不同清理方式下人工幼林地的水土流失规律
2022-06-15卢立华李朝英明安刚张继辉刘士玲舒韦维
李 华, 卢立华, 郑 路, 李朝英,明安刚, 张继辉, 刘士玲, 舒韦维
(1.中国林业科学研究院 热带林业试验中心, 广西 凭祥 532600;2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站, 广西 凭祥 532600)
炼山是指在人为控制下在指定地点进行安全用火，来清理造林地地上采伐剩余物和地被物，是人工林造林的第一道工序，在中国已应用千余年。但20世纪80—90年代、在福建省尤溪县(东经117.8°—118.6°，北纬25.8°—26.4°)通过径流小区定位观测法对炼山和不炼山林地水土流失的研究[1-2]表明，炼山能引起严重的水土肥流失,并在此试验的基础上，其团队详细分析了炼山对杉木人工林地力的影响[3],综述了炼山对土壤有机质及养分烧失的影响，对林地水土流失、土壤肥力、杉木生长及林下植被等方面的影响[4-5]。之后对炼山的研究多集中在土壤养分或地力方面[6-10]，也有对CO2排放[11]、土壤碳等[12]方面的研究，但鲜有水土流失方面的报道。然而水土流失量受降雨特征、母岩，地形、植被等自然因素的影响[13]，因此不同地区、炼山对林地水土流失影响的程度可能不同。
广西壮族自治区水热条件优越，人工林面积高达8.53×106hm2[14]，约占全国人工林面积的10%，稳居全国之首[15]，其中速生丰产用材林是广西地区的优势资源和优势产业，其种植面积在南方速丰林发展重点省区也名列之首[16]。当地依然广泛使用炼山来清理林地，而炼山对当地水土流失的影响有多大？目前还不清楚，仅有不同植被类型和植被恢复过程等方面水土流失的报道[17-19]。本研究立足于人工林生产一线，在马尾松林皆伐后，通过对比炼山和不炼山在当地自然降雨情况下，人工林常规经营时人工幼林地的水土流失规律，以期为当地人工林的科学经营和生态管理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
研究地点位于广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站热林中心站点，地理位置为106°48′12″E，22°05′00″N，属南亚热带季风气候。有明显的干季和湿季，年均气温21.0 ℃，≥10 ℃积温7 600 ℃，年均降水量1 400 mm，多集中在4—9月。
研究区为低山丘陵地貌，坡度25°～30°，海拔240～260 m，土壤为赤红壤，土层厚度大于100 cm。试验样地面积6.5 hm2，皆伐前为30 a生马尾松纯林，林分郁闭度为0.7，平均树高14.9 m，平均胸径24.8 cm，密度为447株/hm2。伐前林下植被主要有玉叶金花(Mussaendapubescens)、酸藤子(Embelialaeta)、粗叶榕(Ficushirta)、五节芒(Miscanthusfloridulus)、蔓生莠竹(Microstegiumfasciculatum)、铁芒萁(Dicranopterislinearis)、东方乌毛蕨(Blechnumorientale)等。皆伐后林地地被物和地上采伐剩余物生物量为25.63 t/hm2。
0—50 cm土层，土壤容重1.20 g/cm3，总孔隙度52.75%，毛管孔隙度46.69%，非毛管孔隙度6.06%。土壤pH值为4.18，有机质含量17.99 g/kg，全氮含量1.35 g/kg，全磷含量0.21 g/kg，全钾含量13.54 g/kg，碱解氮含量97.63 mg/kg，有效磷含量0.74 mg/kg，速效钾含量45.92 mg/kg。
按穴状整地，造林密度3 000株/hm2，炼山时间2017年12月初，炼山后5 d建简易坡面径流场，造林时间2018年1月。炼山与不炼山的林地抚育以及其他管理方法一致。
1.2 降雨量的观测和径流小区的设置
在与所有样地直线距离不超过1 km的空旷地，距地面1 m处安装自记翻斗雨量仪(TE525 MM，Campbell，USA，分辨率0.2 mm)进行观测，使用UA UA-003-64(型号：Campbell，USA)传感仪实时记录数据。以雨量仪为中心，在半径为1 m的范围内定期除草，确保植被高度不超过1 m。本试验于2018—2020年采用炼山和不炼山对比观测法。在马尾松皆伐林地，分别在炼山和不炼山区域，按该区域的平均坡度等综合状况，选择坡向、海拔和坡度接近的直线形地段，设置6个径流小区，径流小区基本情况详见表1。径流小区由隔离边墙、径流区、集水区、引水管、接水桶等部分组成，所用材料和方法见李华等[20]。径流区的水平投影面积为5 m×20 m，集水区带盖(确保地表径流量仅来自径流区)，接水桶为直径0.84 m，高1 m的带盖圆柱形桶，桶底部开有排水孔。
1.3 地表径流量和泥沙流失量的观测
在每次降雨后，于次日8:00，如有径流，用钢尺测量各径流小区接水桶中的径流水位，用以计算1次降雨过程的地表径流量。在测完径流水位后，将接水桶中的浑水搅拌均匀，用取样勺分不同深度取水样约1 000 ml装入取样瓶中，之后打开阀门，将接水桶中的浑水排出，关好阀门、盖上桶盖取样结束。打开集水区盖，收集沉淀在集水区的泥沙，最后将装有水样的取样瓶和收集到的泥沙带回室内，经沉淀、烘干算出泥沙量。
1.4 数据处理及分析方法
采用 Microsoft Excel 2007软件进行数据处理和图表绘制，运用SPSS 19.0软件进行方差分析(ANOVA)和回归分析，多重比较采用LSD法。
表1 试验径流小区基本信息
2 结果与分析
2.1 大气降雨特征
基于2018—2020年降雨观测数据，按降雨间隔时间不超过6 h划分为1场降雨事件，其降雨场次、降雨量等降雨特征详见表2。由表2可知，这3 a降雨场次介于164～178场，各降雨量级的年降雨场次由多到少的排序均为：小雨(P≤5 mm)、中雨(10 mm
表2 试验区2018-2020年大气降雨特征
2.2 人工幼林地水土流失的年际变化
人工林皆伐后，不同的林地清理方式对水土流失的影响很大。
由表3可知，2018—2020年总的径流量和泥沙流失量炼山的分别高达2 955 m3/hm2和22.8 t/hm2，不炼山的仅分别为1 044 m3/hm2和1.8 t/hm2，炼山的径流量和泥沙流失量分别是不炼山的2.8和12.4倍。从各年际来看，炼山处理的水土流失量均明显高于不炼山的，其中前两年差异达显著水平(p<0.05)。第1 a，炼山径流量和泥沙流失量分别高达1 984 m3/hm2和20.7 t/hm2，不炼山的仅分别为566 m3/hm2和1.3 t/hm2，炼山的径流量和泥沙流失量分别是不炼山的3.5和15.8倍。第2 a，炼山的径流量和泥沙流失量分别为744 m3/hm2和1.8 t/hm2，不炼山的仅分别为333 m3/hm2和0.4 t/hm2，炼山的径流量和泥沙流失量分别是不炼山的2.2和4.5倍；第3 a，炼山的水土流失量依然分别是不炼山的1.6和2.0倍。可见炼山后随林地恢复时间的增加，不仅林地水土流失量急剧减小，而且林地清理方式对水土流失的影响也急剧减小。
表3 人工幼林地水土流失的年际变化
2.3 人工幼林地水土流失的月变化
由表4可知，在观测的这3 a间月降雨量和月水土流失量变化均较大。如有的月份降雨量和水土流失量都很少，甚至无径流产生，而有的月份降雨量和水土流失量均较高。总的来看，林地水土流失主要集中在雨季，其中大雨、暴雨分布频率较高的6—9月也是水土流失主要发生的月份。在有径流产生的月份，林地清理方式对月水土流失影响显著(p<0.05)(表4)。第1 a，除2月无径流外，其他月份炼山处理的水土流失量均显著高于不炼山的(p<0.05)。其中6—9月炼山处理的月径流量分别高达345，108，1 161和60 m3/hm2，分别是不炼山的3.8，5.2，3.2和1.7倍；炼山处理的月泥沙流失量分别高达3 064，1 314，12 110和808 kg/hm2，分别是不炼山的15.5，12.3，15.4和18.4倍。而11和12月无论炼山与否，月水土流失量均很小，但炼山的径流量分别是不炼山的9.4和8.5倍，炼山的泥沙流失量分别是不炼山的52.0和42.0倍。第2 a在有径流产生的月份中，除5月的径流量外，其他月份的水土流失量炼山处理均显著高于不炼山处理的(p<0.05)。其中6—9月炼山处理的月径流量分别为82，72，260和67 m3/hm2，分别是不炼山的1.7，1.7，2.0和2.9倍；炼山处理的月泥沙流失量分别为230，240，703和169 kg/hm2，分别是不炼山的4.9，3.5，2.9和3.5倍。而2月和4月的月水土流失量均很小，但炼山的径流量分别是不炼山的5.6和4.8倍，炼山的泥沙流失量分别是不炼山的11.5和21.3倍。第3 a炼山依然显著增加了4，8，9月的径流量，4—6月和8月的泥沙流失量。可见，林地清理方式对月水土流失的影响主要发生在前两年，且产生的径流量越小(无径流产生的除外)，炼山与不炼山水土流失的差异就越大。
2.4 降雨量对水土流失的影响
观测期间，第1 a次降雨量为50.6 mm时水土流失量达最大，炼山和不炼山处理的径流深分别为31.5和10.0 mm，泥沙流失量分别为3 757和189 kg/hm2；炼山和不炼山处理产生地表径流的最小降雨量分别为7.2和10.0 mm。第2 a次降雨量为72.0 mm时水土流失量达最大，炼山和不炼山处理的径流深分别为17.8和6.8 mm，泥沙流失量分别为335和80.3 kg/hm2；炼山和不炼山处理产生地表径流的最小降雨量分别为9.2和11.6 mm。第3 a次降雨量为76.2 mm时水土流失量最大，其炼山和不炼山处理的径流深分别为5.3和4.6 mm，泥沙流失量分别为74和35 kg/hm2；炼山和不炼山处理产生地表径流的最小降雨量分别为11.0和14.2 mm。可见，只有当次降雨超过一定量后才有可能产生地表径流，且炼山处理产生径流的最小降雨量较不炼山的小；同一场暴雨、炼山处理产生的径流深和泥沙流失量远高于不炼山处理的，尤其是前两年。
以次降雨量为自变量(x)，分别以径流深和泥沙流失量为因变量(y)，采用数学模型拟合，多项式模型拟合的相关系数和F值均最大，其拟合情况如图1—2所示。炼山和不炼山处理的地表径流深和泥沙流失量与次降雨量均存在极显著的二次曲线关系(p<0.01)。说明在当地、人工林皆伐后人工更新林地前3 a的地表径流量和泥沙流失量可通过次降雨量来预测。由图1—2拟合曲线可以看出，各处理的径流深和泥沙流失量均随次降雨量的增加而增加，炼山处理的径流深曲线和泥沙流失量曲线的瞬时斜率较不炼山的大，且随次降雨量的增加，炼山处理斜率增加幅度较不炼山的大。但这两种林地清理方式对水土流失的影响随炼山后林地恢复时间的增加而持续减小。可见，在炼山后的前两年，炼山处理的水土流失量之所以远高于不炼山处理，这是因为炼山处理不仅能降低产生地表径流的最小降雨量，而且当次降雨量高于产生地表径流的量后，随次降雨量的增加，其水土流失量的斜率增加快，其水土流失量的增加幅度就大。
图1 不同清理方式下人工幼林地降雨量与径流深的关系 图2 不同清理方式下人工幼林地降雨量与泥沙流失量的关系
3 讨 论
3.1 降雨与水土流失
降雨是水土流失形成的动力因子，降雨量是影响产流的主要降雨因子[21]；吴洁玲等[22]将日降雨量为12.0 mm的降雨作为侵蚀性降雨量的标准；通常高强度，大雨量的降雨类型易引起土壤侵蚀[23-24]，特别是暴雨及大暴雨是构成强大侵蚀的主导动力，往往1次高强降雨是决定水土流失总量的决定性因素[25]。从观测3 a的数据来看，每年当地发生暴雨的次数为2～3次，在有暴雨发生的月份，其水土流失量远高于同年其他月份，在全年水土流失总量中占主导作用(表4)。如2018年的8月(发生2次暴雨)水土流失量占全年总流失量的58.5%(不炼山处理的比例更高)；与月降雨量接近的7月相比，6月(1次暴雨)径流量和泥沙流失量分别是7月的3.3～4.5倍和1.9～2.3倍，分别占全年总流失量的16.3%～17.4%和14.8%～15.1%。2019年和2020年水土流失量也主要发生在有暴雨的月份。
因土壤及地上采伐剩余物、凋落物、灌草等能吸收或截留降雨，因此，并不是所有的降雨都会产生地表径流。本试验观测到形成地表径流的最小降雨量是7.2 mm，即小于7.2 mm的降雨量未能产生地表径流，且形成地表径流的最小降雨量随炼山后林地恢复时间的增加而持续增加。其值较周国逸等[26]直接观测到马占相思人工林地表产流的数值大。对比发现，两个地区的降雨特征差别较大。与他们试验地区相比，本地区年降水量较少(减少了约400 mm)，其中远远降低了暴雨年降水量和年降雨场次(仅占年降雨量的12.0%～15.1%，占年降雨场次的1.2%～1.8%)，年降水量主要由中雨(占年降雨量的33.1%～36.3%)和大雨(占年降雨量的19.8%～30.2%)带来，而小雨和小到中雨的降雨场次占年降雨场次的75%～80%，降雨量占年降雨量的24.7%～28.8%，说明本地区降雨比较温和，有利于土壤入渗。另外，对比坡面径流场发现，马占相思人工林是将地表径流收集到人工明渠中，再导入三角堰用自记水位计记录水量，所以测定的水量为坡面径流量和人工明渠中的降雨量；而本试验的集水槽上有盖，收集到的就是坡面径流量。
表4 试验区水土流失的月变化
3.2 林地清理方式与人工幼林地水土流失
炼山与不炼山林地的最大区别在于炼山的林地地表缺乏采伐剩余物和地被物等的覆盖，其地表是裸露的，而地表覆盖能显著降低径流和土壤流失量[27]。无论是土壤初始含水率的高低[28]，还是不同降雨等级[29]，秸秆覆盖均具有较好的水土保持效果；并随覆盖量的增加，产流、产沙总量逐渐减小，在喀斯特地区6 000 kg/hm2左右的覆盖量就有较好的水土保持效果[29]。对秸秆覆盖的产流产沙过程分析认为：地表覆盖后不仅可以有效的削弱雨滴的溅蚀，利于保持土壤透水空隙通透，便于水分下渗，而且也能增加地表的糙度，减缓坡面流速，可使雨水有更多的机会下渗，延缓径流的起流时间[28,30-31]。与炼山林地相比，不炼山林地因有地表覆盖物〔马尾松纯林皆伐后，仅地表残留的采伐剩余物(叶、枝和皮)的生物量就高达23.63 t/hm2[32]〕，其同样能截持雨水，避免雨滴直接溅蚀土壤，避免表层土壤空隙被堵塞，增加林地地表粗糙度，能推迟产流和径流峰的开始时间，减少洪峰流量[1]。炼山不仅使林地土壤裸露，而且在火烧地被物和地上采伐剩余物的同时，烧掉了土壤动物的部分食物，灼烧了土壤，使表层的土壤结构、微生物、土壤动物、速效养分等有所变化，也间接地影响了土壤容重、非毛管孔隙度、总孔隙度等[5]，会对土壤的入渗特性产生一定影响，从而影响了到达土壤表层的水分的入渗。
本试验结果也显示，前两年水土流失量、炼山与不炼山差异显著(p<0.05)。第1 a径流量和泥沙流失量、炼山分别是不炼山的3.5和15.8倍，第2 a分别是2.2和4.5倍。这个数值较马祥庆等[2]对不同林地清理方式下、杉木幼林水土流失的值低得多。对比分析后发现，本试验条件下、炼山处理的水土流失量较其降低了，而不炼山处理的水土流失量则较其增加了，尤其在第1 a。这可能与降雨特性，以及采伐树种不同，引起地被物和采伐剩余物的数量和质量不同有关。
在有径流产生的月份，炼山处理的水土流失量显著高于不炼山(p<0.05)，但随林地恢复时间的增加，有显著差异的月份逐渐减少。如第1 a除2月没有径流产生外，其他月份炼山处理与不炼山处理均差异显著(p<0.05)，其径流量介于1.7～9.4倍，泥沙流失量介于12.3～52.0倍；第2 a 2，4，6—10月炼山处理的水土流失量也显著高于不炼山的(p<0.05)，其径流量介于1.7～5.6倍，泥沙流失量介于2.6～21.3倍。本试验还发现，当有径流产生时，径流量小的月份(多出现在干季)，炼山与不炼山水土流失的差异很大。如第1 a的11和12月，炼山径流量分别是不炼山的9.4和8.5倍，炼山泥沙流失量分别是不炼山的52.0和42.0倍。这可能与干态土壤在无覆盖时，产流快、随后产沙速率迅速增大有关[28]。
在观测的这3 a，产生地表径流的最小降雨量、炼山均低于不炼山的，也就是说当降雨量较小或土壤和地表覆盖物(采伐剩余物和地被物)较干燥时，不炼山不易产生径流；当降雨量足够大、有水土流失时，径流深和泥沙流失量、炼山处理均高于不炼山的，尤其是前两年。以次降雨量为自变量，分别以径流深和泥沙流失量为因变量，采用数学模型拟合，次降雨量与径流深(泥沙流失量)存在极显著的二次曲线关系(p<0.01)。进一步对曲线分析发现，当有径流(泥沙流失量)产生时，炼山处理曲线的瞬时斜率较不炼山的大，且随次降雨量的增加，斜率增加幅度大。可见，前两年，炼山处理的水土流失量之所以远高于不炼山处理，是因为与不炼山相比，炼山处理不仅能降低产生地表径流的最小降雨量，而且当次降雨量高于产生地表径流的量后，水土流失量的瞬时斜率大，且随次降雨量的增加，水土流失量的增加幅度大。总的来看，炼山后、随林地恢复时间的延长，林地水土流失量急剧减小，如：观测的这3 a径流量分别为1984，744和228 m3/hm2，泥沙流失量分别为20.7，1.8和0.2 t/hm2；其与不炼山林地水土流失量的差距也急剧缩小。但本试验目前仅连续观测了3 a，林地也尚未完全郁闭，之后随时间的推移，炼山林地水土流失量能否持续减小，林地清理方式对水土流失的影响会持续多久等问题还未可知。故本文的研究结果仅是阶段性的，试验还将继续观测，以便获得更完备的信息，得出更多结论，为林地科学管理提供有价值的参考。另外，本试验的径流小区都设在林地的上坡位，坡度主要集中在25°和26°，涉及到东南和东北两个坡向。
4 结 论
炼山后的前两年，人工幼林地水土流失量均表现为炼山显著高于不炼山(p<0.05)。炼山后第1 a，炼山的年径流量和年泥沙流失量分别是不炼山的3.5倍和15.8倍；在有水土流失的月份，炼山的月径流量和月泥沙流失量分别是不炼山的1.7～9.4倍和12.3～52.0倍。炼山后第2 a年径流量和年泥沙流失量分别是不炼山的2.2倍和4.5倍，炼山的月径流量和月泥沙流失量分别是不炼山的1.7～5.6倍和2.6～21.3倍。第3 a炼山依然能显著增加个别月份的水土流失量。
在观测的3 a中，产生地表径流的最小降雨量、炼山均低于不炼山的，而有径流产生的同场降雨，炼山的水土流失量均高于不炼山，且随次降雨量的增加，炼山水土流失量的增加幅度大。
