黑龙江西部地表覆盖保墒的抗旱造林技术

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,161005,黑龙江齐齐哈尔)

黑龙江西部地表覆盖保墒的抗旱造林技术

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,161005,黑龙江齐齐哈尔)

增强土壤蓄水保墒性能,是提高干旱半干旱区造林质量的重要举措之一。以黑龙江西部为背景,选取覆膜、覆秸秆和覆沙3种地表覆盖措施,采用对比的研究方法,探讨半干旱区地表覆盖保墒的抗旱造林技术。结果表明: 3种地表覆盖措施不同程度提高了土壤含水率,平均提高幅度分别达58.93%,32.91%和24.97%,且以降水较少的春季最为明显;3种覆盖措施造林成活率分别提高了13.9,11.7和10.6百分点,与对照差异显著。对应地表覆盖处理下的樟子松,2008—2013年间的年均高生长量提高了23.35%,5.08%和9.64%;通过对3种地表覆盖材料及相应处置费用的市场经济核算,其造林成本分别比对照增加了4.4%,9.3%和9.2%。采用隶属函数值法,以造林成活率、造林初期6 a的年均高生长量和初期造成成本提高幅度为指标,对各处理措施进行评价和排序,其结果为:覆膜＞覆沙＞覆秸秆＞对照。

地表覆盖;土壤保墒;抗旱造林技术;黑龙江西部

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%[1-2]。黑龙江西部属东北西部旱区,干旱少雨的气候特征,一直困扰着该区以造林为主体的植被建设[3]。由于林地与农地不同,复杂多样,尤其是在低山丘陵区,以天然降水为水分来源的常规生产造林,不能保证造林成活率及成活林木持续生长的需要,而影响到植被恢复的质量及进程。水分因子因而成为该区林业发展的主要限制性因子,抗旱节水造林成为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,为旱区林业带来了曙光[4-6]。国内外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2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;同时,通过土内防渗、改变土壤结构、土壤表层处理和地表覆盖等措施,提高径流利用率[7-12]。在我国,现代集水抗旱造林技术,主要在西北黄土高原旱区报道较多,较其他抗旱造林整地(如水平阶、水平沟、鱼鳞坑等)成效显著,王斌瑞等[13-16]在年降水不足400 mm的黄土高原旱区,采用集水造林配套技术,使树木根系区来水量超过1 000mm,造林成活率达95%,且明显促进了林木生长,使抗旱造林有了突破性进展。

本研究选取地表覆盖(薄膜、沙石和秸秆)蓄水保墒技术措施,分析其对林地土壤含水率、造林成活率及林木生长状况的影响,同时,分析不同处理措施下的造林成本,并对不同处理措施进行综合评价,以筛选出适宜的地表覆盖保墒技术措施,为黑龙江西部抗旱造林提供技术参考。

1 研究区概况

试验区设在甘南县中兴乡兴久村,地处E 123° 03＇30″～123°32＇,N 47°40＇30″～47°44＇30″,属中温带大陆性季风气候。地势北高南低,由南北走向的五岭五沟组成,海拔246～342 m,为典型的低山丘陵区。无霜期110～130 d,年均降水量440～460mm,年均蒸发量1 500 mm左右。土壤为暗棕壤、黑土、草甸土和沼泽土。植被以草甸草原类为主,其中,森林植被以杨树(Populus spp.)、柳树(Salix spp.)、樟子松(Pinus sylvestris L.var.mongolica)、兴安落叶松(Larix gmelinii)、紫丁香(Syringa oblata)等人工林为主。

2 研究方法

地表覆盖试验:采用塑料薄膜、沙石和玉米秸秆覆盖新植苗木地表1～2m2区域,其中,覆膜后膜上再覆土2～3 cm,防日晒风化;覆盖沙石3 cm厚,覆盖秸秆5 cm厚,为防秸秆被风吹走,在其上再覆土2～3 cm,以生产造林(不覆盖)为对照。每一覆盖处理0.1 hm2,随机区组,5次重复。各覆盖处理时间为2008年4月,试验造林后即可进行。

2007年秋季整地,其方式为穴状整地。2008年4月初试验造林,造林树种为樟子松4年生容器苗(苗高30 cm,地径0.6 cm),株行距2m×4m。

主要采用对比研究法,即对比研究各保墒措施对林地土壤水分、造林成活率、林木生长及造林成本的影响;采用隶属函数值法,对各保墒措施进行综合评价。

测定项目及方法:造林成活率采取临时样地法,于造林当年(2008年)7—8月份测定,生长量采取固定样地法(20 m×20 m)测定,从2008—2013年,每年树木停止生长后,测定当年生长量;土壤含水率测定是在各试验处理林木根区土层(20～30 cm)混合取样,用烘干法(105℃下,连续烘干8～10 h)测定土壤含水率,从2008—2009年连续2年,从4—10月份,每隔2个月测定1次,即4、6、8、10月分别测定1次,测定时间为每月中旬。如遇上雨天,则在雨后3 d测定,2年共测定8次,每一处理重复取样10次,共取土样1 200个。

数据采用SPSS19软件及Excel处理分析。

3 结果与分析

3.1不同覆盖对林地土壤水分影响

覆盖能有效地防止林地土壤水分蒸发,保持相对良好的土壤水分环境,促进林木成活与生长,而不同材料保水效果存在差别。试验表明,几种覆盖措施中,覆膜措施土壤含水率最高,在2008—2009年的2年间,连续8次测定林地土壤含水率,其值平均为13.62%,覆秸秆次之,为11.39%,覆沙为10.71%,分别比对照高5.05,2.82和2.14百分点,提高幅度依次为58.93%,32.91%和24.97%,其中,覆膜措施与对照差异达到了显著程度(0.05水平),详见表1。可见,覆膜可较大程度地限制土壤水分的蒸发,使栽植穴内的土壤水分在薄膜下形成内循环,较长时间地保持土壤水分,从而使林地土壤保持较高的含水量。

表1　不同覆盖类型林地土壤含水率比较Tab.1 Comparison of soilmoisture content ofwoodland under different covering types_

从各测定时段(表1)上看,在植物生长季初期的4月份,各处理土壤含水率最低,其次是6、10月份,8月份最高,这与该区降水规律相吻合。4月份为春旱期,也是该区主要造林季节,是树体萌发对土壤水分需求矛盾最突出的时期,不同覆盖措施下的土壤含水率较对照提高幅度较大。其中:覆膜、覆秸秆和覆沙措施在2个年度,平均提高83.12%, 39.46%和34.57%;6、8月份各处理下,土壤含水率逐渐提高,6月份进入雨季初期,而7、8月份,则是该区雨季盛期,此时土壤水分是1年中最高的时期。尽管不同覆盖措施下,土壤水分含水率仍较对照有所提高;但提高幅度明显不如春旱期雨水较少季节明显,如2个年度的6月份,覆膜、覆秸秆和覆沙措施平均提高幅度54.32%,30.54%和21.00%。8月份,覆膜、覆秸秆和覆沙措施平均提高42.06%,24.29%和20.96%。9、10月份进入秋季,雨水明显减少,土壤含水率也随之降低,各覆盖措施下的土壤含水率较对照提高幅度也随之增大,如10月份,覆膜、覆秸秆和覆沙措施平均提高72.97%,45.54%和30.47%,较6、8月份提高幅度又有所增加。可见,不同覆盖措施对土壤水分的影响程度,以降水较少的季节较为明显,这对于干旱半干旱区的造林绿化十分重要,是提高干旱半干旱区土壤蓄水保墒性能的重要技术措施,对提高这些地区的造林成活率及林木生长状况,有着十分重要的现实意义。

3.2不同覆盖对林木成活与生长的影响

由于覆盖材料质地不同,对林地土壤水分、温度等因子影响不同,进而对林木成活与生长产生不同影响。薄膜由于不透气,而具有良好的保水效果,同时,可明显地提高林地土壤温度;沙石可显著地提高降水入渗率,使降水迅速渗入土壤,由于水分必须形成水汽,透过砾石空隙才能蒸发,从而减缓了水分向大气蒸发速度,同时,可调节土表温度;秸秆在林地铺盖可在其上形成多孔体,水分和水汽在干燥的多孔体内散发移动缓慢[17-19],大量土壤水分被保存下来,以供植物吸收利用,同时,秸秆还可调节地表温度、改善土壤结构和抑制盐分在地表积累。正是由于这些覆盖材料对土壤温、湿度的调节作用及对土壤结构的改善,促进了林木成活与生长。试验结果表明,3种覆盖处理中,新植樟子松成活率覆膜为94.5%,覆沙为91.2%,覆秸秆为92.3%,提高幅度分别为17.25%,13.15%和14.52%(表2),与对照差异显著(0.05水平)。

据对试验树种樟子松连续6年的观测表明,不同覆盖处理,使樟子松高生长量得到了不同程度的提高。其中,覆膜、覆沙和覆秸秆使樟子松高生长量年均分别达24.3,21.6和20.7 cm,比对照19.7 cm分别提高了4.6,1.9和1.0 cm,提高幅度分别为23.35%,9.64%和5.08%(表2)。

表2　不同覆盖类型樟子松成活与生长情况比较Tab.2 Comparison of Pinus sylvestris survival and growth under different covering types__

3.3不同保墒措施的造林成本分析

各保墒措施的地表覆盖造林,较对照增加了材料费及其处置费,按照市场时价及用量,覆膜措施成本为0.33元/株(材料费0.13元/株,处置费0.2元/株),覆秸秆措施0.70元/株(材料费0.50元/株,处置费0.2元/株),覆沙措施0.69元/株(材料费0.49元/株,处置费0.2元/株)。

对照为常规生产造林,其成本包括苗木费、整地费、栽植费、运输费和抚育管理费。以樟子松容器苗为例进行核算:苗木费5元/株,整地费1元/穴,栽植费0.5元/株,运输费0.5元/株,抚育管理费0.5元/株,合计7.5元/株。按照株行距2 m×4 m设计,栽植1 250株/hm2,对照成本合计9 375元/hm2。各地表覆盖措施造林成本为:对照成本加上相应的材料费及处置费,即覆膜9 787.5元/hm2、覆秸秆10 250元/hm2和覆沙10 237.5元/hm2,分别较对照增加4.4%,9.3%和9.2%。

研究结果表明:通过地表覆盖,保墒措施提高了造林成活率,促进了林木生长,同时,造林成本也随之增加,而造林质量(此处指造林成活率与林木生长量)提高幅度,较造林成本增加幅度大。其中,各处理造林成活率提高幅度,都高于相应造林成本增加幅度,高出幅度依次为覆膜(12.85百分点)＞覆秸秆(5.22百分点)＞覆沙(3.95百分点);年均高生长量提高幅度除覆秸秆外,其余2种措施均高于相应造林成本增加幅度,分别高出覆膜18.95百分点、覆沙0.44百分点(表3)。

为了说明各处理造林成本与对照相比是否经济合算,不妨做这样一个假设:以造林成活率为例,假设让对照的造林成活率达到相应处理的标准,需要通过补植来实现,而补植需要增加成本,补植增加的成本加上原对照的成本即是使对照成活率达到相应处理标准时的造林成本。

以覆沙为例,设补植率为N(指占原栽植株数的百分比),可使补植后的对照总体成活率达到覆沙处理的标准,为便于计算,假定补植成活率与对照成活率相同,于是可列出等式

经计算,N=13.15%。补植时,除整地费(1 250元/hm2)外,其他费用照常,合计8 125元/hm2,按照补苗率13.15%计算,补植成本=8 125×13.15%= 1 068(元/hm2)。

同理,可计算出对照达其他处理成活率时的补苗率及补植成本,进而计算出对照达到相应处理成活率标准时的造林成本;其中,达覆膜标准为10 776.6元/hm2,达覆秸秆标准为10 554.8元/hm2,达覆沙标准为10 443.4元/hm2,分别较对应处理增加了10.1%,3.0%和2.0%(表4)。可见,各处理造林成本与对照相比经济合算。

表3　不同覆盖类型造林质量与成本对应表Tab.3 Corresponding table between afforestation quality and cost under different covering types

表4　对照造林成活率预达不同覆盖类型时的造林成本比较_Tab.4 Comparison of afforestation cost for contrast in which the survival rate reaches the one under different covering types

3.4不同保墒措施初期效果综合评价

为了对保墒措施初期各地表覆盖效果进行综合比较与评价,选取各处理较对照在造林初期造林成活率、年均高生长及造林成本提高的幅度为指标,利用模糊数学隶属函数值法[20],对其进行综合判定和排序。

计算结果由表5可知,综合排序结果为覆膜(0.842 3)＞覆沙(0.395 3)＞覆秸秆(0.353 1)。可见,在造林初期,覆膜是土壤保墒较为理想的抗旱造林技术措施,从造林成活率和促进苗木初期生长方面,都较其他措施优越,而且,造林成本增加率较低。

表5　不同覆盖类型提高造林质量及增加成本综合评价表Tab.5 Comprehensive evaluation value of improving afforestation quality and increasing the cost under different cover types

4 结论

1)3种不同覆盖措施,不同程度提高了林地土壤含水率,覆膜措施提高幅度最大,2008年与2009年的4、6、8、10月份,平均提高幅度达58.93%,覆秸秆次之,2个年度8个月份,平均提高幅度达32.91%,覆沙为24.97%。其中,覆膜措施与对照差异达到显著性程度,且3种不同覆盖措施,对土壤含水率的影响程度,以降水较少的春季最为明显。

2)3种地表覆盖措施,通过抑制地表蒸发,增强了土壤的蓄水保墒性能,从而提高了造林成活率,促进了林木生长。其中:覆膜处理造林效果最好,依次为覆秸秆处理、覆沙处理,造林成活率较对照分别提高了13.9%,11.7%和10.6%,与对照差异显著;对应地表覆盖处理的樟子松,2008—2013年,年均高生长量较对照分别提高了23.35%,5.08%和9.64%。

3)通过对3种地表覆盖材料及相应处置费用的市场经济核算,其造林成本分别比对照增加了4.4%(覆膜),9.2%(覆沙)和9.3%(覆秸秆),与对照就造林成本与造林成活率提高综合比较,各处理造林成本与对照相比经济合算。

4)采用隶属函数值法,以造林成活率、造林初期6 a的林木年均高生长量、初期造成成本提高幅度为指标,对3种地表覆盖措施进行评价和排序,结果为:覆膜＞覆沙＞覆秸秆＞对照。

5 讨论

水分是旱区影响造林成活率和树木生育状况突出的限制性因子,而水分只有贮存在土壤中,才能被树木有效利用,土壤的蓄水保墒能力,便成为决定造林质量的重要因素,也是抗旱造林所要解决的重要技术问题之一。土壤蓄水保墒措施主要包括两方面:一是改变土壤的大气蒸发条件,降低地表的潜在蒸发速度;二是改良土壤结构,提高土壤自身的持水性能。地表覆盖能有效地减少蒸发、保持土壤水分,是改变土壤蒸发条件、提高土壤保墒性能最直接和有效的方法;其中,利用泥沙、卵石、秸秆、树叶、枯草和粪肥等材料覆盖,提高农田土壤的保墒性能,在我国有着悠久的历史。最近几十年,利用地膜、草纤维膜、乳化沥青和土面增温保墒剂等来提高土壤保墒性能,而覆膜保墒作用最明显,应用也最为普遍,主要应用于农业。覆膜技术是1978年从日本引入,到1989年推广应用,面积已达200万hm2,并以每年15%～20%的速度,在全国递增[7]。这一技术对那些人均耕地比较少、寒冷和高原地区,以及热量、水资源相对不足的广大北方地区,是对自然环境适当改造、对自然资源进行弥补行之有效的重要手段,可有效地提高地温、调节植物生长季节和保持土壤水分,这些因素的组合,更加适合林业生产和林木的生长发育,在我国农林业生产中将起到重要作用。

本研究中的几种覆盖措施中,覆膜效果同样表现出优势,不论从土壤含水量、造林成活率和林木生长,至少在造林初期,较传统的覆沙、覆秸秆效果突出,而且,造林成本相对低于覆沙和覆秸秆。目前应用覆膜技术存在的主要问题就是“白色污染”,如何生产出具有降解特性、无毒副作用的专用薄膜,将是解决这一问题的关键[21]。随着科技的进步,这个问题将会逐步解决;因此,覆膜在林业上的应用前景将十分广阔,特别是在旱区,覆膜造林将成为改变旱区造林质量的重要技术手段,并将得到广泛应用。

另外,本研究各覆盖处理的综合评价,是在初期覆盖处理没有变化的前提下的结果;但随着时间的延长,地膜覆盖土可能会被吹走,引起风吹日晒,地膜风化破损,从而影响其保墒效果。秸秆也会风吹、雨淋而逐渐腐烂,影响到保墒效果,而沙石却能维持更长时间;因此,从更长的时间尺度上看,覆沙措施成本可能会更低,更有优势,这样综合评价结果也会随之发生变化。本研究覆盖处理措施是从2008年4月开始的,到目前已经历了6年,从目前实际调查结果看,覆秸秆处理的秸秆有的已开始腐烂,其保墒效果会随着秸秆逐渐腐烂,变成腐殖质而发生变化。地膜目前尚未发现风化破损,覆沙措施依然如初。尽管如此,本研究所得出的初步试验结果,对于干旱半干旱区土壤蓄水保墒、提高造林质量,仍具有较强的现实指导意义。

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Drought-resistant afforestation techniques for soilmoisture conservation by using surface covering in W estern Heilongjiang Province

Wang Ligang,Li Feng,Wang Weiye,Liu Wenhuan
(Academy of Forest and Environment of Heilongjiang Province,161005,Qiqihar,Heilongjiang,China)

[Background]Strengthening the property of soilmoisture conservation is one of important measures for raising afforestation quality in the arid-semiarid areas.The west of Heilongjiang Province is a semiarid area,thus investigating soilmoisture conservation technique is urgently needed for increase water-saving,drought-resistance and planting quality in this area.Based on the resultof former research, surface covering is an effective measurement for soilmoisture conservation in arid-semiarid areas.Our research aimed to evaluate the major surface covering methods used in this area based on the cost and effectiveness.[M ethods]Using 3 measures of surface covering of plastic film,straw and sand,we studied their influences on soil moisture conservation in the semiarid area of Heilongjiang Province. Surface covering blanketed about 1-2m2area around rootstock of new plantation,with new plantation that did not adopt any kind of surface covering as contrast.Soilmoisture contents at the depth of20-30 cm near root zone,plant height growth and afforestation survival rate were periodically monitored. [Results]Based on the data collected in April,June,Augustand October from 2008 to 2009,we found that surface covering significantly increased the soilmoisture content.The improvement in soilmoisture contentwas themost obvious in spring season in which the precipitation was generally low.Comparing tothe contrast,soil moisture contents increased by 58.93%,32.91%,and 24.97%with plastic film, straw,and sand,respectively.We found that surface covering increased the survival rate of afforestation and the growth of plant height.The afforestation survival rate by 3 covering methods of plastic film, straw,and sand raised 13.9,11.7,and 10.6 percentage points,respectively,in comparison to the contrast.The average annual increment in height of Pinus sylvestris var.mongolica in 6 years from 2008 to 2013 was 23.35%,5.08%,and 9.64%by plastic film,straw and sand respectively.In comparison to the contrast,the increment of afforestation cost was 4.4%for plastic film covering,9.3%for straw covering,and 9.2%for sand covering.By comprehensive comparing the cost and survival rate of afforestation with the contrast,the surface covering was a cost-efficient technique.[Conclusions]From comprehensive evaluation of indexes—survival rate,increment in height in the initial 6 years,initial afforestation cost,conclusion is:plastic film covering＞sand covering＞straw covering＞contrast. However,plastic film covering is prone to damage by wind as time prolonging,thus the durability of plastic film covering is notas favorable as sand covering.Beside that,plastic film coveringmay cause the environmental problem,i.e.,white pollution.While these shortcomings in plastic film covering are solved with the progress of science and technology,for example,using biodegradable plastic film,then the surface covering with plastic film covering could be extensively utilized as an effective approach for increasing afforestation quality in arid-semiarid areas.

surface covering;soil moisture conservation;drought-resistant afforestation technique; Western Heilongjiang Province

S728.2

A

1672-3007(2016)02-0147-08

10.16843/j.sswc.2016.02.019

2014-12-30

2016-03-05

项目名称:黑龙江省科技计划项目“黑龙江省林业生态工程构建技术”(GA06B302);黑龙江省林业计划项目“黑龙江省西部低山丘陵区集水抗旱造林技术研究”(2007-L01)

王力刚(1968—),男,研究员级高级工程师。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。E-mail:wlg0415@126. com