白龙江上游水源涵养林植物多样性及土壤养分特征研究

丁全定，杨永红，刘锦乾，赵 栋，罗子渝，金 炜

（1．甘肃省白龙江林业管理局林业科学研究所，兰州730070；2．甘肃省白水江林业局，甘肃 陇南746400）

水源涵养林泛指河川、水库、湖泊的上游集水区内大面积的原有林（包括原始森林和次生林）和人工林，是一种复杂的森林生态系统，不但有森林普遍具有的生态、经济和社会效益，而且最主要的是它具有涵养保护水源、防止土壤侵蚀、净化水质和调节气候等生态服务功能。加强水源涵养林建设是实现水资源可持续利用和水土保持的有效途径［1］。白龙江上游水源涵养林地处西秦岭与青藏高原东缘褶皱带，整个流域山峦起伏，江河纵横，地势由东南向西北递增，地形复杂，生态环境脆弱，历史上经过大规模森林采伐以及林区内原居民长期生产活动，使林区植被和土壤退化加速，生态环境恶化，滑坡、泥石流等自然灾害频发。为进一步加强白龙江上游水源涵养林保护利用、提高管理水平，我们进行了白龙江上游水源涵养林植物种类、植被类型、主要水源涵养林土壤养分含量等研究。

1 研究区概况与研究方法

1．1 研究区概况

研究区位于白龙江上游的迭部林区和舟曲林区，该区地形复杂，高差变化剧烈，相对高程500～1 500m，绝对高程为1 500～4 900m，平均坡度为30°～35°，局部可达50°，割切严重，高山峡谷，是典型的西北高山地形［2］。林区气候属北亚热带大陆湿润气候，春季天气多变，雨量不稳，地势高，温度低，云雾多，湿度大，夏季常有冰雹，冬季严寒。

1．2 研究方法

1．2．1 植被类型及其主要植物种类调查 以白龙江上游的迭部县和舟曲县林地为对象，以踏查方法进行白龙江上游林地类型调查，海拔范围为1 700～4 400m。

1．2．2 水源涵养林物种多样性调查

（1）乔木林地：对植被类型调查结果得出的8种乔木林类型，每种根据不同地形地貌设置1～2个具有代表性的标准样地，样地面积为20m×30 m，逐个进行种类、高度、冠幅等调查测定，之后再在样地4角分别设置5m×5m灌木样方1个，调查测定灌木、草本层盖度、植物种类、高度、生物量等，样地、样方调查同时，测定记载林地郁闭度、海拔、坡形、坡向、坡位、土层厚度等环境资料。共设置乔木林样地19个，乔木林地灌木样方36个。

（2）灌木林地：灌木林地在不同地形地貌、生长状况等地段共设置12个样方，样方面积、调查内容与方法等和乔木林地灌木样方相同。

物种多样性调查共设置乔木样地19个，灌木样方48个（其中乔木林地36个，灌木林地12个）。

1．2．3 林地土样采集和理化性状测定 在进行林地物种多样性调查的同时，在每样地四周设4个采样点，挖取80cm深土壤剖面，观察土壤厚度、类型、组成等，再按0～20cm、20～40cm共2层分别采集土样，每层重复3次，每样地分层混合土样进行理化性状测定。共挖土壤剖面及取样坑136个。测定指标包括有机质含量、碱解性氮含量、速效磷含量、速效钾含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、pH 值、电导率、风干土含水率，测定方法为经典或常规测定法［13］。

1．2．4 林地物种多样性计算 采用物种丰富度（S）、香农多样性指数（Shannon＇s diversity index）H、辛普森多样性指数（Simpson＇s diversity index）D、Pielou 均用一度指数（Species Evenness）J 等指标及其计算方法［14］。

2 结果与分析

2．1 白龙江上游水源涵养林植物种类

经调查，白龙江上游主要木本植物共42个科91个属136个种，其中发现国家一类珍稀濒危保护树种2种：红豆杉（Taxus cuspidata）、独叶草（Kingdonia uniflora）；国家二类珍稀濒危保护树种18种：岷江柏木（Cupressus chengiana）、麦吊云杉（Picea brachytyla）、大果青杄（P．neoveitchii）、紫果云杉（Piceapurpurea Mast）、秦岭冷杉（Abies chensiensis）、红杉（Larix potaninii）、粗榧（Cephalotaxus sinensis）、杜仲（Eucommia ulmoides）、连香树（Cercidiphyllum japanlcunl）、水青树（Tetracentron sinense）、厚朴（Magnolia officinalis）、青檀（Pteroceltis tatarinowii）、樟树（Cinnamomum camphora ）、华榛（Corylus chinensis）、锦绣杜鹃（Rhododendron pulchrum）、金背杜鹃（Rhododendron clementinae）、水曲柳（Fraxinus mandschurica）、刺五加（Eleutherococcus senticosus）。

2．2 白龙江上游植被类型及其不同海拔分布特征

白龙江上游植被类型依据不同的海拔高度依次为干热河谷灌丛、阔叶混交林、针叶阔叶混交林、针叶林、高山灌丛、高山草甸（表1），垂直带谱明显。

（1）高山灌丛草甸：海拔3 400～3 800m。阴坡和半阴坡分布有以山光杜鹃、金背杜鹃、烈香杜鹃、高山柳为建群树种的阴性灌丛树种，林下分布有蒿草、苔藓等极耐阴湿的植物种群；阳坡、半阳坡则分布有针茅、苔草及禾本科植物，伴生有蔷薇、花楸、珍珠梅、金露梅、小檗、锦鸡儿等灌丛，平均盖度90%。3 800m以上多为裸岩及物理风化流石滩。

（2）高山针叶林：海拔3 000～3 400m，是白龙江流域林型的最高海拔植被分布带。在自然条件下形成森林复合景观，巴山冷杉、青杄、青海云杉、粗枝云杉是该分布带的主要建群树种，林下植被组成单一，冷杉、青杄、云杉幼苗天然更新。阴坡、半阴坡生境比较温润，主要为巴山冷杉或青杄形成单层纯林，林下分布有金背杜鹃、山光杜鹃、金露梅、银露梅、忍冬和蔷薇等灌木以及苔藓、苔草等；在气候相对温热的地区，还分布有少量山杨、桦树等针阔混交林。阳坡、半阳坡比较干燥，主要建群种为针茅和其他禾本科草类，零星分布有高山柏、沙棘灌丛。

（3）暗针叶林：海拔2 600～3 000m，是白龙江流域主要的针叶植被分布带。阴坡、半阴坡主要树种有紫果云杉、青海云杉、粗枝云杉、青杄、油松等；下木主要有箭竹、忍冬、黄刺玫、峨眉蔷薇、扁刺蔷薇、绣线菊、珍珠梅、山楂、茶鑣子、辽东栎、康定柳等。阴坡2 800～3 000m有大面积的红桦纯林，杨树纯林；阴坡2 600～2 700m主要为油松单层纯林，林下灌木单一，主要为黄刺玫、峨眉蔷薇、扁刺蔷薇和忍冬，生境比较温润的草本分布茂盛。在石崖上或阳坡下部常有柏树、桦树、杨树、辽东栎、沙棘形成片状林。

（4）针阔混交林：海拔2 200～2 600m，水热条件相对较好，适宜乔木、灌木生长，是白龙江流域树种最丰富，群落类型最多的植被带。阴坡、半阴坡主要树种有油松、华山松、铁杉、青杄、辽东栎、山杨、甘肃枫杨、白桦、红桦、糙皮桦、漆树、槭树等针阔叶树的混交林；林下主要有箭竹、青海柳、川滇柳、毛榛、刺叶高山栎、甘肃小檗、黄芦木、茶鑣子、绣线菊、珍珠梅、栒子、悬钩子、峨眉蔷薇、扁刺蔷薇、胡枝子、忍冬、卫矛、荚蒾、山楂、沙棘等灌丛。在沟谷河滩地带分布人工抚育栽植的杨树林和油松林。

（5）干热河谷灌丛：海拔1 800～2 200m，阴坡温凉湿润，土层深厚肥，主要为杨树，川滇柳、绣线梅、胡枝子、木姜子、蔷薇等乔木或灌木；阳坡炎热干燥，土壤浅薄贫瘠，其水热条件不能满足乔木、灌木生长。地表为灌丛草地，主要为锦鸡儿、辽东栎、沙棘、小檗及禾本科草本植物等。

表1 不同林型的水源涵养林

2．2 不同类型水源涵养林物种多样性特征

据调查（表2），白龙江上游不同类型水源涵养植物物种丰富度为6～24，阔叶混交林最高，杜鹃灌丛林和杜鹃－冷杉混交林最低；物种丰富度变化总趋势表现出随海拔升高而降低，阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶林。香农多样性指数（H）0．8695～2．7385，干热河谷灌丛最高，杜鹃灌丛最低；不同林型之间变化趋势与物种丰富度相似。辛普森多样性指数（D）0．3096～0．9848，冷杉－青杄混交林最高，油松林最低。Pielou均一度指数（J）为0．4468～0．9141，干热河谷灌丛最高，杜鹃灌丛最低。从这4个指标总体来看，白龙江上游不同类型水源涵养林物种多样性干热河谷灌丛最高，天然阔叶混交林次之，桦树辽东栎阔叶混交林、油松阔叶混交林、青杄冷杉混交林较大，杜鹃灌丛林和杜鹃－冷杉混交林最低。观察还发现，桦树阔叶混交林中，白桦生长较差，病虫害严重，糙皮桦死亡现象严重，而桦树－云杉混交林，生长较好，病虫害轻。青杄－冷杉混交林，物种丰富，分布较均匀，但生长势弱，枯枝落叶多未分解，林下灌木稀疏。

针叶纯林由于针叶树种自身的缺陷，如枯落物分解困难、自肥能力较差等，涵养水源和保持水土能力相对于针阔混交林要差［10］。因此，为提高林地物种多样性和保持水土、涵养水源能力，在进行人工造林或森林抚育时，可根据立地条件和树种生物学特性，尽量多营造针阔混交林或阔叶混交林。

表2 不同林型水源涵养林群落物种多样性指数

2．3 不同水源涵养林土壤养分含量

土壤有机质含量和全N含量作为土壤养分中最主要的两个指标［13］，其含量高低直接影响土壤的肥力状况，进而影响植物的生长发育水平及其生态稳定性。从表3可以看出，白龙江上游不同水源涵养林土壤有机质含量为1．71%～25．19%，干热河谷灌丛最高，冷杉－青杄混交林最低，杜鹃－冷杉混交林、桦树－辽东栎混交林、油松－阔叶混交林也较高。土壤全N含量为0．94～8．90g·kg－1，干热河谷灌丛最高，冷杉－青杄混交林最低，杜鹃－冷杉混交林和油松－阔叶混交林也较高。从有机质含量和全N含量看，干热河谷灌丛土壤养分最好，其次为杜鹃－冷杉混交林和油松－阔叶混交林，冷杉－青杄混交林最最差。

同林地不同深度土壤养分含量存在差异，在从0～20cm至20～40cm过渡中，其中有机质含量、全氮、碱解氮含量、速效磷、速效钾和风干土含水率都在显著降低。尤其以土壤有机质含量（图1）、全氮含量（图2）变化变化最为显著。

土壤有机质和全氮含量变化与土壤pH值变化比较分析发现，有机质和全氮含量较高的土壤其pH值较小，土壤呈弱酸性或中性（图3），如杜鹃冷杉混交林和桦树—辽东栎阔叶混交林养分含量较高，pH值都较小，而养分含量最低的冷杉－青杄混交林pH 值却最高（9．17）。

图1 不同林型的不同层次土壤有机质含量

图2 不同林型的不同层次土壤含N含量

3 结论

白龙江上游主要木本植物共42个科91个属136个种，其中国家保护植物20种；不同海拔高度植被垂直带谱明显，由低到高依次为干热河谷灌丛、针阔混交林、暗针叶林、高山针叶林、高山灌丛草甸。不同类型水源涵养植物物种丰富度为6～24，香农多样性指数（H）0．8695～2．7385，辛普森多样性指数（D）0．3096～0．9848，Pielou均一度指数（J）为0．4468～0．9141，物种多样性天然干热河谷灌丛最高，天然阔叶混交林次之，桦树辽东栎阔叶混交林、油松阔叶混交林、青杄冷杉混交林较大，杜鹃灌丛林和杜鹃－冷杉混交林最低。不同水源涵养林土壤有机质含量为1．71%～25．19%，全 N含量为0．94～8．90g·kg－1，养分状况干热河谷灌丛土壤养分最好，其次为杜鹃－冷杉混交林和油松－阔叶混交林，冷杉－青杄混交林最最差。

表3 不同林型的水源涵养林土壤理化特征

干热河谷灌丛物种多样性高，但以灌木为主，灌层高度不超过3m，土壤肥力处于中下水平，且因在河谷阶地处，放牧对植被破坏较大。阔叶混交林（桦木、辽东栎等）多样性水平次之，层高度不小于15m，但土壤肥力高，有利于土壤改造及幼林抚育。构建水源涵养林，以营造针阔混交林为主，合理搭配云杉、青杄、桦树、杨树等树种，对提高林下灌木层物种多样性水平具有重要作用，而针叶纯林的物种多样性则较差。建议在抚育和封育时，人为倾向于针叶纯林的改造，对针叶纯林补植阔叶树种进行林分改造。

物种多样性指数与土壤特征的关系较为复杂，本研究结果表明，土壤有机质含量、碱解性氮含量、速效磷含量、速效钾含量、全氮含量、束缚水含量的高低与香农多样性指数（H）、Pielou均一度指数（J）、辛普森多样性指数（D）水平的极大值呈负相关，与多样性水平的极小值呈正相关，这与肖德荣［12］等的研究结果相似。不同林型的土壤养分特征差异达到极显著性水平，阔叶混交和针阔混交对提高土壤质量作用显著，尤其以天然阔叶混交林的养分状况最好，而天然冷杉和青杄混交林的养分最差。因此，在白龙江上游区域，以营造水源涵养林为目的营林或幼林抚育，在针叶纯林中栽植阔叶林构建针阔混交林，对阔叶混交林多进行人为干预，进行不定期修枝、割灌、锄草，从而更有力于植物的生长发育，提高水源涵养林的生态功能。Gentry［16］认为随着土壤肥沃程度的增加，群落的物种多样性也逐渐增加。本文研究结果为针阔混交林（云杉混交林）和阔叶混交林物种多样性和土壤肥力差异均极显著，物种多样性与土壤质量相关性尤其显著。因此，在以后的水源涵养林营林中，可将调查物种多样性和检测土壤特征因子作为选择宜林地或林地改造参考条件或营林作业成功与否的重要评价指标之一。

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