王力剛,李 峰,王煒燁,劉文環(huán)
(黑龍江省森林與環(huán)境科學(xué)研究院,黑龍江齊齊哈爾161005)
黑龍江西部低山丘陵區(qū)抗旱造林坡面集水處理技術(shù)研究
王力剛,李峰,王煒燁,劉文環(huán)
(黑龍江省森林與環(huán)境科學(xué)研究院,黑龍江齊齊哈爾161005)
抗旱造林;坡面集水措施;黑龍江西部
以明穴造林為對(duì)照,選取5種坡面集水處理措施(自然坡面、鏟平拍光、覆膜、噴防水劑、撒水泥),探討黑龍江西部坡面集水技術(shù)對(duì)植苗帶(穴)土壤含水量、造林成活率及林木生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明:集水效果以覆膜處理為最佳,其余依次為噴防水劑、鏟平拍光、撒水泥、自然坡面;覆膜、噴防水劑、鏟平拍光、撒水泥這幾種處理的造林成活率顯著高于對(duì)照(明穴造林),且能不同程度地促進(jìn)幼苗生長(zhǎng),促進(jìn)作用大小為覆膜>噴防水劑>鏟平拍光>撒水泥>自然坡面。選取造林成活率、高生長(zhǎng)量、處理成本、對(duì)環(huán)境影響4項(xiàng)指標(biāo),以樟子松為例,采取數(shù)據(jù)極差標(biāo)準(zhǔn)化處理方法對(duì)幾種坡面處理進(jìn)行的評(píng)價(jià)結(jié)果表明,自然坡面、覆膜及鏟平拍光是較理想的坡面集水措施。
干旱是一個(gè)世界性的問題,我國(guó)干旱半干旱區(qū)面積約占國(guó)土面積的52.5%。黑龍江省西部屬于東北西部?jī)?nèi)蒙古東部旱區(qū),干旱少雨是其主要的氣候特征[1-2],這一氣候特征制約了該區(qū)的植被建設(shè),而改變?cè)搮^(qū)惡劣的生態(tài)環(huán)境又必然要通過恢復(fù)或擴(kuò)大植被來實(shí)現(xiàn)。由于林業(yè)用地的復(fù)雜性,該區(qū)引水灌溉或人工拉水澆灌很困難或成本很高,而天然降水又不能滿足常規(guī)生產(chǎn)造林林木成活及持續(xù)生長(zhǎng)的需要,因此抗旱節(jié)水造林成為林業(yè)生產(chǎn)上急需解決的重要技術(shù)問題。
以徑流林業(yè)為理論基礎(chǔ)的集水抗旱造林技術(shù)為旱區(qū)林業(yè)帶來了曙光[3-4]。國(guó)內(nèi)外的抗旱集水造林技術(shù)研究主要從增加林地水分的有效供給和降低無效耗水量?jī)蓚€(gè)方面開展,其中以增加土壤水分有效供給的表層徑流收集為主,通過土內(nèi)防滲、改變土壤結(jié)構(gòu)、處理土壤表層和覆蓋地表等措施來增加徑流匯集量和提高土壤蓄水保墑性能。匯集徑流的大小取決于降雨量、降雨強(qiáng)度、土壤前期含水狀況及入滲能力,同時(shí)與集流率大小、集水坡面狀況關(guān)系密切[5-7]。在我國(guó),集水技術(shù)在林業(yè)上最早應(yīng)用于西北旱區(qū),效果十分顯著。據(jù)王斌瑞等[8-9]研究報(bào)道,在年降水量不足400 mm的黃土丘陵區(qū)采用集水造林配套技術(shù),使樹木根系分布層內(nèi)的來水量達(dá)到每年1 000 mm以上,造林成活率達(dá)95%以上,明顯促進(jìn)了林木生長(zhǎng),使抗旱造林有了突破性進(jìn)展。
本研究選取自然坡面、鏟平拍光、覆膜、噴防水劑、撒水泥等5種坡面集流處理方式,分析其對(duì)植苗帶土壤水分含量及林木成活情況的影響,同時(shí)研究不同處理方式下林木的生長(zhǎng)狀況,并對(duì)不同坡面處理方式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以篩選出該區(qū)適宜的坡面集水整地技術(shù),為該區(qū)的抗旱造林生產(chǎn)提供參考。
本試驗(yàn)在黑龍江西部龍江縣錯(cuò)海林場(chǎng)開展,林場(chǎng)地理坐標(biāo)為122°51'E、47°27'N,地處大興安嶺東坡余脈,屬低山丘陵區(qū),平均海拔340 m。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫3.4℃,≥10℃年積溫2 450 ~2 600℃,無霜期125 d左右,年降水量420~480 mm,多集中在7—8月份,年蒸發(fā)量1 600~1 718 mm。主要植被為落葉松、樟子松、楊樹、蒙古柞、胡枝子、羊草、野谷草、黃芪、防風(fēng)等,森林覆蓋率57%。
2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)在林場(chǎng)西南的晌午山。該山為土質(zhì)荒山,山頂海拔301.3 m,山體呈渾圓形,坡度12°~15°,上部土層較薄,山頂則為成堆裸露的巖石,向下土壤逐漸增厚,到與農(nóng)田交接區(qū)域土壤可達(dá)70~80 cm厚。在晌午山南坡選擇坡度較為一致的坡面(13°)設(shè)置本次試驗(yàn)樣地,試驗(yàn)開始時(shí)間為2007年5月。
在選定的試驗(yàn)樣地坡面上設(shè)置自然坡面、鏟平拍光、鏟平拍光+噴施甲基硅酸鈉(以下簡(jiǎn)稱噴防水劑)、鏟平拍光+覆塑料薄膜(以下簡(jiǎn)稱覆膜)、鏟平拍光+撒中性水泥(以下簡(jiǎn)稱撒水泥)5種試驗(yàn)處理,每種處理0.3 hm2(山上、山中、山下各0.1 hm2),以當(dāng)?shù)厣a(chǎn)造林方式明穴造林作對(duì)照,試驗(yàn)區(qū)總面積1.8 hm2。當(dāng)?shù)鼗纳缴a(chǎn)造林密度一般采用2 m×3 m,為使試驗(yàn)結(jié)果與生產(chǎn)造林具有可比性,本試驗(yàn)將集水面積設(shè)計(jì)為6 m2。采用環(huán)山拉溝修筑蓄水帶栽植林木,溝深40~50 cm、上口寬50 cm、溝間距3 m。在溝的下沿用溝內(nèi)的下層土修筑底寬50 cm、頂寬30 cm、高20 cm的土堤,將表層土回填溝內(nèi),然后再沿植苗帶垂直方向拉線修筑底寬30 cm、頂寬20 cm、高15 cm的土堤,與等高線溝相垂直,成方格狀,豎向土堤間距2 m,形成6 m2的長(zhǎng)方形集水方格,在每個(gè)集水方格下對(duì)應(yīng)的蓄水帶的中間位置栽植苗木。
試驗(yàn)樹種及規(guī)格:樟子松采用5年生容器苗,苗高30~40 cm、地徑1.2 cm;錦雞兒采用2年生實(shí)生苗,苗高50 cm左右、地徑0.6 cm;丁香采用2年生實(shí)生苗,苗高20~30 cm、地徑0.3~0.4 cm;山杏采用2年生實(shí)生苗,苗高50 cm、地徑0.5 cm。
2.2研究方法
通過對(duì)不同處理坡面植苗帶土壤水分、林木成活與生長(zhǎng)情況的對(duì)比分析,結(jié)合不同處理坡面的成本、對(duì)環(huán)境的影響,對(duì)不同處理坡面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選出適宜的坡面集水處理方式。
測(cè)定指標(biāo):各處理措施植苗帶土壤水分含量(質(zhì)量含水率)、林木成活率及生長(zhǎng)測(cè)定指標(biāo)(喬木主要測(cè)定各處理試驗(yàn)林木的干徑、樹高、冠幅,灌木測(cè)定株高、冠幅、生物量)。
3.1不同坡面處理措施集水效果比較
雨水在坡面通過浸濕、滲透,過多的部分在重力作用下沿坡面以徑流形式流至下面的植苗帶,然后再通過滲透、蓄存,供應(yīng)林木生長(zhǎng)。相同雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí),不同坡面處理產(chǎn)生的徑流量不同,從而使相應(yīng)植苗帶土壤含水率存在差異。因此,通過測(cè)定不同坡面處理下植苗帶土壤含水率,可以反映出不同坡面處理集水效果的差別。2007—2011年,測(cè)定了不同坡面處理植苗帶9個(gè)時(shí)段的土壤含水率,結(jié)果見表1。從表1可知,覆膜處理下植苗帶土壤含水率最高,為20.66%;噴防水劑處理次之,為20.33%;之后依次為鏟平拍光處理18.81%、撒水泥處理18.71%、自然坡面18.09%。與對(duì)照的 14.66%相比,各處理分別提高 40.93%、38.68%、28.31%、27.63%、23.40%。方差分析結(jié)果表明,各處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平),可見通過集水措施可以較為明顯地改善林木生長(zhǎng)的土壤水分環(huán)境,為林木成活與生長(zhǎng)創(chuàng)造條件,不同坡面處理的集水效果以覆膜最好、噴防水劑次之、自然坡面最差。
表1 各坡面處理措施植苗帶土壤含水率 %
3.2不同坡面處理對(duì)造林成活率及林木生長(zhǎng)狀況的影響
由于土壤水分狀況對(duì)幼樹成活與生長(zhǎng)狀況影響較大,而不同坡面處理措施使植苗帶土壤水分狀況發(fā)生了改變,因而不同坡面處理措施必然對(duì)其相應(yīng)植苗帶林木的成活與生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生影響。
3.2.1對(duì)造林成活率的影響
調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表2),不同坡面處理下植苗帶林木成活率存在差異,其中:覆膜處理成活率最高,為97.95%,其余依次為噴防水劑處理95.35%、鏟平拍光處理93.88%、撒水泥處理93.1%、自然坡面87.73%,而對(duì)照明穴造林為80.25%。各處理成活率分別較對(duì)照高17.70、15.10、13.63、12.85、7.48百分點(diǎn),提高幅度分別為22.06%、18.82%、16.98%、16.01%、9.32%。經(jīng)方差分析,各處理與對(duì)照間差異均達(dá)極顯著水平(0.01水平),自然坡面與其他幾種處理間的差異也達(dá)極顯著水平(0.01水平)。
表2 不同坡面處理措施造林成活率比較 %
3.2.2對(duì)林木生長(zhǎng)的影響
不同坡面處理措施對(duì)喬木幼苗生長(zhǎng)的影響見表3。從表3可知,不同坡面處理下植苗帶栽植的樟子松株高、胸徑及冠幅存在差別,其中:株高以覆膜處理最高,為211.0 cm,其余依次為噴防水劑處理199.0 cm、鏟平拍光處理195.0 cm、撒水泥處理191.3 cm、自然坡面186.5 cm,較對(duì)照(明穴造林)的184.8 cm分別提高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處理外,其他處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平);胸徑仍是覆膜處理最大,為3.68 cm,其余依次為噴防水劑處理3.03 cm、鏟平拍光處理3.00 cm、撒水泥處理2.96 cm、自然坡面2.89 cm,較對(duì)照的2.43 cm分別提高51.44%、24.69%、24.46%、21.81%、18.93%,平均提高27.98%,各處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平);冠幅同樣是覆膜處理最大,平均冠幅為143.5 cm,其余依次為噴防水劑處理139.5 cm、鏟平拍光處理135.0 cm、撒水泥處理133.7 cm、自然坡面132.5 cm,較對(duì)照的 95.5 cm分別提高 49.64%、45.56%、40.77%、39.42%、38.16%,平均提高42.65%,各處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平)。
為了更加確切地比較不同坡面處理措施對(duì)樟子松高生長(zhǎng)的影響,測(cè)定了各處理近3年(2011—2013年)樟子松的高生長(zhǎng)量(表3)。結(jié)果表明,覆膜處理高生長(zhǎng)量最大,為114.0 cm,其余依次為噴防水劑處理110.0 cm、鏟平拍光處理105.4 cm、撒水泥處理102.6 cm、自然坡面99.0 cm,較對(duì)照的89.4 cm分別提高27.52%、23.04%、17.90%、14.77%、10.74%,平均提高18.79%,各處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平)。
表3 不同坡面處理措施對(duì)樟子松生長(zhǎng)的影響
從上述不同坡面處理對(duì)樟子松主要生長(zhǎng)指標(biāo)的影響看,不同坡面處理對(duì)樟子松胸徑與冠幅影響程度較大,其中:胸徑提高幅度平均可達(dá)27.98%,最高達(dá)51.44%;冠幅提高幅度平均可達(dá) 42.65%,最高達(dá)49.64%。相對(duì)來說,對(duì)樟子松高生長(zhǎng)影響較小,其中株高提高幅度平均為6.39%,近3年高生長(zhǎng)量提高幅度平均為18.79%,比對(duì)胸徑和冠幅的提高幅度小得多。
對(duì)各處理土壤含水率與樟子松幼樹主要生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行擬合,可知在一定范圍內(nèi)它們成正相關(guān)性(表4),因而所采取的各項(xiàng)集流措施提高了植苗帶土壤含水量,促進(jìn)了樟子松幼樹生長(zhǎng)。
不同坡面處理對(duì)灌木的影響主要體現(xiàn)在株高、冠幅和生物量上。調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,各種坡面處理對(duì)丁香、小葉錦雞兒的株高、冠幅和地上生物量都有一定的促進(jìn)作用(表5、6)。各種坡面處理下丁香的平均株高、冠幅和地上生物量分別較對(duì)照提高 16.59%、11.50%、17.60%,其中:株高提高幅度最大的為覆膜處理(29.09%),其余依次為噴防水劑(23.36%)、撒水泥(14.25%)、鏟平拍光(12.03%)、自然坡面(4.21%),除自然坡面外其他處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平);冠幅提高幅度最大的仍為覆膜處理(17.25%),其余依次為噴防水劑(14.54%)、撒水泥(11.34%)、鏟平拍光(8.31%)、自然坡面(5.91%),覆膜和噴防水劑處理與對(duì)照差異顯著;地上生物量提高幅度最大的仍是覆膜處理(29.11%),其余依次為噴防水劑(22.66%)、撒水泥(17.86%)、鏟平拍光(12.19%)、自然坡面(6.27%),除自然坡面外其他處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平)。各種坡面處理下小葉錦雞兒的平均株高、冠幅、地上生物量分別較對(duì)照提高17.91%、13.47%、18.57%,除自然坡面外其他處理與對(duì)照差異顯著(0.05水平),其中:株高提高幅度最大的為覆膜處理(31.46%),其余依次為噴防水劑(25.84%)、鏟平拍光(17.19%)、撒水泥(10.11%)、自然坡面(4.94%);冠幅提高幅度最大的為覆膜處理(19.80%),其余依次為鏟平拍光(18.02%)、撒水泥(14.46%)、噴防水劑(11.88%)、自然坡面(3.17%);生物量提高幅度最大的仍為覆膜處理(30.85%),其余依次為噴防水劑(24.52%)、鏟平拍光(18.36%)、撒水泥(13.15%)、自然坡面(5.94%)。
表4 樟子松、丁香和錦雞兒生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤含水率關(guān)系模型
表5 不同坡面處理措施對(duì)丁香生長(zhǎng)的影響
丁香、小葉錦雞兒生長(zhǎng)指標(biāo)與各處理對(duì)應(yīng)的土壤含水率同樣具有正相關(guān)性,見表4。
表6 不同坡面處理措施對(duì)小葉錦雞兒生長(zhǎng)的影響
綜上,不同坡面集水措施通過對(duì)植苗帶土壤水分的影響,對(duì)栽植的林木幼苗的生長(zhǎng)起到了積極的促進(jìn)作用,使樟子松高生長(zhǎng)提高10.74%~27.52%,丁香株高提高4.21%~29.09%,小葉錦雞兒株高提高4.94%~31.46%,灌木地上生物量提高17.60%~18.57%。
3.3不同坡面處理效果評(píng)價(jià)
3.3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇
促進(jìn)林木成活與生長(zhǎng)是集水造林的目標(biāo),成活率與生長(zhǎng)性狀自然成為評(píng)價(jià)不同坡面處理的重要指標(biāo)之一;不同坡面處理所用材料及工序不同,其成本存在差異,成本太高可能只具有試驗(yàn)性,而沒有推廣應(yīng)用價(jià)值,因而將成本作為不同坡面處理評(píng)價(jià)的一項(xiàng)指標(biāo);有的處理材料對(duì)林地環(huán)境會(huì)造成一定污染,所以將對(duì)環(huán)境影響作為評(píng)價(jià)不同坡面處理的又一項(xiàng)指標(biāo)。基于此,本研究以樟子松為例,從林木成活、生長(zhǎng)性狀、成本和對(duì)環(huán)境影響4個(gè)方面對(duì)不同坡面處理效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
3.3.2指標(biāo)值確定
林木成活指標(biāo)采用成活率,生長(zhǎng)指標(biāo)采用高生長(zhǎng)量(高生長(zhǎng)量與生長(zhǎng)指標(biāo)關(guān)系最為密切),以上述的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)值作為其指標(biāo)值。
坡面處理成本按照市價(jià)核算,其中自然坡面1 950 元/hm2(截流植苗帶采用環(huán)山拉溝側(cè)筑埂整地費(fèi):人工費(fèi)900元/hm2、機(jī)械費(fèi)1 050元/hm2)、鏟平拍光處理3 683元/hm2(在自然坡面處理費(fèi)用基礎(chǔ)上增加了人工費(fèi)1 733元/hm2)、覆膜處理5 401元/hm2(在鏟平拍光處理費(fèi)用基礎(chǔ)上增加了薄膜及覆膜處置費(fèi)1 718元/hm2)、噴防水劑處理6 266元/hm2(在鏟平拍光處理費(fèi)用基礎(chǔ)上增加了材料費(fèi)及人工噴灑費(fèi)用2 583元/hm2)、撒水泥處理4 775元/hm2(在鏟平拍光處理費(fèi)用基礎(chǔ)上增加了材料費(fèi)及人工處置費(fèi)1 092 元/hm2)、對(duì)照費(fèi)用1 667元/hm2(明穴整地,密度2 m×3 m,機(jī)械鉆孔,每個(gè)植苗穴費(fèi)用1元)。
為了便于比較不同處理措施對(duì)環(huán)境的影響程度,將不同處理對(duì)環(huán)境的影響人為劃分等級(jí),并確定相應(yīng)的指標(biāo)值。本研究設(shè)定0—3四個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),數(shù)字越小,說明對(duì)環(huán)境影響越小,其中“0”為對(duì)環(huán)境影響最小,“3”為對(duì)環(huán)境影響最大(這里的影響主要是指負(fù)面影響)。從這一思想出發(fā),自然坡面相對(duì)而言對(duì)環(huán)境影響最小,幾乎沒有負(fù)面影響;鏟平拍光處理對(duì)環(huán)境稍有影響,破壞了原有植被層;覆膜處理是在鏟平拍光處理的基礎(chǔ)上增加了塑料薄膜,而薄膜影響只限于物理性介入,尚屬于物理性污染;噴防水劑與撒水泥處理則由于防水劑與水泥的介入而對(duì)林地環(huán)境造成了較重的污染。由此,可將幾種坡面處理對(duì)環(huán)境的影響數(shù)值化為:自然坡面與對(duì)照為“0”,鏟平拍光處理為“1”,覆膜處理為“2”,撒水泥和噴防水劑處理為“3”。
將上述各處理確定的指標(biāo)值列入表7。
3.3.3評(píng)價(jià)結(jié)果
由于不同指標(biāo)值之間量綱不同,沒有可比性,因此采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法將所選指標(biāo)的原始指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。
min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換:設(shè)定minA和maxA分別為屬性A的最小值和最大值,將A的一個(gè)原始值x通過min-max標(biāo)準(zhǔn)化映射成在區(qū)間[0,1]中的值x',其公式為
表7 不同坡面處理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(以樟子松為例)
應(yīng)用公式(1)計(jì)算新數(shù)據(jù)時(shí),若原始數(shù)據(jù)越大效果越好的(如成活率和高生長(zhǎng)量)直接采用公式(1)計(jì)算形成新數(shù)據(jù),若原始數(shù)據(jù)越小越好的(如成本和對(duì)環(huán)境的影響)則用1減去通過公式(1)計(jì)算出的數(shù)據(jù)形成新數(shù)據(jù),最終采用新數(shù)據(jù)的均值作為綜合評(píng)價(jià)不同坡面處理的效果次序,新數(shù)據(jù)均值越大其對(duì)應(yīng)的處理效果越好。
綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表8)表明,幾種處理效果的綜合評(píng)價(jià)位序?yàn)樽匀黄旅?、覆膜、鏟平拍光、對(duì)照、噴防水劑、撒水泥。可見自然坡面、鏟平拍光盡管從造林成活率和生長(zhǎng)指標(biāo)看不是最好的,但相對(duì)其他幾種坡面處理,造林成本較低、對(duì)環(huán)境不會(huì)造成較大的負(fù)面影響、可操作性強(qiáng),因而應(yīng)用起來會(huì)更為方便,生產(chǎn)上也易于接受。
表8 不同坡面處理效果綜合評(píng)價(jià)
(1)不同坡面處理的集水效果以覆膜處理為最佳,其余依次為噴防水劑、鏟平拍光、撒水泥、自然坡面,其中覆膜、噴防水劑、鏟平拍光、撒水泥幾種處理均可使造林成活率達(dá)到90%以上,自然坡面可使造林成活率達(dá)到85%以上,與對(duì)照明穴造林成活率差異顯著;不同坡面處理均可促進(jìn)幼林生長(zhǎng),與對(duì)照相比,使樟子松幼林高生長(zhǎng)提高10.74%~27.52%、胸徑提高18.93%~51.44%,丁香幼林株高提高4.21%~29.09%,錦雞兒幼林株高提高4.94%~31.46%,丁香、錦雞兒地上生物量提高17.60%~18.57%,促進(jìn)作用大小依次為覆膜>噴防水劑>鏟平拍光>撒水泥>自然坡面。
(2)選擇成活率、高生長(zhǎng)量、成本和對(duì)環(huán)境影響4個(gè)指標(biāo),以樟子松為例,采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明:自然坡面、覆膜、鏟平拍光為較理想的集流處理措施,噴防水劑與撒水泥兩種處理綜合評(píng)價(jià)較差。
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(責(zé)任編輯徐素霞)
S157.2;S728.2
A
1000-0941(2016)03-0046-05
王力剛(1968—),男,黑龍江海倫市人,高級(jí)工程師,學(xué)士,目前主要從事防護(hù)林研究。
2015-03-30