祁连山大野口流域青海云杉林分结构及其土壤水热特征分析

2014-05-08牛赟刘贤德王立赵永宏常博

生态环境学报 2014年3期

牛赟，刘贤德，王立，赵永宏，常博

1. 甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃省森林生态与冻土水文水资源实验室，甘肃张掖 734000；2. 甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070

森林土壤是森林生态系统发挥水源涵养功能的主要载体，直接影响系统的水文过程（潘明亮等，2011）。林分结构不同，其土壤水热生态特征存在一定差异（党宏忠等，2006；吴家胜等，2009）。土壤水热是气候–植被–土壤属性等综合因素的影响结果（Porporato A D等，2002），也是决定植被水分供给的关键因素。

近年来，关于祁连山林地土壤水特征已有较多研究(姜林等，2013；成彩霞等，2007)，对山区土壤水变化过程有了一定认识。在祁连山浅山区不同植被类型的土壤水分在典型生长季期间时间异质性研究中，发现山区土壤水分时间变异系数最大值并不在表层（刘鹄等，2008）；在祁连山主要树种下土壤水分特征的研究中，根据土壤水分的动态变化将其分为易变层-利用层-调节层3个层次（牛赟，2002）；在祁连山北坡水热状况与植物垂直分布关系的研究中，发现水热状况在水平、垂直方向都有明显的差异（王金叶等，2001）；在西北内陆河流域山区水文过程综述中，提出了后续研究的重点和难点在于研究山区森林草地生态系统在山区水文循环中的作用以及在维持和保护山区生态和环境中的作用和意义（Kang E等，2008）。目前大多数学者集中在土壤水分过程方面（王晓东和刘惠清，2011；唐振兴等，2012；赵磊磊等，2012；黄承标等，2009），或者林分结构等方面进行研究（李金良等，2012；白尚斌等，2012），但是将林分结构、土壤水分及其温度等同步实地监测来研究其生态特征还较少，特别是在祁连山区，由于冻土的存在，关注土壤水的同时，一定要重视土壤温度的关注，因为土壤温度调节着土壤水的形态（冻土水或消融水）及其植物的生长。长期对这些问题的忽视，制约了对林分结构及其水源涵养功能的深入理解，对进一步认识林分结构调节水和热两方面的生态机理缺乏科学依据。

祁连山地处青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带。《全国生态功能区划》和《全国主体功能区规划》分别将祁连山地区作为 50个国家重要生态功能区和 25个重点生态功能区之一，甘肃省制定的《甘肃省“十二五”科学和技术发展规划》明确提出将“水资源合理利用与环境治理”作为重大科技专项和优先项目，将开发祁连山水源涵养生态恢复技术作为专项重点之一。又加之青海云杉是祁连山建群种，发挥着十分重要的水源涵养功能；又由于祁连山冰川是一个“固体水库”，水源涵养林则是“绿色水库”，高山冰雪带的多年冻土层与中低山区的季节性冻土层成为连接“固体水库”、“绿色水库”和河川水系的纽带（牛赟等，2013a，2013b，2013c；刘思敏等，2013），由于这种特殊的水热性质，对土壤温度的关注必将成为热点。为此，选择大野口流域为试验流域，对青海云杉林分结构及其土壤水热特征进行研究，旨在为下一步探索林分结构及其土壤水源涵养功能，植被与土壤水资源承载力等研究提供基础数据和参考资料。

1 研究区概况

祁连山（36°30′～39°30′N，93°30′～103°E）是我国西北地区著名的高大山系之一，属典型大陆性气候特征。一般山前低山属荒漠气候，年均温6 ℃左右，年降水量约150 mm；中山下部属半干旱草原气候，年均温2～5 ℃,年降水量250～300 mm；中山上部为半湿润森林草原气候，年均温0～1 ℃，年降水量400～500 mm。高山属寒冷湿润气候，年均温-5 ℃左右，年降水量约800 mm；山地东部气候较湿润，西部较干燥。

试验区是祁连山比较典型中山气候区域，位于祁连山大野口流域（38°16′～38°33′N，100°13′～100°16′E），行政上隶属于甘肃省肃南裕固族自治县马蹄区，是祁连山国家级自然保护区西水自然保护站的管护区。大野口流域东至马鬃梁、西至西沟梁、北邻正南沟、南含排露沟，发源于肃南县境内的野牛山，主要有东岔、西岔、头滩沟、西沟梁、观台沟和深沟6条较大支流汇集于大野口水库；水库以上河流长18 km，面积约80 km2，控制了流域98%的集水区，是典型的闭合流域。试验区海拔2400~4000 m，中低山区域较平缓，坡度20°~30°，高山区域较陡，坡度约40°；属高寒干旱半干旱气候，年均气温约5.4 ℃，月均最低气温–12.5 ℃，月均最高气温约 19.6 ℃；平均年降水量300~500 mm，多集中在6—9月份，年水面蒸发约为1488 mm。由于区内海拔变化区间较大，水热条件有较大差异，形成了垂直梯度和水平差异的植被和土壤类型，是祁连山区较为典型且尺度较大的的流域。海拔由低到高，植被类型依次为山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亚高山草甸植被、高山冰雪植被；土壤类型依次为山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土。在各类土壤中山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长森林的土壤，分别分布在海拔2400~3300 m和3300~4000 m区域内。建群种青海云杉呈斑块状或条状分布在试验区海拔2400~3300 m 阴坡和半阴坡地带，与阳坡草地交错分布；祁连圆柏Sibina przewal skii呈小块状分布于阳坡、半阳坡；灌木优势种有金露梅Potentilla fruti-cosa Linn.、箭叶锦鸡儿Caragana jubata (Pall.)Poir、吉拉柳Salix gilashanica C.Wang et P.Y.Fu等；草本主要有珠芽蓼Polygonum viviparum Linn.、黑穗苔Carex heterostachya Bge.和针茅Stipa capillata Linn.等。

2 样地设置及其数据分析

2.1 样地设置及调查

2.1.1 林分结构监测

按照森林生态系统长期定位观测方法，结合目前国际上森林生态学的最新研究方法（国家林业局，LY/T1952—201l），于2013年7月植被生长季期间，在大野口河流域内建设了49块25 m×25 m的林分结构监测样地，乔木林主要是青海云杉林，土壤为山地森林灰褐土，水热条件较好，空气湿度相对较大。样地调查内容包括：活立木木本植物的胸径、树高、冠幅、枝下高、年龄以及样地内物种组成、生长状况等，同时记录胸径小于1.0 cm的活立木木本植物株数和高度及草本植物物种组成、生长状况等。

2.1.2 土壤水热监测

土壤剖面设置在代表性较广的地形部位上，在固定样地外下方选择土壤水热监测样地与林分结构监测同步进行。一般挖成1 m×(1.5～2) m的长方形土坑，其深度因土而异。祁连山由于存在冻土，土壤通常深不到1 m；先自上而下按0~10、10~20、20~40、40~60、60~80 cm划分层次，接着用针式土壤温度测量仪测量各层土壤温度，每层土壤测3次重复，取平均值；然后在各层次用土壤环刀取样，每层取2次重复，将各层土样带实验室进行土壤质量含水率测定。

2.2 数据分析方法

2.2.1 林分结构、土壤水热特征描述统计

主要引用平均值、标准误差、中位数、标准差、方差、峰度、偏度、区域、最小值、最大值、观测数、置信度等参数对林分结构、土壤质量含水率及温度等生态特征进行统计分析。

2.2.2 林分结构多度分析

多度是某指标范围内的植株个数与所有样方内植株总数的百分比。主要引用与水源涵养功能密切相关的树木径级、高度级、冠长级、冠幅级4个指标，比如径级1~5 cm是指胸径Ф为1 cm≤Ф＜6 cm范围的植株个数，上限不包括本数值，下限包括本数值，其他依此类推。

2.2.3 林分结构、生态环境、土壤水热因子相关系数分析

应用相关系数分析法对林分结构、生态环境、土壤质量含水率及温度等因子进行相关系数分析，其计算公式如下：

式中xσ、yσ分别为林分结构、生态环境、土壤质量含水率及温度等因子各指标的标准差，n为数据对数。

3 结果与分析

3.1 青海云杉林分结构统计分析

3.1.1 生态环境及其林分结构特征统计分析

从表1可见，海拔从中山到亚高山(2733~3123 m)，海拔梯度区域390 m，是青海云杉主要垂直分布区；坡向主要集中在阴坡和半阴坡，坡度以缓坡为主，最陡坡为38.7°；25 m×25 m的固定样地内乔木株数和郁闭度分别为（57.53±2.77）株和（0.62±0.0199），样地内树木最少是15株，最多是116株，郁闭度最小为0.269，最大为0.884。祁连山大野口流域49块固定样地中，对2819株青海云杉的结构特征参数进行统计，结果发现，胸径、树高、冠长、冠幅、胸径断面、冠幅面积、树龄分别为(18.37±0.18) cm、(11.97±0.11) m、(7.76±0.09) m、(3.54±0.02) m、(0.034±0.001) m2、(2.779±0.020) m2、(63.84±2.17) a；胸径、树高、冠长、冠幅、冠幅面积的分布比正态分布平缓，树龄、胸径断面的分布比正态分布剧烈，其中树龄分布变化最剧烈，其峰值为3.17；从分布区域看，树龄区域最大，胸径断面区域最小，这说明青海云杉群落为次生林演替。从水平结构看，胸径断面和冠幅投影与占地面积比值为0.31%和25.58%，从垂直结构来看，单位面积上青海云杉群落树高、冠长分别为 1.10 m·m-2和0.71 m·m-2，这 4个指标对降水的林冠截留和树干茎流影响十分强烈，也是评估祁连山森林水源涵养功能的重要指标。

3.1.2 林分结构多度分析

如图1a所示，以5 cm等级排列，径级与多度符合 3次多项式关系（y=0.1273x3–2.5109x2+12.388x，R2=0.9752，p＜0.05），径级从 1~5 cm到26~30 cm，青海云杉株数为420±27.95，变化区间为304~482；径级从31~35 cm到36~40 cm，青海云杉株数急剧下降，从183降到90，径级41~45 cm和≥46 cm更少，分别为16株和10株。这说明青海云杉径级从1~10 cm到21~30 cm，其多度变化平缓，出现水平分布趋势，占89.4%；径级≥31 cm的青海云杉多度仅占10.6%。如图1b所示，高度级小于 2 m的青海云杉多度仅为 0.46%，高度级从14~16 m到16~18 m的多度最大，分别占14.97%、14.76%，总计占29.73%；高度级从2~4 m到12~14 m以及18~20 m，其多度变化平缓，出现水平分布趋势，平均占 9.23%，总计占 64.63%；高度级从20~22 m到28~30 m，其多度较小，仅占5.64%。如图1c所示，以2 cm等级排列，冠长级与多度符合 3 次多项式关系（y=0.0399x3–1.0682x2+7.1165x，R2=0.9344，p＜0.05），冠长级从0.1~1 m到2~4 m，青海云杉多度较小，从2.87%到8.87%；冠长级从2~4 m到4~12 m，其多度为（12.97±0.65）%，变化区域为4.47%；冠长级从14~16 m到22~24 m，其多度急剧下降，从6.67%下降到0.07%，青海云杉从188株、64株下降到11株、4株，冠长级22~24 m的仅有2株。如图1d所示，冠幅级2~4 m的青海云杉多度48.49%，将近占一半，冠幅级4~6 m，其多度34.2%，占三分之一；冠幅级1~2 m，其多度占13.69%，其他冠幅级仅占3.62%。

表1 祁连山大野口流域林分结构及其生态环境特征统计（2013年）Table 1 Feature statistics of environmental factors and stand structure in Dayekou basin of Qilian Mountains (2013)

图1 祁连山大野口流域林分结构多度分析（2013）Fig.1 The abundance analysis of stand structure in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

3.2 土壤水热条件统计分析

祁连山大野口流域49块固定样地中，在40~80 cm的土壤层次中，能采土样的样地只有 9块，能监测温度的只有14块（表2），这是由于该区域表土层和心土层都较薄（一般40 cm左右）以及冻土存在的原因。正是由于土壤的这种水热特性，适应了青海云杉浅根性的生长。0~10、10~20、20~40、40~60、60~80 cm各土层的土壤质量含水率平均值分别为 (66.24±4.22)% 、 (57.62±3.23)% 、(48.44±3.21)%、(42.81±6.48)%、25.89%，而土壤温度平均值分别为(7.2±0.26) ℃、(5.2±0.27) ℃、(2.8±0.29) ℃、(2.0±0.61) ℃、(1.6±0.95) ℃。从这些数据可以看出，在青海云杉林区，土壤含水率在垂直结构上变异较小，土壤温度变异较大，从7.2 ℃降低到1.6 ℃以下。正是由于土壤温度影响着土壤水的有效利用，在存在季节性或永久性冻土现象的地区，在林分结构和土壤物理性质关系的研究中，必须要将水热结合起来同时考虑。

表2 祁连山大野口流域土壤水热条件特征统计（2013年）Table 2 Feature statistics of soil moisture content and temperature in Dayekou basin of Qilian Mountains(2013)

3.3 林分结构及其土壤水热特征相关分析

3.3.1 林分结构及其生态环境因子相关分析

一般地，相关系数|r|>0.95，存在显著性相关；|r|≥0.8高度相关；0.5≤|r|<0.8中度相关；0.3≤|r|<0.5低度相关；|r|<0.3关系极弱，认为不相关。从表 3可以看出，青海云杉胸径与其他因子相关性从大小依次为树高、冠幅、冠长、树龄，其均为中度正相关，这说明胸径是主成因子；树高与冠长中度正相关、与树龄和冠幅低度正相关；冠长与冠幅、树龄均低度正相关。

根据以上分析，在 49块固定样地中选择 147株有代表性的青海云杉进行结构回归分析，胸径Ф与树高h、冠幅d、冠长l、树龄y之间的回归方程为：Ф=0.651 h+0.15 l+1.776 d+0.053 y–0.362 (R2=0.6688，p<0.05，标准误差 εi=3.44，自由度F=71.679)。

从表4可以看出，在祁连山大野口流域从2733~3123 m的海拔梯度范围内，海拔与树高中度正相关，也就是说，随着海拔升高，青海云杉的高度随之增大，而且有中度的依赖性，与冠长低相关，与其他因子不相关。在阴坡或半阴坡的青海云杉分布区域，坡向与冠幅、冠长、树高低相关，其中，与冠幅相关性最大。坡度对青海云杉空间结构影响很小。

表3 祁连山大野口流域林分结构因子相关系数分析Table 3 Correlation analysis of stand structure factor in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

3.3.2 林分结构与土壤质量含水率特征相关分析

从表5可以看出，郁闭度和林木密度与土壤含水率成负相关，也就是说在没有土壤径流补给水分的区域，郁闭度或者林分密度与土壤含水率成反比。因此，在植被调控水资源过程中，要充分考虑植被与土壤水资源承载力的关系。林分胸径和树高生长与40~60 cm深处的土壤含水率相关性最大，与0~10 cm和10~20 cm的相关性最小，其主要原因是青海云杉林是浅根性树种，根系主要集中在土壤的40~60 cm区域范围内。冠长和冠幅生长与各层土壤含水率相关性差别不大，其主要原因是青海云杉冠长和冠幅生长主要由林分的郁闭度和密度决定；另外，主要决定林冠截留率的冠长和冠幅因子，对降水影响的同时，对土壤蒸发也形成影响，也就是说冠长和冠幅较大的青海云杉对降水截留较大，同时对土壤蒸发的滞留也较大，这种现象的相互作用形成了冠长和冠幅对土壤含水率影响较小的原因。

表4 祁连山大野口流域林分结构与环境因子相关系数分析（2013）Table 4 Correlation analysis between stand structure factors and environmental factors in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

表5 祁连山大野口流域林分结构与土壤含水量相关分析（2013）Table 5 Correlation analysis between stand structure and soil moisture content in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

表6 祁连山大野口流域林分结构与土壤温度相关分析（2013）Table 6 Correlation analysis between forest stand structure and soil temperature in Dayekou basin of Qilian Mountains（2013）

3.3.3 林分结构与土壤温度特征相关分析

从表6可以看出，郁闭度、冠长和冠幅对40~60 cm深处的土壤温度影响最大，主要原因是这些结构因子与太阳辐射对土壤温度的影响成反比，而土层越深，其影响越大。林分胸径和树高生长与土壤温度成相反，因此，加强森林资源的保护和建设，是减缓土壤变暖的有效途径。

4 结论

（1）海拔、坡度、坡向等不同环境条件下，青海云杉的密度和郁闭度差别较大，随着海拔升高，青海云杉的高度随之增大，而且相互依赖性较强，但对冠长影响一般，与其他因子不相关；在阴坡或半阴坡的青海云杉分布区域，坡向与冠幅、冠长、树高都有影响，但与冠幅影响最大；坡度对青海云杉林分结构分布几乎没有影响。

（2）祁连山大野口流域青海云杉在垂直方向上有显著的层次现象，可划分为乔木层、灌木层、草本层和苔藓层，其中苔藓层的高度和盖度优势较为明显，在水源涵养林功能发挥中起着重要作用。青海云杉在群落位置在水源涵养功能中占主导地位，空间分布也表现出一定的规律性，其胸径、树高、冠长、冠幅、冠幅面积的分布比正态分布平缓，树龄、胸径断面的分布比正态分布剧烈。从水平结构来看，胸径断面和冠幅投影面积与所在陆面面积比值为0.31%和25.58%，从垂直结构来看，树高、冠长分别为1.10 m/m2和0.71 m/m2，青海云杉这4个指标对降水的林冠截留和树干茎流影响十分强烈，也是评估祁连山森林水源涵养功能的重要指标。

（3）祁连山大野口流域青海云杉林分结构径级从1~5 cm到26~30 cm、高度级从2~4 m到18~20 m、冠长级从2~4 m到12~14 m、冠幅级从2~4 m到4~6 m，其多度分别为89.4%、94.4%、77.8%和82.7%。由于在这几个级别区间范围内多度占主要部分，因此，在研究水源涵养功能林冠截留和树干茎流过程中，要更多地关注青海云杉的这些林分结构级别多度问题。从相关系数分析来看，径级与多度、冠长与多度均符合3次多项式关系，胸径与树高、冠长、冠幅、树龄均中度正相关，符合线性多元回归函数(R2=0.6688，P<0.05，标准误差 εi=3.44，自由度F=71.679)。

（4）祁连山大野口流域青海云杉林分结构与土壤水热条件有一定的相关性。在没有土壤径流补给水分的区域，郁闭度或者林分密度与土壤含水率成反比。林分胸径和树高生长与40~60 cm深处的土壤含水率相关性最大，与0~10 cm和10~20 cm的相关性最小；郁闭度、冠长和冠幅对40~60 cm深处的土壤温度影响最大，胸径和树高生长与土壤温度成反比。

总之，本研究的着眼点在于流域林分结构特征与土壤水源涵养功能机理研究，重点分析了与水源涵养功能密切相关的林分结构及其土壤水热特征，随着生态监测科技的进一步发展，利用土壤含水量和温度监测仪对土壤水分和温度进行实时动态自动监测，在将来的研究工作中，要重点研究林分结构与土壤水热的动态变化耦合关系，为森林生态学水文学的发展提供基础数据和参考资料。

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