祁连山大野口流域青海云杉林苔藓枯落物及其土壤水热特征分析

祁连山大野口流域青海云杉林苔藓枯落物及其土壤水热特征分
析
王瑾;温娅丽;刘思瑞;牛赟
【摘要】In order to explore the relationship between the attributes of moss litter and lower level of soil water and heat in the forest ecosystem ecology,using sample plot survey ,characteristics description statistics,abundance analysis,correlation analysis and other methods,the water and temperature of moss litter and soil of Piceacrassifolia of 49 sample plots in Dayekou basin of Qilian Mountains were studied.%为探讨森林生态系统中苔藓枯落物的生态属性与其下层土壤水热之间的关系,采用样地调查法及特征描述统计、相关系数等分析法,对祁连山大野口流域49块样地的青海云杉林苔藓枯落物及其土壤水热特征进行分析.结果表明：苔藓枯落物平均厚度
(6.0±0.3)cm,平均含水率为(101.9±6.3)%；0~10、10~20、20~40、40~60、60~80 cm 土层深的土壤含水率平均值分别为(66.24±4.22)%、(57.62±3.23)%、(48.44±3.21)%、(42.81±6.48)%、25.89%,各土层温度平均值分别为
(7.2±0.26)(5.2±0.27)(2.8±0.29)(2.0±0.61)(1.6±0.95)℃；苔藓枯落物厚度与海拔、坡向、坡度、胸径、树高、冠长、冠幅、郁闭度、土壤各层含水率和温度等因子均极弱相关,甚至认为不相关；苔藓枯落物含水率与海拔为中度正相关(P<0.05),与40~60 cm 深的土壤含水率存在显著正相关,与其温度成中度负相关.
【期刊名称】《甘肃农业大学学报》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】7页(P107-113)
【关键词】苔藓枯落物;土壤含水率;土壤温度;青海云杉;祁连山大野口
【作者】王瑾;温娅丽;刘思瑞;牛赟
【作者单位】甘肃省科学技术协会，甘肃兰州 730000;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; 甘肃省张掖市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;
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; 甘肃省张掖市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;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; 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州 730000; 甘肃省张掖市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
【正文语种】中文
【中图分类】S714
苔藓、枯枝落叶层主要由苔藓、脱落的新鲜或半分解、分解凋落物等组成，是森林水文效应的第2个活动层，土壤层是森林水文作用的第3个活动层，这2个活动
层被通俗地称为大气降水的“蓄存库”和“调节器”[1-2].因此，苔藓枯落物层和
土壤层水热特征是森林生态水文学监测中非常重要的2项环节[3-4]，对合理经营
森林资源，改善水环境，实现水资源的科学管理和利用具有重要意义.
关于苔藓枯落物及其土壤水文生态作用，国内外许多学者在不同区域对多种森林类型作了相关研究，在苔藓枯落物的凋落量、凋落动态、分解速率、截持降水、影响
地表径流和土壤侵蚀机理等方面[5-7]，在土壤的水分异质性、动态变化规律、水
热状况与植物垂直分布关系等方面都取得了一定的成果[8-12].但是将苔藓枯落物、土壤水分及其温度等同步实地监测来研究其生态特征还较少，特别是在祁连山区，由于冻土的存在，关注土壤水的同时，还要重视土壤温度的监测与研究，因为土壤温度调节着土壤水的形态(冻土水或消融水).长期对土壤热量的忽视，制约了对苔藓枯落物及其土壤水源涵养功能的深入理解，对进一步认识苔藓枯落物调节水和热2个方面的生态机理缺乏科学依据.
祁连山地处青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带，在全国森林水文生态学研究中地理位置十分重要，青海云杉林(Picea crassifolia forest)是祁连山建群种，发挥
着十分重要的水源涵养功能.由于祁连山冰川是一个“固体水库”，水源涵养林则
是“绿色水库”，高山冰雪带的多年冻土层与中低山区的季节性冻土层成为连接“固体水库”“绿色水库”和河川水系的纽带，特殊的水热性质，形成了有利于径流形成的特殊下垫面，起着涵养水源和调节径流的作用[13-16].苔藓枯落物及其土壤水热条件研究在干旱地区水资源形成和变化研究中具有代表性，对揭示干旱区内陆河山区流域河川径流形成及干旱区实施节水工程，提高水资源利用率，改善生态环境具有促进作用，对黄河上游的水量变化研究也具有参考意义.本研究在祁连山
大野口流域各支流建立有代表性的分散固定样地49块，主要选取苔藓枯落物的厚度和含水率等生态因子，海拔、坡度、坡向等环境因子，以及土壤含水量、温度等水热条件因子进行研究，旨在为水源涵养功能的监测和评估提供一定的理论依据.
1 材料与方法
1.1 研究区概况
祁连山(N 36°30′～39°30′，E 93°30′～103°)是我国西北地区著名的高大山系之一，属典型大陆性气候特征.一般山前低山属荒漠气候，年均温6 ℃左右，年降水量约150 mm.中山下部属半干旱草原气候，年均温2～5 ℃,年降水量250～300 mm.
中山上部为半湿润森林草原气候，年均温0～1 ℃,年降水量400～500 mm.高山属寒冷湿润气候，年均温-5 ℃左右，年降水量约800 mm.山地东部气候较湿润，西部较干燥.试验区是祁连山比较典型中山气候区域，位于祁连山大野口流域(N 38°16′～38°33′，E 100°13′～100°16′)，流域东至马鬃梁、西至西沟梁、北邻正南沟、南接排露沟，发源于肃南县境内的野牛山，主要有东岔、西岔、头滩沟、西沟梁沟、观台沟和深沟6条较大支流汇集而成.大野口水库以上河流长18 km，控制了流域98%的集水区，面积约80 km2.青海云杉是流域内的建群种，林分郁闭度为0.6左右.
1.2 研究方法
1.2.1 样地信息祁连山大野口流域青海云杉林固定样地信息如表1所示.49块固定样地的海拔从中山到亚高山(2 733～3 123 m)，海拔梯度区间390 m，是青海云杉主要垂直分布区；坡向主要集中在阴坡和半阴坡，坡度以缓坡为主，最陡坡为38.7°；25 m×25 m的固定样地内乔木株数和郁闭度分别为(57.53±2.77)株和(0.62±0.0199)，样地内树木最少是15株，最多是116株，郁闭度最小0.269，最大为0.884.祁连山大野口流域49块固定样地中，对2 819株青海云杉的结构特征参数进行统计，其胸径、树高、冠长、冠幅、胸径断面、冠幅面积、树龄分别为(18.37±0.18)cm、(11.97±0.11)m、(7.76±0.09)m、(3.54±0.02)m、
(0.034±0.001)m2、(2.779±0.020)m2、(63.84±2.17)a；胸径、树高、冠长、冠幅、冠幅面积的分布比正态分布平缓，树龄、胸径断面的分布比正态分布剧烈，其中树龄分布变化最剧烈，其峰值为3.17；从分布区域看，树龄区域最大，胸径断面区域最小，这说明青海云杉群落为次生林演替.从水平结构看，胸径断面和冠幅投影与占地面积比值为0.31%和25.58%，从垂直结构来看，单位面积上青海云杉群落树高、冠长分别为1.10 m/m2和0.71 m/m2，这4个指标直接影响着林冠截留和树干茎流，间接影响了苔藓枯落及其土壤层对降水的截留和调节作用.
表1 祁连山大野口流域青海云杉林固定样地信息表(2013年)Tab.1 The permanent sample plot information of Picea crassifolia in Dayekou basin of Qilian Mountains (2013)指标海拔/m坡向/(°)坡度/(°)株数/样方郁闭度胸径/cm 树高/m 冠长/m冠幅/m 平均2
910.86138.3621.7857.530.6218.3711.977.763.54标准误差
13.3917.331.122.770.020.180.110.090.02中位数2
927.00136.5021.9058.000.6218.2012.807.603.55众数2
807.0034.8027.5052.000.589.9016.908.503.80标准差
93.74121.337.8219.360.149.665.634.631.32方差8787.7914
720.9261.16374.840.0293.2831.7221.411.75峰度-0.59-1.09-0.370.640.25-0.49-1.02-0.57-0.43偏度-0.260.51-0.010.45-0.490.36-0.120.360.22区域390.00355.5034.20101.000.6155.6026.8024.807.75最小值2
733.002.404.5015.000.272.001.800.100.45最大值3
123.00357.9038.70116.000.8857.6028.6024.908.20观测数
49.004949.0049.0049.002 819.002 819.002 819.002 819.00置信度
(95.0%)26.9334.852.255.560.040.360.210.170.05
1.2.2 样地调查
1.2.2.1 苔藓枯落物监测 2013年7月份，在祁连山大野口流域49块样地中，调查了乔木的胸径、树高、冠幅、枝下高、年龄以及样地内物种组成、生长状况等，同时记录了胸径小于1.0 cm的活立木木本植物株数和高度及草本植物物种组成、生长状况等，并同步调查苔藓枯落物及其土壤水热状况.在样地内的四角的中间部位选择5个0.2 m×0.2 m的苔藓枯落物小样方，测定枯枝落物层的厚度，精确到0.1 cm，并将样品装入塑料带内带回实验室，称取鲜质量，60 ℃烘干恒质量以后称取干质量，称量精确到0.1 g.
1.2.2.2 土壤水热监测在固定样地外下方选择土壤水热监测样地与苔藓枯落物监测同步进行.一般挖成1 m×1.5～2 m的长方形土坑，其深度因土质而异.祁连山由于存在冻土，土壤通常深不到1 m；先自上而下按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm划分层次，接着用针式土壤温度测量仪测量各层土壤温度，每层
土壤测3次重复，取平均值；然后在各层次用土壤环刀取样，每层取2次重复，
将各层土样带实验室进行土壤含水率测定.
1.2.3 数据分析苔藓枯落物、土壤水热特征描述统计：主要引用平均值、标准误差、中位数、标准差、方差、峰度、偏度、区域、最小值、最大值、观测数、置信度等参数对苔藓枯落物、土壤含水率及温度等生态特征进行统计分析.
苔藓枯落物、生态环境、土壤水热因子相关系数分析：应用相关系数分析法对苔藓枯落物厚度、苔藓枯落物含水率、生态环境、土壤含水率及温度等因子进行相关系数分析，其计算公式如下：
式中：σx、σy分别为苔藓枯落物厚度、苔藓枯落物含水率、生态环境、土壤含水率及温度等因子各指标的标准差，n为数据对数.
2 结果与分析
2.1 苔藓枯落物生态特征统计分析
青海云杉林内苔藓枯落物分布与组成存在明显差异(表2)，49块样地平均厚度(6.0±0.3)cm，厚度最大达11.4 cm，最薄小于0.1 cm，相差区间11.4 cm；苔
藓枯落物平均含水率为(101.9±6.3)%，最大235.7%，最小30.0%，相差区间205.7%.表明苔藓枯落物的厚度和含水率受立地条件和环境条件影响而表现出不同样地之间的差别.
表2 祁连山大野口流域青海云杉林苔藓枯落物及其土壤水热统计Tab.2 The average statistics on moisture content and temperature of moss litter and
soil of Picea crassifolia in Dayekou basin of Qilian Mountains (2013)指标苔
藓枯落物厚度/cm苔藓枯落物含水率/%土壤各层次平均含水率/%土壤各层次平均温度/℃平均6.0101.957.64.8标准误差0.36.33.20.2中位数6.1110.356.64.8标
准差2.144.222.31.6方差4.51 949.4499.42.6峰度1.30.1-0.5-0.7偏度
0.00.30.5-0.2区域11.4205.787.26.4最小值 0.030.025.11.1最大值
11.4235.7112.37.6观测数49.049.049.049.0置信度(95.0%) 0.6112.686.420.47 2.2 土壤水热条件统计分析
祁连山大野口流域49块固定样地中，在40～80 cm的土壤层次中，能采土样的
样地只有9块，能监测温度的只有14块(表3)，这是由于该区域表土层和心土层
都较薄(一般40 cm左右)以及冻土存在的原因.正是由于土壤的这种水热特性，适
应了青海云杉浅根性的生长.0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm各
土层的土壤含水率平均值分别为(66.24±4.22)%、(57.62±3.23)%、
(48.44±3.21)%、(42.81±6.48)%、25.89%，而土壤温度平均值分别为
(7.2±0.26)(5.2±0.27)(2.8±0.29)(2.0±0.61)(1.6±0.95) ℃.从这些数据可以看出，在青海云杉林区，土壤含水率在垂直结构上变异较小，土壤温度变异较大，从7.2 ℃降低到1.6 ℃以下.正是由于土壤温度影响着土壤水的有效利用，在存在季节性或
永久性冻土现象的地区，在苔藓枯落物和土壤物理性质关系的研究中，必须要将水热结合起来同时考虑.
2.3 苔藓枯落物厚度及其土壤水热特征相关分析
2.3.1 苔藓枯落物厚度与生态环境因子相关分析一般地，相关系数|r|>0.95，存在
显著性相关；|r|≥0.8高度相关；0.5≤|r|<0.8中度相关；0.3≤|r|<0.5低度相关；
|r|<0.3关系极弱，认为不相关.从表4可以看出，苔藓枯落物厚度与海拔、坡向、坡度、胸径、树高、冠长、冠幅、郁闭度均表现为极弱相关，或认为不相关.苔藓
枯落物含水率与郁闭度表现为低度负相关，与海拔表现为中度正相关(P<0.05)，
与树高表现为低度正相关，与坡度、坡向、胸径、冠长、冠幅表现为极弱正相关.
总之，苔藓枯落物含水率只有与海拔中度正相关，与其它生态环境因子相关性极差.在祁连山地生态研究中，海拔是一个重要的环境因子.已研究表明[13]，祁连山北
坡海拔每升高100 m，年均气温降低约0.52 ℃，在海拔1 700～3 300 m区间内，年均降水量增加约17.41 mm，在海拔3 300～3 800 m区间内，年均降水量减
少约30.21 mm，年均土温降低约0.8 ℃，生长季节土壤含水量递增约5.13%.由
于随着海拔的递增而降水量增加和气温降低等因素影响，苔藓枯落物含水率也随之增加，因此表现为中度正相关.
表3 祁连山大野口流域青海云杉林各层土壤水热条件Tab.3 Feature statistics on different lay moisture content and temperature of Picea crassifolia in Dayekou basin of Qilian Mountains指标海拔/m坡向/(°)坡度/(°)株数/样方郁
闭度胸径/cm树高/m 冠长/m冠幅/m 平均2
910.86138.3621.7857.530.6218.3711.977.763.54标准误差
13.3917.331.122.770.020.180.110.090.02中位数2
927.00136.5021.9058.000.6218.2012.807.603.55标准差2
807.0034.8027.5052.000.589.9016.908.503.80方差
93.74121.337.8219.360.149.665.634.631.32峰度8 787.7914
720.9261.16374.840.0293.2831.7221.411.75偏度-0.59-1.09-0.370.640.25-
0.49-1.02-0.57-0.43区域-0.260.51-0.010.45-0.490.36-0.120.360.22最小值390.00355.5034.20101.000.6155.6026.8024.807.75最大值2
733.002.404.5015.000.272.001.800.100.45求和3
123.00357.9038.70116.000.8857.6028.6024.908.20观测数
49.0049.0049.0049.0049.002 819.002 819.002 819.002 819.00置信度
(95.0%)26.9334.852.255.560.040.360.210.170.05
表4 祁连山大野口流域青海云杉林苔藓枯落物厚度与生态环境因子相关系数分析Tab.4 Correlation analysis between moss litter and environmental factors
of Picea crassifolia in Dayekou basin of Qilian Mountains指标苔藓枯落物厚
度/cm 苔藓枯落物含水率/% 海拔/m坡向/(°)坡度/(°)郁闭度胸径/cm树高/m冠
长/m冠幅/m 苔藓枯落物厚度/cm 1.00苔藓枯落物含水率/% 0.021.00海拔/m -0.050.541.00坡向/(°)-0.230.130.211.00坡度/(°)0.120.260.36-0.131.00郁闭度0.11-0.30-0.26-0.12-0.171.00胸径/cm 0.050.030.100.010.19-0.181.00树高
/m -0.190.440.500.330.20-0.480.161.00冠长/m -0.160.220.370.340.24-
0.430.130.731.00冠幅/m -0.220.180.200.400.16-0.330.090.580.891.00
2.3.2 苔藓枯落物厚度与土壤含水率相关分析从表5可以看出，苔藓枯落物厚度与各层土壤含水率相关性均极差，但其含水率与40～60 cm深的土壤含水率存在显著相关，线性回归函数关系式为:
wm=2.16ws(R2=0.762 1,P<0.05)
式中，wm为苔藓枯落物含水率(%)，ws为40～60 cm深的土壤含水率(%).也就
是说，苔藓枯落物含水率大约是40～60 cm深的土壤含水率的2倍.
表5 祁连山大野口流域苔藓枯落物厚度与土壤含水量相关分析Tab.5 Correlation analysis on moisture content between moss litter and soil of Picea crassifolia in Dayekou basin of Qilian Mountains指标0～10 cm土壤含水率/%10～20 cm土壤含水率/%20～40 cm土壤含水率/%40～60 cm土壤含水率/%枯落物厚度/cm枯落物含水率/%0～10 cm土壤含水率/%1.0010～20 cm土壤含水率/%0.771.0020～40 cm土壤含水率/%0.590.781.0040～60 cm土壤含水率/%0.460.860.361.00苔藓枯落物厚度/cm0.000.030.000.151.00苔藓枯落物含水率/%0.380.400.260.96-0.051.00
2.3.3 苔藓枯落物厚度与土壤温度相关分析从表6可以看出，苔藓枯落物厚度与各
层土壤温度均表现为极弱相关，或者认为不相关，苔藓枯落物含水率与40～60
cm深处的土壤温度表现为中度负相关，与其它各层土壤温度极弱相关.通过青海云杉每木检尺调查数据分析，青海云杉郁闭度、冠长和冠幅对40～60 cm深处的土壤温度影响也是最大，其原因是苔藓枯落与这些因子均与太阳辐射对土壤温度的影响成反比.
表6 祁连山大野口流域苔藓枯落物厚度与土壤温度相关分析Tab.6 Correlation analysis between moss litter and soil temperature of Picea crassifolia in Dayekou basin of Qilian Mountains指标枯落物厚度/cm 枯落物含水率/% 0～10 cm土壤温度/℃10～20 cm土壤温度/℃20～40 cm土壤温度/℃40～60 cm
土壤温度/℃枯落物厚度/cm1.00枯落物含水率/%-0.051.000～10 cm土壤温度/℃-0.20-0.321.0010～20 cm土壤温度/℃-0.20-0.330.881.0020～40 cm土壤
温度/℃-0.23-0.300.740.911.0040～60 cm土壤温度/℃-0.12-
0.590.700.920.941.00
3 结论
祁连山青海云杉林区苔藓枯落物平均厚度(6.0±0.3) cm，平均含水率为
(101.9±6.3)%.0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm土层深的土壤含水率平均值分别为(66.24±4.22)%、(57.62±3.23)%、(48.44±3.21)%、
(42.81±6.48)%、25.89%，各土层温度平均值分别为
(7.2±0.26)(5.2±0.27)(2.8±0.29)(2.0±0.61)(1.6±0.95) ℃.苔藓枯落物厚度与海拔、坡向、坡度、胸径、树高、冠长、冠幅、郁闭度、土壤各层含水率和温度等因子均极弱相关，甚至认为不相关；苔藓枯落物含水率与海拔为中度正相关(P<0.05)，
与40～60 cm深的土壤含水率存在显著相关，与其温度成中度负相关.
本研究的着眼点在于流域尺度上的苔藓枯落物及其土壤水热特征研究，重点分析了与流域尺度上水源涵养功能密切相关的诸多因子，随着生态监测科技的进一步发展，
利用土壤含水量和温度监测仪对土壤水分和温度进行实时动态自动监测，在将来的研究工作中，要重点研究苔藓枯落物与土壤水热的动态变化耦合关系，为森林生态学水文学的发展提供基础数据和参考资料.
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