大通北川河自然保护区不同植被类型土壤水源涵养功能研究

The soil water conserving function of different vegetation types in the Beichuan River Nature Reserve of Datong

摘要

目的 研究北川河国家级自然保护区不同植被类型下的土壤水源涵养功能，为该区水土保持、水源涵养林保护与管理提供参考依据。 方法 选择保护区内5个典型的植被类型（高寒草甸、高寒灌丛、落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林）下的土壤，采用环刀法、烘干法等对其物理性质、土壤持水能力和土壤渗透能力进行分析研究，运用坐标综合评定法对研究区内不同植被类型土壤水源涵养功能进行综合评定。 结果 5种植被土壤物理性质、土壤蓄水能力和渗透能力差异明显。土壤平均容重变化范围为0.87~1.41 g/cm³，其中高寒草甸（1.41 g/cm³）最大，高寒灌丛（0.87 g/cm³）最小；土壤总孔隙度以针叶林最大（55.62%）、高寒灌丛（37.39%）最低，毛管孔隙度以针叶林（43.80%）最大，高寒灌丛（27.55%）最小，非毛管孔隙度以针阔混交林（12.13%）最大，高寒草甸（6.70%）最小；最大持水量以针叶林（1 112.36 t/hm²）最大，高寒灌丛（747.80 t/hm²）最小；毛管持水量以针叶林（875.95 t/hm²）最大，高寒灌丛最小（551.00 t/hm²）；非毛管持水量以针阔混交林（242.62 t/hm²）最大，高寒草甸（134.04 t/hm²）最小。土壤渗透能力最强的是针阔混交林，其稳渗速度为4 mm/min，稳渗系数为2.65，高寒草甸最弱，其稳渗速度为1.13 mm/min，稳渗系数为0.86。 结论 在5种不同植被类型中，针阔混交林土壤水源涵养功能最好，坐标综合能力值达0.383 4；其次是针叶林和落叶阔叶林，坐标综合能力值分别为1.386 2 和3.052 6；灌木林和高寒草甸的土壤水源涵养功能综合能力相对较差，坐标综合能力值分别为3.412 6和4.813 3。

Abstract

Objective The soil water conservation function under different vegetation types in Beichuanhe National Nature Reserve was studied to provide reference for soil and water conservation，water conservation forest protection and management in the area. Method Soils under 5 typical vegetation types (alpine meadow，alpine shrub，deciduous forest，mixed coniferous forest and coniferous forest) in the protected area were selected and their physical properties，soil water holding capacity and soil permeability were analyzed by ring knife method and drying method.The function of soil water conservation of different vegetation types in the study area was evaluated by the coordinated comprehensive evaluation method. Result There are obvious differences in the physical properties，water storage capacity and infiltration capacity of the planted subsoil.The mean bulk density of the soils ranged from 0.87 to 1.41 g/cm³，with alpine meadow (1.41 g/cm³) being the highest and alpine shrub (0.87 g/cm³) the lowest.Total soil porosity was the highest in coniferous forest (55.62%) and alpine shrub (37.39%).Capillary porosity was highest in coniferous forest (43.80%) and lowest in alpine shrub (27.55%).Non-capillary porosity was highest in mixed forest (12.13%) and lowest in alpine meadow (6.70%).Maximum water holding capacity was highest in coniferous forest (1 112.36 t/hm²) and lowest in alpine shrub (747.80 t/hm²).Capillary water retention was highest in coniferous forest (875.95 t/hm²) and lowest in alpine shrub (551.00 t/hm²).Non-capillary water holding capacity was highest in coniferous mixed forest (242.62 t/hm²) and lowest in alpine meadow (134.04 t/hm²).Soil permeability was highest in the mixed forest with a stable infiltration velocity (4 mm/min) and a stable infiltration coefficient (2.65) and lowest in the alpine meadow with a stable infiltration velocity (1.13 mm/min) and a stable infiltration coefficient (0.86). Conclusion The comprehensive evaluation and analysis showed that among the five different vegetation types，the mixed forest had the best water conservation function，with the comprehensive capacity value of 0.383 4.Coniferous forest and deciduous broad-leaved forest were the next，with the comprehensive ability values of 1.386 2 and 3.052 6，respectively.Shrub forest and alpine meadow were relatively poor，with the comprehensive ability value of 3.412 6 and 4.813 3，respectively.

关键词

北川河自然保护区 / 水源涵养功能 / 坐标综合评定法

Key words

Beichuan River Nature Reserve / water source conservation function / coordinate comprehensive evaluation method

Author summay

刘玉斌，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

水源涵养是森林重要生态功能之一。森林涵养水源的能力主要从林冠层截留、枯落物持水、土壤层蓄涵3个层面来体现。据调查，森林水源涵养的能力只有不足15%是由林地的地上部分完成，而85%来自于凋落物层和土壤层的蓄水功能^［1］。降水主要是通过森林枯落物和土壤层蓄涵在林下部分，而土壤层的持水量远大于枯落物层的持水量^［2］，因此土壤层是森林水源涵养的主体^［3］。据研究，土壤饱和导水率是反映土壤水分入渗特征和抗侵蚀能力的重要指标之一^［4-5］，其数值的大小对地表径流有一定的影响^［6］。不同的植被类型因其生物学和生态学特征方面存在差异，所以其水源涵养功能也不同^［7-8］。

北川河自然保护区不仅是西北三大高原和内陆荒漠的交界区，还是青海东部地区与甘肃河西走廊重要的生态屏障，作为西宁市的主要饮用水供给源，有“西宁水塔”之称^［9］。目前有关北川河自然保护区的研究仅集中于保护区保护和发展^［9-10］及林火管理^［11］等方面，还未见森林水源涵养功能等方面的研究。国内外学者对于不同树种^［12-13］、不同森林类型^［14-15］、不同林分^［16］、不同林分密度^［17］等方面的土壤水源涵养功能都进行了系统的研究，王勇等^［22］在楠杆自然保护区、王忠诚^［7］对鹰嘴界自然保护区都对不同植被类型土壤物理特性及涵养水源功能进行分析研究，而有关高海拔地区不同植被类型土壤水源涵养功能的相关研究不多。因此，本文通过对北川河自然保护区不同植被类型土壤物理性质、土壤蓄水能力、土壤渗透能力进行分析研究，并应用坐标综合评定法对不同植被类型的土壤水源涵养功能进行定量分析，探究区内不同植被类型土壤特性及水源涵养功能，旨在为该区更好地进行水源林管护与营建提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北川河国家级自然保护区在青海省西宁市大通县境内，包括宝库、桦林、青林、向化和青山5个乡镇。位于E 100°52′~101°47′和N 37°03′~37°28′之间，由于地处内陆，无季风影响，属于半干旱温带大陆性气候。年平均气温从东南部到西北部由3.9 ℃下降到-6 ℃左右，年平均降水量由东南的451.2 mm，升高到西北部的 820 mm，多年平均年降水量为609.1 mm^［19］。保护区海拔在2 680~4 622 m之间，落差较大。保护区总面积为107 870 hm²，占全县总面积的34.91%。其中核心区面积40 156.6 hm²，缓冲区面积38 447.4 hm²，实验区面积29 266 hm²。保护区内西北部河流都属于黄河二级支流^［18］，最终汇入西宁市最大的水源地——黑泉水库，西宁市生产生活用水80%左右来源于此。由于地形、海拔等因素影响，保护区土壤分布具有明显的垂直地带性，从低到高分布有沼泽土、潮湿土、垫淤土、栗钙土、黑钙土、山地棕褐土、高山草甸土、高山石质土等土壤类型^［19］。植被以寒温性常绿针叶林、落叶阔叶林和高寒灌木林和天然高寒草甸为主要植被类型。寒温性常绿针叶林主要为青海云杉林，针阔混交林主要为青海云杉、山杨或白桦混交林，高寒灌丛主要为杜鹃灌丛、金露梅灌丛等。可分为5个植被型组、7个植被型和20个群系^［20］。

1.2 试验方法

1.2.1 样地设置

2021年7月在北川河自然保护区实地踏查的基础上，每种植被类型根据海拔、坡度、坡向、植被生长情况等设置样地，并在不同植被类型样地下设置3个20 ｍ×20 ｍ 的样方，记录植被基本概况（表1）。选择的5种植被类型均为研究区典型的植被类型。高寒草甸：海韭菜（Triglochin maritima）、珠芽蓼（Bistorta vivipara）、短柄草（Brachypodium sylvaticum）、赖草（Leymus secalinus ）、针茅（Stipa capillata）；高寒灌丛：金露梅（Dasiphora fruticosa ）、山生柳（Salix oritrepha ）、陇蜀杜鹃（Rhododendron przewalskii）、青海杜鹃（Rhododendron qinghaiense ）、锦鸡儿（Caragana sinica ）；针阔混交林：青海云杉（Picea crassifolia ）、白桦（Betula platyphylla ）、山杨（Populus davidiana）；落叶阔叶林：青杨（Populus cathayana ）、白桦、山杨、红桦（Betula albosinensis）、糙皮桦（Betula utilis ）；针叶林：青海云杉、华北落叶松（Larix gmelinii var.Principis-rupprechtii）。

1.2.2 样品采集

样品采集时间为2021年8月，按照《土壤理化分析与剖面描述》中的方法和要求在样方上部中间1个和下方两个角各挖出1个土壤剖面作为采样点，然后在不破坏土壤剖面的情况下，分别在样方采样点按0~20、20~40、40~60 cm共3个土壤层次，从上到下逐层用环刀（容积为100 cm³）采集土样，装入铝盒，每层做3次重复，各样方每层9次重复。称鲜重后做好标记，带回实验室进行下一步测定，取完土样后要及时回填剖面。

1.2.3 样品测定方法

将野外采集的土样带回实验室，参照《土壤农化分析》用环刀法测定土壤容重与孔隙度，用恒温箱烘干法测定持水量等指标^［21］。土壤渗透速率用《中华人民共和国林业行业标准》中的室内环刀法测定。

1.2.4 评价方法

常见的水源涵养功能评价方法一般有灰色关联分析法、层次分析法、主成分分析法和坐标综合评定法等，前两个方法在分析时主观性过强，主成分分析法关于主成分的含义模糊、不准确^［22］，而坐标综合评定法基于多维空间理论，将评定对象看作由多向量所决定的空间点，以各点与最佳点的距离对各点进行比较，可以对多个不同量纲指标进行综合评价^［23］。

采用坐标综合评定法评价水源涵养功能的基本步骤为： 列出原始数据表，以s_{ij}表示，其中i表示不同植被类型，j表示不同指标。采用式（1）将其与每一指标中的最优者m_j作比较，组成相对值d_{ij}矩阵坐标；采用公式\left(\mathrm{2}\right)计算第i个处理到标准点的距离；采用公式（3）求各指标到标准点的距离之和\sum {p_i}^{\mathrm{2}}；按\sum {p_i}^{\mathrm{2}}由小到大进行排序，以综合值小者为最优。

d_{ij}=\frac{s_{ij}}{m_j}（1）

式中：d_{ij}为原始数据的相对值，s_{ij}为原始数据，m_j为每个指标中的最优值。

p_i=\sqrt[]{{\left(\mathrm{1}-d_{ij}\right)}^{\mathrm{2}}}（2）

\sum {p_i}^{\mathrm{2}}={p_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}+{p_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}+\cdots {p_i}^{\mathrm{2}}（3）

式中：p_i为第i个处理到标准点的距离。

1.3 数据处理

利用Excel 2019对数据进行分析处理，采用SPSS 22.0软件单因素方差分析（One-way ANOVA） 和Duncan多重比较进行差异显著性检验，显著水平α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤物理性质

从表2可以看出，5种植被在0~60 cm土层的土壤容重大小表现为高寒草甸和落叶阔叶林明显大于针阔混交林、针叶林和高寒灌丛，其大小变化范围为0.87~1.41 g/cm³，具体大小依次为高寒草甸（1.41 g/cm³）>落叶阔叶林（1.21 g/cm³）>针阔混交林（0.95 g/cm³）>针叶林（0.89 g/cm³）>高寒灌丛（0.87 g/cm³）。各植被类型土壤容重垂直变化较为明显，总体上土壤容重随土层深度的增加而增大。总孔隙度大小范围为37.39%~55.62%，毛管孔隙度范围为27.5%~43.80%，大小顺序都为针叶林>针阔混交林>落叶阔叶林>高寒草甸>高寒灌丛。非毛管孔隙度范围为6.70%~12.13%，具体大小顺序为：针阔混交林（12.13%）>针叶林（11.82%）>高寒灌丛（9.84%）>落叶阔叶林（7.04%）>高寒草甸（6.70%）。孔隙度随土层深度增加的变化也有一定规律，具体表现为除高寒灌丛外，其他植被孔隙度0~20 cm土层孔隙度均大于40~60 cm土层，这可能与不同植被的根系分布特征有关，比如柠条等灌丛植被的根系分布更深、更广，其土壤结构也受到影响。研究结果表明森林植被的土壤物理性能优于草原植被。

2.2 不同植被类型土壤持水能力

从表3中可以看出，60 cm土层的土壤自然含水率大小依次为高寒灌丛（42.37%） >针阔混交林（35.41%）>落叶阔叶林（31.30%）>针叶林（30.75%）>高寒草甸（23.36%），表明森林植被的土壤自然含水率明显强于草原，而有阔叶树种的混交林强于针叶林。5种植被60 cm土层的最大持水量范围为747.80~1 112.36 t/hm²，其中针叶林（1 112.36 t/hm²）最大，针阔混交林（1 082.78 t/hm²）和落叶阔叶林（896.93 t/hm²））次之，高寒草甸（836.55 t/hm²）第4，高寒灌丛（747.90 t/hm²）最小，表明乔木植被的持水性能强于草原和灌丛。5种植被的毛管持水量的大小规律与最大持水量的规律一致，非毛管持水量的大小顺序依次为针阔混交林（242.62 t/hm²）>针叶林（236.40 t/hm²）>高寒灌丛（196.80 t/hm²）>落叶阔叶林（140.89 t/hm²）>高寒草甸（134.04 t/hm²），说明针阔混交林的持水能力最强、针叶林次之，由此可知有林地和高寒灌丛能吸持更多的水分。

2.3 不同植被类型土壤的渗透性能

由表4可以看出，不同植被类型土壤常温下的稳渗速度和10 ℃下的土壤渗透能力差异显著（P<0.05），其中针阔混交林稳渗速度（4 mm/min）和稳渗系数（2.65）最大，表明其渗透能力最强；其次是落叶阔叶林，稳渗速度为3.00 mm/min，稳渗系数为2.04；针叶林稳渗速度（2.55 mm/min）和稳渗系数（1.75）为第3；第4为高寒灌丛，稳渗速度（1.35 mm/min）和稳渗系数（1.04）相对较小；高寒草甸稳渗速度（1.13 mm/min）和稳渗系数（0.86）最小。这表明林地的土壤渗透能力优于高寒草甸，这可能是由于林地林下枯落物种类丰富度高，蓄积量高，根系分布多，对土壤结构的改善效果更好。

2.4 土壤水源涵养功能综合评价

根据坐标综合评定法，P_i²越小，各指标的性能越好。从土壤物理性质来看，针叶林最好（P₁²=0.048 1），其次是针阔混交林（P₁²=0.151 7），高寒灌丛（P₁²=0.887 6）第3，落叶阔叶林（P₁²=1.030 9）第4，第5是高寒草甸（P₁²=1.276 4）。土壤蓄水能力是针阔混交林（P₂²=0.231 8）最好，其次是针叶林（P₂²=0.299 9），高寒灌丛（P₂²=0.887 6）第3，落叶阔叶林（P₂²=1.011 2）第4，高寒草甸（P₂²=1.342 0）最弱。渗透能力最强的是针阔混交林（P₃²=0.000 0），其次是落叶阔叶林（P₃²=1.010 5），针叶林（P₃²=1.038 2）第3，高寒灌丛（P₃²=1.641 1）第4，高寒草甸（P₃²=2.195 4）最弱。

3 讨论

土壤容重是反映土壤松紧程度和土壤保蓄性的一个重要指标，同时也是决定土壤水源涵养功能的一个重要因素^［24］。各类型植被土壤容重垂直变化较明显，总体上随土壤深度增加而增大，这与刘凯等^［25］在青海高寒山区5种林分的土壤特性的研究结果相一致。各类型植被土壤容重最小值出现在最表层，随着土层深度的增加，土壤容重呈上升趋势，这与刘西刚等^［26］在夏尔希里自然保护区典型植被土壤水源涵养功能的研究结果一致。在孔隙度方面，针叶林的孔隙度总体上随着土层深度的增加呈现下降趋势，这与马国飞等^［27］在托木尔峰自然保护区台兰河上游不同植被类型的水源涵养功能孔隙度的研究结果相吻合，高寒草甸的孔隙度总体也随土层深度增加而下降。非毛管孔隙度以针阔混交林为最大，这与贺睿等^［28］在互助北山国家森林公园的研究结果一致。土壤持水量方面来看，总体表现为森林植被强于草原植被，这一结果与孔隙度变化情况一致。针阔混交林土壤的稳透速率最大，这也与贺睿等^［28］的研究结果一致。坐标综合评定的结果显示，针阔混交林的水源涵养综合能力最强，草原最弱，这一结果与王勇等^［22］的研究结果一致。通过研究区内的森林植被与草原植被各方面分析比较，可以明显看出森林植被的各方面性能都优于草原植被，进一步说明了植被类型与水源涵养的功能有高度的相关性。此次研究是针对不同植被类型进行的分析研究，今后可以针对不同海拔、坡向等层面进一步进行土壤水源涵养功能的研究。北川河自然保护区作为西宁市的水源地，可以重点对水源涵养功能强的植被加强管护、人工营造和生态恢复。

4 结论

北川河自然保护区不同植被类型土壤物理性质差异明显，整体上表现为森林植被强于草原植被，针阔混交林优于针叶林和落叶阔叶林。不同植被类型土壤容重垂直变化明显，总体表现为随土层深度增加而增大。0~60 cm土层的土壤容重表现为高寒草甸（1.41 g/cm³）最大，远大于高寒灌丛、落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林（0.87~1.21 g/cm³）。总孔隙度和毛管孔隙度都表现为针叶林>针阔混交林>落叶阔叶林>高寒草甸>高寒灌丛。非毛管孔隙度以针阔混交林最大（12.13%），针叶林（11.82%）、高寒灌丛（9.84%）次之，落叶阔叶林（7.04%）、高寒草甸（6.70%）最低。土壤最大持水量以针叶林（1 112.3 t/hm²）最大，非毛管持水量以针阔混交林（242.62 t/hm²）最大。土壤渗透能力最强的是针阔混交林，稳渗速度为4 mm/min，高寒草甸最弱，其稳渗速度为1.13 mm/min。

通过综合评价可知，北川河自然保护区不同植被类型土壤水源涵养综合能力表现为针阔混交林（∑P_i ²=0.383 4）最强、针叶林（∑P_i ²=1.386 2）第2、落叶阔叶林（∑P_i ²=3.052 6）第3、灌木林（∑P_i ²=3.416 2）第4、高寒草甸（∑P_i ²=4.813 3）最弱。

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基金资助

青海省林业与草原局2021年林业改革发展资金国家级自然保护区补助资金项目(青财资环字［2021］53号)

青海省“昆仑英才·科技领军人才”培养项目（青人才字 （2022）1 号）