次生马尾松林下植被恢复措施的水土保持效益

李钢，梁音，曹龙熹

(中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室，南京土壤研究所，210008，南京)

次生马尾松林下植被恢复措施的水土保持效益

李钢，梁音†，曹龙熹

(中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室，南京土壤研究所，210008，南京)

通过采集江西省赣县花岗岩区次生马尾松纯林地不同植被恢复措施坡面径流小区2010—2011年的降雨产流产沙资料，分析不同模式的水土保持功能及其植被恢复的水土保持效益。结果表明：1)次生马尾松稀疏纯林地水土流失严重，年产流系数为0.50～0.60，侵蚀模数在2 700～6 000 t/(km2·a)之间。2)植被恢复可以降低林地土壤侵蚀强度，但植被恢复的水土保持效益与林冠结构和地表覆盖度密切相关，当形成乔草或乔灌复合层时，可以起到50%～60%的年蓄水效益和65%～70%的年固土效益。3)植被恢复的水土保持效益亦受植被和降雨类型的影响，百喜草蓄水效益随降雨量先增后减，暴雨是蓄水效益变化的转折点，而胡枝子蓄水效益变化规律不一;植被恢复措施固土效益随降雨量的增加而降低，特别是在大暴雨情景时急剧下降。

水土保持效益;植被恢复模式;马尾松次生纯林;林地水土流失

南方花岗岩红壤区是我国土壤侵蚀最严重的地区之一［1］。20世纪80年代中期以前，该区水土流失面积逐年增加;之后，经过20多年的综合治理，水土流失面积和强度从总体上呈现下降的趋势［2］。根据水利部2002年监测结果，南方红壤区8省共有水土流失面积19.6万km2，占8省土地面积的17.1%，水土流失分布主要呈斑块状散布在广大的丘陵山地之间，在花岗岩和红砂岩地区，相对分布较为集中。

植被作为防治水土流失的主要措施，在生态建设中具有重要的地位。水土流失严重的地区，其生态环境建设中最大的问题就是植被问题［3］，因此通过人工造林实现植被恢复防止土壤侵蚀已成为水土流失综合治理的一项根本性措施。20世纪80年代初期，我国开始大面积的绿化造林，治理水土流失。在南方则以马尾松(Pinusmassoniana)或其他经济林木如桉树(Eucalyptus)等为主的单一树种造林。人工林的迅速发展在一定程度上缓解和满足了人类的需求，减缓了对天然林的破坏速度，对生态环境的保护起到了非常重要的作用;但由于早期造林主要考虑木材的蓄积和经济价值，没有统筹考虑生态环境效益，采取砍除全部地表植被，放火烧山炼山，实行“剃头挖心”的全垦整地方式，使保持水土十分重要的草、灌植被遭受毁灭性破坏。目前南方红壤区存在大片的马尾松林、油茶(Camellia oleifera)林、各类园地以及近年发展迅猛的桉树林，这些地表缺乏覆盖的次生纯林地上，存在突出的林下水土流失问题［4］，这一侵蚀类型在花岗岩红壤区水土流失中所占比例大［5-6］，产生的危害也日益突出。人工造林提高了森林面积和覆盖率，水土流失面积虽有下降，但与20世纪50年代相比，2002年南方8省水土流失面积仍高出 86.7%［7］。

生态恢复是重建一个完整功能的生态系统，虽然多数人认为人工造林不是完全的生态恢复，但它是生态恢复所必需的，是很有价值的第一步，同时也是一项艰巨的任务［8］。然而我们必须知道森林生态功能的各个要素是与植被组成及其结构密切相关的，人工造林只是恢复了生态系统上层结构，还必须重视下层植被的恢复与重建。水土流失不仅与森林数量有关，而且与森林的林种比例、树种组成、森林类型和林分覆盖度密切相关［9］。只具有林冠结构的林地容易形成“空中绿化”现象［10］，从遥感影像上看，这些地区的植被状况很好;但由于林下缺少灌木或草本植被覆盖，土壤表面裸露程度高，仍然会发生中度，甚至强度以上的水土流失［11］。恢复林下植被是控制林地水土流失的根本途径。近些年来不少学者对马尾松侵蚀林地的生态恢复进行了大量的研究，内容涉及适宜树种和优化模式［12-13］、耐旱物种筛选［14］，残林改造以及人工林更新配套技术［15-16］，植被恢复对林地土壤性质［17-19］、生物多样性［20-22］和水土流失［23-25］的影响，其中林地植被恢复对水土流失的影响主要集中在植被搭配的年际效益讨论［26］。对马尾松林冠结构和恢复模式的组合效益研究尚不多见，另一方面，不同地区林木结构是不同的，研究不同纯林林冠结构下不同植被恢复模式的水土保持功能，有利于植被恢复模式的推广，同时可以深入认识植被防治水土流失的机制。

1 研究区概况

试验区位于江西省赣县中部的大田乡信江村，属赣南低山丘陵区(E115°06'，N25°52')，成土母质以花岗岩类风化物为主，由花岗岩风化物发育而成的红壤，具有砂砾含量高，质地粗糙，漏水漏肥，自然肥力较低，酸性偏强的特点;地处亚热带湿润季风气候区，该区气候温和、光照充足、雨量充沛，多年平均降水量1 476mm，降水年内分配不均，主要集中在4—7月，约占全年降水量的50%，且多以大雨、暴雨形式出现;试验区地带性植被为亚热带常绿阔叶林，但由于长期不合理的采伐利用，使原生的植被不断减少，林木郁闭度降低，现有植被主要为针阔混交林、针叶林、荒山灌草等，其中以次生马尾松矮小纯林分布为主。

2 研究方法

2.1 试验设计

根据研究区的林地环境，设置4种马尾松郁闭度(0、7%、15%和24%)，在每种郁闭度下设置纯林、百喜草(Paspalum notatum)和胡枝子(Lespedeza bicolor)覆盖地表，总共12个径流小区。由于设置的全裸小区在观测期间，生长了铁芒萁(Dicranopteris linearis)，覆盖度约30%，未能及时处理，该组小区未参与分析，本文基于对林冠结构及其冠下植被恢复的水土保持功能研究，对具有林冠结构的3组小区(表1)进行了对比研究。试验小区宽5m(与等高线平行)，长20m(顺坡面水平投影)，下方设有集水槽和径流池，一级池建有5个“V”型分流堰，其中一个连通二级池，分流孔距底部高0.94m，小区坡度18°～24°。试验中百喜草平行等高线条带状条播种植播幅6 cm，行距20～30 cm，播后用细沙或碎土盖种，厚度1.0～1.5mm，播量1.2 kg/小区;胡枝子品字形栽植，移栽株行距为30 cm×30 cm。

2.2 试验观测与数据整理

降雨资料通过JFZ型数字雨量计(徐州伟思自动化工程有限责任公司生产)等分钟记录次降雨过程。将从雨量计中获取的降雨资料，以降雨停止6 h为时间间隔划分降雨场数，统计每场降雨的降雨量。试验中由于仪器故障问题，部分降雨数据由日降雨数据补充。

径流小区的降雨产流产沙全部收集在径流池中。当降雨停止6 h后，用毫米钢卷尺分别测定一级径流池和二级径流池中产流的深度;然后将2个池中的水沙分别搅拌均匀，再分别取3 L水沙混合样用QYNS型泥沙测定仪(西安清远测控技术有限公司生产)测定一、二级径流池中的泥沙浓度，最后计算得出次产流产沙量。考虑到降雨产流以及径流池取样，试验中主要测定了次降雨量＞10mm的产流产沙。通过对径流小区2010—2011年的自然降雨产流产沙的观测，总共获得了73场产流产沙数据，并按表2［27］对单场降雨类型分类。

表2 单场降雨分类标准Tab．2 Standard of rainfall classification

3 结果与分析

3.1 郁闭度为7%的林地

森林对降雨具有调节作用，同时也因为植被类型和组成、覆盖情况、降雨条件等的不同而存在差异。从表3可以得知：在郁闭度为7%的稀疏林地上，多雨年份的产流产沙量大，少雨年份的产流产沙量小。其中纯林地土壤流失量处于中度侵蚀状态，但多雨年份的土壤流失量已接近强烈侵蚀，通过林地灌草植被恢复后，均可降低为轻度侵蚀，但要降低到南方红壤丘陵区容许土壤流失量500 t/(km2·a)以下，还需进一步加强林地植被恢复程度。

表3 郁闭度7%林地不同类型小区产流产沙量Tab．3 Amount of sediments in different type plots as canopy density blow 7%

不同恢复小区，产流系数表现为多雨年份高于少雨年份，次生马尾松稀疏纯林地2010和2011年2个年份的产流系数分别为0.58和0.53，通过林地灌草植被恢复后，产流系数降低为0.22～0.29。植被恢复的水土保持效益亦与年降雨量相关，年降雨量大，水土保持效益相对较低;年降雨量小，水土保持效益相对较高。百喜草恢复小区2010和2011年2个年份的保水效益分别为48%和46%，固土效益分别为51%和64%;由于胡枝子地表覆盖度(70%)高于百喜草覆盖度(30%)，因而胡枝子小区的水土保持效益高于百喜草小区，2010和2011年2个年份的保水效益分别为52%和59%，固土效益分别为53%和73%，可见年降雨量对固土效益的影响十分明显。虽然灌木小区水土保持效益高于草本小区，但灌木小区保水固土效益的增加幅度(2% ～13%)不等同于其覆盖度的增加幅度(40%);因此，试验区实施单一的灌木胡枝子恢复地表覆盖，水土保持效益得不到充分发挥。

在不同的降雨条件下，3种模式小区的水土保持效益亦不相同(图1)。不同模式小区产流量随降雨量的变化规律基本一致，随着降雨量的增加产流量随之增加，但变化过程不同。纯林平均产流量呈线性增加，而百喜草和胡枝子模式小区中雨至大雨段为速率减小的微凸形曲线增加;但在大暴雨情况下由于降雨强度大，超渗产流效益显著，产流量陡增。对于各种降雨类型，纯林小区产流量随雨量变化的增加速率远大于乔草、乔灌模式小区。产沙量随降雨量的增加而增加，但不同模式小区，增加速率不同：纯林和百喜草模式小区随着降雨量的变化，总量虽增加，但增加速率逐渐减小(凸形曲线上升趋势);胡枝子小区随降雨量的增加，其变化速率逐渐增大(凹形曲线上升趋势);长期遭受严重土壤侵蚀的赣南花岗岩区次生马尾松残林地，土层浅薄，基岩裸露，土壤侵蚀速率已受到土层浅薄化的影响，而植被恢复改变了侵蚀过程。

图1 郁闭度7%林地植被恢复的水土保持效益随降雨量的变化Fig．1 Benefits of soil and water conservation changing with rainfall as canopy density blow 7%

郁闭度7%林地植被恢复的水土保持效益随降雨量的变化而变化。总体趋势表现为：百喜草减流、减沙效益随降雨量的增大而增加，分别从41%和51%逐渐增大到62%和65%，但在大暴雨情况下较低，分别为41%和39%;胡枝子减流、减沙效益随降雨量的增加而降低，从66%和74%逐渐降低到39%和18%。降雨量大时，对于灌木胡枝子来讲，一方面溅蚀作用加剧，另一方面产流系数随着降雨量的增加而增加，亦即产流总量增加快，冲刷侵蚀严重;因此，减沙效益随着降雨量的增加逐渐减小，特别是在大暴雨条件下，减沙效益急剧下降。

3.2 郁闭度为15%的林地

根据表4可得出：郁闭度15%的纯林地，多雨年份土壤侵蚀量超过5 000 t/(km2·a)，属于强烈侵蚀;少雨年份属于中度侵蚀;百喜草恢复小区多雨年份侵蚀强度为中度侵蚀，少雨年份属于轻度侵蚀;胡枝子类型小区均属轻度侵蚀范畴。郁闭度15%的纯林地平均年产流系数均在0.55以上，平均是灌草恢复小区的2.0～2.2倍。与郁闭度7%的纯林地相比，郁闭度的增加反而增加了林地土壤侵蚀量，这种情况在中雨和大雨情景下表现较为明显，暴雨和大暴雨情景下差别相对较小。这可能是由于研究区次生马尾松残林存在人为强行打枝求薪现象，导致只在顶端有稀疏枝叶覆盖，对暴雨过程影响较微弱，而对较小降雨时细小雨滴汇聚成大雨滴降落到地面的作用明显，加之地表裸露，因而纯林小区土壤侵蚀反而加剧。通过林地植被的恢复，在一定程度上起到了保水固土的作用，百喜草覆盖地表30%，2010和2011年2个年份的保水效益分别为48%和51%，减沙效益分别为45%和60%;胡枝子覆盖地表35%时，2010和2011年2个年份的蓄水效益分别为54%和55%，保土效益分别为60%和67%。从年际水土保持效益讲，已经形成复合层次的乔灌结构水土保持效益较好。

随着降雨量的增加，郁闭度15%林地不同类型小区平均产流量随平均降雨量在中雨至暴雨呈速率减小的凸形曲线趋势上升，而在大暴雨情景下增加十分迅速(图2)。对产沙量来讲，纯林和百喜草模式小区呈速率减小的凸形曲线变化;而胡枝子平均产沙量在中雨至大雨段呈凸形曲线变化趋势，大暴雨情形下产沙量增加快速。蓄水固土效益随降雨量的变化趋势明显，百喜草蓄水效益随降雨量的增大而增加，从40%变化到57%;胡枝子蓄水效益从中雨(47%)至暴雨(65%)为增加趋势，大暴雨时约有降低(57%)。固土效益随降雨量增加而逐渐下降，百喜草从59%降低到了41%，胡枝子则从74%下降为42%。

表4 郁闭度15%林地不同类型小区产流产沙量Tab．4 Amount of sediments in different type plots as canopy density below 15%

图2 郁闭度15%林地植被恢复的水土保持效益随降雨量的变化Fig．2 Benefits of soil and water conservation changing with rainfall as canopy density below 15%

3.3 郁闭度为24%的林地

同样只具有顶端枝叶覆盖的稀疏纯林地，林冠郁闭度增加至24%，其林下水土流失量依然很大(表5)。多雨年份纯林地年土壤侵蚀模数高达6 000 t/(km2·a)，属于强烈侵蚀林地;少雨年份为中度侵蚀状态。林下实现百喜草(覆盖度35%)和胡枝子(覆盖度30%)覆盖地表后，可以将2个降雨年份的土壤侵蚀量都降低为轻度侵蚀。

纯林地2010和2011年2个降雨年份的产流系数分别为0.59和0.52，分别是百喜草恢复小区的2.1倍和2.5倍，是胡枝子小区的2.0倍。多雨年份百喜草和胡枝子可以减少52%和51%的产流量，少雨年份分别可减少产流量60%和49%;百喜草2010和2011年2个年份分别减少产沙量64%和71%，胡枝子亦分别减少65%和71%。与郁闭度7%和15%的林地植被恢复效益相比，郁闭度24%的林地植被恢复年际效益相对较好。

由于试验区土壤浅薄、养分贫瘠以及季节性干旱等因素的影响，致使百喜草和胡枝子在自然条件下存活率低，林地植被恢复程度不足;因此，若要将林地土壤流失量降低到该区容许土壤流失量500 t/(km2·a)以下，必须在植被恢复过程中采取相应的培肥等措施促进植被生长，加大植被恢复程度，进一步控制水土流失。

郁闭度24%林地不同植被恢复小区，在不同降雨类型下的平均产流产沙量以及水土保持效益随平均降雨量的变化趋势与郁闭度7%林地对应恢复模式的变化趋势相似(图3)。3种模式小区产流量为微凹形的上升曲线;纯林产沙量程凸形曲线变化，百喜草和胡枝子小区中雨至暴雨段为凸形曲线上升，大暴雨时陡增。百喜草蓄水效益中雨到暴雨从54%增加到60%，而大暴雨时急剧下降至44%;胡枝子蓄水效益大暴雨时也最低为39%。百喜草和胡枝子在中雨至暴雨条件下，可以维持70% ～79%的拦沙效益，但在大暴雨时，拦沙效益只有34% ～37%。

表5 郁闭度24%林地不同类型小区产流产沙量Tab．5 Amount of sedments in different type plots as canopy density below 24%

图3 郁闭度24%林地植被恢复的水土保持效益随降雨量的变化Fig．3 Benefits of soil and water conservation changing with rainfall as canopy density below 24%

4 结论

1)赣县花岗岩试验区次生马尾松纯林地，林冠结构稀薄，在自然降雨条件下难以发挥林地的水土保持功能。纯林地产流系数高达50% ～60%，是林地植被恢复小区的2.0～2.5倍;林冠郁闭度从7%增至24%，不但没有减轻林地水土流失量，反而加剧了林地土壤侵蚀，年侵蚀模数在2700～6 000 t/(km2·a)之间，属于中度或强烈侵蚀。

2)试验区次生马尾松纯林地实施百喜草和胡枝子覆盖地表，可以将林地侵蚀强度降低为轻度或中度侵蚀。植被恢复的水土保持效益与林冠结构和地表覆盖度相关，在24%郁闭度下进行植被恢复时的水土保持效益较好，当地表覆盖度为30% ～35%时，百喜草和胡枝子的年保水效益为50% ～60%，年固土效益为65%～70%。

3)不同植被恢复模式的水土保持功能受降雨类型的影响不同。纯林小区产流随雨量的变化速率高于灌草恢复小区，而土壤流失量受土壤浅薄化等因素的影响呈速率减小的凹形曲线变化;百喜草蓄水效益中雨至暴雨段为增加趋势，而大暴雨时下降明显，固土效益在林冠郁闭度7%时与蓄水效益变化一致，其他2种郁闭度下呈下降趋势，且在大暴雨时下降十分剧烈。胡枝子蓄水效益变化复杂，没有一致性规律，而拦沙效益则随雨量的增加而减小。

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Effects of different vegetation restoration patterns on soil erosion in secondaryPinusmassonianapure forest

Li Gang，Liang Yin，Cao Longxi
(Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Science，210008，Nanjing，China)

in this study，based on themeasured data of runoff and sediment of the runoff plots during 2010 to 2011 in secondaryPinusmassonianaforest in the Ganxian County of Jiangxi Province，the benefits of soil and water conservation of different vegetation restoration patterns(Paspalum notatum，herbal;Lespedeza bicolor，shrub)in the secondaryPinusmassonianapure forest were analyzed.The results indicated that soil erosion is serious in secondaryPinusmassonianasparse pure forest，annual runoff coefficient was 0.50-0.60 and erosionmodulus was in the range of 2 700-6 000 t/(km2·a).Soil erosion intensity was reduced by surface vegetation restoration.However，the benefits of soil and water conservation of different vegetation restoration patterns were closely related to surface coverage and canopy structure.Benefits of water detention and soil conservation of vegetation restoration were 50%-60%and 65%-70%respectively when tree-herbal or tree-shrub structure formed a complex hierarchy in pure forest.Meanwhile，benefits of soil and water conservation were also affected by vegetation and rainfall types.Benefit of water detention initially increased then decreased with rainfall，and rainstorm was the inflexion forPaspalum notatum，and changed complex forLespedeza bicolor.However，benefit of soil conservation reduced with rainfall，especially declined rapidly in heavy rainstorm.

benefits of soil and water conservation;vegetation restoration pattern;secondaryPinusmassonianapure forest;soil and water loss in forestland

2012-03-09

2012-09-07

中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-438);水利部长江委重点项目“花岗岩地区马尾松林地水土流失规律试验研究”;国家科技支撑计划“农田水土保持关键技术与示范”(2011BAD31B04-2)

李钢(1985—)，男，硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：happylglove@126.com

†责任作者简介：梁音(1963—)，男，博士，研究员。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：yliang@issas.ac.cn

(责任编辑：程 云)