文章信息
- 费世民, 向成华.
- Fei Shimin, Xiang Chenghua.
- 四川盆地丘陵区坡地农林复合系统内部结构和系统综合效能的研究
- STUDIES ON THE INTERNAL STRUCTURE AND THE SYNTHETICAL EFFICIENCIES OF AGROFORESTRY SYSTEM ON SLOPE IN THE HILLY REGION OF SICHUAN BASIN
- 林业科学, 2000, 36(3): 33-39.
- Scientia Silvae Sinicae, 2000, 36(3): 33-39.
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文章历史
- 收稿日期:1997-09-30
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作者相关文章
四川盆地丘陵区面积约6.6×104 km2, 耕地面积4.5036×106 hm2, 是我省粮、油、棉的主要产区, 农业垦殖指数高达50%~65%, 农林交错镶嵌, 农、林争地矛盾严重; 人口稠密, 密度高达500~700人/km2, 人地矛盾尖锐; 林业生产十分薄弱, 加之人为不合理开发利用自然资源, 森林覆盖率低, 导致旱涝灾害频繁, 生态环境脆弱, 水土流失严重, 成为我省极强度土壤侵蚀区域(费世民, 1993)。该区丘陵坡地面积占绝大部分已开垦耕作形成林地和旱地交错从坡顶到坡麓呈林地旱地台土林地—旱地台土—林地的农林复合系统结构, 旱地台土一般有3~5台; 同时, 坡地上的林地面积占该区林业用地面积的90%以上, 旱地面积占该区旱地面积的95%以上。因此, 坡地农林复合系统建设是该区农林复合经营的主要内容, 对于控制水土流失, 特别是治理该区水土流失严重的坡耕地, 抗御旱涝灾害, 保证农业生产, 促进农区经济可持续发展都具有极其重要的战略意义。
1 研究区概况研究区设在四川省简阳市境内的清水河小流域, 位于东经104°45′~104°48′, 北纬30°24′~30°31′之间, 幅员面积42.95 km2, 海拔394 m~450 m, 属典型的丘陵地貌; 地处亚热带季风性湿润气候区, 是川东干旱区和川西洪涝区的过渡地带; 年均气温17.1℃, 年均日照1250.9 h, 年总辐射量3806 mJ/m3, 属全国日照低值区; 年均降雨量882.9 mm, 分布不均, 5~9月降雨量占全年的70%以上, 常发生洪涝灾害; 年蒸发量900 mm~1200 mm, 常年出现春旱频率66%, 夏旱72%, 伏旱73%, 常出现春旱、夏旱、伏旱连续发生。土壤为紫色土, 是一种典型的岩成土, 母岩结构疏松, 易热胀冷缩, 风化强烈, 成土速度快, 土壤粘结性能差, 团粒结构少, 易遭受雨水冲刷, 蓄水保土能力弱, 水土流失严重(费世民, 1993)。
该区属我国亚热带常绿阔叶林地带, 由于长期受人为干扰破坏, 原生自然植被已不复存在, 形成大面积的次生植被。坡地森林类型主要为人工林即柏木或墨西哥柏(Cupressus funebris或C.lusianica)林、桤木(Alnus cremastogyne)墨西哥柏(C.lusianica)混交林、栓皮栎(Quercus variabilis)柏木混交林、桤木林和马桑(Coriaria sinica)灌木林等, 林下主要有马桑、黄荆(Vitex negunea)、蔷薇(Rosa spp.)、白茅(Impereta cylindrica)和莎草(Cyperus spp.)等; 坡地农作物有小麦(Triticum aestirum)、玉米(Zea mays)、红苕(Ipomoea batatas)、棉花(Gossyrium hirsutum)和蚕豆(Vicia faba)等。
坡地坡度10°~25°, 林带处于旱地地边坡坎(一般坡度在20°以上)上, 旱地台土比较平坦(坡度在0°~15°之间)。林带与旱地台土交错, 呈阶梯状, 构成独具特色的坡地农林复合系统。
2 研究方法 2.1 小气候因子测定主要包括辐射、光照、温度(气温、土温)、湿度、风速、风向等因子的观测(潘守文, 1989)。
2.1.1 测点选择根据林带不同走向、带间距离大小而定, 重点选择在丘体阳坡面; 在林带间水平方向上, 以林带平均高为准, 距林带0 m、5 m、10 m、15 m、-15 m、-10 m、-5 m分别设观测点; 在垂直方向上, 按农作物高度而定, 在农作物层面上设立一测点, 在距地表 15 cm处设立一测点。同时, 选择地形地势条件十分接近、坡度、坡向、盛行风基本一致的地段, 进行对照观测。
2.1.2 测定项目天空辐射强度、光照强度、空气温度(15 cm处温度、农作物层面温度)、地面温度、地面最高温度、地面最低温度、土壤温度(-5 cm、-10 cm、-15 cm、-20 cm、-25 cm处温度)等。
2.1.3 时间安排选择该区的干旱季节(5~7月)分月进行测定, 每次观测3~5天, 选择典型天气, 每天从8点至18点每隔2小时观测一次。
2.2 林分生物量测定在林分内设置100 m2的样地, 进行每木检尺, 同时测定树高、冠幅、郁闭度、灌草层盖度等林分结构因子; 选取8~16株标准木, 采用分层切割法测定林分干、枝、叶和根的生物量(木村允, 1981)。
2.3 灌、草层生物量的测定在林下设置1 m×1 m的灌木样方和1 m×1 m的草本样方各5个, 采取全挖法测定灌木和草本生物量(木村允, 1981)。
2.4 植物养分测定在林分内设置100 m2标准地, 选择平均木3~5株, 于生长停止期分别采集林木各部分(干、枝、叶、根)分析样品, 同时采集灌木各部分(茎、枝、叶、根)分析样品、草本地上部分和地下部分样品; 在农作物地内设置样方混合取样分别采集茎枝叶根样品化学分析方法全用半微量凯氏定氮法全用钼锑比色法, 全K用火焰光度法(中华人民共和国标准局, 1987)。
2.5 农作物产量和生物量测定(木村允, 1981; 阿尔·康斯坦季诺夫等, 1983)在农作物收获期, 按距林带0.5H、1H、1.5H、2H、2.5H、3H、3.5H…… (H为林带平均高), 设置样点, 每个样点设50 cm×50 cm的样方2~3个, 采取全挖法测定农作物生物量(费世民, 1993); 同时测定产量。各农作物品种:小麦为绵阳19号, 玉米为邯郸4号, 红薯为徐薯18号, 棉花为川杂1号, 花生为川府3号, 西瓜为郑杂5号, 蚕豆为成胡12号和油菜为川油12号。
2.6 投入产出调查不同台土农地和复种方式的人工、有机肥、无机肥、农药、种子等投入以及各种农作物的产出是通过试验区25户中等经营水平的农户取得:各项折能系数来自文献(四川省科学技术协会等, 1981), 各项价格取自简阳市1993年各项农村经济系统年报价格。
3 结果与分析坡地农林复合系统是由水土保持林带与农地旱作物构成的, 在结构上和功能上有别于平原区农林复合系统或农林间作系统, 林带与农作物呈阶梯状交替组合, 既要控制水土流失, 又要改善坡地农地生态环境, 抗御干旱灾害; 同时还要使农林协调发展, 达到林茂粮丰的目的(费世民, 1993; 熊文愈等, 1992; 冯宗炜等, 1992)。由于地形的影响, 使得坡地农林复合系统内部因子变化大, 为此, 必须从系统内部结构上进行综合研究, 才能使坡地农林复合系统优化。
3.1 坡地农林复合系统内部结构坡地农林复合系统中林带对农作物的影响分正、负效应。研究表明(费世民, 1998): (1)正效应表现在林带的水土保持与截流防蚀、改善农地小气候、改良土壤、增强抗旱抗病虫害能力等方面, 随林带间距离由大到小, 林带对农地小气候改善的程度由小到大; 林带的水土保持作用, 随林带间距离减小即坡地系统中森林面积的增加而增大。说明林带间距离愈小, 其林带对农作物的正效应愈明显。(2)负效应表现在林带地上部分对农作物“光胁地”作用, 而地下部分由于存在边沟与背沟, 林木与农作物不存在水、肥竞争。“光胁地”导致胁地农作物减产, 在1倍林带高范围之内农作物减产最严重。因此, 林带间距离大小导致农作物产量分布格局的变化, 一方面, 随林带间距增大, 当正效应大于负效应时, 农作物增产作用明显; 但到一定程度后, 正效应等于负效应, 其增产作用消失, 当林带间距进一步增大, 林带对农作物的正效应消失。另一方面, 随林带间距离变小, 林带对农作物的正效应愈明显, 对农作物生长有利, 但到一定程度后, 当正效应小于负效应时, 林带对农作物的“光胁地”作用增强, 导致系统农作物减产。所以说, 坡地农林复合系统内部结构即林带间距离的确定应依据正、负效应的变化。具体地说, 该区坡地农林复合系统的林带间距离应依据林带间散射辐射分布规律、农地水土流失特征和农作物产量分布格局等来确定(费世民, 1994)。由于该区以农业生产为主, 土地资源极为有限, 坡地农林复合系统中林带不宜过多, 因此, 坡地林带间距离大小的确定对该区坡地农林复合系统建设有十分重要的意义, 主要解决两个方面的问题:一是农林争地的矛盾, 二是林对农的“正”“负”效应。
3.1.1 从天空散射辐射规律的角度确定林带间距离光能的合理分布是农林复合系统中林木与农作物之间减少竞争, 分化生态位的体现, 是取得林粮双丰收的前提。众所周知, 林木对直射光有遮荫作用, 对散射辐射也有影响。林带间距离的变化, 对直接辐射影响不大, 而对农作物接受散射辐射的影响较大, 导致对农地农作物总产量的影响。在四川盆地浅丘区, 天空散射辐射占总辐射的55%~60%, 散射辐射中波长较短的是蓝、紫光较多。据天空散射辐射规律研究分析(费世民, 1993), 推导出对于林带间任意一点处的平均相对辐照度I的公式如下:
(1) |
式中, I为平均相对辐照度; n为林带间距离为林带平均高(H)的倍数; r为坡面坡度
由式可知, I只与n和r有关, 与其它因子无关。当n和r改变时,I也相应发生变化(见表 1):
随n的增大, I相应增强, 其增加的趋势呈对数曲线, 即n在0到3之间增加幅度较大, 其后增加的幅度较少, 即I的增加的速率改变, 形成了拐点。这说明林带的“光胁地”一般在此范围以内。
当I>0.8时, 可以认为林带对农作物的影响已忽略不计, 因此, 在设计农林复合系统中林带布局时, 通常以0.8作为设计两林带间距离的最佳参考点, 那么, r=10, n=8;r=15, n=10;r=20, n=20;r=25, n>30。但在四川盆地丘陵区坡地坡度r值在10~25之间, 坡地农林复合系统中n实际值不可能超过6。因此, 该区农林复合系统中两林带间距离不能以I>0.8为设计参考。同时, 也可以看出, 当r>25时, I已小于0.8, 若n=6, 则I已小于0.7, 此时, 林带间的辐照条件已对农作物生长发育产生很大影响, 说明在坡度大于25°的陡坡耕地上已不适宜种植农作物了, 这也证实了“25°以上的陡坡耕地必须退耕还林”的观点。由表 1可知, 若I<0.6, 林带的“光胁地”影响作用增大, 林带间的辐照条件已不能满足农作物生长发育的需要, 此时, n<3。
因此, 从该区生产实际出发, 趋利避害, 坡地林带间距离最小应不小于3倍林带平均高; 同时, 对于林带的“光胁地”区, 在农作物品种选择上, 考虑适当选择耐阴性植物为宜。
3.1.2 从农地水土流失确定林带间距离丘陵农区坡地农林复合系统的最主要功能是保持水土, 防止侵蚀。根据农耕地水土流失特征(表 2), Mohammad H.Hussein等(1992)提出计算坡地梯田宽度的计算公式(2), 该式有几个假定条件:地表水区为均匀坡度; 稳定状态侵蚀、淤积条件; 推移质淤积搬运。
(2) |
由此可得:
(3) |
式(2)、(3)中, λ为农耕地水平宽度即林带间的距离(m); T1为容许极限(Tolerance limit), 相当于最大容许土壤流失量(g); Vu为年径流深(m); Vp为最大径流量(m3); T2为24h暴雨土壤流失量(g/m2)。
由式(3)计算得表 3可知, 在浅丘区横坡耕作, 其农地宽度应达33.29 m, 这与日本梯田设计标准30 m较接近。而顺坡耕作的农地宽度近100 m, 其宽度在浅丘区现实中是不可能找到的, 所以, 在坡地农复合系统设计中两林带间距应在33 m左右。以林带高H=10 m, 则林带间距应为3.3H。
农作物产量分布特征是林带对农作物生长发育影响的结果, 农作物产量高低是林带间距离大小效果的最终反映。
根据农作物在林带间的产量分布特征等研究(向成华等, 1993; 阿尔·康斯坦季诺夫等, 1983), 设林带平均高H, 林带长L, 林带间距离为nH, 两林带“光胁地” (附近1倍树高)减产区的产量为W1、W2, 增产区的产量为W′, 对照地产量为W。那么, 以不减产为标准, 则有:
由此得:
其中W′-W1, W′-W2为减产区的平均减产量, W-W′为增产区的平均增产量, 则有:
(4) |
其中PW1, PW2分别为减产区的平均减产率, PW为增产的平均产率。
根据实测资料:在15度坡地上, 平均减产率PW1=10.3%, 平均减产率PW2=13.5%, 平均增产率PW=21.3%;由式(4)计算出:
由此可知, 坡地农林复合系统中林带间距离最少应不少3倍林带平均高, 才能保证农作物不减产。
综上所述, 由于该区农林业生产以农业为主, 人-地矛盾和农林争地矛盾突出, 因此, 坡地林带的合理布局是建立坡地农林复合系统的关键。为此, 从趋利避害的角度, 在保证农地农作物不减产的条件下, 林带间距离应不少于3H即3倍林带平均高。在该区生产实际中, 对于林带间距离小于3H的, 应采取调整、改造措施, 一是对林带进行“矮化”或“疏化”措施(费世民, 1994)。“矮化”措施即砍去乔木, 形成灌草结构或改造有经济价值的灌木、草本, 使其灌草化; “疏化”措施即对林带进行强度透光疏伐, 增加林带的透光程度; 达到减小“光胁地”面积, 提高产量, 保持水土的目的。二是选择耐荫性植物(农作物或药用植物), 因势利导, 合理调整种植方式, 增加农民的经济收益(费世民, 1994)。这样, 既保持水土、改善农田生态环境, 又保障了农区的粮食生产, 达到林茂粮丰的目的。
3.2 坡地农林复合系统综合效能根据上述研究结果, 在本试验区内选择典型坡地农林复合系统进行改造, 形成以乔(柏木)———灌(马桑)———草为主体的林带与农作物组合, 林带间距离控制在30 m以上的复合系统。
3.2.1 系统结构系统结构从丘麓到丘顶呈:林带——台土农地——林带——二台土农地——林带——三台土农地——林带——四台土农地——林带(片林)的阶梯状分布。坡地坡向为西南向(SW), 坡度为25°; 林带间宽30 m左右, 林带位于陡坡坎上, 坡坎坡度为30°, 林带自身水平宽5-20 m, 林带结构为柏木—马桑—草层次结构, 林龄为26年; 农作物为小麦、玉米、红苕等。一台地林带位于丘坡下部, 郁闭度为0.75, 林木平均胸径为6.7 cm, 平均树高为7.3 m; 二台地林带位于丘坡中下部, 郁闭度为0.7, 平均胸径为6.3 cm, 平均树高为6.0 m; 三台地林带位于丘坡中上部, 郁闭度为0.7, 平均胸径为5.9 cm, 平均树高为6.7 m; 四台地林带位于丘坡上部, 郁闭度为0.65, 平均胸径为6.2 cm, 平均树高为6.4 m。为了对比研究, 选择坡度、坡向和丘体高度基本一致, 台地数量与农作物相同, 且在同一位置经营管理水平相同的坡地作为对照区, 台土坎上基本无高大乔木。
3.2.2 系统生物量和生产力根据以上农林复合系统的结构特征, 通过各林带和农作物的生物生产力的测定(费世民, 1993), 计算出农林复合系统和对照农地系统的生物量和生产力, 见下表 4。
由表 4可以看出, 无论复合系统还是对照农地系统, 从一台土到四台土, 随台位上升, 生物量和生产力均呈下降趋势, 这是由于林地立地和农地土壤条件差异所致。因此, 四川盆地丘陵农区在生产上应采取高台土土壤改良措施, 以提高土地生产力; 与对照系统相比, 复合系统生物量是对照的4.24倍, 复合系统生产力比对照高9.7%, 可见复合系统具有明显的生物量积累效应和较大的生物生产潜力。因此农林复合系统能够充分利用自然资源挖掘土地生产潜力提高土地生产力。
3.2.3 系统综合效能能流、物流、价值流是生态系统的基本功能, 是维持生态系统结构、功能、效益以及它们之间相互关系的纽带(熊文愈等, 1992; 冯宗炜等, 1992)。农林复合系统是由多年生树木与一年生农作物构成的一种人工生态系统, 由于树木收获周期长, 因而系统输出难以准确计算。为了客观地评价坡地农林复合系统的功能和效益, 通过系统的能流、物流、价值流分析, 提出如下反映系统功能与效益的指标(向成华, 1996a; 1996b)。
光能利用率(Efficiency of light) V1:净利用能与太阳能(生理辐射能)的百分比(%); 能量产投比(Output/input of energy) V2:净利用能与投入辅助能之比; 营养元素产投比(Output/input of nutrient elements) V3:氮、磷、钾总吸收量与总投入量之比; 产值(Output value) V4:系统年生产价值(元/hm2); 纯收益(Net income) V5:产值减去投入价值的差额(元/hm2); 价值产投比(Output/input of value) V6:产值与投入价值之比; 劳动力利用(Utilization of labour force) V7:投入单位面积土地所需人工数量(人/hm2); 劳动力产值(Output value of labour force) V8:增长价值与人工数量之比(元/日·人); 薪材饲料提供能力(Supply ability of firewood) V9:系统提供给社会薪材饲料数量(T/hm2); 木材提供能力(Supply ability of wood) V10:系统提供给社会木材数(m3/hm2)。
测定与计算结果见表 5, 根据复合系统与对照相比表明, 复合系统光能利用率可提高12.09%, 能量产投比可提高19.14%, 说明农林结合提高了辅助能、太阳能的转化率, 有利于系统的能量积累, 增强了系统的稳定性; 复合系统营养元素产投比提高了6.80%, 提高了营养元素的利用率; 复合系统年产值可提高13.74%, 纯收益可提高32.28%, 价值产投比可提高21.96%, 说明坡地农林复合系统可充分挖掘该区土地生产潜力, 充分利用土地资源, 增加经济收入, 提高价值利用率, 有利于集约经营; 复合系统劳动力利用率减少了9.20%, 劳动力产值提高了26.08%, 说明复合系统有利于提高劳动力利用率, 增加农民经济收益, 节约了劳动力, 为其它产业提供剩余劳动力, 带动该区各行各业的发展, 振兴当地农林经济复合系统薪材饲料提供能力可提高22.36%,木材提供能力增加了3.12m3/hm2说明农林结合解决了当地群众缺材少薪问题, 有利于调动群众的生产积极性。
因此, 坡地农林复合系统可提高土地生产力, 劳动生产率, 充分利用自然资源, 取得明显的生态、经济和社会效益, 坡地农林复合系统在四川盆地丘陵区的作用和地位不容低估。
4 结论(1) 四川盆地丘陵区坡地农林复合系统是由水土保持林带与农地旱作物构成的, 在结构上由林带与农作物呈阶梯状交替组合; 在功能上, 既要控制水土流失, 保持水土, 又要改善坡地农地生态环境, 抗御水旱灾害; 同时又要使农林协调发展。因此, 在结构与功能上不同于其它农林复合系统如平原区农林复合系统或农林间作系统, 独具特色。(2)坡地农林复合系统内部结构在于林带间距离大小的确定, 林带间距离应依据林带间散射辐射分布规律、农地水土流失特征和农作物产量分布格局等来确定。由于该区农林业生产特点是以农业生产为主, 人—地矛盾和农林争地矛盾十分突出, 土地资源非常有限, 因此, 坡地林带的合理布局是建立坡地农林复合系统的关键。为此, 从趋利避害的角度, 在保证农地农作物不减产的条件下, 林带间距离应不少于3H即3倍林带平均高。在该区生产实际中, 对于林带间距离小于3H的, 应采取调整、改造措施, 一是对林带进行“矮化”或“疏化”措施, 二是选择耐荫性植物(农作物或药用植物); 这样, 才能既保持水土、改善了农田生态环境, 又保障了农区的粮食生产, 从而达到林茂粮丰的目的。(3)对坡地农林复合系统模式, 从能流、物流、环境流角度提出10个指标, 进行对比分析, 与对照系统相比, 复合系统生物量是对照的4.24倍, 系统生产力比对照高9.7%, 光能利用率可提高12.09%, 能量产投比可提高19.14%, 营养元素产投比提高了6.80%, 纯收益可提高32.28%, 价值产投比可提高21.96%, 劳动力利用率减少了9.20%, 劳动力产值提高了26.08%, 薪材饲料提供能力可提高22.36%, 木材提供能力增加了3.12 m3/hm2; 这表明坡地农林复合系统可提高土地生产力自然资源利用率和劳动力生产率生产社会经济效益显著。
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