不同退耕還林措施下土壤水分養(yǎng)分影響試驗(yàn)研究

張思瑤

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

遼西地區(qū)屬于遼寧省水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，水土流失率占全省的比重超過(guò)50%[1]。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，遼西地區(qū)加大水土流失治理，廣泛通過(guò)退耕還林草率來(lái)對(duì)區(qū)域的水土流失進(jìn)行有效治理，通過(guò)近些年來(lái)水土流失治理措施的持續(xù)力度的加大，流域水土流失率得到明顯改善[2]。從2000年代開(kāi)始，遼西地區(qū)就開(kāi)始針對(duì)區(qū)域退耕還林措施進(jìn)行分析[3-11]，但是大多只針對(duì)不同退耕還林措施下的水土流失率進(jìn)行研究，而對(duì)區(qū)域土壤水分養(yǎng)分研究還較少，而土壤水分養(yǎng)分的影響對(duì)于區(qū)域土壤環(huán)境治理十分重要，因此需要對(duì)區(qū)域不同退耕還林進(jìn)行分析確定最為適應(yīng)的措施，即降低區(qū)域水土流失量，也對(duì)區(qū)域土壤生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效改善[12]。遼西地區(qū)主要采用的退耕還林措施分別為封山育林[13]、林草混交(刺槐和苜蓿)[14]、刺槐沙棘混交[15]、刺槐純林[13]等4種典型退耕還林措施，為對(duì)這4種典型措施下土壤水分養(yǎng)分的影響進(jìn)行探討，本文結(jié)合野外觀測(cè)試驗(yàn)方式，對(duì)不同退耕還林措施下的土壤水分養(yǎng)分進(jìn)行測(cè)定，定量分析各退耕還林措施下的土壤水分以及養(yǎng)分流失情況，從而確定區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善的最佳退耕還林措施，研究成果對(duì)于水土流失區(qū)生態(tài)重建模式應(yīng)用和推廣具有重要的研究意義。

1 野外觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)概況

以遼寧朝陽(yáng)地區(qū)葉柏壽水土流失觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)為野外觀測(cè)區(qū)，該區(qū)域位于遼寧的西部，屬于典型的山地丘陵區(qū)，流域內(nèi)主要分布有封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交、刺槐純林等4種典型退耕還林措施，區(qū)域總面積為30km2。主要土壤類型為棕壤，試驗(yàn)區(qū)平均降水量為650mm，其土壤養(yǎng)分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤主要養(yǎng)分值

2 試驗(yàn)方法

2.1 生物量測(cè)定

主要對(duì)不同退耕還林措施下林地生物量進(jìn)行測(cè)定，在對(duì)每塊面積為600m2試驗(yàn)樣地里面的林地樹(shù)木高度、樹(shù)冠、胸徑等生物量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，距離地面高度為0.7m的8個(gè)尺寸分別為0.90m×1.25m尼龍網(wǎng)收集器在試驗(yàn)樣地里，凋落的物量通過(guò)80℃烘干后進(jìn)行測(cè)定。設(shè)置5個(gè)枯枝葉落的試驗(yàn)小樣方塊對(duì)枯枝落葉層的持水量進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)12h的清水里滲入枯枝落葉的混合樣本后進(jìn)行稱重，經(jīng)過(guò)80℃烘干后進(jìn)行枯枝落葉層干重的測(cè)定。

2.2 土壤侵蝕原位觀測(cè)

徑流觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)置的比例為20m×5m，磚塊、水泥在徑流觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)外圍鋪設(shè)成不透水外墻，集流池在外墻下緣30cm處進(jìn)行設(shè)置。地表徑流結(jié)束后對(duì)泥沙進(jìn)行觀測(cè)，承水池中掃入集流池中的泥沙和水，水位刻度通過(guò)水池內(nèi)壁進(jìn)行量取，經(jīng)混合沉淀的徑流中進(jìn)行水樣的采集，放置到烘箱內(nèi)經(jīng)過(guò)105℃烘干后進(jìn)行稱重。

2.3 土壤物化特征測(cè)定

采樣環(huán)刀進(jìn)行土壤采樣，結(jié)合室內(nèi)烘干稱重方法對(duì)土壤的容重等物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。堅(jiān)實(shí)度方法對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行測(cè)定。重鉻酸鉀氧化法用于有機(jī)質(zhì)測(cè)定，堿解擴(kuò)法用于堿解氮測(cè)定，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法用于速效磷測(cè)定，火焰光度法用于速效鉀的測(cè)定，電位測(cè)定法用于土壤酸堿度的測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 不同退耕還林措施下土壤水影響

對(duì)水土流失治理試驗(yàn)區(qū)封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交、刺槐純林等4種典型退耕還林措施下的土壤水及垂向變化逐月進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2—3。

表2 不同退耕還林措施下土壤水逐月變化

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，相比于荒地各措施土壤含水率提高比例分別為14.25%(封山育林)、7.35%(林草混交)、2.84%(刺槐沙棘混交)、1.15%(刺槐純林)。封山育林措施下各月土壤含水量最高，刺槐純林下的各月土壤含水量在各措施下最低。土壤中間層40～55cm由于土壤水蒸發(fā)10～40cm低層水分流失等原因其含水量高于其他土壤層深度下的土壤含水量，總體而言上層40cm以上土壤含水量變幅總體要高于下層40cm以下的土壤含水量，表層土壤含水量受降雨和蒸發(fā)影響要高于下層。

表3 不同退耕還林措施下土壤垂向變化

3.2 不同退耕還林措施下土壤儲(chǔ)水能力

對(duì)封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交、刺槐純林等4種典型退耕還林措施下的土壤儲(chǔ)水能力進(jìn)行測(cè)定，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同退耕還林措施下的土壤儲(chǔ)水能力分析

從不同退耕還林措施下的土壤儲(chǔ)水能力分析，由于不同退耕還林措施使得區(qū)域植被覆蓋增加而加大土壤水蒸騰能力，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，土壤儲(chǔ)水能力得到增加。各退耕還林措施下0～15cm上層的土壤的持水量最高值、最低值、毛管持水量及排水能力都要好于15～30cm下層土壤，使得下層土壤儲(chǔ)水能力總體好于上層土壤。相比于荒地各措施土壤持水量最高值提高比例分別為36.59%(封山育林)、33.29%(林草混交)、22.31%(刺槐沙棘混交)、23.82%(刺槐純林)，土壤持水量最小值提高比例分別為18.92%(封山育林)、13.62%(林草混交)、6.52%(刺槐沙棘混交)、5.21%(刺槐純林)，各措施排水能力相比于荒地提高比例分別為136.82%(封山育林)、132.54%(林草混交)、99.5%(刺槐沙棘混交)、82.38%(刺槐純林)，各措施儲(chǔ)水能力相比于荒地提高比例分別為26.53%(封山育林)、18.54%(林草混交)、11.57%(刺槐沙棘混交)、8.26%(刺槐純林)。

3.3 不同退耕還林措施下土壤物理特性分析

對(duì)封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交、刺槐純林等4種典型退耕還林措施下的土壤物理特征進(jìn)行測(cè)定，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同退耕還林措施下的土壤物理特征分析

植被覆蓋率由于不同退耕還林措施下使得枯枝落葉生物量得到增加，土壤物理指標(biāo)得到明顯改良，相比于刺槐純林其他3種退耕還林措施土壤容重減少率分別為40.0%(封山育林)、30.86%(林草混交)、13.71%(刺槐沙棘混交)。土壤孔隙度相比于刺槐純林其他3種退耕還林措施增加率分別19.35%(封山育林)、7.62%(林草混交)、7.20%(刺槐沙棘混交)，總體而言，封山育林措施下的土壤物理指標(biāo)改良度高于其他3種措施，其次為林草混交措施，刺槐純林措施下的土壤物理特性改良度相比最低。

3.4 不同退耕還林措施下土壤養(yǎng)分分析

對(duì)封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交、刺槐純林等4種典型退耕還林措施下的養(yǎng)分特征進(jìn)行測(cè)定，分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同退耕還林措施下的土壤養(yǎng)分分析

由于不同退耕還林措施下區(qū)域植被覆蓋率的提高使得落到土壤表層的枯枝落葉增多，使得土壤表層和下層養(yǎng)分得到一定程度的改善，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定分析相比于純林措施，封山育林有機(jī)質(zhì)和全氮可分別提高24.51%、24.35%，林草混交下有機(jī)質(zhì)和全氮可分別提高23.88%、35.47%。

3.5 不同退耕還林措施下水土流失分析

采樣現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交、刺槐純林等4種典型退耕還林措施下不同年份的水土流失量進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同退耕還林措施下的水土流失分析

相比于刺槐純林措施，其他3種退耕還林措施的地表年產(chǎn)流次數(shù)總體可減少17次、徑流深均值僅為其8%左右。相比于封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交3種退耕還林措施，刺槐純林措施下的徑流系數(shù)為其8倍左右，封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、刺槐沙棘混交對(duì)于區(qū)域水涵養(yǎng)能力的提升較為明顯。

3.6 不同退耕還林措施下生物量分析

考慮到不同退耕還林措施的生物生態(tài)效應(yīng)，對(duì)封山育林、林草混交(刺槐和苜蓿)、純林措施下的生物量及刺槐生物量分配比例進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果分別見(jiàn)表8—9。

表8 不同退耕還林措施下的生物量測(cè)定分析

表9 不同退耕還林措施下的刺槐生物量分配測(cè)定

封山育林、林草混交2種方式下的刺槐生物量具有顯著和極顯著的差異。封山育林措施下的刺槐生物量指標(biāo)最佳，其次是林草混交措施和純林措施，陽(yáng)向坡地下的刺槐生物量指標(biāo)最低。從不同退耕還林措施下的刺槐生物量分配測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果可看出，相比于純林措施，封山育林和林草混交措施下的生物量增加率分別為47.35%和5.65%，干、皮、枝、葉、根對(duì)于刺槐林木而言，比例分別為11∶2∶3∶1∶5。

4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)相比于純林措施，混交林措施下林木枯枝落葉層、凋落生物量及土壤儲(chǔ)水能力得到明顯提升，建議在遼寧地區(qū)以封山育林措施為主，并以刺槐和苜蓿作為主要的混交林，既可有效治理區(qū)域水土流失，又使得區(qū)域生態(tài)重構(gòu)模式得到一定程度恢復(fù)。

(2)退耕還林措施提高區(qū)域植被覆蓋度，隨著植被覆蓋度區(qū)域土壤水分養(yǎng)分得到一定程度的提升，但通過(guò)野外試驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)覆蓋度高于50%后，其土壤水分養(yǎng)分改良效果變化較為平穩(wěn)，達(dá)到最佳值，因此對(duì)應(yīng)遼寧地區(qū)而言，刺槐和苜?；旖涣肿顑?yōu)覆蓋度可為50%。

(3)退耕還林措施后，隨著降雨入滲影響，其土壤水分養(yǎng)分流失影響較為明顯，在后續(xù)研究中還應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)不同退耕還林措施下的土壤水分養(yǎng)分流失率進(jìn)行效應(yīng)分析，提出最優(yōu)區(qū)域生態(tài)重構(gòu)模式。