黑龍江西部低山丘陵區抗旱造林坡面集水處理技術研究

王力剛，李　峰，王煒燁，劉文環

(黑龍江省森林與環境科學研究院，黑龍江齊齊哈爾161005)

黑龍江西部低山丘陵區抗旱造林坡面集水處理技術研究

王力剛，李峰，王煒燁，劉文環

(黑龍江省森林與環境科學研究院，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對植苗帶(穴)土壤含水量、造林成活率及林木生長的影響，結果表明: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照(明穴造林)，且能不同程度地促進幼苗生長，促進作用大小為覆膜＞噴防水劑＞鏟平拍光＞撒水泥＞自然坡面。選取造林成活率、高生長量、處理成本、對環境影響4項指標，以樟子松為例，采取數據極差標準化處理方法對幾種坡面處理進行的評價結果表明，自然坡面、覆膜及鏟平拍光是較理想的坡面集水措施。

干旱是一個世界性的問題，我國干旱半干旱區面積約占國土面積的52.5%。黑龍江省西部屬于東北西部內蒙古東部旱區，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的植被建設，而改變該區惡劣的生態環境又必然要通過恢復或擴大植被來實現。由于林業用地的復雜性，該區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生產造林林木成活及持續生長的需要，因此抗旱節水造林成為林業生產上急需解決的重要技術問題。

以徑流林業為理論基礎的集水抗旱造林技術為旱區林業帶來了曙光［3-4］。國內外的抗旱集水造林技術研究主要從增加林地水分的有效供給和降低無效耗水量兩個方面開展，其中以增加土壤水分有效供給的表層徑流收集為主，通過土內防滲、改變土壤結構、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、降雨強度、土壤前期含水狀況及入滲能力，同時與集流率大小、集水坡面狀況關系密切［5-7］。在我國，集水技術在林業上最早應用于西北旱區，效果十分顯著。據王斌瑞等［8-9］研究報道，在年降水量不足400 mm的黃土丘陵區采用集水造林配套技術，使樹木根系分布層內的來水量達到每年1 000 mm以上，造林成活率達95%以上，明顯促進了林木生長，使抗旱造林有了突破性進展。

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，分析其對植苗帶土壤水分含量及林木成活情況的影響，同時研究不同處理方式下林木的生長狀況，并對不同坡面處理方式進行綜合評價，以篩選出該區適宜的坡面集水整地技術，為該區的抗旱造林生產提供參考。

1　試驗地概況

本試驗在黑龍江西部龍江縣錯海林場開展，林場地理坐標為122°51'E、47°27'N，地處大興安嶺東坡余脈，屬低山丘陵區，平均海拔340 m。該區屬半干旱大陸性季風氣候，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、防風等，森林覆蓋率57%。

2　試驗設計和研究方法

2.1試驗設計

試驗設在林場西南的晌午山。該山為土質荒山，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，到與農田交接區域土壤可達70～80 cm厚。在晌午山南坡選擇坡度較為一致的坡面(13°)設置本次試驗樣地，試驗開始時間為2007年5月。

在選定的試驗樣地坡面上設置自然坡面、鏟平拍光、鏟平拍光+噴施甲基硅酸鈉(以下簡稱噴防水劑)、鏟平拍光+覆塑料薄膜(以下簡稱覆膜)、鏟平拍光+撒中性水泥(以下簡稱撒水泥)5種試驗處理，每種處理0.3 hm2(山上、山中、山下各0.1 hm2)，以當地生產造林方式明穴造林作對照，試驗區總面積1.8 hm2。當地荒山生產造林密度一般采用2 m×3 m，為使試驗結果與生產造林具有可比性，本試驗將集水面積設計為6 m2。采用環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，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的長方形集水方格，在每個集水方格下對應的蓄水帶的中間位置栽植苗木。

試驗樹種及規格: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年生實生苗，苗高50 cm左右、地徑0.6 cm;丁香采用2年生實生苗，苗高20～30 cm、地徑0.3～0.4 cm;山杏采用2年生實生苗，苗高50 cm、地徑0.5 cm。

2.2研究方法

通過對不同處理坡面植苗帶土壤水分、林木成活與生長情況的對比分析，結合不同處理坡面的成本、對環境的影響，對不同處理坡面進行綜合評價，篩選出適宜的坡面集水處理方式。

測定指標:各處理措施植苗帶土壤水分含量(質量含水率)、林木成活率及生長測定指標(喬木主要測定各處理試驗林木的干徑、樹高、冠幅，灌木測定株高、冠幅、生物量)。

3　結果與分析

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，供應林木生長。相同雨量、雨強、降雨歷時，不同坡面處理產生的徑流量不同，從而使相應植苗帶土壤含水率存在差異。因此，通過測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，測定了不同坡面處理植苗帶9個時段的土壤含水率，結果見表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%。方差分析結果表明，各處理與對照差異顯著(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的土壤水分環境，為林木成活與生長創造條件，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不同坡面處理對造林成活率及林木生長狀況的影響

由于土壤水分狀況對幼樹成活與生長狀況影響較大，而不同坡面處理措施使植苗帶土壤水分狀況發生了改變，因而不同坡面處理措施必然對其相應植苗帶林木的成活與生長狀況產生影響。

3.2.1對造林成活率的影響

調查統計結果表明(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%，而對照明穴造林為80.25%。各處理成活率分別較對照高17.70、15.10、13.63、12.85、7.48百分點，提高幅度分別為22.06%、18.82%、16.98%、16.01%、9.32%。經方差分析，各處理與對照間差異均達極顯著水平(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對林木生長的影響

不同坡面處理措施對喬木幼苗生長的影響見表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樟子松高生長的影響，測定了各處理近3年(2011—2013年)樟子松的高生長量(表3)。結果表明，覆膜處理高生長量最大，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%，各處理與對照差異顯著(0.05水平)。

表3　不同坡面處理措施對樟子松生長的影響

從上述不同坡面處理對樟子松主要生長指標的影響看，不同坡面處理對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27.98%，最高達51.44%;冠幅提高幅度平均可達 42.65%，最高達49.64%。相對來說，對樟子松高生長影響較小，其中株高提高幅度平均為6.39%，近3年高生長量提高幅度平均為18.79%，比對胸徑和冠幅的提高幅度小得多。

對各處理土壤含水率與樟子松幼樹主要生長指標進行擬合，可知在一定范圍內它們成正相關性(表4)，因而所采取的各項集流措施提高了植苗帶土壤含水量，促進了樟子松幼樹生長。

不同坡面處理對灌木的影響主要體現在株高、冠幅和生物量上。調查統計結果表明，各種坡面處理對丁香、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照提高17.91%、13.47%、18.57%，除自然坡面外其他處理與對照差異顯著(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、丁香和錦雞兒生長指標與土壤含水率關系模型

表5　不同坡面處理措施對丁香生長的影響

丁香、小葉錦雞兒生長指標與各處理對應的土壤含水率同樣具有正相關性，見表4。

表6　不同坡面處理措施對小葉錦雞兒生長的影響

綜上，不同坡面集水措施通過對植苗帶土壤水分的影響，對栽植的林木幼苗的生長起到了積極的促進作用，使樟子松高生長提高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價

3.3.1評價指標選擇

促進林木成活與生長是集水造林的目標，成活率與生長性狀自然成為評價不同坡面處理的重要指標之一;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性，而沒有推廣應用價值，因而將成本作為不同坡面處理評價的一項指標;有的處理材料對林地環境會造成一定污染，所以將對環境影響作為評價不同坡面處理的又一項指標。基于此，本研究以樟子松為例，從林木成活、生長性狀、成本和對環境影響4個方面對不同坡面處理效果進行綜合評價。

3.3.2指標值確定

林木成活指標采用成活率，生長指標采用高生長量(高生長量與生長指標關系最為密切)，以上述的調查統計數值作為其指標值。

坡面處理成本按照市價核算，其中自然坡面1 950 元/hm2(截流植苗帶采用環山拉溝側筑埂整地費:人工費900元/hm2、機械費1 050元/hm2)、鏟平拍光處理3 683元/hm2(在自然坡面處理費用基礎上增加了人工費1 733元/hm2)、覆膜處理5 401元/hm2(在鏟平拍光處理費用基礎上增加了薄膜及覆膜處置費1 718元/hm2)、噴防水劑處理6 266元/hm2(在鏟平拍光處理費用基礎上增加了材料費及人工噴灑費用2 583元/hm2)、撒水泥處理4 775元/hm2(在鏟平拍光處理費用基礎上增加了材料費及人工處置費1 092 元/hm2)、對照費用1 667元/hm2(明穴整地，密度2 m×3 m，機械鉆孔，每個植苗穴費用1元)。

為了便于比較不同處理措施對環境的影響程度，將不同處理對環境的影響人為劃分等級，并確定相應的指標值。本研究設定0—3四個等級標準，數字越小，說明對環境影響越小，其中“0”為對環境影響最小，“3”為對環境影響最大(這里的影響主要是指負面影響)。從這一思想出發，自然坡面相對而言對環境影響最小，幾乎沒有負面影響;鏟平拍光處理對環境稍有影響，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林地環境造成了較重的污染。由此，可將幾種坡面處理對環境的影響數值化為:自然坡面與對照為“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值列入表7。

3.3.3評價結果

由于不同指標值之間量綱不同，沒有可比性，因此采用min-max標準化方法將所選指標的原始指標值進行標準化處理。

min-max標準化方法是對原始數據進行線性變換:設定minA和maxA分別為屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值x通過min-max標準化映射成在區間［0，1］中的值x'，其公式為

表7　不同坡面處理效果評價指標數據統計(以樟子松為例)

應用公式(1)計算新數據時，若原始數據越大效果越好的(如成活率和高生長量)直接采用公式(1)計算形成新數據，若原始數據越小越好的(如成本和對環境的影響)則用1減去通過公式(1)計算出的數據形成新數據，最終采用新數據的均值作為綜合評價不同坡面處理的效果次序，新數據均值越大其對應的處理效果越好。

綜合評價結果(表8)表明，幾種處理效果的綜合評價位序為自然坡面、覆膜、鏟平拍光、對照、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指標看不是最好的，但相對其他幾種坡面處理，造林成本較低、對環境不會造成較大的負面影響、可操作性強，因而應用起來會更為方便，生產上也易于接受。

表8　不同坡面處理效果綜合評價

4　結論

(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到90%以上，自然坡面可使造林成活率達到85%以上，與對照明穴造林成活率差異顯著;不同坡面處理均可促進幼林生長，與對照相比，使樟子松幼林高生長提高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、高生長量、成本和對環境影響4個指標，以樟子松為例，采用極差標準化法將原始數據標準化后進行綜合評價，結果表明: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價較差。

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(責任編輯徐素霞)

S157.2;S728.2

A

1000-0941(2016)03-0046-05

王力剛(1968—)，男，黑龍江海倫市人，高級工程師，學士，目前主要從事防護林研究。

2015-03-30