祁連山不同海拔梯度青海云杉樹高和生物量變化規(guī)律的研究

馬劍, 頡芳芳, 趙維俊

(1．甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；2．張掖市甘州區(qū)人民政府，甘肅 張掖 734000)

祁連山不同海拔梯度青海云杉樹高和生物量變化規(guī)律的研究

馬劍1, 頡芳芳2, 趙維俊1

(1．甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；2．張掖市甘州區(qū)人民政府，甘肅 張掖 734000)

通過野外樣地調(diào)查和試驗，以祁連山典型林分的建群樹種青海云杉作為研究對象，研究了青海云杉樹高、地上生物量和地下生物量沿海拔梯度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：海拔從低到高，青海云杉樹高總體上呈單峰型曲線變化，但總體變化幅度較小，最大值分布在海拔3 200 m處，為12.4 m；最小值分布在海拔3 300 m處，其值為7.3 m。地上生物量和地下生物量海拔梯度總體上呈單峰型曲線變化，最大值出現(xiàn)在海拔3 200 m處，分別為3.34 thm-2和0.92 thm-2。

祁連山；海拔梯度；青海云杉；生物量；樹高

青海云杉(Piceacrassifolia)是我國特有樹種, 集中分布在甘、青兩省交界的祁連山[1],是祁連山區(qū)的主要建群樹種，呈單種聚集，以帶狀、塊狀形式分布在陰坡、半陰坡，形成西北亞高寒地區(qū)暗針葉群落。祁連山青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)對維系林區(qū)生物多樣性、涵養(yǎng)水源和保持水土起著非常重要的生態(tài)作用，同時對區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展及整個西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和氣候有著重大的影響。

樹高和生物量是森林垂直結(jié)構(gòu)的測量參數(shù)，對其不同角度的研究對森林生態(tài)系統(tǒng)功能、森林物質(zhì)與能量交換，尤其是森林碳儲量、全球碳循環(huán)的研究有至關(guān)重要的作用[2]。關(guān)于樹高國內(nèi)外研究比較多的是具有生物學(xué)意義的樹高理論模型和胸徑-樹高關(guān)系模型[3-6]，而對生物量國際上也進(jìn)行了廣泛而深入的研究, 獲得了主要森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量[7]。我國植被生物量的測定始于20世紀(jì)70年代末80年代初, 國內(nèi)眾多學(xué)者先后開展對生物量及其模型等方面的研究[8-11]，而有關(guān)祁連山區(qū)青海云杉樹高和生物量的研究相對較少[9，10,12，13]。

本文以祁連山典型林分中的主要建群種青海云杉作為研究對象，采用野外調(diào)查和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，估算不同海拔梯度上青海云杉地上生物量和地下生物量，研究了青海云杉樹高、地上生物量和地下生物量沿海拔梯度的變化規(guī)律，以期為祁連山地區(qū)植被恢復(fù)和保護(hù)以及準(zhǔn)確估算區(qū)域青海云杉林生物量和碳儲量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在祁連山中段，位于甘肅省祁連山水源林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站西水試驗區(qū)排露溝流域(100°17′—100°18′ E,38°32′—38°33′ N)，海拔2 640～3 796 m，流域面積為2.74 km2，屬高寒山地森林草原氣候。該研究流域的氣象站資料表明：區(qū)域年平均氣溫0.5 ℃，極端最高氣溫28.0 ℃，極端最低氣溫-36.0 ℃，7月平均氣溫10.0～14.0 ℃；年降水290.2～467.8 mm；年均蒸發(fā)量1 051.7 mm；平均相對濕度60%。(以上數(shù)據(jù)為1994—2004年氣象觀測資料)

土壤主要類型為山地森林灰褐土、山地栗鈣土以及亞高山灌叢草甸土，總的特征是土層薄、質(zhì)地粗，以粉沙塊為主；成土母質(zhì)主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等；有機(jī)質(zhì)含量中等；pH值為7.0～8.0。研究區(qū)土壤和植被類型隨山地地形和氣候的差異而形成明顯的垂直分布帶，青海云杉林是構(gòu)成喬木層唯一建群種，以斑塊狀分布在陰坡、半陰坡。海拔3 300 m以上是以金露梅(Potentillafruticasa)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)和吉拉柳(Salixgilashanica)等為優(yōu)勢種的濕性灌木林。而陽坡、半陽坡則主要為山地草原(海拔2 600～3 000 m),主要優(yōu)勢種有珠牙蓼(Polygonumviviparum)、黑穗薹(Carexatrata)和針茅(Stipacapillata)。

2 研究方法

2.1 固定樣地信息

在研究區(qū)內(nèi)陰坡從低海拔向高海拔選擇生境具有代表性、樹木分布相對均勻、不受人為干擾或干擾較小的固定樣地(20 m×20 m)7塊(表1)。

表1 祁連山排露溝流域青海云杉固定樣地信息

2.2 調(diào)查方法及數(shù)據(jù)處理

對樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺，樹高采用激光測高儀測量[14]，并計算林分的平均樹高和平均胸徑。以樣地內(nèi)平均樹高和平均胸徑為基準(zhǔn)，采用回歸方程[8]來估算青海云杉林生物量。

根(R)WR=3.375 6(D2H)0.272 5

全株(T)WT=0.256 1(D2H)0.742 5

式中:WR為根生物量；WT為全株生物量；D為胸徑；H為樹高。

所有數(shù)據(jù)采用 Excel 2003 和 SPSS 11.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和作圖處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 平均樹高與海拔梯度關(guān)系

樹高是衡量森林生長狀況和立地情況的一個重要指標(biāo)，在林分調(diào)查中是僅次于胸徑測量精度和存在意義的因子，若要充分掌握林分結(jié)構(gòu)、林分動態(tài)變化，樹高是不可或缺的一項指標(biāo)[15]。青海云杉林樹高因立地條件、海拔位置不同而存在一定的差別。由圖1可見：隨海拔升高，樹高總體上呈先增加后減小趨勢，但總體變化幅度較小。其中最大值分布在海拔3 200 m處，為12.4 m;最小值分布在海拔3 300 m處，其值為7.3 m。這是由于海拔3 200 m處水、肥、氣、熱等因子較為適宜，得益于各因子的綜合作用，青海云杉生長良好；3 300 m 處是青海云杉的生長上限，熱量條件是限制青海云杉生長的關(guān)鍵，其樹高相對較小。由圖1還可看出隨著海拔高度的變化，樹高變化趨勢較為平緩，由此表明海拔對青海云杉樹高的影響作用較小，這與劉謙和等人[13]的研究結(jié)果一致。

圖1 青海云杉樹高與海拔高度關(guān)系

3.2 生物量與海拔梯度關(guān)系

3.2.1 地上生物量對海拔梯度的響應(yīng) 生物量的空間分布受地理位置和海拔的影響。在研究區(qū)域內(nèi)，青海云杉地上生物量沿海拔升高總體上呈先增加后減小趨勢(圖2)。由圖2可知，除海拔3 200 m，其他海拔段變化趨勢較小，海拔3 200 m處，地上生物量最大，其值為3.34 t·hm-2，這是因為海拔3 200 m處，水熱條件配置適宜，青海云杉生長良好，故地上生物量最高。

圖2 青海云杉地上生物量與海拔高度關(guān)系

3.2.2 地下生物量對海拔梯度的響應(yīng) 青海云杉地下生物量沿海拔梯度變化規(guī)律與地上生物量變化趨勢一致，總體上呈先增加后減小趨勢，整體變化較平緩(圖3)。由圖3可知，海拔3 200 m以下地上生物量變化幅度較小，說明氣溫、濕度、土壤含水量、有機(jī)碳含量等立地因子的變化對青海云杉地下生物量的影響作用較小，因此地下生物量在海拔梯度上的變化趨勢較平緩。海拔3 200 m處，青海云杉地下生物量最大，其值為0.92 t·hm-2。這是因為3 200 m處水、肥、氣、熱等各種因子的配置較為合理，青海云杉根系較為發(fā)達(dá)，而且3 200處青山云杉地上部分生長較好，光合作用較強，提供了大量的能量以供根系生長，在一定程度上也促進(jìn)了根系的生長。

圖3 青海云杉地下生物量與海拔高度關(guān)系

4 討論與結(jié)論

4.1 受到熱量和水分條件的綜合影響，隨著海拔升高，青海云杉與氣候的關(guān)系表現(xiàn)為從水分制約向熱量制約轉(zhuǎn)變的趨勢。隨著海拔的升高，水分對青海云杉生長的促進(jìn)作用逐漸減弱，而較多的降水和較大的濕度對高海拔處青海云杉的生長反而不利。本研究中隨著海拔梯度的變化，青海云杉林平均樹高總體上呈現(xiàn)了先增加后減小的趨勢，最小值出現(xiàn)在海拔3 300 m處，其值為7.3 m，這一結(jié)論與白登忠[16]研究結(jié)果相似。

4.2 水分和溫度條件是決定青海云杉生物量的2個最主要因素[17]，而在祁連山區(qū)海拔是影響水分、溫度條件的重要因素，因此海拔不同，水分、溫度條件存在差異，青海云杉生物量也存在一定的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著海拔不斷地升高，青海云杉林地上生物量、地下生物量總體上呈先增加后減小趨勢，均在海拔3 200 m值最大，分別為3.34 t·hm-2和0.92 t·hm-2。

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Variation of Elevation Gradient for Tree Height and Biomass ofPiceacrassifoliain Qilian Mountains

Ma Jian1, Xie Fangfang2, Zhao Weijun1

(1.Academy of Water Conservation Forest in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye,734000, China;2.People’s Government of Ganzhou District, Zhangye City,Zhangye 734000, China)

Through field investigations and experiments, taking the dominant tree species of typical forest in Qilian Mountains--Piceacrassifoliaas the research objects, the variation law of tree height, the aboveground biomass and the underground biomass ofPiceacrassifoliaalong elevation gradient was studied.Result shows that: as the altitude rising, the tree height ofPiceacrassifoliaappears a unimodal curve, and its maximum and minimum tree height is 12.4 m & 7.3 m locate at the altitude of 3 200 m & 3 300 m respectively;aboveground biomass & underground biomass appear a unimodal curve also, and the maximum biomass of them are 3.34 thm-2& 0.92 thm-2locate at the altitude of 3 200 m.

Qilian Mountains;elevation gradient;Piceacrassifolia;biomass;tree height

1005-5215(2015)01-0004-03

2014-10-28

國家科技支撐計劃項目子課題 (2012BAC08B 01)；國家自然科學(xué)基金重大項目(91125012)

馬劍(1986-)，男，甘肅張掖人，碩士，助理工程師，主要從事森林生態(tài)方面的研究.

S725.3

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.01.002