福州、定西两市在实施党中央、国务院部署的东西部对口扶贫协作中,把习近平总书记当年在福建工作期间探索治理水土流失的“长汀经验”复制到定西[1],于2017年春季实施“福州·定西水土流失综合治理(生态林一期)试验项目”(以下简称福州林)。截止2019年共实施了3期造林项目,总造林面积达569 hm2。经过3 a建设,福州林取得了初步成效,该项目成为“福州万人游定西”旅游观光景点之一[2],定西当地群众把这片林亲切地称为“福州林”[1,3]。2019年10月,《通过对水土流失进行综合治理实现地区减贫——福州·定西生态扶贫合作案例》被世界银行、联合国粮农组织等机构评为“全球最佳减贫案例”之一[4]。

黄土高原是由湿润、半湿润气候向半干旱、干旱气候过渡的中间地带,其热量、光照条件能够满足北方树种生长需要,而严重水土流失下的水分和养分不足则是植被生长的主要限制因素[5]。黄土高原植被建设关系到国家整体生态安全[6],也关系到生态扶贫成效。长期以来,因自然条件、技术措施和人为因素等导致该区域造林成活率和生长量低,不能从根本上遏制生态环境恶化趋势,山区群众生活贫困[7,8]。因此,如何在水、肥不足条件下提高造林成活率,提高林木生长量,恢复森林植被,改善生态环境,提高生态扶贫成效,已成为该地区亟待解决的重要问题。本文旨在总结福州林的造林模式与技术集成应用的成效,以期为西北黄土高塬沟壑区造林提供技术借鉴。

1、项目区概况

项目区位于甘肃省定西市安定区凤翔镇,属于黄土高塬沟壑区A1副区[9],介于104°35′32″—104°36′19″E、35°32′07″—35°32′53″N之间。土壤类型为黑垆土,水土流失面积占土地总面积的85%,通过多年治理,土壤侵蚀模数从原来的5640 t·km-2·a-1下降到2019年的1666 t·km-2·a-1[10]。海拔1932～2176 m,地势西南高,东北低。属温带大陆性气候,年均降水量386.6 mm,年均蒸发量高达1580 mm;≥10℃的活动积温2293.1℃,年均气温7.2℃,极端最高气温35.1℃,极端最低气温-29.7℃;多年平均风速2.0 m·s-1,最大风速18.7 m·s-1;历年最大冻土深97 cm,最大积雪深17 cm。草地植被以禾本科(Poaceae)、菊科(Asteraceae)最多。森林覆盖率仅为17.8%,主要树木为新疆杨(Populus alba var.pyramidalis Bge.)、河北杨(P.hopeiensis Hu et Chow.)、旱柳(Salix matsudana Koidz.)、油松(Pinus tabuliformis Carr.)、侧柏(Platycladus orientalis (L.) Franco)、山杏(Armeniaca sibirica (L.) Lam.)、山毛桃(Prunus davidiana (Carr.) Franch.)、柠条(Caragana korshinskii Kom.)等。

2、主要造林模式

2.1乔灌草结合模式

乔灌草结合能够增加植物群落空间层次结构,不仅可提高群落的生物多样性和稳定性,也有利于土壤的保水增肥。针对定西地区水土流失严重的问题,注重陡坡的水土保持,最大限度保护现有植被,减少土壤扰动,采用封育加人工促进措施,迅速恢复自然植被。①在不利于乔木栽植和管护的陡坡,播撒或种植草种,如宽叶雀稗(Paspalum wettsteinii Hack.);②种植不同彩化树种和蜜源植物,如山杏、山毛桃及固氮植物胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)等,使用深根性植物柠条锁边,形成灌木景观林和蜜源林;③在陡坡插花式种植油松、侧柏、刺槐、沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、多枝柽柳(Tamarix chinensis Lour.)等。

2.2混交林模式

针阔混交模式是本项目主要造林模式。选择定西的适生树种,如油松、樟子松(P.sylvestris L.var.mongolica Litv.)、云杉(Picea asperata Mast.)等针叶树种,新疆杨、河北杨、色木槭(Acer pictum Thunb.Ex Murray)、香花槐(Robinia pseudoacacia cv.idaho)、刺槐(R.pseudoacacia Linn.)等阔叶树种。根据树种的生物学和生态学特性,采用3种混交方式:①针叶×阔叶混交,如云杉×(河北杨、新疆杨);②针叶×针叶混交,如云杉×油松、云杉×樟子松;③阔叶×阔叶混交。

2.3林农复合模式

在退耕的台地、梯田,选择在林分郁闭前的乔木林(纯林或混交林)林下套种农作物的模式,可以提高林地的综合利用率。这也是一种过渡性的造林模式[8],通过林下套种,增加当地农民经济收入,有利于脱贫,也有利于退耕还林政策的实施。选择的农作物以不影响乔木正常生长为原则,如蚕豆(Vicia faba L.)、大豆(Glycine max (Linn.) Merr.)、藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)、胡麻(Sesamum indicum)、马铃薯(Solanum tuberosum L.)等。

2.4经济林+生态林模式

植被恢复是长期任务,必须给退耕农民提供生存和发展条件,因此必须协调好生态效益与经济效益的关系[11]。坚持生态效益优先原则,在缓坡、沟(坡)底、台地、梯田立地条件好的地块,营造具有较高经济价值经济林,在经济林的四周栽植或插花栽植其它乔木或灌木树种。经济林树种主要有早酥梨、山楂(Crataegus pinnatifida Bunge)、枣树(Ziziphus jujuba Mill.)、大接杏、核桃(Juglans regia L.)等。

3、主要技术措施

3.1整地挖穴技术

针对不同的地形地貌,采用当地较成功的水土保持整地方式:水平阶整地、鱼鳞坑整地[12]。

3.1.1水平阶整地

水平阶整地可蓄水保土、提高造林成活率。乔木树种挖穴规格为50 cm×50 cm×60 cm(穴面×底宽×深,下同)。一般采用机械挖穴为主,辅以人工挖穴。每台机械每天平均挖穴可达1800穴,约是人工挖穴的40倍。根据苗木规格和树种特性,针阔混交株行距2.5 m×2.5 m,密度为1600株·hm-2;针针混交株行距2 m×2.5 m,密度为2000株·hm-2;经济林株行距3 m×3 m,密度为1111株·hm-2。

3.1.2鱼鳞坑整地

在陡坡采用鱼鳞坑整地(呈品字形),鱼鳞坑规格为长径120 cm、短径80 cm、坑深40 cm,将挖出的土在沟上方作埂,埂高30 cm,埂顶宽20 cm。灌木穴规格为30 cm×30 cm×40 cm,造林密度2505株·hm-2;乔木树种穴规格50 cm×50 cm×60 cm,造林密度400株·hm-2。

3.2苗木及其处理

苗木要求达到国家规定的良种壮苗标准,起苗后栽植前放在背风坡并用塑料薄膜遮盖,裸根苗用泥浆假植,防止风干。

3.2.1裸根苗

起苗时,裸根苗根部浸沾泥浆(粘稠状),然后用塑料薄膜包裹防止苗木脱水,阔叶树要修枝和截干(截口涂上愈合剂),适当修枝,以防止树体水分蒸发,提高造林成活率。栽植前,裸根苗要沾生根剂(粉)。

3.2.2带土球(坨)苗

云杉、油松、樟子松苗带土球(旱地苗),苗高1.5 m以上,土球(坨)直径和高度均在25 cm以上,并用稻草绳扎捆紧,防止土球松散。在装、卸苗过程中,轻拿轻放。

3.3种植技术

3.3.1施基肥

乔木树种每穴施有机肥2.5 kg,保水剂5 g,钙镁磷肥100 g;灌木树种每穴施有机肥0.5 kg,保水剂5 g,钙镁磷肥50 g。肥料、保水剂与表土拌匀后,再覆盖一层土(厚度4～6 cm),防止苗木根系直接接触肥料引起烧苗。草本植物种植则采用条带整地,有机肥375 kg·hm-2、钙镁磷肥22.5 kg·hm-2、表土1200 kg·hm-2和草籽混合拌种,在条带上撒播后,覆土,并用秸杆覆盖。

3.3.2栽植

裸根苗栽植采用传统的“三埋两踩一提苗”技术,侧根太长的,要适当修剪,防止窝根。针叶树种(带土球)采用“三埋两踩”技术,第1次在回表土后,沿苗木外沿(紧贴穴壁)第1次踩实,防止踩破土球,采用第1次的方法第2次回土、踩实,最后再回土。回土高度以距离最低穴面20 cm为宜,为浇灌大量的定根水预留空间。

3.3.3浇定根水

本项目共修建6个100 m3高位水池、56个15 m3简易水池,配备绿化工程撒水车20辆,确保水的供应。乔木树种每株浇定根水50 kg,灌木(小乔木)每株浇定根水25 kg。

3.3.4扶苗和覆土

在浇完定根水后第2天,对有倾斜(倒伏)的苗木进行人工扶直,然后覆土,覆土高度以距最低穴面10 cm为宜,有利于雨季降水汇集。覆土后用铲拍实,防止水分快速蒸发。

3.4幼树管理技术

3.4.1抚育技术

追肥:采用扩穴沟施,沿着树冠外围扩穴施肥,每次施肥统一一个方向,下次换个方向;当年7月锄草+施肥,乔木每穴50 g;翌年4月初追肥,乔木每穴100 g,灌木每穴25 g,同时进行补植,7月锄草;第3年4月初锄草+追肥,乔木每穴150 g,灌木每穴50 g,7月锄草。施肥技术要点:a、要将穴内的草清除;b、扩穴;c、施肥;d、覆土。浇水:每年的4月、7月配合锄草和追肥,进行浇水,每年2次。如遇特殊干旱年份,适当增加浇水次数。

3.4.2有害生物防治

做好种源检疫工作,特别是引种树种的种苗检疫,防止病虫害传入。加强抚育管理,促进幼树健康生长,增强抗病虫害能力。结合抚育等管护措施,去除受害植株,消灭越冬害虫;随时观察病虫害发生情况,及时采取防治措施。当病虫害发生时,要本着“治早、治小、治了”的原则,以防止病虫害蔓延,同时有针对性地防治中华鼢鼠(Myospalax fontanieri)等野生动物为害幼树幼苗。

3.4.3森林防火

约67 hm2林地设立一个护林员公益岗位,从生态扶贫角度出发,聘任当地建档立卡贫困户为生态护林员,加强护林员技能培训,做好森林防火和有害生物预测预报工作。

4、造林成效分析

每年10月底调查当年造林成活率、林木生长状况,运用SPSS 19.0软件采用独立样本T检验法比较分析本项目集成技术与当地传统技术造林成效之间的差异。

4.1不同造林模式及树(草)种配置比较

本项目经3 a试验结果表明,目前主要的不同立地类型造林模式及树(草)种配置见表1。

表1福州·定西生态林造林模式及树(草)种配置

4.2集成技术与当地传统技术造林成效比较

由表2可知,本项目福州林通过造林技术集成与应用,各树种的地径和树高生长量与定西市安定区相同区域相同树种相比均有明显提升(P<0.05),尤其是造林成活率有极显著差异(P<0.01),与传统造林技术相比成活率提高了10.6%～20.4%,除了陡坡立地侧柏外,其余树种造林成活率均达到91%以上。各造林模式的造林成活率为经济林+生态林≈林农复合模式(99.1%)>混交模式(96.0%)>乔灌草复合模式(91.3%)。

表2不同造林模式和技术措施下主要树种造林指标分析(T检验)

5、讨论

在福州林实施过程中,由福州市林业局、水利局,福建农林大学、福建省林业勘察设计院以及定西市林业和草原局的专家、教授等组成技术团队,共同规划设计、全程参与项目施工和技术指导。该项目注重现代造林技术的应用,科学使用有机肥、化肥、生根粉和保水剂,配套建设蓄水池等水利工程,使用机械化整地、挖穴,这些技术在定西市林业生态建设史上均是首次使用。通过3 a的探索和实践,福州林造林做到了统一技术要求、统一组织施工、统一质量标准、统一检查验收,取得了可喜的成效。

5.1造林模式及树(草)种配置

黄土高原如果人工植被物种单一,群落结构简单,极易造成土壤水肥亏缺,反而影响人工植被的生长发育[13,14]。王力等[15,16]研究发现:“乔—灌—草”复层稳定的植被空间结构,有较强的自我调节能力,不会造成土壤水分过度消耗,且在雨季后能迅速补充恢复。因此,本项目在陡坡、峁顶采用乔灌草复合模式是可行的。林农复合模式,即在林下套种农作物模式是一种有益的尝试,如套种蚕豆、大豆(黄豆)等豆科固氮植物,能够将自然界中的分子态氮转化为氮素化合物,增加土壤氮含量,还可调节地表温度,有助于减少土壤水分蒸发,促进养分循环,对人工林及林下植被生长有明显促进作用[17,18]。

本项目的造林模式是基于长期效益和短期效益相结合,模式只有4种,还不够丰富,成功的关键在于结构优化配置。本项目区90%以上的土地属于退耕还林地,为了提高林分郁闭前的林地综合利用率,增加失地农民经济收入,还要增加林药模式等。贾志清等[8]研究认为林药模式是指在林下套种具有药用价值的灌木或草本植物,青海省大通县高原黄土丘陵浅山区较为成功的林药模式有:柏木+黄芪(当归)、乔灌+黄芪(大黄)。安定区与大通县地缘相近,在这方面可以大胆探索。

5.2抗旱保墒造林技术应用

本项目主要采用“三大一精”技术,即挖大穴、栽大苗、浇大水和精细化种植技术。实践证明,只有充分利用有限的降水资源,才能达到更好的造林效果,传统的水平阶、鱼鳞坑整地方式能够使土壤疏松、拦蓄地表径流,加强雨水入渗,因此在陇中黄土区仍然是节水保墒的好方法[5,12]。根据立地条件类型,选择适宜的树(草)种,是抗旱造林技术应遵循的基本原则[19]。王丽丽等[20]和王怀彪等[21]研究认为,在不同立地条件的5年生樟子松容器大苗,栽植深度达40～50 cm,造林效果都较好。黄土高原蒸发量大,表层土壤水分含量低,多数树种栽植深度达到40～50 cm时,苗木根系正好处在湿土层,土壤含水量能满足树苗生长需求[22]。李宝峰[23]认为将ABT3生根粉25 mg·kg-1溶液制成泥浆根蘸,同时使用0.5%～2%的保水剂,造林成活率将提高15%～30%,苗木生长量提高25%左右。本项目的常绿针叶树种苗木带土球(坨),类似于营养袋苗,而且是旱地苗,苗龄5 a以上,苗木木质化程度高,栽植深度在45 cm左右,而且裸根苗采用沾泥浆+生根粉,这些技术措施与上述学者的做法基本相同。

此外,林分密度会直接影响人工林群落的光、热、水等生态因子的分配[24],适宜密度的人工林一定程度上可改善林下土壤肥力及酶活性[25,26]。栽植密度过大,植被在生长阶段需要大量水分补给,造成土壤水分缺乏,也会对植被恢复形成制约。福州林一期项目由于考虑到定西市往年较低的造林成活率,初植密度达到3333株·hm-2,而从目前造林成活率91%以上来看,一期项目的初植密度是太高了。因此,在二期项目中初植密度调整为2500株·hm-2,三期项目为2000株·hm-2,这也有利于降低造林成本,更适合在贫困地区推广应用。

5.3造林成效分析

本研究中,福州林与定西市当地传统造林技术相比,各树种地径、树高年平均生长量分别提高了61.1%、78.8%,平均造林成活率提高16.9%,通过独立样本T检验两者均达到显著差异水平(P<0.05)。本研究中,山毛桃的地径、树高年平均生长量分别为0.36 cm、34.05 cm,造林成活率达91.7%,均高于宁夏固原不同造林密度并使用覆膜技术后山毛桃的地径(0.23 cm)、树高(28.55 cm)的年平均生长量和造林成活率(88%)[5]。福州林各种造林模式油松造林成活率达96.2%,高于赵昌军等[7]使用不同药剂处理后黄土高塬沟壑区和黄土丘陵沟壑区油松的造林成活率85.9%～91.6%。福州林通过先进技术集成应用,均比以上使用单一或多项措施更能提高造林成效。

在各造林模式中,乔灌草复合模式造林成活率最低,这是由于该模式是陡坡或峁顶立地,立地条件最差,不利于植物生长;林农复合模式和经济林+生态林模式造林成活率最高,原因一是这2种模式立地条件相对较好,二是林农在林下经营农作物或果树同时加强了林地管理,从而有效促进了林木生长,也达到了经济与生态双赢。

6、结论

针对当地气候干旱、土壤瘠薄、保水功能差、传统造林成效不佳等问题,福州林造林采用的主要造林模式为:①“乔灌草结合”模式应用于峁顶、陡坡立地;②混交林模式应用于缓坡、梯田立地;③在梯田立地采用经济林+生态林模式或者林农复合模式。福州林集成应用的造林技术主要有:①选择抗旱树种(草种),以常绿针叶树种为主,搭配春、夏、秋三季变化的彩化树种,选择蜜源植物,为今后发展观光旅游、生态扶贫奠定基础。②采用“三大一精”的节水抗旱保墒技术,即挖大穴、栽大苗、浇大水和精细化种植的造林技术。③采用水平阶、鱼鳞坑整地的林地准备技术。④苗木保护与处理技术,如针叶树种苗木带土球(坨),阔叶树种苗木沾泥浆,以及有机肥、保水剂、生根粉的应用。本研究通过造林技术集成与应用,与当地传统造林技术相比,各树种地径、树高年平均生长量分别提高61.1%、78.8%,平均造林成活率提高16.9%,成效显著。因此,福州林的造林技术集成适合在黄土高塬沟壑区推广与应用。

由于项目实施期较短,造林成效后期还有待进一步观察,项目组将进一步对造林成效,如森林植被恢复、水土保持、生态服务功能等进行研究。

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基金:福州定西东西部扶贫协作市级财政帮扶资金计划(定脱贫领办发[2018]46号､[2019]21号)