干熱河谷植被恢復(fù)過(guò)程中的適度造林技術(shù)

干熱河谷植被恢復(fù)過(guò)程中的適度造林技術(shù)

現(xiàn)在，人工植被是中國(guó)最重要的森林植被之一。但現(xiàn)存的大部分人工林植被由于植被類型選擇不當(dāng)、群落密度過(guò)大和群落生產(chǎn)力過(guò)高等原因,普遍存在林地地力衰退的生態(tài)問(wèn)題,在廣大干旱、半干旱地區(qū),特別是干熱河谷區(qū),植被恢復(fù)困難,林分穩(wěn)定性差,以“土壤干化”為主的土壤退化極為嚴(yán)重,已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。多年來(lái),干熱河谷的植被恢復(fù)策略一直以造林為主,旨在恢復(fù)或部分恢復(fù)森林植被,以現(xiàn)有植被起源于受人為干擾的原生森林植被或以局部地區(qū)種植林木生長(zhǎng)狀況為依據(jù)。從目前看,在傳統(tǒng)的造林理念下,干熱河谷人工造林與植被恢復(fù),在結(jié)構(gòu)、土壤等方面均表現(xiàn)出明顯的退化特征。傳統(tǒng)的造林技術(shù)與方法不但難以達(dá)到恢復(fù)生態(tài)功能的目的,而且還造成人力、物力和財(cái)力的巨大浪費(fèi)(費(fèi)世民等,2003,2004)。雖然干熱河谷植被恢復(fù)重建的理論和方法方面的研究雖已有所積累,但是其理論體系和技術(shù)體系尚未形成。因此,深入研究干熱河谷植被恢復(fù)的生態(tài)過(guò)程和及其機(jī)理,如何構(gòu)建科學(xué)有效的造林與植被恢復(fù)理論,依然是目前十分迫切的任務(wù)。長(zhǎng)期以來(lái),干熱河谷被認(rèn)為是世界上環(huán)境最惡劣的地區(qū),其植被恢復(fù)一直深受重視。經(jīng)長(zhǎng)期努力,該區(qū)植被恢復(fù)在物種篩選、恢復(fù)模式、營(yíng)造技術(shù)、人工植被的生態(tài)評(píng)價(jià)等方面的研究進(jìn)展迅速,已篩選出一批樹(草)種,營(yíng)建了大面積的試驗(yàn)示范林。雖然部分研究已取得一些突破與進(jìn)展,但干熱河谷植被恢復(fù)依然還是尚未攻克的難題,由于理論貯備及技術(shù)研究的不足,還缺乏進(jìn)一步的理論探索和系統(tǒng)研究成果,特別缺乏定量化、系統(tǒng)化、持續(xù)性的研究,理論體系仍不完善。(張信寶等,1997;李昆等,1999;楊忠等,2003;費(fèi)世民等,2003,2004)。為此,本文在“適度”造林技術(shù)(費(fèi)世民等,2003,2004)提出的基礎(chǔ)上,旨在從系統(tǒng)化、定量化的研究角度,進(jìn)一步闡明“適度”造林技術(shù)與理論,以期為干熱河谷植被恢復(fù)的研究與實(shí)踐提供參考。1草地恢復(fù)在干旱、半干旱地區(qū),由于以往造林多選用喬木,并且造林密度偏大,導(dǎo)致林木水分營(yíng)養(yǎng)面積不足、土壤水分虧缺,從而引起林分衰退,甚至死亡。造林與土壤水分平衡的關(guān)系是現(xiàn)在和將來(lái)干熱、干旱地區(qū)植被恢復(fù)研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。在北方,許多研究結(jié)果表明,固沙林下的土壤貯水量一般低于無(wú)林地,尤其是密度偏大的林分,在林分郁閉成林后,水分供應(yīng)將十分緊張,會(huì)引起林木死亡,這是由于林分蒸騰耗水,導(dǎo)致根系分布區(qū)土壤貯水量減少,根系分布層的土壤含水量降至凋萎系數(shù)。寧夏中衛(wèi)2a~8a生人工林地表以下0~3m土層含水量從1988年的2%~3%降低到1990年的1%~2%(楊維西等,1996);1964年?duì)I造的灌木和半灌木林地0~3m土層含水量普遍在0.59%~1.0%之間,有的甚至降到0.59%以下,絕對(duì)含水量與無(wú)植被流沙區(qū)同一層次相差達(dá)60mm~100mm(郭普,1986)。1970年?duì)I造了樟子松固沙林,初植密度為4444株·hm金沙江干熱河谷區(qū)氣候干旱炎熱,降水量較少且分配不均,土壤干旱貧瘠,是我國(guó)造林極端困難的立地之一。多年來(lái),金沙江干熱河谷區(qū)退化山地植被恢復(fù)重建一直被作為重要的研究課題。其中選擇適宜物種,優(yōu)化群落組合和配套的造林技術(shù)是植被恢復(fù)能否成功的關(guān)鍵因素。長(zhǎng)期以來(lái),植樹造林一直作為幾乎整個(gè)生態(tài)恢復(fù)的重要措施之一,但是效果一直不好。在干熱河谷區(qū)山地有這樣的說(shuō)法“種樹不見樹,造林不見林”,許多地方出現(xiàn)的“小老頭樹”既不能發(fā)揮水土保持作用,又不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,而且還引起以“土壤干化”為主的生態(tài)問(wèn)題。在金沙江干熱河谷,20世紀(jì)50年代、70年代直播的云南松(Pinusyunnanensis)、思茅松(Pinuslangbianensis)觀測(cè),干熱河谷中種植的松樹,第6年自然稀疏到1050株·hm干熱河谷人工赤桉林隨林分密度的增大,土壤水環(huán)境有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)。13a生的林分旱季0~100cm土層內(nèi)平均含水率6.84%~9.16%,土壤含水率普遍偏低,已均無(wú)有效水分,表現(xiàn)出嚴(yán)重的“土壤干化”(王克勤等,2004)。在較好立地條件的地帶,10a~13a生的赤桉純林,造林保存率達(dá)80%,在立地條件差的地帶,4a生的赤桉純林,造林保存率僅為43%;在較好立地條件的地帶,11a生的新銀合歡純林,造林保存率72%,而在立地條件差的地帶,11a生的新銀合歡純林,造林保存率僅有45%(高文學(xué)等,2005)。據(jù)調(diào)查,1990年至1996年,攀枝花干熱河谷地區(qū)造林1333余hm水分條件是金沙江干熱河谷植被恢復(fù)的一個(gè)主要制約因素,水分因子是影響植物生存、生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境對(duì)植被支持力的關(guān)鍵因素。上世紀(jì)70年代以來(lái),采用提水灌溉的方法,攀枝花市在花崗巖荒山上成功營(yíng)造了攀枝花公園、東區(qū)公園和攀鋼后山綠化區(qū),其植被以闊葉林為主的常綠森林植被。主要樹種有羊蹄甲、臺(tái)灣相思、桉樹、山麻柳、櫟類等。這3處森林內(nèi),均布設(shè)有輸水灌溉管道系統(tǒng)。據(jù)初步調(diào)查,苗期旱季每月澆水3次,以后澆水次數(shù)逐漸減少,成林后每年3月~5月,每月澆水1次,灌溉用水量差別為180m因此,干熱河谷植被恢復(fù)應(yīng)該在區(qū)域生態(tài)環(huán)境大背景下,應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)、合理、適度、可持續(xù)的原則,不應(yīng)該盲目地追求數(shù)量和經(jīng)濟(jì)效益,試圖在短期內(nèi)使稀樹灌叢草坡變成森林,并提供木材產(chǎn)品,而忽視了其嚴(yán)酷的自然條件,超越了干熱地區(qū)的生物容量和土壤承載能力。雖然不惜一切代價(jià),可以種植一些樹木,但最終得不償失。2“充分”造林的理論依據(jù)2.1群落優(yōu)勢(shì)種、帶種和特有種自然植被是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、氣候變遷和植物群落演化而形成。在干旱、半干旱地區(qū),由于環(huán)境對(duì)植被的支持力較小,形成了獨(dú)特的區(qū)域性植被。干熱河谷植被具有獨(dú)特的群落外觀與區(qū)系組成,系世界植被中薩王納植被的干熱河谷殘存者,屬河谷型薩王納植被(Savannaofvalleytype),所以是我國(guó)珍稀瀕危的植被類型之一(金振洲等,2000)。金振洲等(2000)研究表明,干熱河谷植被多為“稀樹灌木草叢”,以中草和禾草草叢為背景構(gòu)成大片草地植被,在草叢之上散生2m~5m為主的稀散喬木和0.5m~2m為主的稀散灌木,人為干擾下可成為“稀樹草叢”、“稀灌草叢”和草叢外貌。群落結(jié)構(gòu)上,多數(shù)分喬、灌、草3層或灌、草兩層。群落種類多為熱帶性或熱帶起源的耐旱種類,熱帶種、溫帶種和中國(guó)特有種分別占47.59%、14.88%和37.42%,具有長(zhǎng)期適應(yīng)干熱河谷的群落特征種或區(qū)系標(biāo)志種。優(yōu)勢(shì)或常見種多數(shù)為生態(tài)適生種或耐于熱種類。草叢優(yōu)勢(shì)種如扭黃茅(Heteropogoncorttortus(L.)Beauv.)、孔穎草(Bothriochloapertusa(L.)A.Camus.)、雙花草(Dichanthiumannulatum(Forsk.)Stapf.)等,稀樹灌木如滇欖仁(TerminaliafranchetiiGagnep.)、石山羊蹄甲(BauhiniacomosaCraib.)、坡柳(DodonaeaviscoseJacg.)、疏序黃荊(VitexnegundoL.f.var.laxipaniculataPei.)等。調(diào)查資料表明,1957年元謀干熱河谷區(qū)植被已為稀樹灌草叢(周麟,1996)。在干熱河谷區(qū),原始自然植被為南亞熱帶干性常綠闊葉林,非石灰?guī)r山地為錐連櫟林;石灰?guī)r山地為鐵橡櫟林,格里坪一帶石灰?guī)r山地分布有蘇鐵林;溝菁、陰坡等土壤水分條件較好的地段為黃櫟林。攀枝花干熱河谷現(xiàn)代自然植被以南亞熱帶干熱河谷稀樹灌叢草坡為主要類型,草本植物以扭黃茅占絕對(duì)優(yōu)勢(shì);灌木主要為車桑子、牛筋條、余甘子等;喬木主要為滇合歡、櫟類。人為干擾少、土壤水分條件較好的地段,如陰坡(特別是土層深厚的緩坡和裂隙發(fā)育的石質(zhì)坡地)和溝菁一帶,喬木密度大,部分地段成林,多為櫟樹林。歷史時(shí)期以來(lái)的植被演變是人類活動(dòng)和氣候變化的疊加結(jié)果。史前時(shí)期植被的自然演化,主要受制于氣候的變化。中更新世以來(lái),地殼隆升,河流強(qiáng)烈下切,嶺谷高差增大,河谷焚風(fēng)效應(yīng)增強(qiáng),干熱化是數(shù)十萬(wàn)年來(lái)金沙江河谷氣候變化的總體趨勢(shì)。由于植被群落的抵抗效應(yīng),植被的演化往往滯后于氣候的變化。人類活動(dòng),特別是近代人類活動(dòng)對(duì)攀枝花市視野區(qū)植被演替的影響是不爭(zhēng)的事實(shí)。數(shù)百年前,區(qū)內(nèi)以櫟類為主的南亞熱帶干性常綠闊葉林廣布。森林植被砍伐后,自然植被迅速退化為干熱河谷稀樹草灌。森林植被破壞,土壤侵蝕加劇,土層變薄變瘠,持水性能降低,土壤水分狀況變差,不再適宜原生森林植被的繁衍,人類活動(dòng)加速了自然植被由南亞熱帶干性常綠闊葉林向干熱河谷草灌植被演替的進(jìn)程。目前大部分坡地的自然環(huán)境,已很難恢復(fù)原始南亞熱帶干性常綠闊葉林植被,只能恢復(fù)干熱河谷稀樹灌草植被。2.2土壤水分與植被生長(zhǎng)的關(guān)系承載力(CarryingCapacity)屬于物理學(xué)的范疇,它是用以控制或限制發(fā)展的一個(gè)常用概念,是可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題,最早進(jìn)行承載力研究的是群落生態(tài)學(xué),它是指在一定環(huán)境條件下,單位面積某種生物個(gè)體存在數(shù)量的最大值(曲仲湘等,1983)。土壤水分植被承載力(VegetationCarryingCapacityofSoilWater,VCCSW)是土地植被承載力(簡(jiǎn)稱植被承載力)的一個(gè)特殊類型。植被承載力是指一定環(huán)境條件下單位面積某種生物個(gè)體存在數(shù)量的最大值(曲仲湘等,1983)。當(dāng)森林密度接近承載力時(shí),林木胸高斷面積停止增加(MANIONP.D.,D.H.GRIFHN,2001)。維持森林、灌叢和草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的土壤水分來(lái)自天然降雨和地下水,地下水也來(lái)自于降水。常年雨量大且季節(jié)分配合理,或是地下水位較高的地區(qū),水分不是植物生長(zhǎng)的限制因子。降雨量稀少、土壤水分補(bǔ)給能力有限的地區(qū),土壤水分是植物生長(zhǎng)的限制因子。在干旱、半干旱地區(qū),土壤水分是決定植物生長(zhǎng)的限制因子。該類地區(qū)的植被承載力實(shí)質(zhì)上由土壤水分決定。土壤水分植被承載力是土壤水分承載植物的最大負(fù)荷,是指在較長(zhǎng)時(shí)期(1年~多年)內(nèi),在現(xiàn)有的條件下,當(dāng)植物根系可吸收和利用土層范圍內(nèi)土壤水分消耗量等于或小于土壤水分補(bǔ)給量時(shí),所能維持特定植物群落健康生長(zhǎng)的最大密度,即雨水資源中補(bǔ)給土壤的部分水量所能維持植物健康生長(zhǎng)的最大數(shù)量。在雨養(yǎng)條件下,一定時(shí)期內(nèi)森林植被系統(tǒng)的土壤水分補(bǔ)給和消耗構(gòu)成一個(gè)微循環(huán)系統(tǒng)。在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),雨水補(bǔ)給土壤水分過(guò)程和土壤水分消耗過(guò)程一般是交互進(jìn)行、相互影響的。一方面森林植物生長(zhǎng)發(fā)育影響土壤水分補(bǔ)給深度和補(bǔ)給量,從而影響土壤水分狀況和對(duì)植物的有效性;另一方面,土壤水分消耗與森林植物生長(zhǎng)密切相關(guān)。二者是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體。人工林植被的穩(wěn)定性與功能發(fā)揮必須建立在有適合水資源供應(yīng)的合理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,維持林分穩(wěn)定性的實(shí)質(zhì)是要保持一定時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡,其基本條件之一是保持一定時(shí)期內(nèi)土壤的水量平衡。水是土壤—植被—大氣連續(xù)系統(tǒng)(SPAC)的紐帶。在SPAC傳輸體中,森林植被生態(tài)系統(tǒng)的土壤水分與植物生長(zhǎng)相互影響,缺一不可。在一定立地條件下,某種森林植被群落能夠生長(zhǎng)發(fā)育,那么客觀上存在這樣一個(gè)密度,它能使一個(gè)時(shí)期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)土壤水分的補(bǔ)給和消耗達(dá)到平衡且植物生長(zhǎng)正常,有利于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,也不會(huì)形成土壤旱化,此時(shí)的密度即為土壤水分植被承載力。由于在一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),植物的生長(zhǎng)和發(fā)育由發(fā)芽、展葉,開花、果實(shí)膨大和落葉(落葉樹種)等環(huán)節(jié)構(gòu)成,無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)遇到干旱、土壤水分脅迫都可能導(dǎo)致植物個(gè)體的死亡和種群數(shù)量的下降。一年內(nèi),土壤水分在降雨、徑流、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰等因素影響下處于動(dòng)態(tài)變化之中,因此研究土壤水分植被承載力的時(shí)消周期為“年”。由于土壤含水量必須大于或等于萎蔫系數(shù),植物才能正常生長(zhǎng)發(fā)育,植物生長(zhǎng)和發(fā)育只能吸收和利用一定深度土層的土壤水分,不可能利用整個(gè)土層的土壤水分,特別是對(duì)較厚土層的土壤,如干旱地區(qū)。干熱河谷區(qū)旱季的土壤水分狀況是影響林木生長(zhǎng)的更關(guān)鍵的因子,決定著林分的穩(wěn)定程度。因此,干熱河谷地區(qū)營(yíng)造高密度的人工喬木生態(tài)林勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致林分微環(huán)境較差,難以形成結(jié)構(gòu)良好的林分,從而也影響生態(tài)功能的發(fā)揮。研究表明,干熱河谷土壤水分承載力較小的扭黃茅群落自然草坡的土壤水分狀況明顯優(yōu)于土壤承載量較大的喬木林和灌木林,但干熱河谷地區(qū)也存在生長(zhǎng)良好的稀樹和散生喬木,從而證實(shí)稀疏的喬木林能夠正常生長(zhǎng)。因此,為了維持人工生態(tài)林生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡,在干熱河谷植被恢復(fù)中應(yīng)盡量降低造林密度,減小土壤水分承載力,減少水分消耗,確定出合理、適度的造林密度(費(fèi)世民等,2004,2006)。2.3不同土壤水分制約干熱河谷植被恢復(fù)和生長(zhǎng)的主要限制條件是不同立地條件下土壤層旱季(11月至翌年5月)的有效蓄水量和干旱后期土壤的有效含水量。陰坡和陽(yáng)坡土壤含水量有很大差異。旱季含水量陰坡總的趨勢(shì)是下層(40cm~60cm)土壤最高。旱季6個(gè)月的4種整地方式平均含水量以上層(0~20cm)最小,為11.98%;中層(20cm~40cm)次之,為16.42%;下層為18.03%;而陽(yáng)坡上、中、下3層含水量分別為9.76%、13.80%、13.71%。陰陽(yáng)坡旱季不同土層間的土壤水分差異導(dǎo)致了干熱河谷陰坡和陽(yáng)坡間植被分布的差異(蔣俊明等,2007)。同時(shí),不同質(zhì)地土壤水分條件差異較大。金沙江干熱河谷中沙礫石覆蓋的階地、丘陵,以沙質(zhì)土為主,及裂隙特別發(fā)育的基巖山地土壤,水分條件較好,在人工灌溉補(bǔ)肥條件下,植樹造林成活率較高;而第三系和第四系的粘土、亞粘土地層和泥質(zhì)巖類組成的山地發(fā)育的土壤,水分條件差,特別是燥紅土、變性土,粘粒含量高,只適宜栽種灌草;該區(qū)域環(huán)境的空間異質(zhì)性極大,具體體現(xiàn)為微地型和微氣候差異、土壤及其土壤母質(zhì)的變化.這種空間異質(zhì)性的變異極易誤導(dǎo)植被恢復(fù)的方向,也就是說(shuō),相臨地塊,由于立地條件的不同,其植被恢復(fù)所選用的樹種、模式及造林技術(shù)理應(yīng)不同,但因是規(guī)模性造林,加之立地生境的脆弱性,在生產(chǎn)上極易忽視這種差異,最終導(dǎo)致造林失敗。因此,干熱河谷植被恢復(fù)除了“適度”林分結(jié)構(gòu)外,針對(duì)立地條件差異性和自然植被景觀多樣性,還應(yīng)該保留一定面積的自然植被,使人工林與自然植被交錯(cuò)鑲嵌分布,以恢復(fù)具有生物多樣性特點(diǎn)和林分穩(wěn)定性人工植被。3土壤水分蒸發(fā)土壤的自然含水量扣除植物的凋萎系數(shù)以后,才是可供植物利用的有效水分。根據(jù)土壤供給的有效水分總量和各樹種的單株水分消耗量,可估測(cè)出土壤對(duì)各樹種的水分承載能力。根據(jù)調(diào)查,在旱季0~25cm土層、25cm~50cm土層、50cm~70cm土層的土壤平均含水量分別為9.34%、10.24%和11.35%。林地土壤表土層(0~25cm)水分可供地表草本植物利用;大部分根系的垂直分布在25cm~75cm土壤層;在旱季降雨一般20mm~50mm,蒸發(fā)量為降雨量的兩倍以上,表土水分有一部分用于蒸發(fā),則植物需從深層土壤消耗。因此,植物耗水過(guò)程水分復(fù)雜,利用Li-1600測(cè)定植物蒸騰量,不能反映土壤水分消耗的真實(shí)情況,土壤水分蒸發(fā)對(duì)土壤水分消耗影響很大。為此,采用水浮式盆栽實(shí)驗(yàn)方法,以土壤水分變化為中心,把水分消耗作為整體概念來(lái)對(duì)待,通過(guò)對(duì)土壤消耗量與水面蒸發(fā)量進(jìn)行擬合,建立擬合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头匠?再根據(jù)方程,計(jì)算出各樹種在整個(gè)旱季的單株水分消耗量(旱季為11月至翌年5月,計(jì)212d),即可估測(cè)出每公頃林地對(duì)各樹種的最大造林密度。3.1調(diào)查的調(diào)查結(jié)果根據(jù)上述攀枝花市干熱河谷土壤水分的研究結(jié)論,為了確定土壤對(duì)植物的供水范圍,對(duì)干熱河谷現(xiàn)有主要植物根系進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果見表1。由此,本研究確定土壤有效供水的土壤深度為70cm,以此,計(jì)算土壤的有效蓄水量作為土壤水分供應(yīng)能力。但是,在干熱河谷,荒山荒地的土壤層一般在50cm,有部分水分需要來(lái)自于母質(zhì)層。根據(jù)現(xiàn)有主要林分土壤調(diào)查與測(cè)定,由表2可見,荒草坡的土壤水分供應(yīng)能力最小,達(dá)到1143T·hm3.2種植樹種蒸騰、蒸散量的測(cè)試在攀枝花干熱河谷由于干濕季節(jié)分明,從10月至第2年5月為旱季,長(zhǎng)達(dá)212d,土壤的貯水量是旱季植物耗水的唯一來(lái)源,因此,土壤在雨季貯水量的多少?zèng)Q定了植物能否安全渡過(guò)旱季,決定了林種結(jié)構(gòu)、組成和林分密度。對(duì)攀枝花干熱河谷主要造林樹種進(jìn)行盆栽試驗(yàn),通過(guò)測(cè)試某一時(shí)段(或某一點(diǎn))的蒸騰量或蒸散量來(lái)計(jì)算植物的耗水量明顯不合理,因?yàn)橹参锖乃且粋€(gè)連續(xù)的過(guò)程,同時(shí)蒸騰量與整個(gè)旱季的氣候狀況有關(guān)。通過(guò)整個(gè)干旱期間盆栽試驗(yàn),以Metcherlich模型擬合結(jié)果最理想,可以反映土壤水分的消退過(guò)程以及土壤的結(jié)構(gòu)等參數(shù)及土壤水分的動(dòng)力學(xué)特征,擬合的數(shù)學(xué)模型在土壤學(xué)上有明確的物理意義。模型方程為:根據(jù)方程擬合了各樹種單位水面蒸發(fā)量作用于1cm根據(jù)擬合方程1,各樹種的擬合土壤水分消退過(guò)程見圖1,來(lái)計(jì)算不同樹種旱季的耗水量。研究采用室外水浮式盆栽實(shí)驗(yàn),實(shí)際上把單株植物形成的生態(tài)空間作為一個(gè)計(jì)量單位,不同于以往研究,其結(jié)果更具有真實(shí)性。以土壤水分含量為縱坐標(biāo),以水面累積蒸發(fā)量為橫坐標(biāo)作土壤水分遞減曲線圖(以實(shí)驗(yàn)擬合的土壤水分消退模型:E通過(guò)對(duì)E3.3造林密度和林木生長(zhǎng)的關(guān)系從干熱河谷的實(shí)際情況看,制約森林形成的主要因素是水分。旱季的土壤水分狀況和樹木的耐旱性是決定樹木能否生存的兩個(gè)因素。本文所研究的幾個(gè)樹種,經(jīng)前人研究成果和造林實(shí)踐證明都表現(xiàn)出一定的抗旱性。因而,這些樹種能否形成穩(wěn)定的人工林,主要取決于土壤的水分狀況;從土壤水分供應(yīng)能力的角度,所計(jì)算出的結(jié)果是每公頃林地對(duì)各樹種所能夠承載的最大理論株數(shù)。根據(jù)目前該區(qū)的造林要求,其密度為3300株·hm對(duì)于灌木來(lái)說(shuō),小桐子、車桑子和五色梅的造林密度分別為3161株·hm在實(shí)際生產(chǎn)中,還要考慮到其他的立地條件,如土壤肥力、坡位和坡向等,以及林地灌木和草本層等等。因此,如果大于這個(gè)造林密度,就會(huì)造成旱季土壤供水不足。當(dāng)然,為了提早郁閉,盡早發(fā)揮林分的防護(hù)效果,造林的初植密度可以適當(dāng)大于這個(gè)密度。從樹木個(gè)體發(fā)育角度看,當(dāng)樹木地上部分達(dá)到一定的生物量,總?cè)~面積的耗水量超過(guò)土層的供水能力時(shí),會(huì)促使植株生長(zhǎng)停止。雖然在以后的雨季里有比較充足的水分供應(yīng),也不能恢復(fù)其旺盛的生長(zhǎng),因土壤水分脅迫導(dǎo)致林木生長(zhǎng)衰退,從而形成“小老頭樹”,甚至成片死亡。這種現(xiàn)象在我國(guó)干旱地區(qū)相當(dāng)普遍。從林分角度來(lái)看,同一樹種隨著森林生物量的增加,樹木對(duì)水分的消耗加大,有可能因?yàn)閷?duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)加劇而導(dǎo)致林分的自然稀疏,從而無(wú)法形成穩(wěn)定的人工林,林木因?yàn)樗譅I(yíng)養(yǎng)面積不足而導(dǎo)致部分林木死亡。一方面,從人工林的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和改善林地小環(huán)境這兩方面來(lái)考慮,造林初期為了迅速覆蓋林地,盡早地形成森林環(huán)境,仍需要適當(dāng)密植。但隨著林木的生長(zhǎng),對(duì)水分的消耗增大,為保持林分的相對(duì)穩(wěn)定,保證林木的存活與生長(zhǎng)并逐步提高林地的生產(chǎn)力,應(yīng)人為調(diào)節(jié)其密度,預(yù)防林木大范圍的死亡而導(dǎo)致人工林的衰退。因此,“適度”造林的林分即可充分利用水分資源,又不會(huì)造成土壤干旱脅迫現(xiàn)象,此時(shí)的林分應(yīng)屬于“疏林”(注:指密度低、郁閉度小于0.3的林分)。在干旱區(qū),在選擇節(jié)水、耐旱樹種的前提下,應(yīng)該在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)上可行的考慮,進(jìn)行適度造林,以維護(hù)林分的持續(xù)穩(wěn)定性。4多層次立體恢復(fù)模式的建立20世紀(jì)90年代初,中國(guó)林科院資源昆蟲研究所、四川省林業(yè)科學(xué)研究院、中科院等科研單位在四川、云南金沙江干熱河谷開展植被恢復(fù)與造林技術(shù)研究,營(yíng)造大面積人工林,推動(dòng)了干熱河谷的植被恢復(fù)工作?！笆濉币詠?lái),恢復(fù)模式逐漸向喬、灌、草結(jié)合的多層次立體恢復(fù)模式過(guò)渡,植被恢復(fù)取得較好效果。目前,根據(jù)掌握的文獻(xiàn)資料,金沙江干熱河谷退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建模式的試驗(yàn)示范研究還停留在一些小的、局部的區(qū)域范圍內(nèi)或單一的群落或植被類型,缺乏從區(qū)域景觀水平或整體系統(tǒng)的區(qū)域尺度的綜合研究與示范,也缺乏對(duì)已有微觀的具體模式的宏觀配置研究。已有植被恢復(fù)技術(shù)或成果由點(diǎn)至面的尺度轉(zhuǎn)化過(guò)程準(zhǔn)確性缺乏,而不能大量被采納和推廣,個(gè)別成功案例推廣放大后難以適應(yīng)而失敗。自然植被與人工植被景觀的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)、功能和相互作用的資料缺乏,它們的適應(yīng)性難以判斷(楊振寅等,2007)。4.1干熱河谷區(qū)的植被景觀現(xiàn)狀據(jù)調(diào)查研究(費(fèi)世民等,2004,2006),攀枝花市景觀的鑲嵌結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變。20世紀(jì)50年代初期,稀疏灌草叢和干熱河谷禾草灌草叢大約在海拔1300m左右一帶,木棉和紅椿在沿江河兩岸還比較多。后來(lái),由于1958年的“大躍進(jìn)”、人口增長(zhǎng)迅猛、建市以來(lái)的近700次森林火災(zāi)和20世紀(jì)60年代~70年代擴(kuò)建渡口鋼鐵基地和成昆鐵路等,使得整個(gè)植被資源遭受巨大破壞和損失,次生植被越來(lái)越多,森林覆蓋率下降很快。從20世紀(jì)70年代至90年代,森林植被的覆蓋率下降了4.44%。而同期的陡坡和一些宜林地紛紛被辟為耕地,造成自然植被面積減少,原生植被退縮到高山或陡峻偏遠(yuǎn)的地方,次生植被擴(kuò)展,干熱河谷線上升;植被鑲嵌體的鑲嵌關(guān)系發(fā)生很大變化。而且,就每種鑲嵌體而言,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在這幾十年間也發(fā)生較為明顯的變化,森林結(jié)構(gòu)日趨簡(jiǎn)單化,喬木減少,灌木、草本植物增多。最破碎的植被景觀出現(xiàn)在人類活動(dòng)最劇烈的兩江(金沙江和雅礱江)、兩河(安寧河和大河)干熱河谷地區(qū)。干熱河谷區(qū)占優(yōu)勢(shì)的植被為草叢、灌草叢、稀樹草叢、稀樹灌草叢。據(jù)楊振寅(2007)對(duì)元謀干熱河谷植被景觀動(dòng)態(tài)與植被恢復(fù)研究表明,元謀干熱河谷車桑子灌木林和稀樹灌草叢占明顯優(yōu)勢(shì),為元謀干熱河谷景觀的基質(zhì),其面積和斑塊數(shù)達(dá)540.60km可見,在干熱河谷區(qū),植被恢復(fù)除了按自然植被演替規(guī)律營(yíng)建“適度”林分結(jié)構(gòu)外,還應(yīng)該從區(qū)域尺度上,依據(jù)自然植被景觀格局,不宜實(shí)施大規(guī)模的人工造林,因地制宜地營(yíng)建塊狀人工林,形成人工植被與自然植被交錯(cuò)鑲嵌分布的“適度”格局,以恢復(fù)具有景觀多樣性特點(diǎn)的區(qū)域性植被生態(tài)系統(tǒng)。4.2干旱季節(jié)造林模式在干熱河谷區(qū),同一區(qū)域的降雨差異不大,但由于地形和下墊面的差異,導(dǎo)致植物水分供應(yīng)的較大差異,從而決定了干熱河谷區(qū)植被群落的空間格局。影響干熱河谷區(qū)植被生長(zhǎng)與分布的主要因素有海拔高度、坡向、母巖類型、坡度、土層厚度等(費(fèi)世民,2004)。目前,攀枝花干熱河谷整體上屬于稀樹草原類型,但在地勢(shì)較低、水源條件和土壤條件較好的地段仍有很多林木生長(zhǎng),在非石灰?guī)r山地為錐連櫟(Quercusfianchetii)林;石灰?guī)r山地為鐵橡櫟(Quercuscocciferoides)林;目前格里坪一帶石灰?guī)r山地分布有蘇鐵(Cycasrevoluta)林;溝菁、陰坡等土壤水分條件較好的地段為黃櫟林。據(jù)楊忠(2003)研究,在金沙江干熱河谷區(qū),泥巖坡地土體黏重板結(jié),入滲能力弱,天然降水入滲少,對(duì)土壤水分的有效補(bǔ)充較少。在干旱季節(jié)土體極其干旱,林木生長(zhǎng)停止,甚至受到干旱的生理傷害枯死,林分生產(chǎn)力低,極難恢復(fù)森林植被。片巖坡地礫石層坡地砂礫層坡地等石質(zhì)山地土體裂隙發(fā)育,入滲能力強(qiáng),天然降水入滲多,對(duì)土體水分的有效補(bǔ)充較多,在干旱季節(jié)巖土深層有少量有效儲(chǔ)水供林木吸收利用,維持其正常生理活動(dòng)的水分需要,林木生長(zhǎng)較泥巖坡地上的林木生長(zhǎng)快,林分生產(chǎn)力高。據(jù)研究(費(fèi)世民,2004;蔣俊明等,2204,2005,2007),攀枝花干熱河谷的四種土壤中以山地粗骨質(zhì)紅壤全年含水率最低,含水率在5%以下的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5月。因此,造林十分困難,深墾整地,作好蓄水保墑工作是提高造林成效的關(guān)鍵措施。山地碳酸鹽紅褐土是本區(qū)土壤含水率最高的一種土壤,全年變動(dòng)幅度不大,且較穩(wěn)定,一年中除旱季3月~5月表土層(9cm~10cm)含水率在5%~10%以外,其余時(shí)間各層土壤含水率都>20%。這種土壤造林效果較好,陰坡撒播云南松可以成功。山地紅色石灰土,含水率雖然也高,但是由于土壤物理性粘粒含量較大,水分多以束縛水的形式保存于土壤之中,可供植物利用部分較少,因此,植物生長(zhǎng)差,造林仍很困難。山地黃紅壤,含水率僅次于山地碳酸鹽紅褐土,干濕季明顯,一年之中只有兩個(gè)月時(shí)間(4月、5月)表土層(0~20cm)比較干燥,含水率在9%左右,其余時(shí)間都處于潮潤(rùn)狀態(tài),插花性干旱對(duì)土壤含水率影響不大,造林比較容易成功。從不同地形條件土壤含水率的觀測(cè)來(lái)看,由于蒸發(fā)量大于降雨量,地形因素對(duì)土壤水分再分配的影響特別明顯。山地粗骨質(zhì)紅壤,雖然含水率很低,若分布在海拔1500m以上,土壤仍較潮濕;山地碳酸鹽紅褐土含水率雖然較高,若處于陽(yáng)坡,土壤仍很干燥。上述研究說(shuō)明,在研究金沙江河谷荒山造林的時(shí)候,不僅要注意到不同質(zhì)的土壤含水率的差異,而且還必須考慮到,由于地形條件引起的土壤水分變化,只有這樣,才能做到因地制宜,區(qū)別對(duì)待。可見,干熱河谷植被恢復(fù)除了“適度”林分結(jié)構(gòu)外,還應(yīng)針對(duì)立地條件的差異,考慮不同立地類型生境的土壤水分條件,依靠?jī)?yōu)勢(shì)生活型植物種類,宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草,適地適樹,在不同立地條件的地塊上,營(yíng)建“適度”密度的不同類型人工植被,進(jìn)行灌草叢、稀樹草叢、稀樹灌草叢等植被的“適度”配置,構(gòu)建不同植被與生境條件相協(xié)調(diào)、穩(wěn)定的群落生態(tài)關(guān)系,形成不同植被景觀交錯(cuò)鑲嵌分布的干熱河谷區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定格局。因此,在干熱河谷植被恢復(fù)過(guò)程中,應(yīng)充分考慮區(qū)域空間尺度的不同植被類型“適度”配置,是確立科學(xué)的植被恢復(fù)目標(biāo)、提高植被恢復(fù)與造林成效的關(guān)鍵。5不同植被恢復(fù)的穩(wěn)定性探討(1)過(guò)去北方干旱地區(qū)的樟子松、干熱河谷的云南松、思茅松等造林的教訓(xùn),由于造林密度偏大,將引起土壤水分虧缺,影響固沙林生態(tài)穩(wěn)定性,甚至林木死亡。因此,在干熱河谷地區(qū),大氣水熱條件的不平衡,生境對(duì)植被的支持力較低,植被恢復(fù)要從自然植被演替規(guī)律、土壤水分承載力等方面,參照地帶性和隱域性原生植被的特征,根據(jù)土壤水分承載力與植物水分需求的水分平衡,從林分結(jié)構(gòu)上確定林分生態(tài)穩(wěn)定的“適度”造林密度,適地適樹,宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草,進(jìn)行不同生活型植物類型的合理配置,構(gòu)建干熱河谷的稀樹灌草叢植被,避免進(jìn)入人工造林的林分密度過(guò)大、盲目追求生產(chǎn)力的誤區(qū)。(2)在干熱河谷植被恢復(fù)過(guò)程中,從區(qū)域空間尺度的植被景觀多樣性、立地條件的空間異質(zhì)性方面,進(jìn)行在區(qū)域尺度上不同植被類型的“適度”配置,構(gòu)建不同植被類型與生境條件相協(xié)調(diào)、穩(wěn)定的“板塊鑲嵌”群落配置結(jié)構(gòu),形成干熱河谷區(qū)不同植被景觀交錯(cuò)鑲嵌