山西省太谷縣不同退耕還林模式生態效應研究

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環境、保障生態安全、強化生態扶貧的重大決策，也是調整農村經濟結構、拓寬農民收入渠道、推進生態文明模式的重要舉措[3，4]。太谷縣地處黃土丘陵區，位于山西省晉中盆地東北部，是治理水土流失的重點區域，刺槐(Robiniapseudoacacia)和山桃(Mountainpeach)是退耕還林的優選鄉土樹種。因此，研究山西省太谷縣不同退耕還林模式生態效應對于區域生態環境建設及其效益評價具有重要理論和現實指導意義。

2 材料和方法

2.1 研究區概況

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，塊狀或寬帶狀混交)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

采用單因素隨機區組設計，通過野外采樣、定點觀測和室內外實驗，分析不同退耕還林模式生態功能效應。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，環刀法測量容重和孔隙度，重鉻酸鉀法測定土壤有機質，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生又不斷消失，負氧離子濃度及壽命與群落類型、年齡結構、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指標

土壤是復雜的多孔體，黃土丘陵區多為超滲產流，土壤層是森林涵養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化為地下徑流；有機質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富集明顯，增加了土壤C源和N源，提高了土壤肥力質量，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

小氣候效應是區域生態效應發揮的基礎，林業已成為應對氣候變化的戰略選擇。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，采用單因素隨機區組設計，研究了相同退耕還林年限的生態效應，所得結論有一定程度的參考價值，但仍存在局限性。森林生態效益涉及水、土、生、氣等多方面內容，受植被因子和環境要素共同作用和制約，至今仍無法對森林生態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脆弱區的恢復與重建的關鍵切入點，既要考慮國家對生態的需求，又要兼顧群眾對利益的要求，本著適地與適樹相結合、保護與重建相結合、樹種和林種相結合、短期與長期相結合的原則，有效保護現有森林資源的同時，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，強化鄉土樹種苗木培育，合理配置喬灌草和網帶片，以異齡混交復層林為終極演替發展目標。

5 結論

相同退耕年限的不同退耕還林模式生態效益不同，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。