半干旱區(qū)徑流聚集工程云杉人工林土壤水分及生長效果研究

李國林，張韜，張建宇，趙越，楊冰，安彪

(1.甘肅省外資項(xiàng)目管理辦公室，甘肅 蘭州　730000；2.甘肅省畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)管理局，甘肅 蘭州　730000；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州　730070；4.定西市巉口林業(yè)試驗(yàn)場，甘肅 定西　743000；5.定西市安定區(qū)車道嶺林場，甘肅 定西　743000)

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半干旱區(qū)徑流聚集工程云杉人工林土壤水分及生長效果研究

李國林1，張韜2，張建宇1，趙越3，楊冰4，安彪5

(1.甘肅省外資項(xiàng)目管理辦公室，甘肅 蘭州730000；2.甘肅省畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)管理局，甘肅 蘭州730000；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州730070；4.定西市巉口林業(yè)試驗(yàn)場，甘肅 定西743000；5.定西市安定區(qū)車道嶺林場，甘肅 定西743000)

摘要：【目的】 評價(jià)半干旱區(qū)徑流聚集工程技術(shù)下人工云杉林木的發(fā)育狀況及生態(tài)環(huán)境效應(yīng).【方法】 在定西市安定區(qū)對漏斗式聚流抗種植的云杉×沙棘混交林和燕尾式聚流坑種植的云杉純林的土壤水分狀況、林木發(fā)育狀況進(jìn)行測定.【結(jié)果】 在年均降水量480 mm的條件下，徑流聚集工程有效攔蓄了降水徑流，保障了林木生長發(fā)育對水分的要求，云杉×沙棘混交林與云杉純林都表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性.與云杉混交林相比，云杉純林具有較大造林密度和林木蓄積量，具有更高的經(jīng)營利用價(jià)值；而云杉×沙棘混交林具有復(fù)層攔蓄，具有更好的生物多樣性與生態(tài)效益；在生長期(2005～2014年)年降水量450.9 mm的情況下，云杉純林與混交林2 m內(nèi)土層平均土壤含水率為16.91%和12.43%，說明云杉純林土壤水分適宜性高于混交林，具備更好的土壤水分條件.【結(jié)論】 半干旱區(qū)漏斗式聚流坑和燕尾式魚鱗坑徑流聚集工程效果顯著；在節(jié)水工程實(shí)施中云杉純林和云杉×沙棘混效林均表現(xiàn)出了較高適宜性和較好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益.

關(guān)鍵詞：徑流聚集工程；退耕還林工程；云杉混交型；云杉純林；林木生長量；土壤水分

建國以來，黃土高原地區(qū)人工植被建設(shè)雖然取得了巨大成效，但由于造林樹種選擇不當(dāng)，干旱缺水，水土流失嚴(yán)重，致使人工林地存在不同程度的水分虧缺，即使經(jīng)過雨季，某些土層的土壤水分也不能恢復(fù)到正常水平，人工植被普遍出現(xiàn)了土壤“干化問題”，導(dǎo)致了許多人工植被因水分虧缺而衰敗，甚至成片死亡，嚴(yán)重制約了黃土高原的生態(tài)環(huán)境建設(shè)[1-2].因此，根據(jù)造林地立地條件選擇適合的造林樹種，并通過徑流聚集工程對降雨徑流進(jìn)行收集利用，既可實(shí)現(xiàn)水土流失治理，又為林木提供了重要水源，是促進(jìn)人工林可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[3-5].為落實(shí)好國家退耕還林還草生態(tài)工程建設(shè)，甘肅省定西市安定區(qū)在總結(jié)該類型區(qū)人工植被建設(shè)研究成果的基礎(chǔ)上[6-9]，將水土保持植物措施對位配置與徑流聚集工程進(jìn)行組裝配套，有效地改善了林地土壤水分利用狀況，林木對干旱災(zāi)害的抵御能力明顯增強(qiáng)，大幅度提高了人工林成活率和初期生長量，取得了顯著的成效[10-14].本文對定西市安定區(qū)利用漏斗式聚流坑和燕尾式魚鱗坑徑流聚集工程中營造的云杉×沙棘混交林與云杉純林的生長發(fā)育狀況、土壤含水率變化進(jìn)行研究，旨在評價(jià)半干旱區(qū)徑流聚集工程技術(shù)對林木發(fā)育情況及生態(tài)環(huán)境效應(yīng).

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

定西市安定區(qū)位于甘肅省中部，位于位置E 104°12′～105°01′、N 35°17′～36°02′N，總面積3 638 km2，海拔1 750～2 580 m，多年平均降水量425.6 mm，多集中在7～9月，占全年降水量的60%～80%，年均蒸發(fā)量1 510 mm，年平均氣溫6.3 ℃，極端最高氣溫34.3 ℃，極端最低氣溫-27.1 ℃，平均相對濕度64%，無霜期141 d.全區(qū)被黃土覆蓋，土層深厚，一般30～150 m，最厚可達(dá)300 m.土壤類型主要有黑壚土、灰鈣土和黃綿土.屬溫帶干旱草原區(qū).常見的草本植物主要有本氏針茅(Stipacapillata)、短花針茅(Stipabreviflora)、百里香(Thymusmongolicus)、大針茅(Stipagrandis)、鐵桿蒿(Heteropappusaltaicus)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、多莖委陵菜(Potentillamulticaulis)、紫花地丁(Violaphilippica)、駱駝蓬(Peganumharmala)、早熟禾(Poapratensis)、冰草(Agropyroncristatum)、狗尾草(Setariaviridis)等；常見的灌木有錦雞兒(Caragnafruten)、檉柳(Tamarixchinensis)、白刺(Nitrariatangutorum)、枸杞(Lyciumchinense)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、胡枝子(Lespedezabicolor)等；常見的喬木有旱柳(Salixmatsudana)、白榆(Ulmuspumila)、臭椿(Ailanthusaltissima)、國槐(Sophorajaponica)、青楊(Populuscathayana)、河北楊(Populushopeiensis)、山杏(Armeniacasibirica)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、云杉(Piceapurpurea)等.全區(qū)總?cè)丝?5.31萬人，其中農(nóng)業(yè)人口36.26萬人，人均純收入3 101元.安定區(qū)在2000～2010年實(shí)施退耕還林還草工程6.51萬hm2，其中完成退耕還林草工程3.24萬hm2(還林0.97萬hm2，還草2.27萬hm2)，荒山造林3.27萬hm2.至2010年全區(qū)造林保存面積增加到10.73萬hm2，森林覆蓋率提高到11.2%，林草覆蓋率達(dá)到19.45%.

1.2樣地選擇

樣地設(shè)置在安定區(qū)南部的內(nèi)官鎮(zhèn)文豐村侯家山退耕還林(草)工程區(qū)，造林時(shí)間為2005年4～5月；

造林類型為云杉×沙棘混交林和云杉純林.按造林類型選擇2塊樣地，在樣地中央選擇400 m2觀測樣方測定林木生長發(fā)育狀況；在樣方內(nèi)選取1～2株標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行樹干解析和生物量測定.樣地立地條件見表1.

表1　樣地立地條件

1.3工程設(shè)計(jì)

按照《甘肅省小流域水土流失綜合防治工程建設(shè)技術(shù)規(guī)程》要求，進(jìn)行漏斗式聚流坑、燕尾式聚流坑2種徑流聚集工程設(shè)計(jì).工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：生產(chǎn)保證率≥50%；設(shè)計(jì)防洪頻率為0.5%，最大24 h暴雨徑流；安全聚流比≥增產(chǎn)聚流比≥1；林木生長設(shè)計(jì)保證頻率年P(guān)≥75%，設(shè)計(jì)頻率年2 m土層內(nèi)平均土壤最低含水率8%～10%[9].漏斗式聚流坑造林模式為云杉×沙棘混交林；燕尾式聚流坑為云杉純林.設(shè)計(jì)指標(biāo)詳見表2、圖1、圖2.

表2　漏斗式聚流坑、燕尾式聚流坑規(guī)格設(shè)計(jì)表(P=75%)

1.4研究方法

年降雨量觀測：采用2001～2014年安定區(qū)香泉鄉(xiāng)氣象觀測資料.

徑流聚集工程調(diào)查：對照漏斗式聚流坑和燕尾式魚鱗坑兩種徑流聚集工程設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)地調(diào)查工程的降雨徑流攔蓄性能，測定實(shí)際土壤含水量，評價(jià)徑流聚集工程蓄水保土效果.

林木生長發(fā)育調(diào)查：調(diào)查樣地內(nèi)造林樹種及方式，造林密度、株行距、胸徑、樹高、林分蓄積量、郁閉度、林地坡向、坡度.

土壤水分觀測：在每個(gè)觀測樣方中，按照對角線選取3～5個(gè)土壤水分取樣點(diǎn).每個(gè)樣點(diǎn)0～200 cm土層中，用取土鉆每隔20 cm取樣1個(gè)，土層樣品40～60 g(鋁盒容積的2/3以上)；在實(shí)驗(yàn)室對所取鋁盒(及土樣)稱質(zhì)量，然后在105 ℃烘箱中恒溫烘干12 h后，取出稱質(zhì)量(干土及鋁盒質(zhì)量)，計(jì)算土壤含水率(占干土質(zhì)量%).

土壤含水量計(jì)算：依據(jù)水量平衡原理，在無灌溉條件下，水量平衡方程為：

(1)

式中：E為土壤貯水量(mm)；M為土壤含水率(%)；R為土壤容重(g/m3)：H土層深度(cm)；r為水的密度(g/m3).

圖1　漏斗式聚流坑設(shè)計(jì)圖Fig.1　The design drawing of funnel-typefor runoff collecting

圖2　燕尾式聚流坑設(shè)計(jì)圖Fig.2　The design drawing of swallow-tail-typefor runoff collecting

2結(jié)果與分析

2.1降水分析

據(jù)安定區(qū)香泉鄉(xiāng)降水觀測資料，研究區(qū)多年(1960～2004年)平均降水量480 mm，研究期(2005～2014年)平均降水量452.5mm，相比較減少了5.72%.其中2005～2011年年均降水量462.3 mm，比多年平均減少3.69%；2012～2014年年均降水量達(dá)到424.2 mm，比多年平均減少11.63%.研究期降水量年際分布見圖3.

圖3　2005～2014年降雨量Fig.3　The annual rainfall from 2005 to 2014

2.2攔蓄效果

2014年11月14～16日對徑流聚集工程規(guī)格、攔蓄性能、營林模式進(jìn)行了調(diào)查.工程攔蓄性能調(diào)查表明，2種徑流聚集工程實(shí)施結(jié)果與設(shè)計(jì)吻合(表3、圖4、圖5)，具有良好的攔蓄效果.至調(diào)查當(dāng)年(2014年)工程運(yùn)行完好，集流面的降水徑流全部攔蓄，聚流工程無水毀現(xiàn)象、淤積輕微.

2.3造林模式

根據(jù)林木需水量與降水徑流補(bǔ)給數(shù)量的水量平衡計(jì)算結(jié)果，梯田漏斗式聚流坑采用云杉×沙棘混交林(行間混交)造林模式，造林密度為1 334 株/hm2(云杉、沙棘各667株/hm2，圖4)，行距2.5 m，株距3.0 m，品字形排列；荒坡燕尾式聚流坑采用云杉純林(品字形排列)，行距3.0 m，株距2.0 m，造林密度1 667株/hm2(圖5).

圖4　云杉×沙棘混交林Fig.4　Spruce and seabuckthorn mixed forests

2.4土壤水分分析

觀測結(jié)果表明，在造林12 a后，生長期年降水量452.5 mm的情況下，2 m內(nèi)土層的云杉×沙棘混交林平均土壤含水率為12.43%，云杉純林為16.91%，均超過土壤最低含水率8%～10%的設(shè)計(jì)要求.其中純林比混交林高4.48%，說明混交林的水分消耗量較純林大，純林具有更好的土壤水分條件.2012～2014年受降水量減少的影響，2種造林模式0～200 cm土層土壤含水率隨土壤深度的增加，3個(gè)區(qū)域土壤含水率均呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，說明土壤含水率經(jīng)過大量消耗，此階段處于由上到下的補(bǔ)充過程.從土壤剖面來看，可將2 m土層分為土壤水分變化的活躍層(0～20 cm)、次活躍層(20～180 cm)和穩(wěn)定層(180～200 cm)3個(gè)明顯不同的區(qū)域.

圖5　云杉純林Fig.5　Spruce pure forest

根據(jù)公式(1)對不同土壤層次土壤貯水量的計(jì)算表明，土壤水分活躍層混交林的土壤貯水量為52.60 mm，云杉純林為45.69 mm，混交林林地平均土壤含水率(22.29%)略高于云杉純林林地(19.36%)，說明近期降水對活躍層土壤含水量具有顯著的補(bǔ)償作用，而且混交林較純林具有更好的持水能力；次活躍層混交林的平均貯水量為225.99 mm，純林為341.52 mm，混交林林地的平均土壤含水率(11.99%)低于云杉純林林地(18.09%)，隨著土壤深度的逐漸增加，混交林的土壤貯水能力逐漸下降，其耗水逐漸增多，說明混交林地在此土層的耗水量大于云杉純林；穩(wěn)定層混交林土壤貯水量為14.68 mm，純林為11.8 mm，混交林林地平均土壤含水率(6.24%)略高于云杉純林林地(5.00%)，說明造林后2005～2011年的氣象干旱導(dǎo)致林地含水率處于低位運(yùn)行，云杉純林接近土壤吸濕系數(shù)[8-10]，純林對深層的土壤水分利用能力更強(qiáng)、消耗更大(表3、圖6).在徑流聚集工程條件下，不同混交模式云杉林林地土壤水分狀況好于同類地區(qū)其他退耕還林地的土壤水分狀況[10-14].

表3　土壤含水率變化

圖6　云杉混交林與純林土壤含水率變化Fig.6　Soil moisture content variation of spruce seabuckthvrn mixed forest and pure spruce forest

2.5生長效果分析

表4可知，混交林中云杉、沙棘保存率為100%；胸徑生長量5.88 cm，樹高生長量3.94 m，林地郁閉度0.8，林草覆蓋度達(dá)0.9以上，林木單株材積量達(dá)到0.019 2 m3/株，林地林木蓄積量12.81 m3/hm2.純林中云杉保存率為90%，胸徑生長量7.49 cm，樹高生長量3.68 m，林地郁閉度0.5，林草覆蓋度達(dá)0.6，林木單株材積量達(dá)0.025 2 m3/株，林地林木蓄積量39.99 m3/hm2.

混交林與純林相比，由于混交林郁閉較早、郁閉程度較高，幼林期沙棘生長速度快于云杉，云杉與沙棘為了競爭光源，側(cè)枝生長受到影響，高生長比較強(qiáng)勢，故混交林樹高生長量大于純林(圖6)；相比之下，云杉純林幼林期四周開闊，側(cè)枝發(fā)達(dá)，故胸徑生長量大于混交林；由于樹高、胸徑生長量的不同，云杉純林單株材積比混交林提高31.25%，且由于純林的造林密度大于混交林，云杉純林林木蓄積量比混交林提高了212.18%(表4).

表4　樹種生長量

表中*為沙棘林地徑.

圖7　云杉沙棘混交林與純林樹高生長過程對比Fig.7　The compare of height of spruce seabuckthorn mixed forest and spruce pure forst

3討論

1)樹種選擇.在年均降水量480 mm的條件下，采用的徑流聚集工程可有效攔蓄降雨徑流，保障了林木生長發(fā)育對水分的要求.在半干旱地區(qū)梁峁坡上部、半陰坡退耕地，選擇以云杉×沙棘混交林與云杉純林都表現(xiàn)出良好的適宜性，說明云杉為主要造林樹種具有較好的適宜性.

2)土壤水分變化.實(shí)施徑流集聚工程后在2005～2014年平均降水量452.5 mm的情況下，造林12 a后2 m內(nèi)土層云杉×沙棘混交林的平均土壤含水率為12.43%，云杉純林為16.91%，均超過徑流集聚工程中設(shè)計(jì)頻率年2 m土層內(nèi)平均土壤最低含水率，其中純林比混交林高4.48%，云杉純林土壤水分適宜性高于混交林，因此具備更好的土壤水分條件.

3)生態(tài)經(jīng)濟(jì)性能評價(jià).云杉純林較混交林具有較大造林密度和林木蓄積量，具有更高的經(jīng)營利用價(jià)值，由于造林密度較大，到中林齡后林分密度需要通過撫育間伐調(diào)整，為今后云杉純林的經(jīng)營利用提供了基礎(chǔ)條件.

4)水土保持效果評價(jià).云杉×沙棘混交林較純林在林草覆蓋狀況方面具有更大的優(yōu)勢，由于其具有復(fù)層攔蓄，林地的水土流失防治基本可以通過自身?xiàng)l件解決，因此相對于純林具有更長遠(yuǎn)的水土流失防治效果，具有更好的生物多樣性與生態(tài)效益.云杉純林林下草被覆蓋度較低，林間地水土流失仍需依靠水土保持工程攔蓄，水土保持工程需要定期維護(hù)，今后還須進(jìn)一步提高純林林地的經(jīng)營管理水平.

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(責(zé)任編輯胡文忠)

A study on soil moisture andPiceaasperataplantation growth on runoff gathering engineering in semi-arid region

LI Guo-lin1,ZHANG Tao2,ZHANG Jian-yu1,ZHAO Yue3,YANG Bing4,An Biao5

(1.Foreign Investment Project Management Office in Gansu,Lanzhou 730000，China；2.Administration of Animal Husbandry Industry in Gansu,Lanzhou 730000，China；3.College of Forestry,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；4.Chankou Forest Experimental Station in Dingxi,Dingxi 743000,China；5.Chedaoling Forest Station in Dingxi,Dingxi 743000,China)

Abstract：【Objective】 To evalute the growth situation and ecological and envionmental effects in semi-arid region,runoff collecting project was conducted in Anding District,Dingxi City,Gansu Province.【Method】 Spruce forest growth and soil water content were studied under funnel-type pit for runoff collecting and swallow-tail-type pit for runoff collecting condition.【Result】 Under the average annual rainfall of 480 mm conditions,runoff collecting project effectively stored the runoff,protected the water requirements for the growth of spruce forest,sea buckthorn mixed forest and pure forest ofPiceaasperatashowed good suitability.Compared with spruce mixed forest，the spruce pure forest with larger planting density and forest volume,had more management and utilization of high value.Spruce and sea buckthorn mixed with trees and shrubs of the double layer was held,with better biological diversity and ecological benefits.In the growth period (2005～2014) rainfall in the case of 450.9 mm,the pure spruce forest and mixed forest of 2 m soil layer in the average soil water content was 16.91% and 12.43%.That showed pure spruce forest soil moisture suitability was higher than that of mixed forest,so it had better soil moisture condition.【Conclusion】 Funnel-type pit for runoff collecting and swallow-tail-type pit for runoff collecting all show good runoff collecting effect,and two species of spruce forest also show high suitability,good management and utilization value,and ecological benefit.

Key words：runoff collecting project;project of returning farmland to forest;spruce mixed forest;spruce pure forest;soil moisture

通信作者：安彪,男,高級工程師,主要從事造林及林業(yè)工程管理.E-mail：420593090@qq.com

基金項(xiàng)目：甘肅省國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目“速生楊抗性及生物量提高技術(shù)合作研究”(1204WCGA022).

收稿日期：2014-12-30；修回日期：2015-05-12

中圖分類號：S 175.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)03-0108-06

第一作者：李國林(1963-),男,農(nóng)業(yè)推廣研究員,主要從事草原生態(tài)區(qū)域規(guī)劃研究.E-mail：guoll1963@163.com