吳 東，黃志霖,2，肖文發(fā)，曾立雄，宋文梅(.中國林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所/國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，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.中國林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所/國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，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；三峽庫區(qū)

為評估退耕還林工程對流域水土流失的控制效應(yīng)，選擇三峽庫區(qū)典型退耕還林模式(茶園、柑橘園、板栗林)，以坡耕地為對照，觀測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)今世界許多國家亟待解決的環(huán)境問題，也是我國政府和科學(xué)工作者重點關(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淤積，影響水庫安全運行。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)等方面的改變會對地表徑流和土壤侵蝕輸出產(chǎn)生重大影響[4-5]。

三峽庫區(qū)生態(tài)屏障區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、雨量豐沛，是我國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。在全國生態(tài)功能區(qū)劃中，三峽庫區(qū)被列為全國水土保持極重要區(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，并先后實施了后靠移民和庫周綠化等工程，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庫區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響[9]。為及時了解不同模式的效益變化趨勢，本研究選擇三峽庫區(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)耕作方式下進行徑流小區(qū)對比試驗，觀測和分析各退耕模式地表徑流與侵蝕泥沙年輸出情況，并測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，以期為庫區(qū)各退耕類型的水土保持效益評價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

研究地點三峽庫區(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。

蘭陵溪小流域為全國退耕還林科技支撐試驗示范區(qū)，地勢西高東低，西部地區(qū)最高海拔達1 400 m，植被覆蓋度低，巖石出露。2002年蘭陵溪小流域開始實施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)防護工程也陸續(xù)開始實施，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。

試驗期間各模式均由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶按照傳統(tǒng)方式進行經(jīng)營管理，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)濟來源，因此增加1個茶園徑流小區(qū)以保證其徑流泥沙輸出情況能得到真實反映。

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

1.2.2 樣品采集與測定

本試驗徑流泥沙樣品采集在雨季進行，觀測起止時間為2015年4月至9月。降雨數(shù)據(jù)來源于小流域內(nèi)設(shè)置的兩個自記雨量計，試驗期間總降雨量為792.4mm，期間發(fā)生降雨產(chǎn)流次數(shù)共計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，帶回實驗室。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，以避免對下次取樣造成干擾。

表1 徑流小區(qū)基本特征

于試驗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個采樣點，在每個采樣點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，帶回實驗室測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)的測定》進行。

本研究應(yīng)用Excel 2013和SPSS 19.0軟件統(tǒng)計與分析試驗數(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月測定了9個坡面徑流小區(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。

由試驗數(shù)據(jù)和圖1可知，相對于原有坡耕地，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，降低了雨滴動能，減少了其對土壤的直接沖擊；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。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與土壤容重正好相反，退耕模式各項指標(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茂密，地下根系十分發(fā)達，根系的大量生長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，這主要是因為板栗林有較厚的凋落物層及地表腐殖質(zhì)層，頻繁的微生物活動使土壤通透性更好，加上林地樹木根系更為發(fā)達，垂直和水平分布范圍更廣，根系對土壤的切割作用更強[23]。

通過測定和分析，退耕還林工程實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)勢明顯，增強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，退耕模式對泥沙輸出量的影響較徑流量大。相對于坡耕地，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，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)進一步增強。三種退耕模式具有較好的蓄水保土效應(yīng)，不僅對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)濟收入，提高農(nóng)民生活水平。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

國家科技支撐計劃課題(2015BAD07B04)；國家自然科學(xué)基金項目(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，主要研究方向為土地利用及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

2015-11-17