川南马尾松低效林改造初期产流产沙特征及水土保持功能评价

川南马尾松低效林改造初期产流产沙特征及水土保持功能评价我国人工林在经营过程中,由于长期纯林经营或经营措施不当等因素,普遍存在的生物多样性丧失严重,生产效率低下、生态功能普遍不高、水土流失严重等生态安全问题。采用珍贵乡土用材树种改造现有低产低效人工林是提高人工林生产效益和生态防护功能的重要途径。但在进行人工林改造过程中由于采用不同的改造模式或进行不同方式的整地技术,不可避免的导致改造初期水土流失加剧和土壤抗蚀性下降的现象。本文以川南低山丘陵区马尾松低效人工林为研究对象,采用设置4种不同大小林窗以及林窗内建立5个人工径流小区的方法,从枯落物持水功能、土壤抗蚀性变化以及地表产流产沙等方面入手,对马尾松低效林不同模式改造初期坡面产流产沙特征及演变过程、枯落物持水、土壤抗蚀性变化及相应的土壤水土保持功能进行了系统研究,探索马尾松低效林不同改造模式下林地水土保持功能演变规律,以期为当地低效人工林改造和更新,及森林可持续经营提供理论和技术支撑。经过试验取得以下研究结果:(1)、试验区降雨多集中于6～9月份,年均降水总量约1000mm。试验期2.5a内最小降雨量为1.2mm,最小产流降雨量为6.9mm,最大降雨量为93.8mm。径流小区试验开始一年后,各小区径流系数下降幅度超过30%,皆伐小区达到50%左右。降雨量与地表径流量相关系数在0.905以上。(2)、2012年下半年径流小区产沙次数均超过2013年和2014年全年产沙次数,产沙降雨由最初超过50%降至20%左右。5个径流小区产沙量大小与受人为扰动程度一致,Ⅲ号皆伐小区最高,Ⅰ号最低。冬季由于降雨量较少,无产沙现象发生。试验初始阶段各径流小区侵蚀模数均在6000t/km2·a以上,2014年时降至700t/km2·a以下。(3)、选取中雨、大雨、暴雨3种类型共计9次典型次降雨,对比不同次降雨条件下径流小区产流、产沙特征。2014年Ⅰ～Ⅴ号径流小区各雨量级次降雨产流量分别比2012年降低-6.44%,-10.51%,20.95%,13.28%,12.73%;产沙总量降低58.4%,56.38%,77.72%,78.16%,79.68%。降雨量与产流量之间线性关系拟合程度较好,R2为0.9536;与产沙量拟合后R2为0.4647。表明坡面径流大小主要受降雨量影响,而产沙量大小则是由多种因素共同决定。产流量与产沙量拟合后R2达到0.6356,说明二者存在较密切关系。(4)、不同大小林窗未分解层枯落物比例大小为CK>L30>L20>L40>QK>L10,已分解层的比例大小排序为L20>L10>L40>QK>L30>CK。枯落物最大持水总量大小排序为L30>QK>L10>L20>L40>CK。林窗和QK两种改造措施下枯落物有效拦蓄量处于8.85t/hm2～11.14t/hm2之间,均高于CK(7.64t/hm2),有效拦蓄量大小排序为L30>QK>L10>L20>L40>CK。枯落物层持水量与浸水时间存在以下关系:w=alnt+b[249],R2均在0.86以上。4种不同大小林窗改造模式下枯落物吸水速率大小排序为未分解层>半分解层>已分解层;QK大小排序为半分解层>未分解层>已分解层;CK大小排序为半分解层>已分解层>未分解层。(5)、CK在6种类型样地中土壤持水能力表现最佳;表层土壤(0～20cm)最大持水量和田间持水量等指标均好于第二层(20～40cm)。两种改造模式土壤总孔隙度和毛管孔隙度两项指标均比CK样地土壤低,非毛管孔隙度则高于CK。表层土壤毛管孔隙度大于第二层,非毛管孔隙度对比后结果则相反。表层土壤容重大小排序为L30-1(1.50g/cm3)>L40-1(1.37g/cm3)>L20-1(1.36g/cm3)>L10-1(1.34g/m3)>CK-1、QK-1(1.33g/cm3);第二层容重大小排序为L20-2(1.58g/cm3)>L10-2、QK-2(1.50g/cm3)>L30-2(1.45g/cm3)>CK-2(1.40g/cm3)>L40-2(1.39g/cm3)。随着改造时间推移,规格小于30m的林窗2～5mm粒径团聚体比例呈现上升趋势,0.5～1mm和1～2mm粒径团聚体比例呈下降趋势。各粒级水稳性团聚体比例多数都随时间推移而减小。CK样地的土壤平均重量直径(MWD)均显著高于其他样地。0～20cm土层MWD值随林窗面积增大而减少。各样地间MWD差异不显著。除L10样地0～20cm土层团聚体破坏率有小幅下降以外,其余样地该指标均有不同程度增加。与CK相比,不同改造模式表层土壤有机质含量明显降低,但下层变化幅度不大,从改造模式看,皆伐模式低于林窗,大林窗低于小林窗。不同类型样地土表层土壤有机质含量差异极显著,而第二层土壤除CK与L10和L40与QK之间有机碳含量差异不显著以外,其余为极显著。(6)、选取土壤不同层次最大持水量、土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、容重、平均重量直径、团聚体破坏率、可蚀性因子K、有机碳含量等9个指标,采用主成分分析法得到两个主成分回归方程:F1=0.01X1+0.127X2+0.182X3-0.245X4+0.114X5+0.136X6-0.179X7-0.178X8+0.111X9;F2=0.346X1+0.068X2-0.071X3+0.408X4-0.502X5+0.067X6+0.044X7+0.041X8+0.092X9。并推算出水土保持功能综合评价指数F=0.797F1+0.203F2。结果显示CK综合指数最高,L10和L20分列二、三位,且两者水土保持功能差别不大,好于L30、L40和QK样地。综上所述:马尾松低效人工林改造初期随着植被的恢复,地表产流、产沙明显降低。但土壤持水能力、水稳性团聚体、有机质含量及土壤抗蚀性等均呈下降趋势,且随干扰程度的增加