山地的林树线、高山雪线、冻土地带线是生态环境变化的“特征敏感线”，开展这些特征线（带）的定位观测与比对研究，可以快速有效地发现和揭示山地自然过程与人类活动相互作用过程及机理
［1］。林线是指高山森林和高山冻原带之间郁闭森林的上限，是一个过渡带
［1］。树线是指树木在垂直地带上能够生长的海拔高度上线
［2-3］，这两种线一般称为林树上线，主要受到温度的控制。林树下线是指岷江上游干旱河谷区2 200 m左右的小叶灌丛与落叶阔叶林及孤立“树岛”混合交错带，影响下线的主要因子是湿度
［4-5］。林树下线生态交错带是指林树下线向上延伸一定森林区域与向下延伸一定干旱河谷灌丛区域的受土壤水分垂直变化影响而形成一种特殊的生态交错区。
土壤水分是森林生态系统养分循环和能量流动的载体之一，直接影响土壤的特性和植物的生长分布，是“特征敏感线”的指示关键因子
［6］。土壤水分研究主要关注于土壤水运动的新方法、土壤水平衡模型、定位或半定位的土壤水分动态观测和研究、土壤水溶质运移、水盐运移方程、土壤水分空间异质性等方面的研究
［7-8］。森林土壤水分研究主要关注于林地土壤水分和林木生长的关系、森林土层的水分贮量及影响因素、森林土壤水分空间异质性及其影响因素
［9-10］。
林树下线生态交错带主要分布于岷江上游山地森林与干旱河谷交错带，该交错带是我国西南地区重要的生态交错带，能有效阻止干旱河谷扩大，遏制山地森林的进一步退化。关于岷江上游土壤水分的研究主要集中于生态水源涵养
［11-12］、土壤分析特征与水分入渗、森林植被及其物理化学性质
［13-14］、土壤肥力
［15］、土壤水分与抗旱研究
［16-17］。以上研究大多数关注的是各类植被与林树上线有关的研究。
因此，阐明林树下线的控制土壤水分含量、时空分布特征及其作用机理，有利于揭示岷江上游退耕还林工程主要实施区的林树下线与山地环境之间的演化规律，可为评估生态环境建设的贡献提供科学支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于岷江上游杂谷脑河流域（31°11′52″—31°55′7″N，102°35′36″—103°6′11″E），是岷江水系的一级支流，该区域属于典型的中高山峡谷地貌，具有寒冷干燥、降水稀少、日照充足和晴朗多大风等山地季风气候的特点
［18］。岷江上游杂谷脑河流域从河谷到高山植被依次主要有小叶灌丛、山地针叶林、中山暗针叶林、高中山灌丛草甸和高山寒漠。杂谷脑河流域土壤在海拔1 419~4 400 m分布有灰褐土、褐色土、暗棕壤、灰化土、高山草甸土、高山寒漠土，呈明显的垂直地带性分布特征。
1.2 研究方法
1.2.1 样品采集
根据前期研究和实地调研发现，理县三寨村木卡乡高山林地林树下线分布于海拔2 250~2 300 m，为了鉴明林树下线的控制土壤水分含量，选择理县三寨村木卡乡高山林地林树下线及其交错带，采集土壤样品，在林树下线向下延伸一定干旱河谷灌丛区域（100 m），按照一定海拔梯度和坡面深度采集土壤样品，测定土壤水分含量、孔隙结构和持水量、土壤物化性质及养分含量。通过遥感解译发现，理县三寨村木卡乡林树下线在海拔2 250 m以上，选择海拔2 150~2 250 m灌丛作为林树下线生态交错带，2 250~2 400 m植被为原始森林。依据海拔每50 m变化，采用蛇形布点法均按照土壤剖面垂直纵深布点采样，取样深度为75 cm，分5个层次，各个层次分别为0—15 cm，15—30 cm，30—45 cm，45—60 cm，60—75 cm，所有采样均设置3个重复进行混合，用于测定土壤物理指标。通过测定植被高度、覆盖度、种类等指标，表明林树下线及其生态交错带土壤水分含量、土壤物理性质及植被之间的关系。采样时间为2022年9月，样地详细情况见
表1。
1.2.2 测定方法
本研究主要测定对土壤持水特性有较大影响的土壤物理性质，包括含水率、土壤容重、孔隙度及颗粒组成。这些物理性质的测定参照《土壤农业化学分析方法》
［19］，土壤含水率采用烘干法测量，土壤容重和孔隙度采用环刀法测量，土壤颗粒组成采用贝克曼库尔激光粒度仪进行测定。采用生态学基本调查方法，对所确定的样地内乔、灌、草本植物种类，数量，生长情况（自然高度、生长量）等指标进行调查，抽样调查时保证每个小样方中目标植被的数量在5株以上。
1.3 数据分析
采用SPSS 21对数据进行整理分析，利用独立样本t检验分析林树下线及其生态交错带土壤水分及其物理性质之间的差异显著性（α=0.05），利用Origin 2024软件作图。
2 结果与分析
2.1 林树下线及其生态交错带土壤水分含量特征
通过测定理县三寨村木卡乡高山林地林树下线2 250~2 400 m海拔范围内3个不同海拔梯度（2 250~2 300 m，2 300~2 350 m，2 350~2 400 m）以及林树下线缓冲带2 150~2 250 m海拔范围内2个不同海拔梯度（2 150~2 200 m，2 200~2 250 m）不同剖面深度土壤水分，分析林树下线的控制土壤水分含量（
图1）。
由图看出，林树下线及其生态交错带不同深度土壤水分含量随土层深度的增加而显著递减，森林土壤水分含量大于灌丛土壤水分含量。表层土壤水分含量远远大于深层土壤水分含量，土层深度0—15 cm和15—30 cm土壤水分含量差异显著（
p<0.01），0—15 cm土壤含水率高于15—30 cm土壤12%~55%；土层深度30—75 cm土壤水分含量差异性不显著（
p>0.05），土壤含水率变化差异介于6%~18%，土壤水分的时间变化受植被覆盖的影响，研究结果与马婧怡
［20］、Huang
［21］、刘萌
［22］等研究结论一致，表层土壤容重小于深层土壤，土壤孔隙有利于水分入渗，导致表层土壤干湿变化剧烈，林树下线生态交错带主要植被为灌丛和荒草，根系发达，相对于深层更有利于水分贮存；林树下线区域由于植被生长茂盛，地表植物种类丰富，可以降低水分蒸发，但是深层土壤由于植被根系的耗水作用，导致下层土壤水分消耗快速，表层土壤水分与底层差异较大。
在林树下线生态交错带，随着海拔高度的升高，土壤水分含量降低，原因在于海拔2 200~2 250 m范围主要生长灌丛，干旱河谷地带土壤结构破碎，表层粗粒石较多，蓄水保水能力差，再加之壤中流和地表径流受重力作用的影响，不断向坡脚汇集，使土壤中的水分随海拔的降低而呈增加的趋势，与严代碧
［23］、岳永杰
［24］等关于岷江上游干旱河谷区土壤水分含量随海拔变化趋势一致。林树下线2 250~2 400 m海拔高度范围内，各土层深度土壤含水率均呈现随着海拔高度增加
［25］，含水率逐渐升高的趋势。分析原因在于林树下线植被覆盖率高，林下枯落物丰厚，拦蓄能力强，但入渗能力慢，加之植被根系深且密，深层土壤水分损失快
［26］。
从林树下线及生态交错带整个土壤剖面的平均含水率来看，林树下线土壤水分范围在18%~24%，林树生态交错带灌丛生长的土壤水分含量范围在14%~16%，林树下线分布走势主要受土壤水分的制约，要保证树木生长存活，土壤含水率需保持在不低于18%的水平，要进行植树造林和植被修复，应当自上而下进行。
2.2 林树下线及其生态交错带土壤物理性质分析
为了明晰土壤水分分布的影响因素，分别测定了林树下线及其缓冲带土壤剖面的容重、机械组成、孔隙度及持水性特征。
2.2.1 孔隙度及持水性特征
土壤孔隙度说明了土壤孔隙的多少，可以反映土壤浸水和通气状况，土壤持水量能反映土壤抗水抗蚀能力，是衡量土壤生态功能的重要指标
［27-29］。林树下线及其缓冲带不同海拔高度、不同深度土壤孔隙度及持水性状况见
表2。林树下线生态交错带总毛管孔隙度随海拔升高而增大，毛管孔隙度与总毛管孔隙度变化趋势一致，但非毛管孔隙度则呈现相反趋势。在各个海拔梯度上，随着土层深度的增加，总毛管孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈逐渐降低的趋势，表层土高于深层土，差异显著（
p<0.05）。土壤的最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力和贮水量均随海拔梯度升高而增大，但随着土层深度的增加而降低，表层土壤与深层土壤差异性显著（
p<0.05）。
林树下线土壤总毛管孔隙度随海拔升高而先增大后减小，毛管孔隙度与总毛管孔隙度变化趋势一致，非毛管孔隙度则随着海拔升高而增大。在各个海拔梯度上，随着土层深度的增加，总毛管孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈逐渐降低的趋势，表层土高于深层土，差异显著（p<0.05）。土壤的最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力和壤贮水量均随海拔梯度升高而增大，但随着土层深度的增加而降低，表层土壤与深层土壤差异性显著（p<0.05）。
通过对比可发现，林树下线土壤总毛管孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度略高于生态交错带，差异不显著（p>0.05），说明林树下线土壤孔隙状况较好，土壤疏松，通透性较好，为植被的生长发育提供了较好的条件。
2.2.2 土壤机械组成
从林树下线及其缓冲带不同海拔高度、不同深度土壤机械组成状况（
表3）可见，在林树下线生态交错带各层土壤黏粒含量呈现随着土层深度的加深、海拔高度的提升而增大的趋势，含量在7%~12%范围内；砂粒含量随海拔的升高而增加，分别由36.18%上升到42.42%，粉粒含量呈减小趋势，由55.14%下降到48.14%。林树下线土壤砂粒和粉粒含量随海拔的升高呈波动的变化趋势，含量分别介于33%~43%和51%~56%，黏粒含量随海拔升高变化差异不显著（
p>0.05）。林树下线生态交错带土壤砂粒含量高于林树下线区土壤砂粒含量，黏粒含量高于林树下线区土壤黏粒含量，粉粒含量高于林树下线区土壤粉粒含量，这表明植被恢复对土壤具有明显改善的作用，土壤机械组成比例趋向优化，土壤结构得到改善。
2.2.3 土壤容重
林树下线及其缓冲带不同海拔高度、不同深度土壤容重分异特征见
图2。林树下线及其生态交错带表层土壤容重均低于深层土壤容重；在整个剖面上随着海拔升高呈现先减后增的趋势，最低值出现在海拔2 220~2 250 m。在各个海拔高度上，土壤容重均随着深度的加深而逐渐变大。林树下线生态交错带土壤容重略小于林树下线土壤容重。原因在于：林树下线区域由于退耕还林多年，乔木、灌丛和草木生长旺盛，丰富的凋落物和能够有效促进土壤大孔隙的形成，降低土壤容重，增强土壤透水能力。
2.3 土壤水分对林树下线下移的响应
林树下线是岷江上游干旱河谷生态恢复的重要指示带，林树下线生态交错带是干旱河谷植被恢复的重要地域，通过分析林树下线土壤水分、土壤物理性质、植被多样性特征，鉴明林树下线的控制土壤水分含量。
从林树下线及其生态交错带土壤水分与土壤性质之间的关系（
图3）中可以看出：土壤水分与持水量和孔隙度呈极显著正相关，持水量均与毛管孔隙度和总毛管孔隙度呈极显著正相关；砂粒与粉粒和黏粒呈极显著负相关，粉粒和黏粒极显著正相关，且均与土壤水分、持水量、毛管孔隙度和总毛管孔隙度呈负相关，研究结果与阮长明等
［30］研究成果一致。
通过林树下线影响土壤水分分异主成分分析发现，海拔在2 150~2 200 m范围内的林树下线生态交错带影响土壤含水率的主要因素有毛管持水量、最小持水量、最大持水量、非毛管孔隙度和草本种类。海拔在2 200~2 250 m范围内的林树下线生态交错带土壤总毛管孔隙度、毛管孔隙度、黏粒、粉粒、容重和灌木种类与土壤含水率显著相关（
图4A）。通过林树下线生态交错带影响土壤水分分异主成分分析发现，影响2 250~2 350 m海拔范围内土壤水分的主要因素为总毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量和毛管孔隙度，次要因素为黏粒、灌木覆盖度和草本种类；在高海拔地区，影响土壤水分的主要因素为总毛管孔隙度、毛管孔隙度和容重（
图4B）。
由此可见，土壤水分与土壤性质之间相互作用、相互影响，土壤水分状况是岷江上游干旱河谷植被恢复的主要限制因子之一，土壤水分决定了植被类型的更替，同时植被反过来影响着土壤的孔隙状况、容重和持水性能，最终改善土壤水分状况。
3 结论
（1） 林树下线及其生态交错带不同深度土壤水分含量随土层深度的增加而显著递减，森林土壤水分含量大于灌丛土壤水分含量。林树下线及生态交错带土壤水分范围分别在18%~24%和14%~16%，要进行植被恢复，需将土壤水分保持在18%以上。
（2） 林树下线生态交错带总毛管孔隙度和毛管孔隙度随海拔升高而增大，非毛管孔隙度随海拔升高而减小，林树下线区域呈现相反的变化趋势。林树下线及其生态交错带在各个海拔梯度上，孔隙度表层土大于深层土，差异显著（p<0.05）。土壤持水性能均随海拔梯度升高而增大，但随着土层深度的增加而降低。
（3） 从林树下线及其生态交错带土壤水分与物化性质相关性、主成分分析结果可见，土壤水分与总毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度和植被类型呈显著相关关系，是影响土壤水分的主要因素。
（4） 土壤水分决定了植被类型的更替，同时植被影响着土壤的孔隙状况、容重和持水性能，最终改善土壤水分状况。因此，在当地进行植被恢复过程中，考虑到土壤水分问题，应当从高海拔向河谷生态交错带逐步向下进行，起到林树下线下移和抑制干旱河谷上延的作用，同时，还应利用立地条件、造林类型的优势，分别对植被进行恢复，最终达到岷江上游干旱河谷困难地段的植被恢复可以顺利进行的目的。
四川省科技厅自然科学基金项目“岷江上游林树下线生态交错带土壤毛细孔隙结构与毛管水容量的耦合机制”(2022NSFSC1168)
京公网安备11010202008535号
PDF
(1579KB)
