林地森林植物、林地枯枝落葉及林地土壤的貯水功能，調(diào)節(jié)某一區(qū)域的水資源供給。

滇西北亞高山地處我國(guó)西南的“三江并流區(qū)”，屬大江大河上游源頭區(qū)域，其地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，山高坡陡，屬潛在侵蝕嚴(yán)重區(qū)域，森林植被固土保水的功能極為重要，保護(hù)和恢復(fù)好該區(qū)域的森林植被，是維護(hù)長(zhǎng)江、瀾滄江和怒江下游國(guó)土安全的重要舉措，是我國(guó)西南生態(tài)安全屏障的主要保障。滇西北亞高山垂直地帶性植被類型是高山針葉林，主要由云杉屬(Picea)、冷杉屬(Abies)和落葉松屬(Larix)等屬的樹(shù)種組成，由于長(zhǎng)期受到自然和人為的干擾不斷發(fā)生著演替變化。商業(yè)性采伐是較為重要的干擾因素，從20世紀(jì)70—90年代，據(jù)云南省中甸林業(yè)局統(tǒng)計(jì)，1973—1977年年均采伐面積0.11萬(wàn)hm2，采伐蓄積22.6萬(wàn)m3，1978—1987年年均采伐面積0.12萬(wàn)hm2，采伐蓄積21.8萬(wàn)m3，1988—1996年年均采伐面積0.06萬(wàn)hm2，采伐蓄積8.2萬(wàn)m3，商業(yè)性采伐時(shí)間不算太長(zhǎng)，但由于集中采伐，受到的干擾較大。雖然從1998年以來(lái)停止了商業(yè)性采伐，但商業(yè)性采伐后的影響依然存在，并將在一定時(shí)期內(nèi)影響著該區(qū)域的森林植被類型。然而對(duì)采伐后的森林水文功能還缺乏定量評(píng)價(jià)，特別是云、冷杉采伐后森林植被水源涵養(yǎng)功能的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

為摸清云、冷杉采伐后森林植被水源涵養(yǎng)能力變化規(guī)律，本文以原始冷杉林作為對(duì)照，對(duì)20世紀(jì)70年代、80年代、90年代采伐云、冷杉后形成的典型退化次生林開(kāi)展水源涵養(yǎng)能力研究。

1 研究區(qū)概況

滇西北地處云南、四川、西藏3省交界，與緬甸毗鄰，處于麗江市永勝縣、大理州鶴慶縣、洱源縣北界和怒江州滬水縣南界以北地區(qū)。滇西北地區(qū)屬第四紀(jì)喜馬拉雅山抬升與褶皺地帶，地質(zhì)歷史年輕，運(yùn)動(dòng)活躍，物種分化強(qiáng)烈，演化了大量特有物種，形成了許多地區(qū)特有種群，是中國(guó)3大特有物種起源和分布中心之一[8-10]。為獨(dú)龍江(伊洛瓦底江)、怒江(薩爾溫江)、瀾滄江(湄公河)和金沙江(長(zhǎng)江)的上游地區(qū)[11]，屬于青藏高原東南緣及其向云貴高原過(guò)渡地帶，獨(dú)龍江、怒江、瀾滄江、金沙江與高黎貢山、怒山、云嶺相間排列，是橫斷山區(qū)大江與高大山系排列最緊密的地區(qū)，其間金沙江與瀾滄江最短直線距離為66 km，瀾滄江與怒江的最短直線距離不到19 km，形成獨(dú)特的“三江并流”奇觀[12]。

滇西北地區(qū)氣候多樣，一般來(lái)說(shuō)，由于不同海拔的熱量分異，2 000 m以下為山地北亞熱帶，2 000～3 000 m為山地暖溫帶和山地中溫帶氣候，3 000～4 000 m為山地寒溫帶，4 000 m以上為山地寒帶氣候[13]。滇西北地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，具有石灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖、玄武巖、花崗巖、片巖、大理巖等各類巖層，其森林土壤以棕壤、黃棕壤、暗棕壤和紅壤為主，在亞高山和高山地帶還有漂灰土和草甸土分布[14]。

亞高山帶是亞熱帶地區(qū)山地垂直帶譜中上部，耐寒針葉樹(shù)種為優(yōu)勢(shì)種，在山地寒溫性氣候條件下形成的亞高山針葉林頂級(jí)森林群落的山地垂直地帶[15]。亞高山帶的海拔高度范圍南北差異較大，一般處于3 000～4 000 m，香格里拉處于2 800～4 200 m。

滇西北是我國(guó)亞高山針葉林分布最南的地區(qū)，又是我國(guó)針葉樹(shù)種，特別是珍稀瀕危針葉樹(shù)種最集中的地區(qū)和亞高山針葉林類型和天然林資源最豐富的地區(qū)。在這一小范圍內(nèi)寒溫性、溫涼性針葉樹(shù)種達(dá)40余種，其中除云、冷杉外，還有禿杉(Taiwaniaflousiana)、瀾滄黃杉(Pseudotsugaforrestii)、麗江鐵杉(Tsugaforrestii)、貢山三尖杉(Cephalotaxuslanceolata)、三尖杉(Cephalotaxusfortunei)、高山三尖杉(Cephalotaxusfortuneivar.alpina)、粗榧(Cephalotaxussinensis)、云南紅豆杉(Taxusyunnanensis)、南方紅豆杉(Taxusmairei)、云南榧(Torreyayunnanensis)等珍稀瀕危樹(shù)種，天然林資源均集中分布于本區(qū)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及調(diào)查

于2018年10—11月在云南省香格里拉市，選擇云、冷杉20世紀(jì)70年代、80年代和90年代等不同采伐年代形成的退化次生林(不同地塊地理位置、海拔等其他因子有一定差異，但采伐前都是云、冷杉林，具有了一定的可比性)，包括退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林、稀疏云+冷杉林、退化樺木林以及原始冷杉林設(shè)置20 m×20 m的樣方各1塊，見(jiàn)表1。在每個(gè)樣方內(nèi)分別設(shè)置2個(gè)5 m×5 m的樣方測(cè)定灌木，在每個(gè)樣方的4個(gè)角分別設(shè)置草本、枯枝落葉4個(gè)樣方，用鋼卷尺對(duì)每個(gè)枯落物樣方的4個(gè)邊角及中心位置的枯落物厚度共測(cè)量5次，取平均值，并收集每個(gè)樣方內(nèi)的全部枯落物(包括未分解和半分解)，在不破壞原有結(jié)構(gòu)的情況下收集到密封袋內(nèi)稱其鮮重，并取樣(約250 g)帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)定。分別調(diào)查喬木、灌木及草本植物，調(diào)查時(shí)記錄樣地的生境及群落特征，對(duì)樣地內(nèi)喬木進(jìn)行每木調(diào)查，記錄種名、樹(shù)高、胸徑、冠幅及其他一些生態(tài)學(xué)特征。灌木、草本記錄種名、株(叢)數(shù)、蓋度、高度及其他重要生態(tài)特征。

表1 樣地基本情況

2.2 林分郁閉度及樹(shù)高的測(cè)定方法

林分郁閉度采用機(jī)械布點(diǎn)法測(cè)定，即在樣地內(nèi)布設(shè)若干點(diǎn)，樹(shù)冠覆蓋的點(diǎn)數(shù)與所測(cè)點(diǎn)數(shù)之比。樹(shù)高采用測(cè)高儀測(cè)量。

2.3 生物量測(cè)定

喬木樹(shù)種生物量通過(guò)測(cè)定樣方內(nèi)的樹(shù)種、胸徑，得出樣方內(nèi)的平均高和平均胸徑，采用中國(guó)主要林木生物量模型手冊(cè)，有區(qū)域內(nèi)樹(shù)種模型的采用區(qū)域樹(shù)種模型，沒(méi)有區(qū)域樹(shù)種模型的，采用針葉樹(shù)種和闊葉樹(shù)種通用生物量模型[16]，估算單位面積喬木樹(shù)種生物量；灌木、草本層生物量和枯枝落葉層現(xiàn)存量采用樣方收獲法測(cè)定。

2.4 持水量測(cè)定

喬木冠層最大持水量采用標(biāo)準(zhǔn)枝浸水稱重法，灌木、草本和枯枝落葉層的最大持水量測(cè)定采用浸水稱重法測(cè)定[17-18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠層最大持水量

林冠層最大持水量是評(píng)價(jià)森林植被層降水截留量的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小取決于植被結(jié)構(gòu)，主要與植被郁閉度和葉的形態(tài)有關(guān)。林分郁閉度大小，直接關(guān)系到林冠與降水的接觸面，郁閉度大的林分，其截留量也較大[4,19]。從表2可看出，林冠層最大持水量以原始冷杉林最大，分別是退化樺木林、稀疏云+冷杉林、退化大果紅杉林和退化杜鵑灌叢的4.98，2.71，18.45，20.06倍，退化高山櫟灌叢沒(méi)有喬木樹(shù)種分布，也就沒(méi)有林冠層最大持水量。從不同林分林冠層最大持水量的差異來(lái)看，林冠層枝葉量越多，枝葉越密集，其持水量也越大，尤其是樹(shù)體高大的原始冷杉林，可通過(guò)林冠層層層攔截降雨。因此，喬木樹(shù)種的增加是提高林冠層最大持水量的有效途徑。

表2 滇西北亞高山典型林分林冠層(枝葉)最大持水量比較

3.2 灌木層最大持水量比較

灌木層在林冠層下，可對(duì)降雨形成二次截留，但對(duì)灌木林來(lái)說(shuō)，灌木就是主要的降雨截留層。從表3可看出，不同林分灌木層枝葉量以高山櫟冠層最多，達(dá)10.085 t/hm2，依次是退化大果紅杉林、退化樺木林、退化杜鵑灌叢、稀疏云+冷杉林和原始冷杉林，說(shuō)明喬木樹(shù)種越高大，郁閉度越大，灌木數(shù)量就越少，灌木層的最大持水量和灌木層枝葉量的多少是一致的，灌木層最大持水量以退化高山櫟灌叢最大，達(dá)1.49 mm，分別是退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林、稀疏云+冷杉林、退化樺木林和原始冷杉林的3.73，1.21，9.31，1.75，27.59倍。

表3 滇西北亞高山典型林分灌木層最大持水量比較

3.3 草本層最大持水量比較

草本層在水土保持中起到重要的作用，可以有效減少降雨的濺蝕。從表4中可看出，草本層現(xiàn)存量以原始冷杉林(主要是苔蘚)為最多，依次是退化樺木林、稀疏云+冷杉林、退化大果紅杉林、退化高山櫟灌叢，最少的是退化杜鵑灌叢，這主要是云、冷杉采伐后，植被的退化引起了土壤的退化，尤其是退化杜鵑灌叢、退化高山櫟灌叢和退化大果紅杉林，土壤瘠薄，局部地表裸露，降雨對(duì)土壤沖刷嚴(yán)重；草本層最大持水量以原始冷杉林最大，分別是退化樺木林、稀疏云+冷杉林、退化大果紅杉林、退化杜鵑灌叢、退化高山櫟灌叢的15.95，19.71，23.93，44.67，27.92倍。

表4 滇西北亞高山典型林分草本層最大持水量比較

3.4 枯落物層最大持水量比較

枯枝落葉層在森林生態(tài)功能中扮演著十分重要的角色，其水土保持和水源涵養(yǎng)的作用不容忽視，其吸水作用的大小，取決于其本身量的多少和性質(zhì)，不同樹(shù)種，其枯落物持水能力差異很大[20]。但枯落物持水能力達(dá)到最大時(shí)，枯落物的多少?zèng)Q定了持水能力。從表5中可看出，在各林分類型中，原始冷杉林的枯落物現(xiàn)存量最高，達(dá)到了75 t/hm2，依次是退化樺木林、退化大果紅杉林、退化杜鵑灌叢和稀疏云+冷杉林，枯落物現(xiàn)存量分別為9.63，3.829，2.361，0.948 t/hm2，而退化高山櫟灌叢沒(méi)有枯枝落葉層，這可能和海拔高，風(fēng)大而植被遮擋較少有一定的關(guān)系。

表5 滇西北亞高山典型林分枯落物最大持水量比較

與枯落物現(xiàn)存量的變化趨勢(shì)一致，各森林植被類型枯落物最大持水量與枯落物現(xiàn)存量成正比，但不同的林分，枯落物最大持水量差異很大，原始冷杉林最大持水量達(dá)16.35 mm，分別是退化樺木林、退化大果紅杉林、退化杜鵑灌叢和稀疏云+冷杉林的11.59，16.49，27.12，66.67倍。

3.5 不同林分植被最大持水量

水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分，主要表現(xiàn)為對(duì)降雨的再分配過(guò)程。森林蓄水能力由地上植被的持水和地下土壤的持水兩部分組成[4]。植被層截留降水的能力包括林冠層、灌木層的枝葉持水量和草本層、枯枝落葉層的持水量。從表6中可看出，植被層最大持水量以原始冷杉林最大，達(dá)33.59 mm，分別是稀疏云+冷杉林、退化樺木林、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林和退化高山櫟灌叢最大持水量的5.91，6.42，10.87，19.09，20.86倍。

表6 不同林分植被最大持水量比較 mm

從滇西北亞高山不同林分類型植被最大持水量可看出，植被越好、干擾越少的林分，植被的持水量越大，也就是說(shuō)，原始冷杉林為代表的其他未被破壞的原始林，植被的最大持水量最大，缺喬木樹(shù)種的林分，植被持水量較小。稀疏云+冷杉林保留有高大的母樹(shù)，具有很強(qiáng)的更新能力，林下有一定的灌草植被，形成相對(duì)較好的林分層次結(jié)構(gòu)，因此，其植被層最大持水量?jī)H次于原始冷杉林。

從20世紀(jì)80年代采伐云、冷杉林后形成的退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林來(lái)看，喬木樹(shù)種分布較多的大果紅杉林最大持水量較大，退化杜鵑灌叢和退化高山櫟灌叢基本差不多；而從采伐后不留母樹(shù)的退化樺木林與80年代采伐后不留母樹(shù)的3個(gè)林分類型(退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林)相比，采伐年代越久的林分，植被最大持水能力也較大。

4 討論與結(jié)論

滇西北亞高山地處我國(guó)西南的“三江并流區(qū)”，屬大江大河上游源頭區(qū)域，其地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，山高坡陡，屬潛在侵蝕嚴(yán)重區(qū)域，森林植被固土保水的功能極為重要，保護(hù)和恢復(fù)好該區(qū)域的森林植被，是維護(hù)長(zhǎng)江、瀾滄江和怒江下游國(guó)土安全的重要舉措，是我國(guó)西南生態(tài)安全屏障的主要保障。滇西北亞高山垂直地帶性植被類型是高山針葉林，研究表明，林冠層最大持水量表現(xiàn)為原始冷杉林>退化樺木林>稀疏云+冷杉林>退化大果紅杉林>退化杜鵑灌叢，由此說(shuō)明林冠層枝葉量越多，枝葉越密集，其持水量也越大，尤其是樹(shù)體高大的原始冷杉林，可通過(guò)林冠層層層攔截降雨，因此，喬木樹(shù)種的增加是提高林冠層最大持水量的有效途徑；灌木層最大持水量表現(xiàn)為退化高山櫟灌叢>退化杜鵑灌叢>退化大果紅杉林>稀疏云+冷杉林>退化樺木林>原始冷杉林，說(shuō)明喬木樹(shù)種越高大，郁閉度越大，灌木數(shù)量就越少，灌木層的最大持水量和灌木層枝葉量的多少是一致的；草本層最大持水量表現(xiàn)為原始冷杉林>退化樺木林>稀疏云+冷杉林>退化大果紅杉林>退化杜鵑灌叢>退化高山櫟灌叢，這主要是云、冷杉采伐后，植被的退化引起了土壤的退化，尤其是退化杜鵑灌叢、退化高山櫟灌叢和退化大果紅杉林，土壤瘠薄，局部地表裸露，降雨對(duì)土壤沖刷嚴(yán)重；枯落物最大持水量差異很大，表現(xiàn)為原始冷杉林>退化樺木林>退化大果紅杉林>退化杜鵑灌叢>稀疏云+冷杉林，不同的林分枯落物最大持水量差異很大。

本文通過(guò)對(duì)滇西北亞高山云、冷杉采伐后典型退化植被與原始冷杉林進(jìn)行比較，表明，滇西北典型退化林分與原始冷杉林比較，植被層最大持水量以原始冷杉林最大，達(dá)33.59 mm，分別是稀疏云+冷杉林、退化樺木林、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林和退化高山櫟灌叢最大持水量的5.91倍、6.42倍、10.87倍、19.09倍和20.86倍。說(shuō)明植被越好、干擾越少的林分，植被的持水量越大，缺喬木樹(shù)種的林分，植被持水量較小。通過(guò)對(duì)滇西北亞高山云、冷杉不同采伐年代的水源涵養(yǎng)分析來(lái)看，從20世紀(jì)80年代采伐云、冷杉林后形成的退化林分來(lái)看，喬木樹(shù)種分布較多的大果紅杉林最大持水量較大；而從采伐后不留母樹(shù)的退化樺木林與80年代采伐后不留母樹(shù)的3個(gè)林分類型(退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林)相比，采伐年代越久的林分，植被最大持水能力也較大。