山西省太谷縣不同退耕還林模式生態(tài)效應研究

劉鵬飛

(山西省國有林管理局，山西 太原 030012)

1 引言

黃土丘陵區(qū)坡耕地是水土流失的主要原因，耕作侵蝕是坡耕地的主要侵蝕之一[1，2]。退耕還林工程是改善生態(tài)環(huán)境、保障生態(tài)安全、強化生態(tài)扶貧的重大決策，也是調(diào)整農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構、拓寬農(nóng)民收入渠道、推進生態(tài)文明模式的重要舉措[3，4]。太谷縣地處黃土丘陵區(qū)，位于山西省晉中盆地東北部，是治理水土流失的重點區(qū)域，刺槐(Robiniapseudoacacia)和山桃(Mountainpeach)是退耕還林的優(yōu)選鄉(xiāng)土樹種。因此，研究山西省太谷縣不同退耕還林模式生態(tài)效應對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設及其效益評價具有重要理論和現(xiàn)實指導意義。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

山西省太谷縣地處112°28′～113°01′E 、37°12′～37°32′N之間，海拔767～1914 m，地貌復雜多樣，以山地丘陵為主，典型的黃土丘陵溝壑侵蝕地。屬暖溫帶大陸性氣候，冬季少雨雪，春季多風，夏季雨水集中，多年平均氣溫為4.8～10.4 ℃、降水量458 mm、日照時間2550 h，無霜期約128～164 d，土壤分褐土、草甸褐土兩大類。

2.2 試驗材料

以太谷縣范村鎮(zhèn)田受溝村2003年退耕還林地為研究對象，坡向東南、坡度27°、坡位中下，土壤為褐土，退耕還林模式有刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林(4槐6桃，塊狀或?qū)拵罨旖?3種，前1年水平階穴狀或魚鱗坑整地，春季2年實生容器苗造林，采取帶土球、雙覆蓋措施，初植密度1800株/hm2，以同期撂荒地為對照。

2.3 試驗設計

采用單因素隨機區(qū)組設計，通過野外采樣、定點觀測和室內(nèi)外實驗，分析不同退耕還林模式生態(tài)功能效應。遵循代表性、可達性原則，按照20 m×20 m布設樣地，見表1。①選擇2017年9月上旬一個天氣晴朗日子，同步測定下午14:00不同模式類型負氧離子數(shù)量及壽命，每次3個重復，取平均值。②選擇2017年9月上旬一個天氣晴朗日子，同步測定日間不同植被類型土壤地表溫度，8:00～18:00每隔2h測1次，每次3個重復，取平均值。③樣地中蛇形法采集土樣，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 3個層次采集土壤剖面環(huán)刀樣(100 cm3)，各層混合均勻后取綜合樣，進行理化指標測定分析。

表1 不同退耕還林模式樣地信息

2.4 試驗方法

投影法觀察植被蓋度，采用測高儀測定樹高，卷尺測定胸徑，環(huán)刀法測量容重和孔隙度，重鉻酸鉀法測定土壤有機質(zhì)，曲管地溫表法測定土壤溫度，便攜式負氧離子快速測定儀測定負氧離子數(shù)量及壽命，便攜式PM2.5快速測定儀測定PM2.5含量，3次重復，取平均值[5～8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣凈化效應

由表2可知，相同退耕還林年限的刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林負氧離子濃度分別為1893、1738、2019個/cm3，是對照撂荒地1015個/cm3的1.71～1.99倍，平均1.86倍；負氧離子壽命分別為16.28、14.94、17.35 min，是對照撂荒地8.27 min的1.81～2.10倍，平均1.96倍；PM2.5濃度分別為65.77、73.36、59.07 μg/m3，是對照撂荒地101.29 μg/m3的0.58～0.72倍，平均0.65倍；負氧離子濃度及其壽命高低順序為：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地；PM2.5濃度高低順序為：撂荒地﹥山桃﹥刺槐﹥刺槐+山桃。

表2 不同退耕還林模式負氧離子濃度及其壽命

樹冠、樹梢、枝葉在高壓、輻射、雷電下的放電現(xiàn)象，促使空氣負氧離子的形成，能有效吸附降解空氣中的有害氣體和顆粒污染物，使空氣清新凈化[9]。森林空氣中負氧離子不斷產(chǎn)生又不斷消失，負氧離子濃度及壽命與群落類型、年齡結(jié)構、樹種組成等相關，負氧離子濃度增加及其壽命延長可減少空氣中的飄塵量，對可入肺顆粒物PM2.5效果極佳[10]。

3.2 土壤改良效應

由表3知，相同退耕還林年限的刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤容重分別為1.17、1.19、1.15 g/cm3，是對照撂荒地1.47 g/cm3的0.78～0.81倍，平均為0.80倍；總孔隙度分別為48.94%、47.57%、49.60%，是對照撂荒地39.44%的1.21～1.26倍，平均1.24倍；非毛管孔隙度分別為6.77%、6.17%、7.16%，是對照撂荒地4.67%的1.32～1.53倍，平均1.43倍；有機質(zhì)含量分別為2.71%、2.53%、2.93%，是對照撂荒地1.92%的1.31～1.52倍，平均1.42倍，改良土壤效應高低順序為：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

表3 不同退耕還林模式土壤理化性質(zhì)指標

土壤是復雜的多孔體，黃土丘陵區(qū)多為超滲產(chǎn)流，土壤層是森林涵養(yǎng)水源能力最強的作用層[11]。總孔隙度尤其是非毛管孔隙度的增加，能有效將地表徑流轉(zhuǎn)化為地下徑流；有機質(zhì)直接來源于土壤中動植物殘體及枯落物的分解釋放[11,12]。植物正向演替使得土壤表層有機質(zhì)富集明顯，增加了土壤C源和N源，提高了土壤肥力質(zhì)量，保障了植被恢復重建的基礎。

3.3 小氣候改善效應

由表4知，相同退耕還林年限的刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤表層日較差分別為11.77、11.85、11.63 ℃，是對照撂荒地14.76 ℃的0.79～0.80倍，平均為0.8倍；緩解日較差效應高低順序為：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

表4 不同退耕還林模式小氣候效應

小氣候效應是區(qū)域生態(tài)效應發(fā)揮的基礎，林業(yè)已成為應對氣候變化的戰(zhàn)略選擇。退耕還林增加了地面植被覆蓋度和保護膜，削弱了空氣下墊層的水熱交換作用，形成局地微氣候效應，緩解了日溫極差變化，使日間升溫緩慢、晚間降溫緩慢[13，14]。

4 討論

受試驗條件、技術力量及監(jiān)測手段限制，本試驗僅在有限樣本測定條件下，采用單因素隨機區(qū)組設計，研究了相同退耕還林年限的生態(tài)效應，所得結(jié)論有一定程度的參考價值，但仍存在局限性。森林生態(tài)效益涉及水、土、生、氣等多方面內(nèi)容，受植被因子和環(huán)境要素共同作用和制約，至今仍無法對森林生態(tài)效益從定性到定量的準確評判，需要長期的全面定位觀測[15]。退耕還林工程是生態(tài)脆弱區(qū)的恢復與重建的關鍵切入點，既要考慮國家對生態(tài)的需求，又要兼顧群眾對利益的要求，本著適地與適樹相結(jié)合、保護與重建相結(jié)合、樹種和林種相結(jié)合、短期與長期相結(jié)合的原則，有效保護現(xiàn)有森林資源的同時，適度開展中幼林撫育和林中空地補植補栽，積極探索適合于太谷縣自然條件和立地條件的造林模式及造林技術，強化鄉(xiāng)土樹種苗木培育，合理配置喬灌草和網(wǎng)帶片，以異齡混交復層林為終極演替發(fā)展目標。

5 結(jié)論

相同退耕年限的不同退耕還林模式生態(tài)效益不同，由高到低順序為:刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

(1)刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林負氧離子濃度分別為1893、1738、2019個/cm3，是撂荒地1.86倍；負氧離子壽命分別為16.28、14.94、17.35 min，是撂荒地1.96倍；PM2.5濃度分別為65.77、73.36、59.07 μg/m3，是撂荒地0.65倍；大氣凈化效益高低順序為：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

(2)刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤容重分別為1.17、1.19、1.15 g/cm3，是撂荒地0.80倍；總孔隙度分別為48.94%、47.57%、49.60%，是撂荒地1.24倍；非毛管孔隙度分別為6.77%、6.17%、7.16%，是撂荒地1.43倍；有機質(zhì)含量分別為2.71%、2.53%、2.93%，是撂荒地1.42倍，土壤改良效應高低順序為：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。

(3)刺槐、山桃、刺槐+山桃混交林土壤表層日較差分別為11.77、11.85、11.63 ℃，是撂荒地0.80倍，日較差緩解效應高低順序為：刺槐+山桃﹥刺槐﹥山桃﹥撂荒地。