退耕还林还草工程是我国新世纪实施的六大林业生态建设工程的重要组成部分。四川省地处长江上游, 于1999年率先在全国启动退耕还林(草)试点工程, 旨在防治水土流失、改善长江上游生态环境。目前关于退耕还林的报道很多, 主要涉及退耕区造林模式、退耕还林工程存在问题、建议以及三大效益如何统一等方面(徐振华等, 2003; 傅新红等, 2003; 杨时文, 2002)。但是, 退耕还林区不同植被模式对土壤入渗率影响的系统研究相对较少(袁建平等, 2001)。

本文以四川洪雅县3种退耕还林模式为研究对象, 对其土壤入渗过程进行定位观测, 探讨不同植被模式土壤入渗率的动态变化规律, 为深入研究退耕还林对地表径流和土壤侵蚀规律的影响提供理论依据, 并为该地区选择合适的退耕还林模式提供试验依据。

1 研究内容与方法 1.1 试验区概况

研究区设在四川盆地边缘山地的洪雅县境内, 102° 49′—103° 47′ E, 29° 24′—30° 01′ N。境内地势从东北向西南逐渐抬升。属中亚热带湿润性山地气候, 平均日照大于1 000 h, 年均温14 ~ 16 ℃, 年降水量1 300 ~ 2 000 mm, 全年无霜期304 d。该区地带性土壤为黄壤, 主要分布土壤有冲积土、黄壤和紫色土。

该区土壤侵蚀较为严重。据洪雅县土壤站调查结果, 属强度侵蚀的土地占全县土地面积的7.2 %, 中强度侵蚀占68.3 %, 轻度侵蚀占24.6 %。基于这种现状, 洪雅县于2000年启动退耕还林(草)工程。为兼顾生态效益和经济效益, 该区主要退耕还林模式有林-草、竹-草2种模式, 并以农耕地作为对照。本研究选择建有20 m ×5 m坡面的人工径流场。模式Ⅰ——苦竹(Arundinaria amara)+牛鞭草(Hemarthria compressa):苦竹于2000年栽植, 目前的郁闭度0.6, 平均胸径0.9 cm, 平均高2.5 m, 枯落物覆盖率达40 %。随着苦竹郁闭度增加, 牛鞭草长势减弱, 全年未进行刈割。模式Ⅱ——撑绿杂交竹(Bambusa pervariabilis × Dendrocalamopsis oldhami)+牛鞭草:撑绿杂交竹于2000年栽植, 目前, 杂交竹郁闭度0.4, 平均胸径3.0 cm, 平均高8.5 m, 牛鞭草2003年4月上旬刈割了1次。对照——农耕地:采用传统轮作方式, 顺坡种植玉米和蔬菜。

1.2 研究内容与方法

1) 布置定位研究点与土壤入渗过程测定  分别在径流场内选择具有代表性的地块作为定位研究点。将直径为20 cm的渗透筒置于定位点中央, 垂直打入地下10.6 cm。在安装渗透筒时, 尽可能使土体与筒密合, 以防止水分沿筒壁渗漏损失。渗透筒安装好后, 在周围筑一直径约40 cm的圆形土埂, 土埂高约30 cm, 顶宽20 cm, 并捣实。筒内为试验区, 外部为保护区。为了使表土不受水流冲刷, 用杂草将筒内外灌水处保护起来。

安好渗透筒后, 对该研究点进行定位研究, 定位观测该点土壤的入渗速率随时间的变化情况。试验期间, 在植被生长旺盛季节(4 —9月), 土壤入渗过程每月中旬测定1次; 在植被生长相对缓慢季节(10月—次年3月), 每3个月测定1次。定位研究从2003年8月开始, 本文以2003年8月至2004年7月的观测数据进行分析。

2) 土壤物理性质测定  每次测定土壤入渗过程前, 在定位研究点附近采土样。因试验设置在野外, 离实验室距离较远, 为避免土壤水分的蒸发, 故采用酒精燃烧法测定自然含水量。在定位研究开始和定位研究结束(阶段性结束)时, 分别在径流场内挖掘土壤剖面, 在0 ~ 20 cm土层中取土样, 3次重复。采用环刀法测定土壤密度、最大持水量、毛管持水量, 然后换算出土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度及总孔隙度。

2 结果与分析 2.1 3种植被模式土壤入渗过程与时间关系的数学模拟

通过对模式Ⅰ、模式Ⅱ及农耕地土壤入渗过程分析得出, 3种植被模式土壤入渗速率随时间存在相似的变化规律, 即随着入渗时间t的增加, 入渗率逐渐变小, 最终趋于相对稳定状态。但是由于土壤和植被类型繁多, 时空变异度大, 因此, 描述这一过程的模型不尽相同(张启昌等, 1993; 吴长文等, 1995)。

本文分别采用V=Ae^t +B、V =Aln t +B及V=At^a +B等经验公式对模式Ⅰ、模式Ⅱ及农耕地土壤入渗率(V)与入渗时间(t)进行拟合。根据相关系数的大小, 采用经验公式V =Alnt +B(A、B为常数)拟合该区3种植被模式土壤入渗率随时间变化的过程, 效果更佳, 拟合结果见表 1。当t =1时, 经验公式V =Alnt +B中B值与实测数据比较接近, 因此, 方程中B值可视作土壤初渗率。

从表 1可看出, 模式Ⅰ、模式Ⅱ土壤入渗率与入渗时间的相关性高于农耕地, 即V =Alnt +B能够很好地反映模式Ⅰ、模式Ⅱ土壤入渗率随时间而变化的规律。因此, 可用该模型对模式Ⅰ和模式Ⅱ土壤入渗过程进行分析及预测。但是, 利用经验模型V =Aln t +B难以模拟农耕地9月和次年4、5月的土壤入渗过程。这是因为式V =Alnt +B中t的系数为固定常数, 难以与农耕地在频繁扰动条件下的土壤入渗过程吻合, 尤其在地表扰动大、频率高的情况下, 利用经验模型V =Aln t +B模拟土壤入渗过程, 效果更差。

2.2 3种植被模式土壤入渗性能季节变化及其分析

土壤入渗性能是评价林地水分调节能力的重要指标之一, 主要通过土壤初渗率和稳渗率(相对稳定阶段的土壤平均入渗率)表征(张洪江等, 1995; Ghidyal et al., 1987)。在水土流失治理区, 土壤入渗率不仅受土壤孔隙状况的影响, 而且与该区植被类型及其生长状况密切有关。因此, 即使同一立地条件, 土壤入渗率也会存在季节性或非周期性的变化(高人等, 2002)。

本文以测试月份为X轴, 以入渗率为Y轴, 表层土壤自然含水量为次Y轴, 分别将模式Ⅰ、模式Ⅱ及农耕地土壤入渗率(初渗率和稳渗率)和土壤自然含水量绘制成图, 见图 1A、B、C。

从图 1A可知, 模式Ⅰ土壤初渗率、稳渗率随时间的推移逐渐增加, 其中, 稳渗率增幅较大, 初渗率次之。土壤初渗率大小与土壤自然含水量之间相关性很小(相关系数为0.004), 无论土壤自然含水量是否增加, 土壤初渗率都在增加。这是因为:苦竹竹鞭在土壤中(15 ~ 20 cm)横向快速生长, 通过竹鞭的挤压、分割作用, 使得表土总孔隙度从49.71 %提高到54.16 %, 非毛管孔隙度提高24.1 %; 土壤有机质含量从1.72 %增加到1.83 %, 表土密度下降12.9 %; 地表枯落物从1 cm左右增加5 cm左右, 有效地防止了表土结皮的发生。所以模式Ⅰ土壤初渗率和稳渗率增加。

从图 1B可知, 模式Ⅱ土壤初渗率与土壤自然含水量之间成反相关关系(相关系数为0.62), 土壤稳渗率呈现减小趋势。这主要是因为撑绿杂交竹属丛生生长, 在短期内, 其根系难以改变大范围内的土壤状况(表土密度提高2.1 %), 因此, 短期内土壤初渗率主要由表土自然含水量决定。在试验过程中, 撑绿杂交竹林下牛鞭草长势锐减, 表土缺乏有效保护, 林冠产生的第2次降雨直接打击地表, 致使表土总孔隙度从50.14 %减少到49.82 %, 非毛管孔隙度从12.7 %减少到6.7 %, 故该模式土壤稳渗率有减小趋势。

从图 1C可知, 从8月到次年7月, 土壤稳渗率呈增加趋势。从8月到9月, 对照土壤初渗率明显降低; 从9月到次年7月土壤初渗率逐渐增加。这是因为8月下旬农耕地翻耕倒茬(种植油菜), 在种植初期表土缺乏覆盖, 遇到降雨表土形成结皮, 阻碍水分入渗, 故9月土壤初渗率明显下降。但是, 随着时间的推移, 油菜和杂草的生长逐渐打破地表结皮同时又增加地表覆盖, 致使土壤初渗率、稳渗率逐渐增加。

2.3 3种植被模式土壤入渗性能比较

为避免土壤质地对土壤入渗性能的影响, 本文将入渗率的变化程度和变异系数结合起来分析不同植被模式对土壤入渗性能的影响, 结果见表 2和表 3。

从土壤初渗率变化(表 2)来看, 不同植被模式土壤初渗率有明显区别。模式Ⅰ土壤初渗率高于农耕地, 农耕地初渗率高于模式Ⅱ。从8月到次年7月, 模式Ⅰ土壤初渗率持续增加, 土壤初渗率提高了156.46 %; 农耕地土壤入渗率先减后增, 其中8月土壤初渗率最大; 而模式Ⅱ土壤初渗率基本呈减小趋势。从8月到次年7月, 模式Ⅱ和农耕地土壤初渗率分别减小了59.48 %和14.58 %。这说明不同植被模式对土壤初渗率的作用不同。

从不同植被模式土壤稳渗率变异情况(表 3)来看, 模式Ⅱ和模式Ⅰ土壤稳渗率变异系数高于农耕地, 以模式Ⅰ土壤稳渗率变异系数最大, 且该模式稳渗率呈增加趋势, 说明模式Ⅰ对土壤的改良作用优于模式Ⅱ和农耕地。虽然模式Ⅱ的变异系数比对照区大, 但是因为模式Ⅱ地表缺乏有效覆盖且表层土壤基本不受撑绿杂交竹根系的影响, 其稳渗率明显低于农耕地。

2003年8月至2004年7月土壤入渗率变化(表 2、3)初步表明: 3种植被模式对土壤入渗性能的作用不同。苦竹+牛鞭草(模式Ⅰ)对土壤入渗性能的改良作用较大, 对照居中(可能与施肥、翻耕有关), 在模式Ⅱ中, 由于牛鞭草长势差, 林下凋落物少且表土基本不受撑绿杂交竹根系的影响, 因此该模式对土壤入渗性能的作用直到目前还不明显。

3 小结

根据3种植被模式土壤入渗性能的阶段性研究表明:模式Ⅰ、模式Ⅱ及农耕地土壤入渗率与入渗时间之间存在对数函数相关关系。苦竹+牛鞭草(模式Ⅰ)、撑绿杂交竹+牛鞭草(模式Ⅱ)及农耕地(对照)土壤入渗率随着时间的推移呈现不同的变化规律, 其中, 苦竹+牛鞭草模式土壤入渗率呈现增加趋势, 撑绿杂交竹+牛鞭草模式土壤入渗率季节变化与土壤自然含水量及地表覆盖密切相关, 对照土壤入渗率有增加趋势。通过对比得出, 苦竹+牛鞭草(模式Ⅰ)的土壤入渗性能优于撑绿杂交竹+牛鞭草模式及农耕地, 且该模式对土壤入渗性能的改良作用较明显。这说明在相同降雨条件下, 苦竹+牛鞭草模式土壤能有效地削弱地表径流, 减少地表水土流失。