次生馬尾松林下植被恢復措施的水土保持效益

李鋼，梁音，曹龍熹

(中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室，南京土壤研究所，210008，南京)

次生馬尾松林下植被恢復措施的水土保持效益

李鋼，梁音?，曹龍熹

(中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室，南京土壤研究所，210008，南京)

通過采集江西省贛縣花崗巖區(qū)次生馬尾松純林地不同植被恢復措施坡面徑流小區(qū)2010—2011年的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙資料，分析不同模式的水土保持功能及其植被恢復的水土保持效益。結(jié)果表明：1)次生馬尾松稀疏純林地水土流失嚴重，年產(chǎn)流系數(shù)為0.50～0.60，侵蝕模數(shù)在2 700～6 000 t/(km2·a)之間。2)植被恢復可以降低林地土壤侵蝕強度，但植被恢復的水土保持效益與林冠結(jié)構(gòu)和地表覆蓋度密切相關(guān)，當形成喬草或喬灌復合層時，可以起到50%～60%的年蓄水效益和65%～70%的年固土效益。3)植被恢復的水土保持效益亦受植被和降雨類型的影響，百喜草蓄水效益隨降雨量先增后減，暴雨是蓄水效益變化的轉(zhuǎn)折點，而胡枝子蓄水效益變化規(guī)律不一;植被恢復措施固土效益隨降雨量的增加而降低，特別是在大暴雨情景時急劇下降。

水土保持效益;植被恢復模式;馬尾松次生純林;林地水土流失

南方花崗巖紅壤區(qū)是我國土壤侵蝕最嚴重的地區(qū)之一［1］。20世紀80年代中期以前，該區(qū)水土流失面積逐年增加;之后，經(jīng)過20多年的綜合治理，水土流失面積和強度從總體上呈現(xiàn)下降的趨勢［2］。根據(jù)水利部2002年監(jiān)測結(jié)果，南方紅壤區(qū)8省共有水土流失面積19.6萬km2，占8省土地面積的17.1%，水土流失分布主要呈斑塊狀散布在廣大的丘陵山地之間，在花崗巖和紅砂巖地區(qū)，相對分布較為集中。

植被作為防治水土流失的主要措施，在生態(tài)建設(shè)中具有重要的地位。水土流失嚴重的地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境建設(shè)中最大的問題就是植被問題［3］，因此通過人工造林實現(xiàn)植被恢復防止土壤侵蝕已成為水土流失綜合治理的一項根本性措施。20世紀80年代初期，我國開始大面積的綠化造林，治理水土流失。在南方則以馬尾松(Pinusmassoniana)或其他經(jīng)濟林木如桉樹(Eucalyptus)等為主的單一樹種造林。人工林的迅速發(fā)展在一定程度上緩解和滿足了人類的需求，減緩了對天然林的破壞速度，對生態(tài)環(huán)境的保護起到了非常重要的作用;但由于早期造林主要考慮木材的蓄積和經(jīng)濟價值，沒有統(tǒng)籌考慮生態(tài)環(huán)境效益，采取砍除全部地表植被，放火燒山煉山，實行“剃頭挖心”的全墾整地方式，使保持水土十分重要的草、灌植被遭受毀滅性破壞。目前南方紅壤區(qū)存在大片的馬尾松林、油茶(Camellia oleifera)林、各類園地以及近年發(fā)展迅猛的桉樹林，這些地表缺乏覆蓋的次生純林地上，存在突出的林下水土流失問題［4］，這一侵蝕類型在花崗巖紅壤區(qū)水土流失中所占比例大［5-6］，產(chǎn)生的危害也日益突出。人工造林提高了森林面積和覆蓋率，水土流失面積雖有下降，但與20世紀50年代相比，2002年南方8省水土流失面積仍高出 86.7%［7］。

生態(tài)恢復是重建一個完整功能的生態(tài)系統(tǒng)，雖然多數(shù)人認為人工造林不是完全的生態(tài)恢復，但它是生態(tài)恢復所必需的，是很有價值的第一步，同時也是一項艱巨的任務(wù)［8］。然而我們必須知道森林生態(tài)功能的各個要素是與植被組成及其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，人工造林只是恢復了生態(tài)系統(tǒng)上層結(jié)構(gòu)，還必須重視下層植被的恢復與重建。水土流失不僅與森林數(shù)量有關(guān)，而且與森林的林種比例、樹種組成、森林類型和林分覆蓋度密切相關(guān)［9］。只具有林冠結(jié)構(gòu)的林地容易形成“空中綠化”現(xiàn)象［10］，從遙感影像上看，這些地區(qū)的植被狀況很好;但由于林下缺少灌木或草本植被覆蓋，土壤表面裸露程度高，仍然會發(fā)生中度，甚至強度以上的水土流失［11］?；謴土窒轮脖皇强刂屏值厮亮魇У母就緩?。近些年來不少學者對馬尾松侵蝕林地的生態(tài)恢復進行了大量的研究，內(nèi)容涉及適宜樹種和優(yōu)化模式［12-13］、耐旱物種篩選［14］，殘林改造以及人工林更新配套技術(shù)［15-16］，植被恢復對林地土壤性質(zhì)［17-19］、生物多樣性［20-22］和水土流失［23-25］的影響，其中林地植被恢復對水土流失的影響主要集中在植被搭配的年際效益討論［26］。對馬尾松林冠結(jié)構(gòu)和恢復模式的組合效益研究尚不多見，另一方面，不同地區(qū)林木結(jié)構(gòu)是不同的，研究不同純林林冠結(jié)構(gòu)下不同植被恢復模式的水土保持功能，有利于植被恢復模式的推廣，同時可以深入認識植被防治水土流失的機制。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省贛縣中部的大田鄉(xiāng)信江村，屬贛南低山丘陵區(qū)(E115°06'，N25°52')，成土母質(zhì)以花崗巖類風化物為主，由花崗巖風化物發(fā)育而成的紅壤，具有砂礫含量高，質(zhì)地粗糙，漏水漏肥，自然肥力較低，酸性偏強的特點;地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，該區(qū)氣候溫和、光照充足、雨量充沛，多年平均降水量1 476mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在4—7月，約占全年降水量的50%，且多以大雨、暴雨形式出現(xiàn);試驗區(qū)地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，但由于長期不合理的采伐利用，使原生的植被不斷減少，林木郁閉度降低，現(xiàn)有植被主要為針闊混交林、針葉林、荒山灌草等，其中以次生馬尾松矮小純林分布為主。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

根據(jù)研究區(qū)的林地環(huán)境，設(shè)置4種馬尾松郁閉度(0、7%、15%和24%)，在每種郁閉度下設(shè)置純林、百喜草(Paspalum notatum)和胡枝子(Lespedeza bicolor)覆蓋地表，總共12個徑流小區(qū)。由于設(shè)置的全裸小區(qū)在觀測期間，生長了鐵芒萁(Dicranopteris linearis)，覆蓋度約30%，未能及時處理，該組小區(qū)未參與分析，本文基于對林冠結(jié)構(gòu)及其冠下植被恢復的水土保持功能研究，對具有林冠結(jié)構(gòu)的3組小區(qū)(表1)進行了對比研究。試驗小區(qū)寬5m(與等高線平行)，長20m(順坡面水平投影)，下方設(shè)有集水槽和徑流池，一級池建有5個“V”型分流堰，其中一個連通二級池，分流孔距底部高0.94m，小區(qū)坡度18°～24°。試驗中百喜草平行等高線條帶狀條播種植播幅6 cm，行距20～30 cm，播后用細沙或碎土蓋種，厚度1.0～1.5mm，播量1.2 kg/小區(qū);胡枝子品字形栽植，移栽株行距為30 cm×30 cm。

2.2 試驗觀測與數(shù)據(jù)整理

降雨資料通過JFZ型數(shù)字雨量計(徐州偉思自動化工程有限責任公司生產(chǎn))等分鐘記錄次降雨過程。將從雨量計中獲取的降雨資料，以降雨停止6 h為時間間隔劃分降雨場數(shù)，統(tǒng)計每場降雨的降雨量。試驗中由于儀器故障問題，部分降雨數(shù)據(jù)由日降雨數(shù)據(jù)補充。

徑流小區(qū)的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙全部收集在徑流池中。當降雨停止6 h后，用毫米鋼卷尺分別測定一級徑流池和二級徑流池中產(chǎn)流的深度;然后將2個池中的水沙分別攪拌均勻，再分別取3 L水沙混合樣用QYNS型泥沙測定儀(西安清遠測控技術(shù)有限公司生產(chǎn))測定一、二級徑流池中的泥沙濃度，最后計算得出次產(chǎn)流產(chǎn)沙量?？紤]到降雨產(chǎn)流以及徑流池取樣，試驗中主要測定了次降雨量＞10mm的產(chǎn)流產(chǎn)沙。通過對徑流小區(qū)2010—2011年的自然降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的觀測，總共獲得了73場產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，并按表2［27］對單場降雨類型分類。

表2 單場降雨分類標準Tab．2 Standard of rainfall classification

3 結(jié)果與分析

3.1 郁閉度為7%的林地

森林對降雨具有調(diào)節(jié)作用，同時也因為植被類型和組成、覆蓋情況、降雨條件等的不同而存在差異。從表3可以得知：在郁閉度為7%的稀疏林地上，多雨年份的產(chǎn)流產(chǎn)沙量大，少雨年份的產(chǎn)流產(chǎn)沙量小。其中純林地土壤流失量處于中度侵蝕狀態(tài)，但多雨年份的土壤流失量已接近強烈侵蝕，通過林地灌草植被恢復后，均可降低為輕度侵蝕，但要降低到南方紅壤丘陵區(qū)容許土壤流失量500 t/(km2·a)以下，還需進一步加強林地植被恢復程度。

表3 郁閉度7%林地不同類型小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量Tab．3 Amount of sediments in different type plots as canopy density blow 7%

不同恢復小區(qū)，產(chǎn)流系數(shù)表現(xiàn)為多雨年份高于少雨年份，次生馬尾松稀疏純林地2010和2011年2個年份的產(chǎn)流系數(shù)分別為0.58和0.53，通過林地灌草植被恢復后，產(chǎn)流系數(shù)降低為0.22～0.29。植被恢復的水土保持效益亦與年降雨量相關(guān)，年降雨量大，水土保持效益相對較低;年降雨量小，水土保持效益相對較高。百喜草恢復小區(qū)2010和2011年2個年份的保水效益分別為48%和46%，固土效益分別為51%和64%;由于胡枝子地表覆蓋度(70%)高于百喜草覆蓋度(30%)，因而胡枝子小區(qū)的水土保持效益高于百喜草小區(qū)，2010和2011年2個年份的保水效益分別為52%和59%，固土效益分別為53%和73%，可見年降雨量對固土效益的影響十分明顯。雖然灌木小區(qū)水土保持效益高于草本小區(qū)，但灌木小區(qū)保水固土效益的增加幅度(2% ～13%)不等同于其覆蓋度的增加幅度(40%);因此，試驗區(qū)實施單一的灌木胡枝子恢復地表覆蓋，水土保持效益得不到充分發(fā)揮。

在不同的降雨條件下，3種模式小區(qū)的水土保持效益亦不相同(圖1)。不同模式小區(qū)產(chǎn)流量隨降雨量的變化規(guī)律基本一致，隨著降雨量的增加產(chǎn)流量隨之增加，但變化過程不同。純林平均產(chǎn)流量呈線性增加，而百喜草和胡枝子模式小區(qū)中雨至大雨段為速率減小的微凸形曲線增加;但在大暴雨情況下由于降雨強度大，超滲產(chǎn)流效益顯著，產(chǎn)流量陡增。對于各種降雨類型，純林小區(qū)產(chǎn)流量隨雨量變化的增加速率遠大于喬草、喬灌模式小區(qū)。產(chǎn)沙量隨降雨量的增加而增加，但不同模式小區(qū)，增加速率不同：純林和百喜草模式小區(qū)隨著降雨量的變化，總量雖增加，但增加速率逐漸減小(凸形曲線上升趨勢);胡枝子小區(qū)隨降雨量的增加，其變化速率逐漸增大(凹形曲線上升趨勢);長期遭受嚴重土壤侵蝕的贛南花崗巖區(qū)次生馬尾松殘林地，土層淺薄，基巖裸露，土壤侵蝕速率已受到土層淺薄化的影響，而植被恢復改變了侵蝕過程。

圖1 郁閉度7%林地植被恢復的水土保持效益隨降雨量的變化Fig．1 Benefits of soil and water conservation changing with rainfall as canopy density blow 7%

郁閉度7%林地植被恢復的水土保持效益隨降雨量的變化而變化?？傮w趨勢表現(xiàn)為：百喜草減流、減沙效益隨降雨量的增大而增加，分別從41%和51%逐漸增大到62%和65%，但在大暴雨情況下較低，分別為41%和39%;胡枝子減流、減沙效益隨降雨量的增加而降低，從66%和74%逐漸降低到39%和18%。降雨量大時，對于灌木胡枝子來講，一方面濺蝕作用加劇，另一方面產(chǎn)流系數(shù)隨著降雨量的增加而增加，亦即產(chǎn)流總量增加快，沖刷侵蝕嚴重;因此，減沙效益隨著降雨量的增加逐漸減小，特別是在大暴雨條件下，減沙效益急劇下降。

3.2 郁閉度為15%的林地

根據(jù)表4可得出：郁閉度15%的純林地，多雨年份土壤侵蝕量超過5 000 t/(km2·a)，屬于強烈侵蝕;少雨年份屬于中度侵蝕;百喜草恢復小區(qū)多雨年份侵蝕強度為中度侵蝕，少雨年份屬于輕度侵蝕;胡枝子類型小區(qū)均屬輕度侵蝕范疇。郁閉度15%的純林地平均年產(chǎn)流系數(shù)均在0.55以上，平均是灌草恢復小區(qū)的2.0～2.2倍。與郁閉度7%的純林地相比，郁閉度的增加反而增加了林地土壤侵蝕量，這種情況在中雨和大雨情景下表現(xiàn)較為明顯，暴雨和大暴雨情景下差別相對較小。這可能是由于研究區(qū)次生馬尾松殘林存在人為強行打枝求薪現(xiàn)象，導致只在頂端有稀疏枝葉覆蓋，對暴雨過程影響較微弱，而對較小降雨時細小雨滴匯聚成大雨滴降落到地面的作用明顯，加之地表裸露，因而純林小區(qū)土壤侵蝕反而加劇。通過林地植被的恢復，在一定程度上起到了保水固土的作用，百喜草覆蓋地表30%，2010和2011年2個年份的保水效益分別為48%和51%，減沙效益分別為45%和60%;胡枝子覆蓋地表35%時，2010和2011年2個年份的蓄水效益分別為54%和55%，保土效益分別為60%和67%。從年際水土保持效益講，已經(jīng)形成復合層次的喬灌結(jié)構(gòu)水土保持效益較好。

隨著降雨量的增加，郁閉度15%林地不同類型小區(qū)平均產(chǎn)流量隨平均降雨量在中雨至暴雨呈速率減小的凸形曲線趨勢上升，而在大暴雨情景下增加十分迅速(圖2)。對產(chǎn)沙量來講，純林和百喜草模式小區(qū)呈速率減小的凸形曲線變化;而胡枝子平均產(chǎn)沙量在中雨至大雨段呈凸形曲線變化趨勢，大暴雨情形下產(chǎn)沙量增加快速。蓄水固土效益隨降雨量的變化趨勢明顯，百喜草蓄水效益隨降雨量的增大而增加，從40%變化到57%;胡枝子蓄水效益從中雨(47%)至暴雨(65%)為增加趨勢，大暴雨時約有降低(57%)。固土效益隨降雨量增加而逐漸下降，百喜草從59%降低到了41%，胡枝子則從74%下降為42%。

表4 郁閉度15%林地不同類型小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量Tab．4 Amount of sediments in different type plots as canopy density below 15%

圖2 郁閉度15%林地植被恢復的水土保持效益隨降雨量的變化Fig．2 Benefits of soil and water conservation changing with rainfall as canopy density below 15%

3.3 郁閉度為24%的林地

同樣只具有頂端枝葉覆蓋的稀疏純林地，林冠郁閉度增加至24%，其林下水土流失量依然很大(表5)。多雨年份純林地年土壤侵蝕模數(shù)高達6 000 t/(km2·a)，屬于強烈侵蝕林地;少雨年份為中度侵蝕狀態(tài)。林下實現(xiàn)百喜草(覆蓋度35%)和胡枝子(覆蓋度30%)覆蓋地表后，可以將2個降雨年份的土壤侵蝕量都降低為輕度侵蝕。

純林地2010和2011年2個降雨年份的產(chǎn)流系數(shù)分別為0.59和0.52，分別是百喜草恢復小區(qū)的2.1倍和2.5倍，是胡枝子小區(qū)的2.0倍。多雨年份百喜草和胡枝子可以減少52%和51%的產(chǎn)流量，少雨年份分別可減少產(chǎn)流量60%和49%;百喜草2010和2011年2個年份分別減少產(chǎn)沙量64%和71%，胡枝子亦分別減少65%和71%。與郁閉度7%和15%的林地植被恢復效益相比，郁閉度24%的林地植被恢復年際效益相對較好。

由于試驗區(qū)土壤淺薄、養(yǎng)分貧瘠以及季節(jié)性干旱等因素的影響，致使百喜草和胡枝子在自然條件下存活率低，林地植被恢復程度不足;因此，若要將林地土壤流失量降低到該區(qū)容許土壤流失量500 t/(km2·a)以下，必須在植被恢復過程中采取相應(yīng)的培肥等措施促進植被生長，加大植被恢復程度，進一步控制水土流失。

郁閉度24%林地不同植被恢復小區(qū)，在不同降雨類型下的平均產(chǎn)流產(chǎn)沙量以及水土保持效益隨平均降雨量的變化趨勢與郁閉度7%林地對應(yīng)恢復模式的變化趨勢相似(圖3)。3種模式小區(qū)產(chǎn)流量為微凹形的上升曲線;純林產(chǎn)沙量程凸形曲線變化，百喜草和胡枝子小區(qū)中雨至暴雨段為凸形曲線上升，大暴雨時陡增。百喜草蓄水效益中雨到暴雨從54%增加到60%，而大暴雨時急劇下降至44%;胡枝子蓄水效益大暴雨時也最低為39%。百喜草和胡枝子在中雨至暴雨條件下，可以維持70% ～79%的攔沙效益，但在大暴雨時，攔沙效益只有34% ～37%。

表5 郁閉度24%林地不同類型小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量Tab．5 Amount of sedments in different type plots as canopy density below 24%

圖3 郁閉度24%林地植被恢復的水土保持效益隨降雨量的變化Fig．3 Benefits of soil and water conservation changing with rainfall as canopy density below 24%

4 結(jié)論

1)贛縣花崗巖試驗區(qū)次生馬尾松純林地，林冠結(jié)構(gòu)稀薄，在自然降雨條件下難以發(fā)揮林地的水土保持功能。純林地產(chǎn)流系數(shù)高達50% ～60%，是林地植被恢復小區(qū)的2.0～2.5倍;林冠郁閉度從7%增至24%，不但沒有減輕林地水土流失量，反而加劇了林地土壤侵蝕，年侵蝕模數(shù)在2700～6 000 t/(km2·a)之間，屬于中度或強烈侵蝕。

2)試驗區(qū)次生馬尾松純林地實施百喜草和胡枝子覆蓋地表，可以將林地侵蝕強度降低為輕度或中度侵蝕。植被恢復的水土保持效益與林冠結(jié)構(gòu)和地表覆蓋度相關(guān)，在24%郁閉度下進行植被恢復時的水土保持效益較好，當?shù)乇砀采w度為30% ～35%時，百喜草和胡枝子的年保水效益為50% ～60%，年固土效益為65%～70%。

3)不同植被恢復模式的水土保持功能受降雨類型的影響不同。純林小區(qū)產(chǎn)流隨雨量的變化速率高于灌草恢復小區(qū)，而土壤流失量受土壤淺薄化等因素的影響呈速率減小的凹形曲線變化;百喜草蓄水效益中雨至暴雨段為增加趨勢，而大暴雨時下降明顯，固土效益在林冠郁閉度7%時與蓄水效益變化一致，其他2種郁閉度下呈下降趨勢，且在大暴雨時下降十分劇烈。胡枝子蓄水效益變化復雜，沒有一致性規(guī)律，而攔沙效益則隨雨量的增加而減小。

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Effects of different vegetation restoration patterns on soil erosion in secondaryPinusmassonianapure forest

Li Gang，Liang Yin，Cao Longxi
(Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Science，210008，Nanjing，China)

in this study，based on themeasured data of runoff and sediment of the runoff plots during 2010 to 2011 in secondaryPinusmassonianaforest in the Ganxian County of Jiangxi Province，the benefits of soil and water conservation of different vegetation restoration patterns(Paspalum notatum，herbal;Lespedeza bicolor，shrub)in the secondaryPinusmassonianapure forest were analyzed.The results indicated that soil erosion is serious in secondaryPinusmassonianasparse pure forest，annual runoff coefficient was 0.50-0.60 and erosionmodulus was in the range of 2 700-6 000 t/(km2·a).Soil erosion intensity was reduced by surface vegetation restoration.However，the benefits of soil and water conservation of different vegetation restoration patterns were closely related to surface coverage and canopy structure.Benefits of water detention and soil conservation of vegetation restoration were 50%-60%and 65%-70%respectively when tree-herbal or tree-shrub structure formed a complex hierarchy in pure forest.Meanwhile，benefits of soil and water conservation were also affected by vegetation and rainfall types.Benefit of water detention initially increased then decreased with rainfall，and rainstorm was the inflexion forPaspalum notatum，and changed complex forLespedeza bicolor.However，benefit of soil conservation reduced with rainfall，especially declined rapidly in heavy rainstorm.

benefits of soil and water conservation;vegetation restoration pattern;secondaryPinusmassonianapure forest;soil and water loss in forestland

2012-03-09

2012-09-07

中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-YW-438);水利部長江委重點項目“花崗巖地區(qū)馬尾松林地水土流失規(guī)律試驗研究”;國家科技支撐計劃“農(nóng)田水土保持關(guān)鍵技術(shù)與示范”(2011BAD31B04-2)

李鋼(1985—)，男，碩士研究生。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail：happylglove@126.com

?責任作者簡介：梁音(1963—)，男，博士，研究員。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail：yliang@issas.ac.cn

(責任編輯：程 云)