鹰嘴界自然保护区不同森林类型保育土壤效益研究

王忠诚，文仕知，胡曰利，华 华

鹰嘴界自然保护区不同森林类型保育土壤效益研究

王忠诚1,2，文仕知1,3，胡曰利1，华 华1

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.中南林业科技大学 农林经济管理研究中心，湖南长沙410004；3.南方林业生态应用国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

为了研究森林生态系统保育土壤的功能及效益，以鹰嘴界自然保护区为研究对象区域，采用野外调查与室内分析相结合的方法，对该保护区内阔叶林、杉木毛竹混交林和杉木林3种森林类型保育土壤功能与效益进行分析, 并运用影子工程法及市场价值法对保护区3种森林类型保育土壤效益进行了价值核算，旨在为保护区森林生态环境的保护和经营管理提供决策依据。研究结果表明：该保护区3种森林类型单位面积保育土壤平均经济价值大小依次为阔叶林＞杉木毛竹混交林＞杉木林；就单株林木来讲，杉木毛竹混交林由于密度过大，其保育土壤效益最低；从保肥效益讲，在杉木纯林中种植适当数量的毛竹能取得较好效果；从固土效益讲，杉木毛竹混交林中应适当减少毛竹比重。

保育土壤；森林类型；影子工程法；市场价值法；鹰嘴界自然保护区

森林保育土壤功能指森林中活地被物和凋落物层层截留降水，降低水滴对表土的冲击和地表径流的侵蚀作用；同时林木根系固持土壤，防止土壤崩塌泻溜，减少土壤肥力损失以及改善土壤结构的功能[1]。森林保育土壤功能是森林生态服务功能之一，也是最直观、显著的一种生态功能。

国内外许多学者研究了植被减少及削弱雨水对土壤的侵蚀[2-5]。研究显示，即使平均直径只有0.8 mm粗的细根，也具有固持1.31 kg土壤的能力[4]。森林依靠其林冠、树干及林下灌木草本、枯落物等对雨水的截留作用，很大程度上减小了雨水对地表的冲蚀作用。研究发现森林植被可减少地表径流和土壤冲刷70%～80%，大大减少矿质元素的流失[5]。不同植被条件下水土保持功效存在较大差异，林地雨水入渗比例为88%，是荒地的3倍，是草地的2.5倍，是坡耕地的2倍，且荒地的径流量是林地的11倍，荒地的产沙量是林地的180倍[6]。研究土壤养分时发现，森林土壤养分状况与构成林分的树种及树种组成、林分结构等林分因子有着密切的关系[7]。近些年来，许多学者对森林植被保育土壤功能在内的生态系统服务价值进行了经济价值评价[8-9]。

鹰嘴界自然保护区位于泥石流、滑坡等自然灾害频发的湘西南地区，该保护区内森林生态系统是在特殊的硅质岩干旱、瘠薄环境下形成和保存下来的，山坡陡峭，森林生态环境和资源一旦破坏，难以恢复。本文从不同森林类型出发来研究其保育土壤效益，并分析其差异性及其原因，为鹰嘴界自然保护区乃至整个湘西南森林资源的规划和开发提供科学依据。

1 试验地概况

试验地设在湖南省会同县境内的鹰嘴界国家级自然保护区。地理坐标为东经109°49′～109°58′， 北 纬 26°46′～ 26°59′， 保 护 区 南 北 长20.4 km，东西宽10.6 km，总面积159 km2。保护区地貌属于中低山山区，峭壁悬崖较多，山不高而山坡陡峭，坡不长而坡度大，坡度一般在30°以上，海拔一般在350～700 m之间。该区属于亚热带湿润气候，平均气温13.4 ℃～16.6 ℃，年均降水量1 453 mm，无霜期303 d，有雾日55 d，年日照数1 462.7 h[10]。保护区保存了由山地系统、沟涧系统和森林群落组成的典型的常绿阔叶林群落，有甜槠林、桢楠林、黔桂润楠林、钩栗林、薯豆林、青冈栎林等16个群系，为地带性顶极群落。还保存有中国南方主要造林树种杉木、马尾松等。

2 研究方法与数据采集

本研究是“湖南省重点公益林生态效益监测与评价”项目（2006～2010年）的阶段成果，文章对湖南会同县鹰嘴界国家级自然保护区不同森林类型保育土壤效益进行研究，所采用的数据来自于该项目2010年的部分数据。

2.1 标准地的选建

根据线路调查和典型调查相结合的方法，本研究选择阔叶林、杉木毛竹混交林、杉木林3种森林类型，并分别建立25.82 m×25.82 m的标准样地，在各标准地内进行每木检尺，并对一些重要指标进行测定（见表1）。

表1 各标准样地基本情况Table 1 Basic situations of standard plots

2.2 土壤调查与测定

在标准地内选择具有代表性的地点，挖掘土壤剖面进行观测记录，用环刀、铝盒、布袋分别采集0～15 cm，15～30 cm土层土样，土壤容重用环刀法, pH用电位电极法测定,有机质用重铬酸钾容量法、全氮用开氏定氮法、全磷用钼锑抗比色法、全钾用火焰光度计法测定[11]。

2.3 森林土壤侵蚀模数的测定

对侵蚀模数的确定一般有3种方法[12]，本研究根据无林地与有林地的土壤侵蚀差异来计算。

2.4 森林保育土壤功能物质量与价值量分析

采用我国2008年林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》[1]中的规定，按森林固土和保肥两个指标来计算。林分年固土量和林分年保肥量计算公式分别为：

式（1）、（2）中：A：林分面积（hm2）；X1：林地土壤侵蚀模数（t·hm-2a-1）；X2：无林地土壤侵蚀模数（t·hm-2a-1）；N、P、K、M：土壤含氮、磷、钾及有机质的量（%）

林分年固土价值和林分年保肥价值计算公式分别为：

式（3）、（4）中：C土：挖取和运输单位体积土方所需费用（元·m-3）；ρ：土壤容重（t·m-3）；M：林分土壤有机质含量（%）；C1、C2、C3：分别为磷酸二铵化肥、氯化钾化肥有机质价格（元·t-1）；R1、R2、R3：分别为磷酸二铵化肥含氮量、磷酸二铵化肥含磷量、氯化钾化肥含钾量（%）。

3 结果与分析

3.1 林地保育土壤物质量分析

3.1.1 林地土壤理化性质及主要肥力指标的测定结果与分析

通过测定，得到3种森林类型不同土壤厚度有机质及养分含量分布情况（见表2和表3）。

表2 不同森林类型土壤有机质及养分含量分布情况Table 2 Distribution of organic matter and nutriont content in soils of different type forests

表3 不同森林类型林地的理化性质及养分含量情况Table 3 Physical ad chemical properties, and nutrient content in soils of different type forests

由表2可看出，有机质、全氮、全磷含量随着土层厚度的增加而显著减少，0～15 cm土层中的含量为15～30 cm的1.31、1.58、1.30倍，而全钾的含量随土层厚度的增加而增大。这与一些学者研究结果一致，如林培松等[13]的研究表明有机碳沿土层深度的变异较大，表土层存在富集现象，同时，研究表明植被类型差异对浅层土壤有机碳的影响较大；罗歆等[14]研究了缙云山不同森林类型土壤养分状况，也发现除了少数森林类型全钾含量外，自上而下土壤养分全量逐渐降低。由表3，从总体上看，3种森林类型有机质平均含量为3.145%，全氮平均含量为0.129%，全磷平均含量为0.050%，全钾含量在1.302%。通过2009年湖南二类资源清查数据，算得湖南省林地有机质平均含量为2.905%，全氮为0.159%，全磷为0.029%，全钾为0.346%。相比之下，保护区森林肥力状况高于湖南省森林平均水平。但与湖南省同类林地平均养分含量[15]相比，却又处于较低水平。主要原因可能是该保护区内山坡陡峭，坡度一般在30°以上。坡度越大，土壤所受的淋溶损失越严重。3种森林类型相比，保护区杉木毛竹混交林林地有机质及养分含量相对较高，改善土壤养分状况能力较强。

3.1.2 土壤肥力与影响因子的相关分析

由于坡度、坡向及土壤发育的母质条件均相近，现就一些有较大差异的影响因子与土壤肥力进行相关分析，在SPSS19.0软件下进行处理，显著性水平为P＜0.05（见表4）。

表4 森林土壤肥力因子与一般影响因子的相关矩阵Table 4 Correlation matricx among forest soils fortility factors and general impacting factors

结果表明有机质含量主要受到枯落物生物量、森林密度的影响，这与相关研究的结论基本一致[16-19]。森林土壤的有机质主要来自枯枝落叶的氧化分解[20]，并且相关研究[21]表明，森林每年通过凋落物分解归还土壤的N、P、K总量分别占森林生长所需N、P、K总量的70%～80%、65%～80%、30%～40%。林分组成是影响凋落物含量的一个因素[22]，不同森林类型，掉落物含量不同。研究区域林地土壤有机质含量呈现出杉木毛竹混交林地＞阔叶林地＞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，枯枝落叶相对丰富，并且毛竹细根较多，土壤有机质与根系尤其是细根的死亡分解有关[23]；二是混交林中温度、湿度优于纯林，而且凋落物种类丰富，可为更多种类的微生物和土壤动物提供代谢物质，增加了食物链数量，进而促进物质循环速率[24]；三是在近似高度及密度的条件下，阔叶林中的枯枝落叶量比杉木林要多。

从表4可看出，土壤中全氮与全磷、全氮与有机质、全磷与有机质，在含量上呈显著正相关，表明土壤有机质是土壤氮元素及磷元素的重要来源之一。各森林类型的树种组成、凋落物含氮含磷量、叶子分解速度不同，各森林类型土壤的全氮、全磷含量也有差异。钾元素是植物光合作用、淀粉合成和糖类转化所必需的元素，其含量变化为阔叶林地＞杉木毛竹混交林地＞杉木林地，与森林郁闭度呈正相关关系。

3.1.3 林地保育土壤物质量的测定及分析

土壤侵蚀模数在难以准确时，可采用土壤流失方程，如ULSE、RULSE等[25-28]来估算侵蚀率。本文根据康文星、田大伦多年观测与研究[15]，杉木林地土壤侵蚀模数平均为2.17 t/(hm2·a)，阔叶林为 0.73 t/(hm2·a)。

坡长、坡度等地形因子对坡面径流、侵蚀产沙状况影响较大。付兴涛等[29]的研究表明，坡长对坡面产流有显著影响。张会茹等 的研究发现坡度对红壤坡面侵蚀产沙影响明显。本文根据2009年湖南二类资源清查数据，得到湖南省林地平均坡度为25°。利用通用水土流失方程（ULSE）中地形因子LS对其进行修正。用王宁等[31]关于地形因子LS的估算方法，得到坡长坡度因子L S的计算表达式如下：

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

L：坡长，θ：坡度。当θ＞22.5°时，m=0.3。由公式(5)修正后得到杉木林地土壤侵蚀模数为2.93 t/(hm2·a)，阔叶林地土壤侵蚀模数为1.13 t/(hm2·a)。

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

毛竹林土壤侵蚀模数取近似环境条件下[32]的测定值，即2.97 t/(hm2·a)，杉木毛竹为1∶1混交，混交林土壤侵蚀模数取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（见表5）。

从表5可看出,林地减少侵蚀模数几乎接近无林地的侵蚀模数，其侵蚀模数也远远小于耕地平均侵蚀模数42 t/(hm2·a)[33]，说明林地植被具有强大的固持土壤的功能。三种森林类型间的侵蚀量存在一定的差异，每亩林地每年减少的土壤侵蚀量按大小依次为阔叶林＞杉木林＞杉木毛竹混交林，且杉木林与杉木毛竹林相差不明显。这种差异主要受到林冠结构、根系状况、地被物数量及质量等因素的影响。阔叶林枝繁叶茂，叶面积及冠幅大，枯枝落叶多且易分解，其根系发达，纵横交错，固土能力强。杉木林叶面积及冠幅小，年凋落物少且不易分解，根系也不发达，所以固土能力相对较弱。杉木毛竹混交林树高、密度及林木树龄均较大，加上坡度较大，除雨水对地表冲击外，重力侵蚀作用也较强。

3.2 森林保育土壤经济价值测算与分析

挖取及短距离搬运单位土方约需要半小时，每小时人工费30元，用2011年定额计价每方土人工费20.25元进行修正，得人工挖取及搬运单位土方费用为17.6元。

磷酸二铵中含氮量14%、含磷量15%，氯化钾中含钾量50%。经市场调查，2010年有机肥价格350元/t，磷酸二铵的市价2500元/t，氯化钾2600元/t。由表3及公式（3）、（4）得森林年固土经济价值量和保肥经济价值量（见表6）。

从表6可看出，3种森林类型单位面积保育土壤经济价值大小依次为阔叶林＞杉木毛竹混交林＞杉木林，且3者相差不大。总经济价值主要受保肥价值量的影响，而保肥价值量又以固土物质量为基础。从单株林木保育土壤价值效益来看，阔叶林＞杉木林＞杉木毛竹混交林，杉木毛竹混交林由于密度过大，在保育土壤效益上显得不经济。

表6 不同森林类型年固土经济价值量及保肥经济价值量Table 6 Economic values of annual soil silidification and nutrient preservation in different type forests

4 结 论

(1)鹰嘴界自然保护区林地平均固土量为35.24 t·hm-2a-1，平均保育土壤价值为4 504.19 元·hm-2a-1，明显高于亚热带其他一些保护区[34-35]森林保育土壤平均价值。表明该保护区森林保育土壤的生态功能效益较高。

(2)鹰嘴界自然保护区3种森林类型土壤中的有机质、全磷、全钾平均含量均高于湖南省林地平均水平，分别高出0.240%、0.021%、0.956%，全氮量仅表层达到平均含量，表明该保护区森林能够较好改善土壤肥力状况。

(3)林地有机质、全氮、全磷含量随着土层的加深而显著减少，变化范围依次为3.58%～2.71%、0.158%～ 0.100%、0.057%～ 0.044%，充分说明森林对土壤尤其是表层土壤具有建设性意义。3种森林类型相比，杉木毛竹混交林有机质、全氮、全磷的含量最高，说明杉木毛竹混交林对土壤具有更好的保肥作用。杉木纯林中适当增加毛竹可提高土壤肥力。

(4)鹰嘴界自然保护区森林侵蚀模数远小于裸地侵蚀模数及耕地侵蚀模数。表明森林覆被对土壤具有强大的保护功能[36]。林地侵蚀模数受地形因素，尤其是坡度的影响较大。在一定的坡度范围内，平均每增加1°，侵蚀模数增加0.06 t/(hm2·a)。

(5)从3种森林类型固土保肥价值总量来看，保护区内阔叶林由于具有较大的固土功能，其单位面积价值量最大。就林地平均单株林木保育土壤价值来看，适宜的林木密度使得森林具有更大的保育土壤价值。

5 讨 论

5.1 立地条件对保育土壤效益有一定的影响

坡度在25°以上不适于耕作[37]，因为营养元素容易流失，且容易受雨水的侵蚀。该保护区坡度一般均大于25°，导致林地一部分养分流失，与湖南同类森林土壤相比，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别低0.714%、0.074%、0.015%、0.825%，其肥力显得相对较低。建议在阔叶林、杉木林地及其他纯林中栽种部分竹林，依靠竹林密集的细根系统来提高土壤肥力。在对侵蚀模数进行修正时，由于数据的局限，仅对地形因子进行了修正；若能对降雨、土壤、植被覆盖管理等侵蚀因子也进行修正，所得结果则更能精确地反映客观侵蚀强度。

5.2 森林林分密度不同，保育土壤效益有所差异

从3种森林类型林分密度来看，林木稀疏或过于密集，固土保肥效益都不高。对于密度过小或过大的林地，适当加以人工抚育、间伐，更有利于森林自身的良性生长。但是人类干扰会不会阻碍森林其他诸如涵养水源、净化空气等森林生态服务功能的发挥，还有待进一步深入研究。

5.3 森林保育土壤效益评价指标体系有待进一步完善

本文按照我国2008年林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》中固土和保肥两个指标进行评价，而同类研究多采用减少土地损失、减少土壤肥力损失、减轻泥沙淤积和滞留3个指标[38-40]进行评价，评价结果将难免存在一定差距。这说明我国对生态系统服务功能及其经济价值的研究指标体系尚未统一，有的学者还将森林控制土壤侵蚀量分成抵御水蚀和抵御风蚀两个指标[9]。

5.4 尽快实现我国在保育土壤价值评估方法的标准化是当务之急

不同的方法所求得的价值大小有所差异。因此在计量各功能服务价值时，还需继续加强对森林生态系统服务功能机理方面的研究。笔者认为，在计算保育土壤总价值时，应按照固土和保肥效益等指标对总效益的贡献，赋予一定的权重，再进行加总，得出的结果将更贴近实际价值。因此，对评价指标权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

国家林业局重点项目“南方桤木人工林生态系统可持续经营开发应用”(2008012)；湖南省科技攻关计划项目“重点公益林资源和生态效益监测”(2006NK3107)；教育部“资源环境与城乡规划管理专业国家一类特色专业建设项目”(601-0004)

王忠诚(1970—)，男，副教授，硕士研究生导师，博士研究生，主要从事森林生态与水土保持、土地生态利用与评价等领域的教学与科研工作；E-mail：wzc366@163.com

[本文编校：吴 彬]