不同结皮破坏对退化梭梭林地土壤水分及梭梭生长的影响

王方琳 张锦春 纪永福 陈芳 丁峰 刘有军 王吉金

作者简介： 王方琳（1985-），女，甘肃天水人，本科，研究实习员。主要从事荒漠生态与荒漠化防治研究。E-mail:wangfanglin2008@163.com张锦春为通讯作者。

摘要: 在甘肃民勤对20世纪60年代建植的人工梭梭林进行植被恢复研究试验，结果表明，结皮破坏可以增加林地水分入渗深度, 降低地表径流，提高土壤含水率，对退化梭梭有恢复作用。3种改造措施中，土壤水分储存效果以处理Ⅰ和处理Ⅱ较好；结皮的存在易造成坡面径流，而结皮破坏则阻止了坡面径流的产生，并增加了土壤水分入渗；退化梭梭恢复以处理Ⅰ和处理Ⅱ梭梭的枝条成活率最大，达到6.67 %，新枝枝数、枝长、基部粗度以处理Ⅰ占优势；新结皮形成方面，处理Ⅰ不易形成新结皮，处理Ⅰ，处理Ⅱ和处理Ⅲ形成的新结皮厚度分别为0.22 cm，0.27 cm和0.38 cm。

关键词: 甘肃民勤；结皮破坏；退化人工梭梭林；植被恢复

中图分类号： S 714;S 793.05文献标识码： A文章编号： 1009-5500(2011)04-0056-05

土壤结皮是土壤表面由苔藓、地衣、藻类、细菌等生物组分以及土壤颗粒等物质共同形成的一个复合体。在广阔的干旱沙漠地区,流动沙丘向固定沙丘演变过程中,地表会形成结皮,结皮层的出现,有效地阻止了流沙的移动。诸多研究表明^[1-5]，沙丘表面结皮一方面使得大气降水入渗减少，另一方面地表蒸发增强。出现这种现象的原因是微生物结皮会完全关闭沙面的导水孔隙，影响降水入渗；同时，当降水较少时，由于结皮层的吸水能力强，水分被固持在结皮层，很快蒸发到空气中；当降水较大时则形成径流流失。这样，结皮限制了水分下渗，使植物深层根系得不到水分补给，土壤水分状况恶化，土壤干旱加剧，加速了深根系植物梭梭种群衰败^[1，5，6]。因此，有效减少径流、增加降水入渗是该类区域促进有限降水充分利用、深根系植物生长和生态恢复的重要措施。已有研究中，陈荣毅等^[7] 认为结皮影响种子植物多样性的机理主要在于发育后期的生物土壤结皮会降低土壤种子库，也会抑制多数

种类种子萌发，夏秋季结皮深层土壤水分的减少也不利于深根植物的生存，但结皮土壤拥有相对较高的养分条件却能保证一年生短命植物生长和生存。龙利群等^[8]对沙波头沙面结皮研究发现，结皮的存在有利于一年生草本植物的幼苗成活。这些研究共同表明，结皮的存在有利于一年生植物生长，但同时限制了深根系植物生长。近年来以人工灌溉、模拟降水、雨水集流等措施开展退化梭梭林恢复技术试验报道较多^[6-8]，但由于区域水资源缺乏，立地条件复杂多变，梭梭种群灌溉恢复技术不可能大面积推广应用，开展实用有效的人工梭梭种群恢复技术依然是当前研究的重点和难点。因此，以退化梭梭林地结皮不同破坏试验探明沙丘不同结皮破坏对土壤含水率及水分入渗、对退化梭梭生长恢复状况及新结皮形成的影响，旨在为梭梭种群雨养恢复提供技术及理论支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于甘肃河西走廊东北部的民勤县，地处石羊河下游的腾格里沙漠西缘，地理位置E 102°02′～104°02′E ,N 38°05′～39°06′。民勤县东、北、西三面环沙，沙漠、戈壁、盐碱滩地占全县总土地面积的94.2%，属典型荒漠地区。气候为典型的大陆干旱型气候，1961～2004年平均气温7.7 ℃；年平均降水量115.9 mm，年蒸發量为2 452.7 mm；主导风向多以西北风（NW），平均风速2.4 cm/s，最大风速为23.0 m/s。近年民勤地下水位急剧下降，由20世纪50年代1～3 m下降至目前的20 cm。20世纪50～80年代，民勤境内人工梭梭林90 000 hm2,分布立地类型有流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、丘间平滩地、风蚀残积山坡、山前洪积扇、平缓假戈壁等，其中，流动沙丘、固定沙丘、半固定沙丘上分布的梭梭较多，占民勤梭梭林面积的97.56%，是民勤梭梭林防风固沙的主体，梭梭林保存密度320～350株/hm2。

1.2 试验设计与方法

2008年8月以民勤治沙综合试验站14号井的退化梭梭林地作为样地进行了调查及试验，样地是20世纪60年代设置间距为4 m的粘性土沙障，初植密度为4 m×2 m，样地为坡度约15°的沙丘坡面，坡长100 m，宽度为50 m，沙丘坡面已全部形成结皮，结皮厚度为0.5～1 cm，样方10 m×10 m。样地设3种方式的结皮破坏处理：Ⅰ 100%去除结皮处理，即去除梭梭林地全部结皮使其成为裸沙地表；Ⅱ50%带状去除结皮处理，沿沙丘等高线去除样方下半部分的结皮使其成为裸沙地表，保留上半部分的结皮；Ⅲ100%碎结皮处理，采用机械措施将结皮完全破碎，但不移除。每种结皮处理分别在沙丘的坡顶、坡腰、坡脚各设3个重复处理，以不破坏结皮作为对照处理(CK)。每个处理选择3株中心位置的梭梭作为观测样株，距每株观测样株基部50 cm处安装中子仪水分测管，测定不同降水条件下林地土壤水分状况，测定深度200 cm，每20 cm为一层，每次降水后以24 h为时间段进行样地内梭梭林地土壤水分连续观测，根据降水量大小可连续观测1～5次，同时在每月月底加测1次林地土壤水分；梭梭生长及新结皮形成情况于每年秋季（9月底）调查。主要调查当年生枝条的长度、个数、枝条基部的粗度，枝级以及枝上成活枝与死亡枝的比例等，结皮厚度用游标卡尺测量。枝级调查按植株分枝发育顺序的离心法^[10]来确定，从根茎处开始长出的作为一级枝，一级枝上分出的枝为二级枝，即两个二级枝相遇处为一级枝，二级枝再分出的作为三级枝，以此类推。

2 结果与分析

2.1 结皮破坏对梭梭林地土壤水分入渗的影响

2.1.1 小降水条件下土壤水分入渗规律 试验小降水指结皮地表没有形成地表径流的降水。历时40 min、降水强度分为0.025 mm/min和0.035 mm/min，总降水量为1 mm和1.4 mm的小降水事件中降水1 d后土壤水分含水率分布（图1）。土壤水分变化主要集中在表层20 cm范围内，表层土壤含水率处理Ⅰ最高，处理Ⅱ与处理Ⅲ居中，对照最低。由于降水量小，水分在地表20 cm以内入渗浅层化，20 cm以下水分趋势线变化趋于平缓，土壤水分基本没形成明显入渗现象。

2.1.2 大降水条件下土壤水分入渗 试验大降水指结皮地表能够形成地表径流的降水。历时200 min降水强度0.15 mm/min，总降水量为30 mm的降水条件下不同结皮破坏处理水分变化（图2），本次强降水后连续4 d所测的数据具有相同的变化趋势，即各处理水分入渗变化趋势线中各出现一个水分较高拐点和一个水分低谷点。较高拐点是因为在拐点处存在粘土层，有关粘土层对水分的影响已有报道^[11]，粘土层土壤保存有大量水分，拐点值的大小表明其所具有的水分贮存量；低谷点主要由粘土与沙土的不同持水性能造成。

图1 1 mm和1.4 mm降水条件下结皮破坏对梭梭林地土壤水分入渗的影响

Fig.1 The soil moisture of Haloxylon community with crust-breaking treatment under 1 mm and 1.4 mm precipitation

图2 30 mm降水条件下不同结皮破坏处理水分变化

Fig.2 The soil moisture of Haloxylon community with crust-breaking treatment under 20 mm precipitation

对照与对应相同测量层次各处理间水分含水率在0.05 的水平上进行差异显著性检验（表2），在0～20 cm的表层对照与100%去除结皮处理和50%带状

去除结皮处理差异显著，说明在接收降水的效率上100%去除结皮处理和50%带状去除结皮处理效果明显，能在降水之际接受较多水分；在20～40 cm层次

表2 对照与各处理差异分析

Table 2 Difference analysis among treatments

注：显著水平0.05；F临界值=5.987 378

上，对照与处理Ⅲ差异显著，处理Ⅰ与Ⅱ达到极显著；在40～60 cm及60～80 cm层次上对照与处理Ⅲ差异不显著，但与处理Ⅰ与Ⅱ差异极显著；

80 cm以下对照与各处理差异皆不显著，这与降水入渗范围有关。处理Ⅲ与对照差异不显著，其原因为破碎结皮处理中结皮破坏后易于形成新的结皮，地表质地依然比较紧密，限制了水分下渗，而去除结皮的2个处理相对有粗造的地表，难于形成坡面径流，促进了水分入渗有关。处理Ⅰ和处理Ⅱ在水分入渗上具有明显加强效果。

2.2 结皮破坏及梭梭构件生长

不同结皮破坏处理下梭梭构件调查（表3），成活枝与死亡枝以处理Ⅰ最大，其次，为处理Ⅱ，对照和处理Ⅲ最小；梭梭枝条平均成活率以处理Ⅰ和处理Ⅱ最好，成活率近66.67%，其次，处理Ⅰ成活率达到60%，对照处理成活状况最差，只有37.33%。不同的结皮破坏中新枝生长状况变化较大，处理Ⅰ新枝数量最多，2年生枝条上着生新枝平均数为54.33个，其次为处理Ⅱ46个和处理Ⅲ41.67个，对照新枝个数仅为27.11个；新枝基部粗度变化不明显，但处理Ⅰ基部最粗，达0.14 cm；新枝长度处理Ⅰ也高于其他处理及对照，达20.65 cm。除梭梭一、二、三各级分枝成活比例外，无论从新枝枝数、枝长，基部粗度各方面来看，均以对照生长状况最差，这与测得的林地土壤水分状况相一致。从新结皮形成方面来分析，处理Ⅰ和处理Ⅱ形成的新结皮厚度分别为0.22 cm和0.27 cm ,处理Ⅲ形成的新结皮厚度达到0.38 cm。相比较而言，处理Ⅰ和处理Ⅱ相对不易形成新结皮，降水入渗较多，林地水分状况较好，有利于梭梭新枝生长，处理Ⅲ形成的新结皮较厚，降水截留量较大，引起林地水分状况相对较差，对梭梭的生长产生了一定的影响。

表3 不同结皮破坏对梭梭构件生长的影响

Table 3 The effect of soil crust breaking on the growth of Haloxylon ammodendron

3 讨论与小结

（1）不同结皮破坏对土壤水分的影响当降水量较小时，水分变化主要集中在20 cm层次内，20 cm以下各种处理水分变化趋势线和对照一致；降水量较大时，处理Ⅰ和处理Ⅱ在水分入渗上具有明显加强效果。

（2）不同结皮破坏处理下退化梭梭生长表明，处理Ⅰ和处理Ⅱ下梭梭的枝条成活率最大，达66.67%，处理Ⅲ60%，对照只有37.33%；新枝枝数、枝长、基部粗度生长也均以处理Ⅰ占优势，分别为54.33个，20.65 cm和0.14 cm，这种现象与试验所测的林地土壤水分状况相一致；新结皮形成方面，處理Ⅰ和处理Ⅱ形成的新结皮厚度分别为0.22 cm和0.27 cm，处理Ⅲ形成的新结皮达0.38 cm，已接近原有结皮厚度。

参考文献：

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Effects of soil crust breaking on soil moisture and growth of degraded Haloxylon ammodendron community

WANG Fang-lin1,ZHANG Jin-chun1,JI Yong-fu1,CHEN Fang1,DING Feng1,LIU You-jun1,WANG Ji-jin2

(1. Key Laboratory for Desertification Combating of Gansu Province,Gansu Desert Control Research Institute,Lanzhou 730070,China; 2. Forestry Bureau of Tianzhu County，Tianzhu 733300,China)

Abstract: The restoration experiment of degraded Haloxylon ammodendron community was conducted with the Haloxylon ammodendron community established in Minqin County in 1960s.The result showed that the soil crust could be broken to increase the depth of water infiltration,reduce the run-off,increase the soil moisture.The best treatment was 100% crust-removed,and it was followed by the treatment of 50% crust-removed.The effect of water infiltration tends to be greater with the increased precipitation.The branches survival reached 66.67% in the 100% crust-removed treatment and 60% in the 50% crust-removed treatment.The depths of soil crust were 0.22 cm,0.27 cm and 0.38 cm for treatment 1,2 and 3 respectively after the treatment was applied.

Key words: Minqin;crust breaking;degraded Haloxylon ammodendron community;vegetation restoration