桉树人工林间作豆科牧草适应性评价
2014-04-29白昌军虞道耿陈志权刘国道
白昌军 虞道耿 陈志权 刘国道
摘 要 桉树人工林单一种植引起植被多样性减少是普遍存在的问题,间作成为恢复与重建桉树林下植被多样性的重要途径。桉树人工林下间作豆科牧草综合评价结果表明GC1581、GC1517、热研10号和热研2号柱花草牧草产草量达296.54~852.08 kg/hm2,耐干旱,旱季牧草产量占年产草量的18.42%~23.95%,在极端干旱条件下仍保持一定的生长和生物量的积累,植株存活率达50.2%~61.9%,间作牧草在桉树行间形成良好的覆盖层,覆盖度达47.083%~79.252%,适应性强。间作可促进林下植被的恢复,进而促进植被多样性的形成,这对增加桉树人工林的群落组成、形成多层次片层结构有积极意义。
关键词 刚果12号桉;牧草间作;豆科牧草;适应性
中图分类号 S792.39 文献标识码 A
Selection and Evaluation of Adaptability for
Legumes under Silvopastoral Systems
BAI Changjun, YU Daogeng, CHEN Zhiquan, LIU Guodao
Tropical Crops Genetic Resources Institute, CATAS/Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm
Enhancement in Southern China, Ministry of Agriculture, Danzhou, Hainan 571737, China
Abstract The biodiversity of vegetation reduction now are becoming the popular problem in Eucalyptus plantation and intercropping is the important way to restore and reconstruct the biodiversity of Eucalyptus plantation. The preliminary results showed that Stylosanthes guianensis GC1581, Stylosanthes guianensis GC1517, Stylosanthes guianensis cv. Reyan No.10 and Stylosanthes guianensis cv. Reyan No. 2 had the best suitability among legumes intercropped in Eucalyptus plantation and there was higher dry matter yield, from 296.54 kg/hm2 to 852.08 kg/hm2, much more drought resistance also, their survival rate was 50.2% to 61.9%, and the coverage was 47.083% to 79.252%. Intercropping is a good cover layer under Eucalyptus plantation and good adaptability.
Key words Eucalyputus ABL12; Silvopastoral systems; Legumes; Adaptability
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.01.007
桉树属(Eucalyptus L'Her.)为桃金娘科(Myrtaceae)的一个大属,有945个种和变种,自然分布于澳大利亚及其周围岛屿,世界各国于18~19世纪开始引种桉树,随着世界环境问题的加剧和木材资源的短缺,速生的桉树受到人们的重视,普遍将它作为一种多用树种来栽培,现有120个国家商业性栽培桉树,桉树人工林面积接近1 500万hm2,占世界人工林面积的10%[1-2]。桉树于1890年引入中国,至今已有100多年的历史[3-4],已广泛栽植于中国南方的16个省、自治区的约600多个县,人工林面积达154.7万hm2,桉树适应性强、成材快、木材密度大,是造纸工业的好原料,桉木浆已成为世界上增长率最高的商品木浆,以桉树为代表的速生丰产纸浆林正在中国南方迅速发展,中国已成为仅次于巴西的第2个植桉大国[5-7]。
海南岛自20世纪80年代起开始引种和营造桉树人工林,主要分布在海南东北部、西北部和西南部,面积约20万hm2。但桉树的大量种植,尤其是单一种植,造成一系列的生态问题,包括土地退化、生物多样性减少以及人工林地生产力下降等[8-9],因此,国内外都十分重视桉树人工林的生态问题,开展多项研究以解决桉树林的生态问题,其中混作、间作和轮作是恢复林下植被的主要措施。杨国清等[10]曾在年降水1 900 mm的桉树人工林间作山毛豆(Tephrosia candida DC.)、柱花草(Stylosanthes guianensis)、糖蜜草(Melinis minutiflora)等几种复合经营模式,试验证明间作有利于桉树生长,防止地力衰退,其中桉树人工林间作山毛豆的作用尤为明显。随着人口增加、农用地减少和环境保护意识增强,多层次利用幼林实现间作经营,可有效提高土地的利用率,同时促进林地生态系统的健康、有序发展[11-12]。
因此,本研究针对海南桉树人工林下土壤肥力下降、植被多样性降低等问题,在海南西北部浅海沉积物发育的砖红壤土、年降水低于900 mm的刚果12号桉人工林下开展间作豆科牧草的适应性研究,选择适合桉树人工林下间作的优良牧草,为桉树人工林生态系统植被恢复与重建提供可操作性,促进人工林生态系统的健康、有序发展,以期恢复桉树人工林下植被多样性和提高土壤地持续生产力。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试验地概况 试验地位于海南省国营儋州林场新州工业区,位于海南岛西部地区,北纬19°71′~19°88′,东经109°39′~109°53′27″。属热带季风气候,年平均温度23.20 ℃,极端最高温度39.50 ℃,极端最低温度4 ℃,年降水量一般在900 mm,且多集中在7~10月,旱季明显,11月至翌年5月为雨季,蒸发量1 700~2 400 mm,蒸发量大于降水量,干旱少雨,旱季长达6个月。
试验地内桉树人工林林龄6 a,人工林为刚果12号桉树(Eucalyptus 12 ABL),林分密度为1.5~2 m×4 m,株高在18~22 m之间,胸径28.98 cm。由于地处西部干旱区,当地农民有收刮桉树枝叶作为燃料的习惯,林间无枯枝落叶覆盖层,基本无灌木生长,只有少量草本植物如画眉草[Eragrostis pilosa(L.)Beauv.]、纤毛画眉草[Eragrostis ciliata(Roxb.)Nees.]、弓果黍[Cyrtococcum patens(L.)A. Camus]、华三芒草(Aristida chinensis Munro.)、莠狗尾草[Setaria glauca(Linn.)Beauv.]、圆果雀稗(Paspalum orbiculare Forst.)、两耳草(Paspalum conjugatum Berg.)、鼠尾黍(Sporobolus indicus R.Br.)竹节草[Chrysopogon aciculatus(Retz.)Trin.]、假地豆[Desmodium heterocarpon(L.)DC.]、四生臂形草[Brachiaria subquadripara(Trin.)Hitchc.]、含羞草(Mimosa pudica L)和坡柳[Dodonaea viscose(L.)Jacq.]、猪屎豆(Crotalaria mucronata Desv.)等零星分布。
1.1.2 试验地土壤养分状况 试验地土壤为浅海沉积物发育的滨海砂土,试验前采样分析测定土壤养分。在种植6 a的桉树林分,土壤肥力很差(表1)。
1.1.3 林草复合系统间作牧草品种 林草复合系统间作牧草品种13个,见表2。
1.2 方法
采用随机区组设计,设置13个间作类型与对照(不种草)共14个处理,3次重复,小区随机排列。小区为8×6=48 m2,重复距离为1.5 m,小区间距为1.0 m,每小区中间有成行桉树4~6株。无性繁殖装袋育苗移栽,株行距50 cm×50 cm,每区192株。
1.2.1 试验研究方法 参考任继周编著的《草业科学研究方法》,测定牧草干物质产量、覆盖度、植株存活率、长势、分蘖数等指标[13]。
1.2.2 全年产草量及旱季产草量 按表2的刈割高度全区刈割测产,并取样测定其干草产量。种植当年测定1次,其后的第2、3年的2、6、8、10月各测产1次。
本研究以6~11月为雨季,而12月~翌年5月为旱季,试验第2年和第3年旱季测定的牧草产量即为旱季草产量。
1.2.3 牧草覆盖度 采取样线法,随机选取不同方向(平行、垂直、对角线等)重复3次以上测定试验小区牧草在林间的覆盖度。
1.2.4 存活率 在每次测产前或规定时间统计小区植株存活株数。每年调查8次,即2、4、6、7、8、9、10、12各月1次。
1.2.5 长势 根据牧草生长状况,牧草长势按优、良、中、一般、差5个等级分别表示为5、4、3、2、1分,死亡小区长势为0,并用+、-表示0.5的变幅,牧草长势每年调查8次,即2、4、6、7、8、9、10、12各月1次。
1.2.6 分枝数 每次测产前选取具有代表性的存活植株15株,统计各株的分枝数。
1.2.7 抗旱性 采用目测法观察小区内牧草的抗旱程度,牧草抗旱等级分为不抗、一般、中等、抗旱和极抗5个等级分别用1、2、3、4、5分,死亡小区抗旱性为0,并用+、-表示0.5的变幅,牧草长势每年调查8次,即2、4、6、7、8、9、10、12各月1次。
1.2.8 牧草生长速度 牧草在生长季节生物量的积累量,用绝对生长速度(AGR)和相对生长速度(RGR)来表示。绝对生长速度为单位时间内单位面积的净积累量,用g/m2.d表示;相对生长速度为单位生物量单位时间内的净积累量,用g/g.d表示,计算公式分别为:
聚类分析采用欧氏距离、类平均法(UPGMA)聚类,进行适应性综合评价。
1.3 数据的处理与统计分析
原始数据处理、图表的产生等均由Office 2003-Excel 软件处理,用SAS9.2软件进行统计分析[16]。
2 结果与分析
2.1 豆科牧草生物产量
本试验于2002~2004年间共计测产9次,结果表明,桉树人工林间作的豆科牧草的产草量差异极显著(p<0.01)(表2)。在参试的13个豆科牧草品种中,GC1581柱花草产草量最高,其干草产量达852.08 kg/hm2·a,其次为GC1517柱花草和热研10号柱花草,其产草量分别为607.85和588.52 kg/hm2,极显著高于除GC1581柱花草之外的间作草种,GC1579柱花草和热研2号柱花草,其干物质产量分别为339.68和296.54 kg/hm2·a。而光叶落花生、CPI93483落花生、有钩柱花草和热研16号卵叶山蚂蝗表现较差,热研12号平托落花生和色拉特罗大翼豆仅表现微弱的存活,甚至死亡。
丛林草间作系统牧草年生长量来看,间作牧草的年产草量在不同年份表现出很大差异(p<0.01),其中种植第2年的牧草产草量最高,平均为432.11 kg/hm2,比第1年高8.50倍,比第3年高74.84%。间作第1年牧草产草量在很大程度上反映了移栽后牧草的恢复生长情况,从表2可看出,在种植75 d后刈割测产牧草产量较低,其中以GC1517、GC1581、热研10号、有钩、热研2号和GC1579柱花草的产草量最高,极显著高于其它间作草种(F第1年=21.47,p>F<=0.000 1),而其它间作牧草生长缓慢,产草量极低,甚至死亡。种植第2年牧草产量极显著提高,其中GC1581柱花草的产草量最高,为1 506.94 kg/hm2·a,极显著高于其它间作牧草(F第2年=34.90,p>F<0.000 1),其次热研10号、GC1517、GC1579和热研2号柱花草的产草量分别为1 135.66、839.79、687.12、620.28 kg/hm2·a,显著高于其它间作草种,而色拉特罗大翼豆和热研12号平托落花生产草量最差,无法测产。种植第3年由于刈割测产后连续6个月干旱(气象自动记录仪记录试验期年降水量为238.6 mm),植株生长缓慢甚至死亡,但GC1581、GC1517和热研10号柱花草的产草量显著高于其它间作牧草(F第3年=3.38,p>F=0.005 4),其产草量分别为956.34、878.34、537.10 kg/hm2·a,GC1579、Mineirao和热研2号柱花草产草量次之,且在极端干旱条件下开花结籽,自我繁殖更新能力强。
2.2 牧草旱季产草量
表2表明,试验第2和第3年干旱季节牧草产草量差异极显著(F=22.04,p>F<0.000 1),其中以GC1581柱花草最高,其旱季产草量达242.88 kg/hm2·a,极显著高于其它间作牧草,其次热研10号柱花草的旱季产草量达154.04 kg/hm2·a,显著高于除GC1581之外的其它间作草种,GC1517、热研2号、Mineirao和GC1579柱花草次之,其旱季产草量分别为98.57、96.52、65.17、60.91 kg/hm2·a。
参试豆科牧草在干旱季节牧草产量占年产量的比例以热研2号柱花草最高,达23.95%,其次为Mineirao和西卡柱花草,其干旱季节形成的产草量为年产草量的22.52%和22.15%,GC1581和热研10号柱花草分别占年产草量的19.72%和18.42%,而色拉特罗大翼豆、热研12号平托落花生、光叶落花生、CPI93483光叶落花生和热研16号卵叶山蚂蝗在干旱季节仅维持存活,甚至死亡。说明GC1581、热研10号、GC1517和热研2号柱花草适宜在极端干旱的桉树林进行林草间作。
2.3 林间覆盖度
林草间作系统中牧草覆盖度反映了间作牧草对桉树人工林覆盖地面的程度。各间作草种在林间的覆盖度差异极显著(表3,F=26.75,p>F<0.000 1),GC1581柱花草的林间覆盖度达79.252%,是所有参试豆科牧草中覆盖度最高的草种,热研10号柱花草、光叶落花生(广西种)和GC1517柱花草的林间覆盖度次之,其覆盖度在50.625%~68.917%之间,再次有热研2号柱花草、CPI93483光叶落花生、GC1579、西卡、Mineirao柱花草的林间覆盖度分别为47.083%、44.500%、41.875%、35.708%、33.626%,而有钩柱花草、热研16号卵叶山蚂蝗、色拉特罗大翼豆和热研12号平托落花生的覆盖度最低,在5.000%~14.958%之间,林间基本无覆盖。由此说明GC1581、热研10号、GC1517柱花草在林间生长旺盛,其匍匐枝伸展行间扩展能力较强。
2.4 植株存活率
植株存活率不仅反映牧草品种本身繁殖特性的差异,也是牧草对外部环境适应性的体现,同时,植株存活率很大程度上决定了牧草的产草量。桉树林间作牧草的存活率受干旱和遮荫等环境因素的影响较大,林草间作3 a后,各间作草种植株存活率表现极显著差异(表3,F=17.58,p>F≤0.000 1)。所有参试牧草中,光叶落花生、GC1517、热研10号和热研2号柱花草、CPI93483落花生、GC1579、GC1581和西卡柱花草具有较高的存活率,表现出较好的生存能力,其植株存活率在50.2%~61.9%之间,而热研12号平托落花生和有钩柱花草的植株存活率仅18.3%~19.9%,是所有间作豆科牧草中存活率最低的草种,主要由于有钩柱花草为一年生牧草,在极端干旱条件下林间种植自我繁殖能力弱。虽然本试验在种植时采取移栽灌水,但由于试验地在种植后连续干旱,造成种植材料死亡,特别是种植第3年长达6个月干旱,是植株成活率降低的主要原因。
2.5 间作牧草长势
牧草长势评价是在相应环境下对各种牧草生长的较为客观的反映。经对比评价,各草种间存在极显著差异(表3,F=17.01,p>F≤0.000 1)。光叶落花生、热研10号、GC1517、GC1581和热研2号柱花草表现最优,其长势分别为3.40、3.38、3.36、3.28和3.13,极显著优于其它间作草种,而色拉特罗大翼豆、有钩柱花草和热研12号平托落花生的长势最差,几近死亡。
2.6 间作牧草的分枝数
分枝数是在相应环境下牧草适应性及牧草生殖生长的客观反映。在桉树人工林林草间作系统中豆科牧草分枝数较低,虽然各草种之间存在极显著差异(表3,F=7.35,p>F≤0.000 1),但在连续干旱情况下,植株生长缓慢,其中热研10号柱花草、光叶落花生、热研2号、GC1579、GC1517和GC1581柱花草的分枝数较高,为13.86~19.60枝/株,上述草种之间差异不显著,但高于热研16号卵叶山蚂蝗、有钩和Mineirao柱花草、CPI93483落花生、色拉特罗大翼豆、热研12号平托落花生和西卡柱花草,其中西卡柱花草的分枝数最少,仅7.89枝/株,这与其生长特性和在桉树人工林下的干旱、荫蔽等环境有关。
2.7 抗旱性评价
就相对生长速度而言,间作牧草间也存在极显著差异(F=218.39,p>F≤0.000 1),其中GC1581、热研10号、GC1517、GC1579、热研2号、西卡和Mineirao柱花草的相对生长速度较高,其相对生长速度在0.015~0.017 g/g·d之间,极显著高于光叶落花生、CPI93483光叶落花生、有钩柱花草和热研16号卵叶山蚂蝗,后者的相对生长速度分别在0.011~0.013 g/g·d之间。特别是GC1581、热研10号、GC1517、热研2号、Mineirao、GC1579和西卡柱花草在干旱季节的相对生长速度极显著高于间作草种(F=18.97,p>F<0.000 1),说明上述草种相对抗旱,且在极端干旱条件下仍可保持一定的生长,适宜在桉树人工林干旱条件下间作,而色拉特罗大翼豆、热研12号平托落花生、有钩柱花草、和热研16号卵叶山蚂蝗因产草量太低,无法测产,直至最后死亡,不适宜桉树林间作。
2.9 灰色关联局势决策分析方法综合评价牧草适应性
采用灰色关联分析法对桉树人工林林草间作系统的豆科牧草种质进行综合评价,选取牧草干物质产量(X1)、旱季干物质产量(X2)、覆盖度(X3)、植株存活率(X4)、长势(X5)、分枝数(X6)、抗旱性(X7)、绝对生长速度(X8)、相对生长速度(X9)9项指标作为灰色局势决策分析的指标,进行综合评价和排序,研究牧草的适应性,数值越大说明其适应性越强,结果见表5。
灰色关联分析表明,各草种间存在极显著差异(F=16.16,p>F≤0.000 1),GC1581柱花草和热研10号柱花草的适应性最强,其综合测度值达0.964 5和0.819 7,极显著优于其它间作草种,其次GC1517、热研2号和GC1579柱花草的适应性次之,其综合测度值分别达0.724 4、0.619 4和0.596 8,极显著优于除GC1581和热研10号柱花草之外的其它间作草种,光叶落花生、Mineirao、西卡柱花草和CPI93483落花生的适应性一般,而热研16号卵叶山蚂蝗、有钩柱花草、色拉特罗大翼豆和热研12号平托落花生的适应性最差,完全不适应干旱地区桉树人工林下间作。
采用类平均法对上述豆科牧草的9项指标进行聚类分析,表明将Distance=0.820 0时,上述13种豆科牧草聚为4类,第1类只有GC1581柱花草(L7)一种,它最适合在桉树人工林草系统作为间作牧草,其次第2类为热研10号柱花草(L9)、GC1517柱花草(L6)、热研2号柱花草(L4)和GC1579柱花草(L5),这4种牧草在桉树人工林草间作系统中的适应性良好,第3类牧草为西卡柱花草(L1)、Mineirao柱花草(L8)、光叶落花生(L11)和CPI93483光叶落花生(L12),这4种牧草的适应性一般,而第4类为有钩柱花草(L2)、大翼豆(L3)、热研12号平托落花生(L10)和热研16号卵叶山蚂蝗(L13),这4个草种均表现出不适应桉树林草间作系(图1)。这与灰色关联综合评价的结果基本类似。
3 讨论
桉树人工林群落生物多样性往往较其它树种的人工群落低,即使是其混交林的生物群落也较其它树种混交林或纯林的低。桉树人工林消耗了林地土壤养分和水分,影响了地被植物的繁殖和生长,减小和减弱了林下植被的种数和数量[17]。特别是中国在年降水量小于700 mm的地区,林地枯落物被扒走,林地地表裸露,基本没有形成植被和植被种类极少,桉树人工林的物种丰富度、Shannon-wiener指数、Simpson指数均随着连栽代数的增加而减少[18]。因此桉树人工林生态系统的恢复首先是植被的恢复,植被恢复是充分利用土壤--植物复合系统的功能改善局部环境,促进植被多样性的形成。本研究结果证明桉树林下选择耐干旱、耐瘠薄的豆科牧草开展林草间作是一种行之有效的植被恢复技术,其林下间作GC1581、热研10号、GC1517和热研2号柱花草的适应性强,在桉树人工林形成良好的覆盖层,对地表的覆盖度达47.08%~79.25%,有利于植被多样性的形成。
单一栽培的树种通常都造成生物多样性减少,如人工橡胶林(Hevea brasiliensis)、杉木林(Cunninghamia lanceolata)、马尾松林(Pinus massoniana),甚至农作物如甘蔗(Saccharum sinensis)等也是如此。桉树尤其是这样,首先,大面积的桉树人工林群落或人工生态系统取代了其他各种生态系统,使生态系统的类型减少。人工林下物种多样性减少,通常归因于桉树与林下植被在光、养分、水分等方面。陈秋波等[5]研究表明,桉树人工林连栽导致生物多样性下降的原因主要是替代效应、竞争效应、化感效应和继发性人为干扰效应。Beehera等[19]发现,桉树人工林土壤孔隙度小、容积密度增加不利于根和种苗的生长,进而影响生产能力,这也是桉树林下草本植物生长受限的因素之一。其次,桉树人工林取代自然或半自然植被,荫蔽、养分和水分的竞争、立地干扰等,特别是干旱缺水地区水分的胁迫抑制了地面植被的生存和生长,植物竞争力减弱[20]。第三,桉树化感作用引起林下植被再生困难,自然更新能力弱。很多研究结果表明桉树的某些树种具有化感作用,其分泌特殊物质对其它植物,包括间作作物以及林下植被甚至土壤生物有抑制作用,难以和谐共生[21-23]。同时适应桉树化感作用胁迫的能力主要不是豆科或禾本科的差别,而是基因型的差异造成的,因此建议在退化的桉树人工林林下植被重建时首先就应选择耐干旱、耐瘠薄和对化感作用不敏感的柱花草(Stylosanthes spp.)[24-25]。本研究在干旱条件下间作豆科牧草结果表明,GC1581、热研10号、GC1517和热研2号柱花草耐干旱、耐瘠薄,表现出良好的适应性和自然更新能力。
中国大部分地区桉树人工林的建立常常经过地面清理、全垦等方式,不仅破坏了植被,而且桉树人工林群落态系统结构单调。本研究地处海南西北部干旱地区,当地农民有收刮桉树枝叶作为燃料的习惯,试验前林间无枯枝落叶覆盖层,基本无灌木生长,罕有少量草本植物零星分布,这种继发性人为干扰也是造成桉树人工林下植被多样性降低的主要原因,直接阻碍了土壤养分的积累和土壤微生物的发展,进而对林下植被结构多样性发生逆向反应[26]。引入牧草开展林草复合系统的建立3 a后,林间植被覆盖度显著增加,其中GC1581柱花草的林间覆盖度达79.252%,是所有参试豆科牧草中覆盖度最高的草种,热研10号柱花草和GC1517柱花草的林间覆盖度在50.625%~68.917%之间,由此说明,GC1581、热研10号、GC1517柱花草在林间生长旺盛,其匍匐枝伸展行间扩展能力较强,在桉树行间形成良好的覆盖层,提高了林地的植被覆盖度,植株存活率在50.2%~61.9%之间,这对增加了桉树人工林的群落组成、形成多层次片层结构有积极意义。这些多层次的群落结构有利于增加地表对降水等的缓冲性能。另外由于增加了林地地表的覆盖度,林间枯枝落叶很难从地表扒走,枯枝落叶层的积累也增加了地表的覆盖度,对桉树人工林地土壤养分的归还有积极作用,促进桉树人工林群落和物质循环和能量交换,反过来进一步促进林下植被的恢复和生物多样性提高。
4 结论
综合评价结果表明GC1581柱花草、GC1517、热研10号和热研2号柱花草在桉树人工林间作表现出良好的适应性,其牧草产草量达296.54~852.08 kg/hm2,耐干旱,旱季产草量占年产草量的18.42%~23.95%,适合在桉树人工林草间作。
在海南西部极端干旱条件下(气象自动记录仪记录降水量为238.6~645.9 mm),GC1581柱花草、热研10号柱花草、GC1517柱花草和热研2号柱花草的林间覆盖度达47.083%~79.252%,在桉树行间形成良好的覆盖层,提高了林地的植被覆盖度,植株存活率在50.2%~61.9%之间,相对较高,抗旱性等级2.81~3.54,耐干旱,这对增加了桉树人工林的群落组成、形成多层次片层结构有积极意义。
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