元谋干热河谷森林植被恢复适宜性分区研究

元谋干热河谷森林植被恢复适宜性分区研究

云南元谋位于金沙江-龙川河下游，为典型干热江谷，海拔16600米以下。该区气候干热,生态环境脆弱,植被恢复十分困难。元谋干热河谷的河谷两岸山地出露岩层主要为元古代变质岩和岩浆岩、中生界紫色砂泥岩、早更新统元谋组半成岩砂泥岩和中晚更新统阶地堆积物。山地天然植被多已退化以扭黄茅+车桑子(Heteropogoncontortus-Dodonaeariscosa)为主的南亚热带稀树草灌植被。建国以来,当地政府积极开展荒山造林,以期恢复元谋干热河谷森林植被。20世纪90年代以来,我们在元谋开展了干热河谷岩土组成、土壤水分、植物生长相互关系的研究,根据不同岩土组成的坡地土壤分状况差异较大,适合乔、灌、草不同植物的生长的特点,提出了不同岩土组成坡地的植被恢复模式(Walter,1979;YangZhongetal.,1995;张信宝等,1997;1998;杨忠等,1999;2000)。随后,当地基本按此模式进行植被恢复重建,不再选择土层深厚的元谋组泥岩坡地造林,以中晚更新统阶地堆积物坡地为主成功营造了大面积人工林。本文在干热河谷岩土组成、土壤水分、植物生长相互关系的应用基础研究和总结生产实践的基础上,根据不同岩土组成坡地的土壤水分特点,划分坡地岩土类型,综合气候垂直分带和岩土类型分布,编制了元谋干热河谷植被恢复分区图。1立地条件及岩石种类的选择传统造林立地条件的土壤分类,仅考虑表层厚度数十厘米的土壤。元谋干热河谷旱季表层土壤干旱,植物(特别是木本植物)往往通过发达的根系吸收深部岩土的水分维持生存,植被类型和生长情况不仅与表层土壤的土壤水分状况有关,而且也和深层岩土的土壤水分状况有关。在干热河谷的气候条件下,就均质土而言,粘质土坡地入渗速率低,降水入渗浅,地面蒸发耗水多,可供植物利用的水分少,适合季节性草本植物的生长;裂隙发育的石质山地入渗速率高,降水入渗深,地面蒸发耗水少,可供植物利用的水分较多,特别是旱季深层岩土储存的水分往往可以维持深根性木本植物的生存,适合木本植物的生长。非均质岩土组成的坡地,土壤水分状况较为复杂,下伏不透水层的粗粒土坡地,有利于降水的入渗保存,土壤水分条件较好。理论上,坡地岩土的分类应考虑母岩和上覆土壤层的组合。天然植被主要取决于旱季坡地岩土的土壤水分状况,侵蚀坡地土壤层厚度一般小于50cm,旱季土壤含水量多低于凋萎含水量,仅深部岩土的土壤水分可供植物吸收利用,因此,我们主要根据母岩进行坡地岩土分类。元谋干热河谷区分布有较大面积的由早更新统元谋组泥岩组成的平坦台地,台地上第四纪红土发育保存较好,厚度可达2～5m,地表植物主要从红土层中吸收水分,故将元谋干热河谷平坦台地上的第四纪红土单列为一种类型。母岩的分类主要根据岩层的时代和岩性,尽可能地进行了归并。根据岩土组成、结构、土壤水分特点,及对植物生长的影响,将元谋干热河谷坡地的岩土分为6种类型。1.1隆升特殊类型土壤的特性这里专指元谋组上覆的第四系红土,分布于元谋盆地海拔1170～1200m的盆地内侵蚀轻微的平缓高台地上,分布面积2671.28hm2。第四纪红土是元谋古湖盆形成后,隆升台地上长期发育形成的土状风化壳,底部多发育有铁铝质淀积层。第四纪红土厚度多大于2m,最厚可达7～8m,表层燥红土化强烈,为典型燥红土。第四纪红土颗粒细,粘粒含量多大于40%,粘土矿物以高岭石和伊利石为主。表层燥红土为中性偏碱性。第四纪红土孔隙度高,孔隙以毛细孔隙为主,透水性较差,土壤持水性好,储水库容大。第四纪红土入渗速率高于元谋组泥岩,为0.6～1.3mm·min-1,水分条件优于元谋组泥岩,天然次生植被多为扭黄茅+车桑子群落。开挖壕沟,造林整地营造的稀树灌草林长势一般。1.2地下水位高,冲积扇薄为砂砾堆积,部分上覆土状堆积物,分布于河流两岸的I级阶地、滩地和支沟沟口的冲积扇,分布面积11339.08hm2。全新统冲洪积物透水性较好,临近河床,地下水位高,土壤水分条件好。原始植被为河谷走廊林,自然乔木植被易于恢复。1.3阶地堆积层地形广泛分布于龙川江两岸Ⅱ～Ⅲ级阶地,其中高出河床70～90m的Ⅲ级阶地最为发育,分布面积10469.36hm2,为土状堆积物+砾石层+基岩的复合岩土类型,砾石层薄者不足3m,厚者可达20m以上;砾石以卵石为主,有时含较多的巨砾,砾石之间为砂质充填,砾石层中有时夹有砂层。土状堆积物遭受了不同程度的红土化,Ⅲ～Ⅳ级阶地红土化强烈,土状堆积物底部发育有铁锰质淀积层。发育保存完好的阶地堆积层坡地的土壤水分和植被特点类似于第四纪红土层,原始植被为稀树草原,次生植被为扭黄茅+车桑子群落。由于后期的侵蚀,部分Ⅲ～Ⅳ阶地的上部土状堆积物保存较差,侵蚀强烈,坚硬的铁锰质泥质层出露地面,降水很难透过铁锰淀积层渗入砾石层,常常是寸草不生的光板地。开挖壕沟造林打破铁锰质淀积层,降水径流可渗入砾石层,砾石层透水层下伏的不透水或弱透水的元谋组泥岩和其它基岩,又起到了隔水层作用,入渗的径流蓄积于砾石层,非常有利于木本植物的吸收利用,元谋阶地堆积物坡地的壕沟造林均取得了成功。1.4元谋组泥岩地层的特点广泛分布于元谋干热河谷诸盆地内的台地地区,分布面积19658.96hm2。台地侵蚀强烈,冲沟发育,除侵蚀轻微、上覆的第四纪红土保存较好的平坦台地外,冲沟两侧坡地的红土层多侵蚀殆尽,泥岩裸露。元谋组泥岩粘粒含量高,大于40%,粘土矿物以蒙脱石为主,膨胀性强,当地俗称膨胀土。元谋组泥岩孔隙度高,以毛细孔隙为主,通气孔隙仅占总孔隙的4%～6%,透水性极差,为极弱透水岩土,入渗速率低,为0.03～0.63mm·min-1,降水入渗浅,土壤水分富集于表层土壤,地面蒸发量损失大,旱季末期,40cm深度内土层的含水量多低于凋萎含水量。元谋组泥岩坡地是一种典型的侵蚀劣地,土壤水分条件极差,土体的膨胀收缩往往拉断植物根系,导致植物死亡,非常不利于植物的生长。泥岩坡地多是历史时期以来强烈侵蚀的产物,上覆的第四纪红土侵蚀殆尽,次生天然植被为稀疏的孔颖草(Bothriochloapertusa)群落(强膨胀土)和扭黄茅群落(中—弱膨胀土)。数十年来的人工造林也基本失败。1.5紫色土的分布为侏罗系、白垩系、老第三系紫红色砂岩、粉砂岩和泥岩,风化土壤为紫色土,龙川江东、西两侧山地均有分布,分布面积41012.16hm2。紫色土以壤质为主,渗透性和持水性均较好。紫色土较深厚的坡地,土壤水分条件较好。紫色土发育保存较差的坡地,土壤水分条件取决于岩性和裂隙发育状况,灌草植被生长茂盛。裂隙发育的砂岩坡地,降水入渗深,适合木本植物的生长;泥岩坡地降水不易入渗,入渗浅,土壤水分条件较差,天然植被多为稀疏低矮乔灌植被,但植被状况多好于泥岩坡地。1.6岩浆岩地层变质岩An∈(m)和岩浆岩An∈(γ)是西山山地的主要出露岩层,分布面积27384.28hm2。变质岩为元古界苴林群,以片岩为主,有少量大理岩、片麻岩;岩浆岩主要为花岗岩,有少量基性、超基性岩。此类岩层裸露坡地的土壤水分的主要特点是,岩层孔隙以裂隙为主,降水入渗深,水分主要储存于裂隙中,植物能够吸收的有效水比例高,土壤水分活跃层深度大,地面蒸发耗水少,其水分状况非常适合根系发达的木本植物的生长。不同裂隙发育程度的岩石入渗能力差异较大(裂隙发育的片岩入渗速率高达1.40～8.67mm·min-1;裂隙不发育的岩层,入渗速率接近于0)。产状陡立、裂隙发育的岩层有利于降水的入渗,天然植被较为茂密,植物根系沿裂隙生长,吸收裂隙中储存的水分,天然植被多为乔灌群落;而破碎程度差、裂隙不发育的岩层则相反,植被基本为以扭黄茅为主的稀疏草丛。第四纪红土厚度对变质岩、岩浆岩坡地的土壤水分性状影响也较大,厚层第四纪红土完全覆盖的平缓坡地,土壤水分条件不适合木本植物群落的生长,天然植被为地带性稀树草原类型。元谋干热河谷各类岩土的分布见图1。2热河谷区气候特点元谋干热河谷气候垂直分带明显,海拔1600m以下的干热河谷区可分为3个明显的气候带:Ⅰ.燥热区(海拔1100m以下);Ⅱ.较燥热区(海拔1100～1350m);Ⅲ.干热区(海拔1350～1600m)(图2)。2.1极低气温温度本区为龙川江下游和金沙江沿岸河谷地带,面积14491.12hm2,年均温22.8℃,极端最高气温43℃,极端最低气温-0.8℃,最热月(5月)均温27.2℃,最冷月(12月)均温15.4℃,≥10℃积温达8001.5℃。年降水量520～590mm,年蒸发量4000～4300mm,无霜期360～365d。2.2温、湿度、光照本区为龙川江两岸下部山地的谷地地带,面积61253.84hm2,多年平均气温21.7℃,最热月(5月)均温27.1℃,极端最高气温43℃,最冷月(12月)均温14.9℃,极端最低气温-2.1～0.1℃;≥10℃的积温7996℃;无霜期350～365d;年日照时数2550～2744h,日照百分率为60%;年降水量623.95mm,年蒸发量3507.2mm。2.3温2.555555510510510101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010.9.7101010101010101010.5101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010.51010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010本区为龙川江两岸中部山地,面积36790.2hm2,多年平均气温15.8～17.3℃,最热月均温24.1～25.5℃,最冷月(12月)均温9.0～11.0℃,极端最高气温33.5～35.3℃,极端最高气温43℃,极端最低气温-5.1～-3.6℃,≥10℃积温5087.5～5790.5℃。年降水量668～740mm,年蒸发量2100mm左右。各气候区中不同类型岩土的分布面积见表1。3植被恢复区依据岩土类型和气候的组合,按是否适宜恢复森林植被(见表2),将元谋干热河谷划分为5个植被恢复类型区。3.1界变质岩an面积24470.6hm2,占全区面积的21.74%。包括3种岩土类型坡地:各气候带的全新统冲积物(Q4),河流两岸的I级阶地、滩地和支沟沟口冲积扇;海拔1100m以上的中、晚更新统阶地堆积物(Q2-3),龙川江两岸Ⅱ～Ⅲ级阶地,其中高出河床70～90m的Ⅲ级阶地最为发育;海拔1350m以上的元古界变质岩(An∈),龙川江西岸海拔1350m以上的山地上部。本区适宜恢复以乔木为主的乔灌草森林植被,植被恢复可进行乔灌草混交,混交模式为:乔木——赤桉(Eucalyptuscamalulensis)、台湾相思(Acaciaconfusa)、滇合欢(Albizziamollis)、山麻柳(Tremaangustifolia)等+灌木——新银合欢(Leucacnaglauca)、木豆(Cajanuscajan)、山毛豆(Tephrosiacandida)、余甘子(Phyllanthusemblica)、金合欢(Acaciafarnesiana)、车桑子(Dodonaeariscosa)等+草本——大翼豆(Macroptiliumatrepurpureum)、香根草(Vetiveriazizanioides)、龙须草(Rvolvulusalsinoidesvar.dacumbens)等。按1行乔木、1～3行灌木进行配置,行间种草,种植规格为乔木:6～12m×3m,灌木:3～4m×2m。3.2元古界变质岩和岩浆岩结合的水土保持混交植被模式面积48504.88hm2,占全区面积的43.1%。包括4种岩土类型坡地:海拔1350m以上的中生界和老第三系紫色砂泥岩(E-T),元谋东山、马头山及西山部分山地;海拔1100～1350m的元古界变质岩和岩浆岩(An∈),龙川江西岸的部分山地;海拔1100m以下的中、晚更新统阶地堆积物(Q2-3),龙川江下游及金沙江沿岸的河流阶地。本区适合恢复以大灌木为主的灌乔草森林植被,植被恢复可进行灌乔草混交,混交模式为:灌木——新银合欢、油桐(Jatrophacurcas)、木豆、山毛豆、余甘子、金合欢、车桑子等+乔木——赤桉、台湾相思、滇合欢等+草本——大翼豆、香根草、龙须草等。按1行乔木、3～5行灌木进行配置,行间种草,种植规格为乔木:12～20m×4m,灌木:3～5m×2m。3.3早更新统元谋组—森林植被恢复较不适宜区面积23027.8hm2,占全区面积的20.46%。包括4种岩土类型坡地:海拔1350m以下的中生界和老第三系紫色砂泥岩(E-T),元谋东山山地下部;海拔1350m以上的早更新统元谋组和晚更新统龙街组半成岩砂泥岩(QL),南部老城乡一带高台地;海拔1100m以上的厚层第四纪红土(QS);海拔1100m以下的元古界变质岩和岩浆岩(An∈)。本区已不太适宜恢复森林植被,只宜恢复以灌草为主的稀树灌草植被。植被恢复可进行灌草乔混交,混交模式为:灌木——新银合欢、油桐、山毛豆、余甘子、金合欢、车桑子、木豆等+草本——大翼豆、香根草、龙须草等+乔木——赤桉、台湾相思、滇合欢等。按1行乔木、5～10行灌木进行配置,行间种草,种植规格为乔木:2～2.5m×8m,灌木:3～5m×2m。3.4元谋盆地内的下海带面积14704.48hm2,占全区面积的13.07%。包括2种岩土类型坡地:海拔1100～1350m的早更新统元谋组和晚更新统龙街组半成岩砂泥岩(QL),元谋组分布于元谋盆地内的台地区,龙街组分布于龙川江下游和金沙江沿岸;海拔1100～1