河北片麻巖山地黃櫨幼林集水保墑措施選擇

張立剛,章岳濤,魏松坡,賈黎明

(1.河北省平山縣林業(yè)局,河北 平山 050400；2.北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

河北片麻巖山地黃櫨幼林集水保墑措施選擇

張立剛1,章岳濤2,魏松坡2,賈黎明2

(1.河北省平山縣林業(yè)局,河北 平山 050400；2.北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究了河北平山片麻巖石質(zhì)山區(qū)不同組合的翼式魚(yú)鱗坑結(jié)合集水保墑處理對(duì)黃櫨幼樹(shù)林地水分以及黃櫨光合速率和生長(zhǎng)指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：1)集水保墑措施最高可使降水后土壤含水量較對(duì)照提高66.76%；2)施加集水保墑措施可使黃櫨光合速率較對(duì)照提高16.54%～56.48%；3)集水保墑處理可分別顯著提高黃櫨地徑及新梢生長(zhǎng)量80.28%～102.82%和17.52%～76.96%,而防滲克漏王+保水劑+石塊覆蓋(F+B+S)處理則可提高材積生長(zhǎng)量578.04%；4)綜合考慮,防滲克漏王+保水劑+石塊覆蓋(F+B+S)、防滲克漏王+秸桿覆蓋(F+J)、防滲克漏王+石塊覆蓋(F+S)、自然坡面+保水劑+秸桿覆蓋(Z+B+J)為該區(qū)域栽植黃櫨較好的集水保墑措施。

片麻巖山地；翼式魚(yú)鱗坑；集水；保墑；黃櫨

片麻巖在我國(guó)華北石質(zhì)山地分布廣泛。此類母巖風(fēng)化強(qiáng)烈、風(fēng)化層厚,易于整地,植物生長(zhǎng)良好,但其巖體裂隙比較發(fā)育,形成的土壤保水蓄水能力差,水土流失嚴(yán)重,水資源不能被有效利用。再加上華北地區(qū)降水十分集中,區(qū)域性、季節(jié)性干旱缺水明顯,因而成為造林困難立地[1]。對(duì)于該地區(qū)來(lái)說(shuō),降水既是當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)唯一的水分來(lái)源,又是產(chǎn)生坡面水土流失的動(dòng)力[2],因此采取合理措施防止水土流失的同時(shí)有效利用降水是緩解該區(qū)域生態(tài)用水緊張的關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)外對(duì)各種集水保墑措施已經(jīng)有了較多的論述[3],包括匯集徑流進(jìn)行集水[4],選用土壤結(jié)構(gòu)改良劑或保水劑保持土壤水分[5],使用防滲材料防止土壤水分滲漏[6],利用覆蓋材料覆蓋在土壤表面以保水[7]、降溫[8]、防止侵蝕[9]等集水保墑措施被廣泛使用。

黃櫨(CotinuscoggygriaScop.),又名紅葉,灌木或小喬木,株高3～5m,樹(shù)姿優(yōu)美,莖、葉、果都有較高的觀賞價(jià)值,葉到秋季變紅,頗為美麗[10-11]。黃櫨在片麻巖石質(zhì)山地適應(yīng)性很強(qiáng),生長(zhǎng)速度較快。本文在試驗(yàn)區(qū)內(nèi),對(duì)黃櫨幼樹(shù)造林地施加了不同集水保墑措施,研究了不同集水保墑組合下在一次降雨后土壤水分以及植物光合作用速率的變化情況,并監(jiān)測(cè)了不同處理下黃櫨幼樹(shù)的生長(zhǎng)指標(biāo)。通過(guò)比較選擇出適合片麻巖石質(zhì)山地黃櫨有林地的最佳集水保墑措施,以期為該區(qū)域的植被恢復(fù)及幼林撫育等工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于河北省太行山中段東麓的平山縣崗南鎮(zhèn)寺家溝村。區(qū)域內(nèi)以低山為主,海拔100～300m,坡度一般為4～40°,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,無(wú)霜期140d,年平均降水量500mm,雨量分配不均,降雨主要集中于夏季,其余季節(jié)相對(duì)干旱少雨。天然植被因人類活動(dòng)反復(fù)干擾而植被稀疏,土層較薄,強(qiáng)降雨后易于形成地表徑流。試驗(yàn)地以片麻巖、花崗巖和頁(yè)巖為母巖,土壤類型主要為褐土、粗骨土(片麻巖風(fēng)化物)和石質(zhì)土,農(nóng)田土壤為石灰性褐土,試驗(yàn)區(qū)平均土壤容重1.5g/cm3,飽和含水量29.41%,田間持水量11.50%。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2008年3月下旬起陸續(xù)展開(kāi)試驗(yàn)與調(diào)查,結(jié)合該地區(qū)地形復(fù)雜的特點(diǎn),根據(jù)試驗(yàn)地內(nèi)微立地特征設(shè)計(jì)了不同組合的翼式魚(yú)鱗坑結(jié)合集水保墑處理。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。在全部使用翼式魚(yú)鱗坑的前提下,將不同集水方式(自然坡面、噴涂防滲劑)和不同的保墑措施(石塊覆蓋保墑、秸桿覆蓋、保水劑保墑、保水劑聯(lián)合石塊保墑、保水劑聯(lián)合秸稈保墑)相組合。最終組合形成自然坡面+保水劑+石塊覆蓋(Z+B+S)、自然坡面+保水劑+秸桿覆蓋(Z+B+J)、自然坡面+保水劑(Z+B)、自然坡面+石塊覆蓋(Z+S)、自然坡面+秸桿覆蓋(Z+J)、防滲克漏王+保水劑+石塊覆蓋(F+B+S)、防滲克漏王+保水劑+秸桿覆蓋(F+B+J)、防滲克漏王+保水劑(F+B)、防滲克漏王+石塊覆蓋(F+S)、防滲克漏王+秸桿覆蓋(F+J)以及對(duì)照(CK)共11種處理。

2.2 試驗(yàn)處理

1) 翼式魚(yú)鱗坑整地?？用鎸?0cm,長(zhǎng)度80～100cm,翼長(zhǎng)80～100cm,上口寬20cm,下口寬20cm,深20cm；斷面角度30°(坡度小于或等于20°時(shí))或45°(坡度大于20°時(shí)),如圖1所示(單位為mm)。微型集水區(qū)表面為自然坡面,均位于立地條件基本一致的同一坡面。處理前黃櫨幼樹(shù)樹(shù)高為0.36～3.41m,地徑為0.75～9.64cm。

圖1 翼式魚(yú)鱗坑示意圖

2) 防滲材料噴涂。根據(jù)氣象信息擇機(jī)操作,選擇預(yù)計(jì)未來(lái)24h內(nèi)無(wú)降水時(shí)的晴天噴涂。首先清理坡面并拍實(shí),采用石家莊僑泰科技開(kāi)發(fā)中心生產(chǎn)防滲克漏王作為防滲材料,均勻向坡面噴涂,待涂料表面近干時(shí),再次噴涂,重復(fù)操作3～4次方可完成。

3) 保水劑施用。根據(jù)氣象信息,選擇在降雨來(lái)臨前3天施入保水劑。在離樹(shù)體中心20cm處挖環(huán)溝,環(huán)溝深20cm,選用法國(guó)愛(ài)森(SNF)生產(chǎn)的AQUASORB3005KL型保水劑,每株黃櫨施用40g,保水劑與表土的比例為1∶1,充分?jǐn)嚢杌靹?均勻撒入環(huán)溝后覆土5cm,使保水劑與空氣隔絕。

4) 覆蓋物鋪設(shè)。就地取材,用石塊或50cm長(zhǎng)的玉米秸稈鋪滿整個(gè)栽植穴,厚度約5～10cm。

2.3 指標(biāo)測(cè)定

1) 土壤含水量。在降雨后的一個(gè)周期里,用取土鉆采集地表以下20cm處的土壤,并利用烘干法測(cè)定土壤含水量。

2) 降雨后光合速率。利用Li-6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng),在一次較大降雨后的第2,4,6日的每日上午8時(shí)選取苗木中上部位枝條上葉片進(jìn)行定時(shí)、定位觀測(cè),每處理重復(fù)3次。

3) 樹(shù)木生長(zhǎng)指標(biāo)。以每木檢尺法獲得地徑、樹(shù)高,生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)測(cè)定黃櫨的新梢生長(zhǎng)量,初次測(cè)定地徑時(shí)起點(diǎn)處用油漆做好標(biāo)記,以保證位置準(zhǔn)確。

2.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析在SPSS 20.0上完成,利用OriginPro 2016制圖。符合方差齊性假設(shè)的數(shù)據(jù)(包括經(jīng)對(duì)數(shù)變換后可符合方差齊性假設(shè)的數(shù)據(jù))在0.05水平下進(jìn)行LSD多重比較,不符合方差齊性假設(shè)的數(shù)據(jù)利用Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)土壤水分含量變化的影響

一次性降水34.9mm后的第1天、第3天及第8天各處理土壤含水率如表1所示。結(jié)果表明使用集水保墑措施的試驗(yàn)組較對(duì)照組在降雨的前期和中期土壤含水量有所提高,但只有部分處理達(dá)到了顯著水平。雨后第1天,F+B+J,F+J兩個(gè)處理的土壤含水量分別較CK高56.66%和35.57%,且差異顯著；雨后第3天,Z+B+S,Z+B+J,Z+B三個(gè)處理的土壤含水量分別較CK高66.76%、56.93%和52.89%,且差異顯著；雨后第8天各處理及CK間已無(wú)顯著差異。

表1 降雨后不同集水保墑措施下黃櫨幼林地土壤含水量比較

注：表中數(shù)據(jù)為矯正均值±標(biāo)準(zhǔn)誤;不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

3.2 對(duì)黃櫨幼樹(shù)光合速率的影響

圖2所示為一次31.3mm降雨過(guò)程后第2天、第4天以及第6天上午8時(shí)的光合變化趨勢(shì)。可以看出,降雨后6日內(nèi)上午8時(shí)的凈光合速率并非呈下降趨勢(shì)。數(shù)據(jù)不符合方差齊性,因此采用非參數(shù)檢驗(yàn),K-W檢驗(yàn)表明：雨后第2天,F+B+S,Z+B+J,Z+B,Z+J,F+S,F+B等6個(gè)處理下黃櫨幼樹(shù)的光合速率較CK分別高35.18%,33.54%,31.57%,29.20%,28.99%和27.02%,且差異顯著(P=0.000)；雨后第4天,F+S(P=0.000),Z+B(P=0.000),F+B+S(P=0.001),Z+S(P=0.000),Z+B+J(P=0.004),F+B(P=0.003),Z+J(P=0.023)等7個(gè)處理下黃櫨幼樹(shù)光合速率與CK具有顯著差異,分別比CK提高了36.77%,24.33%,21.09%,19.99%,19.07%,18.90%,16.54%；雨后第6天,Z+J(P=0.000),Z+B(P=0.000),F+B+S(P=0.000),Z+B+J(P=0.000),F+S(P=0.000),F+B(P=0.000),Z+B+S(P=0.008),F+J(P=0.007),F+B+J(P=0.002)等9個(gè)處理下黃櫨幼樹(shù)光合速率與CK具有顯著差異,分別較CK高56.48%,47.07%,46.76%,41.43%,39.26%,36.05%,30.31%,29.95%,29.54%。隨著時(shí)間推移,集水保墑處理下黃櫨幼樹(shù)的光合速率與CK差距在加大,且差異顯著的處理有所增多。

圖2 降雨后6日內(nèi)不同措施下黃櫨幼樹(shù)8時(shí)光合作用變化

3.3 對(duì)黃櫨幼樹(shù)地徑 樹(shù)高以及材積生長(zhǎng)量的影響

以區(qū)域內(nèi)黃櫨幼樹(shù)初始地徑、初始樹(shù)高以及初始材積指標(biāo)作為協(xié)變量進(jìn)行方差分析,得到了以上指標(biāo)的校正均值(表2)。結(jié)果表明在一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),施加F+J,F+B+S,Z+S,Z+J和F+S處理的黃櫨幼樹(shù)地徑生長(zhǎng)量較CK提高102.82%,98.59%,94.37%,94.37%和80.28%,且差異顯著,但施用了集水保墑措施的各個(gè)處理之間無(wú)顯著差異。各集水保墑措施在對(duì)黃櫨幼樹(shù)樹(shù)高生長(zhǎng)量上均沒(méi)有顯著差異。在利用樹(shù)高生長(zhǎng)量(△h)和地徑生長(zhǎng)量平方(△d2)的乘積來(lái)表征材積生長(zhǎng)指標(biāo)(△h×△d2)時(shí),結(jié)果表明僅F+B+S處理材積生長(zhǎng)量明顯高于CK,較CK提高了578.04%,且差異達(dá)到了顯著。

3.4 對(duì)黃櫨幼樹(shù)新梢生長(zhǎng)量的影響

黃櫨主干不明顯,其新梢生長(zhǎng)量也是衡量其生長(zhǎng)水平的重要指標(biāo)之一。施加不同集水保墑措施后黃櫨幼樹(shù)新梢生長(zhǎng)量比較如圖3所示(不同字母表示在0.05水平上差異顯著),F+J,F+S,F+B,F+B+S,Z+J,F+B+J,Z+B+J,Z+B,Z+B+S,Z+S等集水保墑措施下黃櫨4—10月新梢生長(zhǎng)量分別較CK提高了76.96%,71.20%,70.72%,54.61%,52.09%,42.38%,40.94%,40.44%,22.30%和17.52%,且所有處理均與CK差異顯著。最高的F+J,F+S和F+B等3個(gè)處理,新梢長(zhǎng)度平均可達(dá)83.63,80.91,80.68cm。由于改善了樹(shù)木生長(zhǎng)的水環(huán)境,部分處理新梢生長(zhǎng)甚至可出現(xiàn)3次。而與之對(duì)應(yīng)的CK處理下黃櫨幼樹(shù)平均新梢年生長(zhǎng)量?jī)H47.26cm。

表2 不同集水保墑措施下黃櫨幼樹(shù)地徑樹(shù)高以及材積生長(zhǎng)的矯正均值

注：表中數(shù)據(jù)為矯正均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

圖3 不同集水保墑措施對(duì)黃櫨幼樹(shù)新梢長(zhǎng)的影響

4 結(jié)論與討論

1) 水分是華北片麻巖山地造林的重要限制因子,翼式魚(yú)鱗坑是一種成本低、集蓄水效果好、簡(jiǎn)便易行的整地方法,而在此基礎(chǔ)上利用保水劑或覆蓋等方法提高保水能力是在包括該區(qū)域的困難立地進(jìn)行植被恢復(fù)的重要措施。本研究中,采用集水保墑措施在能夠一定時(shí)間內(nèi)提高造林地的土壤含水量。部分處理的土壤含水量與CK相比顯著提高,最高可提升66.76%。但含水量與較CK的提高是暫時(shí)的,在降雨1周各處理與CK間即無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差別。黃志霖等[12]在太行山石灰?guī)r低山區(qū)進(jìn)行的試驗(yàn)表明,與自然坡面比較,單純采用翼式魚(yú)鱗坑即可提高超過(guò)100%,而本試驗(yàn)除整地外還施加了其他保墑措施,最高可較CK提高66.76%,區(qū)域土壤性質(zhì)甚至植物對(duì)水分的利用策略也可能是影響因素。

2) 水是光合作用的原料,土壤水分的改善,可能引起植物光合作用的增強(qiáng)。目前關(guān)于黃櫨凈光合速率與土壤含水率關(guān)系研究的基本未見(jiàn),劉剛等[13]通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為黃櫨處于輕度水分脅迫(土壤相對(duì)含水量為60%～65%)時(shí)可既保持較高的光合速率,同時(shí)又減少蒸騰耗水,效率較高。但使得黃櫨光合作用速率下降的土壤含水量閾值目前未有報(bào)道。本研究中,施加集水保墑措施后,雨后6日之前土壤相對(duì)含水量高于65%時(shí),黃櫨幼樹(shù)光合速率未受明顯抑制。施加集水保墑措施可顯著提升黃櫨幼樹(shù)光合速率,在第2日比對(duì)照CK可提高27.02%～35.18%,在第4日可提高16.54%～36.77%,在第6日可提高29.54%～56.48%。

3) 光合作用的增強(qiáng)帶動(dòng)了植物加速生長(zhǎng),多種集水保墑措施的使用可促進(jìn)黃櫨地徑、材積及新梢生長(zhǎng)。本研究表明,使用集水保墑措施后,黃櫨幼樹(shù)樹(shù)高生長(zhǎng)量與CK相比并無(wú)顯著差異,但地徑生長(zhǎng)量較CK最高可提升102.82%,以防滲劑+保水劑+石塊覆蓋(F+B+S)作為集水保墑處理時(shí),可提升黃櫨材積增長(zhǎng)量達(dá)578.04%。從新梢生長(zhǎng)量來(lái)看,全部集水保墑處理下黃櫨幼樹(shù)的新梢生長(zhǎng)量均顯著高于CK,可比CK提高17.52%～76.96%。

4) 綜合以上來(lái)看,在采用翼式魚(yú)鱗坑的基礎(chǔ)上,防滲劑+保水劑+石塊覆蓋(F+B+S)、防滲劑+秸稈覆蓋(F+J)、防滲劑+石塊覆蓋(F+S)、自然坡面+保水劑+秸稈覆蓋(Z+B+J)等4個(gè)處理在土壤水分保持、提升植物光合作用速率、促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)等方面表現(xiàn)較為突出。但在實(shí)際操作中,還應(yīng)當(dāng)充分考慮集水保墑措施的經(jīng)濟(jì)性,作為建筑材料的防滲劑短期效果較好,但成本較高,壽命較短,不耐水蝕,因地制宜利用作物秸稈或石塊覆蓋可能更為簡(jiǎn)便易行。

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Selection of Water Collecting and Soil Moisture Conserving Measures for YoungCotinuscoggygriaScop. Plantation in Gneiss Mountainous Area of Hebei Province

ZHANG Ligang1,ZHANG Yuetao2,WEI Songpo2,JIA Liming2

(1.PingshanForestryBureau,Pingshan,Hebei050400,China;2.TheKeyLaboratoryforSilvicultureandConservationofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

In order to select appropriate water collecting and soil moisture conserving measures forCotinuscoggygriaScop.young plantation in gneiss mountainous area of Pingshan county,Hebei province,the comparison of 10 treatments and 1 control teatment is made with the design of completely randomized blocks.The soil water content,net photosynthetic rate,chlorophyll content,ground diameter,height,volume and shoot length were used to indicate the effect of different measures onCotinuscoggygriaScop.The result showed that:(1)soil moisture could be at most improved by water collecting and soil conservation measures for 66.76% in a rainfall cycle;(2)the net photosynthetic rate of the trees increased by 16.54% to 56.48%;(3)the growth of trees such as ground diameter and shoot length could be enhaced through the above CK by 80.28% to 102.82% and 17.52% to 76.96%,and the treatment F+B+S(spraying nanomaterial leakproof + soil absorbent polymers + stone mulching)enhaced the volume by 578.04%;(4)considering the factors above,F+B+J,F+J(spraying nanomaterial leakproof +straw mulching),F+S(spraying nanomaterial leakproof+ stone mulching)and Z+J(natural slope +straw mulching)were recommend as the available measures forCotinuscoggygriaScop.in gneiss mountainous area.

gneiss mountains,wing-style fish-scale pits,water collecting,soil moisture conserving,CotinuscoggygriaScop

2017-03-08；

2017-06-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“困難立地植被恢復(fù)技術(shù)研究與示范”(2015BAD07B02)

張立剛(1964-),男,河北平山人,高工,主要從事森林培育管護(hù)工作。Email:zhangligangps@163.com

賈黎明(1968-),男,山西偏關(guān)人,教授,主要從事森林培育及城市林業(yè)等方向的研究。Email：jlm@bjfu.edu.cn

S728.2

A

1002-6622(2017)03-0104-05

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.020