小流域防护林体系与土壤理化性质空间耦合关系研究

小流域防护林体系与土壤理化性质空间耦合关系研究

胡静波1秦富仓2郭成峰3刘殿军2

胡静波1秦富仓2郭成峰3刘殿军2

（1.通辽市台河口水利枢纽工程管理处；2.内蒙古农业大学；3.呼和浩特市新城区林业局）

摘要：本文以赤峰市敖汉旗大五家小流域内的人工防护林——选择小流域内的典型林地，分别是小叶杨纯林、油松纯林、小叶杨柠条混交林、油松沙棘混交林和柠条纯林为研究对象，利用GIS应用软件得到流域内防护林空间格局，运用主成分分析法对不同坡度和不同坡向下的典型林地土壤质量状况进行了综合评价，探讨了小流域典型林地合理的空间配置，旨在为该地区的人工生态林的营造和管理提供基础性的指导。

关键词：防护林空间配置土壤理化性质流域

0引言

森林是维持陆地良好生态环境的主体和最重要的生物生产基地之一，森林在自然界物质和能量的交换过程中，对周围环境的影响极大。森林植被的生态服务功能与森林生态系统的持续经营是社会经济可持续发展的核心和重要保障。随着资源与生态环境问题日益突出，林业生态环境建设得到了国际社会的普遍关注[1]。从历次森林资源清查数据可以看出，我国的森林面积与森林覆盖率是持续增长的，而且人工林的比重也在逐年增大，我国的森林正趋向人工化，森林覆盖率由建国初期的8.60%上升到18.12%。但是随着林龄的增长，一些不合理的问题也表现出来了，树种单一、配置不合理、树种密度、地下水资源承载力不合理的经营管理等等。致使森林生态系统再次失衡、土地生产力下降、地力衰退、树木死亡、水土流失、荒漠化现象发生等。为了保证良好的生态环境，避免恶劣自然灾害的重新上演、保证人民安居乐业、保护美好家园，必须进行人工林分布、森林覆被率情况与生态环境和水资源的研究，以找出人工林最适的树种、配置方式[2]。

本文以森林覆盖率较高的敖汉旗境内的人工防护林为基点，以防护林综合生态效益为目标，进行人工防护林和土壤理化性质在不同地形下的耦合关系研究。通过相关的试验研究及技术成果推广应用，有助于在林业生态工程建设中人工防护林合理的空间配置格局，逐步形成一套比较完备的人工防护林空间的合理配置体系，对于提高该地区林业生态工程建设质量，保证工程建设的顺利实施，具有重要的作用和现实意义。

1研究区概况

大五家流域位于赤峰市敖汉旗牛古吐乡，距敖汉旗政府所在地新惠30km，总土地面积为7251.04hm2。流域内总的地形趋势为南高北低，属浅山丘陵和沙漠化风蚀地貌。北部为风沙坨沼地貌，海拔在500m～600m之间；中部为黄土丘陵，海拔在500m～600m之间，地势起伏不大，基岩裸露较少，但流水切割强烈，发育着树枝状沟谷。南部有小部分的低山丘陵，属努鲁尔虎山余脉，海拔在600m～750m之间。该流域属中温带半干旱大陆性季风气候。年平均降水量310mm～460mm，极端最大降水可达740mm，年蒸发量2350mm～3049mm，是降水量的6～7倍。年平均气温5～7℃，l月平均气温-12.2℃，7月平均气温23.1℃。6级以上大风年均79d～l00d，多出现在4～5月份，年平均风速4m/s，最大瞬时风速达30m/s。

土壤类型大部分为栗钙土，体现了森林土壤向草原土壤的过渡特点，PH值呈弱碱性到碱性，全剖面具有石灰反应；小部分为风沙土，PH值弱碱性到碱性。该流域主要植被有草甸、灌丛林、乔灌混交林、针叶纯林、针阔混交林和阔叶纯林等森林植被类型，人工植被以小叶杨(PopulussimoniiCarr.)、油松(PinustabulaeformisCarr)和柠条(CaraganaKorshinkiiKom.)为主，有少量的白榆(UlmuspumilaL.)和桑树(MorusalbaL.)。流域北部人工植被以柠条和杨柴(HedysarummongolicumThrcz.)为主；中部植被稀疏，人工植被以小叶杨、油松和为主；南部以油松和沙棘(HippophaerhamnoideaL.subsp.sinensisRousi.)为主。在配置上以纯林为主，由于密度过大，出现了许多小老头树。

2研究方法

2.1地形因子的提取收集该流域所在区域的1：5万地形图和遥感影像资料，应用Arcview地理信息系统软件，对遥感影像进行解译和矢量化地形图。利用Arcview的3D分析模块生成DEM，并生成地形斑块图层。坡度分成<5°，5°～15°，15°～25°，＞25°等4个坡度级；把坡向划分成阳坡（S，SW），阴坡（N，NW）2个坡向级。

2.2主要树种的地形空间划分与统计对数字高程模型（DEM）再次进行地形信息提取，以各林地斑块为单元，采用空间分析模块（Spatialanalysis），获取每个斑块各地形因子的值，然后按坡度级、坡向级分别统计出流域典型防护林地在各个地形因子中的分布频数。

2.3土壤取样及其理化性质的测定土壤样点分布根据流域内典型防护林地的坡向、坡度，按网格采样与随机分层抽样原则进行。样品采集前，将全部设计样点布置于1：5万地形图上，野外采样时根据实地情况调整，按照典型林地的不同坡位取点；不同坡向取点；不同坡度取点。最后用GPS定位系统分别读取采样点的坐标、高程、坡度、坡向数据。

土壤物理性质测定：在每个样点土壤剖面上，利用环刀在0～10cm，10～20cm，20～40cm深度取土，每层2个重复。利用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性质[3]，再计算土壤蓄水量[4，5]。

土壤化学性质测定：在土壤剖面的0～10cm，10～20cm，20～40cm均匀取土混合后装入塑料袋，待所采集的样品自然风干后，捡去石块、残根等杂物，供分析土壤养分用。

3结果与分析

选择小流域内的典型林地，分别是小叶杨纯林、油松纯林、小叶杨柠条混交林、油松沙棘混交林和柠条纯林，对不同坡度、坡向上典型林地土壤理化性质进行评价，比较每种林地在不同地形因子下的土壤质量。因为该流域内地形起伏不大，防护林垂直地带性不明显，而且在测得的各种典型林地下土壤理化性质都在坡上和坡下没有差异，所以只对各种林地在不同坡度和不同坡向上进行综合评价。

在评价小流域内典型防护林不同地形下的土壤质量时，选择了在各林地土壤之间有差异或在不同地形下有差异的土壤理化性质作为评价指标，包括土壤有机质（X1）、全氮（X2）、全磷（X3）、土壤非毛管孔隙度（X4）、毛管孔隙度（X5）和土壤饱和蓄水量（X6）。

3.1流域内不同坡向林地土壤质量的耦合关系通过对不同坡向林地土壤质量评价的6项土壤理化性质指标的主成分分析求得各因子之间的相关系数，各因子特征向量、特征值和贡献率及因子负荷量。

主分量PRIN1，PRIN2，PRIN3它们的累积贡献率达到96.4%，因此这6个变量只需要提取，第一主分量，第二主分量，第三主分量即可代表评价系统各因子反映的综合信息。

PRIN1=0.428X1+0.445X2+0.087X3+0.431X4+0.463X5+0.460X6

PRIN2=0.138X1+0.271X2+0.869X3-0.357X4-0.101X5-0.119X6

PRIN3=-0.571X1-0.427X2+0.336X3+0.007X4+0.437X5+0.433X6

将已标准化的数据代入方程一、二、三按照所占信息量的比例，求得总得分值，即可得到典型林地在不同坡向土壤质量综合评价值。93.1%，因此这6个变量只需要提取，第一主分量，第二主分量即可代表评价系统各因子反映的综合信息。

PRIN1=0.422X1+0.436X2-0.297X3+0.394X4+0.442X5+0.439X6

PRIN2=-0.149X1+0.147X2+0.881X3+0.387X4+0.116X5+0.129X6

将已标准化的数据代入方程一、二按照所占信息量的比例，求得总得分值，即可得到典型防护林地在不同坡度土壤质量综合评价值。

由表4看出，分布在＜5°坡度范围内的典型林地土壤质量的高低依次是小叶杨柠条混交林＞油松沙棘混交林＞油松纯林＞小叶杨纯林＞柠条纯林，小叶杨柠条混交林总得分值3.301为最高，远大于其他林地，其土壤质量最好，说明在＜5°的坡度范围内营造小叶杨柠条混交林有利于改良土壤。分布在5°～15°坡度范围内的典型林地土壤质量的高低依次是油松沙棘混交林＞油松纯林＞小叶杨柠条混交林＞小叶杨纯林＞柠条纯林。其中油松沙棘混交林总得分值0.972为最高，其土壤质量最好。分布在15°～25°坡度范围内的典型林地土壤质量的高低依次是油松沙棘混交林＞小叶杨纯林＞油松纯林。

五种典型林地在＜5°的坡度范围内土壤质量都好于5°~15°坡度范围内的土壤质量。其中，小叶杨柠条混交林在两个坡度范围的综合评价值相差很大，说明小叶杨柠条混交林不适宜配置在5°~15°坡度范围内。分布在5°~15°坡度范围的小叶杨柠条混交林面积为14.31hm2，占小叶杨柠条混交林总面积的不到10%，其余全部分布在＜5°的坡度范围内，说明小叶杨柠条混交林在流域内配置是比较合理的。分布在15°～25°坡度范围内的油松沙棘混交林的土壤综合评价值大于5°～15°坡度范围的土壤评价值，说明在流域内坡度较大的地方配置油松沙棘混交比较适宜。分布在15°～25°坡度范围内油松沙棘混交林面积为10.53hm2，是在15°～25°坡度范围内分布最多的林地类型，小叶杨纯林在5°～25°坡度范围内面积为8.13hm2，油松纯林为1.21hm2。说明在15°～25°坡度范围内，林分类型配置比较合理。油松纯林的土壤质量较差，可以改造为油松沙棘混交林。在15°～25°坡度范围的小叶杨纯林、油松纯林、油松沙棘混交林的林地质量都差于＜5°坡度范围内的，林地有机质较少，土壤含蓄水能力小差。这是因为坡度大时，降雨径流冲刷能力增强，土壤侵蚀较坡度小的区域严重。＞25°坡度基本为自然生长的草地，无人工林，所以本文未作研究。

4结论与讨论

通过对五种典型林地的6项土壤理化性质进行主成分分析法综合评价，得出：①流域内分布在阴坡和阳坡的典型林地土壤质量由高到低的排序都是：油松沙棘混交林＞小叶杨柠条混交林＞油松纯林＞小叶杨纯林＞柠条纯林。也就是说混交林对于改善土壤理化性质作用更好。②分布在阳坡的小叶杨柠条混交林土壤质量好于阴坡；分布在阴坡的小叶杨纯林、油松沙棘、油松纯林、柠条纯林土壤质量好于阳坡。相对而言，阴坡的土壤质量较好，所以适宜的林分较多；而阳坡土壤质量相对较差，适合于小叶杨和柠条混交林。③五种典型林地都是在＜5°坡度范围的总得分值最大。坡度越小土壤质量越好，对防护林的适宜性也越好。④在15°～25°坡度范围内，油松纯林的土壤质量较差，可以改造为油松沙棘混交林。流域内坡度较大的区域适宜配置油松沙棘混交林。

参考文献：

[1]邹晶.辽东小流域森林生态优化经济结构的模式及效益分析[J].辽宁林业科技.2007.1.41-43.

[2]张建国，余建辉.生态林业的效益观—林业综合效益初步[J].林业经济问题.1991.3.1-8.

[3]中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室．土壤物理性质测定法[M].北京.科学出版社.1978.

[4]贾志清.晋西北黄土丘陵沟壑区典型流域不同植被土壤蓄水能力研究[J].水土保持通报.2006.20(2).29-33.

[5]孙艳红，张洪江，程金花.缙云山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能[J].水土保持学报.2006.20(2).106-109.

基金项目：内蒙古科技厅项目（20071926）与国家"十一五"林业科技支撑计划(2006BAD03A0203)