張應(yīng)豐

(青海省林業(yè)工程咨詢(xún)中心，西寧 810007)

祁連山地位于青海省東北部，地處黃土高原向青藏高原過(guò)渡地帶，生態(tài)位置重要、生態(tài)環(huán)境脆弱，是國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)建設(shè)區(qū)[1]。治理恢復(fù)黃土丘陵區(qū)坡耕地水土侵蝕的根本舉措是退耕還林，白樺(Betulaplatyphyllasuk.)和青海云杉(Piceacrassifoliakom.)是祁連山地退耕還林的優(yōu)選鄉(xiāng)土樹(shù)種。研究祁連山地不同退耕還林模式的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)及其效益評(píng)價(jià)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 內(nèi)容和方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省祁連山地處于37°21′—39°52′N(xiāo),98°52′—101°04′E間，海拔1 650～4 898 m，地貌以山地為主，屬于高原半干旱大陸性氣候，具有高寒旱的特點(diǎn)，多年平均氣溫0.3～7.9 ℃、降水量287.4～412.7 mm(集中在6—9月)、蒸發(fā)量1 312.5～1807.2 mm，以栗鈣土為主。祁連山地水土流失比較嚴(yán)重，是退耕還林的集中分布區(qū)，主要喬木造林樹(shù)種有青海云杉、樺樹(shù)、祁連圓柏，主要灌木造林樹(shù)種有沙棘、檸條、高山柳等，隨著退耕還林工程的實(shí)施，祁連山地水土流失狀況有所控制和好轉(zhuǎn)。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

以2000年實(shí)施退耕還林且規(guī)模面積較大的祁連縣默勒鎮(zhèn)為研究對(duì)象，以還喬木林為主，主要模式有青海云杉、白樺純林，及青海云杉+白樺混交林(帶狀混交，5云5樺)3種，樣地信息詳見(jiàn)表1。前一年水平魚(yú)鱗坑整地，2 a實(shí)生苗春季造林，造林規(guī)格2 m×3 m，造林密度1 668株/hm2，以同期撂荒地為對(duì)照。

表1 不同退耕還林模式樣地信息樣地類(lèi)別樣地編號(hào)海拔/m坡度/(°)坡位青海云杉+白樺TGHL-12 85427中白樺TGHL-22 82927中下青海云杉TGHL-32 80727中上撂荒地CK2 76927下樹(shù)高/m胸徑/cm郁閉度植被蓋度/%土壤類(lèi)型9.867.520.680.92栗鈣土9.577.160.620.84栗鈣土8.246.830.570.76栗鈣土0.35栗鈣土

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，通過(guò)野外采樣、定點(diǎn)觀(guān)測(cè)和室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，分析不同退耕還林模式生態(tài)功能效應(yīng)。遵循代表性、可達(dá)性原則，按照20 m×20 m布設(shè)樣地。①選擇2017年9月上旬一個(gè)天氣晴朗日子，同步測(cè)定下午14:00不同植被類(lèi)型負(fù)氧離子數(shù)量及其壽命長(zhǎng)短，每次3個(gè)重復(fù)，取平均值。②同天同步測(cè)定日間不同植被類(lèi)型林下土壤地表溫度，08:00—18:00每隔2 h測(cè)1次，每次3個(gè)重復(fù)，取平均值。③樣地中蛇形法采集土樣；按照0～19 cm，20～39 cm，40～60 cm 3個(gè)層次采集土壤剖面環(huán)刀樣(100 cm3)；各層混合均勻后取綜合樣，進(jìn)行理化指標(biāo)測(cè)定分析。

投影法觀(guān)察植被蓋度，測(cè)高儀測(cè)定樹(shù)高，卷尺測(cè)定胸徑，環(huán)刀法測(cè)量容重和孔隙度，重鉻酸鉀法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，曲管地溫表法測(cè)定土壤溫度，便攜式負(fù)氧離子快速測(cè)定儀測(cè)定負(fù)氧離子數(shù)量及壽命，便攜式PM2.5快速測(cè)定儀測(cè)定PM2.5含量，3次重復(fù)，取平均值[2]

2 結(jié)果與分析

2.1 凈化大氣效應(yīng)

由表2可知相同退耕還林年限的青海云杉、白樺、青海云杉+白樺林負(fù)氧離子濃度分別是對(duì)照撂荒地的1.71～1.99倍，平均1.86倍；負(fù)氧離子壽命分別是撂荒地的1.81～2.10倍，平均1.96倍；PM2.5濃度分別是撂荒地的0.58～0.72倍，平均0.65倍；負(fù)氧離子濃度及其壽命由高到低順序?yàn)椋呵嗪Ｔ粕?白樺>白樺>青海云杉>撂荒地，PM2.5濃度由高到低順序?yàn)椋毫袒牡?青海云杉>白樺>青海云杉+白樺。

表2 不同退耕還林模式負(fù)氧離子濃度及其壽命樣地編號(hào)負(fù)氧離子濃度/(個(gè)/cm3)負(fù)氧離子壽命/minPM2.5/(μg/m3)TGHL-13 10817.5636.27TGHL-22 91316.4840.38TGHL-32 67515.1245.04CK1 5628.3762.19

由表2知不同退耕還林模式生長(zhǎng)狀況與森林生態(tài)系統(tǒng)凈化大氣功能正向相關(guān)，針闊混交林較闊葉林、針葉林的樹(shù)冠較大、樹(shù)高較高、枝繁葉茂，在自然界高氣壓、多輻射、強(qiáng)雷電沖擊下的放電量較多，形成的小粒徑空氣負(fù)氧離子不僅數(shù)量多而且保存壽命也長(zhǎng)，能有效吸附降解空氣中的有害氣體及顆粒污染物[3]。闊葉林相比針葉林葉面積較大，有效光合速率較大，釋放的負(fù)氧離子就多一些，而對(duì)照撂荒地最少。

2.2 改良土壤效應(yīng)

由表3知，相同退耕還林年限的青海云杉、白樺、青海云杉+白樺林土壤容重分別是對(duì)照撂荒地的0.78～0.81倍，平均為0.80倍；總孔隙度分別是撂荒地的1.21～1.26倍，平均1.24倍；非毛管孔隙度分別是對(duì)照撂荒地的1.32～1.53倍，平均1.43倍；有機(jī)質(zhì)含量分別是對(duì)照撂荒地的1.31～1.52倍，平均1.42倍，改良土壤效應(yīng)由高到低順序?yàn)椋呵嗪Ｔ粕?白樺>白樺>青海云杉>撂荒地。

表3 不同退耕還林模式土壤理化性質(zhì)指標(biāo)樣地編號(hào)容重/(g/cm3)毛管空隙度/ %非毛管空隙度/%總孔隙度/%有機(jī)質(zhì)/%TGHL-11.29 47.69 8.04 55.73 3.29TGHL-21.32 47.387.6154.99 3.05 TGHL-31.34 46.526.9353.45 2.84CK1.6539.065.25 44.31 2.16

土壤是由固體土粒和粒間孔隙組成的復(fù)雜多孔體，植被與土壤耦合效應(yīng)使得土壤特性的時(shí)空變異性明顯[4]。植被根系的纏繞固結(jié)作用鞏固了土壤的多孔式結(jié)構(gòu)，枯落物層的覆蓋保護(hù)作用避免了遭受雨滴擊濺而導(dǎo)致的水土流失。容重的減少意味著孔隙度的增加，改善了土壤的滲透性和蓄水性，利于植被養(yǎng)分的調(diào)節(jié)和植物根系的伸展[5]?？偪紫抖鹊脑黾佑绕涫菦Q定土壤蓄水滲透效能的非毛管孔隙度的增加，地表徑流將有效轉(zhuǎn)化為地下徑流。有機(jī)質(zhì)是土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒的主要膠結(jié)劑，直接來(lái)源于土壤中動(dòng)植物殘?bào)w、根系分泌物及枯落物的分解釋放。植物正向演替促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，使得土壤表層有機(jī)質(zhì)富集明顯，保障了植被恢復(fù)重建的基礎(chǔ)。

2.3 改善小氣候效應(yīng)

由表4知相同退耕還林年限的青海云杉、白樺、青海云杉+白樺林土壤表層日較差分別是對(duì)照撂荒地的0.95～0.97倍，平均為0.96倍；緩解日較差效應(yīng)由高到低順序?yàn)椋呵嗪Ｔ粕?白樺>白樺>青海云杉>撂荒地。

表4 不同退耕還林模式小氣候效應(yīng)℃樣地編號(hào)不同時(shí)間的溫度08:0010:0012:0014:0016:0018:00平均溫度最高溫度最低溫度日較差TGHL-118.97 23.56 27.83 28.74 28.72 22.75 25.10 28.74 18.97 9.77 TGHL-220.10 25.77 28.52 29.93 27.64 20.04 25.33 29.93 20.10 9.83 TGHL-320.31 25.48 28.76 30.27 26.13 21.59 25.42 30.27 20.31 9.96CK20.62 27.21 30.82 30.89 25.28 18.49 25.55 30.89 20.62 10.27

退耕還林(草)增加了地面植被覆蓋度和保護(hù)膜，削弱了空氣下墊層土壤—植被—大氣連續(xù)體的水熱交換作用，使得局部近地層的能量分配發(fā)生了一定程度變化，形成局地微氣候效應(yīng)，緩解了日溫極差變化，通過(guò)降低最高溫度和減小日較差來(lái)實(shí)現(xiàn)，使日間升溫緩慢、晚間降溫緩慢[6]。植被恢復(fù)能明顯改善局地小氣候，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建，小氣候又能為植被恢復(fù)及其種類(lèi)演替提供良好生境，縮短生態(tài)修復(fù)進(jìn)程。

3 討論

由于受試驗(yàn)條件、技術(shù)力量及監(jiān)測(cè)手段等因素限制影響，本試驗(yàn)僅在局部范圍內(nèi)的有限樣本和部分指標(biāo)測(cè)定條件下，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，研究了相同退耕還林年限的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能效應(yīng)，所得結(jié)論有一定程度的參考價(jià)值，但仍存在局限性。森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能包含水、土、生、氣等多方面內(nèi)容，諸多因素間還存在著復(fù)雜相關(guān)性和隨機(jī)耦合性，至今仍無(wú)法對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)每項(xiàng)服務(wù)功能進(jìn)行從定性描述到定量測(cè)算的準(zhǔn)確評(píng)判，為進(jìn)一步研究森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的過(guò)程確定性、尺度效應(yīng)性和時(shí)空差異性，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)的全面定位觀(guān)測(cè)[7]。退耕還林(草)工程是地處生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的祁連山地生態(tài)恢復(fù)與重建的關(guān)鍵切入點(diǎn)和根本性措施，生態(tài)建設(shè)只有與生態(tài)修復(fù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，才能徹底扭轉(zhuǎn)和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題。本著先局部后區(qū)域、先重點(diǎn)后全局的思路，既要考慮國(guó)家對(duì)生態(tài)的需求，又要兼顧群眾對(duì)利益的要求，堅(jiān)持適地與適樹(shù)相結(jié)合、保護(hù)與重建相結(jié)合、短期與長(zhǎng)期相結(jié)合的原則，有效保護(hù)現(xiàn)有森林資源的同時(shí)，適度開(kāi)展中幼林撫育和林中空地補(bǔ)植補(bǔ)栽，積極探索適合于祁連山地自然條件的造林模式及造林技術(shù)，合理配置喬灌草和網(wǎng)帶片，以異齡混交復(fù)層林為終極演替發(fā)展目標(biāo)，栽闊是縮短森林演替過(guò)程和提高林分穩(wěn)定性的重要手段，而促針是快速恢復(fù)地帶性頂極森林的可靠保證。