2014, Vol. 50
文章信息
- 赵锦梅, 徐长林, 马亚萍, 李瑞
- Zhao Jinmei, Xu Changlin, Ma Yaping, Li Rui
- 祁连山东段高寒灌丛地被物与土壤的水文特征
- Surface Cover and Soil Hydrological Characteristics of Alpine Shrub in Eastern Qilian Mountains
- 林业科学, 2014, 50(10): 146-151
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(10): 146-151.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20141020
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文章历史
- 收稿日期：2013-06-03
- 修回日期：2014-08-25
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作者相关文章
2. 甘肃农业大学草业学院 兰州 730070
2. College of Grassland Science, Gansu Agricultural University Lanzhou 730070
地被物和土壤是植被生态系统的重要结构(李倩茹等，2009)，也是植被生态系统中具有重要水源涵养功能和防止土壤侵蚀的重要层次(Guevara et al.，2007； Sato et al.，2004)，在截留降雨、拦蓄地表径流、减少土壤水分蒸发、增加土壤水分入渗和防止水土流失等方面具有重要作用(马正锐等，2012； 郭辉等，2010。土壤持水能力和渗透性作为土壤重要的物理性质，是评价土壤水分调节能力和涵养水源的重要指标，同时也是影响土壤侵蚀的重要因素(赵洋毅等，2010； Shin et al.，2013)。通过对植被生态系统地被物累积量和持水性能、土壤层持水性能以及土壤入渗特征等土壤水文特征的研究，将有助于对植被生态系统保持水土和涵养水源机理的深入认识(魏强等，2011； 张卫强等，2010； 刘洋等，2011)，也可以为区域水土流失综合治理提供科学依据。目前，一些学者已对部分区域进行了研究，并获得了一些重要的研究成果(周萍等，2010； 李融等，2010； 张明忠等，2010)，但对地理和气候条件特殊、生态环境脆弱的高寒地区灌丛群落地被物及土壤持水能力的研究相对较少。
祁连山东段地处青藏高原最东缘，属于典型的高寒生态圈，自然环境脆弱而敏感。在该区域内大面积分布着不同类型的高寒灌丛，对当地的水源补给和水源涵养起着重要作用。本研究分析该区域不同类型高寒灌丛地被物及土壤的水文特征，以期为高寒地区生态脆弱带的水源涵养和水土保持提供依据。
1 研究区概况研究区位于祁连山东段的甘肃省天祝藏族自治县抓喜秀龙乡境内(102°29′—102°33′ E，37°11′—37°13′ N)，海拔3 000～3 500 m。该区属大陆性高原季风气候，气候寒冷潮湿，空气稀薄，太阳辐射强烈。据甘肃农业大学草原站记录，该区年均气温-0.1 ℃，1月最低温-30.9 ℃，月均温-18.3 ℃，7月最高温26.7 ℃，月均温12.7 ℃，>0 ℃年积温1 380 ℃； 水热同期，年日照时数2 600 h； 年降水量416 mm，多为地形雨，集中于7—9月； 年蒸发量1 592 mm，是降水量的3.8倍。无绝对无霜期，仅分冷、热两季。10月至翌年4月为降雪期。区内土层较薄，厚40～80 cm，土壤pH为7.0～8.2，有机质含量高(10%～16%)。土壤类型从河漫滩、阶地至高山依次为亚高山草甸土、亚高山黑钙土、亚高山栗钙土、亚高山灌丛草甸土和高山灌丛草甸土。
研究区植被属青藏高原植物亚区。组成本区的种子植物约有386种，分属于50科168属，其中灌木以杜鹃花属(Rhododendron)、萎陵菜属(Potentilla)和柳属(Salix)为主，草本以嵩草属(Kobresia)、 NFDA1 草属(Carex)、蓼属(Polygonum)、早熟禾属(Poa)和风毛菊属(Sausurea)等为主(于应文等，1999)。
2 研究方法 2.1 样地设置与调查于2012年8月根据研究区主要灌丛植被分布格局，在天祝藏族自治县抓喜秀龙乡代乾沟附近选取海拔相对一致的金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛、杜鹃(Rhododendron spp.)灌丛和柳(Salix spp.)灌丛。每种高寒灌丛内均随机设置3块20 m×20 m样地，在每块样地内随机设置3个5 m×5 m样方，对样方内灌丛的植物种类、高度、郁闭度和地上生物量进行调查，样地概况见表 1。
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在每个样方内随机选取3个50 cm×50 cm地被物采集小样方，分别收集地表苔藓和枯落物，并现场对采集的苔藓和枯落物分别称鲜质量后用自封袋密封带回实验室。将所采集的苔藓和枯落物分别在65 ℃下烘干并称干质量，换算成单位面积地被物的蓄积量。然后分别将苔藓和枯落物装入100目的尼龙网并完全浸没于水中，待浸泡24 h后称湿质量。湿质量与浸水前干质量的差值即为苔藓和枯落物的持水量(张万儒等，1986)。
2.3 土壤样品采集与测定在每块样地未被扰动地随机挖土壤剖面3个，用容积为100 cm3的环刀分别采集0～10，10～20，20～40，40～60和60～80 cm土层土样，每个剖面每层重复取样3次，每种高寒灌丛样地共采集土壤样品45个，共计采集土样135个。采用环刀法测定土壤密度和孔隙度(张万儒等，1986)。
土壤持水能力测定是将装有原状土壤的环刀在水中浸泡12 h，用滤纸吸干环刀上的水分后称质量(W1)； 然后将环刀放于干砂上2 h，当环刀中土壤的非毛管水全部流出后称质量(W2)； 再将环刀放于干砂上24 h后称质量(W3)； 最后从环刀中心取土壤15～25 g，放入铝盒中称重后烘干直到恒质量(W4)，计算干土质量。根据测定的W1，W2，W3和W4并采用土壤自然含水量的计算办法分别计算土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量(中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978)。
土壤渗透性的常用指标有最初入渗率、稳渗率和平均渗透速率(张昌顺等，2009)。各项指标的计算方法为: 初渗率为最初入渗时段内的渗透量与最初入渗时间的比值，本研究取最初入渗时间为2 min；稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率；平均渗透速率为达稳渗时的渗透总量与达稳渗时间的比值。
2.4 数据处理 利用Excel和SPSS13.0软件对数据进行统计分析。采用单因素多样本的方差检验，用Ducan进行多重比较分析。
3 结果与分析 3.1 地被物蓄积量及最大持水量由图 1可知，研究区苔藓的蓄积量为4.846～10.943 t·hm-2，以杜鹃灌丛(10.9 t·hm-2)最大，分别是柳灌丛(5.940 t·hm-2)和金露梅灌丛(4.486 t·hm-2)的1.8，2.3倍。统计分析表明：杜鹃灌丛苔藓蓄积量与柳灌丛和金露梅灌丛间均差异显著(P＜0.05)； 柳灌丛和金露梅灌丛苔藓蓄积量间差异不显著(P＞0.05)。
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图 1 不同高寒灌丛的苔藓蓄积量 Fig. 1 Cumulative volume of moss in different alpine shrubs |
由图 2可知，苔藓层的最大持水量为16.721～55.339 t·hm-2，是苔藓蓄积量的3.45～5.06倍。苔藓层的最大持水量与苔藓的蓄积量变化一致，其中杜鹃灌丛苔藓层的持水量最大，分别较金露梅灌丛和柳灌丛高出69.78%和48.83%。统计分析表明：杜鹃灌丛苔藓层的持水量与金露梅灌丛和柳灌丛间均差异显著(P＜0.05)； 柳灌丛比金露梅灌丛苔藓层持水量高40.95%，但二者间差异不显著(P＞0.05)。
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图 2 不同高寒灌丛的苔藓最大持水量 Fig. 2 Maximum water holding capacity of moss in different alpine shrubs |
由图 3可知，研究区不同灌丛枯落物蓄积量为3.009～32.526 t·hm-2，以柳灌丛最大，金露梅灌丛次之(18.264 t·hm-2)，杜鹃灌丛最小。统计分析表明：不同灌丛枯落物蓄积量间差异均显著(P＜0.05)。
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图 3 不同高寒灌丛枯落物蓄积量 Fig. 3 Cumulative volume of litters in different alpine shrubs |
由图 4可知，枯落物最大持水量为9.374～68.937 t·hm-2，是枯落物蓄积量的3.12～3.77倍。金露梅灌丛和柳灌丛枯落物的持水量显著高于杜鹃灌丛(P＜0.05)，二者分别比杜鹃灌丛枯落物持水量高出86.94%和83.21%； 金露梅灌丛比柳灌丛枯落物持水量高出19.03%，但二者差异不显著(P＞0.05)。
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图 4 不同高寒灌丛枯落物最大持水量 Fig. 4 Maximum water holding capacity of litters in different alpine shrubs |
土壤密度和土壤总孔隙度垂直变化趋势明显(表 2)，土壤密度随着土层深度增加逐渐增大，总孔隙度随着土层深度增加逐渐减小； 毛管孔隙和非毛管孔隙随土层深度改变无明显的垂直变化规律。统计分析表明：同一灌丛的土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙在不同土层之间具有显著差异(P＜0.05)。
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高寒灌丛类型对土壤特征有显著影响，土壤密度表现为金露梅灌丛＞柳灌丛＞杜鹃灌丛，总孔隙度表现为杜鹃灌丛＞柳灌丛＞金露梅灌丛，毛管孔隙表现为柳灌＞金露梅灌丛丛＞杜鹃灌丛，非毛管孔隙表现为杜鹃灌丛＞金露梅灌丛＞柳灌丛； 方差分析表明不同高寒灌丛的土壤特征之间有显著性差异(P＜0.05)。
3.3 土壤持水能力从土壤各类持水量的垂直变化趋势来看，研究区土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量随土层深度的改变也相应呈现出一定变化特征(图 5，6，7)，主要表现为0～20 cm土层土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均最高，着土层深度增加各类持水量均逐渐下降，在60～80 cm土层达到最低值。0～20 cm土层土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量分别是0～20 cm以下3个土层的1.12，1.15和1.18倍，可见研究区的表层土壤持水能力强于深层次土壤。
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图 5 不同高寒灌丛的土壤最大持水量 Fig. 5 Maximum water holding capacity of soil in different alpine shrubs |
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图 6 不同高寒灌丛的土壤毛管持水量 Fig. 6 Water holding capacity of soil capillary in different alpine shrubs |
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图 7 不同高寒灌丛的土壤最小持水量 Fig. 7 Minimum water holding capacity of soil in different alpine shrubs |
杜鹃灌丛的土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量最高，柳灌丛次之，金露梅灌丛最小。统计分析表明：0～20 cm土层土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量在不同灌丛之间具有显著差异(P＜0.05)，而在0～20 cm以下土层无显著差异(P＞0.05)。
3.4 土壤渗透性从图 8可知，研究区不同高寒灌丛土壤初渗率为4.636～3.736 mm·min-1，以杜鹃灌丛的初渗率最大，金露梅灌丛次之，柳灌丛最小； 稳渗率为2.122～1.462 mm·min-1，以金露梅灌丛最大，柳灌丛次之，杜鹃灌丛最小； 平均渗透速率为3.308～2.134 mm·min-1，以金露梅灌丛最大，柳灌丛次之，杜鹃灌丛最小。从土壤水分在各个时间段的入渗过程(图 9)可以看出，不同灌丛土壤入渗速率变化趋势基本一致，均随入渗时间的推移入渗速率逐渐减小，65 min后平均渗透速率比渗透开始2 min内的平均渗透速率下降了55.37%。
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图 8 不同高寒灌丛的土壤渗透特性 Fig. 8 Characteristics of soil infiltration in different alpine shrubs |
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图 9 不同高寒灌丛的土壤入渗过程 Fig. 9 Process of soil infiltration in different alpine shrubs |
研究区苔藓的蓄积量与水热立地条件密切相关，杜鹃灌丛位于阴坡，其水热立地条件适宜于苔藓生存和蓄积(张远东等，2006)，因此其苔藓蓄积量最大； 柳灌丛和金露梅灌丛位于阳坡，相对于阴坡不利于苔藓生存，因此苔藓蓄积量小于杜鹃灌丛； 且柳灌丛和金露梅灌丛立地条件一致，因此二者苔藓蓄积量无显著差异。枯落物蓄积量与灌丛植被的地上生物量和郁闭度呈正比，柳灌丛地上生物量和郁闭度最大，因此其枯落物蓄积量最高。
从地被物的持水量变化来看，苔藓持水量最高的是杜鹃灌丛，枯落物持水量最高的是柳灌丛，说明高寒灌丛的苔藓和枯落物持水量变化与其地被物蓄积量密切正相关，表现为地被物蓄积量越大，其持水量也越大，与宫渊波等(2007)和王云琦等(2004)的研究结果相似。
受到不同生态系统之间及各层土壤持水性能和土壤理化特性等差异影响，土壤持水能力会呈现不同的变化特征(刘艇等，2010； 王洪英等，2005)。从研究区不同灌丛的土壤性状来看，杜鹃灌丛的土壤密度最小，土壤孔隙状况最优，因此杜鹃灌丛土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均显著高于其他灌丛； 相反金露梅灌丛土壤性状最差，因此土壤持水能力最低。
灌丛的植被状况和土壤性状都会对土壤的渗透性产生影响(潘云等，2009)，尤其是土壤密度和土壤非毛管孔隙度(郝占庆等，1998； Sharrow，2007)。金露梅灌丛和柳灌丛土壤密度差异不大，但金露梅灌丛非毛管孔隙度大于柳灌丛，因此金露梅初渗率、稳渗率和平均渗透速率均高于柳灌丛；杜鹃灌丛土壤密度最小，毛管孔隙度最高，因此初渗率显著高于金露梅灌丛和柳灌丛。从不同时间段的高寒灌丛入渗过程来看，在开始阶段各类型灌丛的土壤初渗率最高，随着渗透时间的推移土壤渗透速率逐渐降低，渗透速率的下降幅度也随时间的推移而减缓，最终达到土壤的饱和状态，即稳定的渗透速率(李海光等，2010)。可见，高寒灌丛土壤渗透性具有一致性变化趋势，即随着渗透时间的推移土壤渗透速率逐渐降低。
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