不同造林撫育干擾下桉樹幼林地水土流失特征

梁宏溫， 馬 倩， 溫遠(yuǎn)光， 郭晉川， 楊健基

(1.廣西大學(xué) 林學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.廣西水利科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530023； 3.廣西金桂林業(yè)有限公司， 廣西 南寧 530021)

不同造林撫育干擾下桉樹幼林地水土流失特征

梁宏溫1， 馬 倩1， 溫遠(yuǎn)光1， 郭晉川2， 楊健基3

(1.廣西大學(xué) 林學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.廣西水利科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530023； 3.廣西金桂林業(yè)有限公司， 廣西 南寧 530021)

[目的] 探討不同造林撫育措施對桉樹幼林地水土流失及其養(yǎng)分損耗的影響，為桉樹人工林的科學(xué)栽培和可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。 [方法] 建立8個地表徑流小區(qū)，以桉樹采伐地灌草坡做對照(CK)，研究人工割灌割草清理林地和除草、只施基肥不追肥的植苗更新2代林地(A處理)，火燒清理林地、化學(xué)除草、施基肥和追肥的植苗更新2代林地(B處理)和人工割灌割草清理林地和除草、施基肥和追肥的萌芽更新2代林地(C處理)的水土流失特征。 [結(jié)果] B處理林地的地表徑流量、泥沙流失量和N，P，K養(yǎng)分流失總量年均值分別為129.35 mm，642.52 kg/(hm2·a)和32.923 kg/(hm2.a)，比A處理的分別高出7.93%,90.03%和46.89%，比C處理的分別高出4.95%，70.82%和49.17%，比CK(對照)的分別高出4.98%，109.93%和50.91%；各試驗林地的地表徑流量和泥沙流失量與降水量之間均呈極顯著線性正相關(guān)(R=0.717～0.853)。 [結(jié)論] 火燒清理林地、化學(xué)除草、頻繁施肥等人為干擾活動及大量級降水驅(qū)動是桉樹幼林林地水土流失及其養(yǎng)分損耗較為強(qiáng)烈的主要原因。

桉樹幼林； 火燒清理林地； 人工除草； 化學(xué)除草； 林地施肥； 地表徑流； 養(yǎng)分流失

由于桉樹人工林的經(jīng)濟(jì)效益好，廣西近20 a來廣泛栽培，現(xiàn)有林地面積2.04×106hm2。然而，桉樹人工林短周期經(jīng)營和采取火燒清理林地、全墾整地、化學(xué)除草和多次頻繁追肥等不科學(xué)的營林措施，會引發(fā)桉樹林地生物多樣性降低[1]、水土流失[2-3]、水源涵養(yǎng)功能減弱[4]和土壤肥力下降[5-6]等生態(tài)安全問題。目前，國內(nèi)針對桉樹人工林水土流失及養(yǎng)分損耗的研究已有一些報道。趙一鶴等[7]對巨尾桉工業(yè)原料林地、灌木林地和荒草地的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行對比研究，結(jié)果顯示，產(chǎn)流量大小依次為：荒草地>灌木林地>巨尾桉工業(yè)原料林地，產(chǎn)沙量大小順序為：灌木林地>荒草地>巨尾桉工業(yè)原料林地，表明桉樹人工林具有一定的水土保持功能。覃其云等[8]研究間種牧草對桉樹林地水土流失及其養(yǎng)分損耗的影響，認(rèn)為間種牧草(桂牧1號象草)能有效減少桉樹林地的地表徑流量，土壤侵蝕量則因牧草種植等人為耕作活動影響而有所增加，從而導(dǎo)致間種牧草的桉樹林地養(yǎng)分流失量高于桉樹純林林地。黃承標(biāo)等[9]連續(xù)6 a定位觀測巨尾桉人工林的地表徑流規(guī)律，結(jié)果表明，桉樹林地在造林當(dāng)年和第2 a的地表徑流量和土壤侵蝕量均較高，隨著林齡的增加，地被物(林下灌草植被和枯枝落葉層)對雨水的截留和吸附作用加強(qiáng)，其地表徑流量和土壤侵蝕量均明顯下降。上述諸多方面對桉樹人工林水土保持效應(yīng)的研究，揭示了桉樹林地水土流失強(qiáng)度主要與所采取的造林撫育措施有關(guān)。目前，桉樹生產(chǎn)上應(yīng)用的造林撫育技術(shù)主要包括采用火燒或人工割灌割草方式清理林地，全墾整地、帶狀整地或挖穴整地，植苗更新或伐根留萌更新，施基肥和追肥，采用人工割灌割草或使用化學(xué)除草劑對幼林地進(jìn)行除草等。本文研究不同造林撫育措施干擾下桉樹幼林林地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量及其養(yǎng)分流失量，并闡明桉樹幼林地的水土流失特征及其影響因素，為桉樹人工林的科學(xué)栽培和可持續(xù)經(jīng)營提供理論根據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然條件

試驗區(qū)位于廣西橫縣新福鎮(zhèn)，東經(jīng)108°51′—108°55′，北緯22°30′—22°36′，海拔80～160 m，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫21.5 ℃，最熱月(8月)均溫27.3 ℃，極端最高溫39.2 ℃，最冷月(1月)均溫12.1 ℃，極端最低溫-1.2 ℃，年均降水量1 334.6 mm，年均日照1 758.9 h，年均蒸發(fā)量1 655.1 mm，年均無霜期338 d。地帶性土壤為花崗巖(雜有部分第四紀(jì)紅土)風(fēng)化形成的磚紅壤，土層厚80～110 cm；地帶性森林植被為南亞熱帶常綠闊葉林，但已蕩然無存，并轉(zhuǎn)變?yōu)殍駱?Eucalypt)和馬尾松(Pinusmassoniana)等人工林植被。

1.2 試驗地及徑流小區(qū)設(shè)計

在廣西南寧市橫縣新福鎮(zhèn)公凈水庫的東南面，于同一山丘西北坡的中坡設(shè)計4種試驗地(處理)，分別記為A,B,C和CK。其中，A為人工割灌割草清理林地和除草、只施基肥不追肥的植苗更新2代林地，B為火燒清理林地、化學(xué)除草、施基肥和追肥的植苗更新2代林地，C為人工割灌割草清理林地和除草、施基肥和追肥的萌芽更新2代林地，CK為對照林地(采伐桉樹萌芽1代3年生林分，人工清理采伐剩余物和砍掉桉樹的伐根萌芽，保留林地上的灌草植物，讓其自然恢復(fù)生長形成的灌草坡地)。在試驗地上，選擇坡度和坡形較相近的直線坡地段，各設(shè)計2個地表徑流小區(qū)，每個徑流小區(qū)面積100 m2(20 m×5 m)，其長邊與等高線垂直，短邊與等高線平行。在每個徑流小區(qū)的上坡邊緣與兩邊用磚砌成擋水墻，墻面高出地表15～20 cm，下坡邊筑集水溝，集水溝深20 cm，底寬20 cm。集水池容積為2.16 m3，其底面積1.8 m2(1.5 m×1.2 m),高1.2 m，集水池上面蓋擋水板。各試驗地的造林撫育措施及其徑流小區(qū)的立地條件詳見參考文獻(xiàn)[10]。

1.3 大氣降水量觀測

在公凈水庫附近的地形開闊處架設(shè)一臺JD-05型翻斗式自記雨量計(徐州市偉思水務(wù)科技有限公司生產(chǎn))，雨量計分辨率為0.1 mm，用來觀測每場降雨的降水量及其降水過程；使用YD-1003型遙測終端機(jī)(徐州市偉思水務(wù)科技有限公司生產(chǎn))自動采集數(shù)據(jù)，每隔5 min記錄1次(降水量有變化時，每隔1 min記錄1次)；按每天、每月和每年統(tǒng)計降水量。

1.4 地表徑流量和泥沙流失量觀測

于2013年7月1日至2015年12月31日，在每次降雨后，于次日8：00，用鋼尺測量每個徑流小區(qū)的集水池中4個底角的徑流水高度(讀數(shù)至1 mm)，然后計算平均值，分別計算出1次(或每天)降雨過程的地表徑流量(mm)。在每次測量集水池中的徑流水高度后，全部排出池中的渾水，并用塑料壺收取渾水樣(1 L)帶回室內(nèi)，經(jīng)沉淀和過濾，求算其泥沙含量(g/L)；同時，將集水池內(nèi)的淤泥全部取出稱量，經(jīng)烘干求算淤泥流失量(10-2kg/m2)，根據(jù)水樣泥沙含量和淤泥流失量計算出林地的泥沙流失量(kg/hm2)。

1.5 樣品采集和化學(xué)分析

于2013年7月1日至2015年12月31日，分別不同年度、不同季節(jié)、不同降雨強(qiáng)度和不同徑流小區(qū)進(jìn)行采樣。每次于集水池中采集并經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆虻膹搅魉畼痈?份，每份約1 L。采用《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》[11]測定水樣中的氮、磷、鉀等元素含量。其中：氮含量采用凱氏法，磷含量采用鉬藍(lán)比色法，鉀含量采用火焰光度法。在采集水樣后，收集不同徑流小區(qū)集水池中的泥沙，經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟾魅? kg。于室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干后，采用《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T1999》[12]測定泥沙的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量。其中，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化—外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，全磷采用氫氧化鈉堿熔提取待測液—鉬藍(lán)比色法，全鉀采用氫氧化鈉堿熔法提取待測液—火焰光度計法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用雙酸(鹽酸和硫酸)浸提—鉬藍(lán)比色法，速效鉀用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度計法。

1.6 統(tǒng)計分析

采用Excel和SPSS 16.0軟件對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，并作差異顯著性檢驗和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同造林撫育措施的桉樹幼林地產(chǎn)流產(chǎn)沙量及其影響因素

2.1.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙量比較 由表1可以看出，各處理林地的地表徑流量和泥沙流失量均存在較大的差異，尤以泥沙流失量的差異更明顯(p<0.01或p<0.05)。

根據(jù)表1計算得知，B處理林地的年均產(chǎn)流量為129.35 mm，比A處理、CK(對照)和C處理林地的分別高7.93%,4.98%和4.95%。隨著林齡的增加，林下地被物得到了逐漸恢復(fù)，上述各處理之間的差異在逐年變少，由2013下半年度的14.80%,10.58%和13.65%下降為2014年度的11.56%,6.41%和5.06%，再下降至2015年度的3.08%,1.36%和0.10%。B處理林地的年均泥沙流失量為642.52 kg/(hm2·a)，比CK(對照)、A處理和C處理林地的分別高109.93%,90.03%和70.82%，尤以降水偏少的2014年度，其泥沙流失量的差異更大，分別達(dá)到407.96%,141.95%和107.65%。究其原因，主要在于B處理一方面是采用火燒清理林地和使用化學(xué)除草劑對幼林地進(jìn)行除草撫育，致使林地上的活地被物和死地被物大量損失，導(dǎo)致林地表面大部分裸露，從而減弱了地被物對降水的截留和吸附作用；另一方面是在每次追肥時均對樹蔸附近的表層土壤進(jìn)行局部翻墾而使其疏松，致使表層土壤和地被物更容易被雨水沖刷，2個方面的組合使得B處理對林地的干擾較頻繁和劇烈，從而產(chǎn)生較高的地表徑流量和泥沙流失量。而A處理僅在造林時采用人工割灌割草(只割除地上部分，保留地下根系部分)清理林地和局部挖穴整地，結(jié)合整地時一次性施基肥于穴底并用表層土覆蓋，對幼林的撫育只進(jìn)行人工割灌割草而不再進(jìn)行追肥，這些措施能有效減少對林下地被物和表層土壤的破壞，使A處理的林地地被物保存較好，充分發(fā)揮林下地被物截留降水和保護(hù)土壤的功能，從而有效地控制了林地的水土流失和對施肥的沖刷作用，使其坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量相對較低。CK(對照)為桉樹采伐地形成的灌草坡地，由于采伐林木和清理林地當(dāng)時的人為踐踏及伐倒木對表層土壤的磨擦或沖擊作用，也部分地?fù)p壞了林地的地被物，從而導(dǎo)致采伐當(dāng)年(2013年)的地表徑流量和泥沙流失量較高(表1)。C處理要進(jìn)行幼林追肥，其對林地的干擾強(qiáng)度稍強(qiáng)于A處理，但遠(yuǎn)比B處理來得弱，故其水土流失強(qiáng)度介于兩者之間。

表1 不同處理林地的地表徑流量和泥沙流失量

注：表中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同一行的相鄰字母表示不同處理之間差異顯著(p<0.05)，相隔字母表示不同處理之間差異極顯著(p<0.01);經(jīng)各月平均值加權(quán)。下同。

2.1.2 降水量對產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響 根據(jù)2013年7月1日至2015年12月31日觀測，期間有196 d產(chǎn)生降雨，總降水量3 748.8 mm，年均降水量1 334.6 mm(經(jīng)各月降水量加權(quán)平均)。參照《地面氣象觀測規(guī)范》[13]，對B處理的產(chǎn)流量和泥沙流失量按各雨量級進(jìn)行統(tǒng)計(表2)。結(jié)果顯示，大暴雨(100～249.9 mm)天氣4次，均產(chǎn)生地表徑流，其徑流量和泥沙流失量分別占總量的25.15%和58.04%；暴雨(50～99.9 mm)天氣13次，均產(chǎn)生地表徑流，其徑流量和泥沙流失量分別占總量的30.45%和28.87%；大雨(25～49.9 mm)天氣18次，有16次產(chǎn)生地表徑流，其徑流量和泥沙流失量分別占總量的22.09%和8.17%；中雨(10～24.9 mm)天氣64次，只有25次產(chǎn)生地表徑流，其徑流量和泥沙流失量分別占總量的21.17%和4.52%；小雨(<10.0 mm)天氣97次，僅有6次產(chǎn)生地表徑流，其徑流量和泥沙流失量分別占總量的1.15%和0.40%。

由表2看出，不同雨量級的地表徑流系數(shù)(徑流量占降水量比率)大小序列(暴雨>大雨>大暴雨>中雨>小雨)與土壤侵蝕模數(shù)(年泥沙流失總量)的大小序列(大暴雨>暴雨>大雨>中雨>小雨)略有不同，但都是以大雨量級較強(qiáng)，小雨量級較弱，反映了降水量(雨強(qiáng))對林地水土流失的嚴(yán)重影響。

表2 各雨量級的徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)

注：小雨(<10 mm),中雨(10～24.9 mm),大雨(25～49.9 mm),暴雨(50～99.9 mm),大暴雨(100～249.9 mm)。

以降水量為自變量，地表徑流量和泥沙流失量為因變量，進(jìn)行回歸分析(表3)。表3顯示，各試驗處理的地表徑流量和泥沙流失量與降水量均呈線性正相關(guān)(R=0.717～0.853)，其檢驗值(F)均達(dá)極顯著水平(p<0.01)，表明試驗林地的地表徑流量和泥沙流失量是受到降水量的強(qiáng)烈影響。

根據(jù)表3所給出的回歸方程式，由降水量可以估算出不同造林撫育措施干擾下的地表徑流量及其泥沙流失量，這為類似地區(qū)桉樹人工林的水土流失量評估提供了測算依據(jù)。

表3 地表徑流量(y1)和泥沙流失量(y2)與降水量(x)的線性回歸分析

2.2 不同造林撫育措施的桉樹幼林地表養(yǎng)分流失量

2.2.1 地表徑流水主要化學(xué)成分含量 不同處理林地徑流水樣的主要化學(xué)成分含量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差列于表4。由表4可以看出，B處理的總N、總P、總K平均含量相對較高、差異顯著(p<0.05)，其他處理的相對較低、且差異不顯著(p>0.05)。若對照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)[11]，各處理林地的徑流水質(zhì)均較差，其中：總N為劣Ⅴ類(>2 mg/L)，總P為Ⅲ—Ⅴ類(0.2～0.4 mg/L)，尤以B處理林地的更差(p<0.05)。為了促進(jìn)桉樹生長，在桉樹幼齡期都要額外追施化肥(N,P,K復(fù)合肥料)，除供給桉樹生長吸收外，還有一部分化肥因為地表徑流的沖刷而流失[14]，再加上降雨對桉樹林冠層及其枯技落葉等地被物的淋洗作用，從而導(dǎo)致徑流水中的養(yǎng)分含量增高，水質(zhì)變差，呈現(xiàn)富營養(yǎng)化反應(yīng)，并以B處理林地的表現(xiàn)最突出。

表4 不同處理林地地表徑流水的養(yǎng)分含量 mg/L

2.2.2 地表徑流泥沙主要化學(xué)成分含量 不同處理林地徑流泥沙的有機(jī)質(zhì)和N,P,K含量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差列于表5。由表5可以看出，B處理的有機(jī)質(zhì)和N,P,K全量及其速效含量的平均值相對較高、差異顯著(p<0.05)，其他處理的相對較低、且差異不顯著(p>0.05)。

表5 不同處理林地地表徑流泥沙的養(yǎng)分含量

2.2.3 地表徑流養(yǎng)分流失量 用年均地表徑流量和泥沙流失量(表1)分別乘以徑流水的養(yǎng)分含量(表4)和徑流泥沙的養(yǎng)分全量值(表5)獲得林地年均徑流水養(yǎng)分流失量和泥沙養(yǎng)分流失量，將兩者相加即為地表徑流的養(yǎng)分流失量(表6)。經(jīng)表6計算得知，B處理林地隨地表徑流流失的N為5.133 kg/hm2，較CK(對照)、A和C處理林地的分別高42.11%,41.52%和41.25%；P為0.633 kg/hm2，比CK(對照)、A和C處理林地的分別高68.80%,60.66%和52.16%；K為27.157 kg/hm2，比CK(對照)、C和A處理林地的分別高出52.31%,50.70%和47.65%。B處理林地的地表徑流養(yǎng)分(N,P,K)流失總量為32.923 kg/(hm2·a)，比同是植苗更新A處理的高出46.89%，比萌芽更新C處理的高出49.17%，比CK(對照)的高出50.91%。B處理林地的養(yǎng)分流失量較高是與其年均水土流失量(表1)及其養(yǎng)分含量(表4—5)均較高有關(guān)。

表6 不同處理林地地表徑流養(yǎng)分流失量 kg/(hm2·a)

3 討論和結(jié)論

(1) 不同造林撫育措施干擾下桉樹幼林地各處理之間的水土流失量及其養(yǎng)分損耗量均存在較大的差異，其中以B處理對林地的干擾較頻繁和劇烈，從而導(dǎo)致其產(chǎn)生較高的水土流失量和養(yǎng)分損耗量，這一現(xiàn)象與覃其云等[8]的研究結(jié)論相符。隨著林齡的增加，對幼林地的干擾(除草和施肥)強(qiáng)度逐漸減弱直至停止，各試驗林地的泥沙流失量均表現(xiàn)出逐年下降趨勢，尤以B處理的表現(xiàn)最為突出，這一趨勢與王會利等[3]和黃承標(biāo)等[9]的研究結(jié)論相一致。

(2) 在地形、土壤和降水等條件相同或相近的情況下，采用火燒清理林地、化學(xué)除草和幼林地頻繁追肥的林地管理措施，導(dǎo)致桉樹幼林地產(chǎn)生較高的產(chǎn)流產(chǎn)沙量和養(yǎng)分流失量；而采用人工割灌割草方式清理林地和幼林地除草、一次性施基肥而不再進(jìn)行幼林地追肥的林地管理措施，能有效地減少了桉樹幼林地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量及其養(yǎng)分流失量。因此，從生態(tài)安全和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，建議在桉樹營林生產(chǎn)上推廣應(yīng)用“人工除草”和“只施基肥不施追肥”的林地管理技術(shù)，應(yīng)避免使用“火燒煉山”和“除草劑除草”的林地干擾措施。

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Features of Soil and Water Loss ofEucalyptYoung Forest Under Different Afforestation-tending Disturbances

LIANG Hongwen1， Ma Qing1， WEN Yuanguang1， GUO Jinchuan2， YANG Jianji3

(1.ForestryCollegeofGuangxiUniversity，Nanning,Guangxi530004，China； 2.GuangxiHydraulicResearchInstitute，Nanning，Guangxi530023，China； 3.GuangxiJinguiForestryCo.Ltd.,Nanning,Guangxi530021,China)

[Objective] Soil erosion and nutrients loss ofEucalyptusyoung forest by different kinds of afforestation and tending measures were studied to promote the scientific management ofEucalyptusplantation. [Methods] Two runoff plots in each of three afforestation-tended lands(management treatments A, B and C) and of aEucalypt-deforested land(CK) were set up to study the characteristics of soil erosion and water loss ofEucalyptusyoung forest. Managemsnt A was located on a regeneratedEucalyptseedling land with basic fertilization but no topdressing after the woods and weeds were manually cut and removed. Management B was on a regenerated seedling forest land with both of basic fertilization and topdressing after of fire clearing and chemical weeding. Management C was on a sprout regenerated forest land with both of basic fertilizing and topdressing after it was artificially cleared of woods and weeds. [Results] The annual average of surface runoff, sediment erosion and the total nutrients losses of N, P, K of management B were 129.35 mm, 642.52 kg/(hm2·a) and 32.923 kg/(hm2·a), respectively, which were higher than that of A-manage by 7.93%, 90.03% and 46.89%, respectively; and were higher than that of C-manage by 4.95%, 70.82% and 49.17%, respectively; and also were higher than that of CK by 4.98%, 109.93% and 50.95%, respectively. There were extremely significant and positive linear correlations among rainfall, the surface flow and the sediment erosion of the experiment woodlands(R=0.717～0.853). [Conclusion] Artificial interferences such as clearing land with fire, chemical weeding, frequently fertilization, and a large number of precipitation level are the main causes of heavy soil erosion and the nutrient loss ofEucalyptusyoung forest woodland.

Eucalyptusyoung forest; clearing woodland with the fire; artificial grass cutting; chemical weeding; forest fertilization; surface runoff; nutrient loss

2016-05-12

2016-06-02

水利部公益性行業(yè)科研專項項目“速生桉樹人工林對水庫的生態(tài)效應(yīng)與影響研究”(201301044)

梁宏溫(1959—)，男(漢族)，廣西壯族自治區(qū)貴港市人，學(xué)士，研究員，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。E-mail:lhwen59@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.005

A

1000-288X(2016)06-0026-05

S718

文獻(xiàn)參數(shù)： 梁宏溫， 馬倩， 溫遠(yuǎn)光, 等.不同造林撫育干擾下桉樹幼林地水土流失特征[J].水土保持通報，2016,36(6)：026-030.