山西省太谷县不同退耕还林模式生态效应研究

刘鹏飞

(山西省国有林管理局，山西 太原 030012)

1 引言

黄土丘陵区坡耕地是水土流失的主要原因，耕作侵蚀是坡耕地的主要侵蚀之一[1，2]。退耕还林工程是改善生态环境、保障生态安全、强化生态扶贫的重大决策，也是调整农村经济结构、拓宽农民收入渠道、推进生态文明模式的重要举措[3，4]。太谷县地处黄土丘陵区，位于山西省晋中盆地东北部，是治理水土流失的重点区域，刺槐(Robiniapseudoacacia)和山桃(Mountainpeach)是退耕还林的优选乡土树种。因此，研究山西省太谷县不同退耕还林模式生态效应对于区域生态环境建设及其效益评价具有重要理论和现实指导意义。

2 材料和方法

2.1 研究区概况

山西省太谷县地处112°28′～113°01′E 、37°12′～37°32′N之间，海拔767～1914 m，地貌复杂多样，以山地丘陵为主，典型的黄土丘陵沟壑侵蚀地。属暖温带大陆性气候，冬季少雨雪，春季多风，夏季雨水集中，多年平均气温为4.8～10.4 ℃、降水量458 mm、日照时间2550 h，无霜期约128～164 d，土壤分褐土、草甸褐土两大类。

2.2 试验材料

以太谷县范村镇田受沟村2003年退耕还林地为研究对象，坡向东南、坡度27°、坡位中下，土壤为褐土，退耕还林模式有刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林(4槐6桃，块状或宽带状混交)3种，前1年水平阶穴状或鱼鳞坑整地，春季2年实生容器苗造林，采取带土球、双覆盖措施，初植密度1800株/hm2，以同期撂荒地为对照。

2.3 试验设计

采用单因素随机区组设计，通过野外采样、定点观测和室内外实验，分析不同退耕还林模式生态功能效应。遵循代表性、可达性原则，按照20 m×20 m布设样地，见表1。①选择2017年9月上旬一个天气晴朗日子，同步测定下午14:00不同模式类型负氧离子数量及寿命，每次3个重复，取平均值。②选择2017年9月上旬一个天气晴朗日子，同步测定日间不同植被类型土壤地表温度，8:00～18:00每隔2h测1次，每次3个重复，取平均值。③样地中蛇形法采集土样，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 3个层次采集土壤剖面环刀样(100 cm3)，各层混合均匀后取综合样，进行理化指标测定分析。

表1 不同退耕还林模式样地信息

2.4 试验方法

投影法观察植被盖度，采用测高仪测定树高，卷尺测定胸径，环刀法测量容重和孔隙度，重铬酸钾法测定土壤有机质，曲管地温表法测定土壤温度，便携式负氧离子快速测定仪测定负氧离子数量及寿命，便携式PM2.5快速测定仪测定PM2.5含量，3次重复，取平均值[5～8]。

3 结果与分析

3.1 大气净化效应

由表2可知，相同退耕还林年限的刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林负氧离子浓度分别为1893、1738、2019个/cm3，是对照撂荒地1015个/cm3的1.71～1.99倍，平均1.86倍；负氧离子寿命分别为16.28、14.94、17.35 min，是对照撂荒地8.27 min的1.81～2.10倍，平均1.96倍；PM2.5浓度分别为65.77、73.36、59.07 μg/m3，是对照撂荒地101.29 μg/m3的0.58～0.72倍，平均0.65倍；负氧离子浓度及其寿命高低顺序为：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地；PM2.5浓度高低顺序为：撂荒地﹥山桃﹥刺槐﹥刺槐+山桃。

表2 不同退耕还林模式负氧离子浓度及其寿命

树冠、树梢、枝叶在高压、辐射、雷电下的放电现象，促使空气负氧离子的形成，能有效吸附降解空气中的有害气体和颗粒污染物，使空气清新净化[9]。森林空气中负氧离子不断产生又不断消失，负氧离子浓度及寿命与群落类型、年龄结构、树种组成等相关，负氧离子浓度增加及其寿命延长可减少空气中的飘尘量，对可入肺颗粒物PM2.5效果极佳[10]。

3.2 土壤改良效应

由表3知，相同退耕还林年限的刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤容重分别为1.17、1.19、1.15 g/cm3，是对照撂荒地1.47 g/cm3的0.78～0.81倍，平均为0.80倍；总孔隙度分别为48.94%、47.57%、49.60%，是对照撂荒地39.44%的1.21～1.26倍，平均1.24倍；非毛管孔隙度分别为6.77%、6.17%、7.16%，是对照撂荒地4.67%的1.32～1.53倍，平均1.43倍；有机质含量分别为2.71%、2.53%、2.93%，是对照撂荒地1.92%的1.31～1.52倍，平均1.42倍，改良土壤效应高低顺序为：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

表3 不同退耕还林模式土壤理化性质指标

土壤是复杂的多孔体，黄土丘陵区多为超渗产流，土壤层是森林涵养水源能力最强的作用层[11]。总孔隙度尤其是非毛管孔隙度的增加，能有效将地表径流转化为地下径流；有机质直接来源于土壤中动植物残体及枯落物的分解释放[11,12]。植物正向演替使得土壤表层有机质富集明显，增加了土壤C源和N源，提高了土壤肥力质量，保障了植被恢复重建的基础。

3.3 小气候改善效应

由表4知，相同退耕还林年限的刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤表层日较差分别为11.77、11.85、11.63 ℃，是对照撂荒地14.76 ℃的0.79～0.80倍，平均为0.8倍；缓解日较差效应高低顺序为：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

表4 不同退耕还林模式小气候效应

小气候效应是区域生态效应发挥的基础，林业已成为应对气候变化的战略选择。退耕还林增加了地面植被覆盖度和保护膜，削弱了空气下垫层的水热交换作用，形成局地微气候效应，缓解了日温极差变化，使日间升温缓慢、晚间降温缓慢[13，14]。

4 讨论

受试验条件、技术力量及监测手段限制，本试验仅在有限样本测定条件下，采用单因素随机区组设计，研究了相同退耕还林年限的生态效应，所得结论有一定程度的参考价值，但仍存在局限性。森林生态效益涉及水、土、生、气等多方面内容，受植被因子和环境要素共同作用和制约，至今仍无法对森林生态效益从定性到定量的准确评判，需要长期的全面定位观测[15]。退耕还林工程是生态脆弱区的恢复与重建的关键切入点，既要考虑国家对生态的需求，又要兼顾群众对利益的要求，本着适地与适树相结合、保护与重建相结合、树种和林种相结合、短期与长期相结合的原则，有效保护现有森林资源的同时，适度开展中幼林抚育和林中空地补植补栽，积极探索适合于太谷县自然条件和立地条件的造林模式及造林技术，强化乡土树种苗木培育，合理配置乔灌草和网带片，以异龄混交复层林为终极演替发展目标。

5 结论

相同退耕年限的不同退耕还林模式生态效益不同，由高到低顺序为:刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

(1)刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林负氧离子浓度分别为1893、1738、2019个/cm3，是撂荒地1.86倍；负氧离子寿命分别为16.28、14.94、17.35 min，是撂荒地1.96倍；PM2.5浓度分别为65.77、73.36、59.07 μg/m3，是撂荒地0.65倍；大气净化效益高低顺序为：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

(2)刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤容重分别为1.17、1.19、1.15 g/cm3，是撂荒地0.80倍；总孔隙度分别为48.94%、47.57%、49.60%，是撂荒地1.24倍；非毛管孔隙度分别为6.77%、6.17%、7.16%，是撂荒地1.43倍；有机质含量分别为2.71%、2.53%、2.93%，是撂荒地1.42倍，土壤改良效应高低顺序为：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

(3)刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤表层日较差分别为11.77、11.85、11.63 ℃，是撂荒地0.80倍，日较差缓解效应高低顺序为：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。