红壤侵蚀地生态修复后水源涵养功能研究

2013-09-08翟翠红黄荣珍朱方旭付玉龙刘卓明

中国水土保持 2013年4期

翟翠红，肖龙，李凤，黄荣珍，朱方旭，付玉龙，李伟，刘卓明

(1.江西农业大学，江西南昌 330045;2.南昌工程学院/江西省水文水资源与水环境重点实验室，江西南昌 330099;3.泰和县水土保持站，江西泰和 343700;4.常山县水土保持科学试验站，浙江常山 324200)

红壤是江西省主要的土壤资源，其分布面积约为1 080万hm2，占江西省总面积的64%［1］。由于特殊的自然地理条件以及人类长期不合理的开发利用，红壤地区已成为江西省主要的水土流失区之一，曾被称为“红色沙漠”。侵蚀退化地实施生态修复后，其保持水土、涵养水源、改善生态等功能发生了巨大变化，但不同修复措施形成的植物群落各异，使得其物种生物学特性、垂直结构、凋落物及土壤理化性质等也各不相同，从而造成水源涵养功能也相差甚大［2］。项目组前期已对严重侵蚀红壤地采取生态修复措施后植物群落的多样性与稳定性、直径分布、凋落物量与养分归还、固碳效益等进行了研究［3－5］，本研究着重从水源涵养功能角度探讨5种修复模式的生态效果，以期为江西及我国南方退化红壤区的植被重建和生态修复提供必要的理论依据。

1 研究地概况

研究地位于泰和县老虎山小流域(吉安市井冈山水土保持科技示范园所在流域)，地理坐标为E114°52'—114°54'、N26°50'—26°51'，地貌属低浅丘陵区，海拔80—200 m，丘坡平缓，坡度多在5°左右。属中亚热带季风气候，年均气温18.6℃，≥10℃的年积温为5 918℃，极端最低、最高气温分别为－6℃和40.4℃，年均降雨量1 363 mm，无霜期288 d。土壤为第四纪红土发育而成的红壤，厚度一般为3～40 m。

2 研究方法

2.1 试验设计

1983 年在试验地(A层土壤全部剥蚀，B层出露，地表无任何草灌，本底条件相同)采取不同方法进行人工促进生态修复，包括强烈干扰马尾松(Pinus massoniana)林分(打松枝、耙松针，无任何抚育管理措施，模式A)、封育马尾松林分(模式B)、竹节沟马尾松林分(开挖水平竹节沟，模式C)、种草竹节沟马尾松林分(带状种植百喜草且开挖水平竹节沟，模式D)、竹节沟湿地松(Pinus elliottii)林分(模式E)。试验地基本情况见表1。

2.2 试验方法

试验所采用的方法为:①乔木生物量应用标准地法和每株调查法测定，经计算单株生物量并累加得到总的生物量;灌木和草本植物生物量应用样方收获法测定，林地凋落物现存量应用小样方法测定。②乔木层持水量利用生物量与持水量对应关系计算，林下植被持水量用纱网袋置水饱和法测定，地下土壤层持水能力用环刀置水饱和法测定，渗透性采用双环渗透法测定。③乔木生物量调查于2010年8月份进行，其余调查试验于2010年12月份进行。

表1 试验地基本情况

3 结果与分析

3.1 森林地上部分的持水能力

森林地上部分的持水能力主要表现在乔木林冠层、灌木层、草本层和枯枝落叶层等对降水的拦截和重新分配上。植被能削减降雨侵蚀力，减少地表径流量，降低径流冲刷力，起到良好的涵养水源和保持水土的作用［6］。

3.1.1 乔木层持水能力

森林涵养水源的功能首先体现在林冠层对降水的截留上。林冠的这种作用，不仅减少了林下径流量，而且延缓了降雨产流时间［7］。林冠层持水能力的大小除受降水特征影响外，还取决于林分特性，即受林分郁闭度、枝叶生物量、叶面积指数和枝叶表面粗糙度等的影响［8－9］。由表2可见，林冠层持水量以模式E最大，为 13.57 mm/hm2;其次是模式 D，为5.32 mm/hm2;模式A最小，为3.9 mm/hm2。通过对比分析可知，林冠层持水量中模式E比其余4种模式大得多，其中E和D分别为A的3.48倍和1.36倍，模式B和模式C较为接近。试验结果说明湿地松林分比马尾松林分林冠层持水性能好;而相对于竹节沟马尾松林分而言，种草竹节沟马尾松林分由于其地表被草皮所覆盖，削弱了径流对地表的冲刷，起到了保护表层土壤和改良土壤的作用，促进了马尾松林分生长，使其生物量增加，从而增加了林冠层的持水量。这说明采取适当的水土保持措施能显著提高林冠层截持降水的能力，减弱降水对林地直接击溅作用，延缓和减少地表径流。

表2 不同修复模式林分地上部分持水能力

3.1.2 林下植被层持水能力

林下植被层是林分发挥蓄水保土作用的第二个层次，因其紧靠地表，故对林地的保护以及防止降水对林地的直接击溅作用均不亚于林冠层，特别是在严重侵蚀地上恢复的水土保持林，其林下植被覆盖度的高低，对削弱降雨侵蚀力尤为重要。从表2可以看到，A、B、C、D、E模式的林下植被层的持水量分别为0.16、1.72、0.39、0.67 和 2.00 mm/hm2，以模式 E 最大，其次为模式B，模式A最小。这主要是由于模式E林分在2008年初冰雪霜冻灾害中部分湿地松被压倒，留下了大小不等的天窗，促使林下灌草种类明显增加并旺盛生长，生物量增加;而模式B由于封育管理使得林分长期受到保护，尤其是林地土壤免遭干扰和破坏，使得灌草种子能够萌发、定植和发展。模式D是模式C的1.72倍，表明植物措施起到了较好的保护地表的作用，增加了持水能力。模式A最小且和其他4种模式相比相差较大，说明强烈干扰使得林地的林下植被受到严重影响，降水对林地的直接击溅作用最明显，严重影响到林下植被层的持水能力。

3.1.3 枯枝落叶层持水能力

凋落物层具有蓄持雨水、调节和过滤地表径流的作用，其持水能力与凋落物的数量、组成及分解情况等有关［10］。由表2可知，不同模式的生态修复林分其枯落物的最大持水量有所不同，模式D持水量最大，为0.92 mm/hm2;模式 C 次之，为 0.67 mm/hm2;模式 B和模式E最小，均为0.29 mm/hm2。这主要是因为模式D林分内百喜草在冬季大量枯死，增加了凋落物生物量，而模式B和模式E虽然灌木层生物量大，但多为常绿树种，凋落物量少。

3.2 土壤层的水源涵养能力

土壤是森林水源涵养的主体，其水分物理状况是土地质量评价的重要指标之一。森林土壤涵养水分能力主要决定于土壤的孔隙状况［11］。地上部分截持的降水沿着土壤孔隙下渗，进而转化为地下径流或贮存于土壤孔隙中。森林土壤对降水的调节能力包括对降水的动态和静态调节两个方面，也即土壤的渗透能力和贮水能力。

3.2.1 土壤的渗透能力

土壤的渗透性能是衡量林分水源涵养功能的重要指标之一，它与土壤质地、结构、孔隙度、温度、湿度和有机质含量有关［12］。研究表明［13］，在其他条件相同的情况下，入渗速率与土壤流失量成反比。不同修复模式林地土壤渗透性能存在着很大差异，开展其研究对于合理设计植被恢复措施及科学评价水源涵养能力有着重要的意义。

由表3可以看出，5种林分的土壤初渗速率与稳渗速率相差较大，各林分按初渗速率大小排序依次为B＞D＞A＞C＞E，按稳渗速率排序依次为B＞D＞C＞E＞A。其中，模式B土壤初渗速率最大，是模式A的2.69 倍，模式 E 最低，仅为 2.36 mm/min，这可能是由于模式E在2008年初冰雪霜冻灾害中部分湿地松被压倒，失去根系对土壤的穿插能力，造成土壤孔隙减少。土壤稳渗速率同样以模式B最大，其次为模式D，以模式A最小(0.85mm/min)，仅分别为模式B和D的17.2% 和38.8%。这或许是由于模式B不受外界干扰，枯枝落叶层丰富，凋落物分解后形成的腐殖质增加了土壤有机质，使得土壤容重降低、孔隙度增加，从而提高了土壤的渗透性能。以上研究结果表明，在红壤侵蚀地治理中，封育马尾松林分是较为适宜的生态修复措施。

表3 不同修复模式林地土壤入渗性能

3.2.2 土壤的贮水能力

林地土壤是水分贮蓄的主要场所，其持水量是反映林地水源涵养能力的重要指标之一。表4表明，在5种修复模式中，从表层土(0—20 cm)到深层土(20—40 cm)，除模式E外，其余模式土壤容重呈逐渐增大的趋势，王燕的研究结果［14］也证明了这一现象。在0—40 cm土层中，模式 A、B、C、D、E林分持水量分别为156.00、168.10、166.93、230.05、139.23 mm，以模式D最高，是模式A的1.47倍，模式E林分最低，模式B和模式C林分比较接近，说明湿地松林分土壤非毛管孔隙度和总孔隙度比马尾松林分低。模式D林分土壤持水量最高，尤其是0—20 cm层土壤，这可能与百喜草促进地表土壤孔隙度增加、持水性能增强的良好改良作用有关。

表4 不同修复模式林地土壤持水能力比较

3.3 不同生态修复模式森林水源涵养功能灰色关联分析

森林植被对降水的拦蓄过程极其复杂，呈动态变化趋势，它不仅受森林类型的影响，而且也取决于各种环境因子的变化以及森林系统与这些因子间的相互作用［15］。灰色关联分析可以判断待测因子与理想值联系的紧密程度和相似程度，在评价森林涵养水源功能时，系统的关联度反映了森林类型涵养水源功能与最佳状态的接近程度。本研究在运用灰色关联分析法［16］对5种修复模式森林水源涵养功能进行评价并排序时，以林冠层持水量(X1)、林下植被层持水量(X2)、凋落物层持水量(X3)、土壤层总持水量(X4)、初渗率(X5)、稳渗率(X6)为主要评价指标，对各评价指标测定的原始数据进行标准化变换，取各指标的最优值组成参考数列(X0)，分辨系数取0.5，分析得出如表5所示的关联系数和关联度。

表5 5种修复模式林分植被状况参数的灰色关联系数和关联度

由表5知，5种林分水源涵养能力与最佳状态的接近程度排序依次为B＞D＞E＞C＞A，说明模式B水源涵养能力最好，模式A、模式C涵养水源的能力差(关联度均不足0.5)，模式D与模式E水源涵养能力接近。封育马尾松林分未受人为干扰，林地上的乔灌草同时生长，可以有效地拦截降水，同时林下凋落物层不仅能够吸持和拦截降水、减少林地蒸发，而且能促进表层土壤有机质积累、水分环境和结构改善，最终又反过来促进植被群落的生长演替。模式A受人为干扰破坏频繁，地表基本无灌草生长，有机质含量低，地表板结严重，降水不易下渗，导致水源涵养能力较差。此研究结果可以很好地说明林分涵养水源的能力受外界因素的干扰较大，提高林分涵养水源的能力除考虑植物措施和工程措施外，加强管理、减少人为破坏尤为关键。

4 结语

(1)实施生态修复后，乔木层持水量以竹节沟湿地松林分最大(13.57 mm/hm2)，其次是种草竹节沟马尾松林分(5.32 mm/hm2)，强烈干扰的马尾松林分最小;林下植被层持水量的大小排序为竹节沟湿地松林分＞封育马尾松林分＞种草竹节沟马尾松林分＞竹节沟马尾松林分＞强烈干扰马尾松林分;枯枝落叶层持水量以种草竹节沟马尾松林分最大(0.92 mm/hm2)，竹节沟马尾松林分次之(0.67 mm/hm2)，竹节沟湿地松林分和封育马尾松林分相等(0.29 mm/hm2)。说明适当的植物措施和工程措施可以有效地提高林分地上部分截持降水的能力。

(2)通过分析5种生态修复林分土壤的渗透性和持水性，可知模式B的土壤初渗率和稳渗速率均最大，分别为9.96 和 4.94 mm/min，其次为模式 D，模式A最小，而土壤的持水性也有类似的趋势。这表明植物措施可以改善土壤的孔隙状况，增加土壤渗透速度，减少超渗产流，有效延缓地表径流产生，抑制土壤侵蚀。

(3)灰色关联分析的结果表明，5种生态修复模式林分水源涵养能力排序依次为B＞D＞E＞C＞A，这一方面说明植物措施可以提高林分涵养水源的能力，另一方面更直观地表明了人为的干扰和破坏对森林水源涵养能力的影响巨大，加强管理、减少人为破坏非常关键。

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