祁連山北坡退化水源涵養林生態修復模式研究

劉開琳，李毅，徐先英，何芳蘭，賀訪印，趙鵬

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

?

祁連山北坡退化水源涵養林生態修復模式研究

劉開琳1,2，李毅1，徐先英2，何芳蘭2，賀訪印2，趙鵬2

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

摘要祁連山水源涵養林對西北干旱區降水調節、涵養水源、保持水土、改善氣候發揮著重要作用。通過對祁連山北坡不同類型林地進行調查研究，結果表明：毀林耕種致使中山區的90%水源涵養林林緣都受到破壞，10%的森林中有面積超過30 m×30 m的較大林窗。采用坡地魚鱗坑和坡腳水平溝營造青海云杉和祁連圓柏，形成坡面流水收集，坡底溝緣“鎖”邊的水源涵養林恢復體系。魚鱗坑增加表層土壤蓄水力，水平溝則增加了20～40 cm土層含水量，而林窗的土壤受干擾則增加了40 cm土層含水量。人工造林增加了植被蓋度，提高了土壤蓄水量，減少水土流失，增加水源涵養能力。根據立地類型，將封山育林、造林和水土保持工程結合是有效的退化涵養林恢復措施。

關鍵詞祁連山北坡；水源涵養林；退化；生態修復

Ecological Restoration Mode of Qilian Mountain Northern Slop Degraded Water Conservation Forest

Liu Kailin1,2, Li Yi1,Xu Xianying2, He Fanglan2, He Fangyin2, Zhao Peng2

(1.Gansu Agriculture University, Lanzhou 730070, China;2.Gansu Desert Control Research Institute, Lanzhou 730070, China)

AbstractQilian Mountain water conservation forest plays an important role in rainfall regulation, water conservation, soil preservation and climate improvement.After investigation for different types of forest in the northern slope, the results showed that 90 % of water conservation forest edge in the middle mountains was destroyed by farming, and 10 % forest had more than 30×30 m forest gap.A recover system was build up by slope running water collecting and gully edge locking inPiceacrassifoliaandSabinaprzewalskiiplanted area with slope fish-scale pit and level ditches. Surface soil conservation was increased in slope fish-scale pit, with 20-40 cm depth soil water content, and 40 cm depth in forest edge. Plantation promotes vegetation cover, water content and decreases water and soil loss. Combination of enclose hillsides for afforestation and soil and water conservation project is an effective way for degraded water conservation forest recovery.

Key wordsNorthern slop of Qilian Mountain; water conservation forest; degrade; ecological restoration

祁連山山地森林屬寒溫性針葉林，由于受大陸性荒漠氣候和高山寒冷氣候的雙重影響，森林類型、層次結構、樹種組成等具有典型的高寒半干旱氣候森林特點，分布受到不同立地水熱條件影響，生物多樣性復雜，是我國西北地區重要的生物基因庫，對西北干旱區降水調節、涵養水源、保持水土、改善氣候發揮著重要作用，是西北乃至全國重要生態屏障。祁連山生態保護與治理已經引起各級政府的重視。近年來，對祁連山水源涵養林進行了分類，揭示了其結構[1,2]、地被物的水文作用[3,4],對水源涵養林更新[5]和效益[6,7]等進行了數量分析。特別是研究了不同類型森林的水文特征，觀測了蘚類云杉林林冠、祁連圓柏林秋季、 灌叢林截留降雨率和非毛管蓄水量，其中放牧草地的非毛管蓄水量和田間持水量最低[1]。提出了退化水源涵養林經營以及封山育林等培育管理方法[8-11]。但是，該區主要水源涵養林的青海云杉(Piceacrassifolia)林呈斑塊狀分布于海拔2 600～3 200 m的陰坡和半陰坡，斑塊面積較小，結構單一。而草灌面積相對大，且牧場和森林鑲嵌分布，在水源涵養方面發揮著舉足輕重的作用。自20世紀中期以來，由于氣候變化和人為干擾，祁連山區冰川退縮、雪線上升、融水減少，森林退化，涵養水源能力降低，水土流失面積逐年擴大。據《民勤縣志》記載，祁連山2 000余年前約有天然森林6.00×106hm2。到新中國建立初期，云杉林面積大約為1.50×105hm2，從20世紀60年代初到70年代末，森林面積減少16.5%，森林覆蓋率減少8個百分點[12]。祁連山水源涵養林受立地水熱條件影響，更新較慢，退化植被恢復困難。如何提高祁連山森林生態系統的水源涵養能力并進一步發揮其綜合效能，對加快祁連山生態建設，構建西北生態綠色屏障，改善河西三大內陸河流域生態環境具有極其重要的意義，對西北地區乃至全國生態環境的改善以及人類社會經濟的持續發展起著至關重要的作用。經過祁連山北坡森林的調查，本文分析了水源涵養林退化類型，提出了退化植被恢復技術措施，為其管理和恢復提供參考。

1研究區概況

研究區位于祁連山北坡東段的海拔2 100～3 600 m之間的水源林區，林地類型可分為林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地。氣候的垂直分布按海拔從低向高可分為：山地荒漠草原氣候帶(位于海拔1 700～2 100 m的中山地帶，氣候特點是夏熱冬冷，氣候干燥，熱量豐富，年平均氣溫6.2～7.5 ℃)；山地草原氣候帶(海拔2 100～2 500 m的陽坡為山地荒漠草原，海拔2 100～2 400 m的陰坡為山地典型草原)；山地森林氣候帶(陽坡海拔2 500～3 400 m，陰坡海拔2 400～3 300m，氣候特點是冬長寒冷，多云霧，年平均氣溫0～12 ℃，最熱月氣溫為11.1～14.3 ℃，最冷月為14.5～11.4 ℃，≥10 ℃的活動積溫為 1 060 ℃，無霜期100 d左右，年降水量326.4～539.7 mm，相對濕度為60%左右，是森林的主要分布帶)。山地棕鈣土主要分布在南山2 000～2 350 m的陰坡、2 300～2 600 m的陽坡，表土呈淺黃色，塊狀結構，無明顯的鈣積層，腐殖質含量很少，土壤肥力不高；山地栗鈣土主要分布在海拔2 800～3 200 m的坡地、山麓盆地和山頂部，成土母質為黃土或坡積礫石，土壤表層有較多的腐殖質。祁連山水源涵養林區擁有豐富而獨特的動植物資源，為我國西部重要的生物基因庫。據20世紀90年代初調查，林區內分布有被子植物1 020種，裸子植物10種，蕨類植物14種，分屬84科399屬。其中：喬木48種，灌木145種，草本851種。在草本中有優良牧草50種，纖維植物17種，芳香植物20種，藥用植物90種，觀賞植物25種。在這些植物資源中，有國家重點保護植物3種，青海云杉為我國特有種。林區內棲息著豐富的野生動植物資源，據統計，有陸棲野生動物299種，其中獸類47種，鳥類169種，兩棲爬行類13種。屬于國家級保護動物51種，一級保護動物13種；二級保護動物38種。在低海拔的青海云杉林緣，喬木種有山楊(Populusdavidiana)和白樺(Betulaplatyphylla)形成混交林，灌木有鬼箭錦雞兒(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)、金露梅(Potentillafruticosa)、鮮黃小檗(Berberisdiaphana)、甘青錦雞兒(Caraganatangutica)；草本主要有中國馬先蒿(Pedicularischinensis)、鮮生馬先蒿(Pedicularismuscicola)、圓穗蓼(Polygonummacrophyllum)和西北針茅(Stipasareptanavar.krylovii)等。林緣區主要的植被類型為草地，大地被層面積較少，水土流失比較嚴重。

2祁連山水源涵養林退化類型

2.1毀林耕種，水源涵養林消失

在海拔2 600 m以下的祁連山，調查區有50%森林面積都有不同程度的開墾。由于亂墾濫伐，毀林毀草耕種，致使祁連山森林覆蓋率由20世紀50年代的22.4%減少到目前的14.4%，森林面積由31.6×104hm2下降到12.0×104hm2，完整的天然森林生態系統退化。這種退化林地呈連片分布趨勢，致使其生態功能減弱。

2.2林緣破碎

在祁連山哈溪林區，90%以上的林緣受到破壞，地面受水流沖刷形成溝壑，水土流失，水源涵養林不斷縮小。由于長期以來的自然演替和人為干擾，祁連山水源涵養林區林分結構簡單，灌木林退化嚴重，多年生草本成為建群種并形成了優勢群落，林緣區有50～100 m無林區，坡中部出現細溝，坡緣破碎，水土流失嚴重，水源涵養功能下降，保護和恢復區域水源涵養林已刻不容緩。

2.3林窗增大

在祁連山哈溪林區，10%的森林中有面積超過30 m×30 m的較大林窗，更新相對困難，使水源涵養林從內部退化。在哈溪大南泥溝等地調查不同面積的青海云杉林窗與其內植物種數發現：當林窗形狀為圓或長寬比例相近時，林窗面積與其內植物種數相關性較大。在林窗面積4 m2和400 m2是物種數變化的拐點(圖1)。在林窗面積小于和大于這2個面積數時，植物種數據趨于穩定。物種變化最大的林窗面積是9～400 m2。在此范圍，植物種數隨著林窗面積增加而增多，即在改造云杉林結構時，林窗面積應該控制在4～9 m2。

3祁連山退化水源涵養林修復模式

3.1退耕地造林

在祁連山生態治理過程中，實行了退耕還林，>25°坡地退耕還林，為了防止水土流失，在哈溪造林10.67 hm2，根據立地條件，在半陰半陽坡營造祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)1 000株，陽坡和崗地營造叉子圓柏(Sabinavulgaris)2 000株，沖溝營造云杉700株，坡底營造祁連山圓柏300株。造林方式有溝植和穴植。在祁連山東段的祁連林場，對林緣區退化土地進行中國沙棘(Hippophaerhamnoides)人工造林、中國沙棘人工造林+金露梅補播、中國沙棘人工造林+金露梅補播+垂穗披堿草(早熟禾)補播3種生態模式。通過對沙棘造林地實施林草補播技術，選取垂穗披堿草(Elymusnutans)、早熟禾(Poaannua)等草本植物種進行補播，播種密度分別為15.0～22.5和7.5～12.0 kg·hm-2，進行植被的補播恢復，促進了林緣區退化土地的土壤良性循環和植被的自然演替，實現了水源涵養林林緣區退化土地植被的有效恢復。

3.2破碎林緣鎖邊造林

在祁連山水源涵養林緣水土流失區，將水土保持工程措施與造林技術結合，形成坡面流水收集，坡底溝緣鎖邊的水源涵養林緣功能恢復體系。根據立地條件，林緣營造鎖邊林。根據坡位，將造林地分成不同區域，在坡的下部開挖水平溝1～3條，溝內造林密度為1 株·m-2，將林緣和溝沿鎖住，減少水土流失，增加水源涵養能力。造林數量分別為祁連山圓柏1 000株，叉子圓柏1 000株，沖溝營造云杉2 000株，坡底營造油松2 000株，沖溝營造山楊300株。

根據立地條件、林緣區植被退化狀況、水土流失程度，將造林地分成不同區域，在坡的下部開挖水平溝1～3條(在無林區域較小、坡度較緩的坡位，只開1條水平溝)，溝間距3 m，溝內造林密度為1株·m-2，造林樹種為叉子圓柏和沙棘。在坡的中部和林地連結處，采用品字形排列的魚鱗坑，營造青海云杉和祁連圓柏，形成坡面流水收集、坡底溝緣“鎖”住，減少水土流失，增加林地水源涵養能力。

3.3林窗增加人工苗床

根據林窗的地形，分別開挖水平溝、水平臺，增加種子著床率，改善種苗生長環境，促進自然繁殖，填補林中空缺，增加水源涵養林覆蓋度，提高林地涵養水源能力。

4祁連山退化水源涵養林修復模式效益分析

4.1整地造林方式與土壤含水量

為了提高退化水源涵養林保持水土能力，根據退化水源涵養林的立地類型，分別在退耕地采用溝植，在林窗內開挖水平溝和水平臺，在坡度較大的坡地不同部位挖魚鱗坑和水平溝，形成不同類型林林地，這些整地方式的土壤含水量不同。表1顯示，魚鱗坑最大土壤含水量在表層，相對未造林地的含水率提高了8.24%；水平溝土壤含水量在20～40 cm土層，相對未造林地的含水率提高了26.53%。在林窗內建立1 m×1 m的單位面積的苗床，0～40 cm土層的土壤含水率低于未破壞區域的含水率，但40～60 cm土層的土壤含水率高于未破壞區域含水率，增加了35.82%，建立單位面積苗床地可增加土壤水分下滲，增加土壤涵養水源能力。

表1　退化水源涵養林地不同整地方式土壤含水量增減率

4.2造林與植物多樣性

通過建立灌木造林模式、灌草補播模式、圍欄封育模式促進了林緣區退耕地的植被及生態的快速恢復，造林成活率85%～92%，保存率達到80%～91%，平均植被蓋度提高到41.5%。采用中國沙棘人工造林+金露梅補播+垂穗披堿草(早熟禾)直播，在生態恢復3年后，其群落物種數可達20種，生態恢復區植被蓋度可達41.50%；而中國沙棘人工造林及中國沙棘人工造林+金露梅補播，其群落物種數僅為15種和18種(表2)。因此，從生態恢復的速度、群落植被蓋度及生態系統的穩定性來看，灌木造林+灌草補播技術是祁連山水源涵養林林緣區退化土地植被恢復比較理想的生態恢復模式，即選用中國沙棘人工造林+金露梅補播+垂穗披堿草(早熟禾)補播是祁連山水源涵養林林緣區退化土地生態恢復的有效方式。

表2　祁連山退化林不同生態恢復模式效果分析

5討論與結論

5.1改造草地成灌木或喬木林可提高退化水源涵養林效能

在土壤表層，青海云杉林的非毛管蓄水量高于草地，土壤滲透速度也高于草地土壤。青海云杉林的土壤含水量變化與草地比較，且草地土壤含水量變化高于青海云杉林。祁連山水源涵養林在海拔2 500～3 300 m山地分布寒溫帶針葉林，類型有青海云杉林和祁連圓柏林1.33×105hm2，生長緩慢，更新困難。杜鵑(Rhododendronspp.)灌木林和吉拉柳灌木林分布在海拔3 000～3 700 m的亞高山區陰坡和半陰坡及溝谷地區；在海拔2 600 m左右的中低山荒漠帶分布金露梅灌木林[2]。該地區森林生態系統具有較強的敏感性和脆弱性，一旦遭到破壞。極易被灌木叢草原或草原更替，且很難恢復[13]。在祁連山區，森林覆蓋率相差2.35倍，枯水季節降水量相差10 mm，單位面積徑流相差24%。森林覆蓋率相差11.17倍，降水量相差15 mm，但單位面積的徑流量則相差286倍。在汛期，降水量相差2.15倍，但其單位面積徑流則相差0.4%[3]。相比較而言，森林覆蓋率較大的區域降水量較大時期的河川徑流量反而較小，森林涵養水源，在調配區域降水量與河川徑流關系中起著決定作用。有林地各植被類型小區均不產生水土流失現象，與中輕度型放牧草地相比，在相同降雨條件下，過度放牧草地的徑流系數變化顯著，其年徑流量及土壤年流失量皆最大,是流域內水土流失的主要源地。過度、中度和輕度放牧草地類型其年徑流量分別為210.5、42.1和5.2 mm，土壤流失量分別為5 262.4、115.3和3.9 kg·hm-2，并且過度放牧草地的地表徑流系數變化最顯著，在雨季有較大降雨量時是流域內產生水土流失的主要來源[13]。各類植被都可提高土壤含水量，減少水土流失。根據以上分析，根據森林自然分布規律，改造草地成灌木或喬木林，建立人工林是修復祁連山退化水源涵養林的重要手措施。

5.2坡面流水收集和坡底溝緣鎖邊的涵養林結構是有效的水源涵養林模式

祁連山水源涵養林受人為采伐、盜伐、放牧影響，中山區的90%以上林緣都受到破壞，使水源涵養林功能退化。封山育林是恢復、保護、擴展祁連山天然林資源的有效措施[10]。在封山育林的前提下，采用撫育間伐、造林等綜合培育方法，處理好農林牧矛盾，祁連山森林涵養水源效能將能充分發揮。采用品字形排列的魚鱗坑，營造青海云杉和祁連圓柏，形成坡面流水收集、坡底溝緣鎖邊，減少水土流失，增加水源涵養能力，形成水源涵養林恢復體系，植被蓋度增加35.40%～41.50%，土壤含水量增加率4.12%～35.8%。根據立地類型，將封山育林、造林和水土保持工程結合是有效的退化涵養林恢復措施。

參考文獻：

[1] 車克鈞，傅輝恩，王金葉.祁連山水源林生態系統結構與功能的研究[J].林業科學,1998,34(5):29-37

[2] 王金葉,張學龍,張虎,等.祁連山水源涵養林組成結構及生長狀況[J].西北林學院學報,2001,16(S):4-7

[3] 閆文德,張學龍,王金葉,等．祁連山森林枯落物水文作用的研究[J].西北林學院學報,1997,12(2):7-15

[4] 汪有科,吳欽孝,趙鴻雁,等.林地枯落物抗沖機理研究[J].水土保持學報,1993,7(1):75-80

[5] 高發泰.祁連山水源涵養林天然更新狀況調查[J].甘肅林業科技,2003,28(4):55-58

[6] 車克鈞,傅輝恩,賀紅元.祁連山水源涵養林效益的研究[J].林業科學,1992,28(6):544-548

[7] 張志永,張卓文,陳玉生,等.5種主要森林類型涵養水源能力比較研究[J].福建林學院學報,2005,25(2):171-175

[8] 寇韜,李春燕,宮照紅,等.水源涵養林研究現狀綜述[J].防護林科技，2009(5):59-63

[9] 李金良,鄭小賢,池建,等.祁連山水源涵養林經營現狀分析與經營對策[J].北京林業大學學報，2009(5):59-63

[10] 王多堯.封山育林增強祁連山水源涵養林效能[J].甘肅林業科技,2001,26(4):52-57

[11] 王金葉,車克鈞.祁連山森林復合流域徑流規律研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1999,4(1):22-28

[12] 民勤縣志編纂委員會.民勤縣志[M].蘭州:蘭州大學出版社，1994:55-205

[13] 賀紅元,車克鈞,傅輝恩.祁連山寺大隆林區不同程度放牧草地水土流失的初步研究[J].甘肅林業科技,1991,16(4):5-10

中圖分類號：S718.57

文獻標識碼：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.03.001

作者簡介：劉開琳(1982-)，男，甘肅民勤人，助理工程師，主要從事荒漠生態研究,Email：403886231@qq.com通訊作者：李毅(1962-)，男，甘肅蘭州人，教授，主要從事林木育種研究,Email:liyi@gsau.edu.cn

基金項目：國家科技支撐項目(2012BAC08B02);甘肅省沙生植物保護利用科技創新團隊項目(1207TTCA002)

收稿日期：2016-01-20

文章編號：1005-5215(2016)03-0001-04