不同森林类型枯落物水文生态功能对比研究——以甘肃祁连山和云南元阳梯田水源林为例

不同森林类型枯落物水文生态功能对比研究
——以甘肃祁连山和云南元阳梯田水源林为例

蒋积荣1，牛赟2，3，苗毓鑫2，3

(1.张掖市寺大隆林场,甘肃 张掖 734016； 2.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重点实验室，

甘肃 张掖 734000；3.甘肃张掖生态科学研究院，甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000)

摘要选择甘肃祁连山和云南省元阳梯田水源林枯落物为研究对象，对野外调查数据进行对比分析，结果表明：(1)祁连山枯落物平均厚度3.17 cm，平均蓄积量为27.67 thm-2；元阳梯田枯落物平均厚度2.33 cm，平均蓄积量为6.86 thm-2；前者比后者的枯落物平均厚度大1.4倍，平均蓄积量大4倍。(2)祁连山枯落物平均最大持水量为79.01 thm-2，平均最大持水率为294.05%；元阳梯田水源林枯落物平均最大持水量为4.76 thm-2，平均持水率为173.46%；前者比后者的枯落物平均最大持水量大16.61倍，平均持水率大1.7倍。

关键词枯落物；蓄水量；持水率；祁连山；元阳梯田

作者简介：蒋积荣(1978-)，男，甘肃张掖人，大学，工程师，主要从事森林资源管理方面的研究.

中图分类号：S715

文章编号：1005-5215(2015)12-0008-03

Comparison on Hydrological Ecological Function of Litter in Different Forest Types

——Taking Qilian Mountains of Gansu Province and the Yuanyang

Terrace of Yunnan Province as an Example

Jiang Jirong1，Niu Yun2,3，Miao Yuxin2,3

(1. Sidalong Forest Farm of Zhangye City,Gansu Province ,Zhangye 734016,China; 2. Academy of Water Resource

Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu，Gansu Province Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil

Hydrology and Water Resources，Zhangye 734000,China；3. Academy of Ecology Science of Zhangye,Gansu Science

and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains，Gansu Province，Zhangye 734000,China )

AbstractTaking water conservation forest of Qilian Mountains of Gansu Province and Yuanyang terrace of Yunnan Province as research object,through field investigation and comparison on data,result shows that:(1) The average thickness and the average volume of litter is 3.17 cm & 27.67 t ·hm-2,respectively in Qilian Mountains; the average thickness of litter is 2.33 cm and the average volume is 6.86 t·hm-2 in Yuanyang terrace. The average thickness and the average volume of the former is 1.4 and 4 times respectively larger than that of the latter. (2) The average maximum water-holding capacity of litter is 79.01 t·hm-2 and the average maximum water holdup rate is 294.05% in Qilian Mountains; the average maximum water-holding capacity of litter is 4.76 t·hm-2 and the average maximum water hold up is 173.46% in Yuanyang terrace; the average maximum water-holding capacity and the average maximum water hold up rate of the former is 16.61 and 1.7 times larger respectively than that of the latter.

Key wordslitter; water-holding capacity; water holdup rate; Qilian Mountains; Yuanyang terrace

中国西北和西南部均为多山地区，森林以山地森林类型为主，但其森林分布和生态功能特征有很大差异。对比分析和科学评价这些差异，对于全面认识和理解我国山地森林系统生态功能作用和水源涵养机理有重要意义。森林涵养水源从垂直角度上依次为，林冠层、枯落物层和土壤层。当枯落物层吸水达到饱和时，水分在自身重力作用下缓慢下渗补给森林土壤。同时，苔藓和枯枝落叶层作为森林土壤的覆盖层，阻断了降水与土壤毛管孔隙的直接相连，防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发，提高了土壤含水率和森林涵养水源能力；枯枝落叶层对水分的调节作用还在于枯枝落叶通过分解改善了土壤结构，使土壤入渗性能增加，再一次提高了森林涵养水源的作用[1-7]。

在祁连山海拔2 500~3 500 m处，分布着约43.61万hm2水源涵养林。在元阳梯田海拔1 600~1 900 m分布着季风常绿阔叶林，在海拔1 900~2 300 m的中山分布着苔藓常绿阔叶林。本文选择甘肃省祁连山和云南省元阳梯田的水源林枯落物为研究对象，通过对比分析不同森林类型枯落物层的生态功能，提高对不同森林类型枯落物生态功能的全面认识和理解，为制订全国生态保护政策的决策提供参考。

1研究区概况

1.1　祁连山水源涵养林区

甘肃祁连山水源涵养林区，属大陆性高寒半湿润山地森林草原气候，年降水在300~600 mm，其中60%以上集中在6—9月，相对湿度50%~70%，年均气温-0.6~2.1 ℃，7 月平均气温10.0~14.0 ℃；年水面蒸发1 200 mm左右，年均日照时数2 130 h左右，无霜期90～120 d。在祁连山阴坡或半阴坡，主要分布着青海云杉(Piceacrassifolia) 林，阳坡以草地为主，零星分布着祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)和灌木，亚高海拔主要有箭叶锦鸡儿(Caraganajubata)、金露梅(Potentillafruticosa)和吉拉柳(Salixgilashanica)等为优势种的湿性灌木林；草本主要有黑穗苔(Carexatrata)、针茅(Stipaspp.)和珠牙蓼(Polygonumviviparum) 等。

1.2　元阳县梯田水源林区

云南省元阳县核心区梯田上方各大林区，主要是全福庄小寨、大渔塘、多沙和勐品林区。本区属中低山丘陵地貌，海拔1 584~1 955 m。属亚热带山地季风气候，年降雨量1 500~2 000 mm，年均气温20.5 ℃，年均日照时数1 820.8 h。土壤多为黄红壤，土层厚度1 m左右。本区天然林森林茂密，植物种类繁多，主要乔木树种有杉木(Cunninghamialanceolata)、桤木(Alnuscremastogyne)、尼泊尔桤木(Alnusnepalensis)、苦栎(Quercuscerris)、五桠果(Dilleniapentagyna)等。主要灌木树种有槐树(Sophorajaponica)臭牡丹(Clerodendrumbungei)、山茶(Camelliajaponica)、润楠(Machilusyunnanensis)、茶(Camlliasinensis)。主要草本有鳞毛蕨(Dryopterisfilixmas)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、莎草蕨(Schizaeadigitata)、荩草(Arthraxonhispidus)、车前(Plantagoasiatica)。

2试验方法

2.1　样地设置

2.1.1祁连山水源涵养林区在祁连山水源涵养林区苔藓青海云杉林、祁连圆柏林灌丛林、牧坡草地选择有代表性的地段布设5个固定样地，并在其中的对角线方向布设10~15个1 m×1 m 的收集框架，定期收集凋落物，称质量后取其部分在烘箱中烘干，计算年、月凋落物累积量；收集林内原状枯落物，装尼龙袋，然后放置于枯枝落叶层内，定期称质量，计算分解率和分解量。

2.1.2元阳梯田水源林区在元阳梯田上方森林群落，林分类型主要有桤木林、杉木林、杉木+苦栎混交林、五桠果林、元江栲林，在此基础上布设6个20 m×20 m标准地，另布设1个10 m×10 m荒坡对照地(各样地基本情况如表1)。在每块样地的代表性地段挖掘土壤剖面，并调查土壤因子。每块标准样地内分别布设3~5块灌木小样方(面积5 m×5 m)、草本小样方及枯落物小样方(面积1 m×1 m)。

表1　样地基本情况

2.2　样品采集及处理

在祁连山水源涵养林区和元阳梯田水源林区，样品采集和处理方法基本相同，都是在固定样地内选择苔藓和枯落物分层取样，测定自然状况下的苔藓和枯落物湿质量；接着将自然状况的苔藓和枯落物在水中浸泡24 h后，测定其饱和质量；然后采用65 ℃烘干，测定干质量，分别计算自然含水率、最大持水率和最大持水量。

取原状苔藓枯落物完整地装入雨量筒。在每次降水后，及时测定林内穿透雨和通过苔藓枯落物层下渗到集水瓶中的渗透雨，用林内穿透雨与通过苔藓枯落物层的渗透雨便可计算出苔藓枯落物的截留量与截留率。

3结果与分析

3.1　枯落物组成与蓄积量对比分析

枯枝落叶层水文作用的大小，首先取决于其数量和质量。因此，查明枯落物的蓄积及其动态变化，对确切评价林分在不同时期的水文生态功能，合理经营水源涵养林，提供科学的依据。

3.1.1枯落物组成对比分析祁连山水源涵养林和元阳梯田水源林枯落物组成存在明显差异。祁连山水源林枯落物中未分解成分较多，占总量的42.8%；半分解和已分解成分较少，分别占23.8%和33.4%；未分解成分在0.8~7.8 cm波动，半分解成分在0.7~2.9 cm波动，已分解成分在0.4~3.8 cm波动。元阳梯田水源林枯落物中也是未分解成分较多，占总量的62.8%；半分解和已分解成分较少，占37.2%；未分解成分在0.8~3.1 cm波动，半分解和已分解成分在0.6~1.3 cm波动。祁连山水源涵养林枯落物组成中，未分解成分比元阳梯田水源林的枯落物未分解成分低，相反，半分解和已分解成分比元阳梯田水源林的高。祁连山林区内枯落物分解程度波动性要比元阳梯田的大3~4倍。表明枯落物组成受立地条件、环境条件及树种的综合影响而表现出不同样地之间的差别。

3.1.2枯落物蓄积量对比分析从图1可见，不同区域和植被类型，其枯落物蓄积量差异很大。在祁连山水源涵养林区，枯落物蓄积量从大到小依次为藓类云杉林、云杉幼林、灌木云杉林、亚高山灌丛(箭锦) 、亚高山灌丛(甘锦)、祁连圆柏林；在元阳梯田水源林区，枯落物蓄积量从大到小依次为杉木林、桤木林1、元江栲林、五桠果林、桤木林2、杉木+苦栎林。祁连山水源涵养林枯落物平均厚度3.17 cm，平均蓄积量为27.67 thm-2；元阳梯田水源林枯落物平均厚度2.33 cm，平均蓄积量为6.86 thm-2。经对比可以看出(详见表2)，祁连山水源涵养林区枯落物平均厚度比元阳梯田水源林枯落物平均厚度大36.05%，平均蓄积量大284%。其中主要原因是，祁连山林区属大陆性高寒半湿润山地森林草原气候，该区年平均气温-0. 6～2.0 ℃，年降水在300～600 mm ；而元阳梯田水源林气候属亚热带山地季风气候，年平均气温为20.5 ℃，年降雨量为1 500～2 000 mm。水热状况是促进凋落物分解的主要因素，因此，初步推断，西北和西南林区相比，水热状况不同是造成枯落物蓄积量有较大差异的主要原因。另外，从调查得知，祁连山林区和元阳梯田林区针叶林枯落物蓄积量和厚度比其他林型的都高，而祁连山林区以针叶树为主，这也是造成两个地区枯落物蓄积量有较大差距另一主要原因。

图1　祁连山与元阳梯田水源林枯落物蓄积量对比结果

另外，森林生态系统碳循环包括植物碳库、枯落物碳库和土壤碳库，其中枯落物部分研究枯落物自然状态下分解和年新增枯落物量。祁连山水源涵养林枯落物碳库比元阳梯田的大3~4倍。

3.2　枯落物持水量对比分析

林地枯落物是森林发挥水文生态效益的第3个层次，其水文涵养功能的强弱和拦蓄大气降水的多少取决于枯落物本身的积累数量、厚度、与水分亲和的性质、分解状况以及自然含水率等因素。

表2　祁连山和元阳梯田水源涵养林区枯落物

3.2.1枯落物持水率对比分析由于祁连山处于干旱半干旱区，一般降雨历时短、强度小，降雨强度<0.10mmmin-1的降雨量占降雨总量的9.24%，出现频率则为42.86%；降雨强度>0.60 mmmin-1的降雨量占降雨总量的26.48%，出现频率仅为8.16%，说明祁连山区高强度降雨出现频率低，但降雨量较多；低强度降雨出现频率高，但降雨量仅是高强度降雨总量的43.14%；降水透过林冠到达枯落物层的总量很小，要求枯落物层承受的穿透水的截留率小。

图2　祁连山与元阳梯田水源林

元阳梯田水源林区属亚热带山地季风气候，气温高、降水量大，最大持水率自然比祁连山低。从表2可见，祁连山枯落物平均最大持水率为294.05%；元阳梯田水源林枯落物平均持水率为173.46%。

经对比可以看出，祁连山水源涵养林区枯落物平均持水率比元阳梯田大120.59个百分点，这说明两个地区枯落物的持水能力有很大差别。

3.2.2枯落物最大持水量对比分析从2表可以看出，祁连山平均最大持水量为79.01 thm-2，而元阳梯田水源林区平均最大持水量为4.76 thm-2，祁连山平均最大持水量是元阳梯田水源林枯落物平均最大持水量的16.61倍。

图3　祁连山与元阳梯田水源涵养林区

从图3可见，祁连山水源涵养林区，枯落物平均最大持水量从大到小依次为藓类云杉林、灌木云杉林、亚高山灌丛(箭锦) 、云杉幼林、亚高山灌丛(甘锦)、祁连圆柏林；元阳梯田水源林区，枯落物蓄积量从大到小依次为杉木林、元江栲林、杉木+苦栎林、五桠果林、桤木林1、桤木林2。

4结论与讨论

4.1　结论

4.1.1祁连山枯落物平均厚度3.17 cm，平均蓄积量为27.67 thm-2；元阳梯田水源林枯落物平均厚度2.33 cm，平均蓄积量为6.86 thm-2。祁连山水源涵养林区枯落物平均厚度比元阳梯田水源林枯落物平均厚度大36.05%，平均蓄积量大303%。

4.2　讨论

中国西北和西南部均为多山地区，森林以山地森林类型为主，但其森林分布和生态功能特征有很大差异。森林涵养水源由3个层次综合作用，而且各层次相互影响，形成一种生态系统对降水进行调蓄。要全面了解森林涵养水源的机理，要从多层次多角度多尺度时空关系上研究，本文仅对2个地区的枯落物层的组成和持水能力作了初步探讨，在以后的科研工作中，还要进一步研究林冠截留、树干径流、土壤径流、降水和蒸发等重要指标。

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