南岭森林的土壤保持功能*

南岭山地是我国南方最大的山脉，但不同于我国其它大山，它不是连绵一贯的山脉，而是以东北—西南走向为主的花岗岩体形成的山簇。它是我国长江流域与珠江流域分水岭，是湘江、赣江、北江、西江等的重要水源地。南岭山地是《全国主体功能区规划》确定的国家25个重点生态功能区之一，其主要植被类型是亚热带常绿阔叶林和针叶林，主要功能是水源涵养，辅助功能有生物多样性保护和土壤保持[1]。广东省提出要打造粤北生态特别保护区，保护好南岭的自然生态，维护生态系统的完整性和稳定性，增强生态系统服务功能，从而筑牢粤北的生态屏障。

南岭山地主要的生态问题之一就是土壤保持功能较弱；土壤保持功能主要是生态系统减少水土流失的能力及其生态效益[1]。水土流失主要受自然界和人为活动的影响和控制；气候、地形、地表组成物质、植被等自然因素是引发水土流失的背景条件。本文以位于南岭山脉中段的南岭国家级自然保护区及其周边为例，分析影响南岭土壤保持功能的主要因素。

1 南岭保护区的概况

南岭国家级自然保护区位于广东省北部与湖南交界，地理坐标为 112°30′～113°04′E，24°37′～24°57′N。它是北江和西江的发源地，是潭岭水库、泉水水库和南水水库等几个水利工程最重要的水源涵养林区。主要保护对象是亚热带常绿阔叶林和珍稀濒危野生动植物及其栖息地。总面积5.84万hm2，是目前广东省面积最大的国家级自然保护区，是广东省生物资源最为丰富的自然保护区，是广东省最大的生物物种基因库，也是我国14个生物多样性热点地区之一，被誉为“物种宝库”、“南岭明珠”，也是世界同纬度地区的宝贵自然遗产。

2 土壤保持功能的主要影响因素

2.1 降雨侵蚀为主，兼有冻融作用

南岭保护区地处我国中亚热带季风区，受到热带海洋气团和极地大陆气团的共同作用。春季和夏季，海洋的暖湿气流向北移动。保护区山地高耸且多为东西走向，犹如一道屏障阻挡暖湿气流北上，并使气流不断抬升。因此在南岭附近形成大量降水，南岭保护区内的年降水量为1 300～1 800 mm，高海拔山区年降水量在2 000～2 800 mm之间（表1），保护区内（石坑崆、天井山和乳阳林业局）雨量比周边地区多684 mm，成为广东省主要雨区之一。南岭及周边地区不仅雨量大而且降雨非常集中，每年2—8月保护区内雨量占全年雨量的84%，周边地区为78%。降雨峰值是5月，保护区内5月降雨量346 mm，占全年雨量的14.5%；周边地区为289 mm，占18%。保护区海拔高差较大，年降水量随海拔增加而增大，海拔每升高100 m，南坡降水量增加约44.349 mm，北坡降水量增加约20.170 mm，南坡降水量较北坡更为充沛[2]。保护区多年平均降雨侵蚀力明显高于其他地区[3]。

冻融作用在温度接近冰点的山区十分常见。南岭海拔超过1 000 m的山峰30多座，其中海拔1 902 m的石坑崆是广东最高峰。因此南岭虽然地处中亚热带，但由于地势较高而气温较低，是我国冬季有冰雪的最南端地区之一，霜期和结冰期都比较长（表1）。保护区周边的连州最长年霜日16天，平均每年4.3天；乳源最长年霜日12天，平均每年2.9天。保护区内石坑崆霜日最长年份达100天以上，一般约为10天，山顶约为一个月且伴有结冰，冰层厚度20～30 cm；天井山每年结冰日为8～17天；龙潭角结冰日持续约3个月[4-5]。

这段话中，作者借助律师之口有意突出了男孩的个人历险与古老的史诗之间的联系；并且强调这部个人史诗应该用一种“更有力度的语言”，事实上是帝国的语言——拉丁语——讲出来，明显表现了一种帝国的怀旧情结和强烈的叙事冲动。

随海拔增加，空气变薄，辐射散热加快，最低气温也逐渐降低[2]。保护区周边冬季极端气温在-3.2到-6.9 ℃之间，保护区内是-4.5、-8.4和-11.5 ℃；与南岭保护区接壤的湖南周边最低气温也在0 ℃以下，且比广东一侧更低。有霜或结冰时，储藏在土壤及其母质孔隙或岩石裂缝中的水因结冰而体积膨胀，同时细孔也不断吸收邻近区域的液态水而增大体积。冰晶体积增大，土壤母质或岩石裂隙也增加、扩大，冰晶消融后土体或岩体的稳定性大幅降低，在重力作用下容易发生碎裂和坍塌。在冬季冻融和春夏季丰富降雨的共同作用下，保护区山地被流水切割的支离破碎，呈现深沟峡谷的地貌。

2.2 花岗岩母质的土壤土层较薄，可蚀性较高

土壤和基岩等地表组成物质是侵蚀作用的对象。土壤特性对水土流失产生巨大影响,而土壤特性与基岩岩性密切相关,因此一个地区的水土流失状况常受到岩性的很大制约[6]。南岭山地是以花岗岩为主。南岭保护区则以大东山花岗岩复

式岩体为主，主要成分是燕山早期的黑云母花岗岩。虽然花岗岩本身的特性是岩石坚硬且有致密的结晶状结构，透水性差，雨水多在岩石表面停留。但大东山花岗岩体的矿物组成中含有钾长石、斜长石、石英和黑云母，它们的吸热性、导热性、热容量、收缩和膨胀系数差异很大，导致矿物的风化作用不仅发生在表面而且进入内层。当自然植被覆盖较好时，湿热环境下花岗岩体一般发育的土壤土层较厚，如红壤和黄壤。但由于保护区地势较高，温度较低，母质的风化作用较弱，因此保护区内花岗岩风化壳较薄，且随高度的增加风化壳逐渐变薄，海拔770 m（大东山站谭岭）的风化壳厚达4～5 m，到海拔1 650 m（天井山顶）风化壳厚度仅0.5～0.7 m[4]。保护区内土层厚度分布不均，陡坡且石质较多的地方土层厚度通常不到40 cm，缓坡地土层厚度超过40 cm，一些低海拔的坡地和坡脚土层较厚可达1.6 m或2 m。

 

表1 南岭保护区及其周边多年月均、年均降水量和最低温度Tab.1 Month and year average rainfall and minimum temperature in NanLing reserve and nearby region

  

注：谭岭水库2011—2015 年；大东山2011—2015 年；乳源县1965—2013 年；连州1953—2012 年；阳山1981—2010 年；阳山青莲2006—2013 年。Note: Tanling reservoir 2011-2015, Dadongshan 2011-2015, Ruyuan conty1965-2013, Lianzhou county 1953-2012, Yangshan county1981-2010, qinglian station of Yangshan county 2006-2013.

 

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南岭保护区的花岗岩中山山地，是燕山期以来强烈的地壳上升运动造就而成。根据保护区数字高程模型(图1)和坡度水系图（图2），南岭总体地势由石坑崆向四周倾斜，高大山体的侵蚀作用极为强烈，形成较大的地形反差，保护区垂直高差1 675 m。海拔超过1 300 m的山地面积占保护区面积的15%，1 000～1 300 m占40%，700～1 000 m占33%，低于700 m的山地面积占13%。保护区20°以上的陡坡面积占46.7%，局部区域坡度高达60°以上，10～20°占34.8%，而＜10°的缓坡地仅占18.5%。区内平均坡度为19.51°，沟谷平均纵比降为88.9‰；其中龙潭角坡度最陡，纵比降最大；大东山坡度最缓，比降最小[4]。

基于C型环结构的环偶极子超材料设计与仿 真 …………… 赵崤利，王 爽，朱剑宇，王 松，李 泉（11）

2.3 山体高差较大，坡度较陡，水流冲刷能力较强

而且由于矿物中石英的分解速度较慢，土壤中含有较多的石英砂粒。随海拔增加南岭保护区土壤有机碳含量整体呈现增大的趋势[7]，粘粒含量逐渐减少而砂砾和砾石含量逐渐增大[4]。笔者采集不同海拔的16个样品分析表明，南岭保护区40 cm土层内平均砂砾含量25%，粉粒含量64%；土层内有机碳含量非常高，在2%～6%之间，平均含量达3.36%；全氮含量较高，在1～3 g/kg之间，全磷含量较少，在0.1～0.6 g/kg之间。由于缺少钙等胶结物质导致红粘土和石英砂粒混合而成的土壤质地比较疏松，土壤结构松散，保水性差，土壤抗侵蚀能力较弱，易受流水侵蚀。一旦失去植被的保护，丰富降水产生的强烈径流很快将疏松而浅薄的风化壳侵蚀殆尽，坡地表面容易形成浅沟、切沟和崩岗沟蚀等侵蚀地貌。

正是由于南岭保护区的建立，极大地保护了周边的森林植被，进而有效地减缓了潜在的水土流失。如果保持森林的自然生态平衡，保护区的水土流失只是微弱的自然侵蚀。因为森林植被的地上部对降雨起到截留作用，冠层消减了降雨的动能；林下凋落物和枯枝落叶层有效地缓冲雨滴的击溅，削弱降雨的侵蚀能力，降低径流的速度，拦截并过滤径流和泥沙，增强土壤的入渗性能；密布的根系固结土壤、增强土壤结构稳定性、提

植被是控制和加速土壤侵蚀最敏感的因素[10]。德国的Wollny第一个发现植被和地面覆盖对防止侵蚀的影响。南岭保护区的外力作用虽然强烈，但与安徽黄山相比较，因植被覆盖良好而使地面风化壳（红土层）保存较好，生物的生存和发展条件也较优越[4]。保护区主要植被类型是常绿阔叶林；最有特色的是温性针叶林或针阔叶混交林，其优势建群种是华南五针松、长苞铁杉和福建柏等。植被的垂直分布明显，由低至高为沟谷常绿季雨林或丘陵、低山常绿阔叶林→中山常绿阔叶林或中山常绿落叶阔叶混交林→中山常绿针阔叶混交林或中山常绿针叶林→山顶（常绿阔叶）苔藓矮曲林→山顶灌丛草坡。

南岭保护区为北江支流南水河和秤架河的发源地，秤架河是连江最大支流青莲水的上游河段，而连江是北江第一大支流。连江的集水面积虽然较小，但在北江河段中的来水比重却超过其面积比重[8]。河道径流量大，水流冲刷能力和输沙能力也较强。连江高道水文站多年平均含沙量为0.134 kg/m3，在广东各河流含沙量排位属中等偏上[9]。

2.4 植被是控制水土流失的决定性因素

保护区内沟谷纵横，水系极为发育，河流总长度为498.389 km，河流平均密度 0.85 km/km2。其中大顶山片区河流密度最小（0.78 km/km2），乳阳和龙潭角片区居中（分别为0.82和0.84 km/km2），秤架和大东山片区河流密度最大（分别是0.92 和 0.95 km/km2）。

植被的恢复过程就是土壤侵蚀的减缓过程。但植被破坏容易，恢复却非常困难，侵蚀强度增加，治理难度也增加，因此水土流失的改善过程非常缓慢。由于土壤侵蚀的速率远远大于成土过程，导致被侵蚀的土壤和风化壳基本无法恢复。在轻度的面状侵蚀和中度的细沟浅沟侵蚀阶段，通过采取生物和工程等综合措施，基本可以恢复原地貌。当形成切沟或崩岗，原有地貌受到极大破坏，综合治理可以减少或控制水土流失的加剧，但侵蚀产生的沟壑和崩口基本无法恢复到原始地貌。因此，植被虽然具有强烈的水土保持作用，但发挥其水保作用的阶段是在侵蚀未发生或侵蚀程度较弱的初期。这警醒我们，对于南岭山区的水土流失问题，必须防患于未然，以防为主，防治结合[16]；只有做好生态保育工作，才可以实现南岭的生态价值和生态服务功能。

Kingsbury发现，双树复小波变换近似平移不变性特征，其中一个正交小波变换的低通滤波器插入在另一个小波变换的低通滤波器之间。本文考虑无穷乘积公式定义的极限函数的小波变换，而不是有限迭代滤波器组在[2]中的近似平移不变性，且达到相同结果。给出了另一种为什么尺度滤波器的设计通过半采样延期相互抵消的解释。

高土壤的抗蚀性和抗冲性。疏松的土壤增大了导水和蓄水能力，林地土壤的持水能力较高，可以起到调节径流、削减洪峰、减少输沙的作用。

  

图1 南岭保护区数字高程模型Fig.1 Digital elevation model of Nanling reserve

  

图2 南岭保护区坡度和水系图Fig.2 Slope and river system map of Nanling reserve

不同森林生态系统的林冠截留功能存在较大的波动性。南岭小坑森林公园内不同植被类型的冠层截留能力是：草地＞常绿阔叶林＞灌木林；与裸地相比，减水能力是：灌木林＞草地＞常绿阔叶林；而减沙能力是：常绿阔叶林＞草地＞灌木林；去除凋落物后径流和泥沙显著增加[11]。森林土壤的蓄水能力与土壤总孔隙度密切相关，我国热带和亚热带地区的阔叶林生态系统土壤孔隙发育较好，林地的蓄水能力较大[12]。

如果植被破坏殆尽，南岭保护区的水土流失将急剧增加。完整的南岭花岗岩风化壳在剖面上可分为三层：含铁丰富、胶结较紧、粘粒含量较多、透水性较差、表土具有一定肥力的上层；长石云母已分解含砂砾较多、固结性差的中层；以及长石、云母尚未完全风化由碎石构成的下层。花岗岩水土流失区，一旦上层表土被剥蚀，侵蚀作用加速，土壤肥力急剧下降，加之水分枯竭，地表高温达70℃以上，草木难以存活，多为不毛之地[6]。即使有植被的保护，花岗岩裂隙造成岩石和风化壳的不稳定，在一些陡峭的山坡，易发坠石、崩塌或滑坡（图3）。极端气候事件如2008年冰雪灾害导致南岭常绿阔叶林遭受巨大破坏[13]，70%的死树胸径不足4 cm[14]；部分植被覆盖较好的山地丘陵区发生了地质灾害[15]。植被的破坏过程就是水土流失的加剧过程，侵蚀可能从无到有、从弱到强，从面蚀发展到沟蚀，甚至形成崩岗。

因此，南岭保护区的森林立体结构将降雨和径流的侵蚀能力消解于无形，有效地拦蓄径流，减少水土流失，也使原本极易受到冲刷的南岭土壤得到有效保护。同时，受到保护的南岭土壤，也为植物生长提供必需的矿质营养元素、水分、空气和微生物，为保护区的动物提供栖息繁衍的场所，更为生态系统中物质和能量的交换提供场所。

二是有先进的文化氛围。尊重知识、尊重人才是根本，尊重创新、尊重创造、加强激励是动力。最基础的是相互尊重，第二层次是相互信任，最高层次是相互欣赏；

2.5 不合理的人类活动是控制水土流失的最大威胁

南岭保护区范围内实际常驻农村人口数量约1 580人，人口密度为2.7人/km2。核心区无人居住；缓冲区3个居民点共760人；实验区8个居民点共820人。居民点比较分散，人口稀少且主要以原始的农业和茶叶种植为主，因此对环境的破坏性影响较小。

但2010年在核心区新修公路导致挖方边坡土石裸露，废弃的渣石向下倾倒，植被遭到严重压毁，渣石形成极强烈的条带状沟道侵蚀（图4）。公路建设不仅毁坏植被，产生大量水土流失，也导致动植物栖息地永久性碎片化，可能威胁濒危动植物的生存，对保护区生态产生无法弥补的危害。这一破坏性事件虽已被判决赔偿生态环境修复费用500万元，并实施生态环境修复工作[17]，但生态修复的成效仍有待检验。

主要观察缼齿蓑藓的枝叶形态和细胞性状，并参照Yu等[7]的方法进行测量。缼齿蓑藓配子体枝叶13个形态性状具体见表2。

3 结论

南岭保护区及其周边地区雨量大、气温低等气候条件决定水力和冻融侵蚀的作用力非常强；大东山花岗岩风化的南岭土壤结构松散，保水性差，土壤可蚀性较强，抗侵蚀力较弱，易受流水侵蚀；山体海拔高差较大、坡度较陡的地形地貌条件决定其沟谷水系发育而水流冲刷能力极强。南岭保护区的气候、土壤、地形等因素都非常容易诱发水土流失，不合理的人类活动，已对局部造成重大影响。保护区的建立，有效保护了森林植被，发挥了植被的水土保持生态效益，也使原本极易受到冲刷的南岭土壤得以保存，进而为生态系统的正向发展提供良好的环境，使南岭的生态价值得以体现。

  

图3 乳阳片区和秤架片区的水土流失Fig.3 Soil and water loss in Ruyang region and Chengjia region of Nanling reserve

  

图4 南岭保护区内新修公路沿线边坡的水土流失Fig.4 Soil and water loss of new road in Nanling reserve

李婷等[18]指出实现秦岭山地土壤保持效益的首要条件是保证林地面积的绝对优势；肖洋等[19]提出重庆地区土壤保持能力的持续增强，主要是因为森林生态系统面积的增长和植被生长状况的转好；李士美等[20]研究发现森林生态系统土壤保持功能的发挥主要在雨季；在降水量较大、坡度较陡的地区森林保持土壤养分的价值愈强；王震洪等[21]指出，随着植物物种多样性的增加，地表径流、土壤侵蚀和总磷流失呈幂指数下降。相关研究结论与本文一致，因此，南岭的森林植被是控制水土流失的决定性因素，也是实现土壤保持功能最核心的因子。南岭国家级自然保护区是广东省重要的生态屏障，而广大的南岭山地却是我国南方最重要的生态功能区，因此南岭森林植被的保护责任和意义十分重大。

其中,vce为弹体完全销蚀的临界速度; 对于45#钢弹侵彻半无限混凝土靶板， vce为2 380 m·s-1。

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