白龙江高山林线木本植物组成与地被物和土壤持水特性.pdf

第 卷第期 年月贵 州 林 业 科 技G u i z h o uF o r e s t r yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yV o l ,N o J u n,白龙江高山林线木本植物组成与地被物和土壤持水特性黄旭东,杨永红,曹秀文,刘锦乾,王飞,(甘肃省白龙江林业科学研究所,甘肃 兰州 ;甘肃白龙江森林生态系统国家定位观测研究站,甘肃 舟曲 )摘要:高山林线是植被生态脆弱区,也是植被过度敏感区,对高山林线的研究一直是众多学者研究的焦点之一,因研究的地域、海拔、环境、气候、对象等的不同,导致不同高山林线区域物种组成,水源涵养功能等差距较大.本研究以甘肃省白龙江高山林线为研究对象,通过对该区域木本植物组成与地被物和土壤持水特性分析,结果显示:高山林线不同海拔区域物种组成不同,随着海拔的升高,物种组成呈增加的趋势;高山林线不同区域土壤和地被物持水特性不同.关键词:高山林线;木本植物;地被物;土壤;持水特性中图分类号:S 文献标识码:AW o o d yp l a n t sc o m p o s i t i o na n dw a t e rh o l d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dc o v e ra n ds o i l i nt h ea l p i n e t i m b e r l i n eo fB a i l o n gR i v e rHUANGX u d o n g,YAN GY o n g h o n g,C AOX i u w e n,L I UJ i n q i a n,WANGF e i,(I n s t i t u t eo f f o r e s t r yS c i e n c e,B a i l o n g j i a n gF o r e s t r yM a n a g e m e n tB u r e a uo fG a n s uP r o v i n c e,L a n z h o u ,C h i n a;G a n s uB a i l o n g j i a n gN a t i o n a lF o r e s tE c o s y s t e mR e s e a r c hS t a t i o n,Z h o u q u ,C h i n a)A b s t r a c t:A l p i n e t i m b e r l i n e i so n eo f t h em o s t e c o l o g i c a l f r a g i l ea n do v e r l ys e n s i t i v ea r e a s i nt h ev e g e t a t i o nc o v e r a g e s H o w e v e r,m o s tp r e v i o u sr e s e a r c ho fa l p i n et i m b e r l i n ec a nv a r yg r e a t l yi nt h er e g i o n,a l t i t u d e,e n v i r o n m e n t,a n dc l i m a t e T a k i n gt h eB a i l o n gR i v e r i nG a n s ua l p i n et i m b e r l i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t,t h i ss t u d ya i m s t oe x p l o r et h er e g i o n a lw o o d yp l a n t sc o m p o s i t i o na n dw a t e rh o l d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dc o v e r a n ds o i lm o i s t u r e T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e s p e c i e s c o m p o s i t i o nw a sd i f f e r e n t a t t h ev a r i o u s e l e v a t i o n so f t h e a l p i n e t i m b e r l i n e S p e c i f i c a l l y,t h e s p e c i e s c o m p o s i t i o nw a s e n h a n c e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h e i n c r e a s e i nt h ee l e v a t i o n S o i l a n dg r o u n dc o v e ra l s os h a r e dt h ed i f f e r e n tw a t e rh o l d i n gc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ed i f f e r e n tr e g i o n so f t h ea l p i n e t i m b e r l i n e K e yw o r d s:a l p i n e t i m b e r l i n e;w o o d yp l a n t s;g r o u n dc o v e r;s o i l;w a t e r f e a t u r e高山林线(a l p i n e t i m b e r l i n e)是山地垂直带高山植被的分界线和生长型发生急剧变化的地段,是划分高山区景观类型的一条重要生态界限,具有许多独特的性质,被认为是对气候变化反映最收稿日期:基金项目:甘肃省林业科技项目(k j );甘肃省林业科技项目(k j );甘肃省林业科技项目(k j )第一作者简介:黄旭东(),男,本科,工程师,主要从事林业生态研究.Em a i l:q q c o m通信作者简介:杨永红(),男,本科,高级工程师,主要从事林业土壤研究.Em a i l:q q c o m期黄旭东,等:白龙江高山林线木本植物组成与地被物和土壤持水特性敏感的地区之一,是全球气候变化理想的监测器.由于人类活动的影响,大气中C O浓度已由工业革命前的 p p m增加到 年的 p p m,且呈现加速的趋势,地表年均温也上升了 ,以目前C O排放速率计算,全球平均气温将升高 ,高山林线作为对气候变化反映最敏感的地区之一,对它的研究已经成为全球气候变化研究的热点内容之一,由于极端的环境条件,高山林线生物类群均处于相对复杂的临界状态,是典型的生态系统脆弱区,目前,对高山林线群落的分布格局、生物多样、生理特征及生态适应对策等有了较为深入的研究 .高山林线一般是一条介于郁闭森林与树线之间的过渡地带,此处所指的郁闭森林是以长势良好、树高m、树冠对称的树木为界,树高不足m的为树线,也是乔木生长上限.虽然我国有很多高山林线发育,但因高山林线研究工作的难度很大,高山林线生态方面的研究工作仍然很薄弱.地被物介于地表植物基部与土壤表层之间,由植物的枯枝落叶在地表形成的有机物层,在植物的生长过程中保持土壤水分含量、积累地表营养物质,有着重要的生态学功能.降雨经过林冠截留,汇集到地被物表面,通过地被物渗透到土壤,形成植物地被物土壤有机结合体,土壤水分含量影响植物区系分布.高山林线因所处的地理位置特殊,植物分布对土壤和地被物水分要求更为敏感.森林地被物和土壤在森林生态系统中发挥重要角色.地被物的储量、养分特征以及土壤的持水特性等方面的研究都表明其深刻影响着森林生态系统功能 .通过探究白龙江高山林线木本植物组成与地被物和土壤持水特性的研究,加强对该区域的功能认识和原地保护,对提升甘肃南部高山林线生态功能具有重要意义.材料和方法 研究区概况研究区位于甘肃省白龙江高山林线区域,白龙江地处青藏高原东北边缘(E,N),发源于甘肃省甘南藏族自治州碌曲县与四川若尔盖县交界的郎木寺,属于长江支流嘉陵江的支流,流经地域广、落差大,河道全长 k m,属典型的西南高山地形,温度、降水等具有垂直梯度和水平差异.高山林线区域地处高海拔,森林自然分布具有明显的垂直分布,自上而下分别是裸岩、苔原、灌丛、杜鹃冷杉林、针阔混交林,针阔混交林属于采伐后逐渐形成的次生林带;土壤多属于暗棕色森林土,土壤厚度在m以内,表层多石砾;年降水量多集中在 月,年平均空气相对湿度,无霜期 d .研究方法 样地设置及方法高山林线区域株高m的区域为树线区域,树线以上为苔原带,树线以下为针阔混交林,采用典型样方调查法,在不同区域设置 m m的标准地样方,对每个样方采用G P S定位坐标、海拔,调查坡面、坡向、层盖度、层高度以及周围的植物,调查植物种类、高度、基径、冠幅、物候期、生活力等因子.土壤样品采集和水文特性的测定各样方中随机布设处点挖掘土壤剖面,用环刀分别取 c m、c m原状土壤带回实验室,各指标处理方法为 ,其他指标参照森林土壤水分物理性质的测定标准(L YT ):Wt Pth;Wc Pch;Wo Poh.式中:Wt为土壤最大持水量;Pt为土壤总孔隙度;h为土层厚度;Wc为土壤毛管持水量;Pc为土壤毛管孔隙度;Wo为土壤有效持水量;Po为土壤非毛管孔隙度.地被物的采集和持水能力的测定在样方中随机布设个 c m c m的小样方,收集地被物,将收集的地被物带回实验室称重,然后在 的下烘至恒重,然后称其干重.主要计算公式分别为 :WMMd;R(MMd)/Md ;Whm a xM Md;Rhm a x(M Md)/Md ;Rsm a xRhm a xR;Ws v(Rhm a xR)Md.式中:W为地被物自然含水量;Wh m a x为地被物最大持水量;Ws v为地被物有效拦蓄量(t/h m);贵州林业科技 卷M为地被物自然状态下的储量(鲜储量);Md为地被物单位面积储量(干储量);M 为地被物吸水饱和单位质量(t/h m);R、Rh m a x、Rs m a x分别为地被物自然含水率、最大持水率和最大拦蓄率();为有效拦蓄系数,最大拦蓄率最大持水率平均自然含水率;最大拦蓄量最大拦蓄率蓄积量;有效拦蓄率 最大持水率平均自然含水率,为有效拦蓄系数.本文在查阅文献的基础上,结合甘肃省白龙江生态观测站气象数据,阐述白龙江高山林线区域植被特征和土壤以及地被物的水文特性,为甘肃南部高山林线研究提供理论依据.结果与分析 白龙江林区高山林线植物特征和气候特征调查区域内共有木本植物 种,隶属 科 属,主要以双子叶植物为主,其有科 属 种;裸子植物科,分别是松科(P i n a c e a e)和柏科(C u p r e s s a c e a e),乔木科属,常绿乔木科属,灌木科 属,常绿灌木种,落叶性灌木为种.高山林线不同区域植物物种组成不同.苔原带有木本植物 种,隶属科 属,主要有柏木(C u p r e s s u sf u n e b r i s)、甘 肃 小 檗(B e r b e r i sk a n s u e n s i s)、唐古特瑞香(D a p h n et a n g u t i c a)、金露梅(P o t e n t i l l a f r u t i c o s a L)、花 楸(S o r b u s p o h u a s h a n e n s i s)、冷 杉(A b i e s f a b r i)、高 山 柳(S a l i xc u p u l a r i s)、高山杜鹃(R h o d o d e n d r o n l a p p o n i c u m)、高山蔷薇(R o s at r a n s m o r r i s o n e n s i s)、沙 棘(H i p p o p h a er h a m n o i d e s)、渐 尖 绣 线 菊(S p i r a e as a l i c i f o l i a)、冰川茶藨子(R i b e sg l a c i a l e);树线区域木本植物 种,隶属科 属,主要有高山杜鹃、糙皮桦(B e t u l ad e l a v a y i)、冷杉、唐古特瑞香、绣线菊、柏木、花楸、高山蔷薇、甘肃小檗、金露梅、悬钩子(R u b u sc o r c h o r i f o l i u s);针阔混交林区域共有种,隶属科属,分别是高山 杜 鹃、糙 皮 桦、冷 杉 唐 古 特 瑞 香(D a p h n et a n g u t i c a)、柏木、花楸、高山蔷薇、高山柳、冰川茶藨子、忍冬(L o n i c e r aj a p o n i c a).乔木树种以岷江冷杉、柏木、桦木(B e t u l a)为主,灌 木 主 要 以 柳(S a l i xb a b y l o n i c a)、杜 鹃(R h o d o d e n d r o ns i m s i i)、蔷 薇(R o s a c e a e)等 为主,随着海拔的升高,高山林线区域植被物种组成相差较大,树线以下主要以岷江冷杉桦木和岷江冷杉杜鹃等针阔混交林为主,树线区主要以矮小乔木和灌木组成,其中柏木、柳、杜鹃最为常见,苔原带主要为矮小灌木和草本植物组成的高山草甸区域为主,随着海拔的继续升高,逐渐出现裸岩,其最高处常年冰雪覆盖.高山林线土壤和地被物持水特性土壤通气透水性能与土壤孔隙度和土壤容重密切相关.由表可知,白龙江高山林线不同区域土壤持水特性不同.土层 c m土壤容重树线区域最大为 gc m,苔原带的最小 gc m,土层 c m土壤容重针阔混交林最大 gc m,苔原带土壤容重也是最小 gc m;土壤质量含水量在不同土层针阔混交林带最小,相差较大,土层 c m和 c m苔原带质量含水量分别是针阔混交 林的 倍和 倍,表现出随着海拔的升高土壤质量含水量增加的趋势;土层 c m土壤贮水量在苔原带最大,针阔混交林最小只有苔原带的 ,土层 c m土壤贮水量在高山林线各个区域变化不大,树线区的最大,针阔混交林的最小;最大持水量在不同林线区和不同土层变化均不大;土层 c m和 c m苔原带毛管持水量和土壤质量含水量均最大,树线区和针阔混交林相差不大;土层 c m非毛管孔隙度表现出随着海拔的增加而增加,土层 c m非毛管孔隙度表现出随着海拔的增加而减小,这与土壤质量含水量的变化表现出相同的趋势.不同区域土壤持水特性不尽相同,苔原带土壤质量含水量、土壤贮水量、毛管持水量、最大持水量均表现出最大,而土壤容重最小.地被物持水率也是反映吸水能力的一个重要指标,不同林分类型地被物吸收的水分与干重的比值越大,说明它的吸水能力越强.由表可知,最大持水量、有效拦蓄量和最大拦蓄量均表现出苔原带最小,林线区次之,针阔混交林最大,即随着海拔的增加而不断减小的特点;最大持水率和最大拦蓄率均表现出和最大持水量、有效拦蓄量和最大拦蓄量相反的趋势,即随着海拔的升高而增加,且最大持水率和最大拦蓄率苔原带是针阔混交林的倍左右,最大拦蓄量、最大持水量和有效拦蓄量针阔混交林是苔原带的倍左右,这可能与不同区域地被物的储量有关,针阔混交林地被物层厚度大,储量期黄旭东,等:白龙江高山林线木本植物组成与地被物和土壤持水特性丰富,而苔原带土壤含水率低,地被物储量较少,从而导致不同区域地被物持水特性相差较大.表白龙江高山林线不同区域土壤持水特性土层土壤容重/gc m土壤质量含水量/gk g土壤贮水量/mm最大持水量/mm毛管持水量/mm最小持水量/mm非毛管孔隙/毛管孔隙/总孔隙度/苔原带 树线 针阔混交林 表白龙江高山林线不同区域地被物持水特性最大持水量/th m最大持水率/有效拦蓄量/th m最大拦蓄率/最大拦蓄量/th m苔原带 树线 针阔混交林 结论与讨论植物群落分布格局是不同的环境因子和外界干扰的共同体现,其中海拔是主要的环境因子,海拔梯度被认为是影响物种多样性格局的重要因素之一.甘肃南部白龙江高山林线区域木本植物组成随着海拔的变化相差较大,树线以下低海拔区域主要以岷江冷杉糙皮桦和岷江冷杉杜鹃等针阔混交林为主,伴生种主要是蔷薇和花楸;树线区主要以柏木、柳、杜鹃等小乔木和灌木组成,伴生种主要是银露梅等;高海拔苔原带主要以矮小灌木和草本植物组成的高山草甸区域为主.随着海拔的继续升高,高山林线植被组成由针阔混交林逐渐过渡到高山草甸,木本植物组成种类增加,但是植物株高从高大乔木到矮小灌木再到高山草甸逐渐减小,这与车宗菊 的研究一致.因气候条件和地理位置的不同,不同区域地被物和土壤持水特性均存在明显差异,小尺度上,更多研究则表明,针叶林凋落物凋落量和地表蓄积量均高于其他森林类型,本文的研究对象是针阔混交林、灌丛和灌丛草甸(苔原区),研究表明,针阔混交林地被物最大拦蓄量、最大持水量和有效拦蓄量均最大,随着海拔梯度增加而减小,最大持水率和最大拦蓄率随着海拔梯度的增加而增加,不同区域植物物种不同,地被物持水特性不同,地被物的持水特性主要与物种组成、土壤特性和气候特征相关,这与郭婧 等的研究一致.苔原带气温较低,可能因为极端低温,使土壤松动,致使土壤密度较小,再加上该区域地被物较少,形成植株矮小的原因之一;针阔混交林相对苔原带植株高大,地被物丰富,主要优势种明显,是高山林线的过渡带,树线区域在两者之间,没有丰富的地被物储量,也没有特别明显的优势种群,是连接针阔混交林和苔原带的区域,对于甘肃白龙江高山林线区域研究相对较少,因区域气候条件恶劣,交通不便,试验站较少,直接获取的数据较少,给高山林线区域研究带来了很大不便,在今后的研究中应加强不同气候区域,不同地区以及不同景观尺度上长期的野外和实验室内等诸多处理和实验研究,增加山地林线区气象站点数量,以获取空间和时间尺度上林线动态,加深林线相关因子和树木命运(生长、生殖和幸存等)功能关系的研究,将各种影响因子如地形、土壤养分与积雪等融合到一起,研究各因子对高山林线树木生长、分布的影响,揭示各因子在林线形成中的作用机理.加强对该区域的功能认识和原地保护,为提升甘肃南部高山林线生态功能提供理论数据.贵州林业科技 卷参考文献:ANON R e c e n t w h i t e s p r u c e d y n a m i c s a t t h es u b a r c t i ca l p i n e t r e e l i n eo fn o r t hw e s t e r nc a n a d aJJ o u r n a lo fE c o l o g y,():特 兰 奎 利 尼,李 文 华,廖 俊 国高 山 林 线 生 理 生 态M中国环境科学出版社,高洪文生态交错带(E c o t o n e)理论研究进展J生态学杂志,()D IC A S T R IF,HAN S E NAJ T h ee n v i r o n m e n t a n dd e v e l o p m e n tc r i s e sa sd e t e r m i n a n t so fl a n d s c a p ed y n a m i c sM/L a n d s c a p eb o u n d a r i e s S p r i n g e rN e w Y o r k,:张扬建,代力民,潘洁长白山北坡林线分布趋势的研究J林业研究:英文版,():B AK E R WL,HONAK E RJ J,WE I S B E R GPJ U s i n ga e r i a lp h o t o g r a p h ya n dG I St om a pt h ef o r e s tt u n d r ae c o t o n ei n R o c k y M o u n t a i n N a t i o n a lP a r k,C o l o r a d o,f o rg l o b a l c h a n g er e s e a r c hJ P h o t o g r a mm e t r i cE n g i n e e r i n ga n dR e m o t eS e n s i n g,():HA R A L D B UGMANN,AN D R E A S F I S CHL I NS i m u l a t i n gf o r e s td y n a m i c si nac o m p l e xt o p o g r a p h yu s i n gg r i d d e dc l i m a t i cd a t aJ 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