ABSTRACT

Water conservation and soil conservation are the most important function of forest ecosystem services. We took Luoshan National Nature Reserve as a study area. According to the forestry industry standard of the People's Republic of China “ Forest Ecosystem Services Evaluate Specification” (LY/T 1721-2008), we measured some indicators such as precipitation, soil bypass flow, soil unit weight, amount of soil nutrition, and soil erosion, etc., which could calculate the values of the water conservation and soil conservation service. The results show: 1) Different vegetations have the significant differences in annual amount of water regulating, amount of water regulating per unit area and the value of regulating/purifying water (P < 0.01). The rate of contribution of different vegetation to amount of water regulating in study area is Chinese pine > other bushes > spruce > aspen > Caragana korshinskii > white birch. The amount of water regulating per unit area is Chinese pine > aspen > white birch > spruce > other bushes > Caragana korshinskii. 2) There are significant differences in soil conservation value and soil conservation value in per unit of different vegetations (P < 0.01), the soil conservation value is Chinese pine > spruce > other bushes > Caragana korshinskii > aspen > white birch. The soil conservation value in per unit is spruce > Chinese pine > aspen > white birch > other bushes. 3) There is the significant difference among fertilizer preservation values of different vegetations (P < 0.01), and it has significantly positively correlated with the content of nitrogen, potassium and organic matter in soil. The fertilizer preservation value is spruce > other bushes > Chinese pine > aspen > white birch > Caragana korshinskii. There are no differences among the fertilizer preservation values in per unit of different vegetations (P > 0.05).

Keywords:Water Conservation, Soil Conservation, Service Values, Different Vegetation Types, Luoshan

宁夏罗山自然保护区不同植被类型水源涵养及保育土壤功能价值评估

熊泽钦¹，魏浩男²，卞莹莹^2*

¹宁夏罗山国家级自然保护区管理局，宁夏 吴忠

²宁夏大学农学院，宁夏 银川

收稿日期：2019年6月13日；录用日期：2019年6月28日；发布日期：2019年7月5日

摘 要

本文依据中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)，以宁夏罗山自然保护区不同植被为研究对象，通过测定研究区内不同植被样地降雨量、土壤径流量、土壤容重、全量养分、土壤侵蚀量等相关指标，对研究区内不同植被水源涵养、保育土壤物质量和价值量进行评估，得到以下结果：1) 不同植被调节水量、单位面积调节水量、调节/净化水价值有极显著差异(P < 0.01)，调节水量与其面积显著正相关，相关系数为0.88。不同植被对研究区森林调节水量贡献率为油松 > 其他灌木 > 云杉 > 山杨 > 柠条 > 白桦。单位面积调节/净化水价值为油松 > 山杨 > 白桦 > 云杉 > 其他灌木 > 柠条。2) 不同植被固土价值、单位面积固土价值有极显著差异，固土价值为油松 > 云杉 > 其他灌木 > 柠条 > 山杨 > 白桦，单位面积固土价值为云杉 > 油松 > 山杨 > 白桦 > 其他灌木 > 柠条。3) 不同植被保肥价值有极显著差异，与其土壤中氮、钾、有机质含量显著正相关，保肥价值为云杉 > 其他灌木 > 油松 > 山杨 > 白桦 > 柠条，不同植被单位面积保肥价值无显著差异。

关键词 :水源涵养，保育土壤，价值评估，不同植被类型，罗山

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1. 引言

森林生态系统具有结构复杂、类型多样、稳定性强、生产力高等特点 [1] ，是地球生命的支持系统，是维持生命物质的水文循环系统和生物地化循环系统 [2] 。水源涵养、保育土壤是森林生态系统重要的环境服务功能。森林的水源涵养功能通过林分的林冠截留、枯落物拦截和土壤储水对降雨量的再分配来体现的 [3] ，通过径流调节和水源涵养功能，降低洪峰流量、减缓洪峰到来的速度，将洪水破坏力降到最低 [4] 。此外，森林生态系统通过减少土壤侵蚀，减少土壤肥力的损失，改善土壤结构，从而达到水土保持的功能 [5] [6] 。罗山国家级自然保护区与贺兰山、六盘山齐名为宁夏三大天然林区，是宁夏中部的水源涵养林和区域生态环境的重要屏障 [7] 。本文对罗山国家级自然保护区内不同植被类型的水源涵养和保育土壤功能进行定量分析及价值评估，探讨不同植被类型涵养水源和保育土壤能力的大小，目的是增进对保护区内森林生态系统水源涵养、土壤保育价值的科学认知，为保护区内森林资源的合理经营与保护提供理论依据。

2. 研究区概况

宁夏罗山国家级自然保护区位于宁夏回族自治区吴忠市同心县和红寺堡开发区境内，地理位置北纬37˚11'~37˚25'，东经106˚04′~106˚24'，由南北走向的大、小罗山两个山体构成 [8] ，海拔1560.00~2624.50 m，总面积33,710.00 hm²，森林覆盖率18.13%，活立木总蓄积量220,434.82 m³ [9] 。保护区属温带干旱大陆性气候，冬春长、夏秋短 [10] ，年平均日照2881.50 h，年平均气温7.2℃~10.6℃，年平均降水量268.9 mm，降水量少而集中且年际变化大，年平均蒸发量为2460 mm。保护区内植被类型随海拔升高而变化，海拔2100 m以下的阳坡和山麓为暖温带荒漠草原，主要分布有锦鸡儿属、红砂、猪毛菜等耐旱小灌木和草类；海拔2100~2500 m，主要分布有油松、山杨以及灰榆、白桦等；海拔2500米以上，主要为云杉、山杨等。大小罗山主要的土壤类型有：暗灰褐土、灰褐土、石灰性灰褐土、灰钙土、淡灰钙土、粗骨土、新积土、风沙土等，并呈典型的垂直地带性分布。

3. 材料与方法

3.1. 实验设计

2017年1月至2018年12月，在立地条件和林分郁闭度相近的云杉林、山杨林、白桦林、油松纯林、其他灌木林地、柠条灌木林地中各设置标准样地(20 m × 20 m) 3块。在各标准样地中，沿各样地的坡向，分别在坡上、中、下部设置1 m × 1 m样方。在样方中按对角线选择采样点5个。标准样地具体情况如表1。

表1. 标准样地情况

3.2. 相关指标测定方法

3.2.1. 降雨量测定

研究区内降雨量测定来源于布设在各标准样地内外的雨量筒，每次降雨后采集单次降雨量数据，记录数据并倒空雨量筒。

3.2.2. 土壤采集

从2017年1月起至2018年12月，每月15日采集土壤样品，如遇到降水，在降水结束补充采样。根据罗山科考调查报告，研究区土壤层较薄，一般至100 cm深，从土壤表层至50 cm左右处为沉积层，分布有大量砾石，土壤采集困难，因此取样至40 cm。在各样地采样点，用土钻按 0~10 cm，10~40 cm土层取样，各土层3个重复，分层取样后，相同层均匀混合，所有土样挑去活体根系，密封后带回实验室内，仔细除去其中可见植物残体及土壤动物，过100目筛，供室内分析使用，用于土壤含水量、土壤养分含量测定。

3.2.3. 土壤储水量测定

采用烘干法测定土壤质量含水量 [11] 。将各土层采集到的土壤样品混合均匀，取一干燥的铝盒称重，在其中加土约5 g后再称重。将盛有土壤样品的铝盒 置于 105 ℃ ± 5 ℃ 下烘干至恒重后取出，放入干燥器内，冷却20 min称重，计算每层土壤质量含水量，计算公式如下：

$SMC=\left[\left(B_1+W_1\right)-\left(B_2+W_2\right)\right]/\left[\left(B_1+W_1\right)-B_0\right]\times 100\%$

B₁：烘干前铝盒重量；W₁：烘干前土壤重量；B₂：烘干后铝盒重量；W₁：烘干后前土壤重量；B₀：烘干铝盒的重量。

每层土壤储水量计算式为：

$SMS=SMC\times \rho \times H$

式中：SMC (Soil Moisture Content)为每层土壤含水量，%；SMS (Soil Moisture Storage)为每层土壤储水量，mm；ρ为土壤容重，g/cm³；H为每层取样深度，mm。

3.2.4. 蒸散量测定

采用水量平衡方程计算蒸散量，公式如下：

$E=P-\Delta SMS-R$

式中：P为大气降水量(mm)；E为蒸散量(mm)，ΔSMS为土壤贮水变化量(mm)；R为土壤径流量(mm)。

3.2.5. 土壤径流量测定

采用原状土模拟法测定土壤径流。分别在乔木、灌木林地标各准样地中进行，每块土体尽量保持原有结构，坡度 ≥ 5˚，每块土体面积为0.4 m³，土体用4块面积为1 m × 0.4 m的PVC板围成，插入土中30 cm外露10 cm，防止降雨泥沙溅出和试验土体外围水分进入，在土体的第四边距试验土体表层土壤5 cm、10 cm、20 cm和30 cm处均设置导流管外接橡胶软管，分别用于收集地表径流(0~5 cm)和壤中流(5~30 cm)。

3.2.6. 土壤容重测定

用铁铲铲平各样地采样点，将环刀托放在已知质量的环刀(精确至0.01 g)上，环刀内壁擦上凡士林，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满土样为止，每个土层3个重复样品。 用削土刀切开环刀周围的土样，取出已充满土的环刀，用削土刀细心削平环刀两端多余的土，并擦拭干净环刀外面的土，立即加盖以免水分蒸发，带回实验室。将盛有土样的环刀除去顶盖，然后放入烘箱中，在105℃ ± 2 ℃ 下烘干4 h，再在干燥器中冷却后，称重(精确至0.01 g)。

3.2.7. 土壤养分测定

土壤全氮、全磷、全钾测定参照《土壤农化分析》中的方法进行 [11] 。

3.2.8. 土壤侵蚀量测定

采用钢钎法测定土壤侵蚀量。将直径0.5~1.0 cm、长50~100 cm类似钉子形状的钢钎，沿铅垂方向，按一定距离分上中下打入标准样地，钉帽与坡面齐平，上涂红漆，编号登记入册，同时测量坡面坡度值。在每次降雨后，观测钉帽距地面高度并记录。

3.3. 相关指标计算方法

依据中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)，森林涵养水源主要功能表现在增加可利用水资源、净化水质和调节径流三个方面，本研究选择调节水量和净化水质两部分进行的效益评价，采用替代工程法进行价值评估。保育土壤功能主要表现在固土和保肥两方面，森林固土功能主要从有林地地区相对无林地地区减少的土壤侵蚀模数进行估算，保肥功能是指有林地地区相比无林地地区较少土壤侵蚀，避免带走大量的土壤以及土壤内的营养物质，例如氮、磷、钾以及有机质等，防止土壤肥力下降。具体指标及计算公式表2。

表2. 森林涵养水源及保育土壤功能效益评价指标及相关计算公式

注：表格中计算公式来源于森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)。

4. 结果与分析

4.1. 不同植被涵养水源功能比较

4.1.1. 不同植被涵养水源物质量比较

不同植被水源涵养物质量有极显著差异(P < 0.01)，油松涵养水源物质量最大，为9011.28 ± 237.28 t∙a⁻¹，其他灌木与其无显著差异；云杉涵养水源物质量次之，再次为山杨和柠条，白桦涵养水源物质量最小，仅为787.45 ± 15.11 t∙a⁻¹。不同植被单位面积调节水量有极显著差异(P < 0.01)，油松单位面积调节水量为所有植被类型种最高，为46.22 ± 10.17 t∙a⁻¹，并与白桦山杨无显著差异；云杉单位面积调节水量与油松有显著差异，但与白桦、山杨、其他灌木无差异，为36.52 ± 3.59 t∙a⁻¹；柠条单位面积调节水量最小，仅为14.81 ± 0.39 t∙a⁻¹ (图1)。

图1. 不同植被调节水量

4.1.2. 不同植被涵养水源价值比较

如表3所示，不同植被涵养水源价值有极显著差异(P < 0.01)。油松调节\净化水价值最高，其他灌木与其无显著差异；其次是云杉，与其他植被有显著差异；再次为山杨，其与柠条无显著差异；最后为白桦，与其他植被有显著差异。不同植被对研究区森林调节水量贡献率为油松 > 其他灌木 > 云杉 > 山杨 > 柠条 > 白桦。相关分析结果表明，研究区不同植被类型调节水量与其面积呈显著成相关关系(P = 0.021)。不同植被单位调节/净化水价值有极显著差异(P < 0.01)。单位面积油松调节/净化水价值量最高，白桦、山杨与其无显著差异；云杉次之，其他灌木与其无显著差异；单位面积柠条调节/净化水价值量最低。

表3. 不同植被调节水与净化水价值量比较

注：^* ：P < 0.05，^**：P < 0.001 同列不同小写字母表示差异显著。

4.2. 不同植被保育土壤功能比较

4.2.1. 不同植被保育土壤物质量比较

如图2，不同植被固土量有极显著差异(P < 0.01)，其他灌木 > 油松 > 柠条 > 云杉 > 山杨 > 白桦，其中云杉年固土量与柠条无显著差异。不同植被单位面积固土量有显著差异(P < 0.05)，云杉单位面积固土量最大，为29.69 ± 0.16 t∙a⁻¹∙hm⁻²，与山杨、油松无显著差异；油松、山杨单位面积固土量与柠条、其他灌木、白桦无显著差异；白桦单位面积固土量最少，仅为27.73 ± 1.17 t∙a⁻¹∙hm⁻²。

图2. 不同植被固土量

如图3，不同植被固氮量有极显著差异(P < 0.01)。云杉固氮量最高，为9856.18 ± 1052.96 t∙a⁻¹，并与其他植被有显著差异；油松次之；山杨、白桦、柠条固氮量低于其他灌木，且三者之间无显著差异。不同植被单位面积固氮量有极显著差异(P < 0.01)。单位面积云杉固氮量最高，为17.35 ± 1.85 t∙a⁻¹∙hm⁻²，并与其他植被有显著差异；油松、山杨、白桦次之，且三者之间无显著差异；单位面积其他灌木固氮量高于柠条。

图3. 不同植被固氮量

如图4，不同植被固磷量有极显著差异(P < 0.01)。云杉固磷量最多，且与其他灌木无显著差异；油松次之；山杨、柠条固磷量低于油松，且两者间无显著差异；白桦固磷量最低，仅为94.48 ± 7.86 t∙a⁻¹。不同植被单位面积固磷量无显著差异(P > 0.05)，云杉 > 油松 > 山杨 > 白桦 > 其他灌木 > 柠条。

图4. 不同植被固磷量

如图5，不同植被固钾量有极显著差异(P < 0.01)。其他灌木固钾量最高，为191,199.59 ± 12,176.43 t∙a⁻¹，且与其他植被有显著差异；白桦固磷量最少，仅为2259.37 ± 263.16 t∙a⁻¹。不同植被单位面积固钾量无显著差异(P > 0.05)，云杉 > 其他灌木 > 油松 > 山杨 > 白桦 > 柠条。

图5. 不同植被固钾量

4.2.2. 不同植被保育土壤价值量比较

如表4所示，不同植被固土价值有极显著差异(P < 0.01)，其固土价值及对研究区森林固土价值贡献率为油松 > 云杉 > 其他灌木 > 柠条 > 山杨 > 白桦。不同植被单位面积固土价值有极显著差异(P < 0.01)，云杉单位面积固土价值最大，为14.48 ± 0.08元∙a⁻¹∙hm⁻²，柠条最小，仅为6.66 ± 0.04元∙a⁻¹∙hm⁻²。不同植被保肥价值有极显著差异(P < 0.01)，其保肥价值及对研究区森林保肥价值贡献率为云杉 > 其他灌木 > 油松 > 山杨 > 柠条 > 白桦。不同植被单位面积保肥价值无显著差异(P > 0.05)，单位面积其他灌木保肥价值最高，为7.63 ± 0.53万元∙a⁻¹∙hm⁻²，单位面积柠条保肥最低，仅为0.43 ± 0.03万元∙a⁻¹∙hm⁻²。

表4. 不同植被固土价值

注：^*： P < 0.05，^**：P < 0.001 同列不同小写字母表示差异显著。

4.3. 不同植被固土保肥价值与植被面积、土壤养分相关分析

采用Pearson相关分析，分析植被的面积、土壤养分与其固土保肥价值与之间的相关性。植被面积与调节水量、调节水价值、净化水价值、固土价值有显著性差异(P < 0.05)。植被土壤氮、钾、有机质含量与其保肥价值、单位面积保肥价值有显著正相关关系。植被单位面积固土价值仅与其氮磷含量显著正相关(表5)。

表5. 不同植被固土、保肥价值与其面积、土壤养分相关系数

注：^*：在0.05层面有显著差异(双尾)；^**：在0.01层面有显著差异(双尾)。

5. 讨论

基于以往的研究，学者采用室内浸水法、烘干法、环刀法 [12] [13] 等方法，应用系统论和水分平衡原理、灰色关联分析法 [14] 、层次分析法 [15] 、主成分分析法 [16] 、TOPSIS法 [17] 以及定量分析和综合评价等方法 [18] ，对森林中不同植被类型的水源涵养功能进行研究，不约而同的得出阔叶林和针阔混交林水源涵养能力好于针叶林的结论。本研究中单位面积油松调节/净化水价值量最高，白桦、山杨与其无显著差异，云杉次之，这与前人的研究结果相符。但研究区不同植被涵养水源价值量针叶林高于阔叶林、针阔混交林，这主要是由于不同植被类型调节水量与其面积显著正相关，面积越大的森林类型，其水源涵养量也越大，相对的贡献率也越大 [19] ，研究区油松、云杉的面积显著高于其他植被。此外，研究区不同植被土壤产生径流量不同，这与不同植被土壤蓄水能力 [20] 、土壤基岩岩性本身的特点、土层厚度 [19] 、坡位等立地因子、以及树种本身的特点 [21] 等存在一定的关系，有待进一步的研究。

土壤养分含量和土壤结构对植物的生长至关重 [22] 。不同植被的固土价值与其面积显著正相关，本研究中，其他灌木固土价值低于油松和云杉，主要是由于其土壤侵蚀量大的原因；油松固土价值高于云杉高于其他植被，主要是由于其面积大于其他植被。云杉的保肥价值高于其他植被，这与孙颖等的研究结果保持一致 [23] ，但与魏冬等人的研究结果不同 [24] 。相关分析的结果表明，不同植被保肥价值量的大小与其土壤中氮、钾、有机质的含量有关，本研究中云杉林地土壤中氮、钾、有机质含量高于其他植被，因此其保肥价值相对较高。

6. 结论

通过与研究区不同植被水源涵养及保育土壤价值的评估，得出以下结论：

1) 研究区不同植被调节水量与其面积显著正相关，不同植被调节水量有极显著差异(P < 0.01)，其对研究区森林调节水量贡献率为油松 > 其他灌木 > 云杉 > 山杨 > 柠条 > 白桦。不同植被单位调节/净化水价值有极显著差异(P < 0.01)，其大小关系为油松 > 山杨 > 白桦 > 云杉 > 其他灌木 > 柠条。

2) 研究区不同植被固土价值与其面积显著正相关，不同植被固土价值有极显著差异(P < 0.01)，其对固土价值为油松 > 云杉 > 其他灌木 > 柠条 > 山杨 > 白桦。不同植被单位面积固土价值有极显著差异(P < 0.01)，其大小关系为云杉 > 油松 > 山杨 > 白桦 > 其他灌木 > 柠条。

3) 研究区不同植被保肥价值与其土壤中氮、钾、有机质含量显著正相关，不同植被保肥价值有极显著差异(P < 0.01)，其保肥价值为云杉 > 其他灌木 > 油松 > 山杨 > 白桦 > 柠条。不同植被单位面积保肥价值无显著差异(P > 0.05)。

基金项目

横向课题“罗山国家级自然保护区生态系统服务价值评估”资助。

文章引用

熊泽钦,魏浩男,卞莹莹. 宁夏罗山自然保护区不同植被类型水源涵养及保育土壤功能价值评估
Evaluation of Water Conservation and Soil Conservation Service Values of Different Vegetation Types in Luoshan National Nature Reserve, Ningxia[J]. 林业世界, 2019, 08(03): 68-78. https://doi.org/10.12677/WJF.2019.83010

参考文献