张立刚,章岳涛,魏松坡,贾黎明

(1.河北省平山县林业局,河北 平山 050400；2.北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京 100083)

河北片麻岩山地黄栌幼林集水保墒措施选择

张立刚1,章岳涛2,魏松坡2,贾黎明2

(1.河北省平山县林业局,河北 平山 050400；2.北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京 100083)

采用完全随机区组试验设计,研究了河北平山片麻岩石质山区不同组合的翼式鱼鳞坑结合集水保墒处理对黄栌幼树林地水分以及黄栌光合速率和生长指标的影响。结果表明：1)集水保墒措施最高可使降水后土壤含水量较对照提高66.76%；2)施加集水保墒措施可使黄栌光合速率较对照提高16.54%～56.48%；3)集水保墒处理可分别显著提高黄栌地径及新梢生长量80.28%～102.82%和17.52%～76.96%,而防渗克漏王+保水剂+石块覆盖(F+B+S)处理则可提高材积生长量578.04%；4)综合考虑,防渗克漏王+保水剂+石块覆盖(F+B+S)、防渗克漏王+秸杆覆盖(F+J)、防渗克漏王+石块覆盖(F+S)、自然坡面+保水剂+秸杆覆盖(Z+B+J)为该区域栽植黄栌较好的集水保墒措施。

片麻岩山地；翼式鱼鳞坑；集水；保墒；黄栌

片麻岩在我国华北石质山地分布广泛。此类母岩风化强烈、风化层厚,易于整地,植物生长良好,但其岩体裂隙比较发育,形成的土壤保水蓄水能力差,水土流失严重,水资源不能被有效利用。再加上华北地区降水十分集中,区域性、季节性干旱缺水明显,因而成为造林困难立地[1]。对于该地区来说,降水既是当地林业生产唯一的水分来源,又是产生坡面水土流失的动力[2],因此采取合理措施防止水土流失的同时有效利用降水是缓解该区域生态用水紧张的关键所在。国内外对各种集水保墒措施已经有了较多的论述[3],包括汇集径流进行集水[4],选用土壤结构改良剂或保水剂保持土壤水分[5],使用防渗材料防止土壤水分渗漏[6],利用覆盖材料覆盖在土壤表面以保水[7]、降温[8]、防止侵蚀[9]等集水保墒措施被广泛使用。

黄栌(CotinuscoggygriaScop.),又名红叶,灌木或小乔木,株高3～5m,树姿优美,茎、叶、果都有较高的观赏价值,叶到秋季变红,颇为美丽[10-11]。黄栌在片麻岩石质山地适应性很强,生长速度较快。本文在试验区内,对黄栌幼树造林地施加了不同集水保墒措施,研究了不同集水保墒组合下在一次降雨后土壤水分以及植物光合作用速率的变化情况,并监测了不同处理下黄栌幼树的生长指标。通过比较选择出适合片麻岩石质山地黄栌有林地的最佳集水保墒措施,以期为该区域的植被恢复及幼林抚育等工作提供参考。

1 研究区概况

试验地位于河北省太行山中段东麓的平山县岗南镇寺家沟村。区域内以低山为主,海拔100～300m,坡度一般为4～40°,属暖温带大陆性季风气候,无霜期140d,年平均降水量500mm,雨量分配不均,降雨主要集中于夏季,其余季节相对干旱少雨。天然植被因人类活动反复干扰而植被稀疏,土层较薄,强降雨后易于形成地表径流。试验地以片麻岩、花岗岩和页岩为母岩,土壤类型主要为褐土、粗骨土(片麻岩风化物)和石质土,农田土壤为石灰性褐土,试验区平均土壤容重1.5g/cm3,饱和含水量29.41%,田间持水量11.50%。

2 研究方法

2.1 试验设计

于2008年3月下旬起陆续展开试验与调查,结合该地区地形复杂的特点,根据试验地内微立地特征设计了不同组合的翼式鱼鳞坑结合集水保墒处理。试验采用完全随机区组设计。在全部使用翼式鱼鳞坑的前提下,将不同集水方式(自然坡面、喷涂防渗剂)和不同的保墒措施(石块覆盖保墒、秸杆覆盖、保水剂保墒、保水剂联合石块保墒、保水剂联合秸秆保墒)相组合。最终组合形成自然坡面+保水剂+石块覆盖(Z+B+S)、自然坡面+保水剂+秸杆覆盖(Z+B+J)、自然坡面+保水剂(Z+B)、自然坡面+石块覆盖(Z+S)、自然坡面+秸杆覆盖(Z+J)、防渗克漏王+保水剂+石块覆盖(F+B+S)、防渗克漏王+保水剂+秸杆覆盖(F+B+J)、防渗克漏王+保水剂(F+B)、防渗克漏王+石块覆盖(F+S)、防渗克漏王+秸杆覆盖(F+J)以及对照(CK)共11种处理。

2.2 试验处理

1) 翼式鱼鳞坑整地。坑面宽50cm,长度80～100cm,翼长80～100cm,上口宽20cm,下口宽20cm,深20cm；断面角度30°(坡度小于或等于20°时)或45°(坡度大于20°时),如图1所示(单位为mm)。微型集水区表面为自然坡面,均位于立地条件基本一致的同一坡面。处理前黄栌幼树树高为0.36～3.41m,地径为0.75～9.64cm。

图1 翼式鱼鳞坑示意图

2) 防渗材料喷涂。根据气象信息择机操作,选择预计未来24h内无降水时的晴天喷涂。首先清理坡面并拍实,采用石家庄侨泰科技开发中心生产防渗克漏王作为防渗材料,均匀向坡面喷涂,待涂料表面近干时,再次喷涂,重复操作3～4次方可完成。

3) 保水剂施用。根据气象信息,选择在降雨来临前3天施入保水剂。在离树体中心20cm处挖环沟,环沟深20cm,选用法国爱森(SNF)生产的AQUASORB3005KL型保水剂,每株黄栌施用40g,保水剂与表土的比例为1∶1,充分搅拌混匀,均匀撒入环沟后覆土5cm,使保水剂与空气隔绝。

4) 覆盖物铺设。就地取材,用石块或50cm长的玉米秸秆铺满整个栽植穴,厚度约5～10cm。

2.3 指标测定

1) 土壤含水量。在降雨后的一个周期里,用取土钻采集地表以下20cm处的土壤,并利用烘干法测定土壤含水量。

2) 降雨后光合速率。利用Li-6400便携式光合测定系统,在一次较大降雨后的第2,4,6日的每日上午8时选取苗木中上部位枝条上叶片进行定时、定位观测,每处理重复3次。

3) 树木生长指标。以每木检尺法获得地径、树高,生长季结束时测定黄栌的新梢生长量,初次测定地径时起点处用油漆做好标记,以保证位置准确。

2.4 数据处理

所有实验数据的处理和分析在SPSS 20.0上完成,利用OriginPro 2016制图。符合方差齐性假设的数据(包括经对数变换后可符合方差齐性假设的数据)在0.05水平下进行LSD多重比较,不符合方差齐性假设的数据利用Kruskal-Wallis非参数检验进行两两比较。

3 结果与分析

3.1 对土壤水分含量变化的影响

一次性降水34.9mm后的第1天、第3天及第8天各处理土壤含水率如表1所示。结果表明使用集水保墒措施的试验组较对照组在降雨的前期和中期土壤含水量有所提高,但只有部分处理达到了显著水平。雨后第1天,F+B+J,F+J两个处理的土壤含水量分别较CK高56.66%和35.57%,且差异显著；雨后第3天,Z+B+S,Z+B+J,Z+B三个处理的土壤含水量分别较CK高66.76%、56.93%和52.89%,且差异显著；雨后第8天各处理及CK间已无显著差异。

表1 降雨后不同集水保墒措施下黄栌幼林地土壤含水量比较

注：表中数据为矫正均值±标准误;不同字母表示在0.05水平上差异显著。

3.2 对黄栌幼树光合速率的影响

图2所示为一次31.3mm降雨过程后第2天、第4天以及第6天上午8时的光合变化趋势。可以看出,降雨后6日内上午8时的净光合速率并非呈下降趋势。数据不符合方差齐性,因此采用非参数检验,K-W检验表明：雨后第2天,F+B+S,Z+B+J,Z+B,Z+J,F+S,F+B等6个处理下黄栌幼树的光合速率较CK分别高35.18%,33.54%,31.57%,29.20%,28.99%和27.02%,且差异显著(P=0.000)；雨后第4天,F+S(P=0.000),Z+B(P=0.000),F+B+S(P=0.001),Z+S(P=0.000),Z+B+J(P=0.004),F+B(P=0.003),Z+J(P=0.023)等7个处理下黄栌幼树光合速率与CK具有显著差异,分别比CK提高了36.77%,24.33%,21.09%,19.99%,19.07%,18.90%,16.54%；雨后第6天,Z+J(P=0.000),Z+B(P=0.000),F+B+S(P=0.000),Z+B+J(P=0.000),F+S(P=0.000),F+B(P=0.000),Z+B+S(P=0.008),F+J(P=0.007),F+B+J(P=0.002)等9个处理下黄栌幼树光合速率与CK具有显著差异,分别较CK高56.48%,47.07%,46.76%,41.43%,39.26%,36.05%,30.31%,29.95%,29.54%。随着时间推移,集水保墒处理下黄栌幼树的光合速率与CK差距在加大,且差异显著的处理有所增多。

图2 降雨后6日内不同措施下黄栌幼树8时光合作用变化

3.3 对黄栌幼树地径 树高以及材积生长量的影响

以区域内黄栌幼树初始地径、初始树高以及初始材积指标作为协变量进行方差分析,得到了以上指标的校正均值(表2)。结果表明在一个生长季内,施加F+J,F+B+S,Z+S,Z+J和F+S处理的黄栌幼树地径生长量较CK提高102.82%,98.59%,94.37%,94.37%和80.28%,且差异显著,但施用了集水保墒措施的各个处理之间无显著差异。各集水保墒措施在对黄栌幼树树高生长量上均没有显著差异。在利用树高生长量(△h)和地径生长量平方(△d2)的乘积来表征材积生长指标(△h×△d2)时,结果表明仅F+B+S处理材积生长量明显高于CK,较CK提高了578.04%,且差异达到了显著。

3.4 对黄栌幼树新梢生长量的影响

黄栌主干不明显,其新梢生长量也是衡量其生长水平的重要指标之一。施加不同集水保墒措施后黄栌幼树新梢生长量比较如图3所示(不同字母表示在0.05水平上差异显著),F+J,F+S,F+B,F+B+S,Z+J,F+B+J,Z+B+J,Z+B,Z+B+S,Z+S等集水保墒措施下黄栌4—10月新梢生长量分别较CK提高了76.96%,71.20%,70.72%,54.61%,52.09%,42.38%,40.94%,40.44%,22.30%和17.52%,且所有处理均与CK差异显著。最高的F+J,F+S和F+B等3个处理,新梢长度平均可达83.63,80.91,80.68cm。由于改善了树木生长的水环境,部分处理新梢生长甚至可出现3次。而与之对应的CK处理下黄栌幼树平均新梢年生长量仅47.26cm。

表2 不同集水保墒措施下黄栌幼树地径树高以及材积生长的矫正均值

注：表中数据为矫正均值±标准误,不同字母表示在0.05水平上差异显著。

图3 不同集水保墒措施对黄栌幼树新梢长的影响

4 结论与讨论

1) 水分是华北片麻岩山地造林的重要限制因子,翼式鱼鳞坑是一种成本低、集蓄水效果好、简便易行的整地方法,而在此基础上利用保水剂或覆盖等方法提高保水能力是在包括该区域的困难立地进行植被恢复的重要措施。本研究中,采用集水保墒措施在能够一定时间内提高造林地的土壤含水量。部分处理的土壤含水量与CK相比显著提高,最高可提升66.76%。但含水量与较CK的提高是暂时的,在降雨1周各处理与CK间即无统计学意义上的差别。黄志霖等[12]在太行山石灰岩低山区进行的试验表明,与自然坡面比较,单纯采用翼式鱼鳞坑即可提高超过100%,而本试验除整地外还施加了其他保墒措施,最高可较CK提高66.76%,区域土壤性质甚至植物对水分的利用策略也可能是影响因素。

2) 水是光合作用的原料,土壤水分的改善,可能引起植物光合作用的增强。目前关于黄栌净光合速率与土壤含水率关系研究的基本未见,刘刚等[13]通过试验认为黄栌处于轻度水分胁迫(土壤相对含水量为60%～65%)时可既保持较高的光合速率,同时又减少蒸腾耗水,效率较高。但使得黄栌光合作用速率下降的土壤含水量阈值目前未有报道。本研究中,施加集水保墒措施后,雨后6日之前土壤相对含水量高于65%时,黄栌幼树光合速率未受明显抑制。施加集水保墒措施可显著提升黄栌幼树光合速率,在第2日比对照CK可提高27.02%～35.18%,在第4日可提高16.54%～36.77%,在第6日可提高29.54%～56.48%。

3) 光合作用的增强带动了植物加速生长,多种集水保墒措施的使用可促进黄栌地径、材积及新梢生长。本研究表明,使用集水保墒措施后,黄栌幼树树高生长量与CK相比并无显著差异,但地径生长量较CK最高可提升102.82%,以防渗剂+保水剂+石块覆盖(F+B+S)作为集水保墒处理时,可提升黄栌材积增长量达578.04%。从新梢生长量来看,全部集水保墒处理下黄栌幼树的新梢生长量均显著高于CK,可比CK提高17.52%～76.96%。

4) 综合以上来看,在采用翼式鱼鳞坑的基础上,防渗剂+保水剂+石块覆盖(F+B+S)、防渗剂+秸秆覆盖(F+J)、防渗剂+石块覆盖(F+S)、自然坡面+保水剂+秸秆覆盖(Z+B+J)等4个处理在土壤水分保持、提升植物光合作用速率、促进植物营养生长等方面表现较为突出。但在实际操作中,还应当充分考虑集水保墒措施的经济性,作为建筑材料的防渗剂短期效果较好,但成本较高,寿命较短,不耐水蚀,因地制宜利用作物秸秆或石块覆盖可能更为简便易行。

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Selection of Water Collecting and Soil Moisture Conserving Measures for YoungCotinuscoggygriaScop. Plantation in Gneiss Mountainous Area of Hebei Province

ZHANG Ligang1,ZHANG Yuetao2,WEI Songpo2,JIA Liming2

(1.PingshanForestryBureau,Pingshan,Hebei050400,China;2.TheKeyLaboratoryforSilvicultureandConservationofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

In order to select appropriate water collecting and soil moisture conserving measures forCotinuscoggygriaScop.young plantation in gneiss mountainous area of Pingshan county,Hebei province,the comparison of 10 treatments and 1 control teatment is made with the design of completely randomized blocks.The soil water content,net photosynthetic rate,chlorophyll content,ground diameter,height,volume and shoot length were used to indicate the effect of different measures onCotinuscoggygriaScop.The result showed that:(1)soil moisture could be at most improved by water collecting and soil conservation measures for 66.76% in a rainfall cycle;(2)the net photosynthetic rate of the trees increased by 16.54% to 56.48%;(3)the growth of trees such as ground diameter and shoot length could be enhaced through the above CK by 80.28% to 102.82% and 17.52% to 76.96%,and the treatment F+B+S(spraying nanomaterial leakproof + soil absorbent polymers + stone mulching)enhaced the volume by 578.04%;(4)considering the factors above,F+B+J,F+J(spraying nanomaterial leakproof +straw mulching),F+S(spraying nanomaterial leakproof+ stone mulching)and Z+J(natural slope +straw mulching)were recommend as the available measures forCotinuscoggygriaScop.in gneiss mountainous area.

gneiss mountains,wing-style fish-scale pits,water collecting,soil moisture conserving,CotinuscoggygriaScop

2017-03-08；

2017-06-06

国家科技支撑计划课题“困难立地植被恢复技术研究与示范”(2015BAD07B02)

张立刚(1964-),男,河北平山人,高工,主要从事森林培育管护工作。Email:zhangligangps@163.com

贾黎明(1968-),男,山西偏关人,教授,主要从事森林培育及城市林业等方向的研究。Email：jlm@bjfu.edu.cn

S728.2

A

1002-6622(2017)03-0104-05

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.020