滇西北亞高山典型退化次生林水源涵養能力分析

和麗萍, 李貴祥, 柴 勇, 張正海, 邵金平, 馬賽宇

(云南省林業和草原科學院, 昆明 650201)

水源涵養功能是森林生態系統的一項重要生態功能，指森林攔蓄降水、調節徑流和凈化水質的能力[1-3]。水源涵養是森林生態系統服務功能的重要組成部分，主要表現為對降雨的再分配過程[4]。在森林植被調節降雨的過程中，由于降雨量是影響坡面產流的主要因子，降雨動能是影響坡面產沙的主要因子[5]。在具有植被覆蓋的林地上，降雨可以通過植被的再分配，從而減緩對地表的沖擊[6]。林分的水源涵養功能是林分系統各組成部分在其發育過程中相互作用的綜合結果。不同林分類型具有不同的水源涵養功能[7]。森林生態系統通過森林植物的呼吸作用及蒸騰作用向大氣排放水分子，從而增加大氣降水；另一方面，森林生態系統通過林地森林植物、林地枯枝落葉及林地土壤的貯水功能，調節某一區域的水資源供給。

滇西北亞高山地處我國西南的“三江并流區”，屬大江大河上游源頭區域，其地形結構復雜，山高坡陡，屬潛在侵蝕嚴重區域，森林植被固土保水的功能極為重要，保護和恢復好該區域的森林植被，是維護長江、瀾滄江和怒江下游國土安全的重要舉措，是我國西南生態安全屏障的主要保障。滇西北亞高山垂直地帶性植被類型是高山針葉林，主要由云杉屬(Picea)、冷杉屬(Abies)和落葉松屬(Larix)等屬的樹種組成，由于長期受到自然和人為的干擾不斷發生著演替變化。商業性采伐是較為重要的干擾因素，從20世紀70—90年代，據云南省中甸林業局統計，1973—1977年年均采伐面積0.11萬hm2，采伐蓄積22.6萬m3，1978—1987年年均采伐面積0.12萬hm2，采伐蓄積21.8萬m3，1988—1996年年均采伐面積0.06萬hm2，采伐蓄積8.2萬m3，商業性采伐時間不算太長，但由于集中采伐，受到的干擾較大。雖然從1998年以來停止了商業性采伐，但商業性采伐后的影響依然存在，并將在一定時期內影響著該區域的森林植被類型。然而對采伐后的森林水文功能還缺乏定量評價，特別是云、冷杉采伐后森林植被水源涵養功能的研究鮮見報道。

為摸清云、冷杉采伐后森林植被水源涵養能力變化規律，本文以原始冷杉林作為對照，對20世紀70年代、80年代、90年代采伐云、冷杉后形成的典型退化次生林開展水源涵養能力研究。

1 研究區概況

滇西北地處云南、四川、西藏3省交界，與緬甸毗鄰，處于麗江市永勝縣、大理州鶴慶縣、洱源縣北界和怒江州滬水縣南界以北地區。滇西北地區屬第四紀喜馬拉雅山抬升與褶皺地帶，地質歷史年輕，運動活躍，物種分化強烈，演化了大量特有物種，形成了許多地區特有種群，是中國3大特有物種起源和分布中心之一[8-10]。為獨龍江(伊洛瓦底江)、怒江(薩爾溫江)、瀾滄江(湄公河)和金沙江(長江)的上游地區[11]，屬于青藏高原東南緣及其向云貴高原過渡地帶，獨龍江、怒江、瀾滄江、金沙江與高黎貢山、怒山、云嶺相間排列，是橫斷山區大江與高大山系排列最緊密的地區，其間金沙江與瀾滄江最短直線距離為66 km，瀾滄江與怒江的最短直線距離不到19 km，形成獨特的“三江并流”奇觀[12]。

滇西北地區氣候多樣，一般來說，由于不同海拔的熱量分異，2 000 m以下為山地北亞熱帶，2 000～3 000 m為山地暖溫帶和山地中溫帶氣候，3 000～4 000 m為山地寒溫帶，4 000 m以上為山地寒帶氣候[13]。滇西北地質構造較為復雜，具有石灰巖、砂巖、頁巖、玄武巖、花崗巖、片巖、大理巖等各類巖層，其森林土壤以棕壤、黃棕壤、暗棕壤和紅壤為主，在亞高山和高山地帶還有漂灰土和草甸土分布[14]。

亞高山帶是亞熱帶地區山地垂直帶譜中上部，耐寒針葉樹種為優勢種，在山地寒溫性氣候條件下形成的亞高山針葉林頂級森林群落的山地垂直地帶[15]。亞高山帶的海拔高度范圍南北差異較大，一般處于3 000～4 000 m，香格里拉處于2 800～4 200 m。

滇西北是我國亞高山針葉林分布最南的地區，又是我國針葉樹種，特別是珍稀瀕危針葉樹種最集中的地區和亞高山針葉林類型和天然林資源最豐富的地區。在這一小范圍內寒溫性、溫涼性針葉樹種達40余種，其中除云、冷杉外，還有禿杉(Taiwaniaflousiana)、瀾滄黃杉(Pseudotsugaforrestii)、麗江鐵杉(Tsugaforrestii)、貢山三尖杉(Cephalotaxuslanceolata)、三尖杉(Cephalotaxusfortunei)、高山三尖杉(Cephalotaxusfortuneivar.alpina)、粗榧(Cephalotaxussinensis)、云南紅豆杉(Taxusyunnanensis)、南方紅豆杉(Taxusmairei)、云南榧(Torreyayunnanensis)等珍稀瀕危樹種，天然林資源均集中分布于本區。

2 研究方法

2.1 樣地設置及調查

于2018年10—11月在云南省香格里拉市，選擇云、冷杉20世紀70年代、80年代和90年代等不同采伐年代形成的退化次生林(不同地塊地理位置、海拔等其他因子有一定差異，但采伐前都是云、冷杉林，具有了一定的可比性)，包括退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林、稀疏云+冷杉林、退化樺木林以及原始冷杉林設置20 m×20 m的樣方各1塊，見表1。在每個樣方內分別設置2個5 m×5 m的樣方測定灌木，在每個樣方的4個角分別設置草本、枯枝落葉4個樣方，用鋼卷尺對每個枯落物樣方的4個邊角及中心位置的枯落物厚度共測量5次，取平均值，并收集每個樣方內的全部枯落物(包括未分解和半分解)，在不破壞原有結構的情況下收集到密封袋內稱其鮮重，并取樣(約250 g)帶回實驗室待測定。分別調查喬木、灌木及草本植物，調查時記錄樣地的生境及群落特征，對樣地內喬木進行每木調查，記錄種名、樹高、胸徑、冠幅及其他一些生態學特征。灌木、草本記錄種名、株(叢)數、蓋度、高度及其他重要生態特征。

表1 樣地基本情況

2.2 林分郁閉度及樹高的測定方法

林分郁閉度采用機械布點法測定，即在樣地內布設若干點，樹冠覆蓋的點數與所測點數之比。樹高采用測高儀測量。

2.3 生物量測定

喬木樹種生物量通過測定樣方內的樹種、胸徑，得出樣方內的平均高和平均胸徑，采用中國主要林木生物量模型手冊，有區域內樹種模型的采用區域樹種模型，沒有區域樹種模型的，采用針葉樹種和闊葉樹種通用生物量模型[16]，估算單位面積喬木樹種生物量；灌木、草本層生物量和枯枝落葉層現存量采用樣方收獲法測定。

2.4 持水量測定

喬木冠層最大持水量采用標準枝浸水稱重法，灌木、草本和枯枝落葉層的最大持水量測定采用浸水稱重法測定[17-18]。

3 結果與分析

3.1 林冠層最大持水量

林冠層最大持水量是評價森林植被層降水截留量的一個重要參數，它的大小取決于植被結構，主要與植被郁閉度和葉的形態有關。林分郁閉度大小，直接關系到林冠與降水的接觸面，郁閉度大的林分，其截留量也較大[4,19]。從表2可看出，林冠層最大持水量以原始冷杉林最大，分別是退化樺木林、稀疏云+冷杉林、退化大果紅杉林和退化杜鵑灌叢的4.98，2.71，18.45，20.06倍，退化高山櫟灌叢沒有喬木樹種分布，也就沒有林冠層最大持水量。從不同林分林冠層最大持水量的差異來看，林冠層枝葉量越多，枝葉越密集，其持水量也越大，尤其是樹體高大的原始冷杉林，可通過林冠層層層攔截降雨。因此，喬木樹種的增加是提高林冠層最大持水量的有效途徑。

表2 滇西北亞高山典型林分林冠層(枝葉)最大持水量比較

3.2 灌木層最大持水量比較

灌木層在林冠層下，可對降雨形成二次截留，但對灌木林來說，灌木就是主要的降雨截留層。從表3可看出，不同林分灌木層枝葉量以高山櫟冠層最多，達10.085 t/hm2，依次是退化大果紅杉林、退化樺木林、退化杜鵑灌叢、稀疏云+冷杉林和原始冷杉林，說明喬木樹種越高大，郁閉度越大，灌木數量就越少，灌木層的最大持水量和灌木層枝葉量的多少是一致的，灌木層最大持水量以退化高山櫟灌叢最大，達1.49 mm，分別是退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林、稀疏云+冷杉林、退化樺木林和原始冷杉林的3.73，1.21，9.31，1.75，27.59倍。

表3 滇西北亞高山典型林分灌木層最大持水量比較

3.3 草本層最大持水量比較

草本層在水土保持中起到重要的作用，可以有效減少降雨的濺蝕。從表4中可看出，草本層現存量以原始冷杉林(主要是苔蘚)為最多，依次是退化樺木林、稀疏云+冷杉林、退化大果紅杉林、退化高山櫟灌叢，最少的是退化杜鵑灌叢，這主要是云、冷杉采伐后，植被的退化引起了土壤的退化，尤其是退化杜鵑灌叢、退化高山櫟灌叢和退化大果紅杉林，土壤瘠薄，局部地表裸露，降雨對土壤沖刷嚴重；草本層最大持水量以原始冷杉林最大，分別是退化樺木林、稀疏云+冷杉林、退化大果紅杉林、退化杜鵑灌叢、退化高山櫟灌叢的15.95，19.71，23.93，44.67，27.92倍。

表4 滇西北亞高山典型林分草本層最大持水量比較

3.4 枯落物層最大持水量比較

枯枝落葉層在森林生態功能中扮演著十分重要的角色，其水土保持和水源涵養的作用不容忽視，其吸水作用的大小，取決于其本身量的多少和性質，不同樹種，其枯落物持水能力差異很大[20]。但枯落物持水能力達到最大時，枯落物的多少決定了持水能力。從表5中可看出，在各林分類型中，原始冷杉林的枯落物現存量最高，達到了75 t/hm2，依次是退化樺木林、退化大果紅杉林、退化杜鵑灌叢和稀疏云+冷杉林，枯落物現存量分別為9.63，3.829，2.361，0.948 t/hm2，而退化高山櫟灌叢沒有枯枝落葉層，這可能和海拔高，風大而植被遮擋較少有一定的關系。

表5 滇西北亞高山典型林分枯落物最大持水量比較

與枯落物現存量的變化趨勢一致，各森林植被類型枯落物最大持水量與枯落物現存量成正比，但不同的林分，枯落物最大持水量差異很大，原始冷杉林最大持水量達16.35 mm，分別是退化樺木林、退化大果紅杉林、退化杜鵑灌叢和稀疏云+冷杉林的11.59，16.49，27.12，66.67倍。

3.5 不同林分植被最大持水量

水源涵養是森林生態系統服務功能的重要組成部分，主要表現為對降雨的再分配過程。森林蓄水能力由地上植被的持水和地下土壤的持水兩部分組成[4]。植被層截留降水的能力包括林冠層、灌木層的枝葉持水量和草本層、枯枝落葉層的持水量。從表6中可看出，植被層最大持水量以原始冷杉林最大，達33.59 mm，分別是稀疏云+冷杉林、退化樺木林、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林和退化高山櫟灌叢最大持水量的5.91，6.42，10.87，19.09，20.86倍。

表6 不同林分植被最大持水量比較 mm

從滇西北亞高山不同林分類型植被最大持水量可看出，植被越好、干擾越少的林分，植被的持水量越大，也就是說，原始冷杉林為代表的其他未被破壞的原始林，植被的最大持水量最大，缺喬木樹種的林分，植被持水量較小。稀疏云+冷杉林保留有高大的母樹，具有很強的更新能力，林下有一定的灌草植被，形成相對較好的林分層次結構，因此，其植被層最大持水量僅次于原始冷杉林。

從20世紀80年代采伐云、冷杉林后形成的退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林來看，喬木樹種分布較多的大果紅杉林最大持水量較大，退化杜鵑灌叢和退化高山櫟灌叢基本差不多；而從采伐后不留母樹的退化樺木林與80年代采伐后不留母樹的3個林分類型(退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林)相比，采伐年代越久的林分，植被最大持水能力也較大。

4 討論與結論

滇西北亞高山地處我國西南的“三江并流區”，屬大江大河上游源頭區域，其地形結構復雜，山高坡陡，屬潛在侵蝕嚴重區域，森林植被固土保水的功能極為重要，保護和恢復好該區域的森林植被，是維護長江、瀾滄江和怒江下游國土安全的重要舉措，是我國西南生態安全屏障的主要保障。滇西北亞高山垂直地帶性植被類型是高山針葉林，研究表明，林冠層最大持水量表現為原始冷杉林>退化樺木林>稀疏云+冷杉林>退化大果紅杉林>退化杜鵑灌叢，由此說明林冠層枝葉量越多，枝葉越密集，其持水量也越大，尤其是樹體高大的原始冷杉林，可通過林冠層層層攔截降雨，因此，喬木樹種的增加是提高林冠層最大持水量的有效途徑；灌木層最大持水量表現為退化高山櫟灌叢>退化杜鵑灌叢>退化大果紅杉林>稀疏云+冷杉林>退化樺木林>原始冷杉林，說明喬木樹種越高大，郁閉度越大，灌木數量就越少，灌木層的最大持水量和灌木層枝葉量的多少是一致的；草本層最大持水量表現為原始冷杉林>退化樺木林>稀疏云+冷杉林>退化大果紅杉林>退化杜鵑灌叢>退化高山櫟灌叢，這主要是云、冷杉采伐后，植被的退化引起了土壤的退化，尤其是退化杜鵑灌叢、退化高山櫟灌叢和退化大果紅杉林，土壤瘠薄，局部地表裸露，降雨對土壤沖刷嚴重；枯落物最大持水量差異很大，表現為原始冷杉林>退化樺木林>退化大果紅杉林>退化杜鵑灌叢>稀疏云+冷杉林，不同的林分枯落物最大持水量差異很大。

本文通過對滇西北亞高山云、冷杉采伐后典型退化植被與原始冷杉林進行比較，表明，滇西北典型退化林分與原始冷杉林比較，植被層最大持水量以原始冷杉林最大，達33.59 mm，分別是稀疏云+冷杉林、退化樺木林、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林和退化高山櫟灌叢最大持水量的5.91倍、6.42倍、10.87倍、19.09倍和20.86倍。說明植被越好、干擾越少的林分，植被的持水量越大，缺喬木樹種的林分，植被持水量較小。通過對滇西北亞高山云、冷杉不同采伐年代的水源涵養分析來看，從20世紀80年代采伐云、冷杉林后形成的退化林分來看，喬木樹種分布較多的大果紅杉林最大持水量較大；而從采伐后不留母樹的退化樺木林與80年代采伐后不留母樹的3個林分類型(退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林)相比，采伐年代越久的林分，植被最大持水能力也較大。