鷹嘴界自然保護區(qū)不同森林類型保育土壤效益研究

王忠誠，文仕知，胡曰利，華 華

鷹嘴界自然保護區(qū)不同森林類型保育土壤效益研究

王忠誠1,2，文仕知1,3，胡曰利1，華 華1

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 農(nóng)林經(jīng)濟管理研究中心，湖南長沙410004；3.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

為了研究森林生態(tài)系統(tǒng)保育土壤的功能及效益，以鷹嘴界自然保護區(qū)為研究對象區(qū)域，采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，對該保護區(qū)內(nèi)闊葉林、杉木毛竹混交林和杉木林3種森林類型保育土壤功能與效益進行分析, 并運用影子工程法及市場價值法對保護區(qū)3種森林類型保育土壤效益進行了價值核算，旨在為保護區(qū)森林生態(tài)環(huán)境的保護和經(jīng)營管理提供決策依據(jù)。研究結(jié)果表明：該保護區(qū)3種森林類型單位面積保育土壤平均經(jīng)濟價值大小依次為闊葉林＞杉木毛竹混交林＞杉木林；就單株林木來講，杉木毛竹混交林由于密度過大，其保育土壤效益最低；從保肥效益講，在杉木純林中種植適當(dāng)數(shù)量的毛竹能取得較好效果；從固土效益講，杉木毛竹混交林中應(yīng)適當(dāng)減少毛竹比重。

保育土壤；森林類型；影子工程法；市場價值法；鷹嘴界自然保護區(qū)

森林保育土壤功能指森林中活地被物和凋落物層層截留降水，降低水滴對表土的沖擊和地表徑流的侵蝕作用；同時林木根系固持土壤，防止土壤崩塌瀉溜，減少土壤肥力損失以及改善土壤結(jié)構(gòu)的功能[1]。森林保育土壤功能是森林生態(tài)服務(wù)功能之一，也是最直觀、顯著的一種生態(tài)功能。

國內(nèi)外許多學(xué)者研究了植被減少及削弱雨水對土壤的侵蝕[2-5]。研究顯示，即使平均直徑只有0.8 mm粗的細根，也具有固持1.31 kg土壤的能力[4]。森林依靠其林冠、樹干及林下灌木草本、枯落物等對雨水的截留作用，很大程度上減小了雨水對地表的沖蝕作用。研究發(fā)現(xiàn)森林植被可減少地表徑流和土壤沖刷70%～80%，大大減少礦質(zhì)元素的流失[5]。不同植被條件下水土保持功效存在較大差異，林地雨水入滲比例為88%，是荒地的3倍，是草地的2.5倍，是坡耕地的2倍，且荒地的徑流量是林地的11倍，荒地的產(chǎn)沙量是林地的180倍[6]。研究土壤養(yǎng)分時發(fā)現(xiàn)，森林土壤養(yǎng)分狀況與構(gòu)成林分的樹種及樹種組成、林分結(jié)構(gòu)等林分因子有著密切的關(guān)系[7]。近些年來，許多學(xué)者對森林植被保育土壤功能在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了經(jīng)濟價值評價[8-9]。

鷹嘴界自然保護區(qū)位于泥石流、滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)的湘西南地區(qū)，該保護區(qū)內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)是在特殊的硅質(zhì)巖干旱、瘠薄環(huán)境下形成和保存下來的，山坡陡峭，森林生態(tài)環(huán)境和資源一旦破壞，難以恢復(fù)。本文從不同森林類型出發(fā)來研究其保育土壤效益，并分析其差異性及其原因，為鷹嘴界自然保護區(qū)乃至整個湘西南森林資源的規(guī)劃和開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地設(shè)在湖南省會同縣境內(nèi)的鷹嘴界國家級自然保護區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°49′～109°58′， 北 緯 26°46′～ 26°59′， 保 護 區(qū) 南 北 長20.4 km，東西寬10.6 km，總面積159 km2。保護區(qū)地貌屬于中低山山區(qū)，峭壁懸崖較多，山不高而山坡陡峭，坡不長而坡度大，坡度一般在30°以上，海拔一般在350～700 m之間。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤氣候，平均氣溫13.4 ℃～16.6 ℃，年均降水量1 453 mm，無霜期303 d，有霧日55 d，年日照數(shù)1 462.7 h[10]。保護區(qū)保存了由山地系統(tǒng)、溝澗系統(tǒng)和森林群落組成的典型的常綠闊葉林群落，有甜櫧林、楨楠林、黔桂潤楠林、鉤栗林、薯豆林、青岡櫟林等16個群系，為地帶性頂極群落。還保存有中國南方主要造林樹種杉木、馬尾松等。

2 研究方法與數(shù)據(jù)采集

本研究是“湖南省重點公益林生態(tài)效益監(jiān)測與評價”項目（2006～2010年）的階段成果，文章對湖南會同縣鷹嘴界國家級自然保護區(qū)不同森林類型保育土壤效益進行研究，所采用的數(shù)據(jù)來自于該項目2010年的部分數(shù)據(jù)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地的選建

根據(jù)線路調(diào)查和典型調(diào)查相結(jié)合的方法，本研究選擇闊葉林、杉木毛竹混交林、杉木林3種森林類型，并分別建立25.82 m×25.82 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進行每木檢尺，并對一些重要指標(biāo)進行測定（見表1）。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況Table 1 Basic situations of standard plots

2.2 土壤調(diào)查與測定

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選擇具有代表性的地點，挖掘土壤剖面進行觀測記錄，用環(huán)刀、鋁盒、布袋分別采集0～15 cm，15～30 cm土層土樣，土壤容重用環(huán)刀法, pH用電位電極法測定,有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法、全氮用開氏定氮法、全磷用鉬銻抗比色法、全鉀用火焰光度計法測定[11]。

2.3 森林土壤侵蝕模數(shù)的測定

對侵蝕模數(shù)的確定一般有3種方法[12]，本研究根據(jù)無林地與有林地的土壤侵蝕差異來計算。

2.4 森林保育土壤功能物質(zhì)量與價值量分析

采用我國2008年林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》[1]中的規(guī)定，按森林固土和保肥兩個指標(biāo)來計算。林分年固土量和林分年保肥量計算公式分別為：

式（1）、（2）中：A：林分面積（hm2）；X1：林地土壤侵蝕模數(shù)（t·hm-2a-1）；X2：無林地土壤侵蝕模數(shù)（t·hm-2a-1）；N、P、K、M：土壤含氮、磷、鉀及有機質(zhì)的量（%）

林分年固土價值和林分年保肥價值計算公式分別為：

式（3）、（4）中：C土：挖取和運輸單位體積土方所需費用（元·m-3）；ρ：土壤容重（t·m-3）；M：林分土壤有機質(zhì)含量（%）；C1、C2、C3：分別為磷酸二銨化肥、氯化鉀化肥有機質(zhì)價格（元·t-1）；R1、R2、R3：分別為磷酸二銨化肥含氮量、磷酸二銨化肥含磷量、氯化鉀化肥含鉀量（%）。

3 結(jié)果與分析

3.1 林地保育土壤物質(zhì)量分析

3.1.1 林地土壤理化性質(zhì)及主要肥力指標(biāo)的測定結(jié)果與分析

通過測定，得到3種森林類型不同土壤厚度有機質(zhì)及養(yǎng)分含量分布情況（見表2和表3）。

表2 不同森林類型土壤有機質(zhì)及養(yǎng)分含量分布情況Table 2 Distribution of organic matter and nutriont content in soils of different type forests

表3 不同森林類型林地的理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量情況Table 3 Physical ad chemical properties, and nutrient content in soils of different type forests

由表2可看出，有機質(zhì)、全氮、全磷含量隨著土層厚度的增加而顯著減少，0～15 cm土層中的含量為15～30 cm的1.31、1.58、1.30倍，而全鉀的含量隨土層厚度的增加而增大。這與一些學(xué)者研究結(jié)果一致，如林培松等[13]的研究表明有機碳沿土層深度的變異較大，表土層存在富集現(xiàn)象，同時，研究表明植被類型差異對淺層土壤有機碳的影響較大；羅歆等[14]研究了縉云山不同森林類型土壤養(yǎng)分狀況，也發(fā)現(xiàn)除了少數(shù)森林類型全鉀含量外，自上而下土壤養(yǎng)分全量逐漸降低。由表3，從總體上看，3種森林類型有機質(zhì)平均含量為3.145%，全氮平均含量為0.129%，全磷平均含量為0.050%，全鉀含量在1.302%。通過2009年湖南二類資源清查數(shù)據(jù)，算得湖南省林地有機質(zhì)平均含量為2.905%，全氮為0.159%，全磷為0.029%，全鉀為0.346%。相比之下，保護區(qū)森林肥力狀況高于湖南省森林平均水平。但與湖南省同類林地平均養(yǎng)分含量[15]相比，卻又處于較低水平。主要原因可能是該保護區(qū)內(nèi)山坡陡峭，坡度一般在30°以上。坡度越大，土壤所受的淋溶損失越嚴重。3種森林類型相比，保護區(qū)杉木毛竹混交林林地有機質(zhì)及養(yǎng)分含量相對較高，改善土壤養(yǎng)分狀況能力較強。

3.1.2 土壤肥力與影響因子的相關(guān)分析

由于坡度、坡向及土壤發(fā)育的母質(zhì)條件均相近，現(xiàn)就一些有較大差異的影響因子與土壤肥力進行相關(guān)分析，在SPSS19.0軟件下進行處理，顯著性水平為P＜0.05（見表4）。

表4 森林土壤肥力因子與一般影響因子的相關(guān)矩陣Table 4 Correlation matricx among forest soils fortility factors and general impacting factors

結(jié)果表明有機質(zhì)含量主要受到枯落物生物量、森林密度的影響，這與相關(guān)研究的結(jié)論基本一致[16-19]。森林土壤的有機質(zhì)主要來自枯枝落葉的氧化分解[20]，并且相關(guān)研究[21]表明，森林每年通過凋落物分解歸還土壤的N、P、K總量分別占森林生長所需N、P、K總量的70%～80%、65%～80%、30%～40%。林分組成是影響凋落物含量的一個因素[22]，不同森林類型，掉落物含量不同。研究區(qū)域林地土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出杉木毛竹混交林地＞闊葉林地＞杉木林地，其原因主要原因在于：一是杉木毛竹混交林地中林木高大密集，枯枝落葉相對豐富，并且毛竹細根較多，土壤有機質(zhì)與根系尤其是細根的死亡分解有關(guān)[23]；二是混交林中溫度、濕度優(yōu)于純林，而且凋落物種類豐富，可為更多種類的微生物和土壤動物提供代謝物質(zhì)，增加了食物鏈數(shù)量，進而促進物質(zhì)循環(huán)速率[24]；三是在近似高度及密度的條件下，闊葉林中的枯枝落葉量比杉木林要多。

從表4可看出，土壤中全氮與全磷、全氮與有機質(zhì)、全磷與有機質(zhì)，在含量上呈顯著正相關(guān)，表明土壤有機質(zhì)是土壤氮元素及磷元素的重要來源之一。各森林類型的樹種組成、凋落物含氮含磷量、葉子分解速度不同，各森林類型土壤的全氮、全磷含量也有差異。鉀元素是植物光合作用、淀粉合成和糖類轉(zhuǎn)化所必需的元素，其含量變化為闊葉林地＞杉木毛竹混交林地＞杉木林地，與森林郁閉度呈正相關(guān)關(guān)系。

3.1.3 林地保育土壤物質(zhì)量的測定及分析

土壤侵蝕模數(shù)在難以準(zhǔn)確時，可采用土壤流失方程，如ULSE、RULSE等[25-28]來估算侵蝕率。本文根據(jù)康文星、田大倫多年觀測與研究[15]，杉木林地土壤侵蝕模數(shù)平均為2.17 t/(hm2·a)，闊葉林為 0.73 t/(hm2·a)。

坡長、坡度等地形因子對坡面徑流、侵蝕產(chǎn)沙狀況影響較大。付興濤等[29]的研究表明，坡長對坡面產(chǎn)流有顯著影響。張會茹等 的研究發(fā)現(xiàn)坡度對紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙影響明顯。本文根據(jù)2009年湖南二類資源清查數(shù)據(jù)，得到湖南省林地平均坡度為25°。利用通用水土流失方程（ULSE）中地形因子LS對其進行修正。用王寧等[31]關(guān)于地形因子LS的估算方法，得到坡長坡度因子L S的計算表達式如下：

L S= (L/ 22.13)m×(0.085+0.045θ+ 0.0025θ2) (5)

L：坡長，θ：坡度。當(dāng)θ＞22.5°時，m=0.3。由公式(5)修正后得到杉木林地土壤侵蝕模數(shù)為2.93 t/(hm2·a)，闊葉林地土壤侵蝕模數(shù)為1.13 t/(hm2·a)。

表5 不同森林類型年固土量及保肥量Table 5 Annual amounts of solidifying soil and preserving nutrient in different type forests

毛竹林土壤侵蝕模數(shù)取近似環(huán)境條件下[32]的測定值，即2.97 t/(hm2·a)，杉木毛竹為1∶1混交，混交林土壤侵蝕模數(shù)取2.95 t/(hm2·a)。由公式（1）、（2）及表3算得森林年固土量及保肥量（見表5）。

從表5可看出,林地減少侵蝕模數(shù)幾乎接近無林地的侵蝕模數(shù)，其侵蝕模數(shù)也遠遠小于耕地平均侵蝕模數(shù)42 t/(hm2·a)[33]，說明林地植被具有強大的固持土壤的功能。三種森林類型間的侵蝕量存在一定的差異，每畝林地每年減少的土壤侵蝕量按大小依次為闊葉林＞杉木林＞杉木毛竹混交林，且杉木林與杉木毛竹林相差不明顯。這種差異主要受到林冠結(jié)構(gòu)、根系狀況、地被物數(shù)量及質(zhì)量等因素的影響。闊葉林枝繁葉茂，葉面積及冠幅大，枯枝落葉多且易分解，其根系發(fā)達，縱橫交錯，固土能力強。杉木林葉面積及冠幅小，年凋落物少且不易分解，根系也不發(fā)達，所以固土能力相對較弱。杉木毛竹混交林樹高、密度及林木樹齡均較大，加上坡度較大，除雨水對地表沖擊外，重力侵蝕作用也較強。

3.2 森林保育土壤經(jīng)濟價值測算與分析

挖取及短距離搬運單位土方約需要半小時，每小時人工費30元，用2011年定額計價每方土人工費20.25元進行修正，得人工挖取及搬運單位土方費用為17.6元。

磷酸二銨中含氮量14%、含磷量15%，氯化鉀中含鉀量50%。經(jīng)市場調(diào)查，2010年有機肥價格350元/t，磷酸二銨的市價2500元/t，氯化鉀2600元/t。由表3及公式（3）、（4）得森林年固土經(jīng)濟價值量和保肥經(jīng)濟價值量（見表6）。

從表6可看出，3種森林類型單位面積保育土壤經(jīng)濟價值大小依次為闊葉林＞杉木毛竹混交林＞杉木林，且3者相差不大?？偨?jīng)濟價值主要受保肥價值量的影響，而保肥價值量又以固土物質(zhì)量為基礎(chǔ)。從單株林木保育土壤價值效益來看，闊葉林＞杉木林＞杉木毛竹混交林，杉木毛竹混交林由于密度過大，在保育土壤效益上顯得不經(jīng)濟。

表6 不同森林類型年固土經(jīng)濟價值量及保肥經(jīng)濟價值量Table 6 Economic values of annual soil silidification and nutrient preservation in different type forests

4 結(jié) 論

(1)鷹嘴界自然保護區(qū)林地平均固土量為35.24 t·hm-2a-1，平均保育土壤價值為4 504.19 元·hm-2a-1，明顯高于亞熱帶其他一些保護區(qū)[34-35]森林保育土壤平均價值。表明該保護區(qū)森林保育土壤的生態(tài)功能效益較高。

(2)鷹嘴界自然保護區(qū)3種森林類型土壤中的有機質(zhì)、全磷、全鉀平均含量均高于湖南省林地平均水平，分別高出0.240%、0.021%、0.956%，全氮量僅表層達到平均含量，表明該保護區(qū)森林能夠較好改善土壤肥力狀況。

(3)林地有機質(zhì)、全氮、全磷含量隨著土層的加深而顯著減少，變化范圍依次為3.58%～2.71%、0.158%～ 0.100%、0.057%～ 0.044%，充分說明森林對土壤尤其是表層土壤具有建設(shè)性意義。3種森林類型相比，杉木毛竹混交林有機質(zhì)、全氮、全磷的含量最高，說明杉木毛竹混交林對土壤具有更好的保肥作用。杉木純林中適當(dāng)增加毛竹可提高土壤肥力。

(4)鷹嘴界自然保護區(qū)森林侵蝕模數(shù)遠小于裸地侵蝕模數(shù)及耕地侵蝕模數(shù)。表明森林覆被對土壤具有強大的保護功能[36]。林地侵蝕模數(shù)受地形因素，尤其是坡度的影響較大。在一定的坡度范圍內(nèi)，平均每增加1°，侵蝕模數(shù)增加0.06 t/(hm2·a)。

(5)從3種森林類型固土保肥價值總量來看，保護區(qū)內(nèi)闊葉林由于具有較大的固土功能，其單位面積價值量最大。就林地平均單株林木保育土壤價值來看，適宜的林木密度使得森林具有更大的保育土壤價值。

5 討 論

5.1 立地條件對保育土壤效益有一定的影響

坡度在25°以上不適于耕作[37]，因為營養(yǎng)元素容易流失，且容易受雨水的侵蝕。該保護區(qū)坡度一般均大于25°，導(dǎo)致林地一部分養(yǎng)分流失，與湖南同類森林土壤相比，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別低0.714%、0.074%、0.015%、0.825%，其肥力顯得相對較低。建議在闊葉林、杉木林地及其他純林中栽種部分竹林，依靠竹林密集的細根系統(tǒng)來提高土壤肥力。在對侵蝕模數(shù)進行修正時，由于數(shù)據(jù)的局限，僅對地形因子進行了修正；若能對降雨、土壤、植被覆蓋管理等侵蝕因子也進行修正，所得結(jié)果則更能精確地反映客觀侵蝕強度。

5.2 森林林分密度不同，保育土壤效益有所差異

從3種森林類型林分密度來看，林木稀疏或過于密集，固土保肥效益都不高。對于密度過小或過大的林地，適當(dāng)加以人工撫育、間伐，更有利于森林自身的良性生長。但是人類干擾會不會阻礙森林其他諸如涵養(yǎng)水源、凈化空氣等森林生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮，還有待進一步深入研究。

5.3 森林保育土壤效益評價指標(biāo)體系有待進一步完善

本文按照我國2008年林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》中固土和保肥兩個指標(biāo)進行評價，而同類研究多采用減少土地損失、減少土壤肥力損失、減輕泥沙淤積和滯留3個指標(biāo)[38-40]進行評價，評價結(jié)果將難免存在一定差距。這說明我國對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其經(jīng)濟價值的研究指標(biāo)體系尚未統(tǒng)一，有的學(xué)者還將森林控制土壤侵蝕量分成抵御水蝕和抵御風(fēng)蝕兩個指標(biāo)[9]。

5.4 盡快實現(xiàn)我國在保育土壤價值評估方法的標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)務(wù)之急

不同的方法所求得的價值大小有所差異。因此在計量各功能服務(wù)價值時，還需繼續(xù)加強對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能機理方面的研究。筆者認為，在計算保育土壤總價值時，應(yīng)按照固土和保肥效益等指標(biāo)對總效益的貢獻，賦予一定的權(quán)重，再進行加總，得出的結(jié)果將更貼近實際價值。因此，對評價指標(biāo)權(quán)重的研究也是非常重要的。

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Study on benefits of soil conservation from different forest types in Yingzuijie Nature Reserve

WANG Zhong-cheng1,2, WEN Shi-zhi1,3, HU Yue-li1, HUA Hua1
(1.School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004; 2. Forestry Economy Management Research Center, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004; 3. State Key Laboratory of Ecological Applied Technology in Forest Area of South China, Changsha 410004)

In order to research soil conservation function and benefits of the forest ecosystem, Yingzuijie Nature Reserve was selected as a research area. Based on field investigation and indoor analysis methods, the soil conservation function and benefits of the broad leaf forest, Chinese fir forest, mixed forest of Chinese fir and Moso bamboo were investigated, and the economic values of soil conservation produced by the three types of forests were calculated by using shade engineering and market value method, which is aimed at providing basic data for the protection and management of ecological environment and waking up people to protect the environment, especially to develop the consciousness of protecting the forest resources. The results of the study show that the economic values of soil conversation for different forest types in the reserve area ranked from big to small as followings: broad leaf forest ＞ mixed forest of Chinese fir and Moso bamboo ＞ Chinese fir forest; for a single tree, because of it’s large density the economic value of soil conversation of mixed forest of Chinese fir and Moso bamboo was the lowest; planting some Moso bamboos with appropriate number in Chinese fir forest can enhances soil fertility; as to holding the soil, reducing some Moso bamboos with appropriate number in mixed forest of Chinese fir and Moso bamboo can achieve a better effect.

soil conservation; forest types; shade engineering; market value method; Yingzuijie Nature Reserve

S759.93

A

1673-923X(2012)08-0052-06

2012-01-24

國家林業(yè)局重點項目“南方榿木人工林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營開發(fā)應(yīng)用”(2008012)；湖南省科技攻關(guān)計劃項目“重點公益林資源和生態(tài)效益監(jiān)測”(2006NK3107)；教育部“資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專業(yè)國家一類特色專業(yè)建設(shè)項目”(601-0004)

王忠誠(1970—)，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士研究生，主要從事森林生態(tài)與水土保持、土地生態(tài)利用與評價等領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作；E-mail：wzc366@163.com

[本文編校：吳 彬]