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user: 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。 Table 1 General situation of the standard sample-plot 样地 名称 面积/hm 2 经度/˚ 纬度/˚ 土壤名称 pH 覆盖度/ 郁闭度 成土形状描述 柠条 608.30 106.26 37.26 风沙土 8.86 0.51 表土具有30 cm或大于30 cm的比较松散的沙土层， 无结构或初具不稳定的块状结构。 其他 灌木 1043.80 106.31 37.31 新积土 8.18 0.50 土壤剖面土层变化较大，无明显发育特征， 土壤质地较轻，以轻壤土和沙壤土为主。 油松 790.50 106.29 37.27 淡灰钙土 7.83 0.55 土壤剖面自上而下可分为有机质层(0~20 cm)、钙积层(20~40) 和母质层。有机质层呈浅灰棕色。钙积层在地表小30 cm左右可见钙积层，厚度40 cm左右，碳酸钙呈灰白色斑块状淀积，坚实或很紧实。淡灰钙土质地较粗，一般为沙壤土。 白桦 19.90 106.29 37.28 淡灰钙土 8.03 0.45 土壤剖面自上而下可分为有机质层(0~20 cm)、钙积层(20~40) 和母质层。有机质层呈浅灰棕色。钙积层在地表小30 cm左右可见钙积层，厚度40 cm左右，碳酸钙呈灰白色斑块状淀积，坚实或很紧实。淡灰钙土质地较粗，一般为沙壤土。 山杨 208.40 106.29 37.29 淡灰钙土 8.03 0.40 土壤剖面自上而下可分为有机质层(0~20 cm)、钙积层(20~40) 和母质层。有机质层呈浅灰棕色。钙积层在地表小30 cm左右可见钙积层，厚度40 cm左右，碳酸钙呈灰白色斑块状淀积，坚实或很紧实。淡灰钙土质地较粗，一般为沙壤土。 云杉 568.20 106.29 37.29 暗灰褐土 8.02 0.43 土壤剖面自上而下可分为腐殖质层(0~30 cm)、过渡层 (30~60 cm)、淀积层(40~100 cm)。腐殖质层草本植物根系 密集，呈暗褐色，质地为中壤土或轻壤土，粒状结构， 生物活动强烈。过渡层呈灰褐色，质地为中壤土或 轻壤土为主，粒状或块状结构，稍紧实，孔隙、根系较多。 淀积层质地多数为中壤土或重壤土，少数为轻壤土 或沙壤土，粒状或块状结构，紧实，孔隙较上层少， 胶膜明显，有白色霉状碳酸盐新生体。 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： S M C = [ ( B 1 + W 1 ) − ( B 2 + W 2 ) ] / [ ( B 1 + W 1 ) − B 0 ] × 100 % B 1 ：烘干前铝盒重量；W 1 ：烘干前土壤重量；B 2 ：烘干后铝盒重量；W 1 ：烘干后前土壤重量；B 0 ：烘干铝盒的重量。 每层土壤储水量计算式为： S M S = S M C × ρ × 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/cm 3 ；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 − Δ S M S − 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 m 3 ，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。 Table 2 Evaluation indexes and counting formulas for forest water conservation and soil conservation function benefi 类别 指标/单位 公式及说明 水源 涵养 物质量 调节水量/t∙a −1 G 调 = 10 A ( P − E − C ) ； 式中：G 调 为林分调节水量；P为降水量，单位：mm∙a −1 ；E为林分蒸散量，单位：mm∙a −1 ；C为地表径流量，单位：mm∙a −1 ；A为林分面积，单位：hm 2 。 价值量 调节水量/元∙a −1 净化水质/元∙a −1 U 调 = 10 C 库 A ( P − E − C ) ； U 水 质 = 10 K A ( P − E − C ) ； 式中：U 调 为林分年调节水量价值；U 水质 为林分年净化水质价值；C 库 为水库建设单位库容投资(占地拆迁补偿、工程造价、维护费等等)，元∙t −1 ；P为降水量，单位：mm∙a −1 ；E为林分蒸散量，单位：mm∙a −1 ；C 为地表径流量，单位：mm∙a −1 ；A 为林分面积，单位：hm 2 ；K为水的净化费用，单位：元∙t −1 。 保育 土壤 物质量 固土保肥/t∙a −1 G 固 土 = A ( X 2 − X 1 ) ； G 磷 = A P ( X 2 − X 1 ) ； G 氮 = A N ( X 2 − X 1 ) ； G 钾 = A K ( X 2 − X 1 ) ； 式中：G 固土 为林分年固土量，单位：t∙a −1 ；G 氮 为减少的氮流失量，单位：t∙a −1 ；G 磷 为减少的磷流失量，单位：t∙a −1 ；G 钾 为减少的钾流失量，单位t∙a −1 ；X 1 为林地土壤侵蚀模数，单位：t∙hm −2 ∙a −1 ；X 2 为无林地土壤侵蚀模数，单位：t∙hm −2 ∙a −1 ；A为林分面积，单位：hm 2 ；N为土壤含氮量，单位：%；P为土壤含磷量，单位：%；K为土壤含钾量，单位：%。 价值量 固土/元∙a −1 保肥/元∙a −1 U 固 土 = 0.024 A C 土 ( X 2 − X 1 ) / ρ ； U 肥 = A ( X 2 − X 1 ) ( N C 1 / R 1 + P C 1 / R 2 + K C 2 / R 3 + M C 3 ) ； 式中：U 固土 为林分年固土价值；U 肥 为林分年保肥价值；C 土 为挖取和运输单位体积土方所需费用；ρ为泥沙的平均容重，单位：t∙m −3 ；X 1 为林地土壤侵蚀模数，单位：t∙hm −2 ∙a −1 ；X 2 为无林地土壤侵蚀模数，单位：t∙hm −2 ∙a −1 ；根据文献，宁夏回族自治区无林地水土流失土壤年侵蚀模数平均取值为30 t/(hm 2 ∙年)。 N为土壤含氮量，单位：%；P为土壤含磷量，单位：%；K为土壤含钾量，单位：%；M为林分土壤有机质含量，单位：%；R 1 为磷酸二铵化肥含氮量，单位：%；R 2 为磷酸二铵化肥含磷量，单位：%；R 3 为氯化钾化肥含钾量，单位：%；C 1 为磷酸二铵化肥价格，单位：元∙t −1 ；C 2 为氯化钾化肥价格，单位：元∙t −1 ；C 3 为有机质价格，单位：元∙t −1 ；A为林分面积，单位：hm 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)。