川西亞高山不同林齡云杉人工林林地水源涵養(yǎng)能力比較研究

馮秋紅, 王毅, 劉興良, 蔡蕾, 劉世榮, ?，|, 孫治宇

1. 四川省林業(yè)科學(xué)院，四川臥龍森林生態(tài)系統(tǒng)定位站，四川 成都 610081；

2. 森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081；

3. 阿壩藏族羌族自治州川西林業(yè)局，四川 理縣 623102；

4. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；

5. 四川若爾蓋濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，四川 若爾蓋 624000

森林與水的關(guān)系一直是生態(tài)學(xué)與水文學(xué)研究關(guān)注的主要問(wèn)題之一[1-3]，作為我國(guó)西南林區(qū)水源涵養(yǎng)林的重要組成部分，川西山地森林對(duì)長(zhǎng)江上游水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)顯著，而人工林也正是川西山地森林的重要組成部分[4]，深入了解人工林林地水源涵養(yǎng)特征和能力，及其與天然林之間的差異，明晰其可能原因，將為西南林區(qū)水源涵養(yǎng)、保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全、鞏固長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障提供科學(xué)基礎(chǔ)。而其所發(fā)揮的生態(tài)功能卻褒貶不一，大量研究表明[5-7]，與天然林相比，人工林的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、生物多樣性較低，土壤密度大，進(jìn)而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相對(duì)較小；然而其所發(fā)揮的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也不容小覷[4,8-10]，所以，深入了解西南林區(qū)人工林水源涵養(yǎng)功能的具體情況及其影響因子是關(guān)乎該區(qū)域甚至長(zhǎng)江流域生態(tài)安全，生態(tài)屏障建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題。人工林水源涵養(yǎng)能力會(huì)隨著林木種類(lèi)[10]、林分密度[11]、林齡[12-13]甚至所處地形地貌[14]的差異而改變，一般認(rèn)為[5,7,15]，隨著林齡的增長(zhǎng)，以及演替進(jìn)程的發(fā)展，天然林的水源涵養(yǎng)能力逐漸增加，直至穩(wěn)定；然而針對(duì)人工林的相關(guān)研究還相對(duì)較少，已有的研究往往因研究對(duì)象和研究區(qū)域的差異，結(jié)果也有所差異[12-13,16]。而針對(duì)西南林區(qū)人工林隨著林齡的增加，其林地水源涵養(yǎng)能力變化的研究還尚未可見(jiàn)，本研究以造林面積較廣的云杉人工林為研究對(duì)象，研究不同林齡（20 年、30 年和40 年）云杉人工林林下地被物蓄積量、最大持水率和最大持水量以，土壤密度和持水能力等方面的差異，從而明確云杉人工林水源涵養(yǎng)能力隨林齡的變化情況，為長(zhǎng)江上游人工林結(jié)構(gòu)調(diào)整以及合理經(jīng)營(yíng)提供數(shù)據(jù)參考，更為長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障的建設(shè)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)域地處川西亞高山暗針葉林林區(qū)，地理坐標(biāo)范圍：31°24′～31°55′N(xiāo)，102°35′～103°04′E。地處青藏高原東緣褶皺帶的最外緣部分，具典型的高山峽谷地貌。而氣候主要受高原地形的影響，具有冬寒夏涼的特征，為典型的高山氣候。以海拔2 760 m的米亞羅鎮(zhèn)為例，年均降水量850 mm，年均溫為3.0 ℃，其中1 月均溫-8 ℃，7 月均溫為12.6 ℃，≥10 ℃的年均積溫1 300 ℃。

試驗(yàn)區(qū)植被垂直地帶性十分明顯，隨著海拔的變化，其類(lèi)型和生境隨隨之改變[3,15]。原生森林主要分布于海拔2 400～4 200 m 之間，主要是亞高山暗針葉林，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種以岷江冷杉(Abies faxoniana)為主。20 世紀(jì)50—60 年代的大規(guī)?？撤セ顒?dòng)后，人工造林活動(dòng)也逐步開(kāi)展，其中云杉是人工造林的主要樹(shù)種之一。因其陽(yáng)生的特征，云杉在陽(yáng)坡的表現(xiàn)明顯優(yōu)于陰坡，所以云杉人工林多見(jiàn)于陽(yáng)坡，而陰坡則大多以天然更新的樺木林和雜木林為主。該區(qū)成土母巖為千枚巖、板巖、白云巖等的殘坡積風(fēng)化物，極易風(fēng)化，土壤類(lèi)型為山地棕色森林土。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地設(shè)置與群落調(diào)查

2016 年選擇地形地貌等生境條件較為類(lèi)似的3 塊不同林齡云杉人工純林(分別為，20 年、30 年和40 年)作為研究對(duì)象，開(kāi)展群落學(xué)特征調(diào)查，具體樣地信息詳見(jiàn)表1。

表 1 云杉人工林樣地特征Tab. 1 Information on sample plots of Picea asperata Mast. plantation in Miyaluo

對(duì)每個(gè)林齡森林設(shè)置喬木樣方3～5 個(gè)，規(guī)格為20 m×20 m，每個(gè)喬木樣方內(nèi)設(shè)置灌木樣方3 個(gè)，規(guī)格為2 m×2 m，草本樣方3 個(gè)，規(guī)格為1 m×1 m。并對(duì)樣地進(jìn)行了基本的群落學(xué)特征調(diào)查；具體包括對(duì)各樣方中的植物種類(lèi)、數(shù)量、高度、蓋度，以及喬木樹(shù)種的胸徑、樹(shù)高、冠幅等測(cè)樹(shù)因子等進(jìn)行記錄。

1.2.2 苔蘚、枯落物以及土壤樣品的采集

采集各林齡云杉人工林林下苔蘚、枯落物以及0～20 cm 的原狀土壤。在各林齡云杉人工林樣地，每個(gè)喬木樣方隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m 的樣方3 個(gè)，即每個(gè)處理每個(gè)指標(biāo)約重復(fù)采集9 個(gè)樣品。測(cè)定方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。

1.2.3 性狀測(cè)定

苔蘚、枯落物蓄積量及最大持水量、土壤密度和持水量等指標(biāo)的測(cè)定詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)不同林齡云杉人工林林下地被物、土壤水文性狀進(jìn)行方差分析，確定水文指標(biāo)在不同林齡間的差異。所有數(shù)據(jù)處理和制圖均通過(guò)SPSS15.0 和Excel2013 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡云杉人工林林分生長(zhǎng)特征

如表2 所示，對(duì)于喬木層來(lái)說(shuō)，喬木的胸徑、高度和胸高斷面積在3 個(gè)林齡間均存在顯著差異。即，隨著林齡的增加，喬木層植物的胸徑、高度和胸徑斷面積均隨之顯著增加，從20 年到30 年林齡，云杉人工林胸徑增長(zhǎng)23.49%，而從30 年到40年林齡，云杉人工林胸徑增長(zhǎng)19.25%。但就樹(shù)高而言，與20 年林齡相比，30 年林齡云杉顯著升高了21.7%，而30 至40 年林齡，其高度上升了43.13%；對(duì)于林下灌草的蓋度來(lái)說(shuō)，40 年云杉人工林的灌木蓋度顯著高于另外兩個(gè)林齡，但隨著林齡的增加，草本蓋度卻呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)；就林下灌草的生物多樣性而言，20 年林齡的云杉人工林灌木生物多樣性與40 年林齡的無(wú)顯著差異，兩者均顯著高于30 年林齡的云杉人工林；而40 年云杉人工林的草本生物多樣性顯著高于30 年林齡云杉人工林，且兩者與20 年林齡的云杉人工林間均無(wú)顯著差異。

表 2 不同林齡云杉人工林林分生長(zhǎng)特征Tab. 2 Growth characteristics of Picea asperata Mast. Plantation at different ages in Miyaluo

2.2 不同林齡間云杉人工林林地地被物水文特征

如圖1 所示，總體來(lái)說(shuō)，與枯落物相比，苔蘚在地被物的持水能力中起到了更加重要的作用。首先，就枯落物而言，云杉人工林的蓄積量在不同林齡間無(wú)顯著差異；其次，30 年和40 年林齡的云杉人工林的最大持水率無(wú)顯著差異，卻均顯著高于20 年林齡；最后，導(dǎo)致枯落物最大持水量隨著林齡的增加而升高，其中40 年林齡云杉人工林顯著高于20年林齡者，兩者與30 年林齡者無(wú)顯著差異；其次就苔蘚而言，蓄積量在20 年林齡和40 年林齡之間無(wú)顯著差異，但兩者均顯著高于30 年林齡。隨著林齡的增長(zhǎng)，云杉人工林林下苔蘚的最大持水率和最大持水量均呈現(xiàn)出現(xiàn)降低再升高的趨勢(shì)，但在不同林齡間均無(wú)顯著差異。

圖 1 不同林齡云杉人工林的苔蘚和枯落物最大持水率、蓄積量和最大持水量Fig. 1 Maximal water holding rate (MWHR), cumulated mass (CM) and maximal water holding capacity (MWHC) of moss and litters from Picea asperata Mast. plantataion at different ages

2.3 不同密度云杉人工林林地土壤水文特征

如表3 所示，隨著林齡的增長(zhǎng)，林下土壤最大持水量、土壤毛管持水量、土壤最小持水量呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，但均不顯著。但就土壤密度而言，40 年林齡云杉人工林的土壤密度顯著低于20 年、30 年林齡云杉人工林，而后兩者間無(wú)顯著差異。

表 3 不同林齡云杉人工林林下土壤密度和持水量的方差分析Tab. 3 ANOVA anyalysis results of soil bulk density and water holding capacity of Picea asperata Mast. plantation at different ages

3 討論

3.1 不同林齡間云杉人工林的生長(zhǎng)特征

隨著林齡的增加，云杉樹(shù)木光合產(chǎn)物持續(xù)積累，生物量隨之顯著增加，本研究結(jié)果表明云杉胸徑、高度等生物量指標(biāo)也隨之增加(見(jiàn)表2)，這與前人相關(guān)研究結(jié)果一致[20-22]。而從增長(zhǎng)的速率來(lái)看，胸徑趨向于在20～30 年林齡增長(zhǎng)更快，而樹(shù)高則在30～40 年林齡增長(zhǎng)更迅速，這與潘開(kāi)文[20]對(duì)川西亞高山地區(qū)青杄和云杉采伐跡地的相關(guān)研究結(jié)果類(lèi)似。就不同林齡人工林林下灌草層來(lái)說(shuō)，研究結(jié)果往往隨著研究對(duì)象和研究地點(diǎn)的變化而發(fā)生變化，如李玉婷等[24]2015 年對(duì)內(nèi)蒙古2～13 年林齡油松和白杄的研究表明，兩者林下草本生物多樣性與林齡間均呈現(xiàn)非線性相關(guān)關(guān)系，油松先升高后降低，而白杄則恰相反；徐佳玉[23]于2014 年對(duì)廣西紅錐人工林的研究發(fā)現(xiàn)，隨著林齡的增加，灌草層生物多樣性呈現(xiàn)與喬木相反的變化趨勢(shì)，即隨之降低。本研究結(jié)果表明，隨著林齡的增長(zhǎng)，云杉人工林林下灌木和草本生物多樣性均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，草本層則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而林下灌草生物多樣性在林齡間的差異可能與林地環(huán)境密不可分，隨著林齡的增加，林地土壤環(huán)境的改善[11,23]為林下植被的生長(zhǎng)和土壤種子庫(kù)的萌發(fā)提供基質(zhì)條件。相比之下，草本較灌木具有更快地環(huán)境敏感性。同時(shí)林下灌草的蓋度也隨著林齡的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，其中，草本蓋度隨著林齡的增加而降低，灌木蓋度則隨著林齡的增加而增加。隨著林齡的增長(zhǎng)，林下土壤環(huán)境的改善，喬木層郁閉度和灌木層蓋度隨之增加，如花楸(Sorbusspp.)、栒子(Cotoneasterspp.)、忍冬(Loniceraspp.)等，進(jìn)而林下草本層光照環(huán)境惡化，蓋度降低[11,24-25]。

3.2 不林齡間云杉人工林地被物水文效應(yīng)

對(duì)于密度處于2 300/hm2左右的云杉人工林而言，與枯落物相比，苔蘚所起的林地水源涵養(yǎng)能力占據(jù)了主導(dǎo)地位(見(jiàn)圖1)，本研究中，云杉人工林林下苔蘚層的最大持水率介于577%～703%之間，顯著低于樺木林、樺木岷江冷杉混交林等天然次生林[18,26]；雖然隨著林齡的增長(zhǎng)，苔蘚最大持水率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但不顯著。一般認(rèn)為，光照是影響植物、甚至苔蘚生長(zhǎng)的主要影響因子[26-28]，隨著林齡的增加，云杉人工林的郁閉程度顯著增加，苔蘚生長(zhǎng)所需的光環(huán)境受到影響，進(jìn)而30 年林齡蓄積量有所降低，隨著林齡的持續(xù)增長(zhǎng)，林分郁閉度進(jìn)一步增加，在光照條件逐漸減弱的同時(shí)，林下空氣和林地土壤濕度均有所升高，林地苔蘚種類(lèi)逐漸發(fā)生變化，導(dǎo)致40 年林齡苔蘚的蓄積量持續(xù)增加[27-28]，進(jìn)而導(dǎo)致其最大持水量也呈現(xiàn)類(lèi)似趨勢(shì)。就枯落物而言，隨著林齡的增加，其組分也隨之改變。對(duì)于20 年林齡的云杉林來(lái)說(shuō)，枯草和云杉枯枝葉應(yīng)為主要成分，而對(duì)于30 年林齡的云杉林而言，云杉枯枝枯葉為主要成分，隨著林齡的增加，林下灌木和小喬木的組成增加，所以闊葉枯枝葉成為40 年林齡云杉林主要的組成部分，進(jìn)而導(dǎo)致了枯落物最大持水率的差異[29,30]，也進(jìn)一步導(dǎo)致林地枯落物最大持水量隨著林齡的增加而顯著增加這與前人類(lèi)似研究結(jié)果相同[30-31]。

3.3 不同林齡間云杉人工林土壤水文效應(yīng)

土壤密度是土壤的物理性質(zhì)、土壤緊實(shí)度和質(zhì)量的重要指標(biāo)，表征土壤的透水性和通氣性，與土壤孔隙度和滲透率密切相關(guān)[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，云杉人工林林地0～20 cm 土壤密度均介于0.99～1.14 g/cm3之間，顯著高于研究區(qū)域的天然次生林以及原始林[18]。同時(shí)，與低林齡相比，40 年林齡的云杉人工林，其土壤密度顯著降低。本研究中，隨著林齡的增加，云杉人工林林地土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均隨之增加，但均未達(dá)到顯著水平，然而40 年林齡的云杉人工林林地土壤密度卻顯著高于其他林齡。可見(jiàn)，即使是人工林(密度處于2 000 株·hm-2左右)，隨著時(shí)間的推移，林分下木層生物多樣性的增加，灌木蓋度的持續(xù)增長(zhǎng)，以及苔蘚種類(lèi)變化以及蓄積量的持續(xù)上升，林地的土壤也可以得到逐漸地改善[5,23,33]。

綜上所述，對(duì)于密度約為2 300·hm-2的云杉人工林而言，隨著林齡的增長(zhǎng)，云杉人工林林分生物量隨之增加，灌木蓋度顯著升高，而草本蓋度降低，灌、草的生物多樣性均呈現(xiàn)非線性變化趨勢(shì)，即先降低再升高；同時(shí)，林地地被物中，苔蘚仍占據(jù)了主導(dǎo)的水文作用，隨著林齡的增長(zhǎng)，其蓄積量呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，但最大持水率和最大持水量均無(wú)顯著變化；而枯落物的最大持水率以及最大持水量均隨林齡的增長(zhǎng)而增加，但蓄積量則無(wú)顯著變化。這與隨著林齡增長(zhǎng)而發(fā)生改變的林下光照和大氣、土壤濕度有關(guān)。最后，在林地生物多樣性增加、灌木蓋度增加以及苔蘚蓄積量增加等多重因素的影響下，林地土壤密度也隨之降低?？梢?jiàn)，隨著林齡的增加，2 300·hm-2左右的云杉人工林，無(wú)論群落結(jié)構(gòu)還是生物量以及土壤質(zhì)量均隨之增加或改善，本研究?jī)H為針對(duì)云杉人工林20—40 年3 個(gè)林齡的觀測(cè)研究，有關(guān)更長(zhǎng)林齡的相關(guān)情況還有待于我們進(jìn)一步的觀測(cè)研究。