退耕还林工程的生态效益随着工程的全面实施已经成为了人们关注的焦点，关于退耕还林工程的生态效益评价研究也成为当今学术研究的热点之一。土壤是林木生长的重要基质，也是森林生态系统研究的重要组成部分[1,2]。我国学者从植被改良土壤的角度对退耕还林作了广泛深入的研究，取得了一定的成果[3,4]。任何一个土壤理化性质的改变都会直接或间接的影响到土壤其他组成部分，因此土壤的理化性质是判断土壤的养分水平和分析土壤质量变化的重要指标[5-8]。关于土壤理化性质时空变化的研究很多，但现有研究主要是通过空间代替时间的方法来研究植被演替过程与相应的土壤肥力质量的变化[9-13]，张玉斌等[14]研究指出土地利用方式变化是影响土壤质量最普遍、最直接、最深刻的因素；对退耕还林后土壤理化性质的自然变化的研究较少。杉木林是四川省主要退耕树种之一，本文以天全县退耕还杉木林为研究对象，对退耕还林初期连续四年杉木林土壤理化性质的变化进行了研究，旨在探讨退耕还林对土壤的改良作用以及改良过程，为退耕还林工程生态效益评价研究提供一定的数据支撑的理论支持。
1研究区概况
1.1天全县概况
天全县位于四川盆地西部边缘，东经102°16′～102°55′，北纬29°49′～30°21′。年降雨量达1735.6，年均温度15.1℃，极端高温33.17℃，极端低温-3.5℃，无霜期282天。土壤类型主要有紫色土、黄壤、黄棕壤等。森林覆盖率达50.23%，主要优势树种有冷杉、栎类、云杉、硬阔、软阔、华木、杉木、马尾松等。紫石乡位于天全县境中南部，离县城18km2。
1.2天全县退耕还林工程概况
天全县于1999年起在全国率先实施退耕还林试点工程，截至2006年底，共完成退耕还林面积10533.3hm2，配套荒山造林面积7466.7hm2。在10533.3hm2退耕还林面积中，种植楠竹、杂交竹等竹子面积6200hm2，种植杉木、桤木等生态树种4333.3hm2。全县共减少森林砍伐100万m3，全县森林覆盖率由1998年的52.03%，提高到59.5%，增加7.47%；水土流失得到了明显的控制，工程建设取得了显著的成效。
2研究方法
2.1实验样地设置
杉木生态林是四川省的主要退耕还林树种，具有较强的代表性。本研究于2002年在天全县紫石乡设置了1个20m×20m的固定标准样地，样地四角以红木桩固定并用铁丝进行了围栏保护，以用于长期定位观测，本研究从2002年至2005年对该样地进行了连续观测。样地初期的基本情况如表1所示：
2.2样品采集
于2002年至2005年的每年10月份在选定的20m×20m的标准样地内坡上、坡中、坡下随机各挖取2个土壤剖面，按0~20cm、20~40cm两个层次进行土壤样品的采集，用环刀取原状土用于测定土壤容重、持水量和孔隙度；用塑封袋分层取样，每个土样约500g，共计12个土样，用于测定土壤有机质及氮磷钾含量等各项指标。
2.3样品分析与测定
用环刀法[15]测定土壤的容重、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等物理性质。将土样带回实验室风干、研磨、过筛后，测定土壤中有机质和全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷和速效钾的含量，具体方法如下：采用消解炉消解-氧化还原滴定法测定有机质含量[16]；采用半微量凯氏法测定土壤全氮含量；采用碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量；采用碱融-火焰光度计法测定土壤全钾含量；采用碱解扩散法测定土壤有效氮含量；采用NH4F-HCI浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；采用CH3COONH4浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量。
3结果分析
3.1土壤物理性质
3.1.1土壤孔隙状况土壤的容重和孔隙度是土壤的基本物理性质，能直接反映土壤的透水性和透气性，对林地涵养水源以及保育土壤功能有着重要的影响。从表2可以看出，杉木生态林土壤的容重随深度增加而增加，并且随着退耕年限的增加，0~20cm、20~40cm、0~40cm土壤容重都减小。2002年0~40cm土壤平均容重为1.30g/cm3，到2005年0~40cm土壤平均容重仅为0.94g/cm3，土壤容重减少了27.69%，其中0~20cm层土壤容重减少了31.75%，20~40cm层土壤容重减少了23.31%。从表2中还可以看出，杉木生态林不同土层深度土壤孔隙度不同且随着退耕年限的增加是逐渐变化的。从总孔隙度来看，0~20cm层土壤总孔隙度始终大于20~40cm层，随着退耕年限的增加土壤总孔隙度呈现出先减少再增加的变化趋势，2004年土壤总孔隙度最小，为54.50%。从毛管孔隙度来看，各层土壤毛管孔隙度随着退耕年限的增加而减小，并且0~20cm层减小的更多，2002-2003年0~20cm层毛管孔隙度大于20~40cm层，2004-2005年0~20cm层毛管孔隙度小于20~40cm层。从非毛管孔隙度来看，0~20cm层土壤非毛管孔隙度始终大于20~40cm层，0~40cm层土壤非毛管孔隙度随着退耕年限的增加是逐渐增加的，其中0~20cm层表现出逐渐增加的变化，而20~40cm层变化规律不明显。这表明退耕还林后，林地土壤的孔隙结构会逐渐改善，尤其是土壤的非毛管孔隙度会逐渐增加，这对于改善土体结构的疏松透气性具有明显效果，能有效增加林地土壤的透水能力减少地表径流，从而防治水土流失。3.1.2土壤水分状况土壤水分状况是评价森林土壤水源涵养能力的一个重要指标，也是植物生长不可缺少的条件。从表3可以看出，退耕地还杉木生态林后，随着土壤孔隙状况的改善土壤水分状况也在逐渐提高。随着土壤深度的增加，最大持水量、毛管持水量、最小持水量均减小，并且随着退耕年限的增加呈增大的趋势。从2002年到2005年杉木生态林最大持水量、毛管持水量、最小持水量分别增加了24.45%、9.44%、10.65%。这表明退耕还林后，土壤水分状况得到了很大的改善，具有一定的保水供水能力，能够有效的减少地表径流，发挥林地涵养水源保持水土的功能。
3.2土壤化学性质
3.2.1土壤有机质含量土壤有机质是土壤化学性质的重要组成部分，是林木营养的主要来源，会在不同程度上对土壤的物理、化学及生物学活性产生影响。由图1可以看出，杉木生态林0~20cm层土壤有机质含量明显高于20~40cm层土壤有机质含量，存在表层富集现象，这是由于凋落物集中在地表积累分解以及植物根系主要在浅层分布共同导致的。从图1还可以看出，随着退耕年限的增加，0~20cm、20~40cm、0~40cm层土壤有机质含量均逐渐增加，这说明退耕后杉木生态林长势良好，根系越来越发达，凋落物越来越丰富，良好的水热条件有利于微生物的活动，进而促进了凋落物的分解。另外，随着退耕年限的增加，0~20cm层和20~40cm层的土壤有机质含量的差异不断缩小，进一步说明退耕后杉木生态林的土壤性质发生了很好的变化，杉木生态林生长越来越好。3.2.2土壤氮磷钾含量土壤养分是表征土壤肥力状况的重要指标，全面测定各养分含量有助于更好地了解土壤肥力状况，进而更好地研究退耕还林的生态效益。氮、磷、钾是植物生长必需的重要营养元素，植物生长所需的氮素有50%来自于土壤，磷素则全部来源于土壤[17]。从表4可知，除有效磷之外，随着退耕年限的增加，0~20cm、20~40cm、0~40cm层土壤各养分含量均呈逐渐增加趋势。其中，0~40cm层土壤有效氮含量在2003a和2004a的增幅最大，同比增长率分别为197.62%和96.36%；0~40cm层土壤速效钾含量在2004a和2005a的增幅也较大，同比增长率分别为10.27%和10.31%；0~40cm层土壤全氮含量在2003a、2004a和2005a的增幅变化不大，分别为7.08%、6.62%和7.66%；0~40cm层土壤全磷和全钾含量在2004a的增幅相近，分别为9.64%和9.22%。然而0~40cm层土壤有效磷含量在2003a和2004a有所降低，下降比率分别为11.66%和17.36%。出现上述现象的原因可能是：第一，退耕初期对林地施用氮肥和钾肥较多，而施用磷肥较少；第二，酸性土壤中游离态Fe3+、Al3+质量分数较高，易形成磷酸铁、磷酸铝沉淀[18]，从而使得土壤中有效磷含量较低。从表4还可得出，除了有效氮和有效磷之外，随着退耕年限的增加，0~20cm层和20~40cm层的土壤养分含量的差异也越来越小，更好地说明了退耕后林地土壤性质发生了很大变化，土壤改良效果明显，退耕还林生态效益日渐突显。综上所述，相比于退耕前，杉木生态林土壤各养分状况得到了很好的改善，可以有效地提高林木的生物量，生物量的增加又可以对林地的生态功能改善产生积极影响，进而产生良好的退耕还林生态效益。
4结论与讨论
(1)退耕还林后，林地土壤的孔隙结构会得到有效的改善，尤其是土壤的非毛管孔隙度会逐渐增加，一方面可以明显增加土体结构的疏松透气性，另一方面能有效增加林地土壤的透水保水能力，使得土壤水分状况得到很大的改善，从而有效地减少地表径流，发挥林地涵养水源、保持水土的功能，防治水土流失。这与熊皓波[19]、李红等[20]、田野宏等[21]的研究结果相一致，但是也有一些学者的研究结果与本文不同，如苏木荣等[18]在南亚热带地区对3~11a针阔混交林进行的研究，其发现土壤的非毛管孔隙度和土壤通气度表现为先升高后降低。这可能是由于本文只研究了退耕还林的初期情况，而没有观测退耕还林的长期变化所产生的不同。因此，本文的研究还有待于进一步进行长期观测，以便于更好地分析讨论退耕后林地产生的生态效益。(2)退耕还林后，林地土壤有机质及其他养分含量均呈逐渐增加的趋势，且随着退耕年限的增加，土壤上、下层之间的差距逐渐变小。这说明相比于退耕前，杉木生态林土壤养分状况得到了很好的改善，可以有效地提高林木的生物量，生物量的增加又可以对林地的生态功能改善产生积极影响，进而产生良好的退耕还林生态效益。康庙等[24]的研究也发现，坡耕地退耕还林后除速效磷和速效钾外，土壤有机质、全氮、速效氮、全钾均表现为退耕地﹥坡耕地。(3)还有研究发现，退耕还林后土壤的理化性质得到了很大的改善，但是不同退耕还林模式对土壤的改良效果不同[17,22]，王昭艳等[23]对流域植被恢复的研究也得到相似的结论。肖灵香等[25]的研究也发现不同森林在土壤养分的积累、贮存和转化等方面差异显著，因此退耕还林工程实施中树种的选择非常重要。熊皓波[19]对人工杉木林套种阔叶树研究发现，土壤理化性质进一步得到了更好的改善，因此还可以考虑在退耕还杉木林的过程中适当套种阔叶树，以达到更好的水土保持的效果。本文只研究了杉木林这一单一林分退耕后的土壤性质变化，相对比较简单，因此以后在这一地区要加强对多种不同退耕模式的研究，尤其是杉木林作为四川地区一种主要的退耕树种，更要加强对杉木林和阔叶树套种的研究，以期为该地区创造更好的生态环境。
作者：马力 刘勇 单位：长江勘测规划设计研究有限责任公司
