华北片麻岩石质山地山杏幼林集水保墒措施选择

李广德，章岳涛，翟明普，谭飞理，3，贾黎明

（1．北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京100083；2．中央广播电视大学 农林医药学院，北京100039；3．湛江师范学院，广东 湛江524048）

我国片麻岩山地分布广泛，总面积约3．2×107hm2，其土壤沙性强，保水保肥能力差，是极为苛刻的造林地和生态环境建设用地。河北省是我国片麻岩集中分布面积较大的地区之一，占全国片麻岩山地总面积的3．7%［1］。片麻岩山地常因地表径流将土壤中可溶性物质及细小土粒被冲走，造成土壤质地明显变粗，土层变薄，生产力下降［2］，而土壤水分条件是影响该地区植树造林、植被重建、退化生态系统恢复的主要生态因子［3－4］。提高降水少而集中的干旱半干旱片麻岩山区土壤的蓄水保墒能力是造林成功、树木正常生长的关键。集水蓄水保墒技术主要包括汇集径流进行集水，选用土壤保水剂保持土壤水分，防渗材料防止土壤水分渗漏，利用覆盖材料覆盖在土壤表面防止土壤水分蒸发等［5］。山杏（PrunussibiricaLam．）是黄土丘陵区常见的乡土树种，耐寒、耐旱、耐贫瘠、病虫害少，具有一定的观赏、药用及经济价值，同时其光合作用对土壤水分适应范围较广，是黄土丘陵区植被恢复、退耕还林的主要树种之一［6－8］。

本文以华北片麻岩石质山区主要造林和植被恢复树种之一的山杏为研究对象，通过不同集水保墒措施对林地土壤水分、幼树生长、光合生理特性等影响进行研究，力图选择出适合该地区山杏幼林地抚育及造林的最佳集水保墒措施，以有效改善树木生长环境，促进树木生长，进而为类似地区森林培育及水土保持提供一定理论和技术支持。

1 试验地概况

试验地位于河北省西部太行山中段东麓的平山县岗南镇寺家沟村（38°22′N，114°2′E），以丘陵为主，平均海拔100～300m，坡度4°～40°。属暖温带大陆性季风气候，冬春寒冷干燥，秋季凉爽少雨，无霜期140d。据平山县气象局1960—2004年资料统计，该地区平均降水量500mm，集中在7—9月3个月，由于植被稀疏，土层较薄，降雨多以地表径流的形式输出。试验区母岩以片麻岩、花岗岩和页岩为主；低山土壤分布有山地褐土、粗骨土和石质土；丘陵地带则分布有褐土，局部地段分布有黄土。试验地土壤容重1．48g／cm3，饱和含水量为27．58%，田间持水量为15．51%；pH 值平均为7．0，N、P、K和有机质的含量平均分别为0．073%，26．85mg／kg，52．96mg／kg和1．59%。

2 材料与方法

2．1 试验材料及集水措施选择

翼式鱼鳞坑标准如下：坑面宽为50cm，长80～100cm；翼长80～100cm；上口宽20cm，下口宽20 cm，深20cm；断面角度30°（坡度小于20°）或45°（坡度大于20°），详见图1。

微型集水区表面为自然坡面，位于立地条件基本一致的同一坡面。处理前树高58～386cm，地径0．72～5．63cm。

图1 翼式鱼鳞坑示意图（单位：mm）

2．2 试验设计

采用随机区组设计，由于地形破碎，每小区重复数7～16株不等，共82株。试验在翼式鱼鳞坑的基础上分别采取施用保水剂、秸杆及石子覆盖等综合保水措施，共设置了翼式鱼鳞坑＋保水剂＋石子（YY＋B＋S）、翼式鱼鳞坑＋保水剂＋秸杆（YY＋B＋J）、翼式鱼鳞坑＋保水剂（YY＋B）、翼式鱼鳞坑＋石子（YY＋S）、翼式鱼鳞坑＋秸杆（YY＋J）、翼式鱼鳞坑（YY）及对照（CK）7种处理。

2．3 技术规则

2．3．1 保水剂施用 于2008年春季在降雨来临的前2～3d施用法国SNF（爱森）公司生产的AQUASORB3005KL型保水剂（颗粒直径0．5～3．1mm），施用量为40g／株。具体做法是：在离树体中心20 cm处挖环沟，将40g保水剂与表土按1∶1充分混匀后施入，再在其上覆盖一层5cm厚的土以避免保水剂与大气直接接触。

2．3．2 石子铺设 就地取材，选取粒径为5～10cm的块状石子，铺满整个种植穴。

2．3．3 秸杆铺设 将玉米秸杆剪成50cm左右，盖于种植穴，厚度5cm。

2．4 测定指标及方法

2．4．1 生长调查 以地径、树高、新梢生长等作为生长指标，对82株样树每木检尺逐株测定。为了尽量减少误差，地径测定处用红油漆做好标记，每次测定都在标记处。生长季结束时测定山杏新梢生长量。

2．4．2 土壤含水量 用土钻对82株样树每株采集距树体20cm、深20cm处土样，采用烘干法测定。

(3)产能过剩，内部竞争严重。在湖北省加速发展汽车零部件产业的过程中，各地均将汽车零部件产业作为支柱产业进行重点发展，但行业整体缺乏统筹协调和超前统一规划，因此各自为战现象较为明显，未形成错位竞争格局，在招商、融资、销售等各方面形成严重的内部消耗与内部竞争状态，也造成了产能过剩现象。

2．4．3 净光合速率 利用Li－6400便携式光合测定系统测定山杏叶片净光合速率。在同一坡向选各处理相邻标准木中上部南向枝条上叶片定时、定位观测，日变化从8：00到18：00，步长2h，自然光源，每株标准木测定3片。为了尽量减小因时间差异导致的误差，操作时先依次测定各种处理的第一片叶片，之后测定第二片，最后再循环测定第三片。

2．4．4 叶绿素含量 采用丙酮—分光光度法测定。叶绿素含量测定取样除测定标准木外，不同处理再各选另外2株采样，每株取3叶片，每处理共9片叶片，将每株树的3片叶片作为1个重复，每重复读3个数。

2．5 数据处理

试验所得数据利用Excel 2003和SPSS 17．0分析整理。不同处理下土壤水分含量、新梢生长量、净光合速率、叶绿素含量的差异利用单因素方差分析进行比较，多重比较在0．05和0．01水平上利用LSD法检验。为了消除初始条件对试验结果的影响，利用协方差分析来分析不同处理下地径生长、材积指标生长差异，协方差分析后利用LSD法对协方差分析的矫正均值进行多重比较。

3 结果与分析

3．1 不同集水保墒措施对山杏土壤水分的影响

3．1．1 生长季内不同集水保墒措施对土壤水分的影响 一个生长季内（6—10月，图2中所示数据为每月5日、15日及25日土壤含水量测定的平均值），山杏土壤水分动态呈现“降—升—降”的变化趋势（图2），结合生长季内降水量和蒸发量分布（图3），可以发现，虽然6—8月3个月降水集中且降水量较大而均匀，但7月相对较大的蒸发量导致8月和6月土壤水分含量较高，7月较低。生长季各集水保墒处理下山杏的土壤水分含量平均均为10．9%，对照平均均为7．8%。整个生长季，YY＋S、YY＋J、YY＋B、YY＋B＋J、YY＋B＋S、YY 分别较 CK 高61．8%，53．5%，45．7%，25．3%，23．9%，22．4%，采取翼式鱼鳞坑及施用保水剂、秸杆及石子覆盖等综合保水措施能有效改善山杏土壤水分条件。从一个生长季土壤水分动态来看，YY＋S、YY＋J和YY＋B处理效果相对较好。

图2 一个生长季不同集水保墒措施下山杏土壤水分

图3 试验地2008年生长季降水量和蒸发量分布

3．1．2 一次大降水后土壤水分含量变化 为更好地说明不同集水保墒措施对山杏土壤水分的影响，对2008年7月17日一次性降水31．3mm后各处理土壤水分动态进行了监测（图4）。由图4可以发现，采取集水保墒措施处理的山杏土壤水分含量整体要高于对照，处理和对照土壤水分的差异随着降雨后时间的推移而逐渐减小。降水后的9d内，各处理下土壤水分平均含量7．84%，对照4．62%。雨后第三天，各处理下土壤平均水分含量为11．2%，对照平均6．0%；方差分析表明，YY＋J、YY＋B处理土壤水分含量显著高于YY＋B＋J、YY＋B＋S、YY、CK，YY＋S处理土壤含水量显著高于YY＋B＋S、YY、CK；YY＋J、YY＋B、YY＋S的土壤含水量分别比CK提高了125．6%，117．3%和108．5%。随着时间的推移，各处理土壤水分含量虽然没有再显著高于对照，但依然显示出处理效果好于对照的趋势。雨后第5天，各处理下土壤水分含量平均为8．7%，对照平均为4．6%；到雨后第9天时，各处理下平均为4．9%，对照平均为3．9%。从一次大降水后不同处理对山杏土壤水分的影响来看，YY＋J、YY＋S和YY＋B效果较好。

3．2 不同集水保墒措施对山杏幼树生长的影响

3．2．1 对地径、树高及材积生长的影响 表1为分别以山杏初始地径、树高及材积指标为协变量作协方差分析后得到的不同集水保墒措施山杏地径、树高及材积生长的矫正均值。由表1可以发现，消除初始条件对山杏生长的影响后，一个生长季内，YY＋J、YY＋B＋J、YY＋S处理下山杏的地径生长量显著高于YY＋B＋S和CK；YY＋S处理下山杏的树高显著高于YY＋B＋S和CK；以Δh·Δd2表征的材积生长指标在不同处理间的表现与树高相同。因此，从不同集水保墒措施对山杏地径、树高及材积生长的影响来看，YY＋S、YY＋J、YY＋B效果较好，而YY＋B＋S效果最差。

图4 一次大降水后不同集水保墒措施对山杏土壤水分的影响

表1 不同集水保墒措施下山杏幼树地径、树高、材积生长的矫正均值

3．2．2 对新梢生长的影响 不同集水保墒措施对山杏新梢生长的影响见图5。各处理下山杏新梢生长量排序依次是YY＋J、YY＋S、YY＋B、YY＋B＋S、YY、YY＋B＋J，分别较CK高120．87%（P＜0．01），119．74%（P＜0．01），78．30%（P＜0．01），73．14%（P＜0．01），66．51%（P＞0．05），45．71%（P＞0．05）。因此，从促进新梢生长的角度来看，YY＋J、YY＋S、YY＋B、YY＋B＋S效果最好。

3．3 不同集水保墒措施对山杏光合特性的影响

3．3．1 不同集水保墒措施下山杏幼树净光合速率日变化 已有研究表明，不同发育时期、不同条件对山杏的光合能力有较大影响。王铄等［9］对陕西吴起县中山丘陵沟壑区山杏人工林光合特征的研究表明，5—8月山杏的光合能力不同，最大净光合速率（Pnmax）5月最小［6．19μmol／（m2·s）］，8月最大［（13．7μmol／（m2·s）］。不同土壤水分条件下，山杏6月净光合速率日变化峰值介于2．0～8μmol／（m2·s）［10］，7月中下旬Pnmax为4．14～13．30μmol／（m2·s）［6］。而不同遮光处理对山杏7月上旬Pnmax也有较大影响，从8．36μmol／（m2·s）到19．69μmol／（m2·s）不等［11］。

图5 不同集水保墒措施对山杏幼树新梢生长的影响

从初夏（5月20日）和盛夏（7月20日）晴天不同处理山杏幼树叶片净光合速率日变化（图6）也可以看出，山杏幼树叶片净光合速率日变化趋势不同，初夏从8：00—18：00波动下降，峰值分别在8：00、12：00和16：00；盛夏呈“双峰型”日变化，出现光合午休现象，峰值出现在10：00和14：00，10：00时峰值更大。初夏YY＋S、YY＋J、YY＋B＋J、YY＋B、YY＋B＋S、YY各处理净光合速率日平均分别为3．83±1．94，3．19±1．84，2．89±1．35，2．64±1．48，2．56±1．26，2．09±1．30μmol／（m2·s），分别较CK高153．56%，111．44%，91．15%，75．12%，69．28%，38．18%；盛夏YY＋J、YY＋B＋S、YY、YY＋B＋J、YY＋S、YY＋B各处理净光合速率日平均分别为（9．31±4．35），（8．83±4．00），（8．40±3．96），（8．26±4．19），（7．93±3．71），（7．37±3．57）μmol／（m2·s），分别较 CK 高54．36%，46．39%，39．26%，36．86%，31．45%，22．18%。与上述不同时期、不同条件下山杏净光合速率不同类似［6，9－11］，图6也表明从初夏到盛夏随着山杏叶片的生长发育及温度、光照、土壤水分等环境条件的变化，山杏叶片净光合速率大幅提升，而不同处理对其光合速率的影响也较初夏有所减弱。方差分析表明，尽管各处理日平均净光合速率没有显著高于对照，但在各峰值点各处理的平均值都显著高于对照（P＜0．05），也表明不同集水保墒措施通过对土壤水分的改善提高了山杏同化CO2的能力，激发了山杏的生长潜力。

图6 不同集水保墒措施下山杏幼树净光合速率日变化

3．3．2 一次大降水后不同集水保墒措施下山杏幼树的净光合速率变化 从一次大降水后不同集水保墒措施对山杏叶片净光合速率的影响来看（图7），雨后山杏叶片净光合速率呈现先升高后降低的趋势，雨后第5天最大，随后逐渐减小。所有观测日8：00各处理下山杏净光合速率平均为（9．81±1．11）μmol／（m2·s），对照下山杏净光合速率为（8．13±0．86）μmol／（m2·s）。雨后第3天，各处理下山杏净光合速率平均为10．20±1．03μmol／（m2·s），对照平均为7．85±0．67 μmol／（m2·s）；方差分析表明，除YY＋B和YY外，其余各处理都显著高于CK（P＜0．05）。到雨后第9天，虽然各处理土壤水分含量都有了不同程度的下降，但YY＋S、YY＋J和YY 3个处理下山杏的净光合速率仍显著高于CK（P＜0．05）。可见，经过集水保墒技术处理的山杏通过土壤水分条件的改善使得其光合作用加强，而且这种加强效应较未处理的山杏更具有可持续性。

3．3．3 不同集水保墒措施下山杏幼树叶片叶绿素含量 叶绿素是光合作用中最有效和最重要的色素，其含量在一定程度上反映了植物的同化能力，从而影响植物生长［12－13］。靳甜甜等［13］对黄土高原常见树种刺槐、沙棘、山杏光合蒸腾特征的研究发现，山杏的叶绿素含量为（0．94±0．06）mg／g，显著低于刺槐（2．34±0．05mg／g）和沙棘（2．00±0．05mg／g），并认为这是山杏光合能力受到一定限制的因素之一。本研究不同处理山杏叶片叶绿素含量见图8，其中最低的为YY和CK，分别为（0．68±0．04）mg／g和（0．74±0．04）mg／g，低于靳甜甜等的研究结果，但经过一定集水保墒措施处理后，山杏叶片叶绿素含量便有了显著提高（P＜0．05），最高的YY＋B、YY＋S、YY＋B＋J、YY＋J分别达到（1．70±0．14），（1．43±0．07），（1．36±0．05），（0．98±0．50）mg／g。可见，通过集水保墒措施可有效提高山杏叶片叶绿素含量，由此改善和提高其光合能力，促进树木生长。

图8 不同集水保墒措施下山杏幼树叶绿素含量

4 结论与讨论

（1）黄志霖等［14］针对太行山石灰岩低山区的主要限制因子，提出了以集水、蓄水为目的的翼式鱼鳞坑整地，经过3a观测后认为翼式鱼鳞坑较常规鱼鳞坑土壤含水率平均增加3．4%，幼树新梢生长量平均提高15．8%。本文的研究也表明，在一个生长季，采用翼式鱼鳞坑及翼式鱼鳞坑与石子、秸秆、保水剂等综合保水措施后，土壤含水量和新梢生长较对照分别提高了22．4%～61．8%和45．71%～120．87%，而采取翼式鱼鳞坑的综合保水措施对土壤水分的改善和新梢生长的促进作用更为明显。

（2）采用翼式鱼鳞坑等集水保墒措施可促进山杏地径、树高、材积及新梢生长，一方面在于集水保墒措施对山杏土壤水分条件的改善，另一方面也在于土壤水分条件改善对山杏叶绿素含量的提高和光合作用等生理功能的改善。因为无论从净光合速率的日变化，还是一次大降水后净光合速率的变化来看，集水保墒措施处理下的山杏叶片净光合速率都要高于对照。集水保墒措施处理下的山杏叶片叶绿素含量较对照高25．24%～128．73%。各处理下山杏叶片日平均净光合速率较对照高22．18%～153．56%；一次大降水后的9天内，处理后的山杏叶片净光合速率较对照高3．16%～35．35%。

（3）郎莹等［8］认为山杏光合作用的适宜土壤水分范围在44．7%～80．9%之间（相对含水量），最适宜的为68．2%左右。张征坤等［10］的研究发现，土壤相对含水量在56．1%以下时，山杏叶片净光合速率随着土壤水分含量的增加而增加；当土壤相对含水量超过56．1%时，山杏叶片净光合速率随土壤水分含量的增加呈现降低的趋势。夏江宝等［6］也发现，7月中下旬山杏净光合速率最大时土壤相对含水量为67．6%，当超过61．5%～67．6%，最大净光合速率随土壤含水量的升高而降低。可见，山杏光合作用的提高有一定的土壤水分区间，在这个适宜区间内，光合作用会随着土壤水分的改善而增强，一旦超出这个范围，其光合能力则随土壤水分含量的增加而减弱。本研究中，在7月一次性降水31．3mm后，土壤相对含水量从降水后第3天的67．24%降至第5天的52．18%时，净光合速率呈增大趋势；之后从52．18%降到第9天的30．95%时，净光合速率持续降低。出现这种净光合速率随着土壤含水量逐渐降低先升高后降低的趋势，一方面如上述研究结果所述可能与山杏光合作用适宜土壤水分存在一定阈值有关，另一方面也可能与环境条件的变化有关，还需要进一步研究和探讨。

（4）综合各种集水保墒措施对山杏地径、树高、材积、新梢生长等生长指标，净光合速率、叶绿素含量等生理指标，以及以土壤水分为代表的环境条件的影响可以发现，翼式鱼鳞坑＋石子（YY＋S）、翼式鱼鳞坑＋秸杆（YY＋J）、翼式鱼鳞坑＋保水剂（YY＋B）三种综合集水保墒措施处理效果最好，但考虑到就地取材及经济因素，翼式鱼鳞坑＋石子（YY＋S）和翼式鱼鳞坑＋秸杆（YY＋J）两种措施更值得在生产实践中进行应用和推广。

需要指出的是，翼式鱼鳞坑＋保水剂＋石子（YY＋B＋S）、翼式鱼鳞坑＋保水剂＋秸杆（YY＋B＋J）三种措施的配比效果较两种措施配比如翼式鱼鳞坑＋石子（YY＋S）、翼式鱼鳞坑＋秸杆（YY＋J）、翼式鱼鳞坑＋保水剂（YY＋B）差，造成这种现象的原因尚不明确，推测可能是石子和秸秆覆盖的截流使得保水剂的吸水量减少，限制了土壤水分向下运移，由此影响到山杏主要根系分布层（10—70cm）［15］土壤水分条件的改善，从而影响到山杏的生长；也可能由于降水经过石子和秸秆后变的浑浊而影响到保水剂对水分的吸收。

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