董志塬流域南小河溝林草大斷面造林效果研究

董志塬流域南小河溝林草大斷面造林效果研究

森林植被是改善黃土高原高良地區(qū)生態(tài)環(huán)境的中心和基礎(chǔ)。近20年來,董志塬區(qū)植被恢復(fù)雖取得初步成效,但“三低”問題、小老樹問題、林草優(yōu)化配置等問題仍然存在,沒有有效實(shí)現(xiàn)治理目標(biāo)和預(yù)期效益。筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上,根據(jù)黃河水土保持生態(tài)工程齊家川示范區(qū)、硯瓦川項(xiàng)目區(qū)等林草工程建設(shè)實(shí)際,對南小河溝林草大斷面及典型流域造林點(diǎn)土壤水分、林種適應(yīng)性和密度配置等進(jìn)行了觀測調(diào)查,分析了不同立地條件對林草植被的影響,提出了適合董志塬區(qū)不同立地條件的水土保持造林樹種。1水土保持現(xiàn)狀董志塬區(qū)地處甘肅東部涇河上游,屬典型的黃土高塬溝壑區(qū),海拔969~1362m。該區(qū)屬半濕潤半干旱地區(qū),年均氣溫為8.3℃,有效年積溫為2783.6℃,無霜期157d,年均降水量515mm,有效降水量440mm,其中7—9月降水量占全年降水量的60%以上,年均蒸發(fā)量達(dá)1542mm。林草植被主要靠天然降水生長,屬北溫帶森林草原植被帶。土壤以黑壚土、黃綿土為主,pH值為8.0左右。該區(qū)水土流失嚴(yán)重,土壤侵蝕模數(shù)為5500t/(km2學(xué)習(xí)方法和內(nèi)容本研究采用野外調(diào)查采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行。2.1定期觀測觀測在南小河溝林草大斷面陰、陽坡的上、中、下部位的林地內(nèi)設(shè)觀測點(diǎn)30個(gè),在崆峒溝小流域陰陽兩坡設(shè)觀測點(diǎn)20個(gè),進(jìn)行定期觀測。觀測時(shí)間為2013—2015年的4—10月,其中2013—2014年每30d取樣一次,2015年每60d取樣一次。采用圓形取土鉆取樣,每個(gè)觀測點(diǎn)分別取4個(gè)深度(20、40、60、80cm)的土樣,以烘干稱重法測定土壤含水量,進(jìn)行對比分析。2.2全氮測定及磷化指標(biāo)測定土壤有機(jī)質(zhì)測定用重鉻酸鉀容量法,全氮測定用開氏法(全自動(dòng)定氮儀),全磷測定用NaOH熔融-鉬銻抗比色法,全鉀測定用NaOH熔融-火焰光度法,水解性氮測定用堿解擴(kuò)散法,速效鉀測定用乙酸銨浸提-火焰光度法,有效磷測定用NaHCO2.3樹種生長狀況的調(diào)查選取南小河溝林草大斷面及崆峒溝等典型小流域,在其陽坡和陰坡的林分內(nèi),分別選定一定數(shù)量的樣地,面積為10m×10m,對植物的生長狀況進(jìn)行調(diào)查,主要調(diào)查樹種的株高、胸徑、冠幅及林分的郁閉度。3結(jié)果與分析3.1生長、土壤含水量下降階段董志塬區(qū)雨水不足是造成造林成活率及生長量低的主因,但在雨水充分的年份,有時(shí)造林成活率也并不是很高。究其原因,栽植樹種能否成活主要取決于栽植時(shí)及栽植后兩三個(gè)月的土壤貯水量,而在當(dāng)?shù)?雨水在時(shí)間分配上是不平衡的。從2012—2015年月降水量(見圖1)分析可知,近幾年當(dāng)?shù)?—5月降水量平均占全年降水量的15%,7—9月降水量占全年的60%以上。在每年3月下旬造林的關(guān)鍵時(shí)間,由于3月上旬土壤剛解凍,還有上年秋冬季雨雪的蓄積且植物處于休眠期,因此除特殊的枯水年份外,高塬溝壑區(qū)的土壤含水量能夠保證苗木萌芽生長時(shí)的水分需要。但進(jìn)入4月中旬后,由于降水量較少,植物萌動(dòng)生長耗水量增加,加之風(fēng)沙天氣多,因此土壤含水量開始下降,個(gè)別年份土壤含水量下降比較明顯,這種現(xiàn)象一般持續(xù)到5月上旬或更久之后才能得到緩解。這一階段,是土壤水分虧缺最嚴(yán)重的階段,特別是陽坡土壤含水量最低,而對于苗木來講,這又是需要水分的關(guān)鍵期,因此這一階段成為樹體生長和土壤水分供需矛盾最大的階段,栽植的苗木能否成活往往取決于這個(gè)時(shí)間段。據(jù)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站資料,黃河水土保持生態(tài)工程齊家川示范區(qū)抗旱造林試驗(yàn)中,2002年春季造林成活率均在90%以上,這與2002年3—5月充足的降水密不可分,而2004、2005年春季造林成活率不足80%,其主要原因就是當(dāng)年春季降水量較少,其中2005年春季降水僅為61mm。3.2不同坡度土壤水分分析本文中的立地條件主要指坡向、坡位。影響林草生長的重要因子是土壤水分和氣溫,其中水分是制約該區(qū)植被恢復(fù)與重建的主要限制因子,它是“木桶效應(yīng)”中最短的木板。一般情況下,坡上位特別是峁頂由于位置高,風(fēng)力及輻射強(qiáng)烈,蒸發(fā)量大,土壤水分狀況較差;坡腳、溝道能夠集流,水分條件較好;峁坡、溝坡水分狀況主要受坡度的控制而變化較大,坡度大土壤水分差,坡度小則土壤水分較好試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,南小河溝林草大斷面0~20cm土壤容重陽坡平均為1.34g/cm由于大氣降水受坡面徑流、垂直入滲、側(cè)滲等影響,因此即使在同一坡面,不同坡位的土壤含水量也不同一是同一坡面造林樹種不一致,其生態(tài)學(xué)、生物學(xué)特性不同,導(dǎo)致耗水量也不同,影響了土壤含水量的分布規(guī)律。楊建偉等二是同一坡面不同坡位目前保存的林草密度不同。試驗(yàn)斷面陽坡坡上位林草密度適中,為林草型,相對耗水量較低;坡中位林木密度適中;坡下位為純油松林,密度較大,已完全郁閉,林下無植被生長,土壤干化。陰坡坡上位為混交林木,但相對坡中位來說,密度不是很大;坡中位為經(jīng)果林核桃,密度較大,已完全郁閉,耗水量大,林下植被較差;坡下位為喬草配置,密度適當(dāng),枯落物較多,林下植被豐富,林木生長良好。試驗(yàn)表明,林木的遮蔽、蓄水作用,減少了地表水分的蒸發(fā),但密度過高的林分,大量的蒸騰耗水量使得土壤含水量減少。3.3土壤肥力指標(biāo)在小流域范圍內(nèi),不同地形條件下降雨的分配模式截然不同,從而影響到物質(zhì)在地表和土壤剖面的遷移和再分布過程。同時(shí),土壤形成和發(fā)育過程中,植物與土壤不斷進(jìn)行物質(zhì)交換,大量的枯枝落葉歸還于土壤,增加了土壤肥力,極大地改善了土壤養(yǎng)分。南小河溝林草大斷面土壤理化性狀測定結(jié)果詳見表1。有機(jī)質(zhì)是各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的主要來源,是土壤肥力高低的重要指標(biāo)。南小河溝林草大斷面0~20cm土壤有機(jī)質(zhì)含量陽坡平均為17.19g/kg,陰坡平均為30.86g/kg,陰坡含量明顯大于陽坡;同坡面不同坡位下土壤有機(jī)質(zhì)的含量不同,坡上位、坡中位、坡下位土壤有機(jī)質(zhì)依次降低。全氮含量陽坡平均為1.61g/kg、陰坡平均為2.71g/kg,水解性氮含量陽坡平均為19.91mg/kg、陰坡平均為54.70mg/kg,陰坡均明顯高于陽坡。全磷含量陽坡平均為0.34g/kg、陰坡平均為0.37g/kg,有效磷含量陽坡平均為1.69mg/kg、陰坡平均為2.40mg/kg,不同地形部位間土壤全磷、有效磷含量均較低,變化不明顯,但陰坡總體高于陽坡。全鉀含量陽坡平均為18.74g/kg、陰坡平均為19.35g/kg,速效鉀含量陽坡平均為73.67mg/kg、陰坡平均為101.11mg/kg,陰坡總體高于陽坡。不同立地條件林草大斷面測定數(shù)據(jù)表明,土壤養(yǎng)分含量總體上陰坡高于陽坡,同坡面有機(jī)質(zhì)含量坡上位>坡中位>坡下位,并且混交林增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的能力要強(qiáng)于純林,更能提高養(yǎng)分的有效性。3.4林下植被生長情況油松、側(cè)柏為目前董志塬區(qū)兩大主要常青造林樹種。在荒山造林中,素有陽坡側(cè)柏、陰坡油松之說。通過在水土保持生態(tài)工程齊家川示范區(qū)、南小河溝科技示范園、涇河流域硯瓦川項(xiàng)目區(qū)的大面積建設(shè)實(shí)踐,認(rèn)為油松、側(cè)柏在黃土高塬溝壑區(qū),無論在陽坡、陰坡均以良好的抗旱性、抗寒性、抗逆性表現(xiàn)出優(yōu)于其他樹種的適生性。特別是油松,在陽坡、陰坡均表現(xiàn)優(yōu)異,而側(cè)柏在陽坡坡上位及梁峁處適生性明顯低于油松。對硯瓦川項(xiàng)目區(qū)2007年3個(gè)造林點(diǎn)的調(diào)查表明,峁頂山頭處側(cè)柏當(dāng)年成活率均達(dá)到80%以上,次年保存率均低于50%,而油松成活率、保存率均在85%以上。其中賀家塬梁峁調(diào)查點(diǎn)造林規(guī)格為2m×3m,3年生側(cè)柏次年保存率不足13%,而4年生油松保存率達(dá)89%以上。在次年補(bǔ)植時(shí),全部栽植成4年生油松。2016年調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:油松平均高3.02m,側(cè)柏平均高2.86m;油松平均胸徑3.04cm,側(cè)柏平均胸徑2.15m;油松林郁閉度達(dá)0.63,側(cè)柏林郁閉度為0.25。調(diào)查表明,各林分密度不同、郁閉度不同,林下的植被生長情況明顯不同。陰坡水平階整地種植的株行距2m×3m的10年樹齡油松林,郁閉度達(dá)0.65以上,林下植被種類比較豐富,土壤含水量適中,喬草生長勢旺盛,植被覆蓋度高;而株行距1.5m×2m、2m×2m的20年樹齡油松林,由于林分密度大,樹冠已完全郁閉,因此林下的土壤水分條件及光照條件都受到嚴(yán)重影響,林下植被品種很少或幾乎沒有,林分單一,很不穩(wěn)定,土壤裸露干化現(xiàn)象比較嚴(yán)重,出現(xiàn)了林下水土流失問題。同樣,在株行距1.5m×2m、2m×2m的25年樹齡刺槐林內(nèi),由于密度較大,刺槐明顯生長不良,樹形細(xì)而高,樹枝稀少,樹體老化。在沒有后期撫育更新的情況下,樹種在20~30年后,生長勢變?nèi)?密度越大老化現(xiàn)象越嚴(yán)重。這種現(xiàn)象以刺槐林最為明顯,其林地土壤含水量較油松、側(cè)柏等低。根據(jù)樹冠生長特點(diǎn)及分枝多少,側(cè)柏造林株行距應(yīng)在2m×2m以上,油松、刺槐造林株行距應(yīng)在2m×3m以上。調(diào)查發(fā)現(xiàn),適宜的造林密度可使林下植被增多,草覆蓋度提高,恢復(fù)并維持林分內(nèi)的水量平衡。調(diào)查表明,狼牙刺耐干旱、瘠薄,在立地條件差、其他喬灌木樹種很難存活的情況下,栽植狼牙刺能夠盡快恢復(fù)植被。刺槐根系發(fā)達(dá)、萌蘗力強(qiáng),既喜濕潤肥沃的土壤,又耐干旱瘠薄,有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性,是良好的水土保持鄉(xiāng)土樹種。杜梨喜光、耐寒、耐旱、耐瘠薄,在陽坡栽植保存率較高,也是當(dāng)?shù)厮帘３值膬?yōu)良樹種。沙棘耐干旱、耐瘠薄,根系發(fā)達(dá),根萌蘗能力強(qiáng),郁閉成林較快,是封山禁牧的優(yōu)勢樹種。酸棗等陽性野生小灌木在陽坡,特別在陽溝坡生長適應(yīng)性好。4根據(jù)立地條件科學(xué)確定造林密度不同坡向的坡面由于光照等條件不同,土壤含水量存在差異。南小河溝林草大斷面0~80cm土壤含水量陰坡>陽坡,坡上位陰坡比陽坡平均高21.43%,坡中位陰坡比陽坡高10.90%,坡下位陰坡比陽坡高34.09%;同一坡面,陰坡坡下位>坡上位>坡中位,陽坡坡中位>坡上位>坡下位。土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量陰坡大于陽坡,土壤容重則陽坡明顯高于陰坡。不同立地條件林草大斷面有機(jī)質(zhì)含量坡上位>坡中位>坡下位,并且混交林增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的能力要強(qiáng)于純林。觀測到的有機(jī)質(zhì)含量及理化性狀能明顯反映出不同立地條件的土地肥力,這也是適地造林的依據(jù)。造林密度影響林木的保存率及以后林分的生長,能改變林內(nèi)的土壤水分條件、光照等因子,這些因子反過來也能反映林內(nèi)的植被狀況。造林密度過大,過分強(qiáng)調(diào)提前郁閉,土壤水分不能達(dá)到林木生長的要求,一是導(dǎo)致枝葉遮擋陽光,抑制林下其他植被生長,使樹下無小灌木、草叢等,二是易破壞水分平衡,形成小老樹,最終導(dǎo)致土壤干化。因此,在后期撫育更新管護(hù)跟不上的情況下,一定要根據(jù)立地條件科學(xué)確定造林密度。土壤水分是影響植物生長的關(guān)鍵因素。一般情況下,在隴東黃土高塬溝壑區(qū)陽坡適生性好的樹種,在陰坡也能表現(xiàn)出良好的適生性。在陽坡適生性較好的有側(cè)柏、狼牙刺、紫穗槐、沙棘、油松、檸條、杜梨、榆樹、山杏、椿樹、刺槐、文冠果、