翟翠紅，肖 龍，李 鳳，黃榮珍，朱方旭，付玉龍，李 偉，劉卓明

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西南昌 330045;2.南昌工程學(xué)院/江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330099;3.泰和縣水土保持站，江西 泰和 343700;4.常山縣水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，浙江常山 324200)

紅壤是江西省主要的土壤資源，其分布面積約為1 080萬(wàn)hm2，占江西省總面積的64%［1］。由于特殊的自然地理?xiàng)l件以及人類長(zhǎng)期不合理的開(kāi)發(fā)利用，紅壤地區(qū)已成為江西省主要的水土流失區(qū)之一，曾被稱為“紅色沙漠”。侵蝕退化地實(shí)施生態(tài)修復(fù)后，其保持水土、涵養(yǎng)水源、改善生態(tài)等功能發(fā)生了巨大變化，但不同修復(fù)措施形成的植物群落各異，使得其物種生物學(xué)特性、垂直結(jié)構(gòu)、凋落物及土壤理化性質(zhì)等也各不相同，從而造成水源涵養(yǎng)功能也相差甚大［2］。項(xiàng)目組前期已對(duì)嚴(yán)重侵蝕紅壤地采取生態(tài)修復(fù)措施后植物群落的多樣性與穩(wěn)定性、直徑分布、凋落物量與養(yǎng)分歸還、固碳效益等進(jìn)行了研究［3－5］，本研究著重從水源涵養(yǎng)功能角度探討5種修復(fù)模式的生態(tài)效果，以期為江西及我國(guó)南方退化紅壤區(qū)的植被重建和生態(tài)修復(fù)提供必要的理論依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于泰和縣老虎山小流域(吉安市井岡山水土保持科技示范園所在流域)，地理坐標(biāo)為E114°52'—114°54'、N26°50'—26°51'，地貌屬低淺丘陵區(qū)，海拔80—200 m，丘坡平緩，坡度多在5°左右。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫18.6℃，≥10℃的年積溫為5 918℃，極端最低、最高氣溫分別為－6℃和40.4℃，年均降雨量1 363 mm，無(wú)霜期288 d。土壤為第四紀(jì)紅土發(fā)育而成的紅壤，厚度一般為3～40 m。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1983 年在試驗(yàn)地(A層土壤全部剝蝕，B層出露，地表無(wú)任何草灌，本底條件相同)采取不同方法進(jìn)行人工促進(jìn)生態(tài)修復(fù)，包括強(qiáng)烈干擾馬尾松(Pinus massoniana)林分(打松枝、耙松針，無(wú)任何撫育管理措施，模式A)、封育馬尾松林分(模式B)、竹節(jié)溝馬尾松林分(開(kāi)挖水平竹節(jié)溝，模式C)、種草竹節(jié)溝馬尾松林分(帶狀種植百喜草且開(kāi)挖水平竹節(jié)溝，模式D)、竹節(jié)溝濕地松(Pinus elliottii)林分(模式E)。試驗(yàn)地基本情況見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的方法為:①喬木生物量應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)地法和每株調(diào)查法測(cè)定，經(jīng)計(jì)算單株生物量并累加得到總的生物量;灌木和草本植物生物量應(yīng)用樣方收獲法測(cè)定，林地凋落物現(xiàn)存量應(yīng)用小樣方法測(cè)定。②喬木層持水量利用生物量與持水量對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算，林下植被持水量用紗網(wǎng)袋置水飽和法測(cè)定，地下土壤層持水能力用環(huán)刀置水飽和法測(cè)定，滲透性采用雙環(huán)滲透法測(cè)定。③喬木生物量調(diào)查于2010年8月份進(jìn)行，其余調(diào)查試驗(yàn)于2010年12月份進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)地基本情況

3 結(jié)果與分析

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現(xiàn)在喬木林冠層、灌木層、草本層和枯枝落葉層等對(duì)降水的攔截和重新分配上。植被能削減降雨侵蝕力，減少地表徑流量，降低徑流沖刷力，起到良好的涵養(yǎng)水源和保持水土的作用［6］。

3.1.1 喬木層持水能力

森林涵養(yǎng)水源的功能首先體現(xiàn)在林冠層對(duì)降水的截留上。林冠的這種作用，不僅減少了林下徑流量，而且延緩了降雨產(chǎn)流時(shí)間［7］。林冠層持水能力的大小除受降水特征影響外，還取決于林分特性，即受林分郁閉度、枝葉生物量、葉面積指數(shù)和枝葉表面粗糙度等的影響［8－9］。由表2可見(jiàn)，林冠層持水量以模式E最大，為 13.57 mm/hm2;其次是模式 D，為5.32 mm/hm2;模式A最小，為3.9 mm/hm2。通過(guò)對(duì)比分析可知，林冠層持水量中模式E比其余4種模式大得多，其中E和D分別為A的3.48倍和1.36倍，模式B和模式C較為接近。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明濕地松林分比馬尾松林分林冠層持水性能好;而相對(duì)于竹節(jié)溝馬尾松林分而言，種草竹節(jié)溝馬尾松林分由于其地表被草皮所覆蓋，削弱了徑流對(duì)地表的沖刷，起到了保護(hù)表層土壤和改良土壤的作用，促進(jìn)了馬尾松林分生長(zhǎng)，使其生物量增加，從而增加了林冠層的持水量。這說(shuō)明采取適當(dāng)?shù)乃帘３执胧┠茱@著提高林冠層截持降水的能力，減弱降水對(duì)林地直接擊濺作用，延緩和減少地表徑流。

表2 不同修復(fù)模式林分地上部分持水能力

3.1.2 林下植被層持水能力

林下植被層是林分發(fā)揮蓄水保土作用的第二個(gè)層次，因其緊靠地表，故對(duì)林地的保護(hù)以及防止降水對(duì)林地的直接擊濺作用均不亞于林冠層，特別是在嚴(yán)重侵蝕地上恢復(fù)的水土保持林，其林下植被覆蓋度的高低，對(duì)削弱降雨侵蝕力尤為重要。從表2可以看到，A、B、C、D、E模式的林下植被層的持水量分別為0.16、1.72、0.39、0.67 和 2.00 mm/hm2，以模式 E 最大，其次為模式B，模式A最小。這主要是由于模式E林分在2008年初冰雪霜凍災(zāi)害中部分濕地松被壓倒，留下了大小不等的天窗，促使林下灌草種類明顯增加并旺盛生長(zhǎng)，生物量增加;而模式B由于封育管理使得林分長(zhǎng)期受到保護(hù)，尤其是林地土壤免遭干擾和破壞，使得灌草種子能夠萌發(fā)、定植和發(fā)展。模式D是模式C的1.72倍，表明植物措施起到了較好的保護(hù)地表的作用，增加了持水能力。模式A最小且和其他4種模式相比相差較大，說(shuō)明強(qiáng)烈干擾使得林地的林下植被受到嚴(yán)重影響，降水對(duì)林地的直接擊濺作用最明顯，嚴(yán)重影響到林下植被層的持水能力。

3.1.3 枯枝落葉層持水能力

凋落物層具有蓄持雨水、調(diào)節(jié)和過(guò)濾地表徑流的作用，其持水能力與凋落物的數(shù)量、組成及分解情況等有關(guān)［10］。由表2可知，不同模式的生態(tài)修復(fù)林分其枯落物的最大持水量有所不同，模式D持水量最大，為0.92 mm/hm2;模式 C 次之，為 0.67 mm/hm2;模式 B和模式E最小，均為0.29 mm/hm2。這主要是因?yàn)槟Ｊ紻林分內(nèi)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雖然灌木層生物量大，但多為常綠樹(shù)種，凋落物量少。

3.2 土壤層的水源涵養(yǎng)能力

土壤是森林水源涵養(yǎng)的主體，其水分物理狀況是土地質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。森林土壤涵養(yǎng)水分能力主要決定于土壤的孔隙狀況［11］。地上部分截持的降水沿著土壤孔隙下滲，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為地下徑流或貯存于土壤孔隙中。森林土壤對(duì)降水的調(diào)節(jié)能力包括對(duì)降水的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)調(diào)節(jié)兩個(gè)方面，也即土壤的滲透能力和貯水能力。

3.2.1 土壤的滲透能力

土壤的滲透性能是衡量林分水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)之一，它與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、溫度、濕度和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)［12］。研究表明［13］，在其他條件相同的情況下，入滲速率與土壤流失量成反比。不同修復(fù)模式林地土壤滲透性能存在著很大差異，開(kāi)展其研究對(duì)于合理設(shè)計(jì)植被恢復(fù)措施及科學(xué)評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)能力有著重要的意義。

由表3可以看出，5種林分的土壤初滲速率與穩(wěn)滲速率相差較大，各林分按初滲速率大小排序依次為B＞D＞A＞C＞E，按穩(wěn)滲速率排序依次為B＞D＞C＞E＞A。其中，模式B土壤初滲速率最大，是模式A的2.69 倍，模式 E 最低，僅為 2.36 mm/min，這可能是由于模式E在2008年初冰雪霜凍災(zāi)害中部分濕地松被壓倒，失去根系對(duì)土壤的穿插能力，造成土壤孔隙減少。土壤穩(wěn)滲速率同樣以模式B最大，其次為模式D，以模式A最小(0.85mm/min)，僅分別為模式B和D的17.2% 和38.8%。這或許是由于模式B不受外界干擾，枯枝落葉層豐富，凋落物分解后形成的腐殖質(zhì)增加了土壤有機(jī)質(zhì)，使得土壤容重降低、孔隙度增加，從而提高了土壤的滲透性能。以上研究結(jié)果表明，在紅壤侵蝕地治理中，封育馬尾松林分是較為適宜的生態(tài)修復(fù)措施。

表3 不同修復(fù)模式林地土壤入滲性能

3.2.2 土壤的貯水能力

林地土壤是水分貯蓄的主要場(chǎng)所，其持水量是反映林地水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)之一。表4表明，在5種修復(fù)模式中，從表層土(0—20 cm)到深層土(20—40 cm)，除模式E外，其余模式土壤容重呈逐漸增大的趨勢(shì)，王燕的研究結(jié)果［14］也證明了這一現(xiàn)象。在0—40 cm土層中，模式 A、B、C、D、E林分持水量分別為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林分比較接近，說(shuō)明濕地松林分土壤非毛管孔隙度和總孔隙度比馬尾松林分低。模式D林分土壤持水量最高，尤其是0—20 cm層土壤，這可能與百喜草促進(jìn)地表土壤孔隙度增加、持水性能增強(qiáng)的良好改良作用有關(guān)。

表4 不同修復(fù)模式林地土壤持水能力比較

3.3 不同生態(tài)修復(fù)模式森林水源涵養(yǎng)功能灰色關(guān)聯(lián)分析

森林植被對(duì)降水的攔蓄過(guò)程極其復(fù)雜，呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，它不僅受森林類型的影響，而且也取決于各種環(huán)境因子的變化以及森林系統(tǒng)與這些因子間的相互作用［15］。灰色關(guān)聯(lián)分析可以判斷待測(cè)因子與理想值聯(lián)系的緊密程度和相似程度，在評(píng)價(jià)森林涵養(yǎng)水源功能時(shí)，系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度反映了森林類型涵養(yǎng)水源功能與最佳狀態(tài)的接近程度。本研究在運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法［16］對(duì)5種修復(fù)模式森林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)并排序時(shí)，以林冠層持水量(X1)、林下植被層持水量(X2)、凋落物層持水量(X3)、土壤層總持水量(X4)、初滲率(X5)、穩(wěn)滲率(X6)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換，取各指標(biāo)的最優(yōu)值組成參考數(shù)列(X0)，分辨系數(shù)取0.5，分析得出如表5所示的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。

表5 5種修復(fù)模式林分植被狀況參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

由表5知，5種林分水源涵養(yǎng)能力與最佳狀態(tài)的接近程度排序依次為B＞D＞E＞C＞A，說(shuō)明模式B水源涵養(yǎng)能力最好，模式A、模式C涵養(yǎng)水源的能力差(關(guān)聯(lián)度均不足0.5)，模式D與模式E水源涵養(yǎng)能力接近。封育馬尾松林分未受人為干擾，林地上的喬灌草同時(shí)生長(zhǎng)，可以有效地?cái)r截降水，同時(shí)林下凋落物層不僅能夠吸持和攔截降水、減少林地蒸發(fā)，而且能促進(jìn)表層土壤有機(jī)質(zhì)積累、水分環(huán)境和結(jié)構(gòu)改善，最終又反過(guò)來(lái)促進(jìn)植被群落的生長(zhǎng)演替。模式A受人為干擾破壞頻繁，地表基本無(wú)灌草生長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)含量低，地表板結(jié)嚴(yán)重，降水不易下滲，導(dǎo)致水源涵養(yǎng)能力較差。此研究結(jié)果可以很好地說(shuō)明林分涵養(yǎng)水源的能力受外界因素的干擾較大，提高林分涵養(yǎng)水源的能力除考慮植物措施和工程措施外，加強(qiáng)管理、減少人為破壞尤為關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)實(shí)施生態(tài)修復(fù)后，喬木層持水量以竹節(jié)溝濕地松林分最大(13.57 mm/hm2)，其次是種草竹節(jié)溝馬尾松林分(5.32 mm/hm2)，強(qiáng)烈干擾的馬尾松林分最小;林下植被層持水量的大小排序?yàn)橹窆?jié)溝濕地松林分＞封育馬尾松林分＞種草竹節(jié)溝馬尾松林分＞竹節(jié)溝馬尾松林分＞強(qiáng)烈干擾馬尾松林分;枯枝落葉層持水量以種草竹節(jié)溝馬尾松林分最大(0.92 mm/hm2)，竹節(jié)溝馬尾松林分次之(0.67 mm/hm2)，竹節(jié)溝濕地松林分和封育馬尾松林分相等(0.29 mm/hm2)。說(shuō)明適當(dāng)?shù)闹参锎胧┖凸こ檀胧┛梢杂行У靥岣吡址值厣喜糠纸爻纸邓哪芰Α?/p>

(2)通過(guò)分析5種生態(tài)修復(fù)林分土壤的滲透性和持水性，可知模式B的土壤初滲率和穩(wěn)滲速率均最大，分別為9.96 和 4.94 mm/min，其次為模式 D，模式A最小，而土壤的持水性也有類似的趨勢(shì)。這表明植物措施可以改善土壤的孔隙狀況，增加土壤滲透速度，減少超滲產(chǎn)流，有效延緩地表徑流產(chǎn)生，抑制土壤侵蝕。

(3)灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果表明，5種生態(tài)修復(fù)模式林分水源涵養(yǎng)能力排序依次為B＞D＞E＞C＞A，這一方面說(shuō)明植物措施可以提高林分涵養(yǎng)水源的能力，另一方面更直觀地表明了人為的干擾和破壞對(duì)森林水源涵養(yǎng)能力的影響巨大，加強(qiáng)管理、減少人為破壞非常關(guān)鍵。

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