紅壤侵蝕地生態(tài)修復后水源涵養(yǎng)功能研究

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，江西南昌 330045;2.南昌工程學院/江西省水文水資源與水環(huán)境重點實驗室，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試驗站，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hm2，占江西省總面積的64%［1］。由于特殊的自然地理條件以及人類長期不合理的開發(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”。侵蝕退化地實施生態(tài)修復后，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，但不同修復措施形成的植物群落各異，使得其物種生物學特性、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］。項目組前期已對嚴重侵蝕紅壤地采取生態(tài)修復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種修復模式的生態(tài)效果，以期為江西及我國南方退化紅壤區(qū)的植被重建和生態(tài)修復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，無霜期288 d。土壤為第四紀紅土發(fā)育而成的紅壤，厚度一般為3～40 m。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

1983 年在試驗地(A層土壤全部剝蝕，B層出露，地表無任何草灌，本底條件相同)采取不同方法進行人工促進生態(tài)修復，包括強烈干擾馬尾松(Pinus massoniana)林分(打松枝、耙松針，無任何撫育管理措施，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)。試驗地基本情況見表1。

2.2 試驗方法

試驗所采用的方法為:①喬木生物量應(yīng)用標準地法和每株調(diào)查法測定，經(jīng)計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)用樣方收獲法測定，林地凋落物現(xiàn)存量應(yīng)用小樣方法測定。②喬木層持水量利用生物量與持水量對應(yīng)關(guān)系計算，林下植被持水量用紗網(wǎng)袋置水飽和法測定，地下土壤層持水能力用環(huán)刀置水飽和法測定，滲透性采用雙環(huán)滲透法測定。③喬木生物量調(diào)查于2010年8月份進行，其余調(diào)查試驗于2010年12月份進行。

表1 試驗地基本情況

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，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。通過對比分析可知，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。試驗結(jié)果說明濕地松林分比馬尾松林分林冠層持水性能好;而相對于竹節(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，削弱了徑流對地表的沖刷，起到了保護表層土壤和改良土壤的作用，促進了馬尾松林分生長，使其生物量增加，從而增加了林冠層的持水量。這說明采取適當?shù)乃帘３执胧┠茱@著提高林冠層截持降水的能力，減弱降水對林地直接擊濺作用，延緩和減少地表徑流。

表2 不同修復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層次，因其緊靠地表，故對林地的保護以及防止降水對林地的直接擊濺作用均不亞于林冠層，特別是在嚴重侵蝕地上恢復的水土保持林，其林下植被覆蓋度的高低，對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，生物量增加;而模式B由于封育管理使得林分長期受到保護，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，說明強烈干擾使得林地的林下植被受到嚴重影響，降水對林地的直接擊濺作用最明顯，嚴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。這主要是因為模式D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)量評價的重要指標之一。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，進而轉(zhuǎn)化為地下徑流或貯存于土壤孔隙中。森林土壤對降水的調(diào)節(jié)能力包括對降水的動態(tài)和靜態(tài)調(diào)節(jié)兩個方面，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)功能的重要指標之一，它與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、溫度、濕度和有機質(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。不同修復模式林地土壤滲透性能存在著很大差異，開展其研究對于合理設(shè)計植被恢復措施及科學評價水源涵養(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)修復措施。

表3 不同修復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所，其持水量是反映林地水源涵養(yǎng)能力的重要指標之一。表4表明，在5種修復模式中，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，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地表土壤孔隙度增加、持水性能增強的良好改良作用有關(guān)。

表4 不同修復模式林地土壤持水能力比較

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

森林植被對降水的攔蓄過程極其復雜，呈動態(tài)變化趨勢，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］?；疑P(guān)聯(lián)分析可以判斷待測因子與理想值聯(lián)系的緊密程度和相似程度，在評價森林涵養(yǎng)水源功能時，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。本研究在運用灰色關(guān)聯(lián)分析法［16］對5種修復模式森林水源涵養(yǎng)功能進行評價并排序時，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)為主要評價指標，對各評價指標測定的原始數(shù)據(jù)進行標準化變換，取各指標的最優(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生長，可以有效地攔截降水，同時林下凋落物層不僅能夠吸持和攔截降水、減少林地蒸發(fā)，而且能促進表層土壤有機質(zhì)積累、水分環(huán)境和結(jié)構(gòu)改善，最終又反過來促進植被群落的生長演替。模式A受人為干擾破壞頻繁，地表基本無灌草生長，有機質(zhì)含量低，地表板結(jié)嚴重，降水不易下滲，導致水源涵養(yǎng)能力較差。此研究結(jié)果可以很好地說明林分涵養(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，加強管理、減少人為破壞尤為關(guān)鍵。

4 結(jié)語

(1)實施生態(tài)修復后，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)，強烈干擾的馬尾松林分最小;林下植被層持水量的大小排序為竹節(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)。說明適當?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)通過分析5種生態(tài)修復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。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森林水源涵養(yǎng)能力的影響巨大，加強管理、減少人為破壞非常關(guān)鍵。

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