舒聯(lián)方，盛曉瓊，李德文（.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川成都 6008；.旺蒼縣林業(yè)和園林局，四川旺蒼 6800）

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四川王朗自然保護(hù)區(qū)土壤水源涵養(yǎng)能力評價

舒聯(lián)方1，盛曉瓊2，李德文1
（1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川成都 610081；2.旺蒼縣林業(yè)和園林局，四川旺蒼 622800）

摘要：采用實地調(diào)查和環(huán)刀法，研究了王朗自然保護(hù)區(qū)7種典型生態(tài)系統(tǒng)（糙野青茅草地、柳樹灌叢、白樺林、混交林、冷杉林、云杉林和方枝柏林）的土壤持水能力，并以此為基礎(chǔ)評價了王朗自然保護(hù)區(qū)的土壤水源涵養(yǎng)能力。結(jié)果表明：同一生態(tài)系統(tǒng)土壤容重隨深度極顯著上升而持水能力隨深度極顯著下降，生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)類型對土壤容重和持水能力有極顯著影響，以混交林土壤平均容重最小和持水效果最好；王朗自然保護(hù)區(qū)土壤的最大持水能力為90 870 361 t，主要貢獻(xiàn)都是草地生態(tài)系統(tǒng)和混交林。生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域土壤持水的貢獻(xiàn)取決于其面積的大小及其本身的持水能力?；谕寥莱炙芰Φ纳鷳B(tài)系統(tǒng)定向管理中，應(yīng)加強(qiáng)混交林的建設(shè)，在構(gòu)建的過程中還應(yīng)注意群落的結(jié)構(gòu)及減少人為干擾。

關(guān)鍵詞：土壤；持水能力；生態(tài)系統(tǒng)；王朗自然保護(hù)區(qū)

隨著森林資源的不斷減少，森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)、水土保持、碳匯等多重效益越來越受到國際社會的廣泛關(guān)注。土壤是森林生長的基礎(chǔ)，也是生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行水源涵養(yǎng)的重要成分，因而眾多學(xué)者對森林土壤的持水進(jìn)行了大量研究。這些研究涉及到亞熱帶常綠闊葉林［1］、荒漠生態(tài)系統(tǒng)［2］、落葉闊葉林與落葉針闊混交林［3］、亞高山針葉林與灌叢［4］、草地生態(tài)系統(tǒng)［5］。人工植被恢復(fù)過程中的土壤或地被物持水能力也有研究［6］。然而，少有研究涉及區(qū)域土壤的持水能力評價。

川西亞高山是我國第2大林區(qū)的主體部分，該區(qū)域森林集中分布于長江上游的金沙江、雅礱江、岷江、大渡河等流域及其支流，森林和水資源極為豐富；為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供了大量用水。該區(qū)域也被譽(yù)為“重要的生態(tài)屏障”和“中國水塔的半壁江山”；目前該區(qū)域已成為水利開發(fā)的熱點，已完成或正在進(jìn)行大量（梯級）水電站的建設(shè)；因此，急需在川西亞高山開展基于生態(tài)系統(tǒng)尺度的區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的評估［7］。遺憾的是：這一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累的研究較少開展，目前僅限于對生態(tài)系統(tǒng)的土壤持水能力評價［8］，或區(qū)域地被物持水能力評價［7］，而對基于生態(tài)系統(tǒng)尺度的區(qū)域水源涵養(yǎng)能力評價的研究尚未見報道。因此。本研究以川西亞高山王朗國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的典型生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，假定相同生態(tài)系統(tǒng)土壤的水源涵養(yǎng)功能一致，采用環(huán)刀法分析不同生態(tài)系統(tǒng)土壤的水源涵養(yǎng)功能，以此闡明亞高山土壤在區(qū)域水源涵養(yǎng)中的作用。以期為評估亞高山水源涵養(yǎng)功能、區(qū)域水資源補(bǔ)償提供重要參數(shù)和科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究地設(shè)在四川省平武縣境內(nèi)的王朗國家級自然保護(hù)區(qū)（E 103°55′～104°10′，N 32°49′～33°02′，總面積321.15 km2，下文簡稱王朗）。該區(qū)域植被多數(shù)是20世紀(jì)60年代初建立自然保護(hù)區(qū)后恢復(fù)起來的次生天然林，且垂直地帶性明顯。區(qū)內(nèi)植物垂直帶譜為針闊混交林和落葉闊葉林（2 300 m～2 600 m）、岷江冷杉林（Abies faxoniana）和少量紫果云杉（Picea purpurea）-方枝柏林（Sabina saltuaria）（2 600 m～3 500 m）、亞高山灌叢草甸（3 500 m～4 400 m）、高山流石灘植被（4 400 m～4 900 m）、海拔4 900 m以上為高山荒漠帶。

1.2研究方法

利用1∶50 000的地形圖，首先對王朗的所有生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行踏查，在對整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)了解的基礎(chǔ)上，將區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)劃分為4大類10類：森林包括白樺林、混交林、云杉林、冷杉林和方枝柏林，灌叢包括高山柳和山光杜鵑-金露梅，草地包括糙野青茅和高山莎草，此外還有高山流石灘生態(tài)系統(tǒng)［7］。因流石灘分布的地段較危險、不易到達(dá)，山光杜鵑-金露梅灌叢、高山莎草草地的面積較小，因此沒有將這3類生態(tài)系統(tǒng)列為研究對象；故研究土壤持水能力時沒有涉及高山流石灘，而將杜鵑-金露梅灌叢和高山莎草草地的面積分別并入類似的高山柳灌叢和糙野青茅草地（后文中簡稱為灌叢和草地）。在調(diào)查時本著“易到達(dá)、危險小、便于調(diào)查”的原則確定每種類型10個樣方（共70個）進(jìn)行調(diào)查：在每個樣方中心挖一個剖面，參考張遠(yuǎn)冬等2009年在川西亞高山［4］的方法分0～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm～60 cm用環(huán)刀收集原狀土壤樣品。

土壤容重和持水量使用環(huán)刀法一次取樣連續(xù)測定，將裝有原狀土壤的環(huán)刀在水中浸泡12 h稱量（ms1，g），計算最大持水量（Cmax，g·cm-3）；然后放于干砂上2 h，此時環(huán)刀中土壤的非毛管水已全部流出，稱量（ms2，g）計算毛管持水量（Ccap，g·cm-3）；再將其放于干砂上24 h，此時環(huán)刀中土壤的水分為毛管懸著水，稱量（ms3，g）計算最小持水量（Cmin，g·cm-3）；然后對環(huán)刀中土壤再次取樣，放入鋁盒中烘干，將環(huán)刀中的濕土質(zhì)量轉(zhuǎn)換成干土質(zhì)量（ms0，g）。該方法詳見《森林土壤定位研究方法》［9］。容重與持水量的計算公式如下：

式中，ms0、ms1、ms2和ms3（g）分別為環(huán)刀內(nèi)土壤干質(zhì)量、浸泡12h后的飽和質(zhì)量、失去非毛管水后的質(zhì)量和僅持有毛管懸著水的質(zhì)量；V（cm3）為環(huán)刀容積；Cmax、Ccap和Cmin（g·cm-3）分別為土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水（田間持水）量。單位換算后將各層累計可求出單位生態(tài)系統(tǒng)面積0～60 cm的最大持水量（t·hm-2）。

區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)面積及其土壤水源涵養(yǎng)能力均用Arc/ InfoGIS和ArcView GIS進(jìn)行統(tǒng)計。采用SPSS17.0對生態(tài)系統(tǒng)類型和土層的持水差異進(jìn)行方差分析和顯著性比較。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤容重

本研究中，土壤容重因生態(tài)系統(tǒng)及其所在的土壤層次而異（表1）。在各生態(tài)系統(tǒng)中，隨著土層深度的增加，土壤容重極顯著增加。最上層（0～20 cm）表現(xiàn)為：草地最大，柳樹灌叢次之，混交林最小；中間層（20 cm～40 cm）為柳樹最大，草地次之，混交林仍為最?。蛔钕聦樱?0 cm～60 cm）則為方枝柏最大，草地次之，混交林最小。綜合各層，則土壤容重的大小依次為：混交林＜云杉＜冷杉林＜白樺林＜方枝柏林＜柳樹灌叢＜草地。

表1　王朗幾種主要生態(tài)系統(tǒng)的土壤容重及持水量（g·cm-3）

2.2生態(tài)系統(tǒng)土壤持水

在本研究所涉及的幾種生態(tài)系統(tǒng)中，土壤各類持水量均隨著深度增加而極顯著降低。與土壤容重類似，生態(tài)系統(tǒng)類型對土壤持水也具有顯著或極顯著影響（表1）。最大持水中，各層均以混交林最大，草地最??；各生態(tài)系統(tǒng)的最大持水能力依次為：混交林＞云杉林＞冷杉林＞方枝柏林＞柳樹灌叢＞白樺林＞草地毛管持水中，0～20 cm和40 cm～60 cm以云杉林最大，20 cm～40 cm則以混交林最大；各生態(tài)系統(tǒng)的毛管持水能力依次為：云杉林＞混交林＞方枝柏林＞冷杉林＞柳樹灌叢＞白樺林＞草地。最小持水中，0～20 cm以方枝柏最大，20 cm～40 cm以云杉林最大，40 cm～60 cm則以混交林最大；各生態(tài)系統(tǒng)的最小持水能力依次為：方枝柏林＞混交林＞云杉林＞冷杉林＞柳樹灌叢＞白樺林＞草地。表1還表明，生態(tài)系統(tǒng)類型對土壤持水量明顯的影響，特別是對土壤最大持水有極顯著的影響。

2.3區(qū)域土壤持水量

在王朗自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，面積最大的是草地生態(tài)系統(tǒng)，依次為混交林、灌叢和流石灘，方枝柏、云杉林和白樺林的面積相對較少（表2）。盡管在生態(tài)系統(tǒng)尺度上草地的各種土壤持水均最小；但從整個保護(hù)區(qū)看，草地的各類土壤持水遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他生態(tài)系統(tǒng)（表2）。盡管白樺林的面積略大于云杉林和方枝柏林，但因其本身的持水能力低于云杉林和方枝柏林，因而在保護(hù)區(qū)內(nèi)，白樺林的持水能力最小（表2）。

表2　王朗土壤持水能力評估

3　討論

本研究表明，同一生態(tài)系統(tǒng)中，土壤容重均表現(xiàn)為沿土壤深度增加逐漸變大，與徐友信等2009年在太行山［10］和張遠(yuǎn)東等2009年在米亞羅［4］的研究結(jié)果一致。生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢植物不同，其土壤容重在植物的作用下也不一致，表現(xiàn)為森林＞灌叢＞草地。即使優(yōu)勢種同為白樺，群落結(jié)構(gòu)、生境差異和人為干擾等因素對土壤容重產(chǎn)生明顯的影響，因而本研究中的土壤容重總體上小于米亞羅同類生態(tài)系統(tǒng)［4］。

在一個生態(tài)系統(tǒng)中，土壤的持水能力隨著土壤深度的增加而明顯降低，主要是因為隨著深度的增加，植物的影響逐漸降低。在所研究的幾類生態(tài)系統(tǒng)中，優(yōu)勢植物不同，其生態(tài)系統(tǒng)的土壤持水的影響亦有顯著或極顯著差異，總體上表現(xiàn)為森林＞灌叢＞草地，與潘春翔等2012年在湖南烏云界自然保護(hù)區(qū)［1］的研究結(jié)果一致。幾類生態(tài)系統(tǒng)的土壤持水能力與程金花等2002年在貢嘎山［11］的研究類似。白樺林的土壤結(jié)構(gòu)和持水能力比柳樹灌叢差的原因在于其林下為長期的放牧場所。綜合比較幾類生態(tài)系統(tǒng)的持水能力與群落結(jié)構(gòu)還發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)卦黾娱熑~樹有利于促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)土壤的持水能力。

本研究表明，王朗自然保護(hù)區(qū)7類生態(tài)系統(tǒng)土壤的最大持水、毛管持水和最小持水（田間持水）分別為90 870 361 t、68 827 647 t和50 974 600 t。其主要貢獻(xiàn)均以草地生態(tài)系統(tǒng)、混交林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)和冷杉林為主。因此，就區(qū)域土壤持水能力評價而言，其貢獻(xiàn)取決于其在區(qū)域所占的面積百分比及其本身的持水能力。盡管本研究力圖通過生態(tài)系統(tǒng)詳查、對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行實地調(diào)查，但因該保護(hù)區(qū)還有面積達(dá)4 285.46 hm2的高山流石灘沒加以考慮，因而總體上的評價趨于保守。雖然還有極少量的其他生態(tài)系統(tǒng)類型（如公路、駐地、河流等）未加以考慮，但顯然其土壤持水功能不足以和面積占保護(hù)區(qū)總面積的13.34%的高山流石灘比較。

此外，如從植被恢復(fù)的角度看，總體表現(xiàn)為隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤持水能力得到提高。但同類生態(tài)系統(tǒng)也存在明顯的差異，如云杉林和冷杉林同為川西亞高山的頂極群落，但因群落結(jié)構(gòu)不同，其林下土壤的持水能力也差異明顯。云杉林因上層林木的遮蔭沒有冷杉林強(qiáng)，下層的灌木的草本比冷杉林茂盛，因而其對土壤的影響也更明顯，致使其土壤持水能力極顯著高于冷杉林。因此，在將來基于生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的定向管理中，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)以構(gòu)建演替中后期的植被系統(tǒng)為主，除考慮優(yōu)勢植物的時候需要添加闊葉樹種外，還需要考慮群落的下層植物配置與減少人為干擾。

4　結(jié)論

土壤容重隨著土壤深度的增加極顯著的增加，生態(tài)系統(tǒng)類型對土壤容重的影響明顯。土壤持水量受到生態(tài)系統(tǒng)類型及其結(jié)構(gòu)的影響，亦隨著土壤深度的增加而極顯著降低。王朗自然保護(hù)區(qū)7類生態(tài)系統(tǒng)土壤的最大持水、毛管持水和最小持水（田間持水）分別為90 870 361 t、68 827 647 t和50 974 600 t，其貢獻(xiàn)均以草地生態(tài)系統(tǒng)、混交林為主。因此，從土壤持水能力最強(qiáng)的角度看，將來基于增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的定向管理中應(yīng)加強(qiáng)混交林的構(gòu)建，在考慮群落優(yōu)勢種的同時也應(yīng)考慮群落結(jié)構(gòu)及減少人為干擾。

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Soil Water-holding Capacity of Wanglang National Nature Reserve in Western Sichuan

SHU Lian-fang1SHENG Xiao-qiong2LI De-wen1
（1.Sichuan of Forest Inventory and Plan Institute，Chengdu 610081，China；
2.Wangchang Forestry and Garden Administration Bureau，Wangchang 628200，China）

Abstract：In this paper，studies were made of the soil water-holding capacity of 7 typical ecosystems，which were grass land（dominated by Deyeuxia scabrescens），shrub（dominated by Salix paraqplesia），broadleaf forest（dominated by Betula platyphylla），mixed forest（dominated by Betula spp.and Abies faxoniana），fir forest（dominated by Abies faxoniana），spruce forest（dominated by Picea purpurea）and cypress forest（dominated by Sabina saltuaria）in Wanglang National Nature Reserve（WNNR）in the subalpine of western Sichuan by field survey and ring shear testing，and the assessment were conducted on the regional soil water-holding capacity in Wanglang National Nature Reserve（WNNR）.The results indicated that in the studied 7 ecosystems，the soil bulk density increased with the increasing of the depth while the soil water-holding capacity decreased with the increasing of the depth significantly.Ecosystems largely affected the soil bulk density and soil water-holding capacity，and the soil of mixed forest had the smallest bulk density and the largest water-holding capacity.The soil of WNNR could hold 90 870 361 t in all of the studied 7 ecosystems，which were contributed by grass land and mixed forest.Therefore，the contribution to regional soil water-holding depended on the size of a given ecosystem and its water-holding capacity.It was also indicated that ecosystem management for increasing the water-holding capacity should be strengthened to establish the mixed forest，and much attention should be paid to the ecosystem structure and removing human disturbance.

Key words：Soil，Water-holding capacity，Ecosystem，Wanglang National Nature Reserve

作者簡介：舒聯(lián)方（1974-），男，高級工程師，主要工作方向生態(tài)保護(hù)與建設(shè)、森林經(jīng)營工作。

基金項目：四川省教育廳項目資助（11ZA290）。

收稿日期：2015-11-24

doi：10.16779/ j.cnki.1003-5508.2016.01.006

中圖分類號：S715

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5508（2016）01-033-04