孫 聃，劉素萍，申衛(wèi)軍，饒興權(quán)，郭志峰，李永強(qiáng)

我國南方自20世紀(jì)80年代以來大規(guī)模植造人工林，以華南地區(qū)為例，山地丘陵占土地面積的70%以上，人工林種植面積為3 213公頃，水土流失面積達(dá)3 533 hm2，通過種植人工林改變地表徑流和土壤侵蝕特征的研究顯得尤為重要。森林影響徑流的過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，不同的樹種和植被群落結(jié)構(gòu)，不同的森林年齡在地區(qū)、季節(jié)都會(huì)產(chǎn)生不同效應(yīng)。森林植被變化對(duì)徑流的影響幅度相差較大，森林覆蓋度的降低可以不同程度地增加流域的產(chǎn)水量，造林則導(dǎo)致流域產(chǎn)水量降低。但森林植被變化對(duì)流域產(chǎn)水量的影響卻不近相同［1-3］，主要有3種不同結(jié)論:1)森林的存在會(huì)使徑流量增加;2)森林的存在與徑流量之間沒有明顯的關(guān)系;3)森林的存在會(huì)減少年徑流量。

為了研究水土流失過程，許多國家和地區(qū)已經(jīng)設(shè)立了小區(qū)徑流場(chǎng)［4］，中國過去幾十年中大量的水土流失研究也都使用了小區(qū)徑流場(chǎng)［5-6］。盡管徑流場(chǎng)的大小、保護(hù)措施和測(cè)量時(shí)長有所不同，但其數(shù)據(jù)對(duì)中國的水土流失提供了寶貴的信息，也揭示了不同植被類型與水土侵蝕之間存在的規(guī)律［7-12］。

受季風(fēng)氣候的強(qiáng)烈影響，我國南亞熱帶地區(qū)擁有豐富的森林動(dòng)植物種類和資源，植物區(qū)系、植被類型以及稀有瀕危植物的分布也存在著地帶分異性。我國南亞熱帶也有大面積的各種人工林和次生林。人工林的主要造林樹種以馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬占相思(Castanopsis hystrix)、桉樹(Eucalyptus spp)及一些鄉(xiāng)土樹種為主［13］。本文將結(jié)合9種植被類型和6年的觀測(cè)數(shù)據(jù)來分析水土流失的動(dòng)態(tài)過程，研究植被類型和林齡如何影響著水土保持，以期為華南地區(qū)人工林造林提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鶴山丘陵綜合試驗(yàn)站是中國科學(xué)院華南植物研究所(園)與鶴山市林業(yè)科學(xué)研究所共建，2005年成為國家野外臺(tái)站之一。該站位于廣東省江門市鶴山市，地處南亞熱帶丘陵地區(qū)，平均海拔高度80 m，頂極森林群落是亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林。年均溫度22.5℃，最熱為7月份，最冷為1月份。年均降雨量1 534 mm，干濕季交替明顯。土壤為砂頁巖發(fā)育而成的赤紅壤。鶴山站先后建立成熟人工林和幼齡人工林2個(gè)研究樣地。成熟人工林樣地1984年建于桃源鎮(zhèn)，位于 E 112°54'，N 22°41'，1986 年種植人工林種類包括:1)馬占相思林AM(Acacia mangium);2)桉樹林EU(Eucalyptus urophylla);3)荷木林SS(Schima superba);4)馬尾松林PM(Pinus massoniana);幼齡人工林樣地2005年建于共和鎮(zhèn)，位于E 112°50'，N 22°34'各樣地約 1 hm2。2005 年幼齡人工林樣地包括:1)10種樹種混交M1(10 species mixed forest);2)30種樹種混交M2(30 species mixed forest);3)尾葉桉純林EU1(Eucalyptus urophylla);4)厚莢相思純林AC(Acacia crassicarpa);5)紅錐純林CH(Castanopsis hystrix);6)草坡GL本實(shí)驗(yàn)地立地條件相似，林下物種主要為芒萁(Dicranopteris pedata)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

本研究采用小集水區(qū)徑流場(chǎng)，把生態(tài)系統(tǒng)邊界定義在小集水區(qū)的邊界以內(nèi)，我們分別在4個(gè)成熟人工林和5個(gè)幼齡人工林中建立了地表徑流和含沙量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在每個(gè)林型內(nèi)部用四周插入水泥板至20 cm深土層，插入后將原土回填，水泥板高出地面10 cm，使地表徑流導(dǎo)入測(cè)流堰中，徑流進(jìn)入堰中通過三角堰口流出，也是徑流的唯一出口。在坡底邊設(shè)1個(gè)徑流槽和1個(gè)儀器室，通過WGZ－1型自動(dòng)水位計(jì)記錄堰內(nèi)水位高度從而換算出徑流量。幼齡人工林試驗(yàn)區(qū)每個(gè)徑流場(chǎng)投影面積大小為15 m×20 m，成熟人工林試驗(yàn)區(qū)每個(gè)徑流場(chǎng)投影面積為10 m×20 m，通過測(cè)流堰用自動(dòng)水位計(jì)記錄徑流量。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)都配有1個(gè)自動(dòng)雨量計(jì)用于測(cè)定大氣降水。測(cè)流堰頂角為20°，流量計(jì)算公式［14］如下:

式中:Q0為水位自計(jì)曲線上某一水位高度的流量，m3/s，H為堰口水頭高度，m。Q為某一降水過程的徑流總量，Q0和Q'0為水位曲線上相臨兩點(diǎn)水位高度(H1和H2)的流量，m3/s。T為相臨2點(diǎn)的時(shí)間差(s)，i=1，2，3，…，n，分別表示某一徑流過程 1，2，3，…，n個(gè)相臨2點(diǎn)的徑流時(shí)段。最后將徑流流量除以樣地面積換算為徑流深，mm。地表徑流為連續(xù)監(jiān)測(cè)，記錄間隔為5 min 1次;推移質(zhì)每年年底收集，在沉沙池底部稱量泥沙總量，并取樣品回實(shí)驗(yàn)室在烘箱中105℃干燥至恒重，計(jì)算出推移質(zhì)干重。

2.2 分析方法

所有的統(tǒng)計(jì)分析均用SPSS(Version14.0)軟件進(jìn)行。不同林型之間徑流量與系數(shù)和徑流土壤產(chǎn)出的顯著性差異均用(One-way ANOVA)單因素方差和(Repeated measure ANOVA)重復(fù)測(cè)定方差分析，使用LSD檢驗(yàn)，當(dāng) P＜0.05時(shí)視為統(tǒng)計(jì)上差異顯著。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表徑流特征

圖1顯示成熟人工林試驗(yàn)區(qū)4種林型和幼齡人工林試驗(yàn)區(qū)5種林型的地表徑流系數(shù)各月間的變化情況。4—9月之間各林型地表徑流變化較大，從量上來說要高于10月到翌年3月份，顯示出了明顯的干濕季差異。從降雨量規(guī)律來說，6月份降雨量最大，5月份次之，2月份降雨量最小，1月份次之。其中，成熟人工林和幼齡人工林地表徑流均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于草坡地表徑流。成熟人工林6年月平均地表徑流量5月份最大，6月份次之，1月份徑流量最小，12月份次之。幼齡人工林月平均地表徑流量為6月份最大，5月份次之，2月份徑流量最小而1月份次之。各林型地表徑流量5月份和6月份呈現(xiàn)峰值，1、2、11、12月處于谷底。這與申衛(wèi)軍等［15］等所得出的徑流月度變化規(guī)律基本一致。

結(jié)合表1和2的降雨量，幼齡人工林實(shí)驗(yàn)區(qū)6年降雨平均值為1 695.6 mm，變異系數(shù)21.2%，最大降雨量2012年為2 217.3 mm，最小降雨量2011年為1 132.4 mm。成熟人工林實(shí)驗(yàn)區(qū)6年降雨平均值為1 754.7 mm，變異系數(shù)20.1%，最大降雨量在2012年，為2 196.8 mm，最小降雨量在2011年為1 194.5 mm。

表1中幼齡人工林試驗(yàn)區(qū)不同林型6年平均徑流量為157.2 mm，徑流量從小到大依次為:尾葉桉林EU1(109.4 mm)＜10物種混交林 M1(129.7 mm)＜厚莢相思林AC(169.1 mm)＜30物種混交林M2(182.8 mm)＜紅錐純林CH(194.8 mm)。變異系數(shù)為43.7%～70.1%。表2成熟人工林試驗(yàn)區(qū)不同林型6年平均徑流量為57.1 mm，徑流量從小到大依次為:荷木林SS(41.3 mm)＜窿櫞桉林EU(42.0 mm)＜馬占相思林AM(63.7 mm)＜松林PM(78.6 mm)。變異系數(shù)為26.3% ～33.3%。

表1 2008—2013年幼齡人工林降雨與徑流動(dòng)態(tài)Tab．1 Dynamics of rainfall and runoff in young plantation from 2008 to 2013

表2 2008—2013年成熟人工林降雨與徑流動(dòng)態(tài)Tab．2 Dynamics of rainfall and runoff in mature plantation from 2008 to 2013

從表1可以看出:2008—2010年期間，幼齡人工林各幼齡林型地表徑流量隨著時(shí)間推移徑流系數(shù)有一個(gè)較為顯著的降低過程，而在2010年到2013年的過程中趨于平穩(wěn)，即使在2012年和2013年雨水相對(duì)充沛的年份里的地表徑流系數(shù)也無顯著增加，且各種林型也幾乎趨于穩(wěn)定;因此人工林在6林齡時(shí)基本處于攔蓄徑流能力快速增加的末端，之后效果較為緩和，從森林類型上看，總體來說混交林徑流要少于純林。而在成熟人工林中(表2)，地表徑流系數(shù)無顯著變化，說明成熟林減流效果已經(jīng)達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)較低的水平且荷木混交林相較于其他純林減流效果最好。

3.2 成熟人工林與幼齡人工林徑流差異

林齡和觀測(cè)年份做兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析，表3的結(jié)果表明:成熟人工林和幼齡人工林在林齡間差異極為顯著(P＜0.01)，說明成熟人工林相對(duì)于幼齡人工林更能有效減少徑流;年際間的差異為極為顯著(P＜0.01)，表明隨著時(shí)間推移，徑流有顯著的降低趨勢(shì)。

國內(nèi)有研究分析認(rèn)為森林對(duì)地表徑流具有良好的調(diào)節(jié)功能，隨著森林植被率的增加，地表徑流的形成和土壤侵蝕明顯減少。地表徑流是引起流域水文變化的主要因子，是洪水流量的主要成分，同時(shí)也是水土流失、土壤侵蝕的一個(gè)重要因素［16］。

表3 成熟與幼齡人工林在2008年到2013年間的徑流系數(shù)的重復(fù)測(cè)量方差分析Tab．3 P value of repeated measurement ANOVAs for young plantation and mature plantation during 2008－2013

從圖2a可以看出:幼齡人工林不同林型間地表徑流系數(shù)差異顯著，尾葉桉純林徑流系數(shù)要顯著小于其他林型，說明在幼齡人工林中，快速生長樹種尾葉桉林能較早地起到減少徑流的作用［17-18］，且其蒸騰作用較強(qiáng)［19-20］，減少了地表徑流的流出量;紅錐純林除了30物種混交林外，徑流系數(shù)顯著大于其他林型，紅錐樹種在早期生長較為緩慢，屬于后發(fā)樹種。有研究發(fā)現(xiàn)其30年后能達(dá)到甚至超過桉林的蓄積量［21］，但早期由于個(gè)體較小，林冠不發(fā)達(dá)導(dǎo)致其無法有效截留降雨，導(dǎo)致林區(qū)徑流量較大。

圖2 2008—2013年成熟林年平均徑流系數(shù)Fig．2 Average annual runoff coefficient of mature plantation from 2008 to 2013

從圖2b可以看出，2008—2013年松樹林徑流系數(shù)顯著高于其他林型，其次是馬占相思林，最小的是蕯櫞桉林和荷木林且顯著低于其他林型。從結(jié)果來看闊葉林減少徑流能力要比針葉林強(qiáng)，而同為速生樹種的馬占相思和蕯櫞桉，在成熟林階段對(duì)徑流的減流能力有一定的差別別，桉林要好于馬占相思林，這在幼齡林中也是呈現(xiàn)這樣的趨勢(shì)，作為鄉(xiāng)土樹種的荷木林減少徑流的能力最強(qiáng)。

通過對(duì)不同林型間的產(chǎn)流對(duì)比發(fā)現(xiàn)，天然林、混交林優(yōu)于人工林、純林，復(fù)合層結(jié)構(gòu)要好于單層，林齡與水土保持功能呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。這一結(jié)論與Narain 等［22］和 Sánchez等［23］等學(xué)者的結(jié)論一致，通過20多年恢復(fù)期的成熟林，年際間的地表徑流林型間已經(jīng)沒有明顯差異，從類型上看也是混交林地表徑流要小于純林。

3.3 成熟人工林與幼齡人工林土壤推移質(zhì)特征

從林齡上來看(圖3)，幼齡人工林(3～7林齡)中各林型推移質(zhì)年平均值土壤侵蝕量是成熟人工林(24～28年林齡)的7.14倍。幼林人工林自2008—2012年土壤推移質(zhì)量各林型平均值是0.5 t/hm2，而成熟人工林平均為0.07 t/hm2。從各自林型來看，成熟人工林中推移質(zhì)量為:荷木林(SS)＜馬占相思林(AM)＜蕯櫞桉林(EU);幼齡人工林中表現(xiàn)為:厚莢相思林(AC)＜10物種混交林(M1)＜30物種混交林(M2)＜尾葉桉林(EU1)＜紅錐純林(CH)。

圖3 幼齡人工林(a)和成熟人工林(b)推移質(zhì)量Fig．3 Young plantation(a)and mature plantation(b)soil loss

3.4 成熟人工林與幼齡人工林土壤推移質(zhì)差異

以林齡和觀測(cè)年份對(duì)年際土壤推移質(zhì)量做兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析，結(jié)果表明:成熟人工林和幼齡人工林在林齡間土壤流失量有差異但不顯著(P=0.070)，而年際間的差異顯著(P=0.034)，說明成熟人工林相對(duì)于幼齡人工林雖然在總的推移質(zhì)量上差異不大，但年際間兩者還是存在差異的。究其原因是因?yàn)楹竺鎺啄甑哪觌H土壤流失量不同林齡之間差異越來越小，也越來越趨近于0，表明隨著時(shí)間推移，年際推移質(zhì)量逐年遞減。

表4 成熟人工林與幼齡人工林在2008年到2012年間的推移質(zhì)的重復(fù)測(cè)量方差分析Tab．4 P value of repeated measurement ANOVAs with young plantation and mature plantation

從圖4可以看出，桉林和紅錐林與其他林型土壤推移質(zhì)量有顯著性差異(P＜0.05)，說明在幼齡人工林中，桉林和紅錐對(duì)土壤侵蝕的保護(hù)力比其他林型弱，原因可能是林冠不如其他林型茂密，穿透雨對(duì)地面侵蝕較大。從土壤流失和徑流系數(shù)可以看出:雖然桉林對(duì)徑流量的減流作用較好，但對(duì)土壤的保持能力卻較弱;而厚莢相思雖然對(duì)減流能力比較弱，但是對(duì)土壤的保持能力卻最強(qiáng);紅錐純林相比其他樹種對(duì)徑流和土壤流失的阻滯能力最弱。

從上圖(圖4a)可以看出:2007—2009年土壤推移質(zhì)量不同林型差異顯著(P＜0.05)，尾葉桉林和紅錐純林最高，顯著高于10物種混交林和厚莢相思林，而30物種混交林與其他林型差異不顯著;2008—2010年土壤推移質(zhì)量(圖4b)中紅錐純林顯著高于10物種混交林和厚莢相思林，而30物種混交林和尾葉桉林與其他林型差異不顯著;2009—2011年(圖4c)雖然紅錐還大于其他林型，盡管差異未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平，但其絕對(duì)值還是遠(yuǎn)高于其他林型。以上說明紅錐林對(duì)土壤保持效果相對(duì)于混交林和桉樹林效果較差，而桉林在早期也保持土壤的效果也較差，但隨著時(shí)間推移，桉林的效果也逐漸得到了加強(qiáng)。

圖4 幼林人工林不同時(shí)間段的年均推移質(zhì)量Fig．4 Average annual bed load sediment of young plantation in different time

4 結(jié)論

研究期間，鶴山站降雨年內(nèi)呈明顯干濕季劃分，年際間差異較大，是造成不同年份徑流量和推移質(zhì)差異的因素之一。研究結(jié)果表明:成熟人工林和幼齡人工林地表徑流均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于草坡地表徑流。成熟人工林的地表徑流和推移質(zhì)流失均小于幼齡人工林。其中成熟林地表徑流相較于幼齡林減少了64.2%，推移質(zhì)流失減少了86.0%。幼齡林在3～5年林齡期間，各林型水土流失有一個(gè)顯著的下降趨勢(shì)，7年林齡后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定較低水平，而成熟林中泥沙流失趨勢(shì)已經(jīng)趨于平穩(wěn)，年際間差異不大。從樹種上看，純林中的桉林在幼齡林階段能有效減少地表徑流，但推移質(zhì)流失效果顯示較慢。長期來看，桉林與荷木混交林均表現(xiàn)出良好的水土保持效果，得出這一結(jié)果可能是桉林早期的快速生長使得其蒸騰作用較強(qiáng)，降雨快速以蒸騰的方式回歸大氣，而后期桉樹進(jìn)入緩慢生長期時(shí)，由于其稀疏的冠層使得其他物質(zhì)得到快速生長，從而徑流也較少。而混交林由于不同物種的協(xié)同作用，使得徑流和推移質(zhì)侵蝕均較小。結(jié)果也表明，在華南地區(qū)氣候水熱條件充足的情況下，雖然幼齡不同林型水土保持能力有差異，只要保護(hù)得當(dāng)，后期均能有不錯(cuò)的保持效果。

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