三峽庫(kù)區(qū)典型退耕還林模式水土保持功能研究

吳 東，黃志霖,2，肖文發(fā)，曾立雄，宋文梅(.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所/國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 0009；2.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 2007；.秭歸縣林業(yè)局，湖北 宜昌 44600)

三峽庫(kù)區(qū)典型退耕還林模式水土保持功能研究

吳 東1，黃志霖1,2，肖文發(fā)1，曾立雄1，宋文梅3

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所/國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3.秭歸縣林業(yè)局，湖北 宜昌 443600)

退耕還林；水土保持；徑流；泥沙；三峽庫(kù)區(qū)

為評(píng)估退耕還林工程對(duì)流域水土流失的控制效應(yīng)，選擇三峽庫(kù)區(qū)典型退耕還林模式(茶園、柑橘園、板栗林)，以坡耕地為對(duì)照，觀測(cè)和分析不同退耕模式下土壤物理性質(zhì)及徑流泥沙輸出情況，結(jié)果表明：茶園、板栗林、柑橘園與坡耕地比較，年徑流輸出量平均減少了17.92%，大小關(guān)系為板栗林(110.71 m3/hm2)<柑橘園(164.16 m3/hm2)<茶園(171.74 m3/hm2)<坡耕地(181.38 m3/hm2)，板栗林徑流量顯著小于其他三種模式；年泥沙輸出量大小關(guān)系同樣為板栗林(141.92 kg/hm2)<柑橘園(343.78 kg/hm2)<茶園(394.79 kg/hm2)<坡耕地(1 210.77 kg/hm2)，退耕模式相對(duì)于坡耕地泥沙輸出量顯著減少，平均減少了75.76%；退耕后土壤水分物理性質(zhì)得到很大改善，退耕還林模式土壤容重降低，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度增加，有利于水土保持功能的發(fā)揮。說明退耕還林后新形成的林地和園地具有較好的蓄水保土效益，對(duì)小流域的水土流失控制和土壤改良作用明顯。

水土流失是當(dāng)今世界許多國(guó)家亟待解決的環(huán)境問題，也是我國(guó)政府和科學(xué)工作者重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一[1]。水土流失造成表層土壤養(yǎng)分流失，降低土地生產(chǎn)力，嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。由徑流所攜帶的泥沙在下游河道及水庫(kù)淤積，影響水庫(kù)安全運(yùn)行。伴隨徑流及泥沙輸出的土壤養(yǎng)分造成面源污染，加速水體富營(yíng)養(yǎng)化[2]。造成水土流失的因素多種多樣，水土流失發(fā)生和發(fā)展的過程也極為復(fù)雜，并且不同影響因子之間的作用既相互疊加，也有部分相互抵消[3]。但大量研究表明，小流域土地利用方式變化導(dǎo)致土地利用/覆蓋類型、土壤理化性質(zhì)等方面的改變會(huì)對(duì)地表徑流和土壤侵蝕輸出產(chǎn)生重大影響[4-5]。

三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)屏障區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、雨量豐沛，是我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。在全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃中，三峽庫(kù)區(qū)被列為全國(guó)水土保持極重要區(qū)域和重要水源涵養(yǎng)區(qū)[6]。2000年前后，屏障區(qū)內(nèi)開始大力推廣退耕還林工程，并先后實(shí)施了后靠移民和庫(kù)周綠化等工程，以坡耕地為主體的小流域轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、茶園、果園和林地等多種類型鑲嵌格局[7]。尤其是陡坡耕地實(shí)施退耕還林后，小流域土地利用方式發(fā)生明顯變化，形成不同退耕還林模式，植物種類發(fā)生改變，耕作管理和施肥等環(huán)節(jié)較以往也有很大不同，響直接影地表徑流和土壤侵蝕輸出[8]。

近年來庫(kù)區(qū)退耕還林面積繼續(xù)增大，退耕后各模式水土保持效益對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響[9]。為及時(shí)了解不同模式的效益變化趨勢(shì)，本研究選擇三峽庫(kù)區(qū)蘭陵溪小流域典型退耕還林模式(茶園、板栗林、柑橘園)及原有坡耕地，在自然降雨和傳統(tǒng)耕作方式下進(jìn)行徑流小區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，觀測(cè)和分析各退耕模式地表徑流與侵蝕泥沙年輸出情況，并測(cè)定各模式土壤水分物理性質(zhì)相關(guān)指標(biāo)，比較各模式水土流失差異，探究造成差異的原因，以期為庫(kù)區(qū)各退耕類型的水土保持效益評(píng)價(jià)及流域水土流失綜合防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)三峽庫(kù)區(qū)蘭陵溪小流域(110°56′E、30°50′N)位于湖北省秭歸縣境內(nèi)，距離三峽大壩17 km左右。流域地處中緯度地區(qū)，受亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候影響，近50年年均降水量為991.90 mm，年際差異較大，年內(nèi)降雨主要集中在5—8月份，約占全年降水量的70%[10]。流域內(nèi)土壤多為花崗巖母質(zhì)出露發(fā)育而成的石英砂土，保水保肥性都比較差。

蘭陵溪小流域?yàn)槿珖?guó)退耕還林科技支撐試驗(yàn)示范區(qū)，地勢(shì)西高東低，西部地區(qū)最高海拔達(dá)1 400 m，植被覆蓋度低，巖石出露。2002年蘭陵溪小流域開始實(shí)施25°以上坡耕地退耕還林工程，隨后坡改梯、免耕、緩沖帶等生態(tài)防護(hù)工程也陸續(xù)開始實(shí)施，退耕后海拔500 m以下的坡耕地逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@、板栗林、柑橘林等經(jīng)濟(jì)林，中部低山區(qū)(500 m以上)主要為灌木、馬尾松次生林和松櫟混交林等林帶，植被覆蓋率為72.5%。居民點(diǎn)主要分布于東部低山區(qū)(300～500 m)。海拔200～500 m地區(qū)主要土地利用類型為茶園、柑橘園和板栗林等，少量地塊有花生、紅薯和玉米等農(nóng)作物間作其中，形成具區(qū)域特色的農(nóng)林景觀間作帶。

試驗(yàn)期間各模式均由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行經(jīng)營(yíng)管理，坡耕地主要種植作物為紅薯和玉米。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

根據(jù)小流域內(nèi)主要的土地利用方式和退耕還林后形成的植被類型，選擇各退耕模式(茶園、板栗林和柑橘園)分布的代表性地段(包括位置、坡度等)，并以退耕前原有的坡耕地作為對(duì)照布設(shè)徑流小區(qū)。各小區(qū)水平投影面積均為50 m2，四周用水泥板分割以阻止外界徑流進(jìn)入。小區(qū)的布設(shè)均以具有典型代表性和地形條件基本一致為原則。由于茶園分布廣泛且位于不同坡度，加上當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶以茶葉收入作為主要經(jīng)濟(jì)來源，因此增加1個(gè)茶園徑流小區(qū)以保證其徑流泥沙輸出情況能得到真實(shí)反映。

試驗(yàn)開始前對(duì)各小區(qū)坡度、坡位、植被蓋度等基本情況進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果見表1。

1.2.2 樣品采集與測(cè)定

本試驗(yàn)徑流泥沙樣品采集在雨季進(jìn)行，觀測(cè)起止時(shí)間為2015年4月至9月。降雨數(shù)據(jù)來源于小流域內(nèi)設(shè)置的兩個(gè)自記雨量計(jì)，試驗(yàn)期間總降雨量為792.4mm，期間發(fā)生降雨產(chǎn)流次數(shù)共計(jì)15次，基本能反映該區(qū)域2015年全年徑流泥沙輸出特征。每次降雨停止后記錄各小區(qū)集水池內(nèi)徑流深度，再通過體積法換算成地表徑流總量。同時(shí)將集水池中水樣攪渾并收集1 L泥沙混合樣裝入做好標(biāo)記的聚乙烯瓶，帶回實(shí)驗(yàn)室。將泥沙混合樣用烘干后的濾紙過濾，并將濾紙和泥沙一同放入85 ℃烘箱烘至恒定值，取出稱量后計(jì)算各退耕模式泥沙輸出量。樣品收集完畢之后將各集水池清掃干凈，以避免對(duì)下次取樣造成干擾。

表1 徑流小區(qū)基本特征

于試驗(yàn)開始前在各退耕模式設(shè)立20 m×20 m的樣地，按照S形布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)挖土壤剖面并利用環(huán)刀(容積為100 cm3)于剖面中部取原狀土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤水分物理特征指標(biāo)(孔隙度、容重等)。土壤物理性質(zhì)測(cè)定按照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1215—1999《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測(cè)定》進(jìn)行。

本研究應(yīng)用Excel 2013和SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)與分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 退耕還林模式徑流輸出和泥沙輸出差異

2015年4—9月測(cè)定了9個(gè)坡面徑流小區(qū)15次降雨的產(chǎn)流量和泥沙量，得到了各模式地表徑流年輸出量和泥沙年輸出量，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 不同退耕模式地表徑流年輸出量

注： 同一指標(biāo)不同字母表示處理間在0.05的水平上差異顯著，下同。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖1可知，相對(duì)于原有坡耕地，新的退耕模式茶園、板栗林、柑橘園年地表徑流輸出量明顯減少，三者徑流系數(shù)分別為2.66%、1.71%、2.54%，而坡耕地為2.81%。年徑流輸出量坡耕地最大，為181.38 m3/hm2；茶園次之，為171.74 m3/hm2；柑橘園輸出量為164.16 m3/hm2；板栗林最少，只有110.71 m3/hm2。與坡耕地相比，各退耕模式地表徑流輸出量分別減少了5.31%、38.96%和9.49%，平均減少17.92%。經(jīng)過多重比較分析，除板栗林與其他三種模式差異顯著外(P<0.05)，其他模式之間并無顯著差異(P>0.05)。

圖2 不同退耕模式泥沙年輸出量

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖2可知，泥沙輸出量大小關(guān)系與徑流輸出量一致，即坡耕地(1 210.77 kg/hm2)>茶園(394.79 kg/hm2)>柑橘園(343.78 kg/hm2)>板栗林(141.92 kg/hm2)。與坡耕地相比，茶園、柑橘園和板栗林泥沙年輸出量分別減少了67.39%、88.28%和71.61%，三種退耕模式泥沙年輸出量平均減少了75.76%。多重比較結(jié)果顯示，坡耕地泥沙輸出量與三種退耕模式之間具有顯著差異(P<0.05)；三種退耕模式之間泥沙輸出量也表現(xiàn)出了一定的差異，板栗林相比于茶園、柑橘園泥沙輸出量顯著減少(P<0.05)，茶園與柑橘園泥沙輸出量差異不顯著(P>0.05)。

水土流失的影響因素很多，如土地利用類型、水文氣象、土壤類型、人為干擾因素等[11]。本研究所選取的茶園、坡耕地、板栗林和柑橘園在海拔、土壤類型等諸多方面相似，因此可以認(rèn)為土地利用方式是影響地表徑流和泥沙輸出的主要因素。三種退耕模式水土流失情況明顯好于坡耕地，一方面是人為管理不同所導(dǎo)致：耕地田間管理頻繁，踩踏嚴(yán)重，土壤易板結(jié)，而茶園和柑橘園田間管理相對(duì)較少，板栗林人跡罕至，幾乎無人為管理，土質(zhì)疏松，能夠吸收大量地表徑流；另一方面則是植被通過林冠層、枯枝落葉層和土壤層的綜合效能對(duì)地表徑流和土壤侵蝕產(chǎn)生了影響[12]。退耕模式植被冠層或葉面截留了部分降水，降低了雨滴動(dòng)能，減少了其對(duì)土壤的直接沖擊；地表枯落物和土壤表層腐殖質(zhì)豐富，地表徑流入滲快，降雨難以將土壤顆粒剝離；植物根系也能有效增加土壤團(tuán)粒的穩(wěn)定性，增加地表徑流滲透，減少侵蝕[13-15]。板栗林植被生長(zhǎng)茂密，覆蓋度高，枯落物層豐富，加上大量根系穿插致使土壤疏松，能吸收大量降水，有利于降雨下滲和降低地表徑流流速，使板栗林產(chǎn)流產(chǎn)沙量大大減少[16]。柑橘植株相對(duì)低矮，種植密度高，茶樹灌叢狀密植，二者地面覆蓋度高，水土流失控制效應(yīng)強(qiáng)。坡耕地以玉米、紅薯等農(nóng)作物種植為主，植被蓋度低，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞且容易板結(jié)，入滲能力差，抗沖性差，地表在收獲后和播種前(8月底到9月初)呈裸地狀態(tài)，雨滴濺蝕和徑流沖蝕增加，加劇了土壤侵蝕，這與王川、孫鐵軍等人的研究結(jié)論一致[17]。

與坡耕地相比，三種退耕模式產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯減少，各退耕還林模式都具有更好的固持土壤的作用，尤其是產(chǎn)沙量年平均減少75.76%。

2.2 退耕還林模式土壤水分物理性質(zhì)的差異

土壤容重和土壤孔隙度對(duì)土壤持水性和透水性產(chǎn)生直接影響，是土壤基礎(chǔ)物理指標(biāo)，能夠很好地反映土壤的水源涵養(yǎng)功能。將試驗(yàn)結(jié)果綜合整理，得到土壤水分物理性質(zhì)匯總結(jié)果，見圖3。

圖3 不同退耕模式土壤水分物理性質(zhì)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖3可知，各模式土壤容重有差異，坡耕地最高，為1.54 g/cm3，其次是茶園和柑橘園，板栗林土壤容重最低，為1.33 g/cm3。相比于坡耕地，茶園、板栗林和柑橘園土壤容重分別減少了10.39%、13.64%和11.69%，退耕模式較坡耕地平均減少11.90%。多重比較(LSD法)結(jié)果顯示，三種退耕模式的土壤容重與坡耕地相比差異顯著(P<0.05)，板栗林與茶園、柑橘園差異顯著(P<0.05)，茶園與柑橘園之間無顯著差異(P>0.05)。

不同退耕模式的土壤孔隙度變化趨勢(shì)與土壤容重正好相反，退耕模式各項(xiàng)指標(biāo)均高于坡耕地。退耕模式土壤毛管孔隙度增加量為8.07%～17.08%，非毛管孔隙度增加量為92.19%～102.08%，總孔隙度增加量為12.09%～20.99%，三種退耕模式各項(xiàng)指標(biāo)平均增量分別為11.33%、96.53%和15.25%。非毛管孔隙度方面，三種退耕模式相對(duì)于坡耕地均有顯著增加(P<0.05)，茶園與柑橘園間無顯著差異，但板栗林顯著大于茶園和柑橘園；毛管孔隙度及總孔隙度變化規(guī)律一致，退耕模式較坡耕地顯著增加(P<0.05)，板栗林增量最大，茶園與柑橘園之間差異不顯著(P>0.05)。

土壤容重和孔隙度是反映土壤結(jié)構(gòu)和持水能力的重要指標(biāo)，是不同土地利用類型水土保持功能差異的一種體現(xiàn)形式[18]。有研究表明，土壤容重小、孔隙度大更有利于土壤水分的保持和滲透，有利于減少土壤侵蝕[19-20]。退耕還林后形成的園地和林地在植被覆蓋度、土壤擾動(dòng)程度，以及耕作方式、種植模式方面與坡耕地都有很大差異。坡耕地由于植被蓋度低，降雨時(shí)雨滴直接擊打地表，土壤易于分散并快速形成表層結(jié)皮，使表層土壤容重大大增加，進(jìn)而加速了地表產(chǎn)流，加上玉米、紅薯等作物種植只需淺耕即可，底層土壤并未因翻耕而得以疏松，而表層土壤受到一定擾動(dòng)導(dǎo)致土壤顆粒變得細(xì)小，人為踩踏后土壤通氣透水性大大減弱，土壤孔隙度下降，因而容重增加[21]。而退耕模式植被生長(zhǎng)茂密，地下根系十分發(fā)達(dá)，根系的大量生長(zhǎng)與穿插使得土壤更為疏松，土壤孔隙度增加，容重降低[22]。板栗林土壤容重最低、孔隙度最高，且與坡耕地和茶園、柑橘園都有顯著差異，這主要是因?yàn)榘謇趿钟休^厚的凋落物層及地表腐殖質(zhì)層，頻繁的微生物活動(dòng)使土壤通透性更好，加上林地樹木根系更為發(fā)達(dá)，垂直和水平分布范圍更廣，根系對(duì)土壤的切割作用更強(qiáng)[23]。

通過測(cè)定和分析，退耕還林工程實(shí)施以后蘭陵溪小流域土壤質(zhì)量得到了一定的恢復(fù)和改善，各退耕模式的土壤物理性質(zhì)改良優(yōu)勢(shì)明顯，增強(qiáng)了土壤的減流減沙效應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)各退耕模式徑流年輸出量相對(duì)于坡耕地都有很大程度的減小，板栗林減小程度最為明顯，各模式年輸出量大小關(guān)系為板栗林<柑橘園<茶園<坡耕地，退耕模式平均徑流年輸出量減少17.92%。

(2)年泥沙輸出量大小關(guān)系與徑流輸出一致，即板栗林<柑橘園<茶園<坡耕地，退耕模式對(duì)泥沙輸出量的影響較徑流量大。相對(duì)于坡耕地，退耕還林模式具有更好的固持土壤和減少土壤侵蝕的作用，泥沙輸出平均減少75.76%。

(3)退耕還林工程實(shí)施以后土壤物理性質(zhì)得到一定程度的改善，各退耕模式土壤通氣透水性增強(qiáng)，具體表現(xiàn)為土壤容重減小，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度都相應(yīng)增加，土壤減水減沙效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。三種退耕模式具有較好的蓄水保土效應(yīng)，不僅對(duì)減少小流域水土流失效果顯著，而且能增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收入，提高農(nóng)民生活水平。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAD07B04)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370481)

S157；S715.3

A

1000-0941(2017)01-0033-05

吳東(1990—)，男，湖北秭歸縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥恋乩眉捌渖鷳B(tài)環(huán)境效應(yīng)。

2015-11-17