全 文 ：第 50 卷 第 10 期
2 0 1 4 年 10 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 10
Oct．，2 0 1 4
doi:10．11707 / j．1001-7488．20141020
收稿日期: 2013 － 06 － 03; 修回日期: 2014 － 08 － 25。
基金项目: 甘肃省自然科学研究基金计划项目(1208ＲJZA141) ; 甘肃农业大学科技创新项目(GAV-CX1015)。
祁连山东段高寒灌丛地被物与土壤的水文特征
赵锦梅1 徐长林2 马亚萍1 李 瑞1
(1． 甘肃农业大学林学院 兰州 730070; 2． 甘肃农业大学草业学院 兰州 730070)
关键词: 枯落物; 苔藓; 持水性能; 土壤渗透性; 高寒灌丛
中图分类号: S715. 3; S714. 7 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)10 － 0146 － 06
Surface Cover and Soil Hydrological Characteristics of
Alpine Shrub in Eastern Qilian Mountains
Zhao Jinmei1 Xu Changlin2 Ma Yaping1 Li Ｒui1
(1 ． College of Forestry，Gansu Agricultural University Lanzhou 730070;
2 ． College of Grassland Science，Gansu Agricultural University Lanzhou 730070)
Abstract: The surface cover and soil hydrological characteristics of three alpine shrubs in eastern Qilian Mountains were
studied in the report． The experimental alpine shrubs are Potentilla fruticosa shrub，Salix spp． shrub and Ｒhododendron
spp． shrub． The result showed that the different shrub had significant effect on water holding capacity of surface cover and
soil; The cumulation of litters was Salix spp． shrub ＞ Potentilla fruticosa shrub ＞ Ｒhododendron spp． shrub; The litter
accumulation exhibited was Ｒhododendron spp． shrub ＞ Salix spp． shrub ＞ Potentilla fruticosa shrub; The water holding
capacity of litters was Potentilla fruticosa shrub ＞ Salix spp． shrub ＞ Ｒhododendron spp． shrub; The water holding
capacity of moss was Ｒhododendron spp． shrub ＞ Salix spp． Shrub ＞ Potentilla fruticosa shrub; The maximum and
minimum water holding capacity、the capillary water holding capacity of soil in different shrub types were all Ｒhododendron
spp． shrub ＞ Salix spp． shrub ＞ Potentilla fruticosa shrub;The soil infiltration rate of three alpine shrubs was basically
identical，and the soil infiltration all gradually decreased with the infiltration time expand．
Key words: litters; moss; water holding capacity; soil infiltration; alpine shrub
地被物和土壤是植被生态系统的重要结构(李
倩茹等，2009)，也是植被生态系统中具有重要水源
涵养功能和防止土壤侵蚀的重要层次 (Guevara et
al．，2007; Sato et al．，2004)，在截留降雨、拦蓄地表
径流、减少土壤水分蒸发、增加土壤水分入渗和防止
水土流失等方面具有重要作用 (马正锐等，2012;
郭辉等，2010。土壤持水能力和渗透性作为土壤重
要的物理性质，是评价土壤水分调节能力和涵养水
源的重要指标，同时也是影响土壤侵蚀的重要因素
(赵洋毅等，2010; Shin et al．，2013)。通过对植被
生态系统地被物累积量和持水性能、土壤层持水性
能以及土壤入渗特征等土壤水文特征的研究，将有
助于对植被生态系统保持水土和涵养水源机理的深
入认识(魏强等，2011; 张卫强等，2010; 刘洋等，
2011)，也可以为区域水土流失综合治理提供科学
依据。目前，一些学者已对部分区域进行了研究，并
获得了一些重要的研究成果 (周萍等，2010; 李融
等，2010; 张明忠等，2010)，但对地理和气候条件
特殊、生态环境脆弱的高寒地区灌丛群落地被物及
土壤持水能力的研究相对较少。
祁连山东段地处青藏高原最东缘，属于典型的
高寒生态圈，自然环境脆弱而敏感。在该区域内大
面积分布着不同类型的高寒灌丛，对当地的水源补
给和水源涵养起着重要作用。本研究分析该区域不
同类型高寒灌丛地被物及土壤的水文特征，以期为
高寒地区生态脆弱带的水源涵养和水土保持提供
依据。
1 研究区概况
研究区位于祁连山东段的甘肃省天祝藏族自
第 10 期 赵锦梅等:祁连山东段高寒灌丛地被物与土壤的水文特征
治县抓喜秀龙乡境内 ( 102° 29 —102° 33 E，37°
11 —37°13 N)，海拔 3 000 ～ 3 500 m。该区属大
陆性高原季风气候，气候寒冷潮湿，空气稀薄，太
阳辐射强烈。据甘肃农业大学草原站记录，该区
年均气温 － 0. 1 ℃，1 月最低温 － 30. 9 ℃，月均温
－ 18. 3 ℃，7 月最高温 26. 7 ℃，月均温 12. 7 ℃，
＞ 0 ℃年积温1 380 ℃ ; 水热同期，年日照时数 2
600 h; 年降水量 416 mm，多为地形雨，集中于 7—
9 月; 年蒸发量1 592 mm，是降水量的 3. 8 倍。无
绝对无霜期，仅分冷、热两季。10 月至翌年 4 月为
降雪期。区内土层较薄，厚 40 ～ 80 cm，土壤 pH 为
7. 0 ～ 8. 2，有机质含量高( 10% ～ 16% )。土壤类
型从河漫滩、阶地至高山依次为亚高山草甸土、亚
高山黑钙土、亚高山栗钙土、亚高山灌丛草甸土和
高山灌丛草甸土。
研究区植被属青藏高原植物亚区。组成本区的
种子植物约有 386 种，分属于 50 科 168 属，其中灌
木 以 杜 鹃 花 属 ( Ｒhododendron )、萎 陵 菜 属
(Potentilla ) 和柳属 ( Salix ) 为主，草本以嵩草属
(Kobresia)、草属(Carex)、蓼属(Polygonum)、早熟
禾属(Poa)和风毛菊属 ( Sausurea)等为主 (于应文
等，1999)。
2 研究方法
2. 1 样地设置与调查 于 2012 年 8 月根据研究区
主要灌丛植被分布格局，在天祝藏族自治县抓喜秀龙
乡代乾沟附近选取海拔相对一致的金露梅(Potentilla
fruticosa)灌丛、杜鹃 (Ｒhododendron spp． )灌丛和柳
(Salix spp． )灌丛。每种高寒灌丛内均随机设置 3 块
20 m × 20 m 样地，在每块样地内随机设置 3 个5 m ×
5 m 样方，对样方内灌丛的植物种类、高度、郁闭度和
地上生物量进行调查，样地概况见表 1。
表 1 样地概况
Tab． 1 Survey of sample plots
灌丛类型
Shrub type
优势种
Dominant species
海拔
Elevation /m
坡度
Slope /( °)
坡向
Slope aspect
郁闭度
Canopy
density
灌丛地上生物量
Ground total
biomass of shrub /
( g·m － 2 )
灌丛平均高度
Shrub mean
height / cm
金露梅灌丛
Potentilla fruticosa
shrub
金露梅
Potentilla fruticosa
3 249 6 阳坡
Sunny
0. 6 412. 66 62
柳灌丛
Salix spp．
shrub
硬叶柳
Salix sclerophylla
3 245 6 阳坡
Sunny
0. 8 570. 56 47
杜鹃灌丛
Ｒhododendron
spp． shrub
头花杜鹃
Ｒhododendron capitatum
3 245 16 阴坡
Shady
0. 5 266. 71 38
2. 2 地被物采集及地被物蓄积量与持水能力测定
在每个样方内随机选取 3 个 50 cm × 50 cm 地被物
采集小样方，分别收集地表苔藓和枯落物，并现场对
采集的苔藓和枯落物分别称鲜质量后用自封袋密封
带回实验室。将所采集的苔藓和枯落物分别在 65
℃下烘干并称干质量，换算成单位面积地被物的蓄
积量。然后分别将苔藓和枯落物装入 100 目的尼龙
网并完全浸没于水中，待浸泡 24 h 后称湿质量。湿
质量与浸水前干质量的差值即为苔藓和枯落物的持
水量(张万儒等，1986)。
2. 3 土壤样品采集与测定 在每块样地未被扰动
地随机挖土壤剖面 3 个，用容积为 100 cm3 的环刀
分别采集 0 ～ 10，10 ～ 20，20 ～ 40，40 ～ 60 和 60 ～ 80
cm 土层土样，每个剖面每层重复取样 3 次，每种高
寒灌丛样地共采集土壤样品 45 个，共计采集土样
135 个。采用环刀法测定土壤密度和孔隙度(张万
儒等，1986)。
土壤持水能力测定是将装有原状土壤的环刀在
水中浸泡 12 h，用滤纸吸干环刀上的水分后称质量
(W1); 然后将环刀放于干砂上 2 h，当环刀中土壤
的非毛管水全部流出后称质量(W2 ); 再将环刀放
于干砂上 24 h 后称质量(W3 ); 最后从环刀中心取
土壤 15 ～ 25 g，放入铝盒中称重后烘干直到恒质量
(W4)，计算干土质量。根据测定的 W1，W2，W3 和
W4 并采用土壤自然含水量的计算办法分别计算土
壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量(中国科
学院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978)。
土壤渗透性的常用指标有最初入渗率、稳渗率
和平均渗透速率(张昌顺等，2009)。各项指标的计
算方法为: 初渗率为最初入渗时段内的渗透量与最
初入渗时间的比值，本研究取最初入渗时间为
2 min; 稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时
741
林 业 科 学 50 卷
的渗透速率;平均渗透速率为达稳渗时的渗透总量
与达稳渗时间的比值。
2. 4 数据处理 利用 Excel 和 SPSS 13. 0 软件对数
据进行统计分析。采用单因素多样本的方差检验，
用 Ducan 进行多重比较分析。
3 结果与分析
3. 1 地被物蓄积量及最大持水量 由图 1 可知，研
究区苔藓的蓄积量为 4. 846 ～ 10. 943 t·hm － 2，以杜
鹃灌丛(10. 9 t·hm － 2 )最大，分别是柳灌丛(5. 940 t
·hm － 2)和金露梅灌丛 (4. 486 t·hm － 2 ) 的 1. 8，2. 3
倍。统计分析表明:杜鹃灌丛苔藓蓄积量与柳灌丛
和金露梅灌丛间均差异显著(P ＜ 0. 05); 柳灌丛和
金露梅灌丛苔藓蓄积量间差异不显著(P ＞ 0. 05)。
由图 2 可知，苔藓层的最大持水量为 16. 721 ～
55. 339 t·hm － 2，是苔藓蓄积量的 3. 45 ～ 5. 06 倍。
苔藓层的最大持水量与苔藓的蓄积量变化一致，其
中杜鹃灌丛苔藓层的持水量最大，分别较金露梅灌
丛和柳灌丛高出 69. 78% 和 48. 83%。统计分析表
明:杜鹃灌丛苔藓层的持水量与金露梅灌丛和柳灌
丛间均差异显著(P ＜ 0. 05); 柳灌丛比金露梅灌丛
苔藓层持水量高 40. 95%，但二者间差异不显
著(P ＞ 0. 05)。
图 1 不同高寒灌丛的苔藓蓄积量
Fig． 1 Cumulative volume of moss in different alpine shrubs
图 2 不同高寒灌丛的苔藓最大持水量
Fig． 2 Maximum water holding capacity of
moss in different alpine shrubs
由图 3 可知，研究区不同灌丛枯落物蓄积量为
3. 009 ～ 32. 526 t·hm － 2，以柳灌丛最大，金露梅灌丛
次之(18. 264 t·hm － 2)，杜鹃灌丛最小。统计分析表
明: 不 同 灌 丛 枯 落 物 蓄 积 量 间 差 异 均 显
著(P ＜ 0. 05)。
由图 4 可知，枯落物最大持水量为 9. 374 ～
68. 937 t·hm － 2，是枯落物蓄积量的 3. 12 ～ 3. 77 倍。
金露梅灌丛和柳灌丛枯落物的持水量显著高于杜鹃
灌丛(P ＜ 0. 05)，二者分别比杜鹃灌丛枯落物持水
量高出 86. 94% 和 83. 21% ; 金露梅灌丛比柳灌丛
枯落物持水量高出 19. 03%，但二者差异不显
著(P ＞ 0. 05)。
图 3 不同高寒灌丛枯落物蓄积量
Fig． 3 Cumulative volume of litters in different alpine shrubs
图 4 不同高寒灌丛枯落物最大持水量
Fig． 4 Maximum water holding capacity of litters
in different alpine shrubs
3. 2 土壤特征 土壤密度和土壤总孔隙度垂直变
化趋势明显(表 2)，土壤密度随着土层深度增加逐
渐增大，总孔隙度随着土层深度增加逐渐减小; 毛
管孔隙和非毛管孔隙随土层深度改变无明显的垂直
变化规律。统计分析表明:同一灌丛的土壤密度、总
孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙在不同土层之间具
有显著差异(P ＜ 0. 05)。
高寒灌丛类型对土壤特征有显著影响，土壤密
度表现为金露梅灌丛 ＞ 柳灌丛 ＞ 杜鹃灌丛，总孔隙
度表现为杜鹃灌丛 ＞ 柳灌丛 ＞ 金露梅灌丛，毛管孔
隙表现为柳灌 ＞金露梅灌丛丛 ＞ 杜鹃灌丛，非毛管
孔隙表现为杜鹃灌丛 ＞金露梅灌丛 ＞柳灌丛; 方差
分析表明不同高寒灌丛的土壤特征之间有显著性差
异(P ＜ 0. 05)。
841
第 10 期 赵锦梅等:祁连山东段高寒灌丛地被物与土壤的水文特征
表 2 不同高寒灌丛的土壤基本特征①
Tab． 2 Basic characteristics of soil in different alpine shrubs
灌丛类型
Shrub type
土层
Soil layer / cm
密度
Density /( g·cm － 3 )
总孔隙度
Total porosity(% )
毛管孔隙
Capillary porosity(% )
非毛管孔隙
Non-capillary porosity(% )
金露梅灌丛
Potentilla fruticosa
shrub
柳灌丛
Salix spp．
shrub
杜鹃灌丛
Ｒhododendron
spp． shrub
0 ～ 10 0． 905 ± 0． 477 b 64． 151 ± 2． 672 a 57． 318 ± 4． 351 a 6． 832 ± 3． 261 ab
10 ～ 20 0． 927 ± 0． 031 b 64． 019 ± 0． 317 a 59． 929 ± 3． 293 a 4． 090 ± 3． 609 b
20 ～ 40 0． 952 ± 0． 038 b 63． 500 ± 0． 600 a 56． 711 ± 1． 644 a 6． 789 ± 2． 242ab
40 ～ 60 1． 465 ± 0． 309 a 57． 115 ± 3． 157 b 39． 777 ± 8． 360 b 17． 338 ± 5． 217 a
60 ～ 80 1． 328 ± 0． 016 a 56． 552 ± 1． 054 b 40． 458 ± 1． 433 b 16． 094 ± 1． 555 ab
0 ～ 10 0． 824 ± 0． 206 c 64． 134 ± 0． 904 a 53． 992 ± 4． 472 a 10． 141 ± 3． 772 b
10 ～ 20 0． 827 ± 0． 544 c 65． 344 ± 0． 439 a 60． 136 ± 2． 105 a 5． 208 ± 1． 726bc
20 ～ 40 1． 107 ± 0． 362 b 62． 882 ± 0． 725 a 60． 145 ± 3． 046 a 2． 737 ± 2． 351 c
40 ～ 60 1． 065 ± 0． 636 b 61． 345 ± 0． 599 a 53． 377 ± 2． 118 a 7． 967 ± 1． 821 bc
60 ～ 80 1． 403 ± 0． 419 a 55． 413 ± 4． 491 b 37． 895 ± 11． 073 b 17． 518 ± 6． 742 a
0 ～ 10 0． 672 ± 0． 018 c 66． 971 ± 0． 678 a 62． 226 ± 3． 155 a 4． 746 ± 2． 997 b
10 ～ 20 0． 715 ± 0． 534 c 65． 813 ± 1． 515 ab 55． 283 ± 7． 705 ab 10． 531 ± 6． 190 b
20 ～ 40 0． 933 ± 0． 132 b 62． 550 ± 1． 217 b 55． 170 ± 3． 804 ab 7． 379 ± 2． 614 b
40 ～ 60 1． 188 ± 0． 070 a 57． 798 ± 3． 526 c 44． 135 ± 10． 644 bc 13． 664 ± 7． 239 ab
60 ～ 80 1． 227 ± 0． 096 a 55． 742 ± 2． 833 c 36． 002 ± 5． 305 c 19． 740 ± 2． 857 a
①各灌丛类型同列不同小写字母代表差异显著 ( P ＜ 0. 05 )。The different small letters of each shrub type in the same column significant
different at 0. 05 level．
3. 3 土壤持水能力 从土壤各类持水量的垂直变
化趋势来看，研究区土壤最大持水量、毛管持水量和
最小持水量随土层深度的改变也相应呈现出一定变
化特征(图 5，6，7)，主要表现为 0 ～ 20 cm 土层土壤
最大持水量、毛管持水量和最小持水量均最高，随着
土层深度增加各类持水量均逐渐下降，在 60 ～ 80
cm 土层达到最低值。0 ～ 20 cm 土层土壤最大持水
量、毛管持水量和最小持水量分别是 0 ～ 20 cm 以下
3 个土层的 1. 12，1. 15 和 1. 18 倍，可见研究区的表
层土壤持水能力强于深层次土壤。
杜鹃灌丛的土壤最大持水量、毛管持水量和最
小持水量最高，柳灌丛次之，金露梅灌丛最小。统计
分析表明:0 ～ 20 cm 土层土壤最大持水量、毛管持
水量和最小持水量在不同灌丛之间具有显著差异
(P ＜ 0. 05 )，而在 0 ～ 20 cm 以下土层无显著差
异(P ＞ 0. 05)。
3. 4 土壤渗透性 从图 8 可知，研究区不同高寒灌
丛土壤初渗率为 4. 636 ～ 3. 736 mm·min － 1，以杜鹃
灌丛的初渗率最大，金露梅灌丛次之，柳灌丛最小;
稳渗率为 2. 122 ～ 1. 462 mm·min － 1，以金露梅灌丛
最大，柳灌丛次之，杜鹃灌丛最小; 平均渗透速率为
3. 308 ～ 2. 134 mm·min － 1，以金露梅灌丛最大，柳灌
丛次之，杜鹃灌丛最小。从土壤水分在各个时间段
的入渗过程(图 9)可以看出，不同灌丛土壤入渗速
率变化趋势基本一致，均随入渗时间的推移入渗速
率逐渐减小，65 min 后平均渗透速率比渗透开始
2 min内的平均渗透速率下降了 55. 37%。
图 5 不同高寒灌丛的土壤最大持水量
Fig． 5 Maximum water holding capacity of soil in different alpine shrubs
图 6 不同高寒灌丛的土壤毛管持水量
Fig． 6 Water holding capacity of soil capillary
in different alpine shrubs
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林 业 科 学 50 卷
图 7 不同高寒灌丛的土壤最小持水量
Fig． 7 Minimum water holding capacity of soil in different alpine shrubs
图 8 不同高寒灌丛的土壤渗透特性
Fig． 8 Characteristics of soil infiltration in different alpine shrubs
图 9 不同高寒灌丛的土壤入渗过程
Fig． 9 Process of soil infiltration in different alpine shrubs
4 结论与讨论
研究区苔藓的蓄积量与水热立地条件密切相
关，杜鹃灌丛位于阴坡，其水热立地条件适宜于苔藓
生存和蓄积(张远东等，2006)，因此其苔藓蓄积量
最大; 柳灌丛和金露梅灌丛位于阳坡，相对于阴坡
不利于苔藓生存，因此苔藓蓄积量小于杜鹃灌丛;
且柳灌丛和金露梅灌丛立地条件一致，因此二者苔
藓蓄积量无显著差异。枯落物蓄积量与灌丛植被的
地上生物量和郁闭度呈正比，柳灌丛地上生物量和
郁闭度最大，因此其枯落物蓄积量最高。
从地被物的持水量变化来看，苔藓持水量最高
的是杜鹃灌丛，枯落物持水量最高的是柳灌丛，说明
高寒灌丛的苔藓和枯落物持水量变化与其地被物蓄
积量密切正相关，表现为地被物蓄积量越大，其持水
量也越大，与宫渊波等(2007)和王云琦等(2004)的
研究结果相似。
受到不同生态系统之间及各层土壤持水性能和
土壤理化特性等差异影响，土壤持水能力会呈现不
同的变化特征(刘艇等，2010; 王洪英等，2005)。
从研究区不同灌丛的土壤性状来看，杜鹃灌丛的土
壤密度最小，土壤孔隙状况最优，因此杜鹃灌丛土壤
最大持水量、毛管持水量和最小持水量均显著高于
其他灌丛; 相反金露梅灌丛土壤性状最差，因此土
壤持水能力最低。
灌丛的植被状况和土壤性状都会对土壤的渗透
性产生影响(潘云等，2009)，尤其是土壤密度和土
壤非 毛 管 孔 隙 度 ( 郝 占 庆 等， 1998; Sharrow，
2007)。金露梅灌丛和柳灌丛土壤密度差异不大，
但金露梅灌丛非毛管孔隙度大于柳灌丛，因此金露
梅初渗率、稳渗率和平均渗透速率均高于柳灌丛;杜
鹃灌丛土壤密度最小，毛管孔隙度最高，因此初渗率
显著高于金露梅灌丛和柳灌丛。从不同时间段的高
寒灌丛入渗过程来看，在开始阶段各类型灌丛的土
壤初渗率最高，随着渗透时间的推移土壤渗透速率
逐渐降低，渗透速率的下降幅度也随时间的推移而
减缓，最终达到土壤的饱和状态，即稳定的渗透速率
(李海光等，2010)。可见，高寒灌丛土壤渗透性具
有一致性变化趋势，即随着渗透时间的推移土壤渗
透速率逐渐降低。
参 考 文 献
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(责任编辑 于静娴)
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