祁连山北坡退化水源涵养林生态修复模式研究

刘开琳，李毅，徐先英，何芳兰，贺访印，赵鹏

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)



祁连山北坡退化水源涵养林生态修复模式研究

刘开琳1,2，李毅1，徐先英2，何芳兰2，贺访印2，赵鹏2

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)

摘要祁连山水源涵养林对西北干旱区降水调节、涵养水源、保持水土、改善气候发挥着重要作用。通过对祁连山北坡不同类型林地进行调查研究，结果表明：毁林耕种致使中山区的90%水源涵养林林缘都受到破坏，10%的森林中有面积超过30 m×30 m的较大林窗。采用坡地鱼鳞坑和坡脚水平沟营造青海云杉和祁连圆柏，形成坡面流水收集，坡底沟缘“锁”边的水源涵养林恢复体系。鱼鳞坑增加表层土壤蓄水力，水平沟则增加了20～40 cm土层含水量，而林窗的土壤受干扰则增加了40 cm土层含水量。人工造林增加了植被盖度，提高了土壤蓄水量，减少水土流失，增加水源涵养能力。根据立地类型，将封山育林、造林和水土保持工程结合是有效的退化涵养林恢复措施。

关键词祁连山北坡；水源涵养林；退化；生态修复

Ecological Restoration Mode of Qilian Mountain Northern Slop Degraded Water Conservation Forest

Liu Kailin1,2, Li Yi1,Xu Xianying2, He Fanglan2, He Fangyin2, Zhao Peng2

(1.Gansu Agriculture University, Lanzhou 730070, China;2.Gansu Desert Control Research Institute, Lanzhou 730070, China)

AbstractQilian Mountain water conservation forest plays an important role in rainfall regulation, water conservation, soil preservation and climate improvement.After investigation for different types of forest in the northern slope, the results showed that 90 % of water conservation forest edge in the middle mountains was destroyed by farming, and 10 % forest had more than 30×30 m forest gap.A recover system was build up by slope running water collecting and gully edge locking inPiceacrassifoliaandSabinaprzewalskiiplanted area with slope fish-scale pit and level ditches. Surface soil conservation was increased in slope fish-scale pit, with 20-40 cm depth soil water content, and 40 cm depth in forest edge. Plantation promotes vegetation cover, water content and decreases water and soil loss. Combination of enclose hillsides for afforestation and soil and water conservation project is an effective way for degraded water conservation forest recovery.

Key wordsNorthern slop of Qilian Mountain; water conservation forest; degrade; ecological restoration

祁连山山地森林属寒温性针叶林，由于受大陆性荒漠气候和高山寒冷气候的双重影响，森林类型、层次结构、树种组成等具有典型的高寒半干旱气候森林特点，分布受到不同立地水热条件影响，生物多样性复杂，是我国西北地区重要的生物基因库，对西北干旱区降水调节、涵养水源、保持水土、改善气候发挥着重要作用，是西北乃至全国重要生态屏障。祁连山生态保护与治理已经引起各级政府的重视。近年来，对祁连山水源涵养林进行了分类，揭示了其结构[1,2]、地被物的水文作用[3,4],对水源涵养林更新[5]和效益[6,7]等进行了数量分析。特别是研究了不同类型森林的水文特征，观测了藓类云杉林林冠、祁连圆柏林秋季、 灌丛林截留降雨率和非毛管蓄水量，其中放牧草地的非毛管蓄水量和田间持水量最低[1]。提出了退化水源涵养林经营以及封山育林等培育管理方法[8-11]。但是，该区主要水源涵养林的青海云杉(Piceacrassifolia)林呈斑块状分布于海拔2 600～3 200 m的阴坡和半阴坡，斑块面积较小，结构单一。而草灌面积相对大，且牧场和森林镶嵌分布，在水源涵养方面发挥着举足轻重的作用。自20世纪中期以来，由于气候变化和人为干扰，祁连山区冰川退缩、雪线上升、融水减少，森林退化，涵养水源能力降低，水土流失面积逐年扩大。据《民勤县志》记载，祁连山2 000余年前约有天然森林6.00×106hm2。到新中国建立初期，云杉林面积大约为1.50×105hm2，从20世纪60年代初到70年代末，森林面积减少16.5%，森林覆盖率减少8个百分点[12]。祁连山水源涵养林受立地水热条件影响，更新较慢，退化植被恢复困难。如何提高祁连山森林生态系统的水源涵养能力并进一步发挥其综合效能，对加快祁连山生态建设，构建西北生态绿色屏障，改善河西三大内陆河流域生态环境具有极其重要的意义，对西北地区乃至全国生态环境的改善以及人类社会经济的持续发展起着至关重要的作用。经过祁连山北坡森林的调查，本文分析了水源涵养林退化类型，提出了退化植被恢复技术措施，为其管理和恢复提供参考。

1研究区概况

研究区位于祁连山北坡东段的海拔2 100～3 600 m之间的水源林区，林地类型可分为林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地。气候的垂直分布按海拔从低向高可分为：山地荒漠草原气候带(位于海拔1 700～2 100 m的中山地带，气候特点是夏热冬冷，气候干燥，热量丰富，年平均气温6.2～7.5 ℃)；山地草原气候带(海拔2 100～2 500 m的阳坡为山地荒漠草原，海拔2 100～2 400 m的阴坡为山地典型草原)；山地森林气候带(阳坡海拔2 500～3 400 m，阴坡海拔2 400～3 300m，气候特点是冬长寒冷，多云雾，年平均气温0～12 ℃，最热月气温为11.1～14.3 ℃，最冷月为14.5～11.4 ℃，≥10 ℃的活动积温为 1 060 ℃，无霜期100 d左右，年降水量326.4～539.7 mm，相对湿度为60%左右，是森林的主要分布带)。山地棕钙土主要分布在南山2 000～2 350 m的阴坡、2 300～2 600 m的阳坡，表土呈浅黄色，块状结构，无明显的钙积层，腐殖质含量很少，土壤肥力不高；山地栗钙土主要分布在海拔2 800～3 200 m的坡地、山麓盆地和山顶部，成土母质为黄土或坡积砾石，土壤表层有较多的腐殖质。祁连山水源涵养林区拥有丰富而独特的动植物资源，为我国西部重要的生物基因库。据20世纪90年代初调查，林区内分布有被子植物1 020种，裸子植物10种，蕨类植物14种，分属84科399属。其中：乔木48种，灌木145种，草本851种。在草本中有优良牧草50种，纤维植物17种，芳香植物20种，药用植物90种，观赏植物25种。在这些植物资源中，有国家重点保护植物3种，青海云杉为我国特有种。林区内栖息着丰富的野生动植物资源，据统计，有陆栖野生动物299种，其中兽类47种，鸟类169种，两栖爬行类13种。属于国家级保护动物51种，一级保护动物13种；二级保护动物38种。在低海拔的青海云杉林缘，乔木种有山杨(Populusdavidiana)和白桦(Betulaplatyphylla)形成混交林，灌木有鬼箭锦鸡儿(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)、金露梅(Potentillafruticosa)、鲜黄小檗(Berberisdiaphana)、甘青锦鸡儿(Caraganatangutica)；草本主要有中国马先蒿(Pedicularischinensis)、鲜生马先蒿(Pedicularismuscicola)、圆穗蓼(Polygonummacrophyllum)和西北针茅(Stipasareptanavar.krylovii)等。林缘区主要的植被类型为草地，大地被层面积较少，水土流失比较严重。

2祁连山水源涵养林退化类型

2.1毁林耕种，水源涵养林消失

在海拔2 600 m以下的祁连山，调查区有50%森林面积都有不同程度的开垦。由于乱垦滥伐，毁林毁草耕种，致使祁连山森林覆盖率由20世纪50年代的22.4%减少到目前的14.4%，森林面积由31.6×104hm2下降到12.0×104hm2，完整的天然森林生态系统退化。这种退化林地呈连片分布趋势，致使其生态功能减弱。

2.2林缘破碎

在祁连山哈溪林区，90%以上的林缘受到破坏，地面受水流冲刷形成沟壑，水土流失，水源涵养林不断缩小。由于长期以来的自然演替和人为干扰，祁连山水源涵养林区林分结构简单，灌木林退化严重，多年生草本成为建群种并形成了优势群落，林缘区有50～100 m无林区，坡中部出现细沟，坡缘破碎，水土流失严重，水源涵养功能下降，保护和恢复区域水源涵养林已刻不容缓。

2.3林窗增大

在祁连山哈溪林区，10%的森林中有面积超过30 m×30 m的较大林窗，更新相对困难，使水源涵养林从内部退化。在哈溪大南泥沟等地调查不同面积的青海云杉林窗与其内植物种数发现：当林窗形状为圆或长宽比例相近时，林窗面积与其内植物种数相关性较大。在林窗面积4 m2和400 m2是物种数变化的拐点(图1)。在林窗面积小于和大于这2个面积数时，植物种数据趋于稳定。物种变化最大的林窗面积是9～400 m2。在此范围，植物种数随着林窗面积增加而增多，即在改造云杉林结构时，林窗面积应该控制在4～9 m2。

3祁连山退化水源涵养林修复模式

3.1退耕地造林

在祁连山生态治理过程中，实行了退耕还林，>25°坡地退耕还林，为了防止水土流失，在哈溪造林10.67 hm2，根据立地条件，在半阴半阳坡营造祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)1 000株，阳坡和岗地营造叉子圆柏(Sabinavulgaris)2 000株，冲沟营造云杉700株，坡底营造祁连山圆柏300株。造林方式有沟植和穴植。在祁连山东段的祁连林场，对林缘区退化土地进行中国沙棘(Hippophaerhamnoides)人工造林、中国沙棘人工造林+金露梅补播、中国沙棘人工造林+金露梅补播+垂穗披碱草(早熟禾)补播3种生态模式。通过对沙棘造林地实施林草补播技术，选取垂穗披碱草(Elymusnutans)、早熟禾(Poaannua)等草本植物种进行补播，播种密度分别为15.0～22.5和7.5～12.0 kg·hm-2，进行植被的补播恢复，促进了林缘区退化土地的土壤良性循环和植被的自然演替，实现了水源涵养林林缘区退化土地植被的有效恢复。

3.2破碎林缘锁边造林

在祁连山水源涵养林缘水土流失区，将水土保持工程措施与造林技术结合，形成坡面流水收集，坡底沟缘锁边的水源涵养林缘功能恢复体系。根据立地条件，林缘营造锁边林。根据坡位，将造林地分成不同区域，在坡的下部开挖水平沟1～3条，沟内造林密度为1 株·m-2，将林缘和沟沿锁住，减少水土流失，增加水源涵养能力。造林数量分别为祁连山圆柏1 000株，叉子圆柏1 000株，冲沟营造云杉2 000株，坡底营造油松2 000株，冲沟营造山杨300株。

根据立地条件、林缘区植被退化状况、水土流失程度，将造林地分成不同区域，在坡的下部开挖水平沟1～3条(在无林区域较小、坡度较缓的坡位，只开1条水平沟)，沟间距3 m，沟内造林密度为1株·m-2，造林树种为叉子圆柏和沙棘。在坡的中部和林地连结处，采用品字形排列的鱼鳞坑，营造青海云杉和祁连圆柏，形成坡面流水收集、坡底沟缘“锁”住，减少水土流失，增加林地水源涵养能力。

3.3林窗增加人工苗床

根据林窗的地形，分别开挖水平沟、水平台，增加种子着床率，改善种苗生长环境，促进自然繁殖，填补林中空缺，增加水源涵养林覆盖度，提高林地涵养水源能力。

4祁连山退化水源涵养林修复模式效益分析

4.1整地造林方式与土壤含水量

为了提高退化水源涵养林保持水土能力，根据退化水源涵养林的立地类型，分别在退耕地采用沟植，在林窗内开挖水平沟和水平台，在坡度较大的坡地不同部位挖鱼鳞坑和水平沟，形成不同类型林林地，这些整地方式的土壤含水量不同。表1显示，鱼鳞坑最大土壤含水量在表层，相对未造林地的含水率提高了8.24%；水平沟土壤含水量在20～40 cm土层，相对未造林地的含水率提高了26.53%。在林窗内建立1 m×1 m的单位面积的苗床，0～40 cm土层的土壤含水率低于未破坏区域的含水率，但40～60 cm土层的土壤含水率高于未破坏区域含水率，增加了35.82%，建立单位面积苗床地可增加土壤水分下渗，增加土壤涵养水源能力。

表1　退化水源涵养林地不同整地方式土壤含水量增减率

4.2造林与植物多样性

通过建立灌木造林模式、灌草补播模式、围栏封育模式促进了林缘区退耕地的植被及生态的快速恢复，造林成活率85%～92%，保存率达到80%～91%，平均植被盖度提高到41.5%。采用中国沙棘人工造林+金露梅补播+垂穗披碱草(早熟禾)直播，在生态恢复3年后，其群落物种数可达20种，生态恢复区植被盖度可达41.50%；而中国沙棘人工造林及中国沙棘人工造林+金露梅补播，其群落物种数仅为15种和18种(表2)。因此，从生态恢复的速度、群落植被盖度及生态系统的稳定性来看，灌木造林+灌草补播技术是祁连山水源涵养林林缘区退化土地植被恢复比较理想的生态恢复模式，即选用中国沙棘人工造林+金露梅补播+垂穗披碱草(早熟禾)补播是祁连山水源涵养林林缘区退化土地生态恢复的有效方式。

表2　祁连山退化林不同生态恢复模式效果分析

5讨论与结论

5.1改造草地成灌木或乔木林可提高退化水源涵养林效能

在土壤表层，青海云杉林的非毛管蓄水量高于草地，土壤渗透速度也高于草地土壤。青海云杉林的土壤含水量变化与草地比较，且草地土壤含水量变化高于青海云杉林。祁连山水源涵养林在海拔2 500～3 300 m山地分布寒温带针叶林，类型有青海云杉林和祁连圆柏林1.33×105hm2，生长缓慢，更新困难。杜鹃(Rhododendronspp.)灌木林和吉拉柳灌木林分布在海拔3 000～3 700 m的亚高山区阴坡和半阴坡及沟谷地区；在海拔2 600 m左右的中低山荒漠带分布金露梅灌木林[2]。该地区森林生态系统具有较强的敏感性和脆弱性，一旦遭到破坏。极易被灌木丛草原或草原更替，且很难恢复[13]。在祁连山区，森林覆盖率相差2.35倍，枯水季节降水量相差10 mm，单位面积径流相差24%。森林覆盖率相差11.17倍，降水量相差15 mm，但单位面积的径流量则相差286倍。在汛期，降水量相差2.15倍，但其单位面积径流则相差0.4%[3]。相比较而言，森林覆盖率较大的区域降水量较大时期的河川径流量反而较小，森林涵养水源，在调配区域降水量与河川径流关系中起着决定作用。有林地各植被类型小区均不产生水土流失现象，与中轻度型放牧草地相比，在相同降雨条件下，过度放牧草地的径流系数变化显著，其年径流量及土壤年流失量皆最大,是流域内水土流失的主要源地。过度、中度和轻度放牧草地类型其年径流量分别为210.5、42.1和5.2 mm，土壤流失量分别为5 262.4、115.3和3.9 kg·hm-2，并且过度放牧草地的地表径流系数变化最显著，在雨季有较大降雨量时是流域内产生水土流失的主要来源[13]。各类植被都可提高土壤含水量，减少水土流失。根据以上分析，根据森林自然分布规律，改造草地成灌木或乔木林，建立人工林是修复祁连山退化水源涵养林的重要手措施。

5.2坡面流水收集和坡底沟缘锁边的涵养林结构是有效的水源涵养林模式

祁连山水源涵养林受人为采伐、盗伐、放牧影响，中山区的90%以上林缘都受到破坏，使水源涵养林功能退化。封山育林是恢复、保护、扩展祁连山天然林资源的有效措施[10]。在封山育林的前提下，采用抚育间伐、造林等综合培育方法，处理好农林牧矛盾，祁连山森林涵养水源效能将能充分发挥。采用品字形排列的鱼鳞坑，营造青海云杉和祁连圆柏，形成坡面流水收集、坡底沟缘锁边，减少水土流失，增加水源涵养能力，形成水源涵养林恢复体系，植被盖度增加35.40%～41.50%，土壤含水量增加率4.12%～35.8%。根据立地类型，将封山育林、造林和水土保持工程结合是有效的退化涵养林恢复措施。

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中图分类号：S718.57

文献标识码：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.03.001

作者简介：刘开琳(1982-)，男，甘肃民勤人，助理工程师，主要从事荒漠生态研究,Email：403886231@qq.com通讯作者：李毅(1962-)，男，甘肃兰州人，教授，主要从事林木育种研究,Email:liyi@gsau.edu.cn

基金项目：国家科技支撑项目(2012BAC08B02);甘肃省沙生植物保护利用科技创新团队项目(1207TTCA002)

收稿日期：2016-01-20

文章编号：1005-5215(2016)03-0001-04