大青山典型植被類型降雨產流閾值估算及保肥效益計量

張冬燕，王冬至，王一，梁冬雪，趙衍宇

1.河北農業大學商學院，保定 071000 2.河北農業大學林學院，保定 071000 3.內蒙古農業大學林學院，呼和浩特 010018 4.遼寧省生態公益林項目中心，沈陽 110036

森林是陸地生態系統中面積最大、分布最廣的自然生態系統，有著復雜的結構及豐富的類型[1-2]，目前國內對森林水土保持的計量研究與國外相近，森林生態系統通過林冠層、枯落物層及森林土壤3個作用層對降水的截留、蒸散、吸持入滲作用，減弱了地表徑流量和徑流速度[3]，增加了土壤攔蓄量，同時改善了土壤結構、理化性質，提高了土壤的抗沖性和抗侵蝕性。因此對森林植被水土保持效益進行研究，對森林生態系統健康評價，開展森林健康經營有著重要的理論價值和實踐意義[4-5]。

1 研究區概況

大青山位于內蒙古呼和浩特市和包頭市一線的北側，屬于陰山山脈中段，東西最大長度240 km，南北寬度10～30 km，地理位置為109°51′19″～111°57′43″ E，40°41′52″～40°56′34″ N，海拔高度約在1230 m ～2010 m之間。研究區地處溫帶半干旱區，屬大陸性氣候，海拔1 050～2 374 m，年降水量約為350 mm ～450 mm，降水量年際變化大，歷年平均降水量為424.6 mm，降水時間多集中在5～9月份，降水量占全年總量的83.0%，年蒸發量1 800 mm，年均氣溫5.9 ℃，年日照時數2 976.5 h，≥10 ℃年積溫2 800 ℃，無霜期90～180 d，成土母質為結晶巖坡積物、松散砂巖礫巖坡積物、黃土狀母質、洪積物母質、洪積物母質；土壤由上而下呈帶狀分布，即灰色森林土-淋溶灰褐土—典型灰褐土—石灰性灰褐土—栗鈣土[6]。據統計研究區高等植物852種，隸屬127科422屬，其中種子植物736種，隸屬88科348屬，占大青山自然保護區高等植物科、屬、種數的69.3%、82.5%、86.4%；蕨類植物19種，隸屬9科12屬，占7.1%、2.8%、2.2%；苔蘚植物97種，隸屬30科62屬，分別占23.6%、14.7%、11.4%。

2 研究方法

在不同發育階段的油松人工林和白樺次生林中分別設3個臨時樣地(30 m×30 m)，在每個樣地中呈品字形隨機放置3個雨量筒(規格為高0.5 m，口徑20 cm)，在每次降雨過后及時對雨量筒內的雨水量進行觀測，并在距林緣三倍樹高的林外放置同規格雨量筒作為對照，記錄數據，有研究[1]表明枝干截留量相對較小，在計算時忽略枝干截留量計算出不同林分類型的林冠截留流量和林冠截留率等指標。

Fi= Fp-Fc

(1)

Fn= Fi/Fp×100%

(2)

式中：Fi為林冠截留量(mm)；Fp為林外降水量(mm)；Fc為林內降水量(穿透水)(mm)；Fn為林冠截留率(%)。

在研究降雨閾值時采用人工模擬降雨的方法，人工模擬降雨強度值分別控制在0.60～0.65 mm/min和0.80～0.85 mm/min，在不同植被類型中分別設置30 m×30 m臨時樣地作為研究對象，立地條件基本一致，不同植被類型枯落物平均厚度在1.63 mm～4.85 mm范圍內。

模擬降雨前分別在不同植被類型樣地中取0.5 m×0.5 m面積上全部枯落物進行稱重，重復3次記錄數據，取平均數作為降雨前枯落物重量；同時在不同植被類型樣地內分別3個土壤剖面，分別在土層厚度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm的土層用環刀重復取3次土樣稱重記錄數據。人工模擬降雨結束后，立即采用降雨前的方法觀測枯落物層和土壤層的水分變化，計算降雨前后枯落物層和土壤層持水量即[7]

Li=(Rf-Rb)×Vs

(3)

式中Li為不同植被類型枯落物持水量(t/hm2)；Rf為降雨后枯落物質量(t/hm2)；Rb為降雨前枯落物質量(t/hm2)；Vs為枯落物蓄積量(t/hm2)。

(4)

Si為不同植被類型土壤滯水量(t/hm2)；a為土層厚度(cm)；Hf為降雨后單位面積土層質量(t/hm2)；Hb為降雨前單位面積土層質量(t/hm2)。

3 結果與分析

3.1 林冠截留

林冠層截留量會受到降雨特性影響，不同降雨量、降雨強度及降雨時空分布等特性會明顯影響到森林林冠層的截留功能，在森林中林冠截留量主要由填充林冠蓄水和降水期間林冠層的蒸發兩部分組成。

表1 不同發育階段林分類型年林冠截留量

通常情況下降水期間空氣濕度較大，林冠層蒸發量較小[8-9]，在研究林冠截留的過程中，將林內降雨期間的水分蒸發忽略，則林冠截留量大小主要取決于林冠蓄水量大小。通過對研究區不同林分類型進行31次降雨量的觀測，該區總觀測降雨量為380.69 mm，其不同林分類型的林冠截留量和截留率如表1所示。在同一林分類型中，林冠截留量的大小依次為：近熟林﹥中齡林﹥幼齡林；在不同林分類型中，白樺天然次生林的林冠截留量和截留率大于油松人工林。

3.2 不同植被類型枯落物層持水量

不同林分類型枯落物層的最大吸水率不同，經過室內對不同植被類型枯落物持水率的觀測，得出了不同植被類型的最大持水率，其不同植被類型最大持水率大小為：白樺天然次生林﹥虎榛子灌叢﹥荒草坡﹥油松人工林，依據不同植被類型單位面積枯落物量，計算出不同植被類型枯落物層的最大持水量如。

表2 不同植被類型枯落物最大持水量

在同一林分類型中枯落物持水量為近熟林﹥中齡林﹥幼齡林；在同一林分發育階段不同林分類型中，其枯落物持水量為白樺天然次生林大于油松人工林；陽坡虎榛子灌叢在養分和水分條件都低于陰坡虎榛子灌叢，陰坡虎榛子灌叢枯落物持水量優于陽坡虎榛子灌叢枯落物；已封育的荒草坡蓄積量大于未封育的荒草坡，其枯落物層持水量高于未封育的荒草坡。

3.3 不同植被類型土壤持水量

不同林分類型土壤物理性質不同其最大持水量也有較大差異，經室內對不同林分類型不同土層厚度的土壤最大含水率的測定，計算出了不同林分類型土壤的最大持水量及最大持水深度如表3所示，在同一林分類型中，土壤最大持水量隨著林齡的增加而增大；不同林分類型的同齡林中，白樺天然次生林土壤最大持水量高于油松人工林；陰坡虎榛子灌叢最大持水量大于陽坡虎榛子灌叢；已封育的荒草坡持水量高于未封育荒草坡。不同植被類型最大持水深度與土壤最大持水量呈正比，白樺天然次生林土壤持水能力最強，油松人工林和虎榛子灌叢次之，荒草坡持水能力最差。

3.4 不同植被類型降雨產流閾值估算

在研究區由于不同植被類型林冠截留量和枯落物層及土壤層持水量都有較大的差異，這就使得不同植被類型的降雨產流域值不同，通過對不同植被類型在人工模擬不同降雨強度的條件下，觀測出了不同植被類型林內的降雨產流域值，再利用觀測的林冠最大截留量可得到整個林分的大氣降雨產流的閾值，即為產流大氣降雨閾值為林冠截留量與人工模擬產流降雨量之和。當降雨強度為0.60～0.65 mm/min和0.80～0.85 mm/min時，不同植被類型產流大氣降雨閾值的估測如表4所示。經研究發現，土壤層對產流降雨閾值的影響最大，其次為枯落物層，林冠層影響最小。在同一降雨強度下，不同植被類型的產流降雨閾值也有較大的差異，同一林分類型不同發育階段的產流降雨閾值隨著林齡的增加而增大，不同林分類型同一發育階段白樺天然次生林的產流降雨閾值高于油松人工林；陰坡虎榛子灌叢產流降雨閾值高于陽坡虎榛子灌叢；已封育的荒草坡產流降雨閾值高于未封育荒草坡。

表3 不同植被類型土壤最大持水量

在同一林分類型中不同降雨強度下的產流降雨閾值有較大的差異，從表4中我們可以看出降雨強度為0.60～0.65 mm/min時的產流大氣降雨閾值明顯要高于降雨強度為0.80～0.85 mm/min時的產流大氣降雨閾值，在研究區中，不同植被在降雨強度為0.60～0.65 mm/min時的產流降雨閾值是降雨強度為0.80～0.85 mm/min時的1.31～1.76倍，這主要是由于降雨強度較小時枯落物層及土壤層對水分的入滲率增大，滯水能力增強，從而使產流降雨閾值增大。

表4 在不同降雨強度下不同植被類型產流大氣降雨閾值

注：表中a、b分別代表降雨強度為0.60～0.65 mm/min和0.80～0.85 mm/min

Note: a、b respectively representing the intensity of rainfall 0.60～0.65 mm/min and 0.80～0.85 mm/min

3.5 固土保肥價值計算

研究計算過程用土壤流失和土壤肥力喪失造成的經濟損失，以此替代森林保育土壤的價值[9-11]，通過計算不同植被類型在不同降雨條件下N、P、K的含量如表5所示，依據農業部統計資料，按1999年價格，化肥平均價格為2549元/t，但自1999年至2006年，雖然化肥業其它價格變化幅度不大，因為作為氮肥主要來源的尿素由原來的1610元/t變為2006年的1825元/t，所以化肥平均價格為2797.5元/t。因此，研究區不同植被類型在不同降雨強度下土壤流失價值如表6所示：不同植被類型土壤流失價值依次為：油松人工林>荒草坡>虎榛子灌叢>白樺天然次生林。

表5 不同降雨強度植被類型流失土壤養分(kg/hm2)

表6 不同植被類型水土流失價值(元/hm2)

4 討論

通過對大氣降雨林冠量的觀測發現不同林分類型林冠截留量有很大差別，在同一林分類型中林冠截留量與林齡呈正相關關系，不同林分類型在相同發育階段白樺次生林稍高于油松人工林；不同植被類型枯落物分解程度有較大差異，經實驗測得不同植被類型最大持水率大小為：白樺天然次生林﹥虎榛子灌叢﹥荒草坡﹥油松人工林；不同林分類型土壤物理性質不同其最大持水量也有較大差異，不同植被類型最大持水深度與土壤最大持水量呈正比，白樺天然次生林土壤持水能力最強，油松人工林和虎榛子灌叢次之，荒草坡持水能力最差。

運用人工模擬降雨和林冠截留觀測數據，計算了不同植被類型產沙量，估測了研究區不同植被類型坡面產流降雨強度閾值，當模擬降雨強度為0.60～0.65 mm/min時，產流降雨強度為：喬木林為11.018～17.08 mm，灌木林為11.609～13.353 mm，荒草破為7.592～11.336 mm；當模擬降雨強度為0.80～0.85 mm/min時，產流降雨強度為：喬木林為7.274～12.7268 mm，灌木林為7.943～9.353 mm，荒草坡為4.328～6.496 mm。在模擬不同降雨強度下，不同發育階段油松人工林和白樺次生林土壤流失價值為：61.39～136.37元/hm2和8.24～113.37元/hm2，虎榛子灌叢和荒草坡土壤流失價值為：28.11～59.11元/hm2、93.92～107.61元/hm2。

在研究過程中，由于自制雨量筒的精度較低和樣地間的距離問題，及模擬人工降雨過程中徑流收集器的精度偏低，會對森林植被的保育土壤效益計量產生較小的影響，因此在今后的實驗過程中，為了避免誤差的產生，應提高實驗儀器的精密度。

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