林道修建和采伐作業對桉樹人工林土壤侵蝕的影響

王一佩, 薛 雨, 楊鈣仁, 蘇曉琳, 武鵬帥, 溫志良, 鄧羽松

(1.廣西大學 林學院, 南寧 530004; 2.廣西大學 生態工程研究所, 南寧 530004)

桉樹(EucalyptusrobustaSmith)因其生長速度快、輪伐周期短等特點而得到快速發展，全球種植面積超過2 000萬hm2[1]，在中國，種植面積已達450萬hm2，輪伐周期一般為5～7 a[2]。廣西的桉樹人工林面積為205萬hm2，占全國總量的45%以上。桉樹的快速生長主要基于對其頻繁撫育(如除草、追肥等)和肥料的大量投入，為高效進行上述撫育工作以及木材采運，需要有一定密度的林道。在過去，我國林道建設嚴重滯后，林區路網平均密度不足1.5 m/hm2[3]，比西方國家尤其是發達國家如德國(集材道密度為57.2 m/hm2)的低許多[3]，嚴重影響我國人工林的經營效率。

近十多年來，隨著我國人工林尤其是短周期人工林經營水平的提高，林道建設得到了快速發展。林道的修建一方面有利于林業經營效率的提高，另一方面，大面積的邊坡挖填方、棄方和路面等工程創面,徹底改變了土層結構和土壤理化性質，形成新的面蝕和溝蝕[4]。采伐作業也加劇了水土流失，重型機械作業和伐倒的木材收集等，嚴重破壞林下植被和表土結構[5]，使得采伐后土壤流失量大幅度增加。此外，采伐后的再造林或萌芽林的撫育(如煉山、挖坑植苗、松土培肥、除草等)活動，也會加劇土壤侵蝕[6]。以往有關桉樹人工林土壤侵蝕的研究主要集中在以下幾個方面，一是桉樹取代鄉土次生林對土壤侵蝕的影響，相關研究表明，更替后土壤理化性質發生顯著變化，土壤侵蝕加劇[7]；二是桉樹采伐對土壤侵蝕的影響，研究表明，采伐后產流量增加，同時，地被物遭到破壞，土壤侵蝕加劇[8]；三是煉山的影響，煉山改變土壤質地，可能減少土壤有機質含量、改變土壤團聚體穩定性和斥水性[9]，同時產流量會增加[10]，從而加劇土壤侵蝕[11]；四是不同的采伐剩余物處置方式對土壤侵蝕的影響，清理剩余物加劇土壤侵蝕[12]。以往研究中，有關桉樹人工林的研究主要聚焦某一或某些因子(因素)對土壤侵蝕總量的影響，同時，涉及林道因素的研究少有報道，研究的尺度跨度較大，從集水區[13]到徑流小區(100 m2左右)[12,14]，而有關各策源地對集水區土壤侵蝕總量的貢獻未見有報道。林道修建和采伐作業本質上導致植被覆蓋度降低，表土裸露，降雨過程加劇了土壤侵蝕，但針對集水區尺度的研究方法也較為稀缺。本研究的主要目的，一是了解經營活動頻繁的桉樹人工林的林道特征及其土壤侵蝕狀況，二是通過監測河流流量和泥沙輸移特征從而揭示桉樹采伐后引起的水文變化規律，三是弄清桉樹采伐后土壤侵蝕主要來源及其變化規律，以便為今后的桉樹人工林水土保持提供科學依據。

1 研究方法

1.1 樣地概況

研究樣地位于廣西國有高峰林場界牌分場內，研究區的氣候、地形地貌等信息見文獻[15]。樣地為面積為28.1 hm2的閉合集水區，海拔172～265 m，坡度為10°～30°(溝谷除外)，平均坡度24°。集水區內有集水線8條，小河1條。土壤類型為發育較好的赤紅壤，土層厚度50～100 cm，山脊地帶有小石塊(砂頁巖)。現為桉樹人工純林，桉樹造林前茬為馬尾松(PinusmassonianaLamb.)—杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)混交林，采伐跡地經過煉山清理后，采用穴墾整地方式造林。2008年4月造林，桉樹品種為“廣林9號”無性系組培苗，苗高15～20 cm。造林規格為2 m×3 m，造林密度為1 650株/hm2。造林前，修建有一寬度約3 m的簡易林道，造林后第二年林道棄養，棄養后林道開始沖蝕、崩塌，路基變窄，部分路段中斷。2014年5月1—3日，為運輸木材，對林道進行了擴建和清道。2014年5月2—7日，對集水區內的桉樹進行皆伐。

集水區內建有自動流量和氣象觀測站，可觀測河流徑流量、降雨量、空氣溫濕度、風速等。

1.2 調查與測試方法

為了保證試驗監測的時間便于進行比較，林道修建進行采伐作業時，于2014年5月6—9日進行(1)、(2)項測量，林道修建以及采伐作業之后時隔1年，于2015年5—8日進行(3)—(5)項的測量。

(1) 林道、滑木道和河道長度測量。采用高精度GPS面積測定儀(KEPLER (Australia)Power Technology Pty. Ltd)長度測量功能(精度1.0 m)測量林道和河道長度，測量時手持面積測定儀沿林道、滑木道或河道勻速行走，面積測定儀自動記錄軌跡并計算路徑長度。采用皮尺測量滑木道長度及其集水面寬度(測量上、中、下3部位)，并測量坡度。

(2) 林道土方開挖量測量。在林道上每隔80～100 m設一個測量斷面(近似直角三角形)，用卷尺測量林道路塹邊坡高度和寬度。測量精度為0.001 m，共測量斷面48個。

(3) 林道邊坡崩塌、溜坡量測量。用卷尺測量路塹和路堤邊坡坍塌的土堆體積，典型土堆為不完整的圓錐體或三角錐體，測量其高度、半徑、弦長、弧到弦距離等，上述數據用于計算崩塌土堆體積。同時在崩塌處附近，用環刀(100 cm3)取樣(每個測量點2個樣)，測定土壤容重。

(4) 林道路面侵蝕溝侵蝕量測量。對林道上的侵蝕溝，每隔60～100 m設一個測量斷面(半圓形)，用卷尺對侵蝕溝的深度、溝面寬度等進行測量。測量精度為0.001 m，共測量斷面52個。同時在侵蝕溝附近沒有明顯被車輛碾壓的路面用環刀(100 cm3)取樣，共采集104個環刀樣，測定土壤容重。

(5) 河床泥沙淤積量。因采伐前桉樹林地的土壤侵蝕較輕，淤積至河床的泥沙量少，淤積的泥沙主要來自林地表層的熟土，其顆粒細、顏色為灰色，而采伐作業后，侵蝕至河床的泥沙主要來自新形成的侵蝕面(如林道開挖、木材集運等形成的新創面)，顏色較鮮艷(紅棕色)，因此可通過顏色的不同判斷采伐作業后1年來淤積在河床上的泥沙分布。于2015年5月7—8日(采伐作業后368 d)對集水區內河道河床上新淤積的泥沙量進行測量。在河床上，每隔25～30 m設置1個測量斷面(矩形、扇形或梯形)，測量河新泥沙層寬度(上下底寬)和厚度，并用環刀(100 cm3)取樣3個，帶回實驗室測定其容重和水分含量，計算淤積量。

(6) 典型暴雨過程徑流泥沙含量。為保證雨強相近監測降雨過程中徑流泥沙的含量，分別選擇2013年8月23日(采伐前254 d)和2014年7月15日(采伐后58 d)的2個雨天(降雨量分別為40.1，41.2 mm，降雨歷時分別為2.3，2.5 h)，在集水區內各種徑流斷面，設置徑流泥沙含量采樣點，其中滑木道選擇6條(分別設置上、中和下坡采樣點各1個)；從山腳至山頂，將林道平均劃分為下、中和上段，在各段的侵蝕溝設置采樣點各3個；坡面徑流的采樣方法見文獻[15—16]。在降雨開始1 h后，每隔15 min采集1次水樣(采樣量1 000 ml)，每個采樣點共采集水樣4次。水樣泥沙含量采用烘干法分析[17]。

(7) 徑流量與輸沙量觀測。于2013年5月6日(采伐前366 d)—2015年5月5日(采伐后365 d)，進行集水區河流徑流量和泥沙含量觀測。

徑流量觀測：在集水區出水口處建有巴歇爾槽流量自動觀測設施，在量水堰壩前，建有一長寬深約為4.0 m×2.0 m×1.5 m的沉砂池，沉淀推移質泥沙，定期測量(測定方法和項目與河床淤積泥沙的相同)和清理池內泥沙。流量觀測時間間隔為5 min。

泥沙含量監測：于典型的暴雨、中大雨的降雨過程和基流期，分別在產流過程的前段、洪峰段和后段，利用泥沙采樣器在出水口處采集河流水樣，采用定性濾紙過濾、烘干稱重法分析其泥沙含量。重復4次。

1.3 計算與統計方法

各種斷面面積(三角形、梯形、扇形、矩形等)、幾何體體積參考相關數學公式計算；

(1)

式中：VR為土方開挖量(m3)；Si為第i斷面面積(m2)。

(2)

式中：Vr為林道崩塌土方總量(m3)；Vi為第i監測點崩塌土方量(m3)。

(3)

式中：VRe為林道侵蝕溝侵蝕總量(m3)；Sei為第i監測點侵蝕溝斷面面積(m2)。

(4)

式中：MR為河床泥沙淤積總量(kg)；Sri為第i監測點河道泥沙斷面面積(m2)；Lri為適用第i監測點的河道長度(m)；Cbi為第i監測點泥沙容重(kg/m3)。

(5)

式中：MS為通過徑流輸出的泥沙總量(kg)；Vfi為適用第i次監測的徑流量(m3)；Csi為第i次水樣泥沙含量(kg/m3)。

ER=Mc+Vr1+MR1+MS

(6)

式中：ER為侵蝕總量(t)；Mc為沉砂池泥沙量(t)；Vr1為林道崩塌量(t)；MR1為河床泥沙淤積量(t)；MS為通過徑流輸出的泥沙總量(t)。

用Excel 2013進行數據處理，用SPSS 20.0進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 各種界面基本特征和土壤侵蝕量

集水區內林道總長為4 243 m，林道密度為15.1 km/km2(表1)，修建時開挖土石方總量為17 369 m3，挖掘強度為61 811 m3/km2(4 082 m3/km林道)。在林道進行擴建和清道作業后367 d時間里，林道邊坡(包括路塹和路堤邊坡)崩塌土石方量為177.8 m3(按土壤容重平均值1.85 g/cm3計算，重量為329 t/km2)，占道路修建和清道時開挖土方總量的0.29%，坍塌主要發生在邊坡陡峭、基巖不穩、路堤邊坡較厚、有較大徑流沖刷等路段。清道后的路面最大寬度為4.90 m，最窄2.81 m，平均寬度為3.26 m，92%的路段不設排水溝；采伐后367 d，林道侵蝕溝長度為3 108 m，占道路總長度的73%，侵蝕溝侵蝕量為338 m3/km2(按土壤容重平均值1.35 g/cm3計算，重量約為457 t/km2)。

桉樹集材作業形成的滑木道總長度為3 136 m(表1)，滑木道密度為11.2 km/km2，與所在山坡的坡向線平行，呈直線狀，平均坡度為29.6°，比集水區山體平均坡度大23.3%，平均寬度為1.9 m，面積占比為2.1%；滑木道集雨面平均寬度為15.7 m，其面積占總面積的17.5%。采伐前后兩年的平均降雨量接近，因此通過分析可知，集水區內河道總長度為701 m，采伐前的365 d里，河道沉砂池的泥沙(推移質)淤積總量為106 t/km2(容重為1.58 g/cm3，體積67 m3/km2)；采伐后368 d里，沉砂池泥沙淤積量增加至592 t/km2(容重為1.66 g/cm3，體積357 m3/km2)，后者是前者的5.3倍；存在明顯淤泥淤積河道總長為388 m，占河道總長度的55.3%，淤積量(沉砂池除外)為285 t/km2(按容重平均值1.25 g/cm3計算，體積為228 m3/km2)。

表1 林道修建與采伐作業形成的侵蝕界面基本特征

2.2 采伐前后各種界面徑流泥沙含量

由表2可知，采伐前254 d，在典型暴雨過程中，坡上、坡中和坡下的徑流泥沙含量差異不顯著(p>0.05)，3個坡位的坡面徑流泥沙含量平均值為0.18 kg/m3；林道侵蝕溝徑流的泥沙含量則隨著匯流的增多(從上段至下段)而逐漸增高，侵蝕溝上、中、下段的泥沙含量平均值0.56 kg/m3；集水區河流不同河段的泥沙含量存在一定差異，其中，出水口的最高，比中斷面的大21.6%，上斷面的次之，上、中、下斷面的平均含量為0.41 kg/m3。采伐后58 d，各種界面徑流的泥沙含量顯著升高，其中，坡上、坡中和坡下的泥沙含量平均值比采伐前的增加92.6%；林道侵蝕溝泥沙含量隨高程變化而變化的規律與采伐前相反，上段最高，而后逐漸降低，3的段位的泥沙含量平均值為3.55 kg/m3，是采伐前的6.3倍；河流的泥沙含量也呈現出隨徑流增多而逐漸增高的趨勢，3個斷面的泥沙含量平均值為1.49 kg/m3，是采伐前的3.6倍。采伐后58 d，在各種界面中，滑木道的泥沙含量最高，其上坡、中坡和下坡的平均含量達7.52 kg/m3，分別為坡面徑流的21.5倍、林道侵蝕溝的2.1倍和河流的5.0倍。

表2 采伐前后集水區內各種界面徑流的泥沙含量 kg/m3

注：*代表與采伐前相同部位徑流泥沙含量差異顯著水平p=0.01，“—”代表未發現。

2.3 采伐前后河流流量、泥沙含量和輸出量變化

桉樹采伐前1 a(2013年5月—2014年4月)，降雨總量為1 595.5 mm，比采伐后1 a(2014年5月—2015年4月)的降雨總量(1 308.5 mm)多287.0 mm。采伐前的年產流量為367.9 mm，產流系數為0.231，產流主要發生在5—9月(圖1)，占年總量的86.6%。采伐后，年產流量為371.2 mm，產流系數為0.284，比采伐前的高22.9%。采伐后河流徑流泥沙含量顯著增加，其年均值達0.57 kg/m3，比采伐前的(0.20 kg/m3)高185%，其中，采伐后河流徑流泥沙含量急劇升高，而后逐漸下降，采伐后第一個月，泥沙含量是采伐前同月含量的4.2倍，采伐后183 d內，泥沙平均含量是采伐前同時段的3.7倍，183 d后基本恢復至采伐前的水平。采伐后1 a河流泥沙輸出總量達407 t/km2(約為315 m3/km2)，是采伐前同期(107 t/km2)的3.9倍，其中，采伐后前183 d占其年輸沙總量的99.5%。

2.4 侵蝕總量與組成

假設侵蝕的土壤全部被徑流輸出集水區外或淤積在河床上(遷移至其他部位的只計林道崩塌，其余忽略)，則可估算采伐后各種侵蝕界面對侵蝕總量的貢獻。采伐后第一年的侵蝕總量為1 613 t/km2(林道崩塌329 t/km2，河道淤積285 t/km2，河道出水口沉砂池沉積592 t/km2，出水口徑流輸沙407 t/km2)，是采伐前的15倍。其中，林道路基侵蝕溝占28.3%，林道崩塌占20.5%，其他(包括林地坡面、滑木道、細溝、沖溝等)占51.2%；有61.9%的侵蝕泥沙(河水懸移質和出水口沉砂)輸出集水區。因此，由林道修建直接引起的土壤侵蝕(路基侵蝕溝、林道崩塌、路基邊坡侵蝕)占總量的48%以上。滑木道徑流泥沙含量是坡面徑流的21.5倍，同時，滑木道集雨面積占林地坡面面積的17.5%，由于僅有1次監測數據，尚不能計算其貢獻率，但可據此推斷滑木道亦為重要的土壤侵蝕策源地。

圖1 采伐前后桉樹人工林集水區河水的泥沙含量與輸沙量

3討 論

3.1 林道修建對土壤侵蝕的影響

在有一定坡度的地方修建道路，會形成路塹邊坡、路基和路堤邊坡3種新的侵蝕界面[18]。修建單位長度林道所產生的土石方量主要與林地坡度、林道寬度有關[19]，在坡度為70°的地形下修建4 m寬的林道，土石方的產量高達11 300 m3/km，本研究中集水區平均坡度為24°，修建的林道較窄(3.26 m)，因此產生的土石方量相對較少(4 082 m3/km)，但由于林道密度高，因此，單位面積的土石方開挖量達61 811 m3/km2，這是由于桉樹人工林輪伐周期短，頻繁的撫育與采伐對林道密度要求較高。以往研究表明，路塹和路堤邊坡是林道土壤侵蝕主要策源地，其中，路塹邊坡因其徑流系數更大，其侵蝕強度可達161 g/m2，是路堤邊坡和路基的11～16倍[20]，因此，林道的修建會引起嚴重的水土流失。本研究中，桉樹采伐后坡面徑流泥沙含量只比采伐前增加92.6%，而集水區內河流出口斷面泥沙含量則比采伐前高2倍，而以往被忽視的林道侵蝕溝占總量的28.3%，因此，林道侵蝕溝對河流輸沙量的增加起主要貢獻，這是因為林道改變了林地徑流原有的路徑，徑流被林道隔斷后，沿著路面往路基下方流動，如果路塹邊坡一側不建排水溝，匯集的徑流巨大的沖刷力會產生新的侵蝕溝，侵蝕溝的密度隨著水蝕作用逐漸增大，再次促進土壤侵蝕的發生。本研究中，正是由于簡易林道沒有設置排水溝，導致了路基嚴重的土壤侵蝕。

季節是影響土壤侵蝕的重要因素，在雨季由于土壤比較濕潤，尤其是在坡度大的部位(如路塹邊坡)，更容易產生嚴重的土壤侵蝕[21-22]。本研究中，雨季(5—10月)的侵蝕量占全年侵蝕總量的99.5%，其中，又以6—8月最大，是因為在這個時段的雨強和雨量均為最大，土壤最易于水飽和，極易發生土壤蠕動、片狀沖刷、下滑等比較嚴重的侵蝕現象[23]，而在路基邊坡和路面，則容易發生崩塌、細溝與沖溝侵蝕現象[21]，本研究中，林道邊坡嚴重的崩塌(占侵蝕總量的20.4%)均發生在夏季，正是由上述原因引起的。因此，構建良好的林道排水溝和邊坡穩固系統，可減少桉樹人工林采伐后1年48%以上的土壤侵蝕。

3.2 桉樹采伐對土壤侵蝕的影響

桉樹皆伐作業以及采伐后的林地清理與煉山活動，致使原有植被幾乎全被清除，使得水滴到達土面時的動能增加[24]；伐木、滑木、木材裝載等作業過程導致78%左右的林地土壤裸露，并使表層與底層土壤混合；機械與木材對土壤的碾壓，導致其容重增加、導水孔隙變小[11]；采伐后的煉山，減少了土壤有機物含量[25]。上述植被與土壤的變化，均會引起林地產流量增加[26]，易侵蝕面擴大，從而加劇土壤侵蝕[12]。以往研究中，通過徑流小區監測發現，桉樹采伐后第一年，土壤侵蝕模數一般在0.7～135 t/km2，這一數值與本研究中的坡面侵蝕基本相當，隨著植被的迅速恢復，其侵蝕模數會迅速降低[14，26]。而根據林地裸露率，采用遙感影像—侵蝕模數估算，得出的桉樹采伐后侵蝕模數高達8 000～13 000 t/km2[27]，遠大于本研究所得的年侵蝕總量(1 613 t/km2)，這是因為前者僅為采伐后初期的瞬時侵蝕強度。本研究中，滑木道徑流泥沙含量高，這是由于木材沿坡面下滑過程中，滑木道表土受到了較強的摩擦，土壤顆粒變小而分散，同時，滑木道地勢較低，匯流作用較大，形成了細溝侵蝕的緣故。滑木道隨著水蝕作用的增強而侵蝕量逐漸變大，這導致更多的侵蝕物質運移到林道以及河道淤積。通過徑流泥沙的監測，對于侵蝕量的監測更準確，也揭示了桉樹人工林的土壤侵蝕過程和機理。

4 結 論

林道修建以及桉樹采伐后，人工林土壤侵蝕總量顯著增加。土壤侵蝕主要發生在5—10月，侵蝕量占全年總量的99.5%。采伐過程中，林道是最大的策源地，土壤侵蝕總量較大，其主要的侵蝕現象為路基侵蝕溝侵蝕和邊坡崩塌，桉樹人工林頻繁的撫育與采伐，需要高密度的林道，而簡易林道又缺乏良好的排水與邊坡穩固系統，這是林道土壤侵蝕嚴重的重要原因。采伐集材作業形成的滑木道是林地坡面水蝕的主要策源地，林道修建、采伐與集材，導致桉樹人工林集水區采伐后河水泥沙含量急劇升高，而后逐漸下降，6個月后恢復至采伐前水平。研究結果可為桉樹人工林采伐過程中產生的土壤侵蝕問題提供科學依據。