黑龙江西部低山丘陵区抗旱造林坡面集水处理技术研究

王力刚，李　峰，王炜烨，刘文环

(黑龙江省森林与环境科学研究院，黑龙江齐齐哈尔161005)

黑龙江西部低山丘陵区抗旱造林坡面集水处理技术研究

王力刚，李峰，王炜烨，刘文环

(黑龙江省森林与环境科学研究院，黑龙江齐齐哈尔161005)

抗旱造林;坡面集水措施;黑龙江西部

以明穴造林为对照，选取5种坡面集水处理措施(自然坡面、铲平拍光、覆膜、喷防水剂、撒水泥)，探讨黑龙江西部坡面集水技术对植苗带(穴)土壤含水量、造林成活率及林木生长的影响，结果表明:集水效果以覆膜处理为最佳，其余依次为喷防水剂、铲平拍光、撒水泥、自然坡面;覆膜、喷防水剂、铲平拍光、撒水泥这几种处理的造林成活率显著高于对照(明穴造林)，且能不同程度地促进幼苗生长，促进作用大小为覆膜＞喷防水剂＞铲平拍光＞撒水泥＞自然坡面。选取造林成活率、高生长量、处理成本、对环境影响4项指标，以樟子松为例，采取数据极差标准化处理方法对几种坡面处理进行的评价结果表明，自然坡面、覆膜及铲平拍光是较理想的坡面集水措施。

干旱是一个世界性的问题，我国干旱半干旱区面积约占国土面积的52.5%。黑龙江省西部属于东北西部内蒙古东部旱区，干旱少雨是其主要的气候特征［1-2］，这一气候特征制约了该区的植被建设，而改变该区恶劣的生态环境又必然要通过恢复或扩大植被来实现。由于林业用地的复杂性，该区引水灌溉或人工拉水浇灌很困难或成本很高，而天然降水又不能满足常规生产造林林木成活及持续生长的需要，因此抗旱节水造林成为林业生产上急需解决的重要技术问题。

以径流林业为理论基础的集水抗旱造林技术为旱区林业带来了曙光［3-4］。国内外的抗旱集水造林技术研究主要从增加林地水分的有效供给和降低无效耗水量两个方面开展，其中以增加土壤水分有效供给的表层径流收集为主，通过土内防渗、改变土壤结构、处理土壤表层和覆盖地表等措施来增加径流汇集量和提高土壤蓄水保墒性能。汇集径流的大小取决于降雨量、降雨强度、土壤前期含水状况及入渗能力，同时与集流率大小、集水坡面状况关系密切［5-7］。在我国，集水技术在林业上最早应用于西北旱区，效果十分显著。据王斌瑞等［8-9］研究报道，在年降水量不足400 mm的黄土丘陵区采用集水造林配套技术，使树木根系分布层内的来水量达到每年1 000 mm以上，造林成活率达95%以上，明显促进了林木生长，使抗旱造林有了突破性进展。

本研究选取自然坡面、铲平拍光、覆膜、喷防水剂、撒水泥等5种坡面集流处理方式，分析其对植苗带土壤水分含量及林木成活情况的影响，同时研究不同处理方式下林木的生长状况，并对不同坡面处理方式进行综合评价，以筛选出该区适宜的坡面集水整地技术，为该区的抗旱造林生产提供参考。

1　试验地概况

本试验在黑龙江西部龙江县错海林场开展，林场地理坐标为122°51'E、47°27'N，地处大兴安岭东坡余脉，属低山丘陵区，平均海拔340 m。该区属半干旱大陆性季风气候，年均气温3.4℃，≥10℃年积温2 450 ～2 600℃，无霜期125 d左右，年降水量420～480 mm，多集中在7—8月份，年蒸发量1 600～1 718 mm。主要植被为落叶松、樟子松、杨树、蒙古柞、胡枝子、羊草、野谷草、黄芪、防风等，森林覆盖率57%。

2　试验设计和研究方法

2.1试验设计

试验设在林场西南的晌午山。该山为土质荒山，山顶海拔301.3 m，山体呈浑圆形，坡度12°～15°，上部土层较薄，山顶则为成堆裸露的岩石，向下土壤逐渐增厚，到与农田交接区域土壤可达70～80 cm厚。在晌午山南坡选择坡度较为一致的坡面(13°)设置本次试验样地，试验开始时间为2007年5月。

在选定的试验样地坡面上设置自然坡面、铲平拍光、铲平拍光+喷施甲基硅酸钠(以下简称喷防水剂)、铲平拍光+覆塑料薄膜(以下简称覆膜)、铲平拍光+撒中性水泥(以下简称撒水泥)5种试验处理，每种处理0.3 hm2(山上、山中、山下各0.1 hm2)，以当地生产造林方式明穴造林作对照，试验区总面积1.8 hm2。当地荒山生产造林密度一般采用2 m×3 m，为使试验结果与生产造林具有可比性，本试验将集水面积设计为6 m2。采用环山拉沟修筑蓄水带栽植林木，沟深40～50 cm、上口宽50 cm、沟间距3 m。在沟的下沿用沟内的下层土修筑底宽50 cm、顶宽30 cm、高20 cm的土堤，将表层土回填沟内，然后再沿植苗带垂直方向拉线修筑底宽30 cm、顶宽20 cm、高15 cm的土堤，与等高线沟相垂直，成方格状，竖向土堤间距2 m，形成6 m2的长方形集水方格，在每个集水方格下对应的蓄水带的中间位置栽植苗木。

试验树种及规格:樟子松采用5年生容器苗，苗高30～40 cm、地径1.2 cm;锦鸡儿采用2年生实生苗，苗高50 cm左右、地径0.6 cm;丁香采用2年生实生苗，苗高20～30 cm、地径0.3～0.4 cm;山杏采用2年生实生苗，苗高50 cm、地径0.5 cm。

2.2研究方法

通过对不同处理坡面植苗带土壤水分、林木成活与生长情况的对比分析，结合不同处理坡面的成本、对环境的影响，对不同处理坡面进行综合评价，筛选出适宜的坡面集水处理方式。

测定指标:各处理措施植苗带土壤水分含量(质量含水率)、林木成活率及生长测定指标(乔木主要测定各处理试验林木的干径、树高、冠幅，灌木测定株高、冠幅、生物量)。

3　结果与分析

3.1不同坡面处理措施集水效果比较

雨水在坡面通过浸湿、渗透，过多的部分在重力作用下沿坡面以径流形式流至下面的植苗带，然后再通过渗透、蓄存，供应林木生长。相同雨量、雨强、降雨历时，不同坡面处理产生的径流量不同，从而使相应植苗带土壤含水率存在差异。因此，通过测定不同坡面处理下植苗带土壤含水率，可以反映出不同坡面处理集水效果的差别。2007—2011年，测定了不同坡面处理植苗带9个时段的土壤含水率，结果见表1。从表1可知，覆膜处理下植苗带土壤含水率最高，为20.66%;喷防水剂处理次之，为20.33%;之后依次为铲平拍光处理18.81%、撒水泥处理18.71%、自然坡面18.09%。与对照的 14.66%相比，各处理分别提高 40.93%、38.68%、28.31%、27.63%、23.40%。方差分析结果表明，各处理与对照差异显著(0.05水平)，可见通过集水措施可以较为明显地改善林木生长的土壤水分环境，为林木成活与生长创造条件，不同坡面处理的集水效果以覆膜最好、喷防水剂次之、自然坡面最差。

表1　各坡面处理措施植苗带土壤含水率　%

3.2不同坡面处理对造林成活率及林木生长状况的影响

由于土壤水分状况对幼树成活与生长状况影响较大，而不同坡面处理措施使植苗带土壤水分状况发生了改变，因而不同坡面处理措施必然对其相应植苗带林木的成活与生长状况产生影响。

3.2.1对造林成活率的影响

调查统计结果表明(表2)，不同坡面处理下植苗带林木成活率存在差异，其中:覆膜处理成活率最高，为97.95%，其余依次为喷防水剂处理95.35%、铲平拍光处理93.88%、撒水泥处理93.1%、自然坡面87.73%，而对照明穴造林为80.25%。各处理成活率分别较对照高17.70、15.10、13.63、12.85、7.48百分点，提高幅度分别为22.06%、18.82%、16.98%、16.01%、9.32%。经方差分析，各处理与对照间差异均达极显著水平(0.01水平)，自然坡面与其他几种处理间的差异也达极显著水平(0.01水平)。

表2　不同坡面处理措施造林成活率比较　%

3.2.2对林木生长的影响

不同坡面处理措施对乔木幼苗生长的影响见表3。从表3可知，不同坡面处理下植苗带栽植的樟子松株高、胸径及冠幅存在差别，其中:株高以覆膜处理最高，为211.0 cm，其余依次为喷防水剂处理199.0 cm、铲平拍光处理195.0 cm、撒水泥处理191.3 cm、自然坡面186.5 cm，较对照(明穴造林)的184.8 cm分别提高14.18%、7.68%、5.52%、3.52%、0.92%，平均提高6.39%，除自然坡面和撒水泥处理外，其他处理与对照差异显著(0.05水平);胸径仍是覆膜处理最大，为3.68 cm，其余依次为喷防水剂处理3.03 cm、铲平拍光处理3.00 cm、撒水泥处理2.96 cm、自然坡面2.89 cm，较对照的2.43 cm分别提高51.44%、24.69%、24.46%、21.81%、18.93%，平均提高27.98%，各处理与对照差异显著(0.05水平);冠幅同样是覆膜处理最大，平均冠幅为143.5 cm，其余依次为喷防水剂处理139.5 cm、铲平拍光处理135.0 cm、撒水泥处理133.7 cm、自然坡面132.5 cm，较对照的 95.5 cm分别提高 49.64%、45.56%、40.77%、39.42%、38.16%，平均提高42.65%，各处理与对照差异显著(0.05水平)。

为了更加确切地比较不同坡面处理措施对樟子松高生长的影响，测定了各处理近3年(2011—2013年)樟子松的高生长量(表3)。结果表明，覆膜处理高生长量最大，为114.0 cm，其余依次为喷防水剂处理110.0 cm、铲平拍光处理105.4 cm、撒水泥处理102.6 cm、自然坡面99.0 cm，较对照的89.4 cm分别提高27.52%、23.04%、17.90%、14.77%、10.74%，平均提高18.79%，各处理与对照差异显著(0.05水平)。

表3　不同坡面处理措施对樟子松生长的影响

从上述不同坡面处理对樟子松主要生长指标的影响看，不同坡面处理对樟子松胸径与冠幅影响程度较大，其中:胸径提高幅度平均可达27.98%，最高达51.44%;冠幅提高幅度平均可达 42.65%，最高达49.64%。相对来说，对樟子松高生长影响较小，其中株高提高幅度平均为6.39%，近3年高生长量提高幅度平均为18.79%，比对胸径和冠幅的提高幅度小得多。

对各处理土壤含水率与樟子松幼树主要生长指标进行拟合，可知在一定范围内它们成正相关性(表4)，因而所采取的各项集流措施提高了植苗带土壤含水量，促进了樟子松幼树生长。

不同坡面处理对灌木的影响主要体现在株高、冠幅和生物量上。调查统计结果表明，各种坡面处理对丁香、小叶锦鸡儿的株高、冠幅和地上生物量都有一定的促进作用(表5、6)。各种坡面处理下丁香的平均株高、冠幅和地上生物量分别较对照提高 16.59%、11.50%、17.60%，其中:株高提高幅度最大的为覆膜处理(29.09%)，其余依次为喷防水剂(23.36%)、撒水泥(14.25%)、铲平拍光(12.03%)、自然坡面(4.21%)，除自然坡面外其他处理与对照差异显著(0.05水平);冠幅提高幅度最大的仍为覆膜处理(17.25%)，其余依次为喷防水剂(14.54%)、撒水泥(11.34%)、铲平拍光(8.31%)、自然坡面(5.91%)，覆膜和喷防水剂处理与对照差异显著;地上生物量提高幅度最大的仍是覆膜处理(29.11%)，其余依次为喷防水剂(22.66%)、撒水泥(17.86%)、铲平拍光(12.19%)、自然坡面(6.27%)，除自然坡面外其他处理与对照差异显著(0.05水平)。各种坡面处理下小叶锦鸡儿的平均株高、冠幅、地上生物量分别较对照提高17.91%、13.47%、18.57%，除自然坡面外其他处理与对照差异显著(0.05水平)，其中:株高提高幅度最大的为覆膜处理(31.46%)，其余依次为喷防水剂(25.84%)、铲平拍光(17.19%)、撒水泥(10.11%)、自然坡面(4.94%);冠幅提高幅度最大的为覆膜处理(19.80%)，其余依次为铲平拍光(18.02%)、撒水泥(14.46%)、喷防水剂(11.88%)、自然坡面(3.17%);生物量提高幅度最大的仍为覆膜处理(30.85%)，其余依次为喷防水剂(24.52%)、铲平拍光(18.36%)、撒水泥(13.15%)、自然坡面(5.94%)。

表4　樟子松、丁香和锦鸡儿生长指标与土壤含水率关系模型

表5　不同坡面处理措施对丁香生长的影响

丁香、小叶锦鸡儿生长指标与各处理对应的土壤含水率同样具有正相关性，见表4。

表6　不同坡面处理措施对小叶锦鸡儿生长的影响

综上，不同坡面集水措施通过对植苗带土壤水分的影响，对栽植的林木幼苗的生长起到了积极的促进作用，使樟子松高生长提高10.74%～27.52%，丁香株高提高4.21%～29.09%，小叶锦鸡儿株高提高4.94%～31.46%，灌木地上生物量提高17.60%～18.57%。

3.3不同坡面处理效果评价

3.3.1评价指标选择

促进林木成活与生长是集水造林的目标，成活率与生长性状自然成为评价不同坡面处理的重要指标之一;不同坡面处理所用材料及工序不同，其成本存在差异，成本太高可能只具有试验性，而没有推广应用价值，因而将成本作为不同坡面处理评价的一项指标;有的处理材料对林地环境会造成一定污染，所以将对环境影响作为评价不同坡面处理的又一项指标。基于此，本研究以樟子松为例，从林木成活、生长性状、成本和对环境影响4个方面对不同坡面处理效果进行综合评价。

3.3.2指标值确定

林木成活指标采用成活率，生长指标采用高生长量(高生长量与生长指标关系最为密切)，以上述的调查统计数值作为其指标值。

坡面处理成本按照市价核算，其中自然坡面1 950 元/hm2(截流植苗带采用环山拉沟侧筑埂整地费:人工费900元/hm2、机械费1 050元/hm2)、铲平拍光处理3 683元/hm2(在自然坡面处理费用基础上增加了人工费1 733元/hm2)、覆膜处理5 401元/hm2(在铲平拍光处理费用基础上增加了薄膜及覆膜处置费1 718元/hm2)、喷防水剂处理6 266元/hm2(在铲平拍光处理费用基础上增加了材料费及人工喷洒费用2 583元/hm2)、撒水泥处理4 775元/hm2(在铲平拍光处理费用基础上增加了材料费及人工处置费1 092 元/hm2)、对照费用1 667元/hm2(明穴整地，密度2 m×3 m，机械钻孔，每个植苗穴费用1元)。

为了便于比较不同处理措施对环境的影响程度，将不同处理对环境的影响人为划分等级，并确定相应的指标值。本研究设定0—3四个等级标准，数字越小，说明对环境影响越小，其中“0”为对环境影响最小，“3”为对环境影响最大(这里的影响主要是指负面影响)。从这一思想出发，自然坡面相对而言对环境影响最小，几乎没有负面影响;铲平拍光处理对环境稍有影响，破坏了原有植被层;覆膜处理是在铲平拍光处理的基础上增加了塑料薄膜，而薄膜影响只限于物理性介入，尚属于物理性污染;喷防水剂与撒水泥处理则由于防水剂与水泥的介入而对林地环境造成了较重的污染。由此，可将几种坡面处理对环境的影响数值化为:自然坡面与对照为“0”，铲平拍光处理为“1”，覆膜处理为“2”，撒水泥和喷防水剂处理为“3”。

将上述各处理确定的指标值列入表7。

3.3.3评价结果

由于不同指标值之间量纲不同，没有可比性，因此采用min-max标准化方法将所选指标的原始指标值进行标准化处理。

min-max标准化方法是对原始数据进行线性变换:设定minA和maxA分别为属性A的最小值和最大值，将A的一个原始值x通过min-max标准化映射成在区间［0，1］中的值x'，其公式为

表7　不同坡面处理效果评价指标数据统计(以樟子松为例)

应用公式(1)计算新数据时，若原始数据越大效果越好的(如成活率和高生长量)直接采用公式(1)计算形成新数据，若原始数据越小越好的(如成本和对环境的影响)则用1减去通过公式(1)计算出的数据形成新数据，最终采用新数据的均值作为综合评价不同坡面处理的效果次序，新数据均值越大其对应的处理效果越好。

综合评价结果(表8)表明，几种处理效果的综合评价位序为自然坡面、覆膜、铲平拍光、对照、喷防水剂、撒水泥。可见自然坡面、铲平拍光尽管从造林成活率和生长指标看不是最好的，但相对其他几种坡面处理，造林成本较低、对环境不会造成较大的负面影响、可操作性强，因而应用起来会更为方便，生产上也易于接受。

表8　不同坡面处理效果综合评价

4　结论

(1)不同坡面处理的集水效果以覆膜处理为最佳，其余依次为喷防水剂、铲平拍光、撒水泥、自然坡面，其中覆膜、喷防水剂、铲平拍光、撒水泥几种处理均可使造林成活率达到90%以上，自然坡面可使造林成活率达到85%以上，与对照明穴造林成活率差异显著;不同坡面处理均可促进幼林生长，与对照相比，使樟子松幼林高生长提高10.74%～27.52%、胸径提高18.93%～51.44%，丁香幼林株高提高4.21%～29.09%，锦鸡儿幼林株高提高4.94%～31.46%，丁香、锦鸡儿地上生物量提高17.60%～18.57%，促进作用大小依次为覆膜＞喷防水剂＞铲平拍光＞撒水泥＞自然坡面。

(2)选择成活率、高生长量、成本和对环境影响4个指标，以樟子松为例，采用极差标准化法将原始数据标准化后进行综合评价，结果表明:自然坡面、覆膜、铲平拍光为较理想的集流处理措施，喷防水剂与撒水泥两种处理综合评价较差。

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(责任编辑徐素霞)

S157.2;S728.2

A

1000-0941(2016)03-0046-05

王力刚(1968—)，男，黑龙江海伦市人，高级工程师，学士，目前主要从事防护林研究。

2015-03-30