天山中部林區(qū)不同林分類型坡面徑流產(chǎn)沙特征分析

王曉康+李翔

摘 要：該文運(yùn)用徑流小區(qū)法對(duì)天山中部林區(qū)天山云杉9種林分類型坡面徑流產(chǎn)沙量進(jìn)行定位監(jiān)測。結(jié)果表明：（1）裸地產(chǎn)沙量最大，中齡林呈現(xiàn)：中齡林2>中齡林1>中齡林4>中齡林3，幼齡林呈現(xiàn)：幼齡林2>幼齡林1、熟林呈現(xiàn)：成熟林>近熟林，利用回歸分析得出各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量與降雨量、雨強(qiáng)表現(xiàn)為一次線性方程關(guān)系；（2）天山云杉防治土壤侵蝕的最佳郁閉度在0.6～0.7；（3）各林分類型防治土壤侵蝕作用在58.4%～94.7%。

關(guān)鍵詞：森林生態(tài)；天山云杉；徑流小區(qū)法；產(chǎn)沙特征；天山中部山區(qū)；水土保持作用

中圖分類號(hào) S715.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）21-0065-03

Characteristics of Slope Runoff Sediment Yield Under Different Picea schrenkiana var.tianshanica（Rup.）Chen et Fu Forest Conditions in Central Tianshan Mountainous

Wang Xiaokang1 et al.

（1Shanxi Guandishan National Forest Management Bureau，Wenshui 032100， China）

Abstract：Using the field runoff plot method to the observation of nine different Picea schrenkiana var.tianshanica（Rup.）Chen et Fu forest condition under slope runoff sediment yield in central Tianshan mountain areas， the analytical results show that：（1） Bare sand sediment yield largest，middle-aged forest presents：middle-aged forest2> middle-aged forest 1>middle-aged forest 4> middle-aged forest3， young forest presents：young forest2> young forest1， mature forest presents：mature forest> nearly mature forest， by the impact of rainfall factor， bare soil and sediment yield differences between the woodland and forest types show a certain regularity， using regression analysis of each runoff plot sediment yield and rainfall， rainfall intensity showed a linear equation relationship；（2） soil erosion prevention and control of Tianshan mountain spruce best crown density is in 0.6 ～ 0.7；（3） different forest types in the prevention and control of soil erosion is between 58.4% ～ 58.4%.

Key words：Forest ecological；Picea schrenkiana var.tianshanica（Rup.）Chen et Fu；Runoff plot method；Sediment yield characteristics；The central Tianshan mountainous；Water and soil preserve effect

地貌單元內(nèi)下墊面性質(zhì)對(duì)流域內(nèi)產(chǎn)流產(chǎn)沙量具有重要影響，植被為影響流域內(nèi)土壤侵蝕所發(fā)生和發(fā)展的最重要因子之一[1-2]。鑒于此，張曉明[3]等對(duì)蔡家川流域1985—2003年的定位觀測資料進(jìn)行了分析，探討了森林植被、雨強(qiáng)與徑流和產(chǎn)沙之間的關(guān)系；盧金發(fā)[4]等研究了黃河中游流域內(nèi)產(chǎn)沙的地貌臨界，得出產(chǎn)沙量與植被間呈顯著的非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；黎四龍[5]等對(duì)張家口次生黃土研究認(rèn)為，雨強(qiáng)與地表徑流相關(guān)性不顯著，小雨強(qiáng)情況下，雨強(qiáng)與地表徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；周宏飛[6]等僅從草本覆蓋變化的角度對(duì)天山山區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響進(jìn)行了分析，天山中部山區(qū)植被類型單一，純林種條件下不同林分結(jié)構(gòu)引起土壤侵蝕呈何種變化規(guī)律的研究幾乎空白。因此，研究天山中部山區(qū)不同林分類型變化對(duì)小流域內(nèi)坡面徑流產(chǎn)沙的影響，將為內(nèi)陸流河域水土保持及合理構(gòu)建流域內(nèi)水源涵養(yǎng)林提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況和研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況 本研究以天山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站為依托，該站隸屬于國家林業(yè)局，是國家林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)之一，研究區(qū)地處天山山脈中段北坡，地理坐標(biāo)：E87°27′28.5″～87°28′47.7″，N43°24′48.3″～43°26′17.9″，海拔1 910～2 700m，年平均氣溫2.1℃，年降水量約600mm，屬溫帶大陸性氣候，占地總面積為369hm2，森林植被以天然雪嶺云杉為主，覆蓋率達(dá)到60%以上。觀測區(qū)主要地被植物有：天山雨衣草（Alchenilla tianschanica Juz.）、羊角芹（Aegopodium podagraria L.）、天藍(lán)巖苣（Cicerbitaazurea（Ledeb）Beauv）等。試驗(yàn)地不同林分狀況見表1：

1.2 研究方法 根據(jù)不同林分類型并對(duì)照裸地，采用徑流小區(qū)法，用混凝材料圍成9個(gè)水平投影為5m×20m的矩形徑流小區(qū)，在較低的一端安裝收集槽，每次降水將地表徑流量全部收集，帶回室內(nèi)進(jìn)行沉淀，將沉淀泥沙置于80℃的恒溫下烘干稱重為產(chǎn)沙量。降雨量利用研究區(qū)林外空曠地安置的minimet氣象觀測站進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測記錄，研究期間降雨量及降雨強(qiáng)度見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)沙量與降雨因子的關(guān)系分析 依據(jù)表2顯示，研究區(qū)2016年6—9月共計(jì)降雨16次，降雨量為202.62mm，較之往年有所下降，降雨主要集中在7、8月份，其中最高降雨量為49.36mm，最強(qiáng)降雨量為48.09mm，實(shí)驗(yàn)期間共收集有效數(shù)據(jù)11次。在徑流小區(qū)尺度上，對(duì)各林分類型單位面積、時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕量，即土壤侵蝕模數(shù)（t/（hm2·a）[7]進(jìn)行計(jì)算，據(jù)此得出各樣地年土壤侵蝕模數(shù)（見表3）。從表3可知，與農(nóng)田土壤允許流失量10t/hm2·a相比天山云杉土壤侵蝕模數(shù)是非常低的[8]；裸地產(chǎn)沙量最大，中齡林呈現(xiàn)：中齡林2>中齡林1>中齡林4>中齡林3，幼齡林呈現(xiàn)；幼齡林2>幼齡林1、熟林呈現(xiàn)：成熟林>近熟林，各林分類型產(chǎn)沙量存在明顯差異。

各林分類型受雨量、雨強(qiáng)因子的影響產(chǎn)沙量也產(chǎn)生一定的變化。在4～10mm的4場降雨中，中齡林1和中齡林2產(chǎn)沙量等同于幼齡林，成熟林、中齡林4在降雨較小的情況下幾乎不產(chǎn)生地表徑流，因此產(chǎn)沙量也最少，各林分類型差異在2～3倍。在10～25mm的降雨區(qū)間中，各林分類型產(chǎn)沙量差值逐漸增大，中齡林1、中齡林2產(chǎn)沙量略高于幼齡林，是中齡林3、中齡林4、熟齡林的4～6倍。當(dāng)降雨量達(dá)49.36mm時(shí)，中齡林1、中齡林2是幼齡林的的1倍，是中林齡3、中齡林4的2.5倍，是熟齡林的3倍，當(dāng)遇到17.23mm、20.28mm、48.09mm三場連續(xù)性強(qiáng)降雨時(shí)，中齡林1、中齡林2、幼齡林僅是中齡林3、中齡林4、熟林的1.8倍。

林分類型間的產(chǎn)沙量差異變化呈現(xiàn)隨雨量增大而增大，但遇到暴雨時(shí)，相差變小，并且裸地與林地間產(chǎn)沙量差異也呈此變化趨勢。在研究中發(fā)現(xiàn)，降雨量最高但產(chǎn)沙量并非最高，由此可見在降雨因子中，雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)沙的影響較大。利用SPSS18.0進(jìn)一步對(duì)裸地及不同林分類型的產(chǎn)沙量（S）、降水量（I）、雨強(qiáng)（I10、I30）進(jìn)行多元線性回歸分析（見表4）。

結(jié)合表4得出，產(chǎn)沙量與降雨量及I10、I30均呈良好的相關(guān)關(guān)系，但I(xiàn)30的相關(guān)系數(shù)要大于I10，各因子間的相關(guān)系數(shù)因林分郁閉度的不同呈現(xiàn)波動(dòng)變化。說明林分類型的植被因素，尤其是郁閉度的變化會(huì)對(duì)產(chǎn)沙量產(chǎn)生較大影響。

2.2 林分類型防治土壤侵蝕的合理郁閉度分析 選取林分類型中各中林齡不同郁閉度的產(chǎn)沙量為觀測對(duì)象，結(jié)果見圖1。

利用求導(dǎo)法得出產(chǎn)沙量極小值時(shí)的郁閉度為0.657，與圖中趨勢相吻合?？梢?，郁閉度過低，無法發(fā)揮天山云杉喬木層對(duì)降水的分配作用，林下雖有草本覆蓋，但種類單一，草本生物量低；郁閉度過高，則林下死枝高度變高，冠幅變小，雖然能夠遲緩地表徑流，但遇到強(qiáng)降雨時(shí)產(chǎn)沙量變大，防治土壤侵蝕作用下降。通過分析確定研究區(qū)天山云杉林冠郁閉度在0.6～0.7為最佳，這樣可保證天山云杉維持一個(gè)合理的林分郁閉度，最大化的發(fā)揮水源涵養(yǎng)作用。

2.3 林地防治土壤侵蝕作用的定量評(píng)價(jià) 為直觀地對(duì)天山云杉各林分類型防治土壤侵蝕的作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文引入了減沙率[8]（見公式1）進(jìn)行分析。根據(jù)對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的計(jì)算，各林分類型減沙率及總體平均減沙率。

式中：Ks為森林減沙率（%）；Wf為林地產(chǎn)沙量（kg）；W為裸地產(chǎn)沙量（kg）。

在徑流小區(qū)尺度上，林地的減沙率呈現(xiàn)不同的變化趨勢，根據(jù)公式1得出，中林3的減沙率為81.9%～94.7%；成熟林：85.6%～92.4%；中齡林4：84.8%～92.1%；近熟林：83.9%～93.1%；幼齡林1：73.8%～89.3%，幼齡林2：65.8%～84.9%；中齡林1：58.4%～82.2%；中齡林2：58.6%～80%。據(jù)此并結(jié)合表3得出防治土壤侵蝕效益越好，減沙率變動(dòng)范圍越小。

各林分類型減沙率及平均減沙率總體趨勢相類似，都呈波動(dòng)增長趨勢。不同林分類型間減沙率差異在15%～25%，這說明在森林資源有限的天山中部林區(qū)要多注意森林的經(jīng)營管理，使之維持一個(gè)良好的林分結(jié)構(gòu)，才能發(fā)揮出較高的保持水土作用；同時(shí)山區(qū)氣象多變，若發(fā)生頻率較低的特大連續(xù)性暴雨時(shí)，森林的減沙能力是有限的，應(yīng)注意采取一些非生物措施來控制土壤侵蝕。

3 結(jié)論

天山云杉各林分類型產(chǎn)沙量都少于裸地，但不同林分類型的產(chǎn)沙量也不同，其中中林齡3、近熟林產(chǎn)沙量最少、中林齡1、中林齡2最多。天山云杉防治土壤的侵蝕作用隨降雨量的增大而增大但遇到連續(xù)性強(qiáng)降雨呈現(xiàn)下降趨勢。雨強(qiáng)因子I30與產(chǎn)沙量的相關(guān)性要大于I10，表明I30更能體現(xiàn)雨強(qiáng)對(duì)本研究區(qū)產(chǎn)沙量的影響，這與華北土石山區(qū)主要造林樹種研究結(jié)果相反[9]。

在徑流小區(qū)尺度研究的基礎(chǔ)上，得出天山云杉不同林分類型的土壤侵蝕模數(shù)在0.152～0.427t/hm2·a，低于裸地的0.991t/hm2·a。天山云杉最優(yōu)郁閉度在0.6～0.7。

通過減沙率定量評(píng)價(jià)了天山云杉防治土壤侵蝕的作用，得出天山云杉各林分類型總體平均減沙率在74.8%～88.7%，波動(dòng)范圍較小，說明其在防治土壤侵蝕方面具有重要的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]張志強(qiáng)，王禮先.土壤水力侵蝕與植被變化關(guān)系研究途徑與展望[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，19（1）：177-180.

[2]Braud I，F(xiàn)ernandez P，Bouraoui F.Study of the rainfall-runoff process in the Andes region using a continuous distributed model[J].Journal of Hydrology，1999，216（3-4）：155-171.

[3]張曉明，余新曉，武思宏，等.黃土區(qū)森林植被對(duì)坡面徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（9）：1613-1617.

[4]盧金發(fā)，黃秀華.黃河中游地區(qū)流域產(chǎn)沙中的地貌臨界現(xiàn)象[J].山地學(xué)報(bào)，2004，22（2）：147-153.

[5]黎四龍，蔡強(qiáng)國，吳淑安，等.坡長對(duì)徑流及侵蝕的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，1998，12（1）：30-36.

[6]周宏飛，王大慶，馬健，等.天山山區(qū)草地覆被和雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響研究——以天山天池自然保護(hù)區(qū)為例[J].水土保持通報(bào)，2009，29（5）：26-29.

[7]中華人民共和國水利部.SL190-2007土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國水利水電出版社，2008.

[8]余新曉，張志強(qiáng)，陳麗華，等.森林生態(tài)水文[M].北京：中國林業(yè)出版社，2004.

[9]余新曉，張曉明，武思宏，等.黃土區(qū)林草植被與降水對(duì)坡面徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].山地學(xué)報(bào)，2006，24（1）：19-26.

（責(zé)編：張宏民）