紅壤侵蝕區(qū)水土保持植物配置模式

楊潔,謝頌華,喻榮崗,郭曉敏

(1.江西農(nóng)業(yè)大學,330045;2.江西省水土保持科學研究所,330029:南昌)

紅壤侵蝕區(qū)水土保持植物配置模式

楊潔1,2,謝頌華2,喻榮崗1,2,郭曉敏1?

(1.江西農(nóng)業(yè)大學,330045;2.江西省水土保持科學研究所,330029:南昌)

為探索中國南方紅壤侵蝕嚴重區(qū)水土流失快速治理的方法和途徑,在江西省的修水、寧都、石城等縣花崗巖發(fā)育的紅壤侵蝕區(qū),對 16種水土保持植物配置模式的植物生長狀況、蓄水保土效益、改土增肥效益、經(jīng)濟效益 4方面進行觀測,通過建立評價模型,對不同人工植物群落配置模式的水土保持效益進行綜合定量評價。結(jié)果表明:修水試驗區(qū)馬尾松 +木荷+胡枝子+黃梔子、馬尾松 +木荷 +泡桐 +胡枝子,寧都試驗區(qū)馬尾松 +木荷 +胡枝子,石城試驗區(qū)濕地松+楓香+胡枝子+硬骨草、濕地松+胡枝子+硬骨草和濕地松+胡枝子 +百喜草配置模式各種效益表現(xiàn)優(yōu)良,可以在同類地區(qū)大力推廣。

紅壤侵蝕區(qū);水土保持;植物配置模式;江西省

紅壤是江西省地帶性土壤的主要類型,面積約占全省土地總面積的 64.78%[1]。紅壤區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,種類繁多,豐富的植被組成在紅壤的發(fā)育過程中起著重要的作用,但隨著人類長期的索取和不合理的經(jīng)營,植被資源遭到破壞,導致紅壤缺乏植被保護,造成水土流失。相關(guān)資料[2]顯示,江西省水土流失面積一度達 461.5萬 hm2。隨著人類社會的發(fā)展進步和水土資源保護意識的增強,人們對水土流失采取植物措施、耕作措施和工程措施等相關(guān)措施進行治理和恢復(fù),2000年,該省水土流失面積降到 334.7萬 hm2,但仍然占土地總面積的 20%。一些水土保持工作者針對植物措施,在紅壤區(qū)進行了植物品種優(yōu)選、植物群落分布和植物措施水土保持效能等方面的基礎(chǔ)研究[3-9],這些研究和實踐對指導紅壤侵蝕區(qū)的水土流失防治,維護和提高土地生產(chǎn)力起到了一定的促進作用;但是,應(yīng)看到在植被恢復(fù)過程中,由于對南方紅壤侵蝕區(qū)水土保持植物配置模式上的研究不足,在一定程度上制約了南方水土流失防治的步伐。建立適合紅壤區(qū)自然條件和經(jīng)濟發(fā)展特點的植被快速恢復(fù)模式,已經(jīng)成為紅壤侵蝕區(qū)治理水土流失、恢復(fù)和提高土地生產(chǎn)力的迫切需要。

筆者以江西省修水縣、寧都縣和石城縣為研究區(qū),通過不同植物配置模式的對比試驗,觀測分析不同植物配置模式植物生長狀況、土壤理化性質(zhì)、蓄水保土效益和經(jīng)濟效益,建立層次分析結(jié)構(gòu)模型,對不同植物配置模式的水土保持效益進行綜合定量評價,以期為南方紅壤侵蝕區(qū)植被快速恢復(fù)和重建提供科學依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省修水縣、寧都縣和石城縣,3個試驗區(qū)均屬亞熱帶季風氣候區(qū)。修水試驗區(qū)多年平均降水量 1 617.0mm,多年平均氣溫 16.5℃,無霜期 247 d。寧都試驗區(qū)多年平均降水量 1 604.0 mm,多年平均氣溫 18.7℃,無霜期 279 d。石城試驗區(qū)多年平均降水量 1 666.7mm,多年平均氣溫19.3℃,無霜期 285 d。試驗區(qū)土壤均為花崗巖發(fā)育的紅壤。土壤侵蝕程度為強度。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。2002年,在具有典型性和代表性的人工植物群落內(nèi),選擇立地條件和治理情況相近的區(qū)域隨機放樣,建立不同植物配置模式標準樣地(20m×20m),樣地配置情況見表 1。

表 1 不同植物配置模式典型樣地基本情況Tab.1 Basic situation of typicalp lots under differentp lantdisposition pattern

2 研究方法

2.1 評價指標數(shù)據(jù)獲取方法

以植物生長狀況指標、水源涵養(yǎng)效益指標、保土效益指標和經(jīng)濟效益指標作為評價的指標,各指標數(shù)據(jù)獲取方法如下。

1)植物生長狀況指標。2002—2005年,每年秋季進行植物株(叢)高、地徑、冠幅、生物量及植被覆蓋度等指標的觀測。喬木生長量采用樣株法測定,灌木及草本的生長量以 1m×1m的樣方測定。

2)水源涵養(yǎng)效益指標。雨季采用蘸水法[11]測定植物冠層截留量?？萋湮镔|(zhì)量及浸水密度的測定:在試驗地每一小區(qū)內(nèi)設(shè)置 3個 1 m2的固定樣方,樣方采用木板隔開,收集樣方內(nèi)枯落物,2002至2005年秋季進行采集,測定枯枝落葉物厚度及風干后質(zhì)量,即為枯落物質(zhì)量;稱量后枯落物浸入水中24 h撈出,不滴水時稱濕質(zhì)量,以濕質(zhì)量減去干質(zhì)量,即得單位面積的枯落物水容量。

3)保土效益指標測定。采用樁釘法測定土壤侵蝕量。在標準樣地內(nèi),將直徑 0.5～1.0 cm,長50～100 cm的鋼釬,按一定距離分上中下,左中右縱橫各 3排(共 9條)打入地下,鋼釬頂部涂上紅漆并與地面平齊。2002—2004年,每年秋季調(diào)查釬頂距地面高度,計算土壤侵蝕量。

4)經(jīng)濟效益指標。2003—2004年分別進行調(diào)查訪問。

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)試驗前后分別取 0～20 cm土層混合土樣進行分析,分析方法為:土壤含水量用烘干法,土壤密度用環(huán)刀法,有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀法,速效氮含量用堿解蒸餾法,速效磷含量用 Na2CO3堿熔鉬銻抗比色法,速效鉀含量用火焰分光光度計法,pH值用酸度計法進行測定。

2.3 效益指數(shù)評價值計算方法

采用 n元參數(shù)歸一化線性函數(shù)模型(加權(quán)平均模型)確定效益評價指數(shù)(Y)值,計算公式為

式中:n為評價指標數(shù);wi為第 i個評價指標的權(quán)重值;bi為第 i個評價指標的標準化值,其計算方法除b8(土壤密度標準化值)采用下限效果測度外,其余指標均采用上限測度法計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土保持不同植物配置模式植物生長狀況

從表 2中可以看出,在不同配置模式中,馬尾松年株高、冠幅等生長狀況差異突出。單一營造馬尾松及濕地松純林,即使加強人工撫育及管理等手段,都不能充分發(fā)揮其自身的生長潛能。在試驗區(qū)域,通過選用適生能力強的植物品種與馬尾松和濕地松混植,可有效地改善植物生長的立地條件和水熱條件,大幅度地提高馬尾松生長量,逐步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,有利于耐蔭植物、動物及微生物等生命體的遷入,促進植物群落朝著穩(wěn)定和高級方向演替。通過改造試驗,幾種適生能力比較強的植物組合在一起能夠起到生態(tài)位的優(yōu)勢互補作用。

表 2 不同植物配置模式的植物生長狀況Tab.2 Plantgrowth of different plant disposition pattern

3.2 水土保持不同植物配置模式蓄水保土效益

植物的冠層截留量和枯落物水容量是衡量植物涵養(yǎng)水源的重要指標。從表 3可見,不同植物配置模式冠層截留量和枯落物水容量差異明顯,各試驗區(qū)造林后第 3年時不同植物配置模式的冠層截留量的觀測結(jié)果表明:植被層次結(jié)構(gòu)多、地上生物量多和覆蓋度大的植物配置模式比植被層次結(jié)構(gòu)少、地上生物量少和覆蓋度小的冠層截留量要大;同一植被層次結(jié)構(gòu)的植物群落,植物品種多的植物配置模式比植物品種少的冠層截留量要大。各試驗區(qū)造林后第 3年時不同植物配置模式的枯落物風干質(zhì)量及枯落物水容量的測定結(jié)果表明:豐富植被層次結(jié)構(gòu)和增加植物多樣性及針闊混交造林方式都能夠增加地表枯落物的蓄積量,有效地增加林分地表攔蓄降水的能力(詳見表 3)。另外從表 3中可以看出,由于多層植被攔截作用,植物群落的層次結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,其控制水土流失的效果越佳。同一植被層次結(jié)構(gòu)的植物群落,無論是增加適生喬木還是增加適生灌木的植物種類,都能夠增強植物群落控制土壤侵蝕的能力,且喬草結(jié)構(gòu)的減蝕效果略優(yōu)于喬灌結(jié)構(gòu)。

表 3 不同植物配置模式蓄水保土效益Tab.3 Soil and water conservation benbfits of different plant disposition pattern

3.3 水土保持不同植物配置模式改土增肥效益

土壤物理和化學性質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標。由表 4可見,造林后第 3年,不同植物配置模式土壤理化性質(zhì)變化不一。在修水試驗區(qū),喬灌結(jié)構(gòu)的增肥效果明顯優(yōu)于純喬結(jié)構(gòu),同為喬灌結(jié)構(gòu),增加群落適生喬木或灌木品種都能夠有效地改善土壤理化性狀、提高土壤肥力,而增加灌木種類比增加喬木品種改土增肥效果更好;在寧都試驗區(qū),喬灌、喬草等結(jié)構(gòu)與純喬結(jié)構(gòu)相比,能夠有效地改善土壤理化性狀,提高土壤肥力,植物種數(shù)相同的條件下,N3模式提高土壤肥力與改善土壤結(jié)構(gòu)的能力優(yōu)于 N1模式,同為喬灌結(jié)構(gòu),N2模式改土增肥的效果優(yōu)于 N1模式;在石城試驗區(qū),灌草結(jié)構(gòu)模式中,灌木相同的情況下,狗尾草的抗逆性明顯優(yōu)于硬骨草,S2模式表現(xiàn)出的各種理化性狀測試指標也優(yōu)于 S1模式,在喬灌草結(jié)構(gòu)模式中,針闊混交復(fù)層模式(S5)改土增肥效果好于針葉林復(fù)層模式(S3、S4)。

3.4 水土保持不同植物配置模式經(jīng)濟效益

本研究僅分析試驗區(qū)不同植物配置模式的直接經(jīng)濟效益,即直接生產(chǎn)產(chǎn)品的市場價值減去稅收后實際所得。調(diào)查采取造林后的第 1年為基準年,社會折現(xiàn)率取 7%,水土保持措施經(jīng)濟期為 20年,殘值忽略不計。鮮草價格 150元/t,薪柴價格 195元/t,活立木材積 450元/m3,灌木經(jīng)濟果實 500元/t,喬木經(jīng)濟果實 1 000元/t,對不同人工植物群落進行經(jīng)濟效益分析,其中成本包括工程開挖分攤費、種苗種植費、肥料費和撫育管理費、采運費,計算結(jié)果見表 5。在修水試驗區(qū),通過增大造林前期的成本投入,采用喬灌治理模式能夠有效地提高馬尾松林的收益,在馬尾松林中適當增加經(jīng)濟林成分,如酸棗、黃梔子等,比種植闊葉樹種更能夠提高馬尾松林的收益,尤其提高造林初期的產(chǎn)出效益,排序為 X3＞X1＞X5＞X4＞X2＞X6。在寧都試驗區(qū):采用喬灌結(jié)構(gòu)造林模式的收益最好,喬草結(jié)構(gòu)造林模式居中,馬尾松純林最次;同為喬灌結(jié)構(gòu),采用 N2針闊混交方式的收益優(yōu)于 N1針葉林的收益,排序為 N2＞N1＞N3＞N4。在石城試驗區(qū):喬灌草結(jié)構(gòu)造林模式的收益最大,灌草結(jié)構(gòu)造林模式居次,濕地松純林最低;同為灌草結(jié)構(gòu),S2(胡枝子 +狗尾草)大于 S1(胡枝子 +硬骨草)的收益;同為喬灌草結(jié)構(gòu)造林模式,S5(濕地松 +楓香 +胡枝子 +硬骨草)針闊混交方式的收益優(yōu)于 S3(濕地松 +胡枝子 +百喜草)和 S4(濕地松 +胡枝子 +硬骨草)等針葉林的收益,排序為 S5＞S3＞S4＞S2＞S1＞S6。

表 4 不同植物配置模式改土增肥效益Tab.4 Soil amelioration benefits of different plant disposition pattern

表5 不同植物配置模式經(jīng)濟效益Tab.5 Economic benefit of different plant disposition pattern 元/hm2

4 水土保持植物配置模式的評價

以上單方面的指標分析表明:從單一方面的指標調(diào)查觀測數(shù)據(jù)分析,復(fù)層結(jié)構(gòu)模式明顯優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)模式,但復(fù)層結(jié)構(gòu)不同配置模式表現(xiàn)出來的情況相對復(fù)雜,僅靠某些單項指標衡量人工植物群落配置模式的總體優(yōu)劣是很難讓人信服的。不同植物配置模式的生態(tài)、經(jīng)濟效益不同,如何權(quán)衡其優(yōu)劣程度,需要建立一個能綜合反映植物措施綜合效益的評價體系。

4.1 評價模型的建立

通過分析不同植物配置模式的試驗觀測資料,篩選出地上生物量年均變化量、覆蓋度年均增長幅度、植物冠層截留量、枯落物水容量、減蝕率、枯落物風干質(zhì)量、土壤有機質(zhì)、土壤密度、凈現(xiàn)值、產(chǎn)投比等10個反映植物群落生長狀況、蓄水保土效果、改土增肥能力和經(jīng)濟增產(chǎn)潛力等屬性指標,建立層次分析結(jié)構(gòu)模型(如圖 1)。對不同植物群落配置模式的水土保持效益進行綜合定量評價,提出適合各調(diào)查試驗區(qū)的人工植物群落優(yōu)化模式。

4.2 不同植物配置模式綜合效益評價及排序

通過效益評價指數(shù)公式計算得到的各試驗區(qū)不同植物配置模式水土保持效益定量評價指數(shù)值見表6?？梢钥闯?各試驗區(qū)不同植物配置模式的水土保持綜合效益存在明顯差異。評價結(jié)果:修水試驗區(qū)X1、X4模式表現(xiàn)最優(yōu),X2、X3、X5模式表現(xiàn)一般,X6模式表現(xiàn)最差;寧都試驗區(qū) N2模式表現(xiàn)最優(yōu),N1、N3模式表現(xiàn)一般,N4模式表現(xiàn)最差;石城試驗區(qū)S5、S4模式表現(xiàn)最優(yōu),S3模式表現(xiàn)為良,S2、S1模式表現(xiàn)一般,S6模式表現(xiàn)最差。

圖 1 不同植物配置模式水土保持綜合效益層次分析結(jié)構(gòu)模型Fig.1 AHPmodel of comprehensive benefits of soiland water conservation under disposition patterns

表 6 不同植物配置模式水土保持綜合效益評價指數(shù)Tab.6 Evaluated index of com prehensive benefits of soiland water conservation under different patterns

5 結(jié)論

1)單一改造馬尾松殘次林或營造濕地松純林,即使修筑高標準的水平竹節(jié)溝等工程措施,林木生長狀況也得不到有效改善。

2)采取豐富植被層次結(jié)構(gòu)和植物多樣性等手段,能夠有效地提高馬尾松殘次林和濕地松林等人工植物群落控制水土流失、提高土壤肥力、改善生態(tài)環(huán)境的綜合能力。復(fù)層植被結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于單層植被結(jié)構(gòu),植物品種多的群落優(yōu)于植物品種少的群落,針闊混交林優(yōu)于純針葉林。

3)修水試驗區(qū)的 X1(馬尾松 +木荷 +胡枝子 +黃梔子)、X4(馬尾松 +木荷 +泡桐 +胡枝子),寧都試驗區(qū)的 N2(馬尾松 +木荷 +胡枝子),石城試驗區(qū)的 S5(濕地松 +楓香 +胡枝子 +硬骨草)、S4(濕地松 +胡枝子 +硬骨草)、S3(濕地松 +胡枝子 +百喜草)等人工植物群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)優(yōu)良,可以在各試驗區(qū)大力推廣。

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Disposition pattern of soil and water conservation plant in red soilerosion area

Yang Jie1,2,Xie Songhua2,Yu Ronggang1,2,Guo Xiaomin1
(1.Jiangxi Agricultural University,330045;2.Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation,330029:Nanchang,China)

In order to find the approach of fast controlling soil erosion in the red soil erosion area of southern China,the observation on status of vegetation growth and benefits of 16 patterns of plant disposition in red soil area are carried out which include benefits of soil and water conservation,melioration and economy.Results showed that pinusmassoniana+Schima superba+Lespedeza bicolor Turcz.+Gardenia jasminoides Ellis,pinusmassoniana+Schima superba+paulownia+Lespedeza bicolor Turcz.in Xiou-shui area,pinusmassoniana+Schima superba+Lespedeza bicolor Turcz in Ning-du area,Pinus elliottii+Liquidambar formosana Hance+lespedeza bicolor Turcz.+Panicum repens L.,Pinus elliottii.+Lespedeza bicolor Turcz.+Panicum repens L.,Pinus elliottii.+Lespedeza bicolor Turcz.+Paspalum natatum etc in Shi-cheng are good beneficial.Those patterns should be app licated to similar regions.

red soilerosion area;soil and water conservation;plant disposition pattern;Jiangxi Province

2009-04-23

2009-11-26

項目名稱:國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金 A級項目“花崗巖侵蝕區(qū)水土保持植物優(yōu)化組合技術(shù)區(qū)域試驗與示范”(02EFN 213601114)

楊潔(1958—),女,教授級高級工程師,博士研究生。主要研究方向:水土保持生態(tài)工程。E-mail:zljyj@126.com

?責任作者簡介:郭曉敏(1956—)女,博士,教授,博士生導師。主要研究方向:森林培育、荒漠化治理。E-mail:gxiaomin@126.com

(責任編輯:宋如華)