辽宁东部山区是辽宁中部城市群的天然绿色屏障及主要水源地，森林生态功能的强与弱直接关系到辽宁中部城市群发展的现在和未来(张廷福等, 1990；韩麟凤等，1982)。由于对森林的持续破坏及生态环境问题的日益突出(谭学仁等，2008)，2002年辽宁东部山区亦被规划在重点退耕还林工程范围之内，截止2008年末已实现退耕还林面积8.4万hm²。

退耕还林的生态功能恢复效益无庸置疑(侯扶江等，2002；万雪琴等，2005；曾辉等, 2007；王珠娜等，2007)。然而，退耕后采用怎样的恢复模式才能最大限度的发挥其生态效益？如何科学量化现有退耕还林成果？为配合工程需要，从2003年春起，历时6年(2003—2008年)开展了辽东山地不同退耕还林(还草)模式植被恢复及生态效果的监测与研究工作。分析不同退耕还林(还草)模式下的功能自然演替过程，探讨目前几种主要退耕还林模式的生态效益，为下一阶段有针对性的管理提供理论依据。

1 研究区域概况与研究方法 1.1 监测场设置与概况

监测场设置于具有典型性的辽东山区腹地的本溪县草河口境内，监测区规划面积1.33 hm²，曾历经20余年耕作，于2002年退耕还林，平均坡度35^o，北偏东坡向，土层厚度40~80 cm，A层土为黄色棕壤，B层为黄僵土。

2003年4月在监测区内，用铁刺线圈定2 700 m²封闭式观测试验区，试验区内设4组观测场，分别为：退耕还乔木模式区(下称乔木模式)、退耕还乔灌木混交模式区(下称乔灌模式)、退耕后不施加任何人为措施依靠天然恢复模式(下称自然模式)、不执行退耕仍采用传统方法继续耕作区(下称对照)。每小区内顺山坡方向分别设置径流观测场3个(3次重复)。径流观测场形状如倒塔型(横边长4 m，竖边长5 m，斜边长3 m)。边框用厚1.5 cm、宽40 cm木板经油毡纸包裹后埋入土中，地上部分高于地面20 cm，面积为22.231 m²，下端设截流器。在观测场设置的同时，在规划的乔木模式内采用常规造林方法1.5 m×1.5 m密度栽植日本落叶松(Larix kaempferi)；在乔灌模式内依上述造林方法栽植日本落叶松，株距间又栽植紫穗槐(Amorpha fruticosa)。

1.2 监测及调查方法

每年的7月下旬和10月中旬分别对监测场内的植被进行系统调查，测定方法及因子为：在不同退耕模式监测场内随机抽取3个1 m×1 m样方分别记录单位面积上的植物种类、株数、株高、盖度，并将样方内所有植株全部仔细挖出，测定各种类植物根冠、根长，分地上、地下称鲜质量后置80 ℃烘箱内烘至恒质量，以求单位面积生物量。乔灌木生物量测定则采用求测出平均木后将整株挖出，分根、干、枝、叶称取鲜质量后分别烘干至恒质量。每次测定样木数不少于3株。

地表径流量测定：每年的4—10月末，凡有地表径流产生均随即测定。泥沙流失量测定则利用滤纸将泥沙滤出后烘干称量。

土壤物理变动过程测定：在监测场设置之初做首次测定后，每2年同一时期测定一次。测定内容为:枯落物层(A₀层)厚、单位面积质量(g·m^-2)；A，B层土壤密度及相关物理指标；A, B层土10 ℃水渗透系数等。其具体操作皆依照GB 78357838-87进行(国家标准局, 1998)。

微小动物种群变动过程测定：每年10月中旬分别在每监测小区内随机抽取1 m×1 m小样方3个，测定距地表以上植株上所存在的昆虫或其他微小动物的种类和数量。结冻前的11月中旬，在相同位置从地表起仔细挖取地下0.5 m深度土壤，检测每监测区土藏越冬的昆虫及其他微小动物种类、数量(林英华等, 2006)。

所有涉及到的气象资料，皆来源于距观测场直线距离约500 m的本溪县草河口气象观测站(国家气象观测二级站)。

1.3 数据分析方法

重要值：P_i=(D_i+C_i)/2，其中，相对密度D_i=100×N_i/N，N_i为物种i的个体数量，N为植物的总种数；相对基盖度C_i=100×A_i/A，A_i是物种i的根径面积，A是所有植物根径面积的和。

群落多样性指标选用物种丰富度、物种均匀度和物种多样性3类指标表示。

物种丰富度指数，指群落内物种数，用S表示。

α多样性，用Simpson指数D和Shannon-Wiener指数H′表示，，其中P_i为重要值。

物种均匀度，用Pielou均匀度指数E表示，E= H′/H_max，其中H_max=lnS。

2 结果与分析 2.1 植被恢复动态过程分析

在不同的退耕模式监测场内，除对照外，3种恢复模式均在退耕当年草本层完全覆盖地表。发生物种更替现象较为剧烈的时间从3年后开始出现，从表 1中可见，多年生草本或半木质化蒿类植物逐渐占据重要值主导地位。

由于更换耕作种类(倒茬)的原因，对照内每年所产生的杂草种类亦各不尽相同，但在更替的杂草种类中又以马唐(Digitaria sanguinalis)、桃叶蓼(Polygonum persicaria)、鸭跖草(Commelina communis)、野稗(Echinochloa crusgalli)等1年生草本植物反复更替，总体上看，5年间无大变动。

乔木、乔灌混交模式下建群种的日本落叶松和紫穗槐均采用人工栽植，2005年前由于植株尚小，在几个指标中均未显示出重要性。乔木模式下2008年时开始形成落叶松幼林植被群落，平均地径4.6 cm，平均高2.92 m，郁闭度0.8，草本植被群落由2003年的24种演变为以半木质化的蒿类[牡蒿(Artemisia japonica)]和株体高大的多年生宿根草本植物菊科[兴安一枝黄花(Solidago viraaurea)]植物为主的7个种类。乔灌模式下由紫穗槐与落叶松同等占据上层空间，郁闭度达到了0.85，草本植被层物种量及盖度急骤下降，2008年秋已由2003年的20种减少为以耐荫的野青茅(Calamagrostis arundinacea)和蓬垒悬钩子(Rubus crataegifclius)等为主的4种。自然模式由于未施加任何人为干预，与其他模式相比植被群落处于相对平稳状态。2003年优势种为多年生植物野青茅和华北剪股颖(Agrostis clavata), 2004年变化为1年生植物马唐和多年生植物野青茅共居的优势种群，2005年种类有所增加达到19种，至2008年秋，优势种已全部演变为多年生草本植物或半木质化的蒿类，并伴有灌木和山杨(Populus davidiana)等物种定居。

依照Raunkiaer生活型分类系统(李景文，1994)将不同退耕模式下植物群落发育进行生活型排序，力图从另一侧面反映出在同一水平条件下由于植被恢复的路径不同所引起的种类更叠过程(表 2)，以及由1年生草本→多年生草本→半木质化→木质化植物的正向演替初始阶段“时刻表”。

从表 2可以看出，3种恢复模式均呈从1年生草本植物逐渐向多年生草本或半木质化的蒿类植物变动，并有一定的规律：一般4年后，1年生草本植物基本退出，高位、低位、地下芽植物几乎占据所有地上或地下空间，并呈暂时相对稳定时间；同时人工恢复的2种模式则由于落叶松等林木速生期的到来, 草本和半木质的蒿类所占据的空间量又呈开始减少趋势；对照由于连年耕作，1年生草本植物(含农作物)仍100%占据地上所有空间。

2.2 不同退耕模式植被群落多样性变动规律

从群落多样性来看(图 1)，丰富度指数在6年中历经了由低到高再趋向于低的过程；Shannon-Wiener指数值各模式中均趋向于逐年减少；均匀度指数除对照外均趋向衡定。在Simpson指数中尤其对照波动性较大，可以看出由于中耕等作业因素所导致的物种量相对单一。

2.3 不同退耕模式植被群落生物量构成的动态过程

单位面积生物量高低及构成是植被群落稳定与生态环境要素优劣的标示性指标。历经6年的不间断测定，定量对不同退耕还林模式进行单位面积(m²)上植被系统演变过程进行跟踪，结果见表 3。

对植被个体生物量构成的分析，可得到如下信息：依靠自然恢复的力量，虽也可获得由1年生草本→多年生草本→灌木植物开始占据一定空间的过程(2008年达到17.6%), 但与其他2种方式相比，若木本植物生物产量达到50%以上，按现演替的进程推算至少还需3年以后。人工措施促进恢复的速度是十分显著的，6年后基本完成地上地下立体空间的固定，森林生态环境的多项指标已基本形成。仅地上部分林木所占生物量比重而言，乔灌模式为96.4%，乔木模式为72.2%，与自然模式比，至少提前5年时间(表 3)。

枯落物的有效积累以及植被地下部根系质量的高低，直接关系到固土蓄水能力，从3种恢复模式看(图 2)，枯落物积累量在初5年内相差不大，但5年后尤其乔灌模式的量基本达到了另2种模式的2倍。

木本根系在林地中的分布状及演变过程，可以采用不同模式下木本植物不同年度的生物量来说明。采用人工方式栽植的起初几年，根系的生长量几乎呈倍量增加，当达到一定量后(约4年)增加速度变缓，8年后林地已完全被木本根系所覆盖，乔灌模式根系占有量为2 679.2 g·m^-2, 乔木模式为1 401.2 g·m^-2(表 4)。就坡度很大的山地而言，由原草本根系为主渐进以木本根系为主的土壤固着系统，对土壤抗侵蚀能力应该认为是一质量上的进步(范昊明等，2006；焦菊英等，2008)。

乔灌模式庞大而稳定的土壤固着系统，加之枯落物对径流速度的减缓，构成了地表径流总量及土壤侵蚀量降低(与对照比)的重要因素。

2.4 不同退耕模式对地表径流及土壤物理作用分析 2.4.1 不同退耕模式对地表径流调控演变过程

将每年各模式下每次产生径流的降雨量及对应的地表径流量和泥沙量数据统计后，径流系数依A=X_i/Y式求得，其中A为径流系数，Y为降雨量，X_i为径流量。

6年间，对照泥沙流失量总和411.5 g·m^-2；乔木模式8.0 g·m^-2；乔灌模式0.65 g·m^-2；自然模式为0.16 g·m^-2；差别可谓巨大。在表 5的数据中，自然恢复区固土的能力最高，从封后第2年土壤流失量为0，且径流系数值亦最早进入最佳状态。在观测数据中明显地表现出：退耕还林后由于植被系统的逐渐完善，对地表径流量的调节能力也是一个渐进过程(表 6)。

仅从蓄水能力的角度看，乔木模式与乔灌模式均高于自然模式并呈逐渐增强的趋势。

6年来，每次能产生径流的有效降雨(Y)与所测得地表径流量(X)的呈以下关系：

2.4.2 不同退耕模式对主要土壤物理指标的影响

随着退耕还林后年度的增加，林地(耕地)土壤物理指标是一不间断的变化值。土壤物种多样性、土壤肥力以及通透性等质量指标的变动，更是人们对实施退耕还林后的林地土壤所应当关注的。

从观测场设置以来，每间隔2年进行1次土壤密度和土壤渗透性指标观测。其中土壤密度采用环刀法分别测定A，B 2层土样，渗透系数则将各小区A，B 2层土样带回室内10 ℃水条件测试，均设3次重复。结果经统计平均后列于表 7。通过对数据的分析，大致反应出了如下几个方面的信息：土壤密度值包括对照，尤其A层土都有逐年减少趋势，将A, B 2层土样所获数据综合与对照比，3种模式的减少数值明显高于对照，尤其乔灌模式比对照减少0.225，自然模式减少0.315，而乔木模式的值与对照持平。这种量值的变化实质上是退耕还林后土壤物理性状逐年趋向良性化，由于蓄水和抗侵蚀能力的增强，从另一侧面解释了不同恢复模式地表径流量上的不同(表 6)。

渗透系数标定其对土壤改良的进程更为显著，综合3种退耕模式A, B 2层土样的变动值，6年间，其渗透系数值平均增加2.49 mm·min^-1，与对照比提高2.3 mm·min^-1；土壤密度相对值的渐小与土壤渗透系数相对值的渐大，也从一个侧面有力地解释地表径流量与泥沙流失量消减的原因。

2.5 不同退耕模式微小动物种群变动

由农田生态系统转变为森林生态系统决非仅是一项植被种类与地表径流强度的数量转变，换言之，森林生态系统的内涵和所涉及的范围与农田生态比不但相对复杂且学科多样。了解不同退耕还林(草)模式条件下微小动物(尤其昆虫)种群的消涨动态，也可以作为诠释不同模式条件下物种多样性及生态环境优劣的一项重要指标。各年度持续调查数据整理后列表 8。

虽历经了3次检测，仍可看出数据的变动幅度是比较大的。从物种多样性角度看, 乔木模式和乔灌模式的种类呈简单到复杂再到相对简单的过程，但从食性方面看, 食肉类昆虫猎蝽(Reduviidae)数在增加，这从一个侧面表现幼林抗逆性的自我调节能力在逐渐增强。自然恢复模式则表现出持续平稳状态，也由于植被多样性和生物产量的逐渐增多，随之食草类昆虫如蝗虫(Acrididae)等的物种及数量亦呈增加趋势。最值得一提的是对照，从总体数量上看, 它不但受农作物种类的改变而改变, 而且受农作物生长势的强弱而左右，如3年的寄主分别为玉米(Zea mays)、大豆(Glycine max)、玉米，大豆年的寄生物总量为401头·m^-3，其中蚜虫(Aphididae)占总量的80%; 2个玉米年的合计总量为297头·m^-3，而蚜虫则占总量的71%左右。这种单一物种的绝对优势，不同程度地表明了寄主与寄生物之间非生态平衡的一种状态。与还林模式相比，无论从物种多样性角度还是从食物链构成上分析，均形成了较大反差。

在地表封冻前的11月初，分别于2003，2005，2007年3年再次在每小区进行地下微小动物种类及数量调查，结果列表 9。

经过对表 9所获数据的分析可得出:地下越冬微小动物(尤其昆虫)的年度消涨变化规律基本与地上部调查的结果相类似，均呈2003和2007年高而2005年低的“马鞍形”波动；从物种多样性角度看，虽不及地上部表现的那么明显，其趋势与地上部秋季的调查结果基本相同。

3 结论

1) 植被恢复的速度与质量是决定退耕还林工程质量的重要标准，对几种恢复模式的生态效果等多因素分析认为推广的顺序应为乔灌混交模式、乔木纯林模式、自然恢复模式。

2) 辽东山区退耕还林(草)后，自然恢复3年后即可获得固土蓄水的效果，进入最佳期为第4~5年，并在6年后至少有30%以上地表可以达到被木质化的灌木和乔木幼树所覆盖。其余2种恢复模式虽初始阶段的生态防控能力较低，但5~6年后，综合能力明显增强且成立体，郁闭度可达到0.6~0.8，地下木质化根系可占据植被根系总量的95%以上。

3) 在同一立地条件下，6年来若以对照径流量和泥沙流失量为100%，则乔木模式分别为11.9%, 1.95%；乔灌模式为14.49%，0.15%；自然模式为10.65%，0.04%。

4) 在对各模式内微小动物种群(尤其昆虫类)的长期观测过程中发现，乔灌模式和乔木模式变化巨大，无论从物种多样性还是长寿性的多个角度分析，均具备森林生态系统的广义特征，食物链基本形成，明显优于对照和自然模式。