大青山典型植被类型降雨产流阈值估算及保肥效益计量

张冬燕，王冬至，王一，梁冬雪，赵衍宇

1.河北农业大学商学院，保定 071000 2.河北农业大学林学院，保定 071000 3.内蒙古农业大学林学院，呼和浩特 010018 4.辽宁省生态公益林项目中心，沈阳 110036

森林是陆地生态系统中面积最大、分布最广的自然生态系统，有着复杂的结构及丰富的类型[1-2]，目前国内对森林水土保持的计量研究与国外相近，森林生态系统通过林冠层、枯落物层及森林土壤3个作用层对降水的截留、蒸散、吸持入渗作用，减弱了地表径流量和径流速度[3]，增加了土壤拦蓄量，同时改善了土壤结构、理化性质，提高了土壤的抗冲性和抗侵蚀性。因此对森林植被水土保持效益进行研究，对森林生态系统健康评价，开展森林健康经营有着重要的理论价值和实践意义[4-5]。

1 研究区概况

大青山位于内蒙古呼和浩特市和包头市一线的北侧，属于阴山山脉中段，东西最大长度240 km，南北宽度10～30 km，地理位置为109°51′19″～111°57′43″ E，40°41′52″～40°56′34″ N，海拔高度约在1230 m ～2010 m之间。研究区地处温带半干旱区，属大陆性气候，海拔1 050～2 374 m，年降水量约为350 mm ～450 mm，降水量年际变化大，历年平均降水量为424.6 mm，降水时间多集中在5～9月份，降水量占全年总量的83.0%，年蒸发量1 800 mm，年均气温5.9 ℃，年日照时数2 976.5 h，≥10 ℃年积温2 800 ℃，无霜期90～180 d，成土母质为结晶岩坡积物、松散砂岩砾岩坡积物、黄土状母质、洪积物母质、洪积物母质；土壤由上而下呈带状分布，即灰色森林土-淋溶灰褐土—典型灰褐土—石灰性灰褐土—栗钙土[6]。据统计研究区高等植物852种，隶属127科422属，其中种子植物736种，隶属88科348属，占大青山自然保护区高等植物科、属、种数的69.3%、82.5%、86.4%；蕨类植物19种，隶属9科12属，占7.1%、2.8%、2.2%；苔藓植物97种，隶属30科62属，分别占23.6%、14.7%、11.4%。

2 研究方法

在不同发育阶段的油松人工林和白桦次生林中分别设3个临时样地(30 m×30 m)，在每个样地中呈品字形随机放置3个雨量筒(规格为高0.5 m，口径20 cm)，在每次降雨过后及时对雨量筒内的雨水量进行观测，并在距林缘三倍树高的林外放置同规格雨量筒作为对照，记录数据，有研究[1]表明枝干截留量相对较小，在计算时忽略枝干截留量计算出不同林分类型的林冠截留流量和林冠截留率等指标。

Fi= Fp-Fc

(1)

Fn= Fi/Fp×100%

(2)

式中：Fi为林冠截留量(mm)；Fp为林外降水量(mm)；Fc为林内降水量(穿透水)(mm)；Fn为林冠截留率(%)。

在研究降雨阈值时采用人工模拟降雨的方法，人工模拟降雨强度值分别控制在0.60～0.65 mm/min和0.80～0.85 mm/min，在不同植被类型中分别设置30 m×30 m临时样地作为研究对象，立地条件基本一致，不同植被类型枯落物平均厚度在1.63 mm～4.85 mm范围内。

模拟降雨前分别在不同植被类型样地中取0.5 m×0.5 m面积上全部枯落物进行称重，重复3次记录数据，取平均数作为降雨前枯落物重量；同时在不同植被类型样地内分别3个土壤剖面，分别在土层厚度为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm的土层用环刀重复取3次土样称重记录数据。人工模拟降雨结束后，立即采用降雨前的方法观测枯落物层和土壤层的水分变化，计算降雨前后枯落物层和土壤层持水量即[7]

Li=(Rf-Rb)×Vs

(3)

式中Li为不同植被类型枯落物持水量(t/hm2)；Rf为降雨后枯落物质量(t/hm2)；Rb为降雨前枯落物质量(t/hm2)；Vs为枯落物蓄积量(t/hm2)。

(4)

Si为不同植被类型土壤滞水量(t/hm2)；a为土层厚度(cm)；Hf为降雨后单位面积土层质量(t/hm2)；Hb为降雨前单位面积土层质量(t/hm2)。

3 结果与分析

3.1 林冠截留

林冠层截留量会受到降雨特性影响，不同降雨量、降雨强度及降雨时空分布等特性会明显影响到森林林冠层的截留功能，在森林中林冠截留量主要由填充林冠蓄水和降水期间林冠层的蒸发两部分组成。

表1 不同发育阶段林分类型年林冠截留量

通常情况下降水期间空气湿度较大，林冠层蒸发量较小[8-9]，在研究林冠截留的过程中，将林内降雨期间的水分蒸发忽略，则林冠截留量大小主要取决于林冠蓄水量大小。通过对研究区不同林分类型进行31次降雨量的观测，该区总观测降雨量为380.69 mm，其不同林分类型的林冠截留量和截留率如表1所示。在同一林分类型中，林冠截留量的大小依次为：近熟林﹥中龄林﹥幼龄林；在不同林分类型中，白桦天然次生林的林冠截留量和截留率大于油松人工林。

3.2 不同植被类型枯落物层持水量

不同林分类型枯落物层的最大吸水率不同，经过室内对不同植被类型枯落物持水率的观测，得出了不同植被类型的最大持水率，其不同植被类型最大持水率大小为：白桦天然次生林﹥虎榛子灌丛﹥荒草坡﹥油松人工林，依据不同植被类型单位面积枯落物量，计算出不同植被类型枯落物层的最大持水量如。

表2 不同植被类型枯落物最大持水量

在同一林分类型中枯落物持水量为近熟林﹥中龄林﹥幼龄林；在同一林分发育阶段不同林分类型中，其枯落物持水量为白桦天然次生林大于油松人工林；阳坡虎榛子灌丛在养分和水分条件都低于阴坡虎榛子灌丛，阴坡虎榛子灌丛枯落物持水量优于阳坡虎榛子灌丛枯落物；已封育的荒草坡蓄积量大于未封育的荒草坡，其枯落物层持水量高于未封育的荒草坡。

3.3 不同植被类型土壤持水量

不同林分类型土壤物理性质不同其最大持水量也有较大差异，经室内对不同林分类型不同土层厚度的土壤最大含水率的测定，计算出了不同林分类型土壤的最大持水量及最大持水深度如表3所示，在同一林分类型中，土壤最大持水量随着林龄的增加而增大；不同林分类型的同龄林中，白桦天然次生林土壤最大持水量高于油松人工林；阴坡虎榛子灌丛最大持水量大于阳坡虎榛子灌丛；已封育的荒草坡持水量高于未封育荒草坡。不同植被类型最大持水深度与土壤最大持水量呈正比，白桦天然次生林土壤持水能力最强，油松人工林和虎榛子灌丛次之，荒草坡持水能力最差。

3.4 不同植被类型降雨产流阈值估算

在研究区由于不同植被类型林冠截留量和枯落物层及土壤层持水量都有较大的差异，这就使得不同植被类型的降雨产流域值不同，通过对不同植被类型在人工模拟不同降雨强度的条件下，观测出了不同植被类型林内的降雨产流域值，再利用观测的林冠最大截留量可得到整个林分的大气降雨产流的阈值，即为产流大气降雨阈值为林冠截留量与人工模拟产流降雨量之和。当降雨强度为0.60～0.65 mm/min和0.80～0.85 mm/min时，不同植被类型产流大气降雨阈值的估测如表4所示。经研究发现，土壤层对产流降雨阈值的影响最大，其次为枯落物层，林冠层影响最小。在同一降雨强度下，不同植被类型的产流降雨阈值也有较大的差异，同一林分类型不同发育阶段的产流降雨阈值随着林龄的增加而增大，不同林分类型同一发育阶段白桦天然次生林的产流降雨阈值高于油松人工林；阴坡虎榛子灌丛产流降雨阈值高于阳坡虎榛子灌丛；已封育的荒草坡产流降雨阈值高于未封育荒草坡。

表3 不同植被类型土壤最大持水量

在同一林分类型中不同降雨强度下的产流降雨阈值有较大的差异，从表4中我们可以看出降雨强度为0.60～0.65 mm/min时的产流大气降雨阈值明显要高于降雨强度为0.80～0.85 mm/min时的产流大气降雨阈值，在研究区中，不同植被在降雨强度为0.60～0.65 mm/min时的产流降雨阈值是降雨强度为0.80～0.85 mm/min时的1.31～1.76倍，这主要是由于降雨强度较小时枯落物层及土壤层对水分的入渗率增大，滞水能力增强，从而使产流降雨阈值增大。

表4 在不同降雨强度下不同植被类型产流大气降雨阈值

注：表中a、b分别代表降雨强度为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 固土保肥价值计算

研究计算过程用土壤流失和土壤肥力丧失造成的经济损失，以此替代森林保育土壤的价值[9-11]，通过计算不同植被类型在不同降雨条件下N、P、K的含量如表5所示，依据农业部统计资料，按1999年价格，化肥平均价格为2549元/t，但自1999年至2006年，虽然化肥业其它价格变化幅度不大，因为作为氮肥主要来源的尿素由原来的1610元/t变为2006年的1825元/t，所以化肥平均价格为2797.5元/t。因此，研究区不同植被类型在不同降雨强度下土壤流失价值如表6所示：不同植被类型土壤流失价值依次为：油松人工林>荒草坡>虎榛子灌丛>白桦天然次生林。

表5 不同降雨强度植被类型流失土壤养分(kg/hm2)

表6 不同植被类型水土流失价值(元/hm2)

4 讨论

通过对大气降雨林冠量的观测发现不同林分类型林冠截留量有很大差别，在同一林分类型中林冠截留量与林龄呈正相关关系，不同林分类型在相同发育阶段白桦次生林稍高于油松人工林；不同植被类型枯落物分解程度有较大差异，经实验测得不同植被类型最大持水率大小为：白桦天然次生林﹥虎榛子灌丛﹥荒草坡﹥油松人工林；不同林分类型土壤物理性质不同其最大持水量也有较大差异，不同植被类型最大持水深度与土壤最大持水量呈正比，白桦天然次生林土壤持水能力最强，油松人工林和虎榛子灌丛次之，荒草坡持水能力最差。

运用人工模拟降雨和林冠截留观测数据，计算了不同植被类型产沙量，估测了研究区不同植被类型坡面产流降雨强度阈值，当模拟降雨强度为0.60～0.65 mm/min时，产流降雨强度为：乔木林为11.018～17.08 mm，灌木林为11.609～13.353 mm，荒草破为7.592～11.336 mm；当模拟降雨强度为0.80～0.85 mm/min时，产流降雨强度为：乔木林为7.274～12.7268 mm，灌木林为7.943～9.353 mm，荒草坡为4.328～6.496 mm。在模拟不同降雨强度下，不同发育阶段油松人工林和白桦次生林土壤流失价值为：61.39～136.37元/hm2和8.24～113.37元/hm2，虎榛子灌丛和荒草坡土壤流失价值为：28.11～59.11元/hm2、93.92～107.61元/hm2。

在研究过程中，由于自制雨量筒的精度较低和样地间的距离问题，及模拟人工降雨过程中径流收集器的精度偏低，会对森林植被的保育土壤效益计量产生较小的影响，因此在今后的实验过程中，为了避免误差的产生，应提高实验仪器的精密度。

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