大青山典型植被類型降雨產(chǎn)流閾值估算及保肥效益計(jì)量

張冬燕，王冬至，王一，梁冬雪，趙衍宇

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)商學(xué)院，保定 071000 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，保定 071000 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，呼和浩特 010018 4.遼寧省生態(tài)公益林項(xiàng)目中心，沈陽(yáng) 110036

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最大、分布最廣的自然生態(tài)系統(tǒng)，有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及豐富的類型[1-2]，目前國(guó)內(nèi)對(duì)森林水土保持的計(jì)量研究與國(guó)外相近，森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠層、枯落物層及森林土壤3個(gè)作用層對(duì)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(shí)改善了土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)，提高了土壤的抗沖性和抗侵蝕性。因此對(duì)森林植被水土保持效益進(jìn)行研究，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，開(kāi)展森林健康經(jīng)營(yíng)有著重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義[4-5]。

1 研究區(qū)概況

大青山位于內(nèi)蒙古呼和浩特市和包頭市一線的北側(cè)，屬于陰山山脈中段，東西最大長(zhǎng)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(qū)地處溫帶半干旱區(qū)，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(shí)間多集中在5～9月份，降水量占全年總量的83.0%，年蒸發(fā)量1 800 mm，年均氣溫5.9 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 976.5 h，≥10 ℃年積溫2 800 ℃，無(wú)霜期90～180 d，成土母質(zhì)為結(jié)晶巖坡積物、松散砂巖礫巖坡積物、黃土狀母質(zhì)、洪積物母質(zhì)、洪積物母質(zhì)；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(jù)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)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(hù)區(qū)高等植物科、屬、種數(shù)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(fā)育階段的油松人工林和白樺次生林中分別設(shè)3個(gè)臨時(shí)樣地(30 m×30 m)，在每個(gè)樣地中呈品字形隨機(jī)放置3個(gè)雨量筒(規(guī)格為高0.5 m，口徑20 cm)，在每次降雨過(guò)后及時(shí)對(duì)雨量筒內(nèi)的雨水量進(jìn)行觀測(cè)，并在距林緣三倍樹(shù)高的林外放置同規(guī)格雨量筒作為對(duì)照，記錄數(shù)據(jù)，有研究[1]表明枝干截留量相對(duì)較小，在計(jì)算時(shí)忽略枝干截留量計(jì)算出不同林分類型的林冠截留流量和林冠截留率等指標(biāo)。

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(nèi)降水量(穿透水)(mm)；Fn為林冠截留率(%)。

在研究降雨閾值時(shí)采用人工模擬降雨的方法，人工模擬降雨強(qiáng)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(shè)置30 m×30 m臨時(shí)樣地作為研究對(duì)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(nèi)。

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(jìn)行稱重，重復(fù)3次記錄數(shù)據(jù)，取平均數(shù)作為降雨前枯落物重量；同時(shí)在不同植被類型樣地內(nèi)分別3個(gè)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(huán)刀重復(fù)取3次土樣稱重記錄數(shù)據(jù)。人工模擬降雨結(jié)束后，立即采用降雨前的方法觀測(cè)枯落物層和土壤層的水分變化，計(jì)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(zhì)量(t/hm2)；Rb為降雨前枯落物質(zhì)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(zhì)量(t/hm2)；Hb為降雨前單位面積土層質(zhì)量(t/hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠截留

林冠層截留量會(huì)受到降雨特性影響，不同降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨時(shí)空分布等特性會(huì)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(fā)兩部分組成。

表1 不同發(fā)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(fā)量較小[8-9]，在研究林冠截留的過(guò)程中，將林內(nèi)降雨期間的水分蒸發(fā)忽略，則林冠截留量大小主要取決于林冠蓄水量大小。通過(guò)對(duì)研究區(qū)不同林分類型進(jìn)行31次降雨量的觀測(cè)，該區(qū)總觀測(cè)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(jīng)過(guò)室內(nèi)對(duì)不同植被類型枯落物持水率的觀測(cè)，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(jù)不同植被類型單位面積枯落物量，計(jì)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(fā)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(yáng)坡虎榛子灌叢在養(yǎng)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?jī)?yōu)于陽(yáng)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(zhì)不同其最大持水量也有較大差異，經(jīng)室內(nèi)對(duì)不同林分類型不同土層厚度的土壤最大含水率的測(cè)定，計(jì)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(yáng)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(qiáng)，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(chǎn)流閾值估算

在研究區(qū)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(chǎn)流域值不同，通過(guò)對(duì)不同植被類型在人工模擬不同降雨強(qiáng)度的條件下，觀測(cè)出了不同植被類型林內(nèi)的降雨產(chǎn)流域值，再利用觀測(cè)的林冠最大截留量可得到整個(gè)林分的大氣降雨產(chǎn)流的閾值，即為產(chǎn)流大氣降雨閾值為林冠截留量與人工模擬產(chǎn)流降雨量之和。當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.60～0.65 mm/min和0.80～0.85 mm/min時(shí)，不同植被類型產(chǎn)流大氣降雨閾值的估測(cè)如表4所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，土壤層對(duì)產(chǎn)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(qiáng)度下，不同植被類型的產(chǎn)流降雨閾值也有較大的差異，同一林分類型不同發(fā)育階段的產(chǎn)流降雨閾值隨著林齡的增加而增大，不同林分類型同一發(fā)育階段白樺天然次生林的產(chǎn)流降雨閾值高于油松人工林；陰坡虎榛子灌叢產(chǎn)流降雨閾值高于陽(yáng)坡虎榛子灌叢；已封育的荒草坡產(chǎn)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(qiáng)度下的產(chǎn)流降雨閾值有較大的差異，從表4中我們可以看出降雨強(qiáng)度為0.60～0.65 mm/min時(shí)的產(chǎn)流大氣降雨閾值明顯要高于降雨強(qiáng)度為0.80～0.85 mm/min時(shí)的產(chǎn)流大氣降雨閾值，在研究區(qū)中，不同植被在降雨強(qiáng)度為0.60～0.65 mm/min時(shí)的產(chǎn)流降雨閾值是降雨強(qiáng)度為0.80～0.85 mm/min時(shí)的1.31～1.76倍，這主要是由于降雨強(qiáng)度較小時(shí)枯落物層及土壤層對(duì)水分的入滲率增大，滯水能力增強(qiáng)，從而使產(chǎn)流降雨閾值增大。

表4 在不同降雨強(qiáng)度下不同植被類型產(chǎn)流大氣降雨閾值

注：表中a、b分別代表降雨強(qiáng)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(jià)值計(jì)算

研究計(jì)算過(guò)程用土壤流失和土壤肥力喪失造成的經(jīng)濟(jì)損失，以此替代森林保育土壤的價(jià)值[9-11]，通過(guò)計(jì)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(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)資料，按1999年價(jià)格，化肥平均價(jià)格為2549元/t，但自1999年至2006年，雖然化肥業(yè)其它價(jià)格變化幅度不大，因?yàn)樽鳛榈手饕獊?lái)源的尿素由原來(lái)的1610元/t變?yōu)?006年的1825元/t，所以化肥平均價(jià)格為2797.5元/t。因此，研究區(qū)不同植被類型在不同降雨強(qiáng)度下土壤流失價(jià)值如表6所示：不同植被類型土壤流失價(jià)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(qiáng)度植被類型流失土壤養(yǎng)分(kg/hm2)

表6 不同植被類型水土流失價(jià)值(元/hm2)

4 討論

通過(guò)對(duì)大氣降雨林冠量的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)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(guān)關(guān)系，不同林分類型在相同發(fā)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(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhì)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(qiáng)，油松人工林和虎榛子灌叢次之，荒草坡持水能力最差。

運(yùn)用人工模擬降雨和林冠截留觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了不同植被類型產(chǎn)沙量，估測(cè)了研究區(qū)不同植被類型坡面產(chǎn)流降雨強(qiáng)度閾值，當(dāng)模擬降雨強(qiáng)度為0.60～0.65 mm/min時(shí)，產(chǎn)流降雨強(qiáng)度為：?jiǎn)棠玖譃?1.018～17.08 mm，灌木林為11.609～13.353 mm，荒草破為7.592～11.336 mm；當(dāng)模擬降雨強(qiáng)度為0.80～0.85 mm/min時(shí)，產(chǎn)流降雨強(qiáng)度為：?jiǎn)棠玖譃?.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(qiáng)度下，不同發(fā)育階段油松人工林和白樺次生林土壤流失價(jià)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(jià)值為：28.11～59.11元/hm2、93.92～107.61元/hm2。

在研究過(guò)程中，由于自制雨量筒的精度較低和樣地間的距離問(wèn)題，及模擬人工降雨過(guò)程中徑流收集器的精度偏低，會(huì)對(duì)森林植被的保育土壤效益計(jì)量產(chǎn)生較小的影響，因此在今后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了避免誤差的產(chǎn)生，應(yīng)提高實(shí)驗(yàn)儀器的精密度。

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