川西高山和亞高山主要灌木的被水性能

川西高山和亞高山主要灌木的被水性能

位于青藏高原東南緣的西川高山峽谷，地形復(fù)雜，新結(jié)構(gòu)運(yùn)動活躍，巖體疏松，地震頻繁。這是一個非常脆弱的生態(tài)環(huán)境。川西亞高山暗針葉林是該區(qū)主要的植被類型,但由于地形或人為的原因,高山和亞高山灌叢分布于森林邊緣或是鑲嵌其中,共同形成水源涵養(yǎng)的生態(tài)屏障。分布于林線上部的杜鵑灌叢和分布于陽坡的高山櫟灌叢、子櫟灌叢,都是局域生境條件下相對穩(wěn)定的群落,并且位于生態(tài)環(huán)境較為惡劣的地段,其生態(tài)水文效應(yīng)尤為重要。對于川西亞高山森林水文學(xué)的研究已相當(dāng)豐富,內(nèi)容涉及森林冠層截留、地被物持水特征、森林蒸發(fā)散、土壤入滲、根土作用層等諸多方面。但對于灌叢的研究,則只限于群落特征、生物量等方面,對于高山、亞高山灌叢水文效應(yīng)的研究,則基本上屬于空白。本文既以川西高山和亞高山灌叢為研究對象,分析主要灌叢類型在不同海拔梯度上的地被物及土壤持水特征,這有利于加深對長江上游高山和亞高山灌叢水文效應(yīng)的認(rèn)識。1米亞羅三種類型林分的分布、分布和生長特性研究區(qū)位于四川省理縣米亞羅林區(qū),地理坐標(biāo)N31°24′～31°55′,E102°35′～103°4′,海拔在2200～5500m之間。該區(qū)位于青藏高原東緣褶皺帶最外緣部分,具有典型的高山峽谷地貌。氣候受著高原地形的決定性影響,屬冬寒夏涼的高山氣候。以海拔2760m的米亞羅鎮(zhèn)為例,全年降水量700～1000mm,年蒸發(fā)量1000～1900mm,1月份均溫-8℃,7月份均溫12.6℃,≥10℃的年積溫為1200～1400℃。米亞羅林區(qū)植被垂直成帶明顯,其類型和生境隨海拔及坡向而分異。主要植被類型為亞高山森林和高山草甸,高山和亞高山灌叢也占有相當(dāng)大的面積。通過對米亞羅林區(qū)1999年9月20日ETM遙感影像解譯,米亞羅灌叢面積占總面積的10.44%。高山和亞高山灌叢主要分布于林線以上和干旱陽坡,主要有杜鵑灌叢、高山櫟灌叢和子櫟灌叢3種類型。杜鵑灌叢主要分布于林線以上的陰坡、半陰坡,海拔在3600m以上,有時極限分布可達(dá)4500m,以青海杜鵑(Rhododendronprzewalskii)為單優(yōu)種,偶有褐毛杜鵑(Rhododendronwatsonii)、陜甘花楸(Sorbuskoeheana)、細(xì)枝繡線菊(Spiraeamyrtilloides)滲入。杜鵑灌叢下土壤為山地假灰化棕色森林土,pH4.6～5.3,呈強(qiáng)酸性;土壤腐殖質(zhì)含量雖較多,但多系粗腐殖質(zhì),未很好礦物質(zhì)化。高山櫟灌叢主要分布于海拔2700～3800m的陽坡,以川滇高山櫟(Quercusaquifolioides)為單優(yōu)種,伴生種類包括木帚子(Cotoneasterdielsianus)、平枝子(Cotoneasterhorizontalis)、鞘柄菝葜(Smilaxstans)等;該類型中一部分由高山櫟云杉林采伐后形成。高山櫟灌叢下土壤為山地棕色森林土,pH5.4～6.3,呈微酸性或趨于中性;土壤腐殖質(zhì)含量較高,土壤肥力也相應(yīng)較高。子櫟灌叢主要分布于海拔2200～2700m的陽坡、半陽坡,除優(yōu)勢種子櫟(Quercuscocciferoides)外,還有美麗胡枝子(Lespedezaformosa)、粉背黃櫨(Cotinuscoggygriavar.glaucophylla)、美薔薇(Rosabella)、馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberi)、圓葉山螞蝗(Desmodiumpodocarpum)、蕕(Caryopterisspp.)、小花滇紫草(Onosmafarrerii)、小黃素馨(Jasminumhumile)、白刺花(Sorphoravrcifolia)、黃刺玫(Rosaxanthina)和野花椒(Zanthoxylumsimulans)等種類,該類型位于半干旱中山區(qū)向干旱河谷的過渡地帶。子櫟灌叢下為山地褐色森林土,具有強(qiáng)烈的碳酸鹽反應(yīng),土壤肥力不高。以上3種灌叢類型都是局域地形條件下相對穩(wěn)定的群落。2學(xué)習(xí)方法2.1樣地的設(shè)置和群落調(diào)查選擇有大面積杜鵑灌叢分布的陰坡,分別在海拔3800、4000、4200m處設(shè)置樣地;選擇有大面積高山櫟灌叢分布的陽坡,在海拔3000、3200、3400m和3600m處設(shè)置樣地;選擇有大面積子櫟灌叢分布的陽坡,在海拔2300、2500m和2700m設(shè)置樣地;樣地大小均為20m×20m,對樣地進(jìn)行群落調(diào)查。每類灌叢選擇3個坡面,以使同一類型和海拔的樣地至少有3個重復(fù)。2.2單位面積鮮重回收單在各樣地上部、下部各設(shè)2個、中部設(shè)1個1×1m2的樣方,分別收集地表苔蘚和枯落物,現(xiàn)場稱量并換算成單位面積鮮重(M1,t/hm2),同時用密封袋取樣帶回?？紤]到該區(qū)域土層淺薄12,在各樣地相同位置各挖一個土壤剖面,用環(huán)刀分別0～10、10～20、20～30、30～40cm取4層原狀土壤樣本。2.3植物枯落物最大持水率測定從各樣方苔蘚及枯落物樣品中取出一部分稱重(m1,g),裝入布袋后在清水中浸泡24h稱重(m2,g);同時另取一部分(m3,g)在65℃條件下烘干24h測定干重(m0,g)。計(jì)算樣品最大持水率(P)和單位面積苔蘚(枯落物)最大持水量(M,t/hm2)。計(jì)算公式如下:P=(m2m1×m3m0?1)×100%M=M0×P=m0m3×M1×P式中,M0(t/hm2)表示單位林地面積苔蘚(枯落物)干重。取樣重復(fù)5次。2.4容重與持水量環(huán)刀法土壤容重和持水量使用環(huán)刀法一次取樣連續(xù)測定,將裝有原狀土壤的環(huán)刀在水中浸泡12h稱重(ms1,g),計(jì)算最大持水量(Cmax,g/cm3);然后放于干砂上2h,此時環(huán)刀中土壤的非毛管水已全部流出,稱重(ms2,g)計(jì)算毛管持水量(Ccap,g/cm3);再將其放于干砂上24h,此時環(huán)刀中土壤的水分為毛管懸著水,稱重(ms3,g)計(jì)算最小持水量(Cmin,g/cm3);最后對環(huán)刀中土壤再次取樣,放入鋁盒中烘干,將環(huán)刀中的濕土質(zhì)量轉(zhuǎn)換成烘干土質(zhì)量(ms0,g)。該方法詳見《森林土壤定位研究方法》。容重與持水量的計(jì)算公式如下:D=ms0VCmax=ms1?ms0VCcap=ms2?ms0VCmin=ms3?ms0V式中,ms0、ms1、ms2、ms3(g)分別為環(huán)刀內(nèi)土壤干重、浸泡12h后的飽和重量、失去非毛管水后的重量和僅持有毛管懸著水的重量;D(g/cm3)為土壤容重;V(cm3)為環(huán)刀容積;Cmax、Ccap、Cmin(g/cm3)分別為土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量。單位換算后將各層累計(jì)可求出單位林地面積0～40cm土壤最大持水量(t/hm2)。3結(jié)果分析3.1兩種人工林關(guān)于苔蘚最大持水率的情況由圖1及表2可以看出,杜鵑灌叢苔蘚蓄積量在不同海拔間差異顯著,隨海拔升高而下降。高山櫟灌叢苔蘚蓄積量在不同海拔間差異顯著,隨海拔升高先是逐漸升高,在海拔3400m處達(dá)到最大,然后下降。這兩種灌叢苔蘚最大持水量的變化趨勢與其各自蓄積量相同。杜鵑灌叢各海拔高度苔蘚蓄積量和最大持水量平均為5.24t/hm2和46.73t/hm2,遠(yuǎn)高于高山櫟灌叢的0.32t/hm2和1.71t/hm2。子櫟灌叢位于較低海拔的干旱陽坡,灌叢下沒有苔蘚。杜鵑灌叢和高山櫟灌叢苔蘚最大持水率在不同海拔間沒有顯著差異,但前者平均為940.5%,遠(yuǎn)高于后者449.2%。這說明兩種灌叢內(nèi)苔蘚的種類及其持水性能是不同的。3.2最大持水量及蓄積量從圖3、圖4可以看出,3種灌叢枯落物蓄積量在不同海拔間均差異顯著(表2),但變化趨勢不同。杜鵑和高山櫟灌叢枯落物蓄積量隨海拔升高而降低,子櫟灌叢則隨海拔升高而升高。最大持水量的變化規(guī)律與蓄積量一致。杜鵑灌叢各海拔高度枯落物蓄積量平均為21.79t/hm2、高山櫟灌叢平均為12.12t/hm2、子櫟灌叢平均為20.37t/hm2;杜鵑灌叢各海拔高度枯落物最大持水量平均為139.98t/hm2、高山櫟灌叢為72.08t/hm2、子櫟灌叢為84.55t/hm2。3種灌叢最大持水率在海拔間差異不顯著,杜鵑灌叢平均為589.1%,高山櫟灌叢平均為596.7%,子櫟灌叢為427.5%(圖5)。3.3不同海拔土壤條件對土壤持水量的影響從表3可以看出,3種灌叢在不同海拔隨土壤深度的增加,土壤容重均顯著增大,最大持水量顯著下降,但毛管持水量和最小持水量僅在部分類型顯著下降。這與高山峽谷區(qū)土層淺薄,土壤有機(jī)質(zhì)、土壤動物形成的孔隙、植物根系、死亡根系形成的根孔都隨深度而降低有關(guān)。這種降低應(yīng)當(dāng)主要表現(xiàn)在容納重力水的土壤大孔隙上,而毛管孔隙則僅在部分類型受到影響。杜鵑灌叢土壤0～40cm最大持水量在不同海拔間差異顯著(圖6,表2),隨海拔升高而降低。高山櫟和子櫟灌叢在不同海拔間差異不顯著。杜鵑灌叢各海拔高度土壤0～40cm最大持水量平均為2216.92t/hm2、高山櫟灌叢為2114.87t/hm2、子櫟灌叢為2062.83t/hm2。4枯落物與林分因子通過對3種灌叢地被物及土壤持水性能的分析,可以看出,杜鵑灌叢苔蘚、枯落物蓄積量及最大持水量隨海拔升高而降低。這是由于杜鵑灌叢位于陰坡林線以上,隨海拔進(jìn)一步升高,灌叢高度降低、蓋度下降(表1),灌叢內(nèi)生態(tài)環(huán)境愈加惡劣,苔蘚層蓋度、厚度降低,枯落物凋落量亦隨之下降。高山櫟灌叢苔蘚蓄積量及最大持水量先隨海拔升高而增加,在3400m處達(dá)到最大,之后又降低。這和苔蘚喜陰濕環(huán)境有關(guān),在陽坡,隨海拔增高、溫度降低,灌叢內(nèi)生境趨于陰冷,因而苔蘚先是隨海拔升高而增加,但到了海拔3600m,已開始接近陽坡林線,林內(nèi)環(huán)境又趨惡劣,苔蘚蓄積量反而下降。在海拔2800m以下的子櫟灌叢,由于該海拔已開始進(jìn)入干旱河谷過渡區(qū),灌叢內(nèi)環(huán)境趨于旱化,就沒有苔蘚的存在。高山櫟灌叢枯落物蓄積量及最大持水量隨海拔升高而降低,子櫟灌叢則隨海拔升高而升高。在川西高山峽谷地區(qū),海拔對于水熱組合的強(qiáng)烈影響作用到群落特征上:分布在陽坡2800m以下的子櫟灌叢,隨海拔降低干旱化趨勢愈加顯著,灌叢中美麗胡枝子、粉背黃櫨、白刺花等耐旱成分逐漸增加,灌叢高度降低、枯落物減少;而在2800m以上的高山櫟灌叢,隨海拔升高溫度降低,灌叢高度降低、枯落物減少;因而在這兩種灌叢內(nèi)枯落物與海拔的關(guān)系表現(xiàn)出相反的趨勢。3種灌叢在不同海拔隨土壤深度的增加,土壤容重均顯著增大,最大持水量顯著下降,但毛管持水量和最小持水量僅在部分類型顯著下降。這與該區(qū)域各種森林土壤的特征是一致的,其與土層淺薄密切相關(guān)。3種灌叢土壤0～40cm最大持水量只有杜鵑灌叢隨海拔升高而顯著降低,其他兩種不同海拔間差異不顯著。這應(yīng)當(dāng)和杜鵑灌叢所處高海拔有關(guān)系,在林線以上,隨海拔升高土壤發(fā)育停滯顯著,到了4500m以上,基本上就是高山流石灘了。3種類型中,杜鵑灌叢持水性能最強(qiáng),其苔蘚最大持水量在不同海拔梯度間平均為46.73t/hm2,枯落物最大持水量平均為139.98t/hm2,土壤0～40cm最大持水量平均為2216.92t/hm2。高山櫟灌叢這3個指標(biāo)分別為1.64、72.08t/hm2和2114.88t/hm2;子櫟灌叢沒有苔蘚,枯落物和土壤0～40cm最大持水量平均值分別為84.55t/hm2和2062.83t/hm2。川西米亞羅林區(qū)20世紀(jì)50～80年代經(jīng)歷過大規(guī)模采伐,是川西林業(yè)局的重點(diǎn)伐區(qū),在沒有及時人工更新的采伐跡地,在伐后的4～10(15)a間,是跡地群落演替的灌叢階段,主要是懸鉤子灌叢或箭竹灌叢,這兩類灌叢在20世紀(jì)50～70年代