三峽庫(kù)區(qū)退耕還林工程水土保持效益評(píng)估三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣退耕還林工程水土保持效益研究

元當(dāng)縣位于湖北西部山區(qū)的長(zhǎng)江西陵峽。是列入世界博覽會(huì)的第一個(gè)和縣，具有重要的生態(tài)戰(zhàn)略地位。由于人口眾多,毀林開荒頻繁,森林植被遭到嚴(yán)重破壞,加之山高坡陡,立地條件惡劣,使得該縣水土流失十分嚴(yán)重。據(jù)2000年全國(guó)遙感調(diào)查資料,該縣8條主要流域水土流失面積1335.92km2,占全縣總面積的55.04%,流失量420萬(wàn)t/a。嚴(yán)重的水土流失不僅影響了土地生產(chǎn)力,而且大量的泥沙也成為三峽工程運(yùn)行的安全隱患。為有效控制水土流失,保障三峽水利樞紐工程安全運(yùn)行,黨中央、國(guó)務(wù)院于2000年將秭歸縣列為退耕還林工程第一批試點(diǎn)縣。經(jīng)過(guò)6年的工程實(shí)施,秭歸縣初步形成了大面積的自然植物恢復(fù)群落,植被覆蓋率明顯提高,水土流失現(xiàn)象得到了有效的遏制。然而,退耕還林工程對(duì)秭歸縣植被恢復(fù)的影響程度如何,對(duì)水土流失的影響有多大,目前尚缺乏定量分析和研究。為此,筆者在野外調(diào)查和定位觀測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)其水土保持效益進(jìn)行定量研究,以期為該縣乃至三峽庫(kù)區(qū)退耕還林工程提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1森林植被類型秭歸縣位于湖北西部,地處長(zhǎng)江西陵峽,東經(jīng)110°0′4″~110°18′41″,北緯30°38′14″~31°11′31″。全縣土地總面積2427km2,總?cè)丝?9.8萬(wàn)人。屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,溫暖潮濕,四季分明,光照充足,雨熱同季,熱量充沛,年日照時(shí)間1631.5h,年平均溫度18℃,≥10℃積溫5723.6℃,年無(wú)霜期306d,降雨量1100mm。全縣土壤類型主要有黃壤、黃棕壤、棕壤、石灰土、紫色土、潮土和水稻土等7個(gè)土壤類型。境內(nèi)森林植被種類繁多,常見樹種和珍稀樹種共有1000余種,其中喬木約400種,灌木約500種,藤本約100種,低山地區(qū)為亞熱帶針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林和針闊混交林,中山地區(qū)為落葉闊葉林。主要分布樹種以馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、柏木(CupressusfunebrisEndl.)、杉木(CunninghamialanceolateLamb.)、油松(PimustabulaeformisCarr.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、銀杏(GinkgobilobaLinn.)、慈竹(Sinocalmusaffinis(Rendle)Mcclure)、櫟類(QuercusL.)、柑橘(Citrus)、茶(CamelliasinesisL.)和板栗(Castaneamollissima)為主。境內(nèi)135條常年流水匯入泄灘河、良斗河、香溪河、龍馬溪河、清港河、童莊河、九溪灣河和茅坪河8大流域而注入長(zhǎng)江,呈蜈蚣狀水系分布,流域面積1952.5km2,約占全縣總面積的80%。全縣耕地總面積3.7967萬(wàn)hm2,其中坡耕地面積3.2533萬(wàn)hm2,占總耕地面積的85.7%,6°~15°平緩地4566.67hm2,16°~24°緩坡地7326.67hm2,>25°陡坡地2.64萬(wàn)hm2,坡耕地是造成當(dāng)?shù)厮亮魇У闹饕蛑弧?.2期試點(diǎn)縣林分現(xiàn)狀2000年,秭歸縣被列為“長(zhǎng)江上游,黃河中上游退耕還林(草)工程”早期試點(diǎn)縣,從2000年至2005年,按照退耕還林(草)示范工程的總體要求和規(guī)劃,6年來(lái)退耕還林總面積達(dá)到1.5626萬(wàn)hm2,其中生態(tài)林為1.25487萬(wàn)hm2,經(jīng)濟(jì)林為3076.97hm2,見表1。2材料和方法2.1主要模式類型內(nèi)的立地條件分析以秭歸縣2000年退耕還林林地為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)其基本情況的分析,選擇退耕面積最大的幾種主要模式作為調(diào)查對(duì)象,并在考慮調(diào)查準(zhǔn)確性和代表性的前提下,對(duì)少數(shù)模式進(jìn)行了合并,共調(diào)查了8種退耕還林模式,詳見表2。2.2學(xué)習(xí)方法2.2.1調(diào)查樣地的設(shè)置在秭歸縣實(shí)施退耕還林工程的12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,選擇退耕還林地分布較為集中的8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行樣地設(shè)置,每種退耕還林模式設(shè)5個(gè)樣地,共計(jì)40個(gè)調(diào)查樣地。樣地的設(shè)置采用典型取樣法,面積為20m×20m,在每個(gè)樣地內(nèi)選擇2個(gè)土壤剖面,分層混合采集土樣,室內(nèi)測(cè)定其有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量。2.2.2設(shè)置“承瞳”與“水尺”觀測(cè)系統(tǒng)在不同模式的樣地設(shè)置徑流觀測(cè)場(chǎng),面積為5m×10m(水平投影),下端設(shè)承水槽,并連接1m×1m×1m的沉沙池,設(shè)水尺觀測(cè)徑流體積,底部設(shè)排水管。降水量采用CR2型自記雨量計(jì)(成都產(chǎn))觀測(cè),采用取樣、烘干和稱量法測(cè)定泥沙量。2.2.3造林模式水效益總量的測(cè)算首先通過(guò)如下生態(tài)效益計(jì)量模型,計(jì)算出秭歸縣主要退耕還林模式的水土保持效益量,然后,根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查模式各生態(tài)因子的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算得出秭歸縣2000年退耕還林工程水土保持效益總量。1退?耕還林減少土壤肥力損失的實(shí)然模型Q=∑i=1n∑i=1n[(Di0?Di)Si×1100][(Di0-Di)Si×1100]式中:Q為森林年固土總量,t/a;n為森林類型數(shù);i為流動(dòng)指標(biāo),i=1,2,3…,n;Si為第i種森林類型的面積,hm2;Di為第i種森林類型的土壤侵蝕模數(shù),t/(km2·a);Di0為與第i種森林類型相對(duì)照的荒地土壤侵蝕模數(shù),t/(km2·a)。防止泥沙淤積的計(jì)量模型為E=∑i=1n∑i=1nQigidQigid式中:E為森林減少泥沙淤積的量,t;Qi為第i種森林類型的固土量,t/a;gi為第i種森林類型的土壤密度,g/cm3;d為進(jìn)入河道或水庫(kù)中的泥沙占泥沙流失量的比值,%。退?耕還林減少土壤肥力損失的實(shí)物計(jì)量模型為M=∑i=1n(Qi∑j=1m∑i=1n(Qi∑j=1mPij)式中:M為減少土壤肥料損失的總量,t;Pij為第i種森林類型土壤中第j種養(yǎng)分的含量,%。2不同模式退耕還林水土保持效益計(jì)算根據(jù)生態(tài)效益監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和不同退耕還林模型的分布面積,按照上述計(jì)量模型,分別計(jì)量得出8種主要退耕還林模式的水土保持效益;然后,取所調(diào)查退耕還林模式的土壤侵蝕模數(shù)、土壤密度、土壤有機(jī)質(zhì)和N、P、K含量的平均值,作為其他退耕還林模式的土壤侵蝕模數(shù)、土壤密度以及土壤有機(jī)質(zhì)和N、P、K含量,根據(jù)其他模式退耕還林面積和上述計(jì)量模型,計(jì)算出其他退耕還林模式水土保持效益;最后兩者相加即為秭歸縣2000年退耕還林水土保持效益。3結(jié)果與分析3.1林地地表徑流地表徑流是降雨經(jīng)過(guò)林冠截留、地被物的攔蓄以及填洼、入滲和蒸發(fā)等過(guò)程后,到達(dá)地表形成的徑流,它是土壤侵蝕和水土流失的主要驅(qū)動(dòng)力。秭歸縣不同退耕還林模式林地地表徑流量見表3?？梢钥闯?坡耕地經(jīng)退耕還林后,地表徑流量呈明顯的減少趨勢(shì),平均減少量為75.25%~85.21%,其中“柑橘*紫穗槐”退耕還林模式地表徑流量為最小,柑橘林其次,銀杏林地地表徑流量較大。各退耕還林地的徑流系數(shù)變化范圍在0.0195~0.0326之間,平均為0.0251,與坡耕地徑流系數(shù)相比減少了81.0%,由此可見,退耕還林后有減弱地表徑流發(fā)生的效果,對(duì)水土流失起到了有效的抑制作用。3.2不同立地條件下林分侵蝕模數(shù)分布特征土壤的侵蝕模數(shù)是評(píng)價(jià)土壤侵蝕程度的重要指標(biāo)。不同土地利用方式,由于其植被類型的不同,土壤的侵蝕模數(shù)存在較大的差異。秭歸縣不同退耕還林模式林地土壤的侵蝕模數(shù)見表4。由表4可以看出:與坡耕地相比,退耕還林后林地土壤的侵蝕模數(shù)均呈現(xiàn)明顯較小趨勢(shì),減小范圍為1663.80~1876.66t/(km2·a-1);不同退耕還林模式由于林分結(jié)構(gòu)和樹種特性不同,對(duì)土壤侵蝕程度的改善程度不同,以慈竹模式對(duì)土壤侵蝕改善效果最好,土壤蝕模數(shù)最小,為85.8t·km-2·a-1,較未退耕地減少95.6%,其次為紫穗槐和茶模式,平均較坡耕地減少93.8%,刺槐和銀杏模式侵蝕模數(shù)較大,分別比未退耕地減少85.4%和84.7%。由此可見,在相同立地條件下,林地比坡耕地具有更好的固持土壤的作用,其中以慈竹、茶和紫穗槐等生物籬模式的土壤改良固土效果最好,其次為喬木和生物籬復(fù)合模式,而闊葉林固土效果較差。經(jīng)過(guò)測(cè)算,不同退耕還林模式每年減少土壤侵蝕的量為600~1.53萬(wàn)t·a-1。3.3退耕還林對(duì)林地土壤有機(jī)質(zhì)和全p、全k含量的影響土壤有機(jī)質(zhì)和全N、全P、全K的含量是土壤肥力評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo),對(duì)評(píng)價(jià)地力,判斷不同林分類型中肥力大小具重要意義。對(duì)不同退耕還林模式林地的耕作層土壤取樣分析,其有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量測(cè)算結(jié)果見表5。由表5可以看出,退耕還林后,林地土壤有機(jī)質(zhì)和全N、全P、全K的平均含量分別為1.50%、0.075%、0.128%和1.81%,與坡耕地相比,退耕還林后林地土壤有機(jī)質(zhì)和全P、全K含量呈增加趨勢(shì),其中有機(jī)質(zhì)含量增加0.39%,全P含量增加1.12%,全K含量增加1.54%,而土壤全N的含量比未退耕地稍微減少。退耕還林后,由于枯枝落葉層的存在,一方面攔蓄了地表徑流的發(fā)生,從而減少了表土養(yǎng)分的流失,另一方面由于枯枝落葉層自身的分解,也對(duì)森林土壤的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量起到補(bǔ)充作用;因此,退耕還林后,土壤養(yǎng)分的各項(xiàng)指標(biāo)較退耕前有了明顯的提高,而土壤全N的減少則可能是因?yàn)楦卦鍪┓柿系木壒省?.4土壤肥力流失的作用根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)森林保持水土效益的研究可知,森林生態(tài)系統(tǒng)保持水土的功能,主要表現(xiàn)在減少土地資源損失,防止泥沙滯留、淤積,保持土壤肥力。研究在不考慮土壤類型和坡度變化的前提下,以各退耕還林模式樣地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)秭歸縣不同退耕還林模式的水土保持效益進(jìn)行了計(jì)量。3.4.1不同模式土壤侵蝕模數(shù)和固土量森林的固土量用退耕林地和未退耕林地土壤侵蝕的對(duì)比研究數(shù)據(jù)計(jì)算。首先,以上述主要退耕還林模式的效益檢測(cè)數(shù)據(jù)和面積分布為依據(jù),按照森林固土效益的計(jì)量模型,可得出秭歸縣8種主要退耕還林模式每年的固土量為3.83萬(wàn)t。然后取8種模式土壤侵蝕模數(shù)平均值作為其他退耕還林模式土壤侵蝕模數(shù),根據(jù)其他模式退耕還林面積,按照計(jì)量模型可計(jì)算得出其他類型退耕還林模式每年的固土量為1.66萬(wàn)t。將兩者相加可得到秭歸縣2000年退耕還林工程每年固土量為5.49萬(wàn)t。3.4.2防止泥沙沉積通過(guò)樣地調(diào)查和室內(nèi)分析可知,秭歸縣8種主要退耕還林模式土壤的密度分別為1.32、1.33、1.64、1.41、1.38、1.52、1.36和1.25g/cm3,根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕量與入庫(kù)泥沙量的研究,庫(kù)區(qū)泥沙輸移比為32%,按照防止泥沙淤積效益的計(jì)量模型可計(jì)算得到8種主要退耕還林模式每年減少泥沙淤積的量為8890t,其他模式退耕還林防止泥沙淤積的量為3780t,從而可計(jì)算得出秭歸縣2000年退耕還林工程每年防止泥沙淤積于三峽水庫(kù)的量為1.27萬(wàn)t。3.4.3質(zhì)損失是否含量土壤流失使土壤中的全N、全P、全K及有機(jī)質(zhì)大量流失,從而增加土壤的化肥施用量,因此森林減少土壤N、P、K及有機(jī)質(zhì)損失的量,可通過(guò)退耕還林地每年減少土壤流失的量與流失土壤中全N、全P、全K和有機(jī)質(zhì)的含量來(lái)表示。以現(xiàn)有模式林地土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的平均含量為依據(jù),通過(guò)森林減少土壤肥力損失的計(jì)量模型,計(jì)算得出秭歸縣退耕還林工程每年減少養(yǎng)分的總量為1637t,其中,減少土壤有機(jī)質(zhì)和土壤中全N、全P、全K流失的量分別為652,32,82和871t。4主要結(jié)果分析1)坡耕地經(jīng)過(guò)退耕還林后,能有效地?cái)r蓄降水徑流,減少或減弱土壤侵蝕的發(fā)生,從而起到抑制水土流失的作用。與坡耕地(未退耕地)相比,退耕還林后林地地表徑流量平均減少75.25%~85.21%;退耕地的土壤侵蝕模數(shù)也呈明顯的下降趨勢(shì),不同退耕還林模式林地土壤的侵蝕模數(shù)差異較大,但與坡耕地相比,均呈現(xiàn)大幅度減小趨勢(shì),減少量為1676.08~1876.66t/(km2·a),減少幅度為85.4%~95.6%。2)以2005年生態(tài)效益監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù),秭歸縣2000年退耕還林工程每年防止土壤流失量為5.49萬(wàn)t,減少河流泥沙淤積量為1.27萬(wàn)t,減少土壤中有機(jī)質(zhì)和全N、全P、全K流失量分別為652、32、82和871t。由于工程實(shí)施僅5年,部分林地還處于幼林或未成林造林地期,尚未發(fā)揮水土保持及生態(tài)效益,因此,隨著時(shí)間的推移,退耕還林工程所形成的