田 雨，張春梅，謝 強(qiáng)，王東睿，黃雪菊

(1.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川成都 610041;2.阿壩藏族羌族自治州環(huán)境監(jiān)測中心站，四川馬爾康 624000)

1 概述

我國是世界上干旱河谷分布最集中的國家之一，主要分布于金沙江、怒江、瀾滄江和雅礱江的中、下游，大渡河和元江的中游，岷江上游和嘉陵江上游的白水河等河谷兩岸海拔1 600 m以下的區(qū)域。其范圍主要包含四川和貴州的西北部、西藏西南部和云南部分地區(qū)。干旱河谷通常分為干熱河谷、干暖河谷和干溫河谷3種類型(張榮祖，1992)，干熱河谷是其中生態(tài)環(huán)境最惡劣、植被最難以恢復(fù)的區(qū)域。

長期以來，人們試圖在干熱河谷按照一般林區(qū)造林，通過人工栽植，短期內(nèi)使稀樹灌草叢變成森林，雖然不惜一切代價(jià)人工補(bǔ)充水分和養(yǎng)分，在居民點(diǎn)附近可以種植一些樹木，甚至在一些試驗(yàn)區(qū)、樣板田，在人工澆灌情況下，也可營造數(shù)公頃的小片林地，但并沒有達(dá)到在廣大山丘坡地成林的目的。近年來，科研工作者加大了干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)的研究力度，試圖找到一種新的技術(shù)來解決干熱河谷區(qū)的植被恢復(fù)的難題。目前的研究工作主要集中于抗旱機(jī)制和抗旱物種挑選、保水保墑技術(shù)研究、造林模式研究、植被恢復(fù)新技術(shù)研究等方面。

近些年來，雖然我國投入了大量資金用于干熱河谷區(qū)的植被恢復(fù)的研究和實(shí)踐，但是效果一直不好，形成了“年年種樹不見樹，年年造林不成林”的現(xiàn)狀。究其原因，主要是因?yàn)橐郧暗姆椒ù蠖嗍峭ㄟ^人工促進(jìn)作用，增加植被的水分供應(yīng)，以滿足植被生長的水分需求，一旦人工作用消失，而植被還未能適應(yīng)干旱環(huán)境，植被便會(huì)死亡。舉例來說，金沙江干熱河谷種植的多種喬木，在幼苗和幼齡期一般可存活，到成林時(shí)期則因土壤水分和養(yǎng)分不足而相繼死亡。據(jù)20世紀(jì)70年代在云南省元謀縣直播的云南松(Pinus yunnanensis)、思茅松(Pinus langbianensis)觀測，干熱河谷中種植的松樹，第6年自然稀疏到1 050株·hm-2～6 750株·hm-2，第8年銳減到450株·hm-2～1 050株·hm-2，直到第18年后還在繼續(xù)減少(費(fèi)世民等，2003)。由此可見，在干熱河谷區(qū)，通過人為方式外在補(bǔ)充水分來促進(jìn)植被生長的造林模式是不可取的。

植被群落具有適應(yīng)環(huán)境和改造環(huán)境的功能，要想在干熱河谷區(qū)取得植被恢復(fù)的成功，就應(yīng)該充分發(fā)揮植被改造環(huán)境的主觀能動(dòng)性。本文就是基于這一基本原理提出了干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)的新思路，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對該思路進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究工作可以為干旱區(qū)植被恢復(fù)和重建提供理論基礎(chǔ)，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 植被群落的水分自營作用

植被群落在適應(yīng)區(qū)域地理環(huán)境和氣候條件的同時(shí)，還具備通過生命過程對所在地的自然環(huán)境進(jìn)行改造的功能。水分作為植被生長不可或缺的一個(gè)因素，植被群落必然會(huì)通過自身來改造水分環(huán)境(水分條件)以滿足自身生長的需求，我們把植被群落的這種功能叫做植被群落的水分自營作用。

2.1.1 冠層對水分的調(diào)節(jié)作用

(1)冠層反射

植物在漫長的進(jìn)化史中形成了一種有利于光合作用的光譜響應(yīng)特性，植物葉面產(chǎn)生出對有效光合波段(可見光)高吸收(低反射率)和對無效光波段(熱紅外)高反射的特征。植物在可見光譜區(qū)(300 nm～600 nm波段)的反射系數(shù)較小(約0.1，與土壤的反射率相當(dāng))，而在近紅外光波段卻存在反射率躍增，即從700 nm的波長開始，植物葉面的反射系數(shù)陡然增大到0.4～0.6，而且無論植物的種類和枝葉結(jié)構(gòu)如何，都存在這種反射率的躍升，而水體、土壤或巖石則不具有這個(gè)特性。植物光合作用只能利用太陽光譜中的高能(短波)部分，低能(紅外)光子達(dá)不到光合作用的量子閾值。而且紅外光還有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，可引起植物體溫升高，呼吸和異化代謝加強(qiáng)，不利于植物生長和營養(yǎng)物的積累。植物增大紅外光反射率可有效地避免這種不利作用，獲得最佳光能利用效益。

(2)林冠截留

林冠的截留作用對森林生態(tài)系統(tǒng)水分收入和對土壤水分的補(bǔ)充有著顯著的影響。通常，截留的水分將用于森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)，減少林地土壤水分損失，提高土壤水分含量。林冠層對雨水的截留和緩沖作用，會(huì)顯著減少進(jìn)入林地的水量，導(dǎo)致地表徑流減少。

(3)林冠阻抗

林冠的阻抗作用主要體現(xiàn)在氣孔阻抗和邊界層阻滯作用方面。植物根系從土壤吸收水分，經(jīng)導(dǎo)管向上移動(dòng)，在根壓和蒸騰拉力作用下，水分移動(dòng)可達(dá)到樹梢的葉子。葉子表皮有很多氣孔，這些氣孔在兩個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞之間，水分進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞膨脹，氣孔張開，散發(fā)開始進(jìn)行。如果水分減少至一定程度，保衛(wèi)細(xì)胞松弛，氣孔關(guān)閉。這會(huì)減少水分的支出。影響氣孔開閉的主要因素是光線強(qiáng)弱、葉的水分補(bǔ)給、空氣的溫度、濕度和生物化學(xué)變化。通常，氣孔白天開著，夜晚關(guān)閉。溫度小于4.5°C時(shí)，散發(fā)很少。很多的研究結(jié)果表明，在受到外界干旱脅迫時(shí)，植物會(huì)關(guān)閉氣孔，增大水分輸出阻抗，直接減少水分的輸出。

此外，由于林冠邊界粗糙度大，組織層次豐富，林冠還能降低風(fēng)速，阻礙水汽交換，抑制對流擴(kuò)散，降低林地的水分蒸散發(fā)。

2.1.2 枯落物對水分的調(diào)節(jié)作用

(1)截留和滯留作用

森林枯枝落葉層具有較大的水分截留能力。Miller(1977)研究表明森林植被和枯落物層都可以貯存1 kg·m-2～3 kg·m-2的降水。各種森林枯落物的最大持水率平均為自身干重的309.54%，林地枯落物層的最大持水量平均為4.18 mm(劉世榮等，1996)。枯落物層對土壤蓄水量有顯著的影響。枯落物層本身具有良好的吸持水分和涵養(yǎng)水分的性能，在降雨季節(jié)能吸持大量的降水，同時(shí)能將多余的水分緩慢的滲透到地下，增加土壤蓄水能力;在干旱季節(jié)中，可將自身涵養(yǎng)的水分緩慢下滲，增加土壤水分，保持土壤濕度?？萋湮镂盏乃种饕糜诹值氐恼舭l(fā)，如此一來，林地土壤的蒸發(fā)量會(huì)相對小于裸地，有利于林地保持土壤濕度。

(2)增加土壤入滲量

當(dāng)降水量超過枯枝落葉層飽和持水量或降水強(qiáng)度超過其臨界持水能力又不及入滲土壤時(shí)，林地坡面便產(chǎn)生徑流。徑流流經(jīng)枯枝落葉層時(shí)，受到阻力，流速減小，水分下滲的時(shí)間延長，土壤入滲量增加，增大了森林生態(tài)系統(tǒng)的可利用水分，這對改善森林地水分收支平衡十分有利。

(3)抑制土壤蒸發(fā)

覆蓋是一種古老的蓄水保墑措施，在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用?？葜β淙~層作為一種自然的覆被，不但能吸收太陽輻射，減少林地土壤所受的直接輻射，降低土壤溫度，還能阻滯土壤和大氣間的水汽交換，從而抑制土壤的蒸發(fā)。土壤蒸發(fā)是地氣能量交換中的主要過程之一，它既是地表能量平衡的組成部分，又是水分平衡的組成部分(孟春雷，2007)。蒸發(fā)作用造成土壤含水量減少，影響植物正常生長。枯落物的存在有效抑制了林內(nèi)土壤蒸發(fā)，保持了林地土壤水分，改善了土壤小環(huán)境條件，提高了水分的利用率。

(4)改善土壤性質(zhì)

枯落物層對林地土壤的水分物理性質(zhì)也有影響。它能使土壤變疏松，改善土壤溫度，防止土壤嚴(yán)重凍結(jié)。在降雨的過程中還能起到保護(hù)、過濾作用，有效地使土壤免受雨水的直接沖擊，同時(shí)還能過濾出致密的土壤顆粒，防止土壤因?yàn)榇罂紫兜亩氯?，而減弱水分滲透的性能。

2.1.3 植物根系對水分的影響

植被根系對水分的調(diào)節(jié)作用主要是通過改善土壤性能來間接實(shí)現(xiàn)的。這種調(diào)節(jié)作用是通過根系對土壤的固持以及根系對土壤物理性狀和結(jié)構(gòu)的改善來實(shí)現(xiàn)的。

在淺層土壤中，林木的側(cè)根組成了連續(xù)的和具有斜向牽引力作用的根網(wǎng)，對根際土層的強(qiáng)度有重要意義，小直徑的側(cè)根組成的密集根網(wǎng)如同具有斜向抗張強(qiáng)度的張力膜，既加固根際土層，又把下次土壤固持在原有位置(周躍，1999)。林木根系對土體的固持力主要決定于土壤中根表面積和根的抗拉力的大小。在黃土坡地上，林木根系與土壤間的靜摩擦阻力是決定根系提高土壤抗剪強(qiáng)度增量的主要因素，長而粗的少量根系與土體間的摩擦阻力遠(yuǎn)大于短而細(xì)的多量根系。許多木本植物的主根直徑粗大，根系深入土層可達(dá)3 m～5 m，對于穩(wěn)固土體環(huán)境具有很大的積極作用。有的學(xué)者則認(rèn)為土壤抗沖性強(qiáng)度值與小于1 mm徑級的須根密度關(guān)系最密切，并將土壤剖面中100 cm2截面上小于1 mm須根數(shù)作為有效根系密度的指標(biāo)(余新曉等，2004)。

2.2 基于植被群落水分自營作用的植被恢復(fù)技術(shù)

上述分析表明，植被群落的水分自營作用是通過植被自身、下墊面(主要是枯落物)、土壤(物化性質(zhì)、微生物、土壤動(dòng)物)等綜合實(shí)現(xiàn)的(程根偉＆田雨，2013)。要充分發(fā)揮植被的水分自營作用，就必須從植被、土壤、下墊面這幾個(gè)方面進(jìn)行改造:

(1)物種選擇:選擇耐旱物種，優(yōu)先選擇本地優(yōu)勢物種;

(2)土壤改良:一方面需要確定土壤厚度能夠滿足成熟林必需的土壤厚度需求，如土壤厚度不夠，需要采取措施增加土壤厚度;另一方面，需要改善土壤物化性質(zhì)，采用施肥等方式，提高土壤的保水能力;

(3)下墊面改造:植被栽植后，要在土壤表層覆蓋一層枯落物或枯草，起到降低水分蒸發(fā)、增強(qiáng)水分蓄積和改良土壤的作用。

3 實(shí)踐探索

3.1 研究區(qū)域

試驗(yàn)在四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院西蒙得木基地內(nèi)進(jìn)行。基地位于位于四川省涼山彝族自治州南端會(huì)東縣境內(nèi)，總面積66.7 hm2，中心坐標(biāo)為東經(jīng)102°34'39.18″，北緯 26°22'34.25″?；匚挥诮鹕辰蔁岷庸葍?nèi)，干熱少雨，雨季(5月～10月)降水量占年降水總量的90%以上。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 目標(biāo)物種的選擇

會(huì)東基地周圍的優(yōu)勢植被為西蒙得木、合歡、車桑子和黃茅。其中，西蒙得木(Simmondsia chinensis L.)是一種多年生常綠灌木，原產(chǎn)美國西南部的加利福尼亞州、新墨西哥州、亞利桑那州和墨西哥北部熱帶沙漠。西蒙得木具有的極強(qiáng)抗旱特性，能在年降雨量僅125 mm的地區(qū)生長。西蒙得木的根系極其發(fā)達(dá)，主根可深入地下十幾米，是理想的固土固沙的耐旱植物，且其樹齡可長達(dá)200年左右，故有“沙漠克星”的譽(yù)稱(徐亮，2006)。在會(huì)東基地，西蒙得木的生長狀況要好于其物種。因此，本研究選取西蒙得木作為探索試驗(yàn)的目標(biāo)物種。

3.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了探明本文提出的植被恢復(fù)技術(shù)的可行性，設(shè)計(jì)了1 a生西蒙得木幼苗栽植和5 a生西蒙得木苗木移植兩個(gè)試驗(yàn)。

幼苗栽植:栽植試驗(yàn)在會(huì)東西蒙得木基地的一處坡地上進(jìn)行。該坡地坡度約為25°，土壤厚度約10 cm～25 cm。前些年曾進(jìn)行過西蒙得木的栽種，但最終以失敗告終。原來的坡地土層較薄，不適合植被的生長，為了滿足西蒙得木幼苗的生長需求，需要進(jìn)行坡改梯，坡改梯后土層厚約40 cm。幼苗栽植在7月雨季進(jìn)行。栽種結(jié)束后在土壤表層再覆蓋一層5 cm厚的枯落物層。栽種最初1個(gè)月內(nèi)，補(bǔ)充一定的水分。在后期，不再補(bǔ)充水分。

成林苗移植:移栽試驗(yàn)在會(huì)東西蒙得木基地的一處緩坡地上進(jìn)行。該坡地坡度約為5°～8°，土壤厚度大于80 cm。栽植方法為:在樣地內(nèi)采用塊狀清林后，挖穴60 cm×60 cm×60 cm，將基地內(nèi)10年齡的西蒙得木移栽入穴，施基肥3 kg·穴-1。栽植結(jié)束后在表層覆蓋10 cm的枯落物。

對照:為了對比試驗(yàn)效果。在基地內(nèi)選取了一塊坡度約為25°，土壤厚度約20 cm的裸地進(jìn)行了幼苗栽植。栽植前不進(jìn)行土壤改良，栽植后覆蓋3 cm厚的枯落物層。除了栽種最初1個(gè)月內(nèi)補(bǔ)充一定的水分外，不再補(bǔ)充水分。

3.3 試驗(yàn)觀測

觀測指標(biāo)主要包括:樣地土壤水分含量和植被生長狀況。土壤水分用便攜式土壤水分儀測定;植被的生長狀況用植被的成活率來表征。

4 結(jié)果

4.1 土壤水分

觀測結(jié)果表明，土壤水分含量呈現(xiàn)出移栽西蒙得木林地＞西蒙得木幼苗林地＞裸地的規(guī)律(圖1)。

圖1 裸地、栽植林地和移栽林地的土壤水分含量Fig.1 SWC of bare land，planting woodland and transplanting woodland

4.2 植被成活率

不同處理方式下西蒙得木的成活率有明顯差距。對照組的西蒙得木成活率逐漸減低，栽植的西蒙得木幼苗在栽植后3個(gè)月內(nèi)成活率稍有下降，然后趨于穩(wěn)定;移栽的西蒙得木則完全成活(圖2)。

圖2 植被的成活率隨栽植時(shí)間的變化Fig.2 The survival rate of vegetation in bare land，planting woodland and transplanting woodland

5 討論

在干熱河谷區(qū)，水分是制約植被生長的關(guān)鍵因素。要解決水分虧損的難題，一方面要增加水分供給，另一方面則需要減少水分的無效消耗。人工澆灌是增加水分供給的最直接的方式，然而，一旦停止供給，植被則會(huì)因?yàn)闊o法克服干旱環(huán)境而死亡。因此，人工灌溉的方式只能短期的解決水分虧損問題，不能從根本上解決問題從而達(dá)到植被恢復(fù)的效果。

植被具有改造和適應(yīng)環(huán)境的本能，能發(fā)揮自身的能動(dòng)性調(diào)節(jié)水分，達(dá)到增加水分供給、減少無效水分消耗、高效利用水分以滿足自身生長的目的。植物調(diào)節(jié)水分的功能除了自身以外，還受外界環(huán)境的影響。土壤和下墊面(主要是枯落物層)是影響這種調(diào)節(jié)作用發(fā)揮最關(guān)鍵的因素。

本文從土壤改良和表層枯落物覆蓋兩個(gè)方面著手，為西蒙得木的生存營造了良好的生存條件，使其能充分發(fā)揮“自營”水分的功能，從而克服干旱環(huán)境而得以成活。研究結(jié)果表明，經(jīng)改造后，無論是西蒙得木幼苗栽植還是5 a齡成熟苗移栽都能取得良好的效果。

6 結(jié)論

本文基于植被群落的水分自營作用原理提出了干熱河谷植被恢復(fù)的技術(shù)方法:充分利用植被改造環(huán)境和適應(yīng)環(huán)境的本能，在物種遴選的基礎(chǔ)上，側(cè)重從土壤改良和下墊面營造兩個(gè)方面著手，為植被的生存營造適當(dāng)?shù)纳鏃l件，使其能充分發(fā)揮“自營”水分的功能，從而克服干旱環(huán)境而得以成活。結(jié)果表明，本文提出的干熱河谷植被恢復(fù)新技術(shù)可行。

［1］費(fèi)世民，王鵬，陳秀明，等.論干熱河谷植被恢復(fù)過程中的適度造林技術(shù)［J］.四川林業(yè)科技，2003，24(3):10～16.

［2］劉世榮，溫遠(yuǎn)光，王兵，等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1996.

［3］孟春雷.土壤蒸發(fā)及水熱傳輸研究綜述［J］.土壤通報(bào)，2007，38(2):374～378.

［4］徐亮.西蒙得木對金沙江干熱河谷生態(tài)保護(hù)的作用［J］.資源開發(fā)與市場，2006，22(5):452～453，463

［5］余新曉，張志強(qiáng)，陳麗華，等.森林生態(tài)水文［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2004.

［6］張榮祖.橫斷山區(qū)干旱河谷［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.

［7］鐘祥浩.干熱干旱河谷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化及恢復(fù)與重建途徑［J］.長江流域資源與環(huán)境，2000，9(3):376～383.

［8］周躍.喬木側(cè)根對土體的斜向牽引效應(yīng):I原理和數(shù)學(xué)模型［J］.山地學(xué)報(bào)，1999，17(1):4～9.