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  中国水土保持科学   2024, Vol. 22 Issue (6): 96-105.  DOI: 10.16843/j.sswc.2022009
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引用本文 

李华, 郑路, 吴思达, 陈琳, 李朝英, 明安刚, 闵惠琳, 郝建. 不同抚育方式对人工幼林地水土流失的影响[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(6): 96-105. DOI: 10.16843/j.sswc.2022009.
LI Hua, ZHENG Lu, WU Sida, CHEN Lin, LI Chaoying, MING Angang, MIN Huilin, HAO Jian. Effects of different tending techniques on the soil erosion and water loss in young plantations[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(6): 96-105. DOI: 10.16843/j.sswc.2022009.

项目名称

国家自然科学基金面上项目"近自然化改造提高松杉人工林土壤有机碳的作用机制"(32071764);政府间国际科技创新合作专项"森林生态系统韧性与质量提升技术模式"(2023YFE0105100-4);广西林业科技推广示范项目"广西松杉人工林近自然化改造与多功能提升关键技术研究与示范"(2024GXLK06);广西创新驱动发展专项资金项目"杉木人工林生态功能监测与增效研究"(桂AA17204087-8);中国林业科学研究院热带林业实验中心科学基金项目"割灌-块状抚育对人工幼林水土流失的抑制机理"(RL-2015-05)

第一作者简介

李华(1978-), 女, 博士, 高级工程师。主要研究方向: 森林土壤和生态水文。E-mail: 710842076@qq.com

通信作者简介

郑路(1968-), 男, 博士, 高级工程师。主要研究方向: 森林生态和生态水文。E-mail: zhengluli@163.com

文章历史

收稿日期：2022-01-12
修回日期：2024-05-30
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
不同抚育方式对人工幼林地水土流失的影响
李华 1,2, 郑路 1,2, 吴思达 1, 陈琳 1,2, 李朝英 1, 明安刚 1,2, 闵惠琳 1,2, 郝建 1     
1. 中国林业科学研究院热带林业实验中心, 532600, 广西凭祥;
2. 广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站, 崇左凭祥友谊关森林生态系统广西野外科学观测研究站, 532600, 广西凭祥
收稿日期：2022-01-12; 修回日期：2024-05-30
项目名称：国家自然科学基金面上项目"近自然化改造提高松杉人工林土壤有机碳的作用机制"(32071764);政府间国际科技创新合作专项"森林生态系统韧性与质量提升技术模式"(2023YFE0105100-4);广西林业科技推广示范项目"广西松杉人工林近自然化改造与多功能提升关键技术研究与示范"(2024GXLK06);广西创新驱动发展专项资金项目"杉木人工林生态功能监测与增效研究"(桂AA17204087-8);中国林业科学研究院热带林业实验中心科学基金项目"割灌-块状抚育对人工幼林水土流失的抑制机理"(RL-2015-05)
第一作者简介：李华(1978-), 女, 博士, 高级工程师。主要研究方向: 森林土壤和生态水文。E-mail: 710842076@qq.com
通信作者简介：郑路(1968-), 男, 博士, 高级工程师。主要研究方向: 森林生态和生态水文。E-mail: zhengluli@163.com
摘要：人工林皆伐炼山后林地水土流失严重, 通过对不同抚育方式下人工幼林地水土流失的研究, 为当地人工林的科学经营和生态管理提供依据。在广西南部马尾松采伐迹地炼山后, 基于连续3a的径流小区观测数据, 对比研究割灌抚育和铲草抚育对林地水土流失的影响。结果表明: 1)炼山后、在林地水土流失最为严重的前2年, 割灌抚育年径流量分别是铲草抚育的65.4%和64.5%, 年泥沙流失量分别是铲草抚育的46.9%和37.2%, 降雨量、降雨强度大的月份, 割灌抚育对水土流失的降低作用更为明显或显著(P＜0.05), 在炼山后的第3年、割灌抚育依然能显著降低抚育当月和全年的水土流失量; 2)割灌抚育提高发生地表径流的最小降雨量, 且随日降雨量的增加, 水土流失量的增加幅度明显小于铲草抚育的。人工林皆伐炼山后, 可通过抚育方式的改变来减少水土流失。
关键词：降雨特征    抚育方式    水土流失    炼山    广西南部    
Effects of different tending techniques on the soil erosion and water loss in young plantations
LI Hua 1,2, ZHENG Lu 1,2, WU Sida 1, CHEN Lin 1,2, LI Chaoying 1, MING Angang 1,2, MIN Huilin 1,2, HAO Jian 1     
1. Experimental Center of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, 532600, Pingxiang, Guangxi, China;
2. Guangxi Youyiguan Forest Ecosystem National Observation and Research Station, Youyiguan Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi, 532600, Pingxiang, Guangxi, China
Abstract: [Background] Soil erosion and water loss in the forest land after clear-cutting and control burning were serious, and it is the limiting factor of sustainable management of plantations. The young forest tending is one of the important measures of plantation management, which can promote the growth of young trees and accelerate the closure of young forest. Different tending techniques have different disturbance degrees to soil, can they effectively reduce soil and water loss in forest land? In this paper, the effects of different tending techniques on the soil erosion and water loss in young plantations after control burning were analyzed. [Methods] Two kinds of tending techniques (brush breaking tending and overall tending) were considered in a control burning site of 30-year-old Pinus massoniana plantation in southern Guangxi. Based on the fixed position observation of the 3 runoff plots of each tending techniques, the soil erosion and water loss were measured from 2018 to 2020. We compared the soil erosion and water loss, and analyzed the relationship between rainfall and runoff depth and sediment loss of the two different tending techniques. [Results] 1) In the first two years after control burning in which the soil erosion and water loss was serious occurred, the annual volume of runoff of brush breaking tending plots were 65.4% and 64.5% of overall tending plots, respectively. The annual amount of sediment loss of brush breaking tending plots were 46.9% and 37.2% of overall tending plots, respectively. In rainy months, the soil erosion and water loss were more obvious or significant lower in the brush breaking tending plots than in the overall tending plots (P < 0.05). In the third year after control burning, the brush breaking tending plots still significantly reduced the soil erosion and water loss in tending months and the whole year. 2) Brush breaking tending treatment increased the minimum rainfall for surface runoff. With the increase of daily rainfall amount, the soil erosion and water loss were significantly lower in the brush breaking tending plots than in the overall tending plots. [Conclusions] In the clear-cutting and control burning site of southern Guangxi, it is effective to prevent soil erosion and water loss by changing tending techniques.
Keywords: rainfall characteristics    tending techniques    soil erosion and water loss    control burning    southern Guangxi    

炼山是指人为控制下在指定地点安全用火，清理造林地上采伐剩余物和地被物的一种林地清理方式，是人工林造林的第一道工序，在我国已应用千余年。但随着研究的深入，发现炼山不仅会造成林地有机质和养分烧失，还会引起严重的水土肥流失，甚至导致人工林生产力下降[1-3]。但炼山能迅速清理林地，保证大片林地适时栽植，并使整地、栽植、幼林抚育较易实施；同时能降低螨类等虫、病危害，尤其对于病虫害严重的林地来说，炼山是切断其食物和寄主的重要手段。因此，对尚不能放弃炼山清理迹地的林地，当务之急是根据实际情况，建立一套与炼山制度相配套的营林技术体系[2, 4]，使其既能有效降低林地水土流失，又不会显著抑制幼树生长和增加经济投入。

幼林抚育是指从造林到幼林郁蔽这一时期所进行的抚育措施，其对幼林的生长和加速郁闭有重要作用。这也是以往幼林抚育技术好坏的评判标准[5-6]。由于南方林区山高坡度、地势复杂、交通不便，长久以来幼林抚育几乎全部依靠锄头、砍刀等工具进行。当前营林上依然普遍采用全面铲草松土的抚育方式(简称铲草抚育)，每年进行2~3次，但因抚育的时间均在雨季，除草松土后林地表面土壤松散，抗蚀能力下降，如遇大雨或暴雨必然产生超渗径流或蓄满产流，大量土壤颗粒随径流搬运，造成严重的水土流失[1, 7]。马祥庆等[8]对抚育方式下杉木人工林生态系统的研究发现：随抚育破土面积的增大，林地水土流失增加，表层土壤砂质化愈明显，养分含量下降；而且认为抚育方式是影响杉木人工林长期生产力维持的重要人为因子。

笔者以广西南部马尾松林皆伐、炼山后的林地为研究对象，选用更省时、省力且在南方林地可广泛使用的背负式割灌机来割除灌草，其对林地土壤表层无破坏(简称割灌抚育)。基于野外原位径流小区，通过对比试验，系统的研究割灌抚育和铲草抚育这2种抚育方式下的水土流失规律，以期为当地人工林的科学经营和生态管理提供理论参考。

1 试验地概况与样地布设

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E 106°48′12″、N 22°05′00″，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。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。

样地面积3.5 hm2，皆伐前为30 a生马尾松(Pinus massoniana)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。林地0~50 cm土层土壤理化性质为：密度1.2 g/cm3，总孔隙度52.7%，毛管孔隙度46.7%，非毛管孔隙度6.1%，pH值4.2，有机质18.0 g/kg，全氮1.3 g/kg，全磷0.2 g/kg，全钾13.5 g/kg，碱解氮97.6 mg/kg，有效磷0.7 mg/kg，速效钾45.9 mg/kg。

2017年12月初炼山，2018年1月营建杉木(Cunninghamia lanceolata)×红锥(Castanopsis hystrix)混交林，造林密度为3 000株/hm2，其中红锥为105丛/hm2，每丛9株。杉木为当年苗(苗高20~30 cm)，穴规格为40 cm×40 cm×30 cm(长×宽×深)；红锥为2年苗(苗高70~90 cm)，穴规格为50 cm×50 cm×40 cm。

沿着山体走向，选坡度较为一致的核心区域，设置3个试验区组，每个区组有2个面积为30 m×30 m的样方，随机布设割灌抚育或铲草抚育。其中割灌抚育是指：用背负式割灌机将林地杂草、灌木等离地面约10 cm处割倒，割倒的灌草自然倒于地表，林地土壤表层无扰动；铲草抚育是指：全面松土除草，不仅翻动表层土壤(深约5 cm)，还将灌草连根挖出并翻晒于地面(是当地常规抚育方式)。

具体抚育时间为(同一区组同一天抚育)：2018年和2020年均是5月初和9月初，2019年是4月初和8月初；每次抚育时林地以草本植物为主，零星分布有灌木。其中灌木种类主要有盐肤木(Rhus chinensis)、山乌桕(Sapium discolor)、越南悬钩子(Rubus cochinchinensis)、野牡丹(Melastoma candidum)等；草本种类主要有蔓生莠竹(Microstegium vagans)、五节芒(Miscanthus floridulus)、粽叶芦(Thysanolaena maxima)、飞机草(Eupatorium odoratum)等。各处理抚育时灌草生物量和抚育后灌草覆盖地面的平均厚度见表 1，幼树生长情况见表 2。

表 1 不同抚育方式下的灌草生物量 Tab. 1 Biomasses of shrubs and herbs under different tending techniques
表 2 不同抚育方式下幼树生长情况 Tab. 2 Growth of young trees under different tending techniques
2 材料与方法 2.1 降雨量的观测

在样地附近的空旷地上，距地面1 m处安装自记翻斗雨量仪(TE525MM，Campbell，USA，分辨率0.2 mm)进行观测，使用U A- 00 3- 64(Campbell，USA)传感仪实时记录数据。

2.2 径流小区的设置

根据样方状况，选择坡向、海拔和坡度接近的直线形地段，在每个样方内建立1个径流小区，相邻2个径流小区的距离为20~45 m，表 3为径流小区基本信息。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，所用材料和方法见文献[9]。径流区的水平投影面积为5 m(宽)×20 m(长)，集水区带盖(确保地表径流量仅来自径流区)，接水桶为直径84.0 cm、高100.0 cm的带盖圆柱形桶，桶底部开有排水孔。

表 3 径流小区基本信息 Tab. 3 Basic information of runoff plots
2.3 地表径流量和泥沙流失量的观测

于第1次抚育后，开始观测各径流小区的径流量和泥沙流失量。在每日降雨后，于次日08：00观测，如有径流，用钢尺测量各径流小区接水桶中径流水的高度，测量的径流水高度乘以接水桶的横截面积来计算1次地表径流量[10]。在测完径流水高度后，将接水桶中的混水搅拌均匀，用取样勺分不同深度取泥沙和水的混合样约1 000 mL装入取样瓶中，之后打开阀门，将接水桶中的混水排出，关好阀门、盖上桶盖。打开集水区盖，收集沉淀在集水区的泥沙，最后将装有混合样的取样瓶和收集到的泥沙带回室内：取混合样500 mL经过滤、烘干、称量；泥沙也经烘干、称量。本研究中径流量、径流深、径流系数和泥沙流失量计算式如下(基于面积为100 m2的径流小区各观测值间单位换算)：

$ W=\mathsf{π} r^2 \frac{h}{100} \times \frac{10000}{100} $ (1)
$ H=\frac{1}{10000} W \times 1000 ; $ (2)
$ C=\frac{H}{P_{\mathrm{r}}} \times 100 \% \text {; } $ (3)
$ \begin{gathered} S=\left(100 \times 10000 \times \frac{H}{10} \div 500 m_1+m_2\right) \times \\ \frac{10000}{100} \div 1000 \end{gathered} $ (4)

式中: W为径流量, m3/hm2; r为接水桶的半径, m;h为接水桶中径流水的高度，cm；H为径流深，mm；C为径流系数，%；Pr为对应降雨量，mm；S为泥沙流失量，kg/hm2；m1为500 mL混合水样中泥沙的干质量，g；m2为集水区中泥沙的干质量，g。

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。

3 结果与分析 3.1 降雨特征

由图 1可知，2018—2020年当地年降雨量分别为1 327.4、1 200.8和1 036.0 mm，月降雨量变化范围分别为17.4~396.0、10.6~289.6和8.4~ 166.8 mm，可见当地月降雨量分布差异极大，总体来看3—10月的月降雨量较高，月降雨量在100 mm以上的月份主要集中在6—9月(8月最大)，其中大雨、暴雨分布频率也较高。

图 1 研究区域月降雨量分布 Fig. 1 Distribution of monthly rainfall in the study area

依据GB/T 28592—2012《降水量等级》，按24 h内降雨量将本地区降雨等级划分为小雨(0.1~ 9.9 mm)、中雨(>9.9~24.9 mm)、大雨(>24.9~49.9 mm)和暴雨(>49.9~99.9 mm)4个等级，统计各降雨量等级的累积降雨量和降雨时间，及其占全年降雨总量和降雨总时间的比例，如图 2和图 3所示。

图 2 研究区域各降雨量等级累积降雨量占全年降雨总量的比例 Fig. 2 Percentage of cumulative rainfall at each rainfall level in the study area to the total annual rainfall
图 3 研究区域各降雨量等级降雨时间占全年降雨总时间的比例 Fig. 3 Percentage of rainfall time at each rainfall level in the study area to the total rainfall time in the whole year

小雨降雨时间和其占全年降雨总时间的比例均远高于其他降雨量等级的，且随降雨量等级的增大，降雨时间及其占全年降雨总时间的比例均明显降低。中雨的累积降雨量和其占全年降雨总量的比例最高，其次为小雨或大雨(与年际有关)，暴雨最少。

3.2 水土流失的月变化

1年中各月的降雨量差别较大(图 1)，其水土流失量也有较大差别(表 4)。如炼山后第1年、第2年和第3年月径流量分别为7~1 161、0~260和0~59 m3/hm2，月泥沙流失量也分别为42~12 110、0~578和0~82 kg/hm2。但无论月水土流失量是大还是小(有径流产生的月份)，与铲草抚育相比，割灌抚育能明显降低月水土流失量，有些月份差异达显著水平(P＜0.05)。如炼山后在水土流失量最严重的第1年(第1次抚育后)，割灌抚育的月径流量是铲草抚育的45.5%~72.8%，月泥沙流失量是铲草抚育的8.1%~58.6%，其中仅10月和12月的水土流失量与铲草抚育无显著差异(P＞0.05)。也就是说，与铲草抚育相比，在降雨量、降雨强度大的5—9月份，割灌抚育能显著降低月水土流失量。炼山后的第2年、割灌抚育的月径流量是铲草抚育的55.4%~85.9%，月泥沙流失量是铲草抚育的9.0%~97.9%。其中4、8、9和10月份的水土流失量2种抚育方式差异达显著水平(P＜0.05)。也就是说，与铲草抚育相比，割灌抚育显著降低抚育当月和降雨量最大的2个月的水土流失量。炼山后的第3年、割灌抚育的月径流量是铲草抚育的43.1%~70.3%，月泥沙流失量是铲草抚育的15.4%~93.5%，其中割灌抚育显著降低抚育当月的水土流失量。可见，随林地恢复年限的增加，不同抚育方式间有显著差异的月份逐渐减少，但割灌抚育依然能有效降低林地水土流失，尤其是在炼山后水土流失最为严重的前2年。

表 4 水土流失的月变化 Tab. 4 Monthly variation of soil erosion and water loss
3.3 水土流失的年际变化

由表 5可知，与常规的铲草抚育相比，割灌抚育能显著降低林地年水土流失量(P＜0.05)。2018—2020年(第1年统计时间由第1次抚育后开始)、割灌抚育的年径流量分别是铲草抚育的65.4%、64.5%和59.0%；割灌抚育的年泥沙流失量分别是铲草抚育的46.9%、37.2%和44.1%。可见，皆伐炼山后，可通过改变抚育方式来降低林地的水土流失。

表 5 水土流失的年际变化 Tab. 5 Interannual variation of soil erosion and water loss
3.4 水土流失与日降雨量的关系

由图 4的观测数据可知，林地产生地表径流的最小日降雨量因抚育方式的不同而异。如第1年(第1次抚育后)，割灌抚育和铲草抚育产生地表径流的最小日降雨量分别为13.2和8.2 mm；第2年分别为18.8和11.6 mm；第3年分别为14.2和14.0 mm。可见，炼山后采用割灌抚育方式明显增加产生地表径流的最小降雨量，且在炼山后的前2年增加量大。

图 4 不同抚育方式下降雨量与径流深的关系 Fig. 4 Relationship between rainfall and runoff depth under different tending treatments

以日降雨量为自变量(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，且割灌抚育和铲草抚育的地表径流深和泥沙流失量与日降雨量均存在极显著的二次曲线关系(P＜0.01)(图 4和图 5)。由拟合的一元二次曲线可以看出，割灌抚育的径流深曲线和泥沙流失量曲线的瞬时斜率均小于铲草抚育的，且随日降雨量的增加，割灌抚育曲线的斜率增加幅度也小于铲草抚育的；但这2种林地抚育方式对水土流失的影响随林地恢复时间的增加而减小。

图 5 不同抚育方式下降雨量与泥沙流失量的关系 Fig. 5 Relationship between rainfall and sediment loss under different tending treatments
4 讨论

广西水热条件优越，人工林面积高达592.3万hm2，占全国人工林面积的10.4%[11]，人工更新林地抚育面积约为13.6万hm2，约占全国人工更新林地抚育面积的36.9%[12]，远超其他省区。幼林抚育管理是人工林经营技术的重要环节之一，有“三分造，七分管”之说[7-8]，但由于抚育时间在雨季，传统的全面松土铲草的抚育方法，易引起严重的水土流失。如俞新妥等[1]对坡度为32°的幼林林地进行全面铲草松土，铲草后第2天和第12天分别遇到日降雨45.4和47.6 mm，土壤冲刷量分别为11.8和8.4 t/hm2，分别占年土壤侵蚀量的37.6%和26.5%。马祥庆等[8]的研究发现抚育时破土面积越大，水土流失越严重，这与笔者研究结果一致。如在有径流产生时，与铲草抚育相比，割灌抚育显著或明显降低林地水土流失量：炼山后第1年(第1次抚育后)，割灌抚育的月径流量仅是铲草抚育的45.5%~72.8%，月泥沙流失量仅是铲草抚育的8.1%~58.6%；在雨水多、雨强大的5—9月份，2种抚育方式下的月水土流失量的差异均达显著水平；随林地恢复年限的增加，这2种抚育方式间有显著差异的月份逐渐减少，第3年、割灌抚育依然能显著降低抚育当月的水土流失量。这可能与植物根系减沙效应随土层中有效根密度的增加而呈现快—缓—极缓的增加趋势有关[13-14]。从年际来看：第1年、割灌抚育的年径流量和泥沙流失量分别较铲草抚育减少740 m3/hm2和13.2 t/hm2，其流失量仅分别是铲草抚育的65.4%和46.9%；第2年和第3年、割灌抚育的年径流量也仅分别是铲草抚育的64.5%和59.0%，年泥沙流失量也仅是铲草抚育的37.2%和44.1%。笔者分析认为，与常规的铲草抚育相比，割灌抚育对土壤表层无扰动，对土壤中的根系无切割，说明割灌抚育后，根系对土壤缠绕固结、形成根系网络的状况并无改变，而这能阻止土粒分散[15]，改善土壤构型，增强土壤入渗性能[16]；同时割灌抚育明显或显著增加了土壤中根系生物量(表 1)，这进一步增强土壤的抗蚀性、抗冲性，提高土体的稳定性[17-19]。

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[20]。因土壤及地上凋落物、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。从观测3年数据来看，与铲草抚育相比，割灌抚育明显提高产生地表径流的最小日降雨量，如第1年、割灌抚育和铲草抚育产生地表径流的最小日降雨量分别为13.2和8.2 mm，第2年分别为18.8和11.6 mm，第3年分别为14.2和14.0 mm。可见，对割灌抚育来说，只有中雨及以上的降雨量才有可能产生地表径流，其产生地表径流的最小降雨量较侵蚀性降雨量(12.0 mm)还高[21]。另外，由地表径流深和泥沙流失量与日降雨量的拟合曲线可知，当有径流(泥沙流失量)产生时，割灌抚育曲线的瞬时斜率较铲草抚育的小，且随日降雨量的增加，斜率增加幅度也小。可见，割灌抚育的水土流失量之所以远低于铲草抚育的，是因为与铲草抚育相比，割灌抚育不仅增加产生地表径流的最小降雨量，而且当日降雨量高于产生地表径流的量后，水土流失量的瞬时斜率小，且随日降雨量的增加，水土流失量的增加幅度小。

对当地皆伐炼山穴状整地的人工更新的幼林地来说，因林地尚未郁闭，树木之间还未形成竞争，其不同树种的植被状况、枯枝落叶、根系等对水土流失的综合影响有限[22]，但此阶段灌草生物量巨大，可通过合理抚育来降低林地水土流失，这对当地人工林保持水土、维护生态安全具有重要作用。

5 结论

1) 炼山后，在水土流失最为严重的前2年，与铲草抚育相比，割灌抚育能显著降低林地水土流失(P＜0.05)。炼山后第1年(由第1次抚育后开始统计)和第2年、割灌抚育的年径流量分别是铲草抚育的65.4%和64.5%，年泥沙流失量分别是铲草抚育的46.9%和37.2%；且在降雨量、降雨强度大的月份，割灌抚育对水土流失的降低作用更为明显或显著。即使在炼山后的第3年、割灌抚育依然能显著降低抚育当月的水土流失量和年水土流失量。

2) 在观测的3年中，产生地表径流的最小日降雨量、割灌抚育均高于铲草抚育的，而日降雨有径流产生时，割灌抚育的水土流失量均低于铲草抚育的，且随日降雨量的增加，割灌抚育的水土流失量的增加幅度小。

6 参考文献
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