優(yōu)材更替生態(tài)公益林水土保持效益研究

姚 敏， 李錫泉， 林 堅

(1.湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004； 2.洞口縣月溪國有林場， 湖南 洞口 422300)

優(yōu)材更替生態(tài)公益林水土保持效益研究

姚 敏1， 李錫泉1， 林 堅2

(1.湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004； 2.洞口縣月溪國有林場， 湖南 洞口 422300)

以湖南省洞口縣月溪國有林場生態(tài)公益林為研究對象，對其成熟林優(yōu)材更替前后水土保持效益進行了研究。結(jié)果表明：1#更替模式(新造杉木純林)和2#更替模式(新造杉木+樟樹混交林)的地表徑流量、泥沙流失量都比3#更替模式(CK，未砍伐杉木過熟林)大2～3倍；前者實施了挖穴造林，破壞了地表土壤結(jié)構(gòu)，但水土流失系數(shù)沒有超出允許浸蝕量，說明采取小塊狀更新、穴墾整地的更新方式對水土流失影響不嚴重。在立地條件基本一致的條件下，影響水土流失的關(guān)鍵因子是降水強度，地表植被的影響次之。影響地表徑流量、泥沙流失量的另一因素是雨季降雨量，因此，防治水土流失關(guān)鍵期在雨季?；旖涣值耐寥涝谌战邓畯姸葹?～11級時，對雨水具有較強的抗侵蝕作用。

生態(tài)公益林； 水土保持效益； 優(yōu)材更替； 降雨量； 徑流； 泥沙流失量

生態(tài)公益林是指對國土生態(tài)安全、保護生物多樣性、社會與經(jīng)濟價值突出等具有重要生態(tài)功能的森林。湖南省首批被列入國家重點的生態(tài)公益林共453.2萬hm2。其中成、過熟林2.2827hm2。隨著時間的推移，成、過熟林面積逐年增加。林分老化、生產(chǎn)量下降、生態(tài)功能下降、病蟲害和火災(zāi)隱患增大等不利因素越來越多。隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對用材質(zhì)量和品種的要求不斷提高，傳統(tǒng)的商品材種已不能滿足需求。因此，實施優(yōu)材更替工程，調(diào)整樹種結(jié)構(gòu)，把全省生態(tài)公益林樹種逐步更替為優(yōu)質(zhì)樹種，重點發(fā)展珍貴稀有的優(yōu)良用材樹種，對于提高林分質(zhì)量和經(jīng)營效益及生態(tài)功能都具有極為重要的意義。為此，我們對洞口縣月溪林場人工過熟生態(tài)公益林優(yōu)材更替(簡稱更替)前后生態(tài)效益的差異進行了研究。

1 試驗區(qū)基本情況

洞口縣月溪國有林場位于湖南省西南部、雪峰山脈東側(cè)，資江上游，地處東經(jīng)110°08′—111°57′、北緯26°51′—27°22′。境內(nèi)海拔200～1700m，坡度15～25°；土壤為紅壤，土層較厚，林下腐殖質(zhì)厚，母巖為花崗巖、板頁巖；土壤pH值6.2，有機質(zhì)32.55g/kg，速效氮179mg/kg，速效磷2.7mg/kg，速效鉀70.7 mg/kg；極端最高溫39.1℃，極端最低溫-8℃，年平均氣溫17.6℃；無霜期291d，平均日照時數(shù)1642 h。雨熱期基本同步，年平均降雨量1450mm，大雨、暴雨多集中在5—9月。

試驗區(qū)位于月溪林場江坪工區(qū)，包括柳樹灣、新谷田、長沖坑、梽木山等4個林班。更新造林共13.1 hm2。更新地原為杉木過熟林。采取小塊狀皆伐更新，造林前不煉山，穴墾整地，以大苗栽植。

2 研究方法

2.1更替模式設(shè)置

生態(tài)公益林監(jiān)測站設(shè)在柳樹灣山坡。在同一坡面從左至右設(shè)置3種更替模式：1#模式為新造杉木純林，實際面積426m2，內(nèi)有杉木實生、萌生苗134株，平均樹高0.52m，平均地徑0.8cm；2#模式為新造杉木+樟樹混交林，實際面積450m2，內(nèi)有杉木實生、萌生苗98株，樟樹實生苗31株，杉木與樟樹的配置比例為6∶4，平均樹高0.73m，平均地徑0.8cm；3#模式為未砍伐杉木過熟林 (CK)，面積446m2，內(nèi)有杉木75株，平均樹高11.1m，平均胸徑14.9cm。見表1。

表1 3種更替模式林分林木生長情況表Tab.1 Theforestsurveyofthreeexcellentmaterialchangemodels模式面積(m2)杉木樟樹小計(株)最高(大)最低(小)平均實生(株)萌生(株)實生(株)萌生(株)樹高(m)地徑或胸徑(cm)樹高(m)地徑或胸徑(cm)樹高(m)地徑或胸徑(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#模式內(nèi)林木測量的是地徑,3#模式內(nèi)林木測量的是胸徑。

2.2徑流場設(shè)置

每1種模式林分內(nèi)設(shè)置1個徑流場，其長、寬按25m×20m設(shè)計，面積以建成后實測數(shù)據(jù)為準[1]。徑流場上方及兩側(cè)擋水墻由高出地面15cm、地下40cm的鋼筋混凝土板(頂部為斜面)圍隔。外方建導(dǎo)流溝，溝深10～20cm。下方中部建1m×1m×1m的鋼筋混凝土現(xiàn)澆徑流池集水測流設(shè)施。徑流池內(nèi)設(shè)計標尺刻度，下部設(shè)計出水口。徑流場集水區(qū)隔水墻、集水槽、蓄水池為磚混結(jié)構(gòu)，蓄水池與集水槽間設(shè)分流孔，并在徑流泥沙觀測區(qū)設(shè)雨量筒1個。

2.3觀測與記錄

(1) 降雨觀測。上午8：00為觀測時間，每天觀測1次。

(2) 徑流觀測。當徑流場產(chǎn)流后，量取每1個徑流場徑流總量，然后用力攪動徑流池中水，使泥沙溶入水中，取500mL樣品，當徑流量不足500mL時，全部取回，量取實際數(shù)值，用濾紙過濾，烘干，用分析天平稱重，減去濾紙重量，得到每1場降雨徑流的泥沙量。觀測從2010年6月開始，共觀測1年。

(3) 記錄。內(nèi)容包括降雨量、地表徑流量、徑流場集水量、泥沙含量、林木生長量。

3 結(jié)果與分析

3.1降雨特征

3.1.1 降雨量的月際變化 試驗區(qū)內(nèi)降雨量的月際變化特征見圖1。由圖1可以看出，受大氣環(huán)流的影響，月際降雨量差異較大[2]。最大月8月降雨量達到了321.85mm，而最小月7月沒有降雨，降雨量為零。二者相差321.85mm。

3.1.2 年降雨量的分配 降雨量1年內(nèi)月間分布極為不均(見圖1)，集中性很強，主要集中在汛期(5—8月)，汛期降雨量占全年總降雨量的53.74%，最大月約占全年降雨量的27.02%。

圖1 年降雨量分布圖Fig.1 The distribution of monthly rainfall

3.2降雨與泥沙流失量的月變化

2010年8月到2011年7月共降雨47次，產(chǎn)生徑流43次。見表2。

從表2和圖2可以看出：①由于3#模式的林分是過熟的杉木純林，林冠能截留部分雨水，加上林分對土壤的改良作用，雨水的侵蝕能力顯著下降，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，林分郁閉度小，坡面土壤結(jié)構(gòu)因造林時挖動，人為破壞比較大，加上1年2次的撫育管理，土壤的擾動較大，造成土壤的加速侵蝕[3]，因此，在這一階段，泥沙流失量比較大。1#和2#模式的月平均泥沙流失量分別比對照3#模式的流失量大3.62倍和2.27倍。但是隨著時間的推移，新造的更替林發(fā)育長大，停止了對土壤的擾動，加上林分的逐漸郁閉對土壤的改良作用和植被的恢復(fù)，必然會減少泥沙流失量，提高其防侵蝕能力。盡管目前1#和2#模式林分的土壤侵蝕量比對照3#模式的大，但還在允許侵蝕范圍內(nèi)[4](依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準[SL 190-96]，土壤侵蝕分類分級標準中南方紅壤丘陵區(qū)土壤容許流失量為500t/km2·a)，從長遠看，其更替意義是重大的。 ②2#模式林分內(nèi)每月泥沙流失量的曲線分布圖對應(yīng)的每個數(shù)據(jù)點都在1#模式的下方，說明在立地條件基本相同時，杉樟混交林比杉木純林的泥沙流失量低，相同月份比較，最大相差2.05倍(2010年11月)，最小相差1.06倍(2010年10月)。由此可見，栽培配置模式對泥沙流失量有明顯影響。

表2 3種模式林分不同月份泥沙流失量變化表Tab.2 thechangeoftheamountofsedimentlosstablewiththreeexcellentmaterialchangemodelsindifferentmonth時間(年—月)降雨量徑流次數(shù)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合計1191.154349879.0835195.5723460.204346.402728.281100平均值99.263.584156.592932.961955.02362.20227.3692 注:泥沙比例為同一模式的泥沙流失量與對照3#的百分比。

圖2 泥沙流失量月變化曲線圖Fig.2 The amount of monthly changes of sediment loss

泥沙流失量從小到大的順序為：模式3#<模式2#<模式1#。模式1#、2#為新造林地，隨著種植時間的延長，泥沙流失量將逐漸減少。2種幼齡林單位面積泥沙年流失量分別為對照(過熟林的2.13倍和1.50倍。在杉木純林幼齡林內(nèi)泥沙流失量最大值與最小值間相差99.19%(未包括無降雨月)，在杉木與樟樹混交幼齡林內(nèi)泥沙流失量最大值與最小值間相差99.17%(未包括無降雨月)。

3.3降雨與徑流量的關(guān)系

從圖3可以看出，3種模式林分內(nèi)徑流量的月變化曲線相似，均經(jīng)歷了急劇下降到緩慢下降的過程。在月降雨量最大的8月份，其變化規(guī)律是，模式1#>模式2#>模式3#，這可能主要是因為3#模式內(nèi)杉木過熟林的林冠層以及地上不斷增厚的凋落物層有效地截留了降雨，減少了雨水對地面的沖刷，并通過強大的植物根系活動增加了土層的透水性，有效削弱了地表徑流，有利于林地表面的水土保護與整個徑流場內(nèi)的水源涵養(yǎng)，從而達到減小地表徑流的作用。而1#模式林分的單位面積徑流量約高于2#模式，這也說明了在強降雨下，幼林階段的杉木與樟樹混交的栽植方式比單純的杉木純林栽植更有利于減少徑流量。

圖3 徑流量月變化曲線圖Fig.3 Distribution of monthly runoff

3.4不同模式林分日降雨量對泥沙流失量的影響

在紅壤地區(qū)，影響泥沙流失量的因素很多，如雨強、地質(zhì)、土壤、坡度、坡長、植被覆蓋和經(jīng)營措施等[5-6]。在坡位、坡向、坡長、坡度、土壤厚度與質(zhì)地等立地因子基本相同的條件下，把日降雨強度分為12個等級，各等級代表的實際降雨量分別為：1級<5.0mm，2級5.1～10.0mm，3級10.1～15.0mm，4級15.1～20.0mm，5級20.1～25.0mm，6級25.1～30.0mm，7級30.1～35.0mm，8級35.1～40.0mm，9級40.1～50.0mm，10級50.1～60.0mm，11級60.1～70.0mm，12級70.1～80.0mm。再將47次降雨量按數(shù)值大小放入12個日降雨量等級中，取多次降雨的平均值，作成圖4。

圖4 不同模式林分日降雨對泥沙流失量的影響Fig.4 The influence of different mixed mode of sediment loss on the amount of rainfall

由圖4可以看出：①隨著日降雨量的增加，3個模式林分內(nèi)泥沙流失量均增加，其變化曲線基本上是經(jīng)歷了緩慢增加、持續(xù)增加、急速增加3個階段，中間略有起伏; ②在日降雨量較小(4級以下)時，3個模式林分內(nèi)泥沙流失量變化較小，而在降雨量為7～11級時，3個模式林分內(nèi)泥沙流失量增大。在這一日降雨量區(qū)間內(nèi)，泥沙流失量隨日降雨量變化的順序為1#模式>3#模式>2#模式?？梢?，混交林的土壤在日降雨強度為7～11級時， 對雨水的具有較好的抗侵蝕作用。

4 結(jié)論與討論

(1) 1#更替模式(新造杉木純林)和2#更替模式(新造杉木+樟樹混交林)的地表徑流量、泥沙流失量都比3#更替模式(CK，未砍伐杉木過熟林)大2～3倍。前者地表植被層的厚度僅為后者的1/10，并實施了挖穴造林，破壞了地表土壤結(jié)構(gòu)，但水土流失系數(shù)沒有超出允許浸蝕量，說明采取小塊狀更新、穴墾整地的更新方式對水土流失影響不嚴重。

(2) 在立地條件基本一致的條件下，影響水土流失的關(guān)鍵因子是降雨強度，地表植被的影響次之。

(3) 影響地表徑流量、泥沙流失量的另一因素是雨季降雨量。因此，防治水土流失關(guān)鍵期在雨季。

(4) 泥沙流失量與地表徑流量直接相關(guān)。

(5) 混交林的土壤在日降水強度為7～11級時，對雨水具有較強的抗侵蝕作用。

[1] LY/T 1626 -2005，森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站建設(shè)技術(shù)要求[S].2005.

[2] 何友軍,李錫泉,田育新.湘西北女兒寨小流域植被恢復(fù)過程中徑流和泥沙含量動態(tài)特征[J].生態(tài)學雜志，2009，28(9).1824-1828.

[3] 史德明，韋啟潘，梁育，等.中國南方土壤退化指標體系研究[J].水土保持學報，2000，14(3):1-9.

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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

林業(yè)廳生態(tài)公益林優(yōu)材更替項目(20100215)

姚 敏(1971-)，女，湖南省衡陽市人，高級工程師，主要從事森林生態(tài)研究和生態(tài)效益監(jiān)測管理。

S 157

A

1003-5710(2011)05-0030-04

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

(文字編校：唐效蓉，龔玉子)