加快生态环境修复走出黄土高原植树造林误区——访中国科学院、水利部水土保持研究所梁宗锁研究员，本文主要内容关键词为：黄土高原论文,水利部论文,中国科学院论文,植树造林论文,水土保持论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
从黄土高原气候特点和植物水分供需矛盾出发，对造林中主要树草种和抗旱技术影响造林成活和幼林生长的生理生态机制及提高自然降水的有效利用率等方面进行研究，通过分析不同树草种的抗旱特征和水分利用规律、立地土壤水分分布特征及造林效果等，选择适宜的物种，采取集水、覆盖措施、使用生化制剂改善植物根系周围土壤水分状况，提高土壤水分利用率，通过改善植物根系周围土壤水分状况和林木本身的吸水能力，进行人工植被建设，取得显著成效。
黄土高原地区土地总面积约62.4万公顷，严重的干旱和水土流失，成为黄土高原最大的环境问题和区域经济发展的障碍。为了治理水土流失，修复生态环境，建国以来，大力开展了植被建设。经过几十年的努力，尤其从1999年退耕还林工程实施以来，植被建设速度加快，森林覆被率每5～8年增加1%，生态环境得到一定程度的改良。但是，人工草地保存率低下，仅为15%～30%，个别县区只有1%，人工林草地土壤趋于旱化，形成了深厚的土壤干层，抑制了树木生长发育，成为“小老树”，甚至在特大干旱年份枯死；大面积的人工植被自我更新不良，难以形成稳定的群落，改善生态环境和防止水土流失的效果不理想，生态效益和经济效益低下。因此，有必要深入研究植被的水分生理生态问题，探索新的植被建设途径。黄土高原地区严重的水土流失和由此引发的各种生态危机，对构建和谐社会造成了严重障碍。加快黄土高原地区水土保持生态建设步伐，对于促进人口、资源、环境与经济社会的协调发展，对于区域乃至全国和谐社会的构建，都具有十分重大而深远的意义。
针对这些问题，本刊记者专访了长期在黄土高原进行植被建设，修复生态环境研究的梁宗锁研究员。
中国科学院、水利部水土保持研究所梁宗锁研究员在中国科学院“西部之光”人才基金项目“黄土高原干旱多风环境下的造林关键技术研究”、中国科学院知识创新项目“黄土高原植被建设模式与快速绿化技术研究”、国家自然科学基金项目“黄土高原森林草原过渡带植被演替过程水分平衡与调控机理研究”等项目的资助下，从黄土高原气候特点和植物水分供需矛盾出发，对造林中主要树草种和抗旱技术影响造林成活和幼林生长的生理生态机制及提高自然降水的有效利用率等方面历经了近20年研究，通过分析不同树草种的抗旱特征和水分利用规律、立地土壤水分分布特征及造林效果等，选择适宜的物种，采取集水、覆盖措施、使用生化制剂改善植物根系周围土壤水分状况，提高土壤水分利用率，通过借以改善植物根系周围土壤水分状况和林木本身的吸水能力，进行人工植被建设，取得了显著的成效。
黄土高原植树造林苗木成活率低的生物学机理
水分是制约黄土高原地区植被恢复与生态环境重建的决定性因子。梁宗锁研究团队对造林移栽后的苗木水分进行了系统深入地研究，发现在造林时由于苗木具有吸水功能的幼根和根毛大量损失，造成根系的吸水能力显著降低，在多风干燥的春季造林季节，造林后茎杆含水量下降，控制休眠的内源激素脱落酸(ABA)含量成数倍的增加，而促进生长的内源激素赤霉素(GA)含量下降，造成ABA/GA比值增加，自然萌动时间推后，随着春天温度不断升高，幼苗的失水量急剧增加。另外，芽的萌动与生长比根系恢复生长要早，苗体水分失衡进一步恶化。在外界干旱少雨的严酷生境下，幼苗内外因子不利于维持水分平衡，造林后很难完成萌芽—生根—展叶成活的全过程，枯死的几率非常高。
研究还发现，在适宜水分下芽体和韧皮部中的ABA含量在移栽后都随着气温的升高和萌芽的进行而逐渐降低。这一过程在多个树种上证明具有普遍性。
基于对这一成活过程生理学机制的认识，他们提出并应用了一些有效保证苗木水分平衡的抗旱造林技术措施。主要策略是减少蒸腾失水，促进根系吸水，保证苗体水分平衡，调控内源激素比例，以达到提高造林成活率的目的。
有5项具体技术措施。①保证苗木质量，特别是要保持苗木根系完整。②选用当地苗木，可减少运输中水分损失，适应当地干旱气候。③推广截杆、埋苗造林措施。可利用黄土透气性好，幼苗再生能力强特点截杆造林，有效预防多风引起的苗木失水，防止水分过快散失；对于顶端优势较强的树种可选用埋苗以减少水分散失的措施，如设置风障等。④应用生长调节剂以调节内源激素平衡，引用外源GA或钙赤活剂，调节苗木内源ABA/GA的比值，以促进萌发。⑤应用蘸根、吸水剂、生根粉等苗木处理方法，增加根系吸水能力，也可采用覆盖、径流集水、水平阶、反坡整地等措施保证土壤含水量而苗木提高成活率。
不同树种的耗水规律与抗旱性评价
课题组选择了30多个树种，分常绿树种组和黄土高原常见的造林树种组进行系统研究，统一评价，在人工控制模拟干旱环境水分的条件下进行耗水规律与抗旱性研究，评价不同物种在陕北野外生态适应性，研究它们在适宜水分、中度干旱和持续严重干旱胁迫条件下的生长、耗水动态变化以及生理学特性。常绿树种有油松、侧柏、女贞、小蜡等；乡土树、草种有细裂槭、虎榛子、白刺花、辽东栎，文冠果、丁香、杠柳、连翘，铁杆蒿、胡枝子、白羊草和冰草；黄土高原常见的造林树种有杨树、中国沙棘、刺槐和柠条等。
4个常绿树种的月耗水量分布主要集中在6～9月份的生长季。严重的干旱胁迫使植物的水分生理特征和生化变化都发生了很大的变化，其中小蜡不如女贞耐旱，但在冬季低温的情况下比女贞好。渗透调节能力的变化幅度和灵敏度针叶树种要强于阔叶树种。作为常绿树种抵御外界不良环境有效调节物质的可溶性糖的绝对含量针叶树种不如阔叶树种高，钾离子的含量树种间差异不明显。
黄土高原4种常见树种的耗水规律及水分利用特征
不同土壤水分含量对杨树、刺槐、沙棘和油松4个树种的萌发特性的影响有明显差异，抗旱性强的沙棘和油松芽体和韧皮组织中脱落酸(ABA)含量比杨树和刺槐高5～10倍。在相同土壤水分和相同的大气环境因子下，4个树种的日、旬、月耗水量也有显著差异，其中杨树和刺槐的耗水量显著大于沙棘和油松，而油松的日耗水量最小。故在严重干旱下，除了油松的成活率达到50%以上，其余的3个树种的成活率在40%以下，杨树受影响较其余3个树种大。相同土壤水分条件下，沙棘的生长速率最快，生长周期持续时间比其他树种长，油松的生长速率最慢。
杨树和刺槐在适宜水分下水分利用率最高，严重干旱下最低，而沙棘则是在5月和7月均表现为中度亏缺下最高，严重干旱下最低。4个树种中，5月份，杨树的水分利用率最高，7月份刺槐的最高，沙棘最低。从总体水平上看，3个树种7月水分利用率明显高于5月份。
4个树种的干物质生产均表现为适宜水分下最高，严重干旱下最低。在适宜水分下，杨树的干物质生产高于刺槐，而在中度亏缺和严重干旱下，刺槐的干物质生产高于杨树。在严重干旱下，各树种由于叶片严重缺水而使气孔的调节能力下降，对于光照和温度的反应迟钝，结果使蒸腾速率的日变化表现不甚明显。在适宜水分和中度亏缺水分下，光照强度是影响树种蒸腾速率的主要因子；而在严重干旱下，光照和温度并不是影响的主要因子，湿度则上升成为重要影响因子之一。
黄土高原乡土树种耗水特性及抗旱性
辽东栎、细裂槭、虎榛子和白刺花为黄土高原4个乡土树种。辽东栎属低蒸腾高水分利用效率、羧化效率稳定型树种；细裂槭属高蒸腾高光合、羧化效率、水分利用效率较高的树种；虎榛子属耗水少生长缓慢、水分利用效率低的树种；白刺花属高耗水高生长量、高水分利用效率的树种。细裂槭在干旱胁迫下主要通过增加根系吸水维持较高的叶水势，具有御旱植物的特点。白刺花则通过一些生理调节方式增加叶片的保水力以维持较高的水分含量，具有耐旱植物的特点。虎榛子通过降低叶水势增强吸水力维持较高的叶水势，但其叶片保水力较差。辽东栎的叶水势变化较平稳，与其叶片组织含水量较稳定有关。
4个乡土树种的抗旱性由强至弱依次为：白刺花＞细裂槭＞辽东栎＞虎榛子。白刺花、细裂槭属生长较快的树种，辽东栎、虎榛子属生长较慢的树种，但它们对土壤干旱都具有较好的适应性。
对黄土高原常见造林树种进行了耗水和抗旱适应性研究表明，种间水分利用率相差达到2～5倍，耗水系数相差达到20%～60%，蒸腾速率相差近1倍，综合评价可以将这些树种分为4类。
①高耗水高水分利用率，如杨树、刺槐等；
②高耗水低水分利用率抗旱性很强的树种如柠条等；
③低耗水高水分利用率如，沙棘等；
④低耗水低水分利用率，如油松、侧柏、狼牙刺等。
根据生理生态学机理选择黄土高原植树造林树种
植被恢复是黄土高原地区水土保持、生态环境建设、农林牧业持续发展的根本措施，但是长期以来黄土高原植被建设进展缓慢，使其未能在生态建设中发挥应有的作用。梁宗锁认为其主要原因是没做到适地适树、适地适林和适水适树，盲目引入刺槐、杨树等高耗水树种，造林密度过大，形成了大面积的小老树林和林地土壤干层。小老树林的形成，使黄土高原人工林生态效益和社会效益差；而林地土壤干层的形成又严重限制了树木生长，使林木生长只能依赖于当年降水，而在持续干旱年份则会引起大量树木生长季落叶或者大面积枯死，严重制约了植被建设的步伐。
为此，梁宗锁认为：在我国北方地区有丰富的木本植物种可供选择，灌木是黄土高原地区主要造林树种，黄土高原地区灌木的种质资源十分丰富，据调查区内共有灌木树种646个，分属68个科177属，裸子植物2科3属7个种，被子植物66科174属639种。从中选择适应性强、生物量大、经济价值高的树种完全有可能。
但怎样才能选出适宜于黄土高原千差万别地形条件的树种，依据又是什么？他们根据研究结果提出了进行树种选择的5个依据：①树种抗逆性强弱评价(抗旱性，抗低温、高温、抗风和强辐射)；②树种耗水量与水分利用率评价；③树种生长动态与当地降雨分布吻合度评价；④树种的群落学特性评价；⑤树种的生态位评价。
图1 小老树形成因子分析
通过这些选择指标，确定了黄土高原树种配置区划的指导性方案：
①沟岸：沙棘、乌柳、旱柳、杨树等乔灌混交的护岸、防护林；
②坡脚：旱柳、杨树、刺槐与沙棘、紫穗槐、连翘等混交用材林；
③阳向沟坡：配量刺槐、柠条等水土保持林；
④阴向沟坡：油松、河北杨、沙棘等乔灌水保林；
⑤阳向梁峁坡：柠条、刺槐水保林或苹果、枣、山楂为主的经济林；
⑥陡坡：配置灌乔混交林；
⑦梁峁顶部：营造沙棘、柠条等灌木林或灌草混交林，以防止水土流失或薪炭林。
黄土高原各地区造林可以次方案，根据立地条件的土壤水分规律、树种自身的耗水特性和抗旱适应性建立不同的水土保持林、用材林、薪炭林或饲料林，不再盲目引入高耗水树种，进行大面积单一造林。
不同立地条件下的树种生产力与水分的关系
由于黄土高原地区立地类型复杂多样，在有限的降水条件下，严重的水土流失和水分在坡面的再分配，使不同立地条件下的土壤水分空间差异性很大，不同立地下的群落和相同的物种表现差异很大。于是，梁宗锁课题组对黄土高原丘陵沟壑区不同立地条件下沙棘生产力与水分关系，作了系统地研究。
他们选取半阴坡、半阳坡、峁顶、阳坡、阴坡5种立地类型，连续4年观测沙棘的蒸腾速率、扩散阻力、相对含水量等生理生态指标，并分析了不同立地条件下影响沙棘的主要环境因子——土壤含水量、光照强度、空气相对湿度与沙棘蒸腾速率和气孔扩散阻力的关系。最后通过植株生长状况和生物量分析，探讨影响黄土高原不同立地沙棘生产力差异的生理生态学原因。
研究结果表明：5种立地条件下的沙棘蒸腾变化趋势不尽相同。半阴坡清晨蒸腾较强烈，其他几种立地蒸腾较弱。随着太阳辐射角度的变化和不同立地土壤含水量的差异，阴坡、阳坡上午蒸腾呈下降趋势，峁顶变化较平稳。至中午12时半阴蒸腾达最大值。除阴坡外，午后各立地条件沙棘的蒸腾趋势均不向程度地下降，尤其半阴坡下降幅度最大。阳坡蒸腾速率始终处于较低的水平。沙棘蒸腾平均值的大小顺序为半阴坡＞阴坡＞半阳坡＞峁顶＞阳坡。研究还发现在黄土高原半干旱地区沙棘蒸腾与光照强度，没有直接而明显的相关性，而与相对湿度相关性明显。不同的生理水平导致了沙棘生物量的差异，阴坡最高，而阳坡最低。
因此，梁宗锁研究员建议在黄土高原地区进行人工植被建造，进行物种、密度和植被类型的配置时，应根据同一个物种在不同立地条件下的生态表现差异，按照地带性分布和立地水分空间差异进行配置，改变目前在一个行政区域大面积造林选用统一的树种、确定统一的密度和建造统一的模式。
黄土高原人工林小老树成因分析
课题组经对黄土高原人工林小老树成因进行长期定位研究表明，林木光合面积的减少和光合速率的降低是其降低生长的重要原因。由于叶水势低使叶片处于水分亏缺状态，而使气孔导度下降，从而引起蒸腾与光合同时下降，由于长期亏缺，叶子发生了形态度化，单叶面积减少50%～70%，而单叶面积干重增加了近两倍，预示着叶厚度和细胞密度增加。小老树在生长季内净同化物累积量明显低于正常生长的树木，因而生物产量和材积量很小。这可能是小老树形成的生理原因。
因此在黄土高原地区，要改造小老树，就必须提高水分利用率，改善生长季节内光合速率，增加生物产量，以达到改良的目的。
再一点就是在植被建设中，其他造林技术措施未跟上，由于造林密度过大，往往是3000株／公顷以上，有的甚至达10000株／公顷，造成地下根系过于密集，相互争夺水肥，致使林分树干纤细，树体衰弱，抗病虫害能力下降。研究中发现，在树种适宜的集中分布区，树种的优良特征都能得到很好充分的发展，可以速生丰产，抗逆性强；而在分布范围以外，很多优良性不能表现，生长衰弱，抗逆性差，就形成了小老树。
沙棘—杨树混交林生物量、林地土壤特性及其根系的分布特征
梁宗锁在调查黄土高原不同造林模式时发现，大面积的杨树纯林大多数生长不良，沙棘—杨树混交林中的杨树生长则要好得多，并经进一步研究表明，由于沙棘的栽入，使沙棘杨树混交林中的土壤矿质养分状况、酶类、微生物、水分、土壤理化性质和林内小气候都得到了改善，加速了混交林内物质循环，促进了杨树地上部净生产力的提高。沙棘与杨树混交后能显著地增加杨树生产量，林分平均胸径增加6%～38%，林分平均高增加8%～23%，地上部分净生产力混交林比纯林高27%～113%。与沙棘混交后的杨树平均高为杨树纯林的2.0倍，胸径为3.6倍，单株生物量为26.9倍，单位面积生物量为26.0倍，年生产力为纯林的5.1倍。
在0～40厘米土壤表层内，杨树纯林地的土壤容重比混交林的高12.02%～18.92%，总孔隙度低13.40%～21.78%，沙棘纯林地比混交林的容重高1.82%～8.62%，总孔隙度低1.51%～7.80%；杨树纯林地在此层内的土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和毛管最大持水量，分别比混交林地的低11.43%，129.94%和18.66%；沙棘纯林地的比混交林地的低1.57%，40.98%和0.92%。这些均表明沙棘—杨树混交林中的土壤物理性质发生了明显的改变，混交林有了一个更为优良的土壤条件。
黄土高原几种抗旱造林技术
梁宗锁项目组在取得了上述对黄土高原植树造林的生理生态学问题研究的认识的基础上，提出了4种黄土高原几种抗旱造林技术，为提高陕北黄土高原植树造林成活率起到了示范推广作用，成效显著。
(1)适地适树和适地适林。长期以来黄土高原植被建设进展缓慢，使其未能在生态建设中发挥应有的作用，主要是没做到适地适树和适地适林，盲目引入了刺槐、杨树等高耗水树种，形成了大面积的小老树林和林地土壤干层，严重地限制了植被建设的步伐。因此，黄土高原造林必须根据立地条件的土壤水分规律和树种自身的耗水特性和抗旱适应性建立不同的水土保持林、用材林、薪炭林或饲料林。
(2)在坡面采取集水措施，提高自然降水有效利用率。水平阶较荒坡有明显的保水、集水效果，并且水平阶的集水、保水效果和所造林成活率及幼林生长效果与其间距的增加成正向变化。
(3)采用覆盖和集水抗旱措施，提高自然降水有效利用率。根据幼林生长研究结果和黄土高原地区气候特点，在造林过程中采取覆盖和集水的相结合措施，可取得较好的造林成活效果。黄土高原地区上半年气候多风干燥，覆盖措施抗旱效果较好；下半年降水较集中，强度大，在坡地采取集水措施会提高降水的利用率。
(4)使用生根粉、保水剂处理技术。通过生根粉、保水剂的不同生理作用机制，提高侧柏、油松等造林活率和幼林株高、地径及新枝的生长量。生根粉通过促使植株根系，尤其是侧根生长增强植株吸水能力抗旱；保水剂作用在于减少植株水分散失抗旱。
1991年至2006年，这些抗旱造林理论及其技术在陕北吴起县和安塞县进行了推广应用和示范，取得了显著的成效，研究项目获得陕西省2006年度科技进步二等奖。
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