董志塬坡面造林地土壤水分及樹種適應(yīng)性研究

王志雄，趙嘉瑩，郜文旺，左濤鳴

董志塬坡面造林地土壤水分及樹種適應(yīng)性研究

王志雄，趙嘉瑩，郜文旺，左濤鳴

(黃河水利委員會 西峰水土保持科學(xué)試驗站，甘肅 西峰 745000)

樹種適應(yīng)性；土壤水分；董志塬

針對董志塬區(qū)造林成活率低、保存率低等問題，結(jié)合水保大項目區(qū)林草建設(shè)實踐，選取南小河溝林草大斷面及典型流域造林點對其土壤含水量、土壤理化性狀、林木生長量、林分密度等進(jìn)行了觀測調(diào)查，結(jié)果表明：林草大斷面0～80 cm土層土壤含水量陰坡>陽坡,土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量總體上陰坡>陽坡，同坡面有機(jī)質(zhì)含量坡上位>坡中位>坡下位，土壤容重陽坡明顯高于陰坡；同一立地條件下，造林密度影響土壤含水量，密度過高的林分土壤含水量減少。

林草植被是改善黃土高塬溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境的核心和基礎(chǔ)。近20年來，董志塬區(qū)植被恢復(fù)雖取得初步成效，但“三低”問題、小老樹問題、林草優(yōu)化配置等問題仍然存在，沒有有效實現(xiàn)治理目標(biāo)和預(yù)期效益。筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)黃河水土保持生態(tài)工程齊家川示范區(qū)、硯瓦川項目區(qū)等林草工程建設(shè)實際，對南小河溝林草大斷面及典型流域造林點土壤水分、林種適應(yīng)性和密度配置等進(jìn)行了觀測調(diào)查，分析了不同立地條件對林草植被的影響，提出了適合董志塬區(qū)不同立地條件的水土保持造林樹種。

1 研究區(qū)概況

董志塬區(qū)地處甘肅東部涇河上游，屬典型的黃土高塬溝壑區(qū)，海拔969～1 362 m。該區(qū)屬半濕潤半干旱地區(qū)，年均氣溫為8.3 ℃，有效年積溫為2 783.6 ℃，無霜期157 d，年均降水量515 mm，有效降水量440 mm，其中7—9月降水量占全年降水量的60%以上，年均蒸發(fā)量達(dá)1 542 mm。林草植被主要靠天然降水生長，屬北溫帶森林草原植被帶。土壤以黑壚土、黃綿土為主，pH值為8.0左右。該區(qū)水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)為5 500 t/(km2·a)。

2 研究方法與內(nèi)容

本研究采用野外調(diào)查采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行。

2.1 土壤含水量觀測

在南小河溝林草大斷面陰、陽坡的上、中、下部位的林地內(nèi)設(shè)觀測點30個，在崆峒溝小流域陰陽兩坡設(shè)觀測點20個，進(jìn)行定期觀測。觀測時間為2013—2015年的4—10月，其中2013—2014年每30 d取樣一次，2015年每60 d取樣一次。采用圓形取土鉆取樣，每個觀測點分別取4個深度(20、40、60、80 cm)的土樣，以烘干稱重法測定土壤含水量，進(jìn)行對比分析。

2.2 土壤理化性狀的測定

土壤有機(jī)質(zhì)測定用重鉻酸鉀容量法，全氮測定用開氏法(全自動定氮儀)，全磷測定用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，全鉀測定用NaOH熔融-火焰光度法，水解性氮測定用堿解擴(kuò)散法，速效鉀測定用乙酸銨浸提-火焰光度法，有效磷測定用NaHCO3提取-鉬銻抗比色法。以環(huán)刀法測定土壤容重。土壤pH值采用pH計測量。

2.3 樹種生長狀況的調(diào)查

選取南小河溝林草大斷面及崆峒溝等典型小流域，在其陽坡和陰坡的林分內(nèi)，分別選定一定數(shù)量的樣地，面積為10 m×10 m，對植物的生長狀況進(jìn)行調(diào)查，主要調(diào)查樹種的株高、胸徑、冠幅及林分的郁閉度。

3 結(jié)果與分析

3.1 年度降雨情況分析

董志塬區(qū)雨水不足是造成造林成活率及生長量低的主因，但在雨水充分的年份，有時造林成活率也并不是很高。究其原因，栽植樹種能否成活主要取決于栽植時及栽植后兩三個月的土壤貯水量，而在當(dāng)?shù)?，雨水在時間分配上是不平衡的。從2012—2015年月降水量(見圖1)分析可知，近幾年當(dāng)?shù)?—5月降水量平均占全年降水量的15%，7—9月降水量占全年的60%以上。

圖1 2012—2015年月降水量

在每年3月下旬造林的關(guān)鍵時間，由于3月上旬土壤剛解凍，還有上年秋冬季雨雪的蓄積且植物處于休眠期，因此除特殊的枯水年份外，高塬溝壑區(qū)的土壤含水量能夠保證苗木萌芽生長時的水分需要。但進(jìn)入4月中旬后，由于降水量較少，植物萌動生長耗水量增加，加之風(fēng)沙天氣多，因此土壤含水量開始下降，個別年份土壤含水量下降比較明顯，這種現(xiàn)象一般持續(xù)到5月上旬或更久之后才能得到緩解。這一階段，是土壤水分虧缺最嚴(yán)重的階段，特別是陽坡土壤含水量最低，而對于苗木來講，這又是需要水分的關(guān)鍵期，因此這一階段成為樹體生長和土壤水分供需矛盾最大的階段，栽植的苗木能否成活往往取決于這個時間段。據(jù)西峰水土保持科學(xué)試驗站資料,黃河水土保持生態(tài)工程齊家川示范區(qū)抗旱造林試驗中，2002年春季造林成活率均在90%以上，這與2002年3—5月充足的降水密不可分，而2004、2005年春季造林成活率不足80%，其主要原因就是當(dāng)年春季降水量較少，其中2005年春季降水僅為61 mm。

3.2 不同立地條件土壤水分分析

本文中的立地條件主要指坡向、坡位。影響林草生長的重要因子是土壤水分和氣溫，其中水分是制約該區(qū)植被恢復(fù)與重建的主要限制因子,它是“木桶效應(yīng)”中最短的木板。

一般情況下，坡上位特別是峁頂由于位置高，風(fēng)力及輻射強烈，蒸發(fā)量大，土壤水分狀況較差；坡腳、溝道能夠集流，水分條件較好；峁坡、溝坡水分狀況主要受坡度的控制而變化較大，坡度大土壤水分差，坡度小則土壤水分較好[1]。坡向影響坡面接受的太陽輻射量，在單純坡向因子的影響下，陽坡比半陰坡和陰坡要接受更多的太陽輻射，故陽坡蒸發(fā)強烈，土壤水分含量低。根據(jù)西峰水土保持科學(xué)試驗站相關(guān)研究成果及本項目土壤水分測定結(jié)果(圖2、3)，各立地條件土壤水分含量變化的規(guī)律為：陰坡土壤含水量明顯高于陽坡，溝坡土壤含水量大于梁峁坡，同坡向坡面不同坡位土壤含水量存在差異，但變化相對不大。這表明在黃土高塬溝壑區(qū)，由于光熱條件的差異，陰陽坡面土壤水分差異明顯。

圖2 南小河溝林草大斷面陰坡土壤水分垂直變化

圖3 南小河溝林草大斷面陽坡土壤水分垂直變化

試驗數(shù)據(jù)表明，南小河溝林草大斷面0～20 cm土壤容重陽坡平均為1.34 g/cm3，陰坡平均為1.13 g/cm3，陽坡大于陰坡，這與陰坡土壤含水量較高，林草生長狀況較好有關(guān)。

由于大氣降水受坡面徑流、垂直入滲、側(cè)滲等影響，因此即使在同一坡面，不同坡位的土壤含水量也不同[2]。由圖2、3可知，南小河溝林草大斷面不同坡位土壤含水量陰坡為坡下位>坡上位>坡中位，陽坡為坡中位>坡上位>坡下位。測定數(shù)據(jù)表明，大斷面0～80 cm內(nèi)土壤平均含水量坡上位陰坡比陽坡高21.43%，坡中位陰坡比陽坡高10.90%，坡下位陰坡比陽坡高34.09%。大斷面測定數(shù)據(jù)中坡面土壤含水量沒有呈現(xiàn)出從坡上到坡下遞增的規(guī)律，這與劉梅等[3]和徐學(xué)選等[4]對黃土高原地區(qū)不同坡面位置土壤含水量的研究結(jié)論相一致。本研究認(rèn)為，這除與地形復(fù)雜、土壤疏松等情況有關(guān)外，主要是由于不同的造林樹種和林草密度造成的。

一是同一坡面造林樹種不一致，其生態(tài)學(xué)、生物學(xué)特性不同，導(dǎo)致耗水量也不同，影響了土壤含水量的分布規(guī)律。楊建偉等[5]的研究表明，刺槐是高耗水量樹種，在同一土壤水分條件下，刺槐總耗水量在適宜水分、中度干旱、嚴(yán)重干旱情況下分別是油松的55、30、46倍。調(diào)查表明，株行距2 m×2 m的刺槐林20年后郁閉度達(dá)0.90以上，由于密度大，加之樹較高，林下土壤含水量低于相同立地條件下的其他林地，這與楊建偉等的研究結(jié)論一致。與同期其他樹種相比，南小河溝陽坡刺槐純林生長勢明顯減弱，呈現(xiàn)出明顯的老化現(xiàn)象。

二是同一坡面不同坡位目前保存的林草密度不同。試驗斷面陽坡坡上位林草密度適中，為林草型，相對耗水量較低；坡中位林木密度適中；坡下位為純油松林，密度較大，已完全郁閉，林下無植被生長，土壤干化。陰坡坡上位為混交林木，但相對坡中位來說，密度不是很大；坡中位為經(jīng)果林核桃，密度較大，已完全郁閉，耗水量大，林下植被較差；坡下位為喬草配置，密度適當(dāng)，枯落物較多，林下植被豐富，林木生長良好。試驗表明，林木的遮蔽、蓄水作用，減少了地表水分的蒸發(fā)，但密度過高的林分，大量的蒸騰耗水量使得土壤含水量減少。

3.3 不同立地條件土壤養(yǎng)分分析

在小流域范圍內(nèi)，不同地形條件下降雨的分配模式截然不同，從而影響到物質(zhì)在地表和土壤剖面的遷移和再分布過程。同時，土壤形成和發(fā)育過程中，植物與土壤不斷進(jìn)行物質(zhì)交換，大量的枯枝落葉歸還于土壤，增加了土壤肥力，極大地改善了土壤養(yǎng)分。

南小河溝林草大斷面土壤理化性狀測定結(jié)果詳見表1。有機(jī)質(zhì)是各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的主要來源，是土壤肥力高低的重要指標(biāo)。南小河溝林草大斷面0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量陽坡平均為17.19 g/kg，陰坡平均為30.86 g/kg，陰坡含量明顯大于陽坡；同坡面不同坡位下土壤有機(jī)質(zhì)的含量不同，坡上位、坡中位、坡下位土壤有機(jī)質(zhì)依次降低。全氮含量陽坡平均為1.61 g/kg、陰坡平均為2.71 g/kg，水解性氮含量陽坡平均為19.91 mg/kg、陰坡平均為54.70 mg/kg，陰坡均明顯高于陽坡。全磷含量陽坡平均為0.34 g/kg、陰坡平均為0.37 g/kg，有效磷含量陽坡平均為1.69 mg/kg、陰坡平均為2.40 mg/kg， 不同地形部位間土壤全磷、有效磷含量均較低，變化不明顯，但陰坡總體高于陽坡。全鉀含量陽坡平均為18.74 g/kg、陰坡平均為19.35 g/kg，速效鉀含量陽坡平均為73.67 mg/kg、陰坡平均為101.11 mg/kg，陰坡總體高于陽坡。

表1 南小河溝林草大斷面0～20 cm土壤理化性狀測定結(jié)果

不同立地條件林草大斷面測定數(shù)據(jù)表明，土壤養(yǎng)分含量總體上陰坡高于陽坡，同坡面有機(jī)質(zhì)含量坡上位>坡中位>坡下位，并且混交林增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的能力要強于純林，更能提高養(yǎng)分的有效性。

3.4 不同立地條件樹種生長狀況調(diào)查分析

油松、側(cè)柏為目前董志塬區(qū)兩大主要常青造林樹種。在荒山造林中，素有陽坡側(cè)柏、陰坡油松之說。通過在水土保持生態(tài)工程齊家川示范區(qū)、南小河溝科技示范園、涇河流域硯瓦川項目區(qū)的大面積建設(shè)實踐，認(rèn)為油松、側(cè)柏在黃土高塬溝壑區(qū)，無論在陽坡、陰坡均以良好的抗旱性、抗寒性、抗逆性表現(xiàn)出優(yōu)于其他樹種的適生性。特別是油松，在陽坡、陰坡均表現(xiàn)優(yōu)異，而側(cè)柏在陽坡坡上位及梁峁處適生性明顯低于油松。對硯瓦川項目區(qū)2007年3個造林點的調(diào)查表明，峁頂山頭處側(cè)柏當(dāng)年成活率均達(dá)到80%以上，次年保存率均低于50%，而油松成活率、保存率均在85%以上。其中賀家塬梁峁調(diào)查點造林規(guī)格為2 m×3 m，3年生側(cè)柏次年保存率不足13%，而4年生油松保存率達(dá)89%以上。在次年補植時，全部栽植成4年生油松。2016年調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果為：油松平均高3.02 m，側(cè)柏平均高2.86 m；油松平均胸徑3.04 cm，側(cè)柏平均胸徑2.15 m；油松林郁閉度達(dá)0.63，側(cè)柏林郁閉度為0.25。

調(diào)查表明，各林分密度不同、郁閉度不同，林下的植被生長情況明顯不同。陰坡水平階整地種植的株行距2 m×3 m的10年樹齡油松林，郁閉度達(dá)0.65以上，林下植被種類比較豐富，土壤含水量適中，喬草生長勢旺盛，植被覆蓋度高；而株行距1.5 m×2 m、2 m×2 m的20年樹齡油松林，由于林分密度大，樹冠已完全郁閉，因此林下的土壤水分條件及光照條件都受到嚴(yán)重影響，林下植被品種很少或幾乎沒有，林分單一，很不穩(wěn)定，土壤裸露干化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，出現(xiàn)了林下水土流失問題。同樣，在株行距1.5 m×2 m、2 m×2 m的25年樹齡刺槐林內(nèi)，由于密度較大，刺槐明顯生長不良，樹形細(xì)而高，樹枝稀少，樹體老化。

在沒有后期撫育更新的情況下，樹種在20～30年后，生長勢變?nèi)?，密度越大老化現(xiàn)象越嚴(yán)重。這種現(xiàn)象以刺槐林最為明顯，其林地土壤含水量較油松、側(cè)柏等低。根據(jù)樹冠生長特點及分枝多少，側(cè)柏造林株行距應(yīng)在2 m×2 m以上，油松、刺槐造林株行距應(yīng)在2 m×3 m以上。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，適宜的造林密度可使林下植被增多，草覆蓋度提高，恢復(fù)并維持林分內(nèi)的水量平衡。

調(diào)查表明，狼牙刺耐干旱、瘠薄，在立地條件差、其他喬灌木樹種很難存活的情況下，栽植狼牙刺能夠盡快恢復(fù)植被。刺槐根系發(fā)達(dá)、萌蘗力強，既喜濕潤肥沃的土壤，又耐干旱瘠薄，有較強的適應(yīng)性和抗逆性，是良好的水土保持鄉(xiāng)土樹種。杜梨喜光、耐寒、耐旱、耐瘠薄，在陽坡栽植保存率較高，也是當(dāng)?shù)厮帘３值膬?yōu)良樹種。沙棘耐干旱、耐瘠薄，根系發(fā)達(dá)，根萌蘗能力強，郁閉成林較快，是封山禁牧的優(yōu)勢樹種。酸棗等陽性野生小灌木在陽坡，特別在陽溝坡生長適應(yīng)性好。

4 結(jié)論與討論

不同坡向的坡面由于光照等條件不同，土壤含水量存在差異。南小河溝林草大斷面0～80 cm土壤含水量陰坡>陽坡，坡上位陰坡比陽坡平均高21.43%，坡中位陰坡比陽坡高10.90%，坡下位陰坡比陽坡高34.09%；同一坡面，陰坡坡下位>坡上位>坡中位，陽坡坡中位>坡上位>坡下位。土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量陰坡大于陽坡，土壤容重則陽坡明顯高于陰坡。不同立地條件林草大斷面有機(jī)質(zhì)含量坡上位>坡中位>坡下位，并且混交林增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的能力要強于純林。觀測到的有機(jī)質(zhì)含量及理化性狀能明顯反映出不同立地條件的土地肥力，這也是適地造林的依據(jù)。

造林密度影響林木的保存率及以后林分的生長，能改變林內(nèi)的土壤水分條件、光照等因子，這些因子反過來也能反映林內(nèi)的植被狀況。造林密度過大，過分強調(diào)提前郁閉，土壤水分不能達(dá)到林木生長的要求，一是導(dǎo)致枝葉遮擋陽光，抑制林下其他植被生長，使樹下無小灌木、草叢等，二是易破壞水分平衡，形成小老樹，最終導(dǎo)致土壤干化。因此，在后期撫育更新管護(hù)跟不上的情況下，一定要根據(jù)立地條件科學(xué)確定造林密度。

土壤水分是影響植物生長的關(guān)鍵因素。一般情況下，在隴東黃土高塬溝壑區(qū)陽坡適生性好的樹種，在陰坡也能表現(xiàn)出良好的適生性。在陽坡適生性較好的有側(cè)柏、狼牙刺、紫穗槐、沙棘、油松、檸條、杜梨、榆樹、山杏、椿樹、刺槐、文冠果、酸棗等耐干旱瘠薄的樹種，在陰坡適生性較好的有油松、沙棘、側(cè)柏、刺槐、小葉楊、杜仲、白蠟、虎榛子等樹種。對于一些耗水量較大的樹種，如刺槐等，在陽坡營造時應(yīng)以坡中及坡下位為宜；對于耗水量較少、抗旱性較強的樹種，如狼牙刺等，則可營造在各種立地條件，特別是水分條件較差的陽坡、梁峁和坡度較陡的地方。

由于研究不同坡位土壤水分的時間較短，使得試驗結(jié)果有一定的局限，今后可加強這方面的數(shù)據(jù)積累，通過對連續(xù)多年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，減少試驗中出現(xiàn)的偶然性誤差，增加試驗結(jié)論的準(zhǔn)確性。

[1] 楊文治.黃土高原的土壤水資源和造林問題[J].自然資源學(xué)報,2001,16(5):433-438.

[2] 費喜亮,張新民,景凌云.半干旱黃土區(qū)土壤水分垂直分布規(guī)律的研究——以甘肅省蘭州市孫家岔流域為例[J].土壤學(xué)報,2013,50(4):652-656.

[3] 劉梅,蔣定升,黃國俊,等.不同坡面位置土壤水分差異規(guī)律分析[J].水土保持通報,1990,10(2):16-20.

[4] 徐學(xué)選,劉文兆,高鵬,等.黃土丘陵區(qū)土壤水分空間分布差異性探討[J].生態(tài)環(huán)境,2003,12(1):52-55.

[5] 楊建偉,梁宗鎖,韓蕊蓮.黃土高原常用造林樹種水分利用特征[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(2):558-565.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室開放課題基金項目(2015006)

S725.1

A

1000-0941(2017)09-0052-04

王志雄(1975—)，男，甘肅慶陽市人，高級工程師，學(xué)士，主要從事水土保持生態(tài)建設(shè)與科學(xué)研究工作。

2017-05-15