青海云杉林 (Picea crassifolia) 是祁连山的主要森林类型之一^[1], 其生态水文功能对黑河乃至西北的水资源时空分布具有重要作用^[1-3]。然而, 通常的森林水文研究多关注乔木层的水文影响, 如林冠的截留、蒸发等^[3-13]。而对于普遍存在于青海云杉林下的苔藓层却较少关注。

研究表明苔藓层具有类似“海绵”的吸水作用, 如在充分浸泡后, 苔藓能够吸收达其自身干重的几倍甚至十几倍的水分^[14]。青海云杉林下的苔藓层, 就一次降水过程而言, 林内降水小于3.7 mm时可截留全部的降水^[15]。苔藓层作为直接覆盖在地表上的层片, 还可以有效抑制土壤水分蒸发, 如在太行山主要植被苔藓层水文作用的研究表明, 在1995年8月份, 裸地表的日蒸发量为1.82 mm, 而有苔藓覆盖的日蒸发量仅为0.45 mm, 1个月期间, 覆盖有苔藓的地表蒸发量为13.8 mm, 裸地为56.3 mm, 有苔藓覆盖地点蒸发量仅为裸地表的1/5左右, 据估算苔藓的存在每年可减少地表蒸发量的75.49%^[16]。刘兴明等对祁连山青海云杉林苔藓层的研究也证明有苔藓林地土壤水分蒸发较无苔藓林地少且稳定^[17]。

正因为苔藓层截持降水, 从而减少了土壤水分的入渗, 亦即减少了土壤水分的输入；与此同时, 苔藓层的覆盖减少了蒸发, 亦即减少了水分从地表的直接输出, 而在这两个过程综合作用下必然改变坡面土壤含水量。但苔藓层是否会改变土壤含水量的空间分布尚不清楚, 这大大限制了对坡面植被和土壤水分相互关系的认识。因此, 本研究选取位于祁连山北坡的一个阴坡, 在同一片青海云杉林下, 连续观测有苔藓层覆盖和无苔藓层覆盖地点的土壤含水量, 比较苔藓层覆盖对青海云杉林下土壤水分空间变化的影响。以期确定苔藓层对青海云杉林下的水文过程和祁连山区生态水文的影响, 为进一步系统研究该地区区域水文过程的影响提供依据, 并为西北干旱区水-土-植被综合管理提供一定的科学支持。

1 研究区概况

研究区位于甘肃祁连山中段北坡排露沟小流域 (38°32′—38°33′N, 100°17′—100°18′E), 海拔2600—3800 m, 流域面积为2.91 km², 属于高寒半干旱半湿润山地森林草原气候。小流域年降水量435.5 mm, 年均蒸发量1051.7 mm；雨季 (5月—10月) 降水占全年的87.2%左右, 旱季 (11月—次年4月) 降水仅占全年的12.8%左右, 其中降雪占2.8%；流域降水不仅随时间变化, 而在空间上因海拔、坡向也有较大的差异, 如阴坡降水比阳坡多7%左右^[18]。

流域阳坡为山地草原, 阴坡为森林景观, 以藓类青海云杉林为主。藓类青海云杉林, 呈斑块状分布在2700 m到3300 m范围内的阴坡、半阴坡, 在海拔3000—3300 m有灌木云杉林分布, 海拔3300以上分布着亚高山湿性灌木林, 森林覆盖率为65%。

林下苔藓层十分发育, 其高度为0—14 cm, 覆盖度从50%左右到85%。林下苔藓层分部不均, 主要呈斑块状分布。苔藓层的种类主要为山羽藓 (Abietinella abietina)。

研究区土壤主要为山地森林灰褐土, 山地栗钙土及亚高山灌丛草甸土等。

2 研究方法 2.1 样坡的选取与土壤水分观测点的布设

选取排露沟小流域海拔2700—2800 m东北向阴坡做为研究样坡, 样坡长230 m左右。优势种和建群种为青海云杉, 郁闭度平均为0.65, 密度为0.2株/m², 林下灌木层和草本层均不发育, 林下苔藓层生长茂盛, 且呈斑块状分布。

样坡坡下有20 m×20 m的固定样地, 为甘肃祁连山水源涵养林研究院的长期固定样地。以原有固定样地为基础, 又根据有、无苔藓层覆盖, 再分设有苔藓层覆盖和无苔藓层覆盖的对照测点, 在样坡上共布设了6个土壤水分监测点, 依次编号为Y1(有苔藓层覆盖观测点1)、Y2(有苔藓层覆盖观测点2)、Y3(有苔藓层覆盖观测点3)、W1(无苔藓层覆盖观测点1)、W2(无苔藓层覆盖观测点2)、W3(无苔藓层覆盖观测点3)。观测点均位于样坡的坡中下部, 坡向、坡度基本一致, 土壤类型主要为山地森林灰褐土, 土质主要为轻壤土和中壤土, 土层厚度为1.2—1.6 m, 土壤质地较为粗糙, 透水性强。观测点信息见表 1。

2.2 土壤水分监测

土壤水分测定采用土钻法。于2010—2012年生长季 (5月至9月) 对上述观测点的土壤水分含量取样、测定, 其中, 2011年5—10月为每月1日、11日和21日定期测定, 2010年和2012年则在每月的中旬测定。取土时, 按0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—80 cm分层取样, 每个土层每次取3个平行土样。带回室内测定湿重 (G₁) 后, 再在105℃下烘干, 称其干重 (G₂), 按下式 (式1) 计算得到每个土壤样品的质量含水量。

(1)

式中, H为土壤质量含水量 (%)。

再对3个平行样的土壤质量含水量取平均值, 得到该土层的此次平均质量含水量。

2.3 土壤水分数据处理

0—80 cm土层土壤含水量为θ, 有 (无) 苔藓层覆盖观测点Y1、Y2、Y3(W1、W2、W3) 中土壤含水量最大为θ_max, 最小为θ_min, 则有 (无) 苔藓覆盖3个观测点间土壤水分极差为θ_max-θ_min。i为测量次数, j为不同土壤层次 (0—10 cm土层j为1, 10—20 cm土层j为2, …, 70—80 cm土层j为8)。

第j层的土壤含水量不同测量时间的平均值为：

(2)

0—80 cm土层土壤总含水量：

(3)

对有、无苔藓覆盖观测点土壤含水量的空间差异使用空间变异系数 (CV), 直观的反映有苔藓覆盖各观测点、无苔藓覆盖各观测点土壤水分的空间差异。使用单因素方差分析 (One-way ANOVA) 检验有、无苔藓覆盖地点两组土壤水分空间变异系数 (CV) 差异的显著性。显著性水平为α=0.05。

3 结果与分析 3.1 研究期间降水特征

位于排露沟小流域2600 m处的气象站1994—2003年测得的年降水量为290—468 mm, 平均为368 mm^[9]。如表 2所示, 2010—2012年研究区年降水总量分别为356、325 mm和335 mm, 与多年平均降水量相近；降水主要集中在生长季 (5月1日至9月30日), 降雨量分别为269、271 mm以及281 mm占年降雨总量的76%、83%、84%。

在所有降雨场次中以小雨居多, 中大雨少, 如2010年小雨41场, 中雨7场, 大雨1场；2011年小雨50场, 中雨4场, 大雨1场；2012年小雨49场, 中雨9场, 大雨0场；然而, 少数几场中到大雨降下的水量却占到32%—51%。总体上, 小雨降雨总量与中到大雨的雨量相当。

生长季连阴雨 (指连续3—5d以上的阴雨天气现象) 较多, 2010年生长季共有9场连阴雨, 连阴雨天数共44 d；2011年生长季共有6场连阴雨, 连阴雨天数共33 d；2012年生长季连阴雨共有10场, 连阴雨天数为39 d。2011年5月9日—5月11日为连阴雨天气, 期间出现一场中雨 (16.1 mm), 降雨总量为22.3 mm；6月20日—7月5日处于连阴雨天气, 每场降雨均小于10 mm, 降雨总量为48.4 mm。8月10日—8月18日为连阴雨天气, 期间出现两场中雨 (14.3 mm、17.9 mm) 和一场大雨 (27.4 mm), 降雨总量为78.7 mm。

3.2 苔藓层覆盖对生长季平均土壤含水量空间差异的影响

图 1是有、无苔藓覆盖地点生长季平均土壤含水量空间差异图。无苔藓覆盖的各观测点, 土壤含水量最高与最低的观测点之差大于有苔藓覆盖地点。2010—2012年间有苔藓层覆盖地点土壤含水量极差为3.6—13.1 mm, 平均为7.3 mm, 空间变异系数 (CV) 为1.1%—4.2%；而无苔藓覆盖地点土壤含水量极差为55.6—66.5 mm, 平均为62.2 mm, CV为16.0%—18.7%。无苔藓覆盖地点土壤含水量空间变异系数平均为17.3%；显著大于有苔藓覆盖地点, 平均值为2.3%。有、无苔藓覆盖地点的土壤含水量变异系数存在极显著差异 (sig. < 0.001)。

3.3 不同天气条件下苔藓层的作用 3.3.1 持续无雨时苔藓层对不同测点土壤含水量空间差异的影响

在持续无雨的天气下, 有苔藓层覆盖地点0—80 cm土壤总含水量的空间差异明显小于无苔藓覆盖地点 (表 3), 如在2010/8/6、2011/7/14、2012/7/16的3个测量时间, 有苔藓覆盖观测点土壤含水量极差为4.6—24.7 mm, 不同测点变异系数为2.4%—9.2%, 平均值为6.6%；而无苔藓层覆盖地点极差为51.4 —63.7 mm, 变异系数分别为17.7%—23.6%, 平均值为19.8%。在该天气条件下, 有、无苔藓覆盖地点的土壤含水量变异系数存在极显著差异 (sig.=0.009)。

有苔藓层覆盖测点Y1、Y2、Y3含水量极差在0—15 cm随土壤深度的增加逐渐减小 (图 2), 在15 cm处达到相对较小值；15—80 cm深度范围内, 3个观测点土壤含水量的极差有所增大。如在2010/8/6表层0—5 cm土壤含水量的极差为1.9 mm, 0—15 cm深度内, 土壤含水量极差的最小值为1.3 mm, 15—80 cm深度范围内土壤含水量极差的变化范围为1.5—7.6 mm。

在整个土壤剖面上无苔藓覆盖测点W1、W2、W3含水量的极差总体上均大于有苔藓覆盖测点。无苔藓层覆盖测点W1、W2、W3土壤含水量极差由0—25 cm随土壤深度的增加逐渐减小, 在25 cm左右的土层深度达到相对较小值；如2010/8/6表层0—5 cm处3个测点土壤含水量的极差为5.5 mm, 在0—25 cm范围内土壤含水量极差的最小值为2.9 mm, 25—80 cm深度范围内, 土壤含水量的极差随土层深度的增加呈逐渐增大的趋势, 极差变化范围为5.2—13.0 mm。

3.3.2 小雨后苔藓层覆盖对土壤含水量空间差异的影响

小雨后, 有苔藓覆盖地点土壤含水量的空间差异仍显著小于无苔藓覆盖地点 (表 4)。2010-06-30、2011-07-24、2012-08-05的3个测量时间有苔藓覆盖观测点整个剖面的土壤含水总量极差为7.3—23.7 mm, 变异系数为2.6%—6.4%, 平均值为5.1%；无苔藓覆盖观测点土壤含水量极差为35.1—66.4 mm, 变异系数为10.3%—20.3%, 平均值为15.2%。该天气条件下, 有、无苔藓覆盖地点的土壤含水量变异系数存在较大差异 (sig.=0.033)。

图 3是小雨后有、无苔藓覆盖观测点土壤水分沿剖面变化, 在0—80 cm土壤剖面内, 有苔藓层覆盖观测点 (Y1、Y2、Y3) 和无苔藓层覆盖观测点 (W1、W2、W3) 土壤含水量沿剖面仍具有相似的变化趋势, 即含水量由表层至25 cm呈逐渐减小的趋势, 在25 cm处出现较小值；在25—80 cm深度内土壤含水量随土壤深度的变化有不同程度的增加。

如有苔藓覆盖地点2011-08-05的3个观测点的土壤含水量极差由0—25 cm随土壤深度的增加逐渐减小, 在25 cm处达到相对较小值；25—80 cm深度范围内, 各观测点土壤含水量的空间差异基本维持较低的水平。表层0—5 cm处, 土壤含水量的极差为8.6 mm；在0—25 cm深度内, 土壤含水量极差的最小值1.3 mm；25—80 cm深度内土壤含水量极差的变化范围为1.4—3.9 mm。无苔藓覆盖W1、W2、W3测点0—25 cm土壤含水量空间差异随土层深度的增加而逐渐减小；25—80 cm深度范围内, 不同测点土壤含水量极差随土层深度的增加呈增大的趋势。如2011-08-05无苔藓覆盖测点W1、W2、W3表层0—5 cm土壤含水量极差分别为9.3 mm；在0—25 cm深度土壤含水量极差的最小值为1.8 mm；25—80 cm深度内土壤含水量的极差变化范围为3.0—10.7 mm。

小雨后表层0—25 cm有苔藓覆盖观测点土壤含水量的空间差异略小于无苔藓覆盖地点；而25—80 cm有苔藓覆盖测点含水量空间差异显著小于无苔藓覆盖测点。

3.3.3 连阴雨后苔藓层覆盖对土壤含水量的空间差异的影响

连阴雨后, 整个剖面土壤含水量均有明显增加 (表 5)。2010-07-10、2011-07-05、2011-08-19的3个测量时间有苔藓覆盖观测点土壤含水量空间差异为15.1—27.5 mm, 空间变异系数为3.2%—5.8%；无苔藓覆盖观测点土壤含水量空间差异为45.6—82.2 mm, 空间变异系数为12.1%—17.2%。有苔藓覆盖地点土壤含水量的空间差异仍显著小于无苔藓覆盖地点。该天气条件下, 有、无苔藓覆盖地点的土壤含水量变异系数存在极显著差异 (sig. =0.004)。

有、无苔藓层覆盖各观测点的土壤含水量剖面变化如图 4, 在0—80 cm土壤剖面内, 有苔藓层覆盖观测点 (Y1、Y2、Y3) 和无苔藓层覆盖观测点 (W1、W2、W3) 土壤含水量沿剖面从表层至深层随着土壤深度的增加差别显著。

有苔藓层覆盖地点Y1、Y2、Y3土壤含水量空间差异沿剖面变化的总体趋势为：0—15 cm极差略大于深层, 15—80 cm土层土壤含水量极差趋于相对较小的稳定值。如在2010-07-10, 表层0—5 cm处有苔藓层覆盖3个测点土壤含水量的极差为4.8 mm；15—80 cm深度内土壤含水量极差的变化范围为2.6—5.0 mm。

2010-07-10无苔藓覆盖地点3个测点表层0—5 cm土壤含水量的极差为6.7 mm；15—80 cm土壤含水量极差随土层深度的增加而增大, 土壤含水量极差变化范围分别为6.1—21.6 mm。连阴雨后有、无苔藓覆盖观测点表层0—15 cm土壤含水量的极差差别较小；而15—80 cm有苔藓覆盖地点土壤含水量极差明显小于无苔藓覆盖地点。

总体上, 苔藓层覆盖地点土壤含水量的空间差异仍小于无苔藓覆盖地点。

4 讨论

不同地区对苔藓层的研究均发现苔藓层具有很强的截水、持水及阻止土壤水分蒸发的功能。在加拿大魁北克地区对泥沼苔藓的研究发现, 苔藓层具有很强的保持和分配水分的能力^[19]。Zdenka Hroudová等人对捷克地区沉积盆地不同地被类型下土壤的研究发现, 苔藓层的覆盖可以有效减少太阳对表层土壤的直接辐射, 进而减少土壤水分蒸发^[20]。我国很多学者对苔藓层的作用进行了很多定量和定性的研究, 长白山暗针叶林下苔藓层最大持水量可达等同于4.8 mm降水^[14]。祁连山地区厚度仅为3 cm的苔藓层持水量可达500%^[16]。针叶林下苔藓层持水量最高可达172%, 单位面积内1.1—2.2 mm的降水量将不会产生地表径流, 体现出苔藓层的较强的水分涵养能力^{[16, 21-22]}。在长江上游贡嘎山的冷杉中, 苔藓层具有明显的拦截和调蓄降水的生态水文作用^[23]。地被物覆盖可以减少地表土壤水分的蒸发, 有地被物覆盖地面土壤水分蒸发量为13.8 mm, 裸露地面为56.3 mm, 相差3倍^[17]。在青海云杉林下有苔藓覆盖地点径流比无苔藓覆盖地点更为缓和均匀^[24]。在祁连山青海云杉林下, 有苔藓林地和无苔藓林地土壤水分差异明显, 主要体现在苔藓的保水性, 有苔藓林地土壤水分蒸发较小, 土壤水分变化不大且稳定；无苔藓林地土壤水分蒸发大, 变化明显且不稳定^[16]。本研究结果表明苔藓层覆盖具有减少土壤含水量空间差异的作用, 即是通过苔藓层吸持降水、涵养地表径流、减少土壤水分蒸发的作用来实现的, 使得土壤含水量生长季平均值趋于较稳定的状态, 与前人所得的苔藓层具有很强的保水性, 能显著减少土壤水分的蒸发的结论具有一致性。

本研究发现在持续无降雨、小雨、连阴雨这3种天气条件影响下, 苔藓层的覆盖均能减小土壤含水量的空间差异。在无降雨时, 苔藓层的保水功能起主要作用, 苔藓层覆盖能够减少微地形、小气候等因素对土壤水分蒸发的影响, 进而使土壤含水量空间差异减少, 因此表层0—15 cm土壤含水量空间差异明显小于无苔藓覆盖地点；而15—80 cm土层由于长时间得不到降水补充, 且植物根系分布不均导致不同测点水分消耗程度不同, 导致该深度范围土壤含水量空间差异均较大。降雨时, 苔藓层持水作用起主要的生态水文功能, 苔藓层的覆盖能减少降水流失和其它地点水分汇入, 使得不同观测点的土壤总含水量空间差异相对小于无苔藓层覆盖地点。此时, 表层0—15 cm土壤含水量的空间差异在不同的观测日期有、无苔藓覆盖地点无明显变化规律。主要是因为表层土壤含水量受降水量、降水时间、苔藓层自身厚度和盖度等诸多因素共同影响, 不同观测日期测得的结果差异较大。而15—80 cm土层, 有苔藓覆盖层覆盖地点土壤含水量的空间差异均小于无苔藓覆盖地点, 主要是因为苔藓层的覆盖可以减少径流、增加水分渗透时间, 避免无苔藓覆盖地点出现的降水流失、低洼地点积水的情况, 使得不同观测点较深层次水分入渗更均匀, 减少了不同观测点土壤含水量的空间差异。

5 结论

(1) 有苔藓覆盖各观测点土壤含水量的空间差异小于无苔藓覆盖地点, 有苔藓覆盖各观测点土壤水分空间变异系数为1.1%—4.2%, 无苔藓覆盖地点为16.0%—18.7%。苔藓层的覆盖能显著缩小生长季平均土壤含水量的空间差异。

(2) 不同的天气条件下, 苔藓层覆盖对土壤水分空间差异均有减少作用。连阴雨后, 苔藓层的作用更为显著。在持续无雨的情况下, 无苔藓层覆盖地点0—80 cm土壤总含水量极差为51.4 —63.7 mm, 空间变异系数平均值为19.8%；有苔藓覆盖地点土壤含水量空间变异系数平均值为6.6%, 仅为无苔藓覆盖地点的1/3。小雨后, 无苔藓覆盖观测点0—80 cm土壤总含水量极差为7.3—23.7 mm, 空间变异系数平均值为15.2%；有苔藓覆盖地点土壤水分空间变异系数平均为5.1%, 为无苔藓覆盖地点的1/3。连阴雨后, 无苔藓覆盖观测点土壤含水量极差为45.6—82.2 mm, 空间变异系数平均为15.4%；有苔藓覆盖地点土壤水分空间变异系数平均为4.6%, 为无苔藓覆盖地点的1/3.3。

(3) 持续无雨的情况下, 苔藓层减小土壤水分空间差异的作用主要反映在土壤表层0—15 cm, 对深层的作用不显著。而小雨后和连阴雨后, 苔藓层在深层土壤15—80 cm显著的作用显著, 而表层0—15 cm没有明显规律。

(4) 在不同的天气条件下, 影响苔藓层减少土壤水分空间差异的主要水文过程不同。在持续无雨的条件下, 苔藓层的保水功能起主要作用, 主要表现为减少表层土壤水分蒸发；在降雨后, 苔藓层的持水功能起主要作用, 主要表现为吸持降水、减少水分入渗速率及径流的形成。