岷江雜谷腦流域典型天然林和人工林林地水文效應研究

鄧力濠 張明芳,2 師嘉祺 蔣志魏 張 晟 余恩旭 楊 晨

（1. 電子科技大學資源與環境學院，四川 成都 611731；2. 電子科技大學信息地學中心，四川 成都 611731）

雜谷腦流域地處青藏高原東緣橫斷山系北段高山峽谷地帶的岷江上游區域。該地區的天然林資源豐富，在涵養水源、調節河川徑流、改善區域氣候、防止土壤侵蝕、減少地質和洪澇災害等方面起著重要的作用[1]，是長江上游和成都平原重要的生態屏障地區，也是長江上游地區和成都平原的重要水源涵養區[2]。由于20世紀中葉以來受大規模的采伐以及地質災害的影響，雜谷腦流域森林生態系統開始退化，引發了水土流失、河道淤積等一系列的生態環境問題。隨著天然林保護工程和退耕還林工程的啟動，該區域森林生態系統得到較好的保護，進入森林恢復階段。開展區域森林恢復工程的生態水文效應評價，篩選水源涵養林恢復與重建的最佳模式，對于該區域森林生態保護以及長江上游森林生態功能恢復與提升具有重要意義。盡管在岷江上游開展人工林或天然林地被物和土壤持水性能的研究由來已久[3-5]，但對不同恢復類型的林地生態水文效應缺乏系統的比較研究。本研究通過野外測定和室內實驗分析研究了岷江上游雜谷腦流域米亞羅林區4種天然林（天然落葉闊葉林、天然常綠/落葉闊葉林、天然針闊混交林、天然針葉林）和3種人工林（按恢復類型分低郁閉人工針葉林、中高郁閉人工針葉林和人工天然針闊混交林）的林下地被物和土壤層的生態水文特性。研究結果對該區域的人工營林、天然林保護等相關森林管理決策的制定具有系統的指導意義，可為岷江上游森林生態系統服務功能的恢復與提升提供參考。

1 研究區概況

研究區域位于岷江雜谷腦上游流域米亞羅林區（31°24′～31°55′N，102°35′～103°40′E）。雜谷腦流域是四川盆地與青藏高原的過渡地帶，具有典型的高山峽谷地貌，上游流域面積4 632 km2，海拔為1 789～5 632 m，平均海拔3 814 m。受高原地形影響，夏季濕潤多雨，冬季寒冷干燥，屬冬寒夏涼的高山氣候。1月份和7月份月平均氣溫分別為8 ℃和12.6 ℃，≥10 ℃的年積溫為1 200～1 400 ℃。年降水量在620～1 470 mm，年蒸發量為1 000～1 900 mm。土壤特征表現為土層淺薄，土壤貧瘠，供養不平衡，土壤結構松散或板結，且石礫含量高[6]。土層厚度多在30～50 cm，薄的僅10～20 cm，有白色基巖裸露。土壤類型的分布表現出明顯的垂直地帶性，主要土壤類型為山地暗棕壤、棕色針葉林土和高山草甸土[7]。

米亞羅林區植被亦呈現明顯的垂直地帶特征，自河谷至山頂依次分布的植被有闊葉林、針闊混交林、針葉林、高山灌叢、高山草甸。喬木優勢種有岷江冷杉（Abies faxoniana）、川西云杉（Picea likiangensisvar.balfouriana）、川滇高山櫟（Quercus aquifolioides）、紅樺（Betula albosinensis）、白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）、榆樹（Ulmus pumila）。灌木優勢種有花楸（Sorbus hupehensis）、絨毛杜鵑（Rhododendron pachytrichum）、峨眉薔薇（Rosa omeiensis）。草本種類主要有窄葉鮮卑花（Sibiraea angustata）、金露梅（Dosiphora fruticosa）、川西翠雀花（Delphinium caeruleum）等。原始森林分布于海拔2 400～4 200 m，以亞高山暗針葉林為主。該地區天然林在20世紀60年代間遭到大規模采伐，而后采伐量逐年減少，直至1998年全面禁伐封育，天然林生境正處于逐漸恢復的過程中。早期采伐后部分跡地上陸續進行了以粗枝云杉（Picea asperata）為主的人工更新，未進行人工更新的采伐跡地最初為草本覆蓋，2～3 a后形成灌叢，10～30 a后則逐漸自然演替為川滇高山櫟、山楊等占優勢的天然次生闊葉林。

2 研究方法

2.1 樣地設置

通過實地勘察并結合遙感解譯影像，本研究 以 海 拔 在2 660～3 300 m的7種 典 型 森 林 類型為對象，分別為天然次生常綠/落葉闊葉林（NEDB）、天然落葉闊葉林（NDB）、天然針闊混交林（NCB）、天然針葉林（NC）、低郁閉人工針葉林（LCCP）、中高郁閉人工針葉林（HCCP）和人工天然針闊混交林（DCP）。在各植被類型中設置20 m×20 m的一級標準樣地（圖1），再將其劃分16塊5 m×5 m的二級樣地，采用GPS定位，調查樣地內喬木層、灌木層和草本層植物種類、高度、郁閉度等因子（表1）。

圖 1 樣地空間分布Fig. 1 Spatial distribution of sample plots

表 1 不同植被類型樣地基本特征Table 1 Basic characteristics of different vegetation types

野外調查表明各調查樣地由于森林類型和恢復演替階段不同以及人類活動的影響，其林內植被組成和林下植被狀況有明顯差異。其中人工天然針闊混交林為采伐跡地經過人工更新云杉林后，由于立地條件或人為因素（栽植技術不當、未撫育間伐等）導致林地郁閉度降低、質量和功能下降、植被組成退化形成的人工林。低郁閉度人工針葉林是指郁閉度低于20%的人工針葉林；中高郁閉度人工針葉林指郁閉度高于20%且未出現退化跡象的人工針葉林。樣地內樹種組成比例見圖2。

圖 2 不同植被類型樹種組成比例Fig. 2 Composition proportion of tree species of different vegetation types

2.2 地被物及土壤樣本的采集

在各類型林地20 m×20 m的一級標準樣地中，按對角線法設置4個50 cm×50 cm的枯落物樣方，用密封袋收集地表苔蘚和枯落物，現場稱質量（M1，單位：g），標號帶回。考慮到該區域林木根系集中分布于0～30 cm土層，30 cm以下土層石礫含量較高，在各林分對角線坡中位置挖土壤剖面，用60 mm3的環刀分別在0～10、10～20、20～30 cm取3層原狀土壤樣本，每層取3個重復，裝入鋁盒標號帶回分析。

2.3 地被物水文特征測定

將野外采集的7組原狀地被物樣本，分別裝入3 mm孔徑篩網，篩去土壤砂礫，再放入孔徑1 mm的篩網，在清水中浸泡24 h，然后稱質量，得到枯落物濕質量（M2，單位：g）；最后在65 ℃條件下烘干24 h測定干質量（M0，單位：g）。自然含水率、最大持水率、單位面積蓄積量和有效攔蓄量計算方法分別見式（1）～（4）。

式中：W為有效攔截量（t/hm2）；Rm為最大持水率（%）；R0為平均自然含水率（%）；M為枯落物蓄積量（t/hm2）；A為采樣面積（m2）。

2.4 土壤層水文特征測定

土壤容重、孔隙度、持水率和持水量使用環刀法1次取樣連續測定，將裝有原狀土壤的環刀在水中浸12 h稱質量（m1，單位：g）；然后放于干砂上2 h，此時環刀中土壤的非毛管水已全部流出，稱質量（m2，單位：g）；最后對環刀中土壤再次取樣，放入鋁盒中烘干，將環刀中的濕土質量轉換成烘干土質量（m0，單位：g）。該方法參考《森林土壤定位研究方法》[8]，計算方法見（5）～（12）。

式中：W1為單位面積土壤飽和持水量（t/hm2）；W2為單位面積土壤非毛管最大持水量（t/hm2）；D為土壤容重（g/cm3）；C1為土壤最大持水率（%）；C2為土壤毛管持水率（%）；K為土壤總孔隙度（%）；K1為毛管孔隙度（%）；K2為非毛管孔隙度孔（%）；V為環刀容積（cm3）；m為環刀重（g）。

2.5 數據處理

由于單因素方差分析不適用于本研究問題，本研究使用SPSS 22.0軟件對不同植被類型地被物和土壤的各項生態水文特征進行Kruskal-Wallis檢驗。Kruskal-Wallis檢驗是非參數檢驗方法，用于多個連續型獨立樣本的比較，基本原理是根據秩和來構造檢驗統計量[9]。

3 結果與分析

3.1 地被物蓄積量

由于生境和立地條件不同，研究區不同植被類型林地的地被物厚度及儲量存在顯著性差異（圖3）。總體來看地被物厚度和儲量成正比，表現為低郁閉度人工針葉林＜天然落葉/常綠闊葉林＜天然針闊混交林＜中高郁閉度人工針葉林＜人工天然針闊混交林＜天然落葉闊葉林＜天然針葉林，天然林地被物儲量整體較人工林高。在4種天然林中，天然針葉林由于苔蘚層和枯落物腐蝕質層厚且針葉難于分解，其林下地被物儲量最大，為16.74 t/hm2；而天然常綠/落葉闊葉林是采伐后形成的天然次生林，林齡短、郁閉度低，林地地被物蓄積量最小，為8.88 t/hm2。3種人工林地被物儲量差異顯著（表2），人工天然針闊混交林由于有大量闊葉落葉和枯枝堆積，林地地被物蓄積量最大，為10.97 t/hm2；中高郁閉度人工針葉林由于林分密度大，枯落物多且分解速度較慢，林下大量枯枝落葉積累，地被物蓄積量與人工天然針闊混交林相當；而低密度人工林林下主要以稀疏的草本和灌叢落葉為主，林分密度低，枯枝落葉量少，地被物蓄積量最小，僅為3.27 t/hm2。

圖 3 不同植被類型林下地被物厚度與蓄積量Fig. 3 Thickness and accumulation of understory ground cover in different vegetation types

3.2 地被物持水能力

由表2可知，人工林和天然林的平均自然含水率分別在100.49%～140.64%和126.34%～176.5%之間，最大持水率變動范圍分別為229.05%～279.72和251.15%～347.23%。不同植被類型之間的自然含水率和最大持水率并無顯著性差異，整體看天然林的自然含水率和最大持水率較人工林高。不同植被類型地被物最大持水量表現出顯著性差異，表現為低郁閉度人工針葉林＜人工天然針闊混交林＜天然落葉/常綠闊葉林＜天然落葉闊葉林＜中高郁閉度人工針葉林＜天然針闊混交林＜天然針葉林，其中天然針葉林最大39.67 t/hm2，表明天然針葉林的地被物具有頂級的水文生態功能，而低郁閉度人工針葉林最小僅7.72 t/hm2，這與其較低的蓄積量有關。不同植被類型之間有效攔蓄量差異顯著（表3），表現為低郁閉度人工針葉林＜天然落葉/常綠闊葉林＜人工天然針闊混交林＜天然落葉闊葉林＜天然針葉林＜中高郁閉度人工針葉林＜天然針闊混交林，其中天然針闊混交林最大11.2 t/hm2，而低郁閉度人工針葉林最小僅2.58 t/hm2。對比自然含水率占最大持水率的比例和有效攔蓄量占最大持水量的比例發現，4種天然林間無顯著性差異，而3種人工林間差異顯著。

3.3 土壤持水能力

由表4可知，不同植被類型土壤水文特征變動規律為，隨土壤深度的增加，土壤容重顯著增大，最大持水率、毛管持水率、總孔隙度、非毛管孔隙度和持水量顯著下降。人工林與天然林之間容重、飽和持水量和非毛管持水量存在顯著性差異（表5），總體上天然林土壤水源涵養能力更強。人工林之間土壤各項水文特征均未表現出顯著性差異，說明3種人工林的土壤持水能力相近。累計土壤0～20 cm飽和持水量和非毛管持水量，飽和持水量大小排序為：天然針葉林＞天然針闊混交林＞人工天然針闊混交林＞中高郁閉度人工針葉林＞低郁閉度人工針葉林＞天然常綠/落葉闊葉林＞天然落葉闊葉林；非毛管持水量大小排序為：天然針葉林＞天然常綠/落葉闊葉林＞天然針闊混交林＞人工天然針闊混交林＞低郁閉度人工針葉林＞中高郁閉度人工針葉林＞天然落葉闊葉林。在3種人工林中，人工天然針闊混交林0～20 cm土壤飽和持水量和非毛管持水量都最大。

表 3 不同植被類型地被物生態水文指標差異顯著性檢驗Table 3 Significance test of ecological and hydrological indexes of different vegetation types

表 4 不同植被類型土壤生態水文指標Table 4 Soil ecological hydrological index of different vegetation types

4 結論與討論

地被物的持水能力是反映森林生態系統水源涵養功能的重要指標之一。最大持水量代表地被物對水的最大涵蓄能力，而有效攔蓄量則反映地被物對降雨攔蓄的真實指標[10]。影響地被物有效攔蓄量的因子主要有地被物蓄積量、最大持水率和平均自然含水率。自然含水率取決于光照、溫度、水分、坡度、坡向等立地條件，而最大持水率取決于苔蘚和枯枝落葉的質和量。米亞羅林區海拔較高，年平均溫低于10 ℃，濕度較高且蒸散較低[11]，導致地被物自然含水率較高。各個類型林地地被物蓄積量差異明顯，故林地地被物最大持水量存在顯著性差異，其中天然針葉林地被物蓄積量最大，其最大持水量最高；低密度人工林林地地被物蓄積量最小，其最大持水量最低。天然林的有效攔蓄量平均值高于人工林，自然含水率和最大持水率約為人工林的1.26倍、1.24倍，表明天然林林地被物水源涵養能力更強。對比3種人工林發現，低郁閉度人工針葉林除自然含水率外，其余地被物水文特征值均低于其他2種人工林，其差異主要來源于地被物的蓄積量；人工天然針闊混交林林地林分結構退化明顯，郁閉度低，地被物表層接收的太陽輻射強，蒸發量高，同時地被物中樺木（Betulaceaesp.）、漆樹（Toxicodendronsp.）等闊葉落葉比重高，表面積大，易于蒸發，因此人工天然針闊混交林地被物自然含水率明顯低于其他林地；中高郁閉度人工針葉林的林分結構較其他類型人工林更加完整，郁閉度高于50%，其地被物自然含水率、最大持水率和有效攔蓄量更高。

森林土壤的最大可能蓄水量與土壤總孔隙度密切相關[12]，而土壤非毛管孔隙是土壤重力水移動的主要通道。因此，土壤的持水能力與土壤的非毛管孔隙更相關[13]。人工林與天然林之間容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量和非毛管持水量存在顯著性差異。天然林尤其是天然針葉林和天然針闊混交林以冷杉老齡林為主，林下根系發達，土壤土質疏松，孔隙多，有機質豐富，持水性能好；而人工林以中林齡云杉為主，樹種單一，林下植被少，植被根系欠發達，營養物質循環功能差，土壤相對貧瘠，且受營林作業影響土壤板結嚴重，土壤持水性能差。天然落葉闊葉林分布于低海拔地區，土壤石礫含量高，且受道路施工等人類活動影響較多，土壤流失較明顯，因此天然落葉闊葉林相對其他類型森林土壤持水能力最低。在3種人工林中，人工天然針闊混交林0～20 cm土壤飽和持水量和非毛管持水量最大，說明人工天然針闊混交林淺層土壤的水源涵養能力反而較中高/低郁閉人工針葉純林強。3種人工林0～20 cm土壤非毛管持水量均小于天然常綠/落葉闊葉林，由此可見，在人工造林恢復模式下，盡管人工林地被物蓄積量大，其持水量恢復快于自然恢復，但土壤攔蓄降水能力不如天然次生林[14]。

岷江雜谷腦流域植被恢復正處于重要階段，通過分析不同植被類型地被物和土壤的持水能力差異，能夠為長江上游地區森林水源涵養效益評估和森林恢復措施的制定提供科學依據。本研究表明天然林地被物和土壤的絕對水源涵養能力明顯高于人工林。3種人工林中，中高郁閉度人工針葉林地被物水源涵養能力最強，人工天然針闊混交林淺層土壤的水源涵養能力更高。從林分的樹種組成來看，中高郁閉度人工針葉林中云杉與冷杉占比為57.4%和42.6%；人工天然針闊混交林中云杉、冷杉和白樺占比為81.0%、9.5%和9.5%。鑒于林地水源涵養的主體為土壤層，因此在人工造林時采用針葉樹種與闊葉樹種混交種植方式，將有利于改善林分結構，增加人工林下植物的多度和豐富度，最終提高人工林土壤攔蓄降水的能力[15]。總之，在岷江雜谷腦上游地區在保護天然林的同時，合理的人工更新針闊混交林將有利于促進現有群落盡快向頂級群落恢復，提升該區域森林涵養水源、調節河川徑流、改善區域氣候等生態功能。