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森林与水的关系一直是生态学与水文学研究关注的主要问题之一[1-3],作为我国西南林区水源涵养林的重要组成部分,川西山地森林对长江上游水源涵养贡献显著,而人工林也正是川西山地森林的重要组成部分[4],深入了解人工林林地水源涵养特征和能力,及其与天然林之间的差异,明晰其可能原因,将为西南林区水源涵养、保障区域生态环境安全、巩固长江上游生态屏障提供科学基础。而其所发挥的生态功能却褒贬不一,大量研究表明[5-7],与天然林相比,人工林的结构较为简单、生物多样性较低,土壤密度大,进而生态系统服务功能相对较小;然而其所发挥的生态系统服务功能也不容小觑[4, 8-10],所以,深入了解西南林区人工林水源涵养功能的具体情况及其影响因子是关乎该区域甚至长江流域生态安全,生态屏障建设的关键问题。人工林水源涵养能力会随着林木种类[10]、林分密度[11]、林龄[12-13]甚至所处地形地貌[14]的差异而改变,一般认为[5, 7, 15],随着林龄的增长,以及演替进程的发展,天然林的水源涵养能力逐渐增加,直至稳定;然而针对人工林的相关研究还相对较少,已有的研究往往因研究对象和研究区域的差异,结果也有所差异[12-13, 16]。而针对西南林区人工林随着林龄的增加,其林地水源涵养能力变化的研究还尚未可见,本研究以造林面积较广的云杉人工林为研究对象,研究不同林龄(20年、30年和40年)云杉人工林林下地被物蓄积量、最大持水率和最大持水量以,土壤密度和持水能力等方面的差异,从而明确云杉人工林水源涵养能力随林龄的变化情况,为长江上游人工林结构调整以及合理经营提供数据参考,更为长江上游生态屏障的建设奠定科学基础。
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研究区域地处川西亚高山暗针叶林林区,地理坐标范围:31°24′~31°55′N,102°35′~103°04′E。地处青藏高原东缘褶皱带的最外缘部分,具典型的高山峡谷地貌。而气候主要受高原地形的影响,具有冬寒夏凉的特征,为典型的高山气候。以海拔2 760 m的米亚罗镇为例,年均降水量850 mm,年均温为3.0 ℃,其中1月均温−8 ℃,7月均温为12.6 ℃,≥10 ℃的年均积温1 300 ℃。
试验区植被垂直地带性十分明显,随着海拔的变化,其类型和生境随随之改变[3, 15]。原生森林主要分布于海拔2 400~4 200 m之间,主要是亚高山暗针叶林,优势树种以岷江冷杉(Abies faxoniana)为主。20世纪50—60年代的大规模砍伐活动后,人工造林活动也逐步开展,其中云杉是人工造林的主要树种之一。因其阳生的特征,云杉在阳坡的表现明显优于阴坡,所以云杉人工林多见于阳坡,而阴坡则大多以天然更新的桦木林和杂木林为主。该区成土母岩为千枚岩、板岩、白云岩等的残坡积风化物,极易风化,土壤类型为山地棕色森林土。
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2016年选择地形地貌等生境条件较为类似的3块不同林龄云杉人工纯林(分别为,20年、30年和40年)作为研究对象,开展群落学特征调查,具体样地信息详见表1。
人工林林龄
Plantation age海拔/m
Elevation优势树种
Dominant tree species密度/(株·hm−2)
density林龄/a
density坡向
Slope direction坡度/°
Gradient郁闭度
Canopy density20年20 years old 3 310 云杉 2 350 20 NE 10 0.85 30年30 years old 3 400 云杉 2 300 30 NE 10 0.85 40年40 years old 3 450 云杉 2 100 45 NE 20 0.8 Table 1. Information on sample plots of Picea asperata Mast. plantation in Miyaluo
对每个林龄森林设置乔木样方3~5个,规格为20 m×20 m,每个乔木样方内设置灌木样方3个,规格为2 m×2 m,草本样方3个,规格为1 m×1 m。并对样地进行了基本的群落学特征调查;具体包括对各样方中的植物种类、数量、高度、盖度,以及乔木树种的胸径、树高、冠幅等测树因子等进行记录。
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采集各林龄云杉人工林林下苔藓、枯落物以及0~20 cm的原状土壤。在各林龄云杉人工林样地,每个乔木样方随机设置1 m×1 m的样方3个,即每个处理每个指标约重复采集9个样品。测定方法详见参考文献[11]。
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苔藓、枯落物蓄积量及最大持水量、土壤密度和持水量等指标的测定详见参考文献[11]。
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对不同林龄云杉人工林林下地被物、土壤水文性状进行方差分析,确定水文指标在不同林龄间的差异。所有数据处理和制图均通过SPSS15.0和Excel2013完成。
1.1. 试验区概况
1.2. 试验方法
1.2.1. 样地设置与群落调查
1.2.2. 苔藓、枯落物以及土壤样品的采集
1.2.3. 性状测定
1.2.4. 数据处理
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如表2所示,对于乔木层来说,乔木的胸径、高度和胸高断面积在3个林龄间均存在显著差异。即,随着林龄的增加,乔木层植物的胸径、高度和胸径断面积均随之显著增加,从20年到30年林龄,云杉人工林胸径增长23.49%,而从30年到40年林龄,云杉人工林胸径增长19.25%。但就树高而言,与20年林龄相比,30年林龄云杉显著升高了21.7%,而30至40年林龄,其高度上升了43.13%;对于林下灌草的盖度来说,40年云杉人工林的灌木盖度显著高于另外两个林龄,但随着林龄的增加,草本盖度却呈现显著降低的趋势;就林下灌草的生物多样性而言,20年林龄的云杉人工林灌木生物多样性与40年林龄的无显著差异,两者均显著高于30年林龄的云杉人工林;而40年云杉人工林的草本生物多样性显著高于30年林龄云杉人工林,且两者与20年林龄的云杉人工林间均无显著差异。
人工林林龄
Plantation age乔木层 tree layer 林下层 understory 胸径/cm
DBH高度/cm
Height胸高断面积/cm2
Basal area灌木盖度/%
Coverage
of shrub草本盖度/%
Coverage
of grass灌木生物多样性
Shannon-Weiner
index of shrub草本生物多样性
Shannon-Weiner
index of grass20年20 years old 10.43±1.02c 6.82±0.65c 85.40±0.81c 2.50±0.97b 55.33±1.67a 1.81±0.28a 0.88±0.24ab 30年30 years old 12.88±1.15b 8.30±0.67b 130.33±1.04b 1.25±0.25b 47.50±3.88b 1.40±0.5b 0.86±0.26b 40年40 years old 15.36±2.22a 11.88±0.73a 185.21±3.86a 16.17±1.65a 41.33±2.14c 1.83±0.27a 1.00±0.22a 注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05) Note: Different small letters indicated significant difference at 0.05 level. Table 2. Growth characteristics of Picea asperata Mast. Plantation at different ages in Miyaluo
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如图1所示,总体来说,与枯落物相比,苔藓在地被物的持水能力中起到了更加重要的作用。首先,就枯落物而言,云杉人工林的蓄积量在不同林龄间无显著差异;其次,30年和40年林龄的云杉人工林的最大持水率无显著差异,却均显著高于20年林龄;最后,导致枯落物最大持水量随着林龄的增加而升高,其中40年林龄云杉人工林显著高于20年林龄者,两者与30年林龄者无显著差异;其次就苔藓而言,蓄积量在20年林龄和40年林龄之间无显著差异,但两者均显著高于30年林龄。随着林龄的增长,云杉人工林林下苔藓的最大持水率和最大持水量均呈现出现降低再升高的趋势,但在不同林龄间均无显著差异。
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如表3所示,随着林龄的增长,林下土壤最大持水量、土壤毛管持水量、土壤最小持水量呈现升高的趋势,但均不显著。但就土壤密度而言,40年林龄云杉人工林的土壤密度显著低于20年、30年林龄云杉人工林,而后两者间无显著差异。
人工林林龄
Plantation age土壤最大持水量
MWHC/(g·cm−3)毛管持水量
CWHC/(g·cm−3)土壤最小持水量
LWHC/(g·cm−3)土壤密度
bulk density/(g·cm−3)20年20 years old 0.62±0.06a 0.53±0.08a 0.51±0.08a 1.14±0.12a 30年30 years old 0.63±0.06a 0.56±0.06a 0.53±0.05a 1.13±0.12a 40年40 years old 0.63±0.09a 0.57±0.10a 0.55±0.09a 0.99±0.15b *P<0.05; **P<0.01;MWHC:maximal water holding capacity;CWHC:capillary water holding capacity;LWHC:least water holding capacity; Table 3. ANOVA anyalysis results of soil bulk density and water holding capacity of Picea asperata Mast. plantation at different ages