半干旱区径流聚集工程云杉人工林土壤水分及生长效果研究

李国林，张韬，张建宇，赵越，杨冰，安彪

(1.甘肃省外资项目管理办公室，甘肃 兰州　730000；2.甘肃省畜牧业产业管理局，甘肃 兰州　730000；3.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州　730070；4.定西市巉口林业试验场，甘肃 定西　743000；5.定西市安定区车道岭林场，甘肃 定西　743000)



半干旱区径流聚集工程云杉人工林土壤水分及生长效果研究

李国林1，张韬2，张建宇1，赵越3，杨冰4，安彪5

(1.甘肃省外资项目管理办公室，甘肃 兰州730000；2.甘肃省畜牧业产业管理局，甘肃 兰州730000；3.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070；4.定西市巉口林业试验场，甘肃 定西743000；5.定西市安定区车道岭林场，甘肃 定西743000)

摘要：【目的】 评价半干旱区径流聚集工程技术下人工云杉林木的发育状况及生态环境效应.【方法】 在定西市安定区对漏斗式聚流抗种植的云杉×沙棘混交林和燕尾式聚流坑种植的云杉纯林的土壤水分状况、林木发育状况进行测定.【结果】 在年均降水量480 mm的条件下，径流聚集工程有效拦蓄了降水径流，保障了林木生长发育对水分的要求，云杉×沙棘混交林与云杉纯林都表现出良好的适应性.与云杉混交林相比，云杉纯林具有较大造林密度和林木蓄积量，具有更高的经营利用价值；而云杉×沙棘混交林具有复层拦蓄，具有更好的生物多样性与生态效益；在生长期(2005～2014年)年降水量450.9 mm的情况下，云杉纯林与混交林2 m内土层平均土壤含水率为16.91%和12.43%，说明云杉纯林土壤水分适宜性高于混交林，具备更好的土壤水分条件.【结论】 半干旱区漏斗式聚流坑和燕尾式鱼鳞坑径流聚集工程效果显著；在节水工程实施中云杉纯林和云杉×沙棘混效林均表现出了较高适宜性和较好的经济和生态效益.

关键词：径流聚集工程；退耕还林工程；云杉混交型；云杉纯林；林木生长量；土壤水分

建国以来，黄土高原地区人工植被建设虽然取得了巨大成效，但由于造林树种选择不当，干旱缺水，水土流失严重，致使人工林地存在不同程度的水分亏缺，即使经过雨季，某些土层的土壤水分也不能恢复到正常水平，人工植被普遍出现了土壤“干化问题”，导致了许多人工植被因水分亏缺而衰败，甚至成片死亡，严重制约了黄土高原的生态环境建设[1-2].因此，根据造林地立地条件选择适合的造林树种，并通过径流聚集工程对降雨径流进行收集利用，既可实现水土流失治理，又为林木提供了重要水源，是促进人工林可持续发展的重要举措[3-5].为落实好国家退耕还林还草生态工程建设，甘肃省定西市安定区在总结该类型区人工植被建设研究成果的基础上[6-9]，将水土保持植物措施对位配置与径流聚集工程进行组装配套，有效地改善了林地土壤水分利用状况，林木对干旱灾害的抵御能力明显增强，大幅度提高了人工林成活率和初期生长量，取得了显著的成效[10-14].本文对定西市安定区利用漏斗式聚流坑和燕尾式鱼鳞坑径流聚集工程中营造的云杉×沙棘混交林与云杉纯林的生长发育状况、土壤含水率变化进行研究，旨在评价半干旱区径流聚集工程技术对林木发育情况及生态环境效应.

1材料与方法

1.1研究区概况

定西市安定区位于甘肃省中部，位于位置E 104°12′～105°01′、N 35°17′～36°02′N，总面积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%，年均蒸发量1 510 mm，年平均气温6.3 ℃，极端最高气温34.3 ℃，极端最低气温-27.1 ℃，平均相对湿度64%，无霜期141 d.全区被黄土覆盖，土层深厚，一般30～150 m，最厚可达300 m.土壤类型主要有黑垆土、灰钙土和黄绵土.属温带干旱草原区.常见的草本植物主要有本氏针茅(Stipacapillata)、短花针茅(Stipabreviflora)、百里香(Thymusmongolicus)、大针茅(Stipagrandis)、铁杆蒿(Heteropappusaltaicus)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、多茎委陵菜(Potentillamulticaulis)、紫花地丁(Violaphilippica)、骆驼蓬(Peganumharmala)、早熟禾(Poapratensis)、冰草(Agropyroncristatum)、狗尾草(Setariaviridis)等；常见的灌木有锦鸡儿(Caragnafruten)、柽柳(Tamarixchinensis)、白刺(Nitrariatangutorum)、枸杞(Lyciumchinense)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、胡枝子(Lespedezabicolor)等；常见的乔木有旱柳(Salixmatsudana)、白榆(Ulmuspumila)、臭椿(Ailanthusaltissima)、国槐(Sophorajaponica)、青杨(Populuscathayana)、河北杨(Populushopeiensis)、山杏(Armeniacasibirica)、侧柏(Platycladusorientalis)、云杉(Piceapurpurea)等.全区总人口45.31万人，其中农业人口36.26万人，人均纯收入3 101元.安定区在2000～2010年实施退耕还林还草工程6.51万hm2，其中完成退耕还林草工程3.24万hm2(还林0.97万hm2，还草2.27万hm2)，荒山造林3.27万hm2.至2010年全区造林保存面积增加到10.73万hm2，森林覆盖率提高到11.2%，林草覆盖率达到19.45%.

1.2样地选择

样地设置在安定区南部的内官镇文丰村侯家山退耕还林(草)工程区，造林时间为2005年4～5月；

造林类型为云杉×沙棘混交林和云杉纯林.按造林类型选择2块样地，在样地中央选择400 m2观测样方测定林木生长发育状况；在样方内选取1～2株标准木进行树干解析和生物量测定.样地立地条件见表1.

表1　样地立地条件

1.3工程设计

按照《甘肃省小流域水土流失综合防治工程建设技术规程》要求，进行漏斗式聚流坑、燕尾式聚流坑2种径流聚集工程设计.工程设计标准为：生产保证率≥50%；设计防洪频率为0.5%，最大24 h暴雨径流；安全聚流比≥增产聚流比≥1；林木生长设计保证频率年P≥75%，设计频率年2 m土层内平均土壤最低含水率8%～10%[9].漏斗式聚流坑造林模式为云杉×沙棘混交林；燕尾式聚流坑为云杉纯林.设计指标详见表2、图1、图2.

表2　漏斗式聚流坑、燕尾式聚流坑规格设计表(P=75%)

1.4研究方法

年降雨量观测：采用2001～2014年安定区香泉乡气象观测资料.

径流聚集工程调查：对照漏斗式聚流坑和燕尾式鱼鳞坑两种径流聚集工程设计结果，实地调查工程的降雨径流拦蓄性能，测定实际土壤含水量，评价径流聚集工程蓄水保土效果.

林木生长发育调查：调查样地内造林树种及方式，造林密度、株行距、胸径、树高、林分蓄积量、郁闭度、林地坡向、坡度.

土壤水分观测：在每个观测样方中，按照对角线选取3～5个土壤水分取样点.每个样点0～200 cm土层中，用取土钻每隔20 cm取样1个，土层样品40～60 g(铝盒容积的2/3以上)；在实验室对所取铝盒(及土样)称质量，然后在105 ℃烘箱中恒温烘干12 h后，取出称质量(干土及铝盒质量)，计算土壤含水率(占干土质量%).

土壤含水量计算：依据水量平衡原理，在无灌溉条件下，水量平衡方程为：

(1)

式中：E为土壤贮水量(mm)；M为土壤含水率(%)；R为土壤容重(g/m3)：H土层深度(cm)；r为水的密度(g/m3).

图1　漏斗式聚流坑设计图Fig.1　The design drawing of funnel-typefor runoff collecting

图2　燕尾式聚流坑设计图Fig.2　The design drawing of swallow-tail-typefor runoff collecting

2结果与分析

2.1降水分析

据安定区香泉乡降水观测资料，研究区多年(1960～2004年)平均降水量480 mm，研究期(2005～2014年)平均降水量452.5mm，相比较减少了5.72%.其中2005～2011年年均降水量462.3 mm，比多年平均减少3.69%；2012～2014年年均降水量达到424.2 mm，比多年平均减少11.63%.研究期降水量年际分布见图3.

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

2.2拦蓄效果

2014年11月14～16日对径流聚集工程规格、拦蓄性能、营林模式进行了调查.工程拦蓄性能调查表明，2种径流聚集工程实施结果与设计吻合(表3、图4、图5)，具有良好的拦蓄效果.至调查当年(2014年)工程运行完好，集流面的降水径流全部拦蓄，聚流工程无水毁现象、淤积轻微.

2.3造林模式

根据林木需水量与降水径流补给数量的水量平衡计算结果，梯田漏斗式聚流坑采用云杉×沙棘混交林(行间混交)造林模式，造林密度为1 334 株/hm2(云杉、沙棘各667株/hm2，图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纯林(品字形排列)，行距3.0 m，株距2.0 m，造林密度1 667株/hm2(图5).

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

2.4土壤水分分析

观测结果表明，在造林12 a后，生长期年降水量452.5 mm的情况下，2 m内土层的云杉×沙棘混交林平均土壤含水率为12.43%，云杉纯林为16.91%，均超过土壤最低含水率8%～10%的设计要求.其中纯林比混交林高4.48%，说明混交林的水分消耗量较纯林大，纯林具有更好的土壤水分条件.2012～2014年受降水量减少的影响，2种造林模式0～200 cm土层土壤含水率随土壤深度的增加，3个区域土壤含水率均呈现出逐渐减少的趋势，说明土壤含水率经过大量消耗，此阶段处于由上到下的补充过程.从土壤剖面来看，可将2 m土层分为土壤水分变化的活跃层(0～20 cm)、次活跃层(20～180 cm)和稳定层(180～200 cm)3个明显不同的区域.

图5　云杉纯林Fig.5　Spruce pure forest

根据公式(1)对不同土壤层次土壤贮水量的计算表明，土壤水分活跃层混交林的土壤贮水量为52.60 mm，云杉纯林为45.69 mm，混交林林地平均土壤含水率(22.29%)略高于云杉纯林林地(19.36%)，说明近期降水对活跃层土壤含水量具有显著的补偿作用，而且混交林较纯林具有更好的持水能力；次活跃层混交林的平均贮水量为225.99 mm，纯林为341.52 mm，混交林林地的平均土壤含水率(11.99%)低于云杉纯林林地(18.09%)，随着土壤深度的逐渐增加，混交林的土壤贮水能力逐渐下降，其耗水逐渐增多，说明混交林地在此土层的耗水量大于云杉纯林；稳定层混交林土壤贮水量为14.68 mm，纯林为11.8 mm，混交林林地平均土壤含水率(6.24%)略高于云杉纯林林地(5.00%)，说明造林后2005～2011年的气象干旱导致林地含水率处于低位运行，云杉纯林接近土壤吸湿系数[8-10]，纯林对深层的土壤水分利用能力更强、消耗更大(表3、图6).在径流聚集工程条件下，不同混交模式云杉林林地土壤水分状况好于同类地区其他退耕还林地的土壤水分状况[10-14].

表3　土壤含水率变化

图6　云杉混交林与纯林土壤含水率变化Fig.6　Soil moisture content variation of spruce seabuckthvrn mixed forest and pure spruce forest

2.5生长效果分析

表4可知，混交林中云杉、沙棘保存率为100%；胸径生长量5.88 cm，树高生长量3.94 m，林地郁闭度0.8，林草覆盖度达0.9以上，林木单株材积量达到0.019 2 m3/株，林地林木蓄积量12.81 m3/hm2.纯林中云杉保存率为90%，胸径生长量7.49 cm，树高生长量3.68 m，林地郁闭度0.5，林草覆盖度达0.6，林木单株材积量达0.025 2 m3/株，林地林木蓄积量39.99 m3/hm2.

混交林与纯林相比，由于混交林郁闭较早、郁闭程度较高，幼林期沙棘生长速度快于云杉，云杉与沙棘为了竞争光源，侧枝生长受到影响，高生长比较强势，故混交林树高生长量大于纯林(图6)；相比之下，云杉纯林幼林期四周开阔，侧枝发达，故胸径生长量大于混交林；由于树高、胸径生长量的不同，云杉纯林单株材积比混交林提高31.25%，且由于纯林的造林密度大于混交林，云杉纯林林木蓄积量比混交林提高了212.18%(表4).

表4　树种生长量

表中*为沙棘林地径.

图7　云杉沙棘混交林与纯林树高生长过程对比Fig.7　The compare of height of spruce seabuckthorn mixed forest and spruce pure forst

3讨论

1)树种选择.在年均降水量480 mm的条件下，采用的径流聚集工程可有效拦蓄降雨径流，保障了林木生长发育对水分的要求.在半干旱地区梁峁坡上部、半阴坡退耕地，选择以云杉×沙棘混交林与云杉纯林都表现出良好的适宜性，说明云杉为主要造林树种具有较好的适宜性.

2)土壤水分变化.实施径流集聚工程后在2005～2014年平均降水量452.5 mm的情况下，造林12 a后2 m内土层云杉×沙棘混交林的平均土壤含水率为12.43%，云杉纯林为16.91%，均超过径流集聚工程中设计频率年2 m土层内平均土壤最低含水率，其中纯林比混交林高4.48%，云杉纯林土壤水分适宜性高于混交林，因此具备更好的土壤水分条件.

3)生态经济性能评价.云杉纯林较混交林具有较大造林密度和林木蓄积量，具有更高的经营利用价值，由于造林密度较大，到中林龄后林分密度需要通过抚育间伐调整，为今后云杉纯林的经营利用提供了基础条件.

4)水土保持效果评价.云杉×沙棘混交林较纯林在林草覆盖状况方面具有更大的优势，由于其具有复层拦蓄，林地的水土流失防治基本可以通过自身条件解决，因此相对于纯林具有更长远的水土流失防治效果，具有更好的生物多样性与生态效益.云杉纯林林下草被覆盖度较低，林间地水土流失仍需依靠水土保持工程拦蓄，水土保持工程需要定期维护，今后还须进一步提高纯林林地的经营管理水平.

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(责任编辑胡文忠)

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,高级工程师,主要从事造林及林业工程管理.E-mail：420593090@qq.com

基金项目：甘肃省国际科技合作计划项目“速生杨抗性及生物量提高技术合作研究”(1204WCGA022).

收稿日期：2014-12-30；修回日期：2015-05-12

中图分类号：S 175.2

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)03-0108-06

第一作者：李国林(1963-),男,农业推广研究员,主要从事草原生态区域规划研究.E-mail：guoll1963@163.com