优材更替生态公益林水土保持效益研究

姚 敏， 李锡泉， 林 坚

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.洞口县月溪国有林场， 湖南 洞口 422300)

优材更替生态公益林水土保持效益研究

姚 敏1， 李锡泉1， 林 坚2

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.洞口县月溪国有林场， 湖南 洞口 422300)

以湖南省洞口县月溪国有林场生态公益林为研究对象，对其成熟林优材更替前后水土保持效益进行了研究。结果表明：1#更替模式(新造杉木纯林)和2#更替模式(新造杉木+樟树混交林)的地表径流量、泥沙流失量都比3#更替模式(CK，未砍伐杉木过熟林)大2～3倍；前者实施了挖穴造林，破坏了地表土壤结构，但水土流失系数没有超出允许浸蚀量，说明采取小块状更新、穴垦整地的更新方式对水土流失影响不严重。在立地条件基本一致的条件下，影响水土流失的关键因子是降水强度，地表植被的影响次之。影响地表径流量、泥沙流失量的另一因素是雨季降雨量，因此，防治水土流失关键期在雨季。混交林的土壤在日降水强度为7～11级时，对雨水具有较强的抗侵蚀作用。

生态公益林； 水土保持效益； 优材更替； 降雨量； 径流； 泥沙流失量

生态公益林是指对国土生态安全、保护生物多样性、社会与经济价值突出等具有重要生态功能的森林。湖南省首批被列入国家重点的生态公益林共453.2万hm2。其中成、过熟林2.2827hm2。随着时间的推移，成、过熟林面积逐年增加。林分老化、生产量下降、生态功能下降、病虫害和火灾隐患增大等不利因素越来越多。随着经济建设的发展和生活水平的提高，人们对用材质量和品种的要求不断提高，传统的商品材种已不能满足需求。因此，实施优材更替工程，调整树种结构，把全省生态公益林树种逐步更替为优质树种，重点发展珍贵稀有的优良用材树种，对于提高林分质量和经营效益及生态功能都具有极为重要的意义。为此，我们对洞口县月溪林场人工过熟生态公益林优材更替(简称更替)前后生态效益的差异进行了研究。

1 试验区基本情况

洞口县月溪国有林场位于湖南省西南部、雪峰山脉东侧，资江上游，地处东经110°08′—111°57′、北纬26°51′—27°22′。境内海拔200～1700m，坡度15～25°；土壤为红壤，土层较厚，林下腐殖质厚，母岩为花岗岩、板页岩；土壤pH值6.2，有机质32.55g/kg，速效氮179mg/kg，速效磷2.7mg/kg，速效钾70.7 mg/kg；极端最高温39.1℃，极端最低温-8℃，年平均气温17.6℃；无霜期291d，平均日照时数1642 h。雨热期基本同步，年平均降雨量1450mm，大雨、暴雨多集中在5—9月。

试验区位于月溪林场江坪工区，包括柳树湾、新谷田、长冲坑、梽木山等4个林班。更新造林共13.1 hm2。更新地原为杉木过熟林。采取小块状皆伐更新，造林前不炼山，穴垦整地，以大苗栽植。

2 研究方法

2.1更替模式设置

生态公益林监测站设在柳树湾山坡。在同一坡面从左至右设置3种更替模式：1#模式为新造杉木纯林，实际面积426m2，内有杉木实生、萌生苗134株，平均树高0.52m，平均地径0.8cm；2#模式为新造杉木+樟树混交林，实际面积450m2，内有杉木实生、萌生苗98株，樟树实生苗31株，杉木与樟树的配置比例为6∶4，平均树高0.73m，平均地径0.8cm；3#模式为未砍伐杉木过熟林 (CK)，面积446m2，内有杉木75株，平均树高11.1m，平均胸径14.9cm。见表1。

表1 3种更替模式林分林木生长情况表Tab.1 Theforestsurveyofthreeexcellentmaterialchangemodels模式面积(m2)杉木樟树小计(株)最高(大)最低(小)平均实生(株)萌生(株)实生(株)萌生(株)树高(m)地径或胸径(cm)树高(m)地径或胸径(cm)树高(m)地径或胸径(cm)冠幅(m)枝下高(m)1#42667671341.420.120.30.520.82#45031673101291.320.20.20.730.83#4467507514247811.114.90.95.4 注:1#、2#模式内林木测量的是地径,3#模式内林木测量的是胸径。

2.2径流场设置

每1种模式林分内设置1个径流场，其长、宽按25m×20m设计，面积以建成后实测数据为准[1]。径流场上方及两侧挡水墙由高出地面15cm、地下40cm的钢筋混凝土板(顶部为斜面)围隔。外方建导流沟，沟深10～20cm。下方中部建1m×1m×1m的钢筋混凝土现浇径流池集水测流设施。径流池内设计标尺刻度，下部设计出水口。径流场集水区隔水墙、集水槽、蓄水池为砖混结构，蓄水池与集水槽间设分流孔，并在径流泥沙观测区设雨量筒1个。

2.3观测与记录

(1) 降雨观测。上午8：00为观测时间，每天观测1次。

(2) 径流观测。当径流场产流后，量取每1个径流场径流总量，然后用力搅动径流池中水，使泥沙溶入水中，取500mL样品，当径流量不足500mL时，全部取回，量取实际数值，用滤纸过滤，烘干，用分析天平称重，减去滤纸重量，得到每1场降雨径流的泥沙量。观测从2010年6月开始，共观测1年。

(3) 记录。内容包括降雨量、地表径流量、径流场集水量、泥沙含量、林木生长量。

3 结果与分析

3.1降雨特征

3.1.1 降雨量的月际变化 试验区内降雨量的月际变化特征见图1。由图1可以看出，受大气环流的影响，月际降雨量差异较大[2]。最大月8月降雨量达到了321.85mm，而最小月7月没有降雨，降雨量为零。二者相差321.85mm。

3.1.2 年降雨量的分配 降雨量1年内月间分布极为不均(见图1)，集中性很强，主要集中在汛期(5—8月)，汛期降雨量占全年总降雨量的53.74%，最大月约占全年降雨量的27.02%。

图1 年降雨量分布图Fig.1 The distribution of monthly rainfall

3.2降雨与泥沙流失量的月变化

2010年8月到2011年7月共降雨47次，产生径流43次。见表2。

从表2和图2可以看出：①由于3#模式的林分是过熟的杉木纯林，林冠能截留部分雨水，加上林分对土壤的改良作用，雨水的侵蚀能力显著下降，月最高泥沙流失量降至17022g/hm2以下，而1#、2#模式是栽植1年的新造林，林分郁闭度小，坡面土壤结构因造林时挖动，人为破坏比较大，加上1年2次的抚育管理，土壤的扰动较大，造成土壤的加速侵蚀[3]，因此，在这一阶段，泥沙流失量比较大。1#和2#模式的月平均泥沙流失量分别比对照3#模式的流失量大3.62倍和2.27倍。但是随着时间的推移，新造的更替林发育长大，停止了对土壤的扰动，加上林分的逐渐郁闭对土壤的改良作用和植被的恢复，必然会减少泥沙流失量，提高其防侵蚀能力。尽管目前1#和2#模式林分的土壤侵蚀量比对照3#模式的大，但还在允许侵蚀范围内[4](依据中华人民共和国行业标准[SL 190-96]，土壤侵蚀分类分级标准中南方红壤丘陵区土壤容许流失量为500t/km2·a)，从长远看，其更替意义是重大的。 ②2#模式林分内每月泥沙流失量的曲线分布图对应的每个数据点都在1#模式的下方，说明在立地条件基本相同时，杉樟混交林比杉木纯林的泥沙流失量低，相同月份比较，最大相差2.05倍(2010年11月)，最小相差1.06倍(2010年10月)。由此可见，栽培配置模式对泥沙流失量有明显影响。

表2 3种模式林分不同月份泥沙流失量变化表Tab.2 thechangeoftheamountofsedimentlosstablewiththreeexcellentmaterialchangemodelsindifferentmonth时间(年—月)降雨量径流次数泥沙流失量(g/hm2)泥沙比例(%)1#2#3#1#2#3#2010—08321.85835146.5925736.2717021.95206.48151.191002010—09133.4473662.342003.171933.11189.45103.621002010—1026.6931757.831653.741522.66115.44108.611002010—1135.192544.78265.6533.511625.68792.731002010—12152.8733829.932078.181256.57304.79165.391002011—0131.851283.10219.530.000.000.001002011—0261.152897.13680.75452.13198.42150.571002011—0351.595572.48359.85139.37410.76258.201002011—0458.284846.80732.24104.92807.11697.921002011—05185.0331077.62615.06379.87283.68161.911002011—06133.2251260.48851.11616.12204.59138.141002011—0700000000合计1191.154349879.0835195.5723460.204346.402728.281100平均值99.263.584156.592932.961955.02362.20227.3692 注:泥沙比例为同一模式的泥沙流失量与对照3#的百分比。

图2 泥沙流失量月变化曲线图Fig.2 The amount of monthly changes of sediment loss

泥沙流失量从小到大的顺序为：模式3#<模式2#<模式1#。模式1#、2#为新造林地，随着种植时间的延长，泥沙流失量将逐渐减少。2种幼龄林单位面积泥沙年流失量分别为对照(过熟林的2.13倍和1.50倍。在杉木纯林幼龄林内泥沙流失量最大值与最小值间相差99.19%(未包括无降雨月)，在杉木与樟树混交幼龄林内泥沙流失量最大值与最小值间相差99.17%(未包括无降雨月)。

3.3降雨与径流量的关系

从图3可以看出，3种模式林分内径流量的月变化曲线相似，均经历了急剧下降到缓慢下降的过程。在月降雨量最大的8月份，其变化规律是，模式1#>模式2#>模式3#，这可能主要是因为3#模式内杉木过熟林的林冠层以及地上不断增厚的凋落物层有效地截留了降雨，减少了雨水对地面的冲刷，并通过强大的植物根系活动增加了土层的透水性，有效削弱了地表径流，有利于林地表面的水土保护与整个径流场内的水源涵养，从而达到减小地表径流的作用。而1#模式林分的单位面积径流量约高于2#模式，这也说明了在强降雨下，幼林阶段的杉木与樟树混交的栽植方式比单纯的杉木纯林栽植更有利于减少径流量。

图3 径流量月变化曲线图Fig.3 Distribution of monthly runoff

3.4不同模式林分日降雨量对泥沙流失量的影响

在红壤地区，影响泥沙流失量的因素很多，如雨强、地质、土壤、坡度、坡长、植被覆盖和经营措施等[5-6]。在坡位、坡向、坡长、坡度、土壤厚度与质地等立地因子基本相同的条件下，把日降雨强度分为12个等级，各等级代表的实际降雨量分别为：1级<5.0mm，2级5.1～10.0mm，3级10.1～15.0mm，4级15.1～20.0mm，5级20.1～25.0mm，6级25.1～30.0mm，7级30.1～35.0mm，8级35.1～40.0mm，9级40.1～50.0mm，10级50.1～60.0mm，11级60.1～70.0mm，12级70.1～80.0mm。再将47次降雨量按数值大小放入12个日降雨量等级中，取多次降雨的平均值，作成图4。

图4 不同模式林分日降雨对泥沙流失量的影响Fig.4 The influence of different mixed mode of sediment loss on the amount of rainfall

由图4可以看出：①随着日降雨量的增加，3个模式林分内泥沙流失量均增加，其变化曲线基本上是经历了缓慢增加、持续增加、急速增加3个阶段，中间略有起伏; ②在日降雨量较小(4级以下)时，3个模式林分内泥沙流失量变化较小，而在降雨量为7～11级时，3个模式林分内泥沙流失量增大。在这一日降雨量区间内，泥沙流失量随日降雨量变化的顺序为1#模式>3#模式>2#模式。可见，混交林的土壤在日降雨强度为7～11级时， 对雨水的具有较好的抗侵蚀作用。

4 结论与讨论

(1) 1#更替模式(新造杉木纯林)和2#更替模式(新造杉木+樟树混交林)的地表径流量、泥沙流失量都比3#更替模式(CK，未砍伐杉木过熟林)大2～3倍。前者地表植被层的厚度仅为后者的1/10，并实施了挖穴造林，破坏了地表土壤结构，但水土流失系数没有超出允许浸蚀量，说明采取小块状更新、穴垦整地的更新方式对水土流失影响不严重。

(2) 在立地条件基本一致的条件下，影响水土流失的关键因子是降雨强度，地表植被的影响次之。

(3) 影响地表径流量、泥沙流失量的另一因素是雨季降雨量。因此，防治水土流失关键期在雨季。

(4) 泥沙流失量与地表径流量直接相关。

(5) 混交林的土壤在日降水强度为7～11级时，对雨水具有较强的抗侵蚀作用。

[1] LY/T 1626 -2005，森林生态系统定位研究站建设技术要求[S].2005.

[2] 何友军,李锡泉,田育新.湘西北女儿寨小流域植被恢复过程中径流和泥沙含量动态特征[J].生态学杂志，2009，28(9).1824-1828.

[3] 史德明，韦启潘，梁育，等.中国南方土壤退化指标体系研究[J].水土保持学报，2000，14(3):1-9.

[4] SL 190-96，土壤侵蚀分类分级标准[S].1996.

[5] 马祥庆，俞新妥，何智英，等.不同林地清理方式对杉木幼林生态系统水土流失的影响[J].自然资源学报，1996，11(1):33-40.

[6] 田育新，李锡泉，袁正科，等.湘南红壤区不同林分类型涵水保土效益研究[J].水土保持研究， 2002， 9 (4): 80-82.

Studyonbenefitanalysisofsoilandwaterconservationaboutexcellentmaterialchangeofecologicalforest

YAO Min1, LI Xiquan1, LIN Jian2

(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China; 2.Yuexi State-owned Forest Farms of in Dongkou County, Dongkou 422300, China)

Study on benefit analysis of soil and water conservation about excellent material change of ecological forest was taking Yuexi State-owned Forest Farms in Dongkou County as study area. The results showed that the surface runoff, soil loss amount of 1#( the new afforestation pure forest of Chinese fir), 2#(the new afforestation mixed forest of Chinese fir andCinnamomumcamphora)runoff plot are 2～3 times lager than 3#runoff plot (CK). The former implementation of digging planting and destruction of surface soil structure, but the erosion of soil erosion coefficient does not exceed the allowed amount, indicating take a small block update, the update points cultivated land preparation methods on soil erosion are not severely affected. Under the same conditions, the key factor which affects the soil erosion is rainfall intensity, vegetation factor, followed by. Another factor about soil erosion is rainfall during the rainy season, therefore, the critical period of erosion control is in the rainy season. It is important significance for the mixed forest for the intensity of daily precipitation levels for the 7～11 soil erosion corrosion.

ecological forest; benefit of soil and water conservation; excellent material change; rainfall; runoff; sediment

2011-09-08

2011-10-09

林业厅生态公益林优材更替项目(20100215)

姚 敏(1971-)，女，湖南省衡阳市人，高级工程师，主要从事森林生态研究和生态效益监测管理。

S 157

A

1003-5710(2011)05-0030-04

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2011. 05. 008

(文字编校：唐效蓉，龚玉子)