田 雨，張春梅，謝 強(qiáng)，王東睿，黃雪菊

(1.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川成都 610041;2.阿壩藏族羌族自治州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川馬爾康 624000)

1 概述

我國(guó)是世界上干旱河谷分布最集中的國(guó)家之一，主要分布于金沙江、怒江、瀾滄江和雅礱江的中、下游，大渡河和元江的中游，岷江上游和嘉陵江上游的白水河等河谷兩岸海拔1 600 m以下的區(qū)域。其范圍主要包含四川和貴州的西北部、西藏西南部和云南部分地區(qū)。干旱河谷通常分為干熱河谷、干暖河谷和干溫河谷3種類型(張榮祖，1992)，干熱河谷是其中生態(tài)環(huán)境最惡劣、植被最難以恢復(fù)的區(qū)域。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)噲D在干熱河谷按照一般林區(qū)造林，通過(guò)人工栽植，短期內(nèi)使稀樹(shù)灌草叢變成森林，雖然不惜一切代價(jià)人工補(bǔ)充水分和養(yǎng)分，在居民點(diǎn)附近可以種植一些樹(shù)木，甚至在一些試驗(yàn)區(qū)、樣板田，在人工澆灌情況下，也可營(yíng)造數(shù)公頃的小片林地，但并沒(méi)有達(dá)到在廣大山丘坡地成林的目的。近年來(lái)，科研工作者加大了干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)的研究力度，試圖找到一種新的技術(shù)來(lái)解決干熱河谷區(qū)的植被恢復(fù)的難題。目前的研究工作主要集中于抗旱機(jī)制和抗旱物種挑選、保水保墑技術(shù)研究、造林模式研究、植被恢復(fù)新技術(shù)研究等方面。

近些年來(lái)，雖然我國(guó)投入了大量資金用于干熱河谷區(qū)的植被恢復(fù)的研究和實(shí)踐，但是效果一直不好，形成了“年年種樹(shù)不見(jiàn)樹(shù)，年年造林不成林”的現(xiàn)狀。究其原因，主要是因?yàn)橐郧暗姆椒ù蠖嗍峭ㄟ^(guò)人工促進(jìn)作用，增加植被的水分供應(yīng)，以滿足植被生長(zhǎng)的水分需求，一旦人工作用消失，而植被還未能適應(yīng)干旱環(huán)境，植被便會(huì)死亡。舉例來(lái)說(shuō)，金沙江干熱河谷種植的多種喬木，在幼苗和幼齡期一般可存活，到成林時(shí)期則因土壤水分和養(yǎng)分不足而相繼死亡。據(jù)20世紀(jì)70年代在云南省元謀縣直播的云南松(Pinus yunnanensis)、思茅松(Pinus langbianensis)觀測(cè)，干熱河谷中種植的松樹(shù)，第6年自然稀疏到1 050株·hm-2～6 750株·hm-2，第8年銳減到450株·hm-2～1 050株·hm-2，直到第18年后還在繼續(xù)減少(費(fèi)世民等，2003)。由此可見(jiàn)，在干熱河谷區(qū)，通過(guò)人為方式外在補(bǔ)充水分來(lái)促進(jìn)植被生長(zhǎng)的造林模式是不可取的。

植被群落具有適應(yīng)環(huán)境和改造環(huán)境的功能，要想在干熱河谷區(qū)取得植被恢復(fù)的成功，就應(yīng)該充分發(fā)揮植被改造環(huán)境的主觀能動(dòng)性。本文就是基于這一基本原理提出了干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)的新思路，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)該思路進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究工作可以為干旱區(qū)植被恢復(fù)和重建提供理論基礎(chǔ)，對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 植被群落的水分自營(yíng)作用

植被群落在適應(yīng)區(qū)域地理環(huán)境和氣候條件的同時(shí)，還具備通過(guò)生命過(guò)程對(duì)所在地的自然環(huán)境進(jìn)行改造的功能。水分作為植被生長(zhǎng)不可或缺的一個(gè)因素，植被群落必然會(huì)通過(guò)自身來(lái)改造水分環(huán)境(水分條件)以滿足自身生長(zhǎng)的需求，我們把植被群落的這種功能叫做植被群落的水分自營(yíng)作用。

2.1.1 冠層對(duì)水分的調(diào)節(jié)作用

(1)冠層反射

植物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化史中形成了一種有利于光合作用的光譜響應(yīng)特性，植物葉面產(chǎn)生出對(duì)有效光合波段(可見(jiàn)光)高吸收(低反射率)和對(duì)無(wú)效光波段(熱紅外)高反射的特征。植物在可見(jiàn)光譜區(qū)(300 nm～600 nm波段)的反射系數(shù)較小(約0.1，與土壤的反射率相當(dāng))，而在近紅外光波段卻存在反射率躍增，即從700 nm的波長(zhǎng)開(kāi)始，植物葉面的反射系數(shù)陡然增大到0.4～0.6，而且無(wú)論植物的種類和枝葉結(jié)構(gòu)如何，都存在這種反射率的躍升，而水體、土壤或巖石則不具有這個(gè)特性。植物光合作用只能利用太陽(yáng)光譜中的高能(短波)部分，低能(紅外)光子達(dá)不到光合作用的量子閾值。而且紅外光還有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，可引起植物體溫升高，呼吸和異化代謝加強(qiáng)，不利于植物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物的積累。植物增大紅外光反射率可有效地避免這種不利作用，獲得最佳光能利用效益。

(2)林冠截留

林冠的截留作用對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水分收入和對(duì)土壤水分的補(bǔ)充有著顯著的影響。通常，截留的水分將用于森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)，減少林地土壤水分損失，提高土壤水分含量。林冠層對(duì)雨水的截留和緩沖作用，會(huì)顯著減少進(jìn)入林地的水量，導(dǎo)致地表徑流減少。

(3)林冠阻抗

林冠的阻抗作用主要體現(xiàn)在氣孔阻抗和邊界層阻滯作用方面。植物根系從土壤吸收水分，經(jīng)導(dǎo)管向上移動(dòng)，在根壓和蒸騰拉力作用下，水分移動(dòng)可達(dá)到樹(shù)梢的葉子。葉子表皮有很多氣孔，這些氣孔在兩個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞之間，水分進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞膨脹，氣孔張開(kāi)，散發(fā)開(kāi)始進(jìn)行。如果水分減少至一定程度，保衛(wèi)細(xì)胞松弛，氣孔關(guān)閉。這會(huì)減少水分的支出。影響氣孔開(kāi)閉的主要因素是光線強(qiáng)弱、葉的水分補(bǔ)給、空氣的溫度、濕度和生物化學(xué)變化。通常，氣孔白天開(kāi)著，夜晚關(guān)閉。溫度小于4.5°C時(shí)，散發(fā)很少。很多的研究結(jié)果表明，在受到外界干旱脅迫時(shí)，植物會(huì)關(guān)閉氣孔，增大水分輸出阻抗，直接減少水分的輸出。

此外，由于林冠邊界粗糙度大，組織層次豐富，林冠還能降低風(fēng)速，阻礙水汽交換，抑制對(duì)流擴(kuò)散，降低林地的水分蒸散發(fā)。

2.1.2 枯落物對(duì)水分的調(diào)節(jié)作用

(1)截留和滯留作用

森林枯枝落葉層具有較大的水分截留能力。Miller(1977)研究表明森林植被和枯落物層都可以貯存1 kg·m-2～3 kg·m-2的降水。各種森林枯落物的最大持水率平均為自身干重的309.54%，林地枯落物層的最大持水量平均為4.18 mm(劉世榮等，1996)。枯落物層對(duì)土壤蓄水量有顯著的影響。枯落物層本身具有良好的吸持水分和涵養(yǎng)水分的性能，在降雨季節(jié)能吸持大量的降水，同時(shí)能將多余的水分緩慢的滲透到地下，增加土壤蓄水能力;在干旱季節(jié)中，可將自身涵養(yǎng)的水分緩慢下滲，增加土壤水分，保持土壤濕度?？萋湮镂盏乃种饕糜诹值氐恼舭l(fā)，如此一來(lái)，林地土壤的蒸發(fā)量會(huì)相對(duì)小于裸地，有利于林地保持土壤濕度。

(2)增加土壤入滲量

當(dāng)降水量超過(guò)枯枝落葉層飽和持水量或降水強(qiáng)度超過(guò)其臨界持水能力又不及入滲土壤時(shí)，林地坡面便產(chǎn)生徑流。徑流流經(jīng)枯枝落葉層時(shí)，受到阻力，流速減小，水分下滲的時(shí)間延長(zhǎng)，土壤入滲量增加，增大了森林生態(tài)系統(tǒng)的可利用水分，這對(duì)改善森林地水分收支平衡十分有利。

(3)抑制土壤蒸發(fā)

覆蓋是一種古老的蓄水保墑措施，在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。枯枝落葉層作為一種自然的覆被，不但能吸收太陽(yáng)輻射，減少林地土壤所受的直接輻射，降低土壤溫度，還能阻滯土壤和大氣間的水汽交換，從而抑制土壤的蒸發(fā)。土壤蒸發(fā)是地氣能量交換中的主要過(guò)程之一，它既是地表能量平衡的組成部分，又是水分平衡的組成部分(孟春雷，2007)。蒸發(fā)作用造成土壤含水量減少，影響植物正常生長(zhǎng)?？萋湮锏拇嬖谟行б种屏肆謨?nèi)土壤蒸發(fā)，保持了林地土壤水分，改善了土壤小環(huán)境條件，提高了水分的利用率。

(4)改善土壤性質(zhì)

枯落物層對(duì)林地土壤的水分物理性質(zhì)也有影響。它能使土壤變疏松，改善土壤溫度，防止土壤嚴(yán)重凍結(jié)。在降雨的過(guò)程中還能起到保護(hù)、過(guò)濾作用，有效地使土壤免受雨水的直接沖擊，同時(shí)還能過(guò)濾出致密的土壤顆粒，防止土壤因?yàn)榇罂紫兜亩氯鴾p弱水分滲透的性能。

2.1.3 植物根系對(duì)水分的影響

植被根系對(duì)水分的調(diào)節(jié)作用主要是通過(guò)改善土壤性能來(lái)間接實(shí)現(xiàn)的。這種調(diào)節(jié)作用是通過(guò)根系對(duì)土壤的固持以及根系對(duì)土壤物理性狀和結(jié)構(gòu)的改善來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在淺層土壤中，林木的側(cè)根組成了連續(xù)的和具有斜向牽引力作用的根網(wǎng)，對(duì)根際土層的強(qiáng)度有重要意義，小直徑的側(cè)根組成的密集根網(wǎng)如同具有斜向抗張強(qiáng)度的張力膜，既加固根際土層，又把下次土壤固持在原有位置(周躍，1999)。林木根系對(duì)土體的固持力主要決定于土壤中根表面積和根的抗拉力的大小。在黃土坡地上，林木根系與土壤間的靜摩擦阻力是決定根系提高土壤抗剪強(qiáng)度增量的主要因素，長(zhǎng)而粗的少量根系與土體間的摩擦阻力遠(yuǎn)大于短而細(xì)的多量根系。許多木本植物的主根直徑粗大，根系深入土層可達(dá)3 m～5 m，對(duì)于穩(wěn)固土體環(huán)境具有很大的積極作用。有的學(xué)者則認(rèn)為土壤抗沖性強(qiáng)度值與小于1 mm徑級(jí)的須根密度關(guān)系最密切，并將土壤剖面中100 cm2截面上小于1 mm須根數(shù)作為有效根系密度的指標(biāo)(余新曉等，2004)。

2.2 基于植被群落水分自營(yíng)作用的植被恢復(fù)技術(shù)

上述分析表明，植被群落的水分自營(yíng)作用是通過(guò)植被自身、下墊面(主要是枯落物)、土壤(物化性質(zhì)、微生物、土壤動(dòng)物)等綜合實(shí)現(xiàn)的(程根偉＆田雨，2013)。要充分發(fā)揮植被的水分自營(yíng)作用，就必須從植被、土壤、下墊面這幾個(gè)方面進(jìn)行改造:

(1)物種選擇:選擇耐旱物種，優(yōu)先選擇本地優(yōu)勢(shì)物種;

(2)土壤改良:一方面需要確定土壤厚度能夠滿足成熟林必需的土壤厚度需求，如土壤厚度不夠，需要采取措施增加土壤厚度;另一方面，需要改善土壤物化性質(zhì)，采用施肥等方式，提高土壤的保水能力;

(3)下墊面改造:植被栽植后，要在土壤表層覆蓋一層枯落物或枯草，起到降低水分蒸發(fā)、增強(qiáng)水分蓄積和改良土壤的作用。

3 實(shí)踐探索

3.1 研究區(qū)域

試驗(yàn)在四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院西蒙得木基地內(nèi)進(jìn)行?；匚挥谖挥谒拇ㄊ錾揭妥遄灾沃菽隙藭?huì)東縣境內(nèi)，總面積66.7 hm2，中心坐標(biāo)為東經(jīng)102°34'39.18″，北緯 26°22'34.25″?；匚挥诮鹕辰蔁岷庸葍?nèi)，干熱少雨，雨季(5月～10月)降水量占年降水總量的90%以上。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 目標(biāo)物種的選擇

會(huì)東基地周圍的優(yōu)勢(shì)植被為西蒙得木、合歡、車桑子和黃茅。其中，西蒙得木(Simmondsia chinensis L.)是一種多年生常綠灌木，原產(chǎn)美國(guó)西南部的加利福尼亞州、新墨西哥州、亞利桑那州和墨西哥北部熱帶沙漠。西蒙得木具有的極強(qiáng)抗旱特性，能在年降雨量?jī)H125 mm的地區(qū)生長(zhǎng)。西蒙得木的根系極其發(fā)達(dá)，主根可深入地下十幾米，是理想的固土固沙的耐旱植物，且其樹(shù)齡可長(zhǎng)達(dá)200年左右，故有“沙漠克星”的譽(yù)稱(徐亮，2006)。在會(huì)東基地，西蒙得木的生長(zhǎng)狀況要好于其物種。因此，本研究選取西蒙得木作為探索試驗(yàn)的目標(biāo)物種。

3.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了探明本文提出的植被恢復(fù)技術(shù)的可行性，設(shè)計(jì)了1 a生西蒙得木幼苗栽植和5 a生西蒙得木苗木移植兩個(gè)試驗(yàn)。

幼苗栽植:栽植試驗(yàn)在會(huì)東西蒙得木基地的一處坡地上進(jìn)行。該坡地坡度約為25°，土壤厚度約10 cm～25 cm。前些年曾進(jìn)行過(guò)西蒙得木的栽種，但最終以失敗告終。原來(lái)的坡地土層較薄，不適合植被的生長(zhǎng)，為了滿足西蒙得木幼苗的生長(zhǎng)需求，需要進(jìn)行坡改梯，坡改梯后土層厚約40 cm。幼苗栽植在7月雨季進(jìn)行。栽種結(jié)束后在土壤表層再覆蓋一層5 cm厚的枯落物層。栽種最初1個(gè)月內(nèi)，補(bǔ)充一定的水分。在后期，不再補(bǔ)充水分。

成林苗移植:移栽試驗(yàn)在會(huì)東西蒙得木基地的一處緩坡地上進(jìn)行。該坡地坡度約為5°～8°，土壤厚度大于80 cm。栽植方法為:在樣地內(nèi)采用塊狀清林后，挖穴60 cm×60 cm×60 cm，將基地內(nèi)10年齡的西蒙得木移栽入穴，施基肥3 kg·穴-1。栽植結(jié)束后在表層覆蓋10 cm的枯落物。

對(duì)照:為了對(duì)比試驗(yàn)效果。在基地內(nèi)選取了一塊坡度約為25°，土壤厚度約20 cm的裸地進(jìn)行了幼苗栽植。栽植前不進(jìn)行土壤改良，栽植后覆蓋3 cm厚的枯落物層。除了栽種最初1個(gè)月內(nèi)補(bǔ)充一定的水分外，不再補(bǔ)充水分。

3.3 試驗(yàn)觀測(cè)

觀測(cè)指標(biāo)主要包括:樣地土壤水分含量和植被生長(zhǎng)狀況。土壤水分用便攜式土壤水分儀測(cè)定;植被的生長(zhǎng)狀況用植被的成活率來(lái)表征。

4 結(jié)果

4.1 土壤水分

觀測(cè)結(jié)果表明，土壤水分含量呈現(xiàn)出移栽西蒙得木林地＞西蒙得木幼苗林地＞裸地的規(guī)律(圖1)。

圖1 裸地、栽植林地和移栽林地的土壤水分含量Fig.1 SWC of bare land，planting woodland and transplanting woodland

4.2 植被成活率

不同處理方式下西蒙得木的成活率有明顯差距。對(duì)照組的西蒙得木成活率逐漸減低，栽植的西蒙得木幼苗在栽植后3個(gè)月內(nèi)成活率稍有下降，然后趨于穩(wěn)定;移栽的西蒙得木則完全成活(圖2)。

圖2 植被的成活率隨栽植時(shí)間的變化Fig.2 The survival rate of vegetation in bare land，planting woodland and transplanting woodland

5 討論

在干熱河谷區(qū)，水分是制約植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。要解決水分虧損的難題，一方面要增加水分供給，另一方面則需要減少水分的無(wú)效消耗。人工澆灌是增加水分供給的最直接的方式，然而，一旦停止供給，植被則會(huì)因?yàn)闊o(wú)法克服干旱環(huán)境而死亡。因此，人工灌溉的方式只能短期的解決水分虧損問(wèn)題，不能從根本上解決問(wèn)題從而達(dá)到植被恢復(fù)的效果。

植被具有改造和適應(yīng)環(huán)境的本能，能發(fā)揮自身的能動(dòng)性調(diào)節(jié)水分，達(dá)到增加水分供給、減少無(wú)效水分消耗、高效利用水分以滿足自身生長(zhǎng)的目的。植物調(diào)節(jié)水分的功能除了自身以外，還受外界環(huán)境的影響。土壤和下墊面(主要是枯落物層)是影響這種調(diào)節(jié)作用發(fā)揮最關(guān)鍵的因素。

本文從土壤改良和表層枯落物覆蓋兩個(gè)方面著手，為西蒙得木的生存營(yíng)造了良好的生存條件，使其能充分發(fā)揮“自營(yíng)”水分的功能，從而克服干旱環(huán)境而得以成活。研究結(jié)果表明，經(jīng)改造后，無(wú)論是西蒙得木幼苗栽植還是5 a齡成熟苗移栽都能取得良好的效果。

6 結(jié)論

本文基于植被群落的水分自營(yíng)作用原理提出了干熱河谷植被恢復(fù)的技術(shù)方法:充分利用植被改造環(huán)境和適應(yīng)環(huán)境的本能，在物種遴選的基礎(chǔ)上，側(cè)重從土壤改良和下墊面營(yíng)造兩個(gè)方面著手，為植被的生存營(yíng)造適當(dāng)?shù)纳鏃l件，使其能充分發(fā)揮“自營(yíng)”水分的功能，從而克服干旱環(huán)境而得以成活。結(jié)果表明，本文提出的干熱河谷植被恢復(fù)新技術(shù)可行。

［1］費(fèi)世民，王鵬，陳秀明，等.論干熱河谷植被恢復(fù)過(guò)程中的適度造林技術(shù)［J］.四川林業(yè)科技，2003，24(3):10～16.

［2］劉世榮，溫遠(yuǎn)光，王兵，等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1996.

［3］孟春雷.土壤蒸發(fā)及水熱傳輸研究綜述［J］.土壤通報(bào)，2007，38(2):374～378.

［4］徐亮.西蒙得木對(duì)金沙江干熱河谷生態(tài)保護(hù)的作用［J］.資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2006，22(5):452～453，463

［5］余新曉，張志強(qiáng)，陳麗華，等.森林生態(tài)水文［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2004.

［6］張榮祖.橫斷山區(qū)干旱河谷［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.

［7］鐘祥浩.干熱干旱河谷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化及恢復(fù)與重建途徑［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2000，9(3):376～383.

［8］周躍.喬木側(cè)根對(duì)土體的斜向牽引效應(yīng):I原理和數(shù)學(xué)模型［J］.山地學(xué)報(bào)，1999，17(1):4～9.