天山中部林區不同林分類型坡面徑流產沙特征分析

王曉康+李翔

摘 要：該文運用徑流小區法對天山中部林區天山云杉9種林分類型坡面徑流產沙量進行定位監測。結果表明：（1）裸地產沙量最大，中齡林呈現：中齡林2>中齡林1>中齡林4>中齡林3，幼齡林呈現：幼齡林2>幼齡林1、熟林呈現：成熟林>近熟林，利用回歸分析得出各徑流小區產沙量與降雨量、雨強表現為一次線性方程關系；（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%。

關鍵詞：森林生態；天山云杉；徑流小區法；產沙特征；天山中部山區；水土保持作用

中圖分類號 S715.3 文獻標識碼 A 文章編號 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

地貌單元內下墊面性質對流域內產流產沙量具有重要影響，植被為影響流域內土壤侵蝕所發生和發展的最重要因子之一[1-2]。鑒于此，張曉明[3]等對蔡家川流域1985—2003年的定位觀測資料進行了分析，探討了森林植被、雨強與徑流和產沙之間的關系；盧金發[4]等研究了黃河中游流域內產沙的地貌臨界，得出產沙量與植被間呈顯著的非線性負相關關系；黎四龍[5]等對張家口次生黃土研究認為，雨強與地表徑流相關性不顯著，小雨強情況下，雨強與地表徑流量呈負相關關系；周宏飛[6]等僅從草本覆蓋變化的角度對天山山區產流產沙的影響進行了分析，天山中部山區植被類型單一，純林種條件下不同林分結構引起土壤侵蝕呈何種變化規律的研究幾乎空白。因此，研究天山中部山區不同林分類型變化對小流域內坡面徑流產沙的影響，將為內陸流河域水土保持及合理構建流域內水源涵養林提供科學依據。

1 試驗地概況和研究方法

1.1 試驗地概況 本研究以天山森林生態系統定位研究站為依托，該站隸屬于國家林業局，是國家林業局森林生態系統定位研究網絡之一，研究區地處天山山脈中段北坡，地理坐標：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，覆蓋率達到60%以上。觀測區主要地被植物有：天山雨衣草（Alchenilla tianschanica Juz.）、羊角芹（Aegopodium podagraria L.）、天藍巖苣（Cicerbitaazurea（Ledeb）Beauv）等。試驗地不同林分狀況見表1：

1.2 研究方法 根據不同林分類型并對照裸地，采用徑流小區法，用混凝材料圍成9個水平投影為5m×20m的矩形徑流小區，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，帶回室內進行沉淀，將沉淀泥沙置于80℃的恒溫下烘干稱重為產沙量。降雨量利用研究區林外空曠地安置的minimet氣象觀測站進行自動監測記錄，研究期間降雨量及降雨強度見表2。

2 結果與分析

2.1 產沙量與降雨因子的關系分析 依據表2顯示，研究區2016年6—9月共計降雨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，最強降雨量為48.09mm，實驗期間共收集有效數據11次。在徑流小區尺度上，對各林分類型單位面積、時段內的土壤侵蝕量，即土壤侵蝕模數（t/（hm2·a）[7]進行計算，據此得出各樣地年土壤侵蝕模數（見表3）。從表3可知，與農田土壤允許流失量10t/hm2·a相比天山云杉土壤侵蝕模數是非常低的[8]；裸地產沙量最大，中齡林呈現：中齡林2>中齡林1>中齡林4>中齡林3，幼齡林呈現；幼齡林2>幼齡林1、熟林呈現：成熟林>近熟林，各林分類型產沙量存在明顯差異。

各林分類型受雨量、雨強因子的影響產沙量也產生一定的變化。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生地表徑流，因此產沙量也最少，各林分類型差異在2～3倍。在10～25mm的降雨區間中，各林分類型產沙量差值逐漸增大，中齡林1、中齡林2產沙量略高于幼齡林，是中齡林3、中齡林4、熟齡林的4～6倍。當降雨量達49.36mm時，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，當遇到17.23mm、20.28mm、48.09mm三場連續性強降雨時，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。

林分類型間的產沙量差異變化呈現隨雨量增大而增大，但遇到暴雨時，相差變小，并且裸地與林地間產沙量差異也呈此變化趨勢。在研究中發現，降雨量最高但產沙量并非最高，由此可見在降雨因子中，雨強對產沙的影響較大。利用SPSS18.0進一步對裸地及不同林分類型的產沙量（S）、降水量（I）、雨強（I10、I30）進行多元線性回歸分析（見表4）。

結合表4得出，產沙量與降雨量及I10、I30均呈良好的相關關系，但I30的相關系數要大于I10，各因子間的相關系數因林分郁閉度的不同呈現波動變化。說明林分類型的植被因素，尤其是郁閉度的變化會對產沙量產生較大影響。

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沙量為觀測對象，結果見圖1。

利用求導法得出產沙量極小值時的郁閉度為0.657，與圖中趨勢相吻合。可見，郁閉度過低，無法發揮天山云杉喬木層對降水的分配作用，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，但遇到強降雨時產沙量變大，防治土壤侵蝕作用下降。通過分析確定研究區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合理的林分郁閉度，最大化的發揮水源涵養作用。

2.3 林地防治土壤侵蝕作用的定量評價 為直觀地對天山云杉各林分類型防治土壤侵蝕的作用進行評價，本文引入了減沙率[8]（見公式1）進行分析。根據對實測數據的計算，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為林地產沙量（kg）；W為裸地產沙量（kg）。

在徑流小區尺度上，林地的減沙率呈現不同的變化趨勢，根據公式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%。據此并結合表3得出防治土壤侵蝕效益越好，減沙率變動范圍越小。

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要多注意森林的經營管理，使之維持一個良好的林分結構，才能發揮出較高的保持水土作用；同時山區氣象多變，若發生頻率較低的特大連續性暴雨時，森林的減沙能力是有限的，應注意采取一些非生物措施來控制土壤侵蝕。

3 結論

天山云杉各林分類型產沙量都少于裸地，但不同林分類型的產沙量也不同，其中中林齡3、近熟林產沙量最少、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性強降雨呈現下降趨勢。雨強因子I30與產沙量的相關性要大于I10，表明I30更能體現雨強對本研究區產沙量的影響，這與華北土石山區主要造林樹種研究結果相反[9]。

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

通過減沙率定量評價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

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[3]張曉明，余新曉，武思宏，等.黃土區森林植被對坡面徑流和侵蝕產沙的影響[J].應用生態學報，2005，16（9）：1613-1617.

[4]盧金發，黃秀華.黃河中游地區流域產沙中的地貌臨界現象[J].山地學報，2004，22（2）：147-153.

[5]黎四龍，蔡強國，吳淑安，等.坡長對徑流及侵蝕的影響[J].干旱區資源與環境，1998，12（1）：30-36.

[6]周宏飛，王大慶，馬健，等.天山山區草地覆被和雨強對產流和產沙的影響研究——以天山天池自然保護區為例[J].水土保持通報，2009，29（5）：26-29.

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[8]余新曉，張志強，陳麗華，等.森林生態水文[M].北京：中國林業出版社，2004.

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

（責編：張宏民）