红壤侵蚀区水土保持植物配置模式

杨洁,谢颂华,喻荣岗,郭晓敏

(1.江西农业大学,330045;2.江西省水土保持科学研究所,330029:南昌)

红壤侵蚀区水土保持植物配置模式

杨洁1,2,谢颂华2,喻荣岗1,2,郭晓敏1†

(1.江西农业大学,330045;2.江西省水土保持科学研究所,330029:南昌)

为探索中国南方红壤侵蚀严重区水土流失快速治理的方法和途径,在江西省的修水、宁都、石城等县花岗岩发育的红壤侵蚀区,对 16种水土保持植物配置模式的植物生长状况、蓄水保土效益、改土增肥效益、经济效益 4方面进行观测,通过建立评价模型,对不同人工植物群落配置模式的水土保持效益进行综合定量评价。结果表明:修水试验区马尾松 +木荷+胡枝子+黄栀子、马尾松 +木荷 +泡桐 +胡枝子,宁都试验区马尾松 +木荷 +胡枝子,石城试验区湿地松+枫香+胡枝子+硬骨草、湿地松+胡枝子+硬骨草和湿地松+胡枝子 +百喜草配置模式各种效益表现优良,可以在同类地区大力推广。

红壤侵蚀区;水土保持;植物配置模式;江西省

红壤是江西省地带性土壤的主要类型,面积约占全省土地总面积的 64.78%[1]。红壤区植物群落结构复杂,种类繁多,丰富的植被组成在红壤的发育过程中起着重要的作用,但随着人类长期的索取和不合理的经营,植被资源遭到破坏,导致红壤缺乏植被保护,造成水土流失。相关资料[2]显示,江西省水土流失面积一度达 461.5万 hm2。随着人类社会的发展进步和水土资源保护意识的增强,人们对水土流失采取植物措施、耕作措施和工程措施等相关措施进行治理和恢复,2000年,该省水土流失面积降到 334.7万 hm2,但仍然占土地总面积的 20%。一些水土保持工作者针对植物措施,在红壤区进行了植物品种优选、植物群落分布和植物措施水土保持效能等方面的基础研究[3-9],这些研究和实践对指导红壤侵蚀区的水土流失防治,维护和提高土地生产力起到了一定的促进作用;但是,应看到在植被恢复过程中,由于对南方红壤侵蚀区水土保持植物配置模式上的研究不足,在一定程度上制约了南方水土流失防治的步伐。建立适合红壤区自然条件和经济发展特点的植被快速恢复模式,已经成为红壤侵蚀区治理水土流失、恢复和提高土地生产力的迫切需要。

笔者以江西省修水县、宁都县和石城县为研究区,通过不同植物配置模式的对比试验,观测分析不同植物配置模式植物生长状况、土壤理化性质、蓄水保土效益和经济效益,建立层次分析结构模型,对不同植物配置模式的水土保持效益进行综合定量评价,以期为南方红壤侵蚀区植被快速恢复和重建提供科学依据。

1 试验区概况

试验区位于江西省修水县、宁都县和石城县,3个试验区均属亚热带季风气候区。修水试验区多年平均降水量 1 617.0mm,多年平均气温 16.5℃,无霜期 247 d。宁都试验区多年平均降水量 1 604.0 mm,多年平均气温 18.7℃,无霜期 279 d。石城试验区多年平均降水量 1 666.7mm,多年平均气温19.3℃,无霜期 285 d。试验区土壤均为花岗岩发育的红壤。土壤侵蚀程度为强度。地带性植被为亚热带常绿阔叶林。2002年,在具有典型性和代表性的人工植物群落内,选择立地条件和治理情况相近的区域随机放样,建立不同植物配置模式标准样地(20m×20m),样地配置情况见表 1。

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

2 研究方法

2.1 评价指标数据获取方法

以植物生长状况指标、水源涵养效益指标、保土效益指标和经济效益指标作为评价的指标,各指标数据获取方法如下。

1)植物生长状况指标。2002—2005年,每年秋季进行植物株(丛)高、地径、冠幅、生物量及植被覆盖度等指标的观测。乔木生长量采用样株法测定,灌木及草本的生长量以 1m×1m的样方测定。

2)水源涵养效益指标。雨季采用蘸水法[11]测定植物冠层截留量。枯落物质量及浸水密度的测定:在试验地每一小区内设置 3个 1 m2的固定样方,样方采用木板隔开,收集样方内枯落物,2002至2005年秋季进行采集,测定枯枝落叶物厚度及风干后质量,即为枯落物质量;称量后枯落物浸入水中24 h捞出,不滴水时称湿质量,以湿质量减去干质量,即得单位面积的枯落物水容量。

3)保土效益指标测定。采用桩钉法测定土壤侵蚀量。在标准样地内,将直径 0.5～1.0 cm,长50～100 cm的钢钎,按一定距离分上中下,左中右纵横各 3排(共 9条)打入地下,钢钎顶部涂上红漆并与地面平齐。2002—2004年,每年秋季调查钎顶距地面高度,计算土壤侵蚀量。

4)经济效益指标。2003—2004年分别进行调查访问。

2.2 土壤理化性质测定

土壤理化性质试验前后分别取 0～20 cm土层混合土样进行分析,分析方法为:土壤含水量用烘干法,土壤密度用环刀法,有机质含量用重铬酸钾法,速效氮含量用碱解蒸馏法,速效磷含量用 Na2CO3碱熔钼锑抗比色法,速效钾含量用火焰分光光度计法,pH值用酸度计法进行测定。

2.3 效益指数评价值计算方法

采用 n元参数归一化线性函数模型(加权平均模型)确定效益评价指数(Y)值,计算公式为

式中:n为评价指标数;wi为第 i个评价指标的权重值;bi为第 i个评价指标的标准化值,其计算方法除b8(土壤密度标准化值)采用下限效果测度外,其余指标均采用上限测度法计算。

3 结果与分析

3.1 水土保持不同植物配置模式植物生长状况

从表 2中可以看出,在不同配置模式中,马尾松年株高、冠幅等生长状况差异突出。单一营造马尾松及湿地松纯林,即使加强人工抚育及管理等手段,都不能充分发挥其自身的生长潜能。在试验区域,通过选用适生能力强的植物品种与马尾松和湿地松混植,可有效地改善植物生长的立地条件和水热条件,大幅度地提高马尾松生长量,逐步改善区域生态环境,有利于耐荫植物、动物及微生物等生命体的迁入,促进植物群落朝着稳定和高级方向演替。通过改造试验,几种适生能力比较强的植物组合在一起能够起到生态位的优势互补作用。

表 2 不同植物配置模式的植物生长状况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

植物的冠层截留量和枯落物水容量是衡量植物涵养水源的重要指标。从表 3可见,不同植物配置模式冠层截留量和枯落物水容量差异明显,各试验区造林后第 3年时不同植物配置模式的冠层截留量的观测结果表明:植被层次结构多、地上生物量多和覆盖度大的植物配置模式比植被层次结构少、地上生物量少和覆盖度小的冠层截留量要大;同一植被层次结构的植物群落,植物品种多的植物配置模式比植物品种少的冠层截留量要大。各试验区造林后第 3年时不同植物配置模式的枯落物风干质量及枯落物水容量的测定结果表明:丰富植被层次结构和增加植物多样性及针阔混交造林方式都能够增加地表枯落物的蓄积量,有效地增加林分地表拦蓄降水的能力(详见表 3)。另外从表 3中可以看出,由于多层植被拦截作用,植物群落的层次结构越复杂,其控制水土流失的效果越佳。同一植被层次结构的植物群落,无论是增加适生乔木还是增加适生灌木的植物种类,都能够增强植物群落控制土壤侵蚀的能力,且乔草结构的减蚀效果略优于乔灌结构。

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

土壤物理和化学性质是衡量土壤肥力的重要指标。由表 4可见,造林后第 3年,不同植物配置模式土壤理化性质变化不一。在修水试验区,乔灌结构的增肥效果明显优于纯乔结构,同为乔灌结构,增加群落适生乔木或灌木品种都能够有效地改善土壤理化性状、提高土壤肥力,而增加灌木种类比增加乔木品种改土增肥效果更好;在宁都试验区,乔灌、乔草等结构与纯乔结构相比,能够有效地改善土壤理化性状,提高土壤肥力,植物种数相同的条件下,N3模式提高土壤肥力与改善土壤结构的能力优于 N1模式,同为乔灌结构,N2模式改土增肥的效果优于 N1模式;在石城试验区,灌草结构模式中,灌木相同的情况下,狗尾草的抗逆性明显优于硬骨草,S2模式表现出的各种理化性状测试指标也优于 S1模式,在乔灌草结构模式中,针阔混交复层模式(S5)改土增肥效果好于针叶林复层模式(S3、S4)。

3.4 水土保持不同植物配置模式经济效益

本研究仅分析试验区不同植物配置模式的直接经济效益,即直接生产产品的市场价值减去税收后实际所得。调查采取造林后的第 1年为基准年,社会折现率取 7%,水土保持措施经济期为 20年,残值忽略不计。鲜草价格 150元/t,薪柴价格 195元/t,活立木材积 450元/m3,灌木经济果实 500元/t,乔木经济果实 1 000元/t,对不同人工植物群落进行经济效益分析,其中成本包括工程开挖分摊费、种苗种植费、肥料费和抚育管理费、采运费,计算结果见表 5。在修水试验区,通过增大造林前期的成本投入,采用乔灌治理模式能够有效地提高马尾松林的收益,在马尾松林中适当增加经济林成分,如酸枣、黄栀子等,比种植阔叶树种更能够提高马尾松林的收益,尤其提高造林初期的产出效益,排序为 X3＞X1＞X5＞X4＞X2＞X6。在宁都试验区:采用乔灌结构造林模式的收益最好,乔草结构造林模式居中,马尾松纯林最次;同为乔灌结构,采用 N2针阔混交方式的收益优于 N1针叶林的收益,排序为 N2＞N1＞N3＞N4。在石城试验区:乔灌草结构造林模式的收益最大,灌草结构造林模式居次,湿地松纯林最低;同为灌草结构,S2(胡枝子 +狗尾草)大于 S1(胡枝子 +硬骨草)的收益;同为乔灌草结构造林模式,S5(湿地松 +枫香 +胡枝子 +硬骨草)针阔混交方式的收益优于 S3(湿地松 +胡枝子 +百喜草)和 S4(湿地松 +胡枝子 +硬骨草)等针叶林的收益,排序为 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 不同植物配置模式经济效益Tab.5 Economic benefit of different plant disposition pattern 元/hm2

4 水土保持植物配置模式的评价

以上单方面的指标分析表明:从单一方面的指标调查观测数据分析,复层结构模式明显优于单层结构模式,但复层结构不同配置模式表现出来的情况相对复杂,仅靠某些单项指标衡量人工植物群落配置模式的总体优劣是很难让人信服的。不同植物配置模式的生态、经济效益不同,如何权衡其优劣程度,需要建立一个能综合反映植物措施综合效益的评价体系。

4.1 评价模型的建立

通过分析不同植物配置模式的试验观测资料,筛选出地上生物量年均变化量、覆盖度年均增长幅度、植物冠层截留量、枯落物水容量、减蚀率、枯落物风干质量、土壤有机质、土壤密度、净现值、产投比等10个反映植物群落生长状况、蓄水保土效果、改土增肥能力和经济增产潜力等属性指标,建立层次分析结构模型(如图 1)。对不同植物群落配置模式的水土保持效益进行综合定量评价,提出适合各调查试验区的人工植物群落优化模式。

4.2 不同植物配置模式综合效益评价及排序

通过效益评价指数公式计算得到的各试验区不同植物配置模式水土保持效益定量评价指数值见表6。可以看出,各试验区不同植物配置模式的水土保持综合效益存在明显差异。评价结果:修水试验区X1、X4模式表现最优,X2、X3、X5模式表现一般,X6模式表现最差;宁都试验区 N2模式表现最优,N1、N3模式表现一般,N4模式表现最差;石城试验区S5、S4模式表现最优,S3模式表现为良,S2、S1模式表现一般,S6模式表现最差。

图 1 不同植物配置模式水土保持综合效益层次分析结构模型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综合效益评价指数Tab.6 Evaluated index of com prehensive benefits of soiland water conservation under different patterns

5 结论

1)单一改造马尾松残次林或营造湿地松纯林,即使修筑高标准的水平竹节沟等工程措施,林木生长状况也得不到有效改善。

2)采取丰富植被层次结构和植物多样性等手段,能够有效地提高马尾松残次林和湿地松林等人工植物群落控制水土流失、提高土壤肥力、改善生态环境的综合能力。复层植被结构明显优于单层植被结构,植物品种多的群落优于植物品种少的群落,针阔混交林优于纯针叶林。

3)修水试验区的 X1(马尾松 +木荷 +胡枝子 +黄栀子)、X4(马尾松 +木荷 +泡桐 +胡枝子),宁都试验区的 N2(马尾松 +木荷 +胡枝子),石城试验区的 S5(湿地松 +枫香 +胡枝子 +硬骨草)、S4(湿地松 +胡枝子 +硬骨草)、S3(湿地松 +胡枝子 +百喜草)等人工植物群落结构表现优良,可以在各试验区大力推广。

[1]赵其国,谢为民,贺湘逸.江西红壤.江西:江西科学技术出版社,1988:33-35

[2]左长清,谢颂华.江西省水土流失动态监测与分析.水土保持通报,2006,26(6):55-58

[3]侯喜禄,白岗栓.黄土丘陵区森林保持水土效益及机理的研究.水土保持研究,1996,3(2):98-103

[4]李先琨,黄玉清.广西水土流失重点区域生态恢复试验研究.水土保持通报,1997,17(6):1-6

[5]谢宝平,牛德奎.赣南红壤崩岗侵蚀区植物群落的研究.江西农业大学学报,2000,22(1):209-213

[6]谢宝平,牛德奎.华南严重侵蚀地植被恢复对土壤条件影响的研究.江西农业大学学报,2000,22(2):135-140

[7]杨艳生.水土保持优势植物生长的分析研究.水土保持研究,1996,3(4):69-71

[8]陈丽华.湖北宜昌风化花岗岩区林草植被改良土壤作用的定量化分析.中国水土保持,1996(2):35-37

[9]杨玉盛,何宗明.退化红壤不同治理模式对土壤肥力的影响.土壤学报,1998,35(2):276-282

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

项目名称:国家农业科技成果转化资金 A级项目“花岗岩侵蚀区水土保持植物优化组合技术区域试验与示范”(02EFN 213601114)

杨洁(1958—),女,教授级高级工程师,博士研究生。主要研究方向:水土保持生态工程。E-mail:zljyj@126.com

†责任作者简介:郭晓敏(1956—)女,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:森林培育、荒漠化治理。E-mail:gxiaomin@126.com

(责任编辑:宋如华)