三峡库区典型退耕还林模式水土保持功能研究

吴 东，黄志霖,2，肖文发，曾立雄，宋文梅(.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所/国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 0009；2.南京林业大学 南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 2007；.秭归县林业局，湖北 宜昌 44600)

三峡库区典型退耕还林模式水土保持功能研究

吴 东1，黄志霖1,2，肖文发1，曾立雄1，宋文梅3

(1.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所/国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 100091；2.南京林业大学 南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；3.秭归县林业局，湖北 宜昌 443600)

退耕还林；水土保持；径流；泥沙；三峡库区

为评估退耕还林工程对流域水土流失的控制效应，选择三峡库区典型退耕还林模式(茶园、柑橘园、板栗林)，以坡耕地为对照，观测和分析不同退耕模式下土壤物理性质及径流泥沙输出情况，结果表明：茶园、板栗林、柑橘园与坡耕地比较，年径流输出量平均减少了17.92%，大小关系为板栗林(110.71 m3/hm2)<柑橘园(164.16 m3/hm2)<茶园(171.74 m3/hm2)<坡耕地(181.38 m3/hm2)，板栗林径流量显著小于其他三种模式；年泥沙输出量大小关系同样为板栗林(141.92 kg/hm2)<柑橘园(343.78 kg/hm2)<茶园(394.79 kg/hm2)<坡耕地(1 210.77 kg/hm2)，退耕模式相对于坡耕地泥沙输出量显著减少，平均减少了75.76%；退耕后土壤水分物理性质得到很大改善，退耕还林模式土壤容重降低，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度增加，有利于水土保持功能的发挥。说明退耕还林后新形成的林地和园地具有较好的蓄水保土效益，对小流域的水土流失控制和土壤改良作用明显。

水土流失是当今世界许多国家亟待解决的环境问题，也是我国政府和科学工作者重点关注的领域之一[1]。水土流失造成表层土壤养分流失，降低土地生产力，严重制约农业生产。由径流所携带的泥沙在下游河道及水库淤积，影响水库安全运行。伴随径流及泥沙输出的土壤养分造成面源污染，加速水体富营养化[2]。造成水土流失的因素多种多样，水土流失发生和发展的过程也极为复杂，并且不同影响因子之间的作用既相互叠加，也有部分相互抵消[3]。但大量研究表明，小流域土地利用方式变化导致土地利用/覆盖类型、土壤理化性质等方面的改变会对地表径流和土壤侵蚀输出产生重大影响[4-5]。

三峡库区生态屏障区地质构造复杂、雨量丰沛，是我国水土流失最为严重的地区之一。在全国生态功能区划中，三峡库区被列为全国水土保持极重要区域和重要水源涵养区[6]。2000年前后，屏障区内开始大力推广退耕还林工程，并先后实施了后靠移民和库周绿化等工程，以坡耕地为主体的小流域转变为耕地、茶园、果园和林地等多种类型镶嵌格局[7]。尤其是陡坡耕地实施退耕还林后，小流域土地利用方式发生明显变化，形成不同退耕还林模式，植物种类发生改变，耕作管理和施肥等环节较以往也有很大不同，响直接影地表径流和土壤侵蚀输出[8]。

近年来库区退耕还林面积继续增大，退耕后各模式水土保持效益对库区生态环境产生重大影响[9]。为及时了解不同模式的效益变化趋势，本研究选择三峡库区兰陵溪小流域典型退耕还林模式(茶园、板栗林、柑橘园)及原有坡耕地，在自然降雨和传统耕作方式下进行径流小区对比试验，观测和分析各退耕模式地表径流与侵蚀泥沙年输出情况，并测定各模式土壤水分物理性质相关指标，比较各模式水土流失差异，探究造成差异的原因，以期为库区各退耕类型的水土保持效益评价及流域水土流失综合防治提供理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

研究地点三峡库区兰陵溪小流域(110°56′E、30°50′N)位于湖北省秭归县境内，距离三峡大坝17 km左右。流域地处中纬度地区，受亚热带大陆性季风气候影响，近50年年均降水量为991.90 mm，年际差异较大，年内降雨主要集中在5—8月份，约占全年降水量的70%[10]。流域内土壤多为花岗岩母质出露发育而成的石英砂土，保水保肥性都比较差。

兰陵溪小流域为全国退耕还林科技支撑试验示范区，地势西高东低，西部地区最高海拔达1 400 m，植被覆盖度低，岩石出露。2002年兰陵溪小流域开始实施25°以上坡耕地退耕还林工程，随后坡改梯、免耕、缓冲带等生态防护工程也陆续开始实施，退耕后海拔500 m以下的坡耕地逐步转变为茶园、板栗林、柑橘林等经济林，中部低山区(500 m以上)主要为灌木、马尾松次生林和松栎混交林等林带，植被覆盖率为72.5%。居民点主要分布于东部低山区(300～500 m)。海拔200～500 m地区主要土地利用类型为茶园、柑橘园和板栗林等，少量地块有花生、红薯和玉米等农作物间作其中，形成具区域特色的农林景观间作带。

试验期间各模式均由当地农户按照传统方式进行经营管理，坡耕地主要种植作物为红薯和玉米。

1.2 研究方法

1.2.1 径流小区布设

根据小流域内主要的土地利用方式和退耕还林后形成的植被类型，选择各退耕模式(茶园、板栗林和柑橘园)分布的代表性地段(包括位置、坡度等)，并以退耕前原有的坡耕地作为对照布设径流小区。各小区水平投影面积均为50 m2，四周用水泥板分割以阻止外界径流进入。小区的布设均以具有典型代表性和地形条件基本一致为原则。由于茶园分布广泛且位于不同坡度，加上当地农户以茶叶收入作为主要经济来源，因此增加1个茶园径流小区以保证其径流泥沙输出情况能得到真实反映。

试验开始前对各小区坡度、坡位、植被盖度等基本情况进行了调查，结果见表1。

1.2.2 样品采集与测定

本试验径流泥沙样品采集在雨季进行，观测起止时间为2015年4月至9月。降雨数据来源于小流域内设置的两个自记雨量计，试验期间总降雨量为792.4mm，期间发生降雨产流次数共计15次，基本能反映该区域2015年全年径流泥沙输出特征。每次降雨停止后记录各小区集水池内径流深度，再通过体积法换算成地表径流总量。同时将集水池中水样搅浑并收集1 L泥沙混合样装入做好标记的聚乙烯瓶，带回实验室。将泥沙混合样用烘干后的滤纸过滤，并将滤纸和泥沙一同放入85 ℃烘箱烘至恒定值，取出称量后计算各退耕模式泥沙输出量。样品收集完毕之后将各集水池清扫干净，以避免对下次取样造成干扰。

表1 径流小区基本特征

于试验开始前在各退耕模式设立20 m×20 m的样地，按照S形布设5个采样点，在每个采样点挖土壤剖面并利用环刀(容积为100 cm3)于剖面中部取原状土样，带回实验室测定土壤水分物理特征指标(孔隙度、容重等)。土壤物理性质测定按照林业行业标准LY/T 1215—1999《森林土壤水分-物理性质的测定》进行。

本研究应用Excel 2013和SPSS 19.0软件统计与分析试验数据，并利用SigmaPlot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 退耕还林模式径流输出和泥沙输出差异

2015年4—9月测定了9个坡面径流小区15次降雨的产流量和泥沙量，得到了各模式地表径流年输出量和泥沙年输出量，结果见图1、图2。

图1 不同退耕模式地表径流年输出量

注： 同一指标不同字母表示处理间在0.05的水平上差异显著，下同。

由试验数据和图1可知，相对于原有坡耕地，新的退耕模式茶园、板栗林、柑橘园年地表径流输出量明显减少，三者径流系数分别为2.66%、1.71%、2.54%，而坡耕地为2.81%。年径流输出量坡耕地最大，为181.38 m3/hm2；茶园次之，为171.74 m3/hm2；柑橘园输出量为164.16 m3/hm2；板栗林最少，只有110.71 m3/hm2。与坡耕地相比，各退耕模式地表径流输出量分别减少了5.31%、38.96%和9.49%，平均减少17.92%。经过多重比较分析，除板栗林与其他三种模式差异显著外(P<0.05)，其他模式之间并无显著差异(P>0.05)。

图2 不同退耕模式泥沙年输出量

由试验数据和图2可知，泥沙输出量大小关系与径流输出量一致，即坡耕地(1 210.77 kg/hm2)>茶园(394.79 kg/hm2)>柑橘园(343.78 kg/hm2)>板栗林(141.92 kg/hm2)。与坡耕地相比，茶园、柑橘园和板栗林泥沙年输出量分别减少了67.39%、88.28%和71.61%，三种退耕模式泥沙年输出量平均减少了75.76%。多重比较结果显示，坡耕地泥沙输出量与三种退耕模式之间具有显著差异(P<0.05)；三种退耕模式之间泥沙输出量也表现出了一定的差异，板栗林相比于茶园、柑橘园泥沙输出量显著减少(P<0.05)，茶园与柑橘园泥沙输出量差异不显著(P>0.05)。

水土流失的影响因素很多，如土地利用类型、水文气象、土壤类型、人为干扰因素等[11]。本研究所选取的茶园、坡耕地、板栗林和柑橘园在海拔、土壤类型等诸多方面相似，因此可以认为土地利用方式是影响地表径流和泥沙输出的主要因素。三种退耕模式水土流失情况明显好于坡耕地，一方面是人为管理不同所导致：耕地田间管理频繁，踩踏严重，土壤易板结，而茶园和柑橘园田间管理相对较少，板栗林人迹罕至，几乎无人为管理，土质疏松，能够吸收大量地表径流；另一方面则是植被通过林冠层、枯枝落叶层和土壤层的综合效能对地表径流和土壤侵蚀产生了影响[12]。退耕模式植被冠层或叶面截留了部分降水，降低了雨滴动能，减少了其对土壤的直接冲击；地表枯落物和土壤表层腐殖质丰富，地表径流入渗快，降雨难以将土壤颗粒剥离；植物根系也能有效增加土壤团粒的稳定性，增加地表径流渗透，减少侵蚀[13-15]。板栗林植被生长茂密，覆盖度高，枯落物层丰富，加上大量根系穿插致使土壤疏松，能吸收大量降水，有利于降雨下渗和降低地表径流流速，使板栗林产流产沙量大大减少[16]。柑橘植株相对低矮，种植密度高，茶树灌丛状密植，二者地面覆盖度高，水土流失控制效应强。坡耕地以玉米、红薯等农作物种植为主，植被盖度低，土壤结构遭到破坏且容易板结，入渗能力差，抗冲性差，地表在收获后和播种前(8月底到9月初)呈裸地状态，雨滴溅蚀和径流冲蚀增加，加剧了土壤侵蚀，这与王川、孙铁军等人的研究结论一致[17]。

与坡耕地相比，三种退耕模式产流产沙量明显减少，各退耕还林模式都具有更好的固持土壤的作用，尤其是产沙量年平均减少75.76%。

2.2 退耕还林模式土壤水分物理性质的差异

土壤容重和土壤孔隙度对土壤持水性和透水性产生直接影响，是土壤基础物理指标，能够很好地反映土壤的水源涵养功能。将试验结果综合整理，得到土壤水分物理性质汇总结果，见图3。

图3 不同退耕模式土壤水分物理性质

由试验数据和图3可知，各模式土壤容重有差异，坡耕地最高，为1.54 g/cm3，其次是茶园和柑橘园，板栗林土壤容重最低，为1.33 g/cm3。相比于坡耕地，茶园、板栗林和柑橘园土壤容重分别减少了10.39%、13.64%和11.69%，退耕模式较坡耕地平均减少11.90%。多重比较(LSD法)结果显示，三种退耕模式的土壤容重与坡耕地相比差异显著(P<0.05)，板栗林与茶园、柑橘园差异显著(P<0.05)，茶园与柑橘园之间无显著差异(P>0.05)。

不同退耕模式的土壤孔隙度变化趋势与土壤容重正好相反，退耕模式各项指标均高于坡耕地。退耕模式土壤毛管孔隙度增加量为8.07%～17.08%，非毛管孔隙度增加量为92.19%～102.08%，总孔隙度增加量为12.09%～20.99%，三种退耕模式各项指标平均增量分别为11.33%、96.53%和15.25%。非毛管孔隙度方面，三种退耕模式相对于坡耕地均有显著增加(P<0.05)，茶园与柑橘园间无显著差异，但板栗林显著大于茶园和柑橘园；毛管孔隙度及总孔隙度变化规律一致，退耕模式较坡耕地显著增加(P<0.05)，板栗林增量最大，茶园与柑橘园之间差异不显著(P>0.05)。

土壤容重和孔隙度是反映土壤结构和持水能力的重要指标，是不同土地利用类型水土保持功能差异的一种体现形式[18]。有研究表明，土壤容重小、孔隙度大更有利于土壤水分的保持和渗透，有利于减少土壤侵蚀[19-20]。退耕还林后形成的园地和林地在植被覆盖度、土壤扰动程度，以及耕作方式、种植模式方面与坡耕地都有很大差异。坡耕地由于植被盖度低，降雨时雨滴直接击打地表，土壤易于分散并快速形成表层结皮，使表层土壤容重大大增加，进而加速了地表产流，加上玉米、红薯等作物种植只需浅耕即可，底层土壤并未因翻耕而得以疏松，而表层土壤受到一定扰动导致土壤颗粒变得细小，人为踩踏后土壤通气透水性大大减弱，土壤孔隙度下降，因而容重增加[21]。而退耕模式植被生长茂密，地下根系十分发达，根系的大量生长与穿插使得土壤更为疏松，土壤孔隙度增加，容重降低[22]。板栗林土壤容重最低、孔隙度最高，且与坡耕地和茶园、柑橘园都有显著差异，这主要是因为板栗林有较厚的凋落物层及地表腐殖质层，频繁的微生物活动使土壤通透性更好，加上林地树木根系更为发达，垂直和水平分布范围更广，根系对土壤的切割作用更强[23]。

通过测定和分析，退耕还林工程实施以后兰陵溪小流域土壤质量得到了一定的恢复和改善，各退耕模式的土壤物理性质改良优势明显，增强了土壤的减流减沙效应。

3 结 论

(1)各退耕模式径流年输出量相对于坡耕地都有很大程度的减小，板栗林减小程度最为明显，各模式年输出量大小关系为板栗林<柑橘园<茶园<坡耕地，退耕模式平均径流年输出量减少17.92%。

(2)年泥沙输出量大小关系与径流输出一致，即板栗林<柑橘园<茶园<坡耕地，退耕模式对泥沙输出量的影响较径流量大。相对于坡耕地，退耕还林模式具有更好的固持土壤和减少土壤侵蚀的作用，泥沙输出平均减少75.76%。

(3)退耕还林工程实施以后土壤物理性质得到一定程度的改善，各退耕模式土壤通气透水性增强，具体表现为土壤容重减小，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度都相应增加，土壤减水减沙效应进一步增强。三种退耕模式具有较好的蓄水保土效应，不仅对减少小流域水土流失效果显著，而且能增加当地农户经济收入，提高农民生活水平。

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(责任编辑 徐素霞)

国家科技支撑计划课题(2015BAD07B04)；国家自然科学基金项目(31370481)

S157；S715.3

A

1000-0941(2017)01-0033-05

吴东(1990—)，男，湖北秭归县人，硕士研究生，主要研究方向为土地利用及其生态环境效应。

2015-11-17