元谋干热河谷人工促进植被恢复技术研究

元谋干热河谷人工促进植被恢复技术研究_干热河谷植被恢复

元谋干热河谷人工促进植被恢复技术研究

刘广福¹，高文学²，李 昆¹

（1中国林业科学研究院资源昆虫研究所，国家林业局元谋荒漠生态系统定位观测站 昆明，650224；2云南省楚雄州林科所, 云南楚雄, 675000）

摘要：元谋干热河谷在金沙江流域最具典型性，水土流失严重，植被严重退化。本文从人工直播山毛豆促进植被恢复的效果及其群落动态，人工改良林地地表促进余甘子天然次生林更新及其效果，四种人工恢复植被（赤桉与新银合欢混交林、赤桉纯林、新银合欢纯林和印楝纯林）的物种组成、多样性及林地生产力状况等三个方面研究人工促进干热河谷植被恢复技术。结果表明：人工直播山毛豆造林8年后的植被平均高度年平均增长32.5厘米，生物量年平均增长93.1kg/亩；人工改良林地地表的措施显著促进余甘子天然次生林更新，种子发芽数、幼苗形成数和幼苗保存数分别提高了10.6、3和2倍；赤桉与新银合欢混交林以及新银合欢纯林的生物量结构是比较合理的；从物种组成及其生物多样性考虑，赤桉与新银合欢混交林以及印楝纯林的效果较好。

关键词：干热河谷；植被恢复；人工促进；元谋

元谋干热河谷位于金沙江一级支流——龙川江河谷下段，旱湿季分明，干热少雨，土壤为燥红壤，水土流失严重，“土林”大面积发育。随着社会的迅速发展，干热河谷地区人口剧增、资源匮乏、生态环境恶化，急需创造一个有益于人们生产、生活的良好环境。同时，在当前植被恢复和生态环境建设中，严重退化次生植被改造和恢复是一个重要方面。在封山育林、人工促进恢复和人工重建等三个植被恢复和生态治理的主要途径中，根据具体情况和条件，采取人工促进植被恢复是一条快速、经济且便捷的有效技术途径。

为了促进元谋干热河谷地区荒山植被恢复，从20世纪60年代起植树种草，恶劣条件极大地限制了适生树种的选择，早期营造的针叶林树种过于单一，未能充分适地适树，因而生态系统稳定性极低，至20世纪80年代已不复存在[1]。因而随后建造的人工植被大量选用了赤桉（Eucalyptus camaldulensis）、新银合欢（Leucaena leucocephala）和印楝（Azadirachta indica）等根系分布深、抗旱强的外来树种。本研究对人工促进干热河谷植被恢复技术进行研究，以评价不同的人工措施在促进植被恢复过程中的效果，探讨干热河谷植被恢复的机制，为干热河谷的生态环境治理提供科学依据。

1.1 研究地区自然概况

云南元谋县位于101°35′～101°06′E、25°23′～26°06′N，属于南亚热带季风干热气候区，是干热河谷的典型代表。该区域气候炎热干燥，光热资源充足，干湿季节分明，年均温21.9°，年降水量630.7mm，雨季（6-10月）降水量占全年的90%以上，年蒸发量约为3 426.3mm，年干燥度高达4.4^[2]。地貌类型多样，中部为盆地，东、西、南、北部均为山地。1 350m以下地区（干热河谷）土壤类型主要为燥红壤，有少量的水稻土和紫色土，其中燥红土呈现严重的变性化。干热河谷水土流失严重，土林林立，山崩、塌方、滑坡等自然灾害发生频繁，生态环境恶劣。研究区域内除了水土流失十分严重、寸草不生、土壤裸露的破箐烂沟外，还有植被严重退化以后形成的以天然次生植被。以扭黄茅、菅草（Equisetum delile）、芸香草（Cymbopogon distans）、龙须草（Eulaliopsis binata）等旱生禾草植物为优势种，在此背景下散生着硬叶、卷叶、厚叶、多刺、多毛等耐旱的小灌木树种，如车桑子（Dodonaea viscosa）、余甘子（Phyllanthus emblica）、华西小石积（Osteomeles schwerinae）、西南亢子梢（Campylotropis delarayi）、苦刺（Sophora vioiifolia），另外有少量的黄荆（Vitex negundo）、锥连栎（Quercus franchetii）、清香木（Pistacia ucinmannifolia）、滇刺枣（Zizyphus mauritiana）等树种，并由上述物种组成稀树灌草丛植被。但是，分布其中的灌木或乔木树种大多数植株生长矮小，平均株高约2～3m，树干多弯曲，分枝纤细，树冠紧凑呈园形或伞状，旱季完全落叶或绝大多数叶片掉落。

2 研究方法

2.1 野外调查

2001年5月，选取元谋县林业局大哨林场纳入天然林保护区的植被退化严重的林地进行了人工直播山毛豆试验。在试验地内，实施小样块整地，每亩直播山毛豆种子3kg，山毛豆平均株行距2m×2m。另外，选取周围的同样大小的样地作为对照样地。样地设置为试验地和对照样地各3个，每个大小为100㎡。在两种样地中，于2001年5月和2009年12月分别开展2次调查，调查内容为土壤有机质含量、覆盖度、主要物种、林地生物量、植被的高度、乔木树种的地径、灌木丛数等。

2005年以来在元谋老城乡和物茂乡选择余甘子集中分布、保存较完好的3片天然次生林进行人工改良林地地表促进余甘子的更新研究。样地设置为试验地和对照样地各9个，每个大小为400㎡。在实验林内通过除草松土，同时增加林地的地表枯枝落叶来人工改良地表，以提高余甘子种子的萌发率和幼苗保存率。根据典型随机的原则，在每片余甘子林地的山坡中、下部开花结实植株多的地块，设置20m×20m样地3个，每个样地分上、中、下3带各均匀设置2m×2m的小样方3个。在小样方内进行落果数量和种子散布、发芽和保存情况调查。调查期为2005年1月至2007年4月。1月底2月初调查样方内的果实数量，3月中、下旬调查种子散布情况，6月下旬调查种子发芽情况，翌年4月调查幼苗保存情况。

以三个引进的树种——赤桉、新银合欢、印楝以不同的配置方式人工恢复的植被及天然次生植被林（坡柳—扭黄茅灌草丛）相对照，来研究人工促进恢复植被产生的变化及其特征。本研究选取14年林龄的赤桉纯林、14年林龄的新银合欢纯林、7年林龄的印楝纯林、14年林龄的赤桉与新银合欢混交林和封禁14年后的天然次生植被（坡柳-扭黄茅灌草丛）等5类群落类型为研究对象，调查每种群落类型的物种组成、平均树高、平均胸径，乔木层、灌木层、草本层和枯落物层的生物量。

2.2 数据处理

生物量以植物的干重表示。余甘子的落果数量、地表种子数量、发芽数及其幼苗数量等指标用平均值±标准差表示。四种人工恢复植被与天然林次生植被之间物种相似程度用Sørensen相似性系数(Sørensen, C_s)表示。C_s=2a/(S₁+S₂)，式中a为两个群落的共有种，S₁和S₂分别为群落1和群落2的物种数[3]。四种人工恢复植被与天然林次生植被之间多样性差异用Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和Alatato均与度在指数表示。文中所有数据均利用spss16.0进行统计分析。本文中的植物名称均参照《中国植物志》[4]。

3 结果与分析

3.1 人工直播山毛豆促进植被恢复的效果及其群落动态

人工直播山毛豆造林后的植被恢复结果，最显著的特点就是植被平均高和单位面积生物量增长较大。植被平均高度年平均增长32.5cm，为原来的5.3倍；生物量年平均增长93.1kg/亩，为原来的12.5倍；土壤有机质含量为造林前的2.2倍（表1）。人工直播山毛豆的投入成本也相对较低。直播山毛豆种子每亩3kg，种子费折价每亩9元。松土整地及播种人工费每亩1个工，折价30元/亩；护林费2元/亩·年，除了最初的种子费用外，合计每年合计投入41元/亩。资金投入较少，而经过8年恢复产生效果比较明显，可以逐步恢复起以山毛豆和坡柳等灌木层为主的灌木草丛植被。山毛豆在元谋干热河谷的弱点就是寿命比较短，一般都要通过人工直播或育苗造林才能取得成功，对其自然更新所需要的环境条件等有待进一步研究。另外，每年山毛豆林下枯枝落叶多，在冬春季节易引发火灾，从而危及山毛豆林地。

表1.　人工直播山毛豆促进植被恢复的效果及其群落动态　　单位：亩

注：样地面积100m，共调查3块样地，以上数据为3块样地的平均值。表2、3亦同。

3.2 人工改良林地地表促进余甘子天然次生林更新的效果

在未处理的余甘子天然林中，每个样方平均有种子17粒/个，其中仅5粒萌发，到雨季结束时成苗2株，到翌年旱季结束幼苗平均保存1株（表2）。从2月初余甘子种子脱落到4月底，经过高温干旱的恶劣天气影响，种子的生活力降至56%左右，进入雨季后（6月份）种子萌芽率仅为29%。因此，欲要提高余甘子林地的更新效果，必须防止种子裸露和暴晒，而最好的办法就是提高林地覆盖度和让种子落入疏松的土壤中。

表2　人工改良促进余甘子样地天然更新情况调查结果

注：表中数值为平均值±标准差

通过增加林地地表的枯枝落叶和进行林地除草松土，试验林内余甘子林地种子密度达167粒/20㎡，到6月底共有53粒种子发芽，到10月底雨季结束时平均有幼苗6株，至翌年6月幼苗平均保存2株，保存率为3.8%（表2）。通过采取提高林地覆盖率、松土除草、集水保水等人工辅助措施，尤其是在3月中旬至4月上旬实施林地松土，使余甘子种子被弹出落地后能掉落到疏松的土壤中，防止种子直接暴露于高温干旱的环境下，有效保持了种子生活力和发芽力，并为种子发芽和幼苗生长提供良好的环境条件。

3.3 四种人工恢复植被与天然林次生植被的物种组成、多样性及林地生产力状况比较

3.3.1 四种人工恢复植被与天然林次生植被的物种组成比较

四种类型的人工恢复植被之间，及它们与天然次生林之间的物种组成差异较大（表3）。天然次生植被（坡柳－扭黄茅灌草丛）的物种组成最丰富，有14个科共28种植物；新银合欢纯林的物种组成最简单，只有5个科共8种植物；其它人工恢复植被的物种数在16～22种之间。对各类型植被的相似性分析表明，三类纯林（赤桉纯林、新银合欢纯林和印楝纯林）之间，以及新银合欢纯林与天然次生植被之间的相似性都小于0.25，属极不相似；其他各类型植被之间的群落相似性系数均在0.25～0.50之间，为中等不相似。赤桉与新银合欢混交林与新银合欢纯林，以及与赤桉纯林之间的相似性指数相对较高，而且数值比较接近，分别为0.500和0.462，充分反映出两类纯林与混交林在树种方面的渊源关系。新银合欢纯林与天然次生植被之间毫无树种关系，并且林地环境也有极大差异，使得两类植被间的群落相似性最小，其相似系数只有0.091。

表3　各植被类型之间相似性系数的比较

3.3.2 四种人工恢复植被与天然林次生植被的物种多样性比较

从四种人工恢复植被与天然次生植被样地的物种多样性比较可以看出，各类人工恢复植被的Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数存在较大差异（图1A、图1B）。各类植被的Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数，所反映出的它们之间的物种多样性和丰富程度是一致的，即均为印楝纯林＞坡柳—扭黄茅灌草丛＞赤桉纯林＞赤桉与新银合欢混交林＞新银合欢纯林。

从四种人工恢复植被与天然次生植被样地的物种多样性比较可以看出，各类人工植被的Alatato均匀度指数方面差异不明显（图1C）。新银合欢纯林与天然次生植被比较相似，两者的Alatato均匀度指数为70%左右，而赤桉纯林、赤桉与新银欢混交林和印楝纯林之间的Alatato均匀度指数大致相同（不到60%），其中，印楝纯林的均匀度指数稍低于前二者的均匀度指数。

图1　四种人工恢复植被与天然次生植被的多样性指数(A)、丰富度指数(B)和均匀度指数(C)比较

3.3.3 四种人工恢复植被与天然林次生植被的林地生产力状况比较

表4　四种人工恢复植被与天然次生植被生物量分配状况（t/hm²）

注：生物量单位为（t/hm）；总计中括号内数值为各部分的百分比；坡柳-扭黄茅为造林试验区封禁14年后的天然次生灌草丛；平均树高为植被平均高度。

四种人工恢复植被及天然次生植被（坡柳－扭黄茅灌草丛），在地上部分总生物量以及各层生物量之间均存在较大差异（表4）。从地上部分的生物质总量来看，各人工植被类型的生物量大小依次为：赤桉与新银合欢混交林（44.91 t/ hm²）＞新银合欢纯林（39.91 t/ hm²）＞赤桉纯林（38.57 t/ hm²）＞印楝纯林（13.06 t/ hm²），分别是天然次生植被的总生物量的4.8倍、4.1倍、4.3倍和1.4倍。通过引进树种和人工恢复途径，极大提高了干热河谷退化土地生产力，使人工恢复植被具有比较高的生物产量。

从各层植被生物量分配来看，四种人工植被类型的生物量主要集中在乔木层，分别占赤桉与新银合欢混交林、赤桉纯林、新银合欢纯林和印楝纯林生物总量的98%、99.53%、97.41%和84.46%。造林时间较短的印楝纯林内缺乏灌木树种；造林密度大或树冠郁闭度大的人工恢复植被内，灌木树种也比较少。乔木层生物量的差异是造成整个人工恢复植被生物量差异的关键因素。灌木层、草本层和枯落物层的总生物量很小(9.35 t/hm²)，远远低于天然次生植被；其中，赤桉与新银合欢混交林、赤桉纯林、新银合欢纯林和印楝纯林内除乔木层以外的地上生物量分别仅有0.89 t/hm²、0.18 t/hm²、1.18 t/hm²和2.03 t/hm²，仅占各自植被生物总量的2.00%、0.47%、2.59%、15.54%。

4 讨论

人工直播山毛豆促进植被恢复的效果比较明显。本研究结果显示，经过8年的恢复，人工直播山毛豆的林地土壤有机质、林地覆盖度均明显增加，生物量的年平均增长量为对照林的6.5倍。人工直播山毛豆的方法对于改善扭黄茅与车桑子灌草丛植被的环境条件具有较好的作用。但是，由于山毛豆的寿命比较短，且由于该林地下枯枝落叶多易引发火灾，难以形成稳定的植被类型。刘文耀等[5]研究认为，山毛豆生长速度快，2～3a就能基本覆盖山地，生物量也比原有植被增加5～10倍，枯枝落叶量也很高，加之它具有固氮肥土作用，对于改善退化山地的水肥条件有明显的作用。刘娟等[6]认为山毛豆灌丛下每年有大量的枯枝落叶，短期内可改变地表层水肥条件，截留降雨，是优良的先锋树种，适种于大部分立地类型。可见，在干热河谷植被恢复的早期阶段，采用人工直播山毛豆的措施是比较经济而快捷的。

余甘子种子萌发率和幼苗保存率在干热河谷生境中非常低。李昆等[7]研究认为，随着高温干旱处理时间的延长，余甘子种子的膜保护酶系统活力降低和保护性物质含量减少是造成种子活力下降的主要因素，高温干旱是制约余甘子种子在干热河谷地区天然更新的关键因素。干热河谷的旱湿季节非常明显，旱季高温干旱，时间持续长达7个月之久。整个旱季期间，降水量仅占全年总降水量的10%左右。即使雨季来临，间歇性干旱也频繁发生，少则10天，多则30天。余甘子种子通常雨后立即吸涨萌发，如遇间歇性干旱，刚萌发的胚根会很快干枯。落在“光板地”上萌发的种子，成苗与存活几乎是不可能的。个别落在枯枝落叶或石缝中的种子，即便萌发后未立即遭受恶劣环境的影响，但由于土壤板结，幼根很难迅速扎入深层土壤，以吸收足够的水分和养分，幼苗难以正常生长发育，因而也很难保证其成活率和保存率。动物取食或病原菌侵害、人为干扰、种子休眠特特性和生境是影响植物种子天然更新的四大因素[8-11]。在元谋干热河谷有仓鼠科、鹿科、兔科等一些动物会取食余甘子果实和种子，余甘子种子无明显的休眠特性。Prasad等[12]报道，在印度经常采摘余甘子果实的林地，平均有幼苗（20±2）株；过度利用林地则只有（2.2±1.5）株。因此，应该从避免人为干扰及改善生境条件两个方面来促进余甘子的天然更新。本研究通过松土除草、增加林地地表的枯枝落叶等措施，使得余甘子的种子在落入地表以后可以避免高强度的高温，有更多的机会保存其活力，遇到合适的条件，更有利于其萌发和成活。余甘子作为干热河谷地区的乡土树种，其天然更新能力的提高，对于干热河谷植被恢复具有重要的促进作用。

四种人工恢复植被之间及它们与天然次生林之间，在物种组成、多样性和林地生产力等方面存在差异。由于不同的立地条件、不同的树种和不同的恢复途径与技术措施等，都将影响林下植物种类及其数量分布。物种组成上的差异恰恰反映了不同树种及其植被的生物多样性，人工恢复植被相对于周围环境来讲已发生了较大改变，表现出不同类型的人工植被具有各自不同的林下物种组成。有研究表明，植被恢复20年以后，阳性树种的衰退逐渐表现出来，50～60年时，林下的阳性树种将基本消失，取而代之的是适应林下环境的阴性树种。目前元谋干热河谷选用的人工恢复植被物种，尚未表现出这种趋势，可能需要相对更长的恢复时间才可能发生这种转变趋势。生物多样性和群落生物量是衡量植物群落结构与功能的重要指标。生物多样性是维持生态系统持续生产力的基础，生物多样性的提高有利于增强生态系统的稳定性[13]。植物群落生物量是研究森林物质生产和群落养分动态的基础，是反映群落结构与功能的主要标志之一[14]。新银合欢纯林的物种多样性和丰富度最低；印楝纯林物种多样性和丰富度最高，但总的生物量在四种人工林中却最低；赤桉纯林的物种多样性及其丰富度在四种人工植被中处于中等水平，但其林下植被生物量却处于最低水平；赤桉与新银合欢混交林的生物量最高，物种多样性和丰富度介于两种纯林之间。赤桉植株比较高大，树冠稀疏，林地易为一年生的阳性草本植物入侵，但由于树冠稀疏，枝叶下垂，截留降雨的作用微弱，林地表土流失和干旱板结，又限制了这些入侵草本植物的大量繁殖生长，形成了林下物种多样性和丰富度较高，而林下植被生物量却很低的状况。与此相反，新银合欢纯林内天然更新起来了许多不同林龄的幼苗、幼树，形成了类似于天然林的茂密的异龄林，植被覆盖率高，雨季林地内较为阴暗潮湿，热带性（或热带起源）耐干旱的乡土灌草植物种类很难侵入，也很难与数量众多的新银合欢幼苗、幼树竞争比较阴湿的林地营养空间，这些原因造成了林下植被层生物量较高，但林地物种多样性和丰富度却又很低。金沙江干热河谷利用引进树种人工恢复的植被，就林下植被生物量及其在群落总生物量中的比例而言，赤桉与新银合欢混交林以及新银合欢纯林的生物量结构是比较合理的；从物种组成及多样性考虑，赤桉与新银合欢混交林以及印楝纯林的效果较好。

人工恢复植被的实质和目的，就是启动植被的自我更新和自我维护潜能。在干热河谷植被严重退化区，利用引进的乔灌木树种人工启动恢复植被，使曾经物种组成简单，植被稀少，土壤大面积裸露、水土流失严重的“光板地”，恢复成为植株生长良好，具有一定层次结构的人工植被。就目前的情况看，人工植被的林下物种的多样性和丰富度不如天然次生植被，但具有更大的生物量及其由此产生的巨大环境改良作用。有许多研究表明，干热河谷植被恢复的先锋树种主要是引进树种，它们在干热河谷植被恢复、水土保持、土壤改良、改善生态环境、生态防护及其提供丰富林产品资源等方面发挥了重要作用。以后需要进一步加强引进树种的生态适应性及不同造林方式的研究，因地制宜地提出树种配置的理想模式和经营措施，为进一步促进干热河谷地区的植被恢复提供科学的依据。

参考文献

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Study on vegetation restoration through plantation technology in Yuanmou dry-hot valley of Yunnan, China

LIU Guang-fu¹,　GAO Wen-xue²,　LI Kun¹

(1 Desert Ecosystem Station in Yuanmou County, State Forestry Administration of China, Research Institute of Resources Insects, CAF, Kunming 650224； 2 Academy of Forestry of Chuxiong Prefecture, Chuxiong 675000, Yunnan, China)

Abstract: Yuanmou dry-hot valley is the representation of its type distributed in Jinshajiang River drainage area. Our objective was to study the vegetation restoration through plantation technology in Yuanmou dry-hot valley. Three kinds of experiments, seeding Tephrosia candida directly in the land, improving the woodland surface to enhance Phylahus enbilca natural regeneration, and building four types of plantations (the mixed forest of Eucalyptus camaldulensis × Leucaena leucocephala, Leucaena leucocephala forest, Azadirachta indica forest, Eucalyptus camaldulensis forest ) were designed respectively to study and analyze their vegetation restoration effects. The results showed that three kinds of artificial measures were all effective. In the four types of plantations, considering community biomass, the mixed forest of Eucalyptus camaldulensis × Leucaena leucocephala, and Leucaena leucocephala forest were better；in view of biodiversity, the mixed forest of Eucalyptus camaldulensis and Leucaena leucocephala, and Azadirachta indica forest were better.

Key Words: dry-hot valley, vegetation restoration, artificial promotion, Yuanmou