天山中部林区不同林分类型坡面径流产沙特征分析

王晓康+李翔

摘 要：该文运用径流小区法对天山中部林区天山云杉9种林分类型坡面径流产沙量进行定位监测。结果表明：（1）裸地产沙量最大，中龄林呈现：中龄林2>中龄林1>中龄林4>中龄林3，幼龄林呈现：幼龄林2>幼龄林1、熟林呈现：成熟林>近熟林，利用回归分析得出各径流小区产沙量与降雨量、雨强表现为一次线性方程关系；（2）天山云杉防治土壤侵蚀的最佳郁闭度在0.6～0.7；（3）各林分类型防治土壤侵蚀作用在58.4%～94.7%。

关键词：森林生态；天山云杉；径流小区法；产沙特征；天山中部山区；水土保持作用

中图分类号 S715.3 文献标识码 A 文章编号 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

地貌单元内下垫面性质对流域内产流产沙量具有重要影响，植被为影响流域内土壤侵蚀所发生和发展的最重要因子之一[1-2]。鉴于此，张晓明[3]等对蔡家川流域1985—2003年的定位观测资料进行了分析，探讨了森林植被、雨强与径流和产沙之间的关系；卢金发[4]等研究了黄河中游流域内产沙的地貌临界，得出产沙量与植被间呈显著的非线性负相关关系；黎四龙[5]等对张家口次生黄土研究认为，雨强与地表径流相关性不显著，小雨强情况下，雨强与地表径流量呈负相关关系；周宏飞[6]等仅从草本覆盖变化的角度对天山山区产流产沙的影响进行了分析，天山中部山区植被类型单一，纯林种条件下不同林分结构引起土壤侵蚀呈何种变化规律的研究几乎空白。因此，研究天山中部山区不同林分类型变化对小流域内坡面径流产沙的影响，将为内陆流河域水土保持及合理构建流域内水源涵养林提供科学依据。

1 试验地概况和研究方法

1.1 试验地概况 本研究以天山森林生态系统定位研究站为依托，该站隶属于国家林业局，是国家林业局森林生态系统定位研究网络之一，研究区地处天山山脉中段北坡，地理坐标：E87°27′28.5″～87°28′47.7″，N43°24′48.3″～43°26′17.9″，海拔1 910～2 700m，年平均气温2.1℃，年降水量约600mm，属温带大陆性气候，占地总面积为369hm2，森林植被以天然雪岭云杉为主，覆盖率达到60%以上。观测区主要地被植物有：天山雨衣草（Alchenilla tianschanica Juz.）、羊角芹（Aegopodium podagraria L.）、天蓝岩苣（Cicerbitaazurea（Ledeb）Beauv）等。试验地不同林分状况见表1：

1.2 研究方法 根据不同林分类型并对照裸地，采用径流小区法，用混凝材料围成9个水平投影为5m×20m的矩形径流小区，在较低的一端安装收集槽，每次降水将地表径流量全部收集，带回室内进行沉淀，将沉淀泥沙置于80℃的恒温下烘干称重为产沙量。降雨量利用研究区林外空旷地安置的minimet气象观测站进行自动监测记录，研究期间降雨量及降雨强度见表2。

2 结果与分析

2.1 产沙量与降雨因子的关系分析 依据表2显示，研究区2016年6—9月共计降雨16次，降雨量为202.62mm，较之往年有所下降，降雨主要集中在7、8月份，其中最高降雨量为49.36mm，最强降雨量为48.09mm，实验期间共收集有效数据11次。在径流小区尺度上，对各林分类型单位面积、时段内的土壤侵蚀量，即土壤侵蚀模数（t/（hm2·a）[7]进行计算，据此得出各样地年土壤侵蚀模数（见表3）。从表3可知，与农田土壤允许流失量10t/hm2·a相比天山云杉土壤侵蚀模数是非常低的[8]；裸地产沙量最大，中龄林呈现：中龄林2>中龄林1>中龄林4>中龄林3，幼龄林呈现；幼龄林2>幼龄林1、熟林呈现：成熟林>近熟林，各林分类型产沙量存在明显差异。

各林分类型受雨量、雨强因子的影响产沙量也产生一定的变化。在4～10mm的4场降雨中，中龄林1和中龄林2产沙量等同于幼龄林，成熟林、中龄林4在降雨较小的情况下几乎不产生地表径流，因此产沙量也最少，各林分类型差异在2～3倍。在10～25mm的降雨区间中，各林分类型产沙量差值逐渐增大，中龄林1、中龄林2产沙量略高于幼龄林，是中龄林3、中龄林4、熟龄林的4～6倍。当降雨量达49.36mm时，中龄林1、中龄林2是幼龄林的的1倍，是中林龄3、中龄林4的2.5倍，是熟龄林的3倍，当遇到17.23mm、20.28mm、48.09mm三场连续性强降雨时，中龄林1、中龄林2、幼龄林仅是中龄林3、中龄林4、熟林的1.8倍。

林分类型间的产沙量差异变化呈现随雨量增大而增大，但遇到暴雨时，相差变小，并且裸地与林地间产沙量差异也呈此变化趋势。在研究中发现，降雨量最高但产沙量并非最高，由此可见在降雨因子中，雨强对产沙的影响较大。利用SPSS18.0进一步对裸地及不同林分类型的产沙量（S）、降水量（I）、雨强（I10、I30）进行多元线性回归分析（见表4）。

结合表4得出，产沙量与降雨量及I10、I30均呈良好的相关关系，但I30的相关系数要大于I10，各因子间的相关系数因林分郁闭度的不同呈现波动变化。说明林分类型的植被因素，尤其是郁闭度的变化会对产沙量产生较大影响。

2.2 林分类型防治土壤侵蚀的合理郁闭度分析 选取林分类型中各中林龄不同郁闭度的产沙量为观测对象，结果见图1。

利用求导法得出产沙量极小值时的郁闭度为0.657，与图中趋势相吻合。可见，郁闭度过低，无法发挥天山云杉乔木层对降水的分配作用，林下虽有草本覆盖，但种类单一，草本生物量低；郁闭度过高，则林下死枝高度变高，冠幅变小，虽然能够迟缓地表径流，但遇到强降雨时产沙量变大，防治土壤侵蚀作用下降。通过分析确定研究区天山云杉林冠郁闭度在0.6～0.7为最佳，这样可保证天山云杉维持一个合理的林分郁闭度，最大化的发挥水源涵养作用。

2.3 林地防治土壤侵蚀作用的定量评价 为直观地对天山云杉各林分类型防治土壤侵蚀的作用进行评价，本文引入了减沙率[8]（见公式1）进行分析。根据对实测数据的计算，各林分类型减沙率及总体平均减沙率。

式中：Ks为森林减沙率（%）；Wf为林地产沙量（kg）；W为裸地产沙量（kg）。

在径流小区尺度上，林地的减沙率呈现不同的变化趋势，根据公式1得出，中林3的减沙率为81.9%～94.7%；成熟林：85.6%～92.4%；中龄林4：84.8%～92.1%；近熟林：83.9%～93.1%；幼龄林1：73.8%～89.3%，幼龄林2：65.8%～84.9%；中龄林1：58.4%～82.2%；中龄林2：58.6%～80%。据此并结合表3得出防治土壤侵蚀效益越好，减沙率变动范围越小。

各林分类型减沙率及平均减沙率总体趋势相类似，都呈波动增长趋势。不同林分类型间减沙率差异在15%～25%，这说明在森林资源有限的天山中部林区要多注意森林的经营管理，使之维持一个良好的林分结构，才能发挥出较高的保持水土作用；同时山区气象多变，若发生频率较低的特大连续性暴雨时，森林的减沙能力是有限的，应注意采取一些非生物措施来控制土壤侵蚀。

3 结论

天山云杉各林分类型产沙量都少于裸地，但不同林分类型的产沙量也不同，其中中林龄3、近熟林产沙量最少、中林龄1、中林龄2最多。天山云杉防治土壤的侵蚀作用随降雨量的增大而增大但遇到连续性强降雨呈现下降趋势。雨强因子I30与产沙量的相关性要大于I10，表明I30更能体现雨强对本研究区产沙量的影响，这与华北土石山区主要造林树种研究结果相反[9]。

在径流小区尺度研究的基础上，得出天山云杉不同林分类型的土壤侵蚀模数在0.152～0.427t/hm2·a，低于裸地的0.991t/hm2·a。天山云杉最优郁闭度在0.6～0.7。

通过减沙率定量评价了天山云杉防治土壤侵蚀的作用，得出天山云杉各林分类型总体平均减沙率在74.8%～88.7%，波动范围较小，说明其在防治土壤侵蚀方面具有重要的影响。

参考文献

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[3]张晓明，余新晓，武思宏，等.黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响[J].应用生态学报，2005，16（9）：1613-1617.

[4]卢金发，黄秀华.黄河中游地区流域产沙中的地貌临界现象[J].山地学报，2004，22（2）：147-153.

[5]黎四龙，蔡强国，吴淑安，等.坡长对径流及侵蚀的影响[J].干旱区资源与环境，1998，12（1）：30-36.

[6]周宏飞，王大庆，马健，等.天山山区草地覆被和雨强对产流和产沙的影响研究——以天山天池自然保护区为例[J].水土保持通报，2009，29（5）：26-29.

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[8]余新晓，张志强，陈丽华，等.森林生态水文[M].北京：中国林业出版社，2004.

[9]余新晓，张晓明，武思宏，等.黄土区林草植被与降水对坡面径流和侵蚀产沙的影响[J].山地学报，2006，24（1）：19-26.

（责编：张宏民）