新疆阿勒泰平原荒漠罗布麻种植区的生态效益评价

平晓燕,林长存,白宇,刘起棠,卢欣石*

(1.北京林业大学草地资源与生态研究中心, 北京 100083; 2.戈宝绿业有限公司, 广东 深圳 518001)

如何合理有效地恢复和管理退化生态系统，提高生态系统服务功能和实现可持续发展是近年来困扰全球土地管理者和资源保护者的一个核心问题[1-2]。阿勒泰地区作为新疆乃至全国的重点牧区之一，近年来由于气候变暖和人类活动的共同影响，已有87%的草地植被发生了退化[3]。其中，平原荒漠类草地占阿勒泰地区草地总面积的66%，是该区主要的冬春季放牧场，该类草地的载畜量水平很低，但却负担着阿勒泰地区总载畜量的35%，过度放牧导致平原荒漠草原的生态环境非常脆弱[4-5]。平原荒漠区由于降水稀少，蒸发强烈，导致盐碱化和风蚀现象尤为严重，近年来人口的增加促使阿勒泰地区的家畜数量急剧上升，放牧利用的季节不平衡、人类不合理的乱垦和过度放牧等行为引发了平原荒漠区的植被退化、生态系统服务功能的减弱和荒漠化进程加剧等一系列生态环境问题，进而导致草场生产力的下降，牧草品质的降低和有毒有害植物的增加，这会显著阻碍当地畜牧业的发展并引发生态环境的恶性循环[6-9]。因此，如何合理有效地利用平原荒漠区的光热资源优势，优化植被配置模式，恢复和增强平原荒漠区的生态系统服务功能和提高生态效益成为当前急需解决的问题，但阿勒泰地区水资源的短缺使得在平原荒漠区进行植被恢复相比其他区域要更为困难[1]。

水分是影响干旱区群落结构、生态系统功能和稳定性的最主要因子，水资源的开发利用与区域社会经济的可持续发展之间的矛盾在新疆地区显得尤为突出[10]。人口的剧增使新疆地区的灌溉绿洲面积从121×104hm2增加到420×104hm2，继而引发土地荒漠化、土壤次生盐碱化和湖泊锐减等一系列环境问题，严重威胁了当地的经济、社会和生态的稳定性[11]。同时，气候变化包括温度升高和降水格局的改变也严重影响着阿勒泰地区的生态环境，近50年来阿勒泰地区强降水量和降水日数的增加引起平原荒漠区水蚀强度的增加[12]。水资源的不合理利用、土壤盐碱化和植被退化、以及强烈的风蚀和水蚀作用，导致阿勒泰地区的荒漠化进程日益加剧[13]。合理规划和高效利用阿勒泰地区的水资源是实现该区生态环境保护和经济发展双重目标的唯一可行方案。

罗布麻(Apocynumvenetum)为夹竹桃科多年生宿根草本植物，在我国广泛分布于西北、华北、华东和东北地区。我国野生罗布麻的分布面积约为134×104hm2，其中新疆是主要的分布区(53×104hm2)[14-15]。野生罗布麻具有耐旱、耐寒、耐贫瘠、耐盐碱和再生性强等特性，在植被难以生长的盐碱地和荒漠等恶劣环境中都具有很好的适应性，因此具有很高的生态价值，近年来得到了较多研究者的关注，并被广泛用于荒漠区的生态环境恢复和水土保持[16-17]。众多研究者从罗布麻的生长特性、地理分布格局、生态适应性、光合生理特征及其生态效益等方面开展了研究工作[18-20]。阿勒泰地区面临水资源匮乏和土壤高度盐碱化等严酷生境，因此要恢复平原荒漠区的生态环境，必须选择适宜的物种组成。罗布麻由于较强的生态适应性和较高的经济价值成为阿勒泰平原荒漠区植被恢复的首选物种，但当前很少有研究关注罗布麻种植区的生态环境和生态系统服务功能，这将限制我们对罗布麻种植区生态效益的准确理解。

为此，本研究以新疆阿勒泰地区的退化平原荒漠为研究对象，对比分析了不同年限的罗布麻种植区相比对照平原荒漠在固碳增汇、防风固沙和保持水土等方面的生态效益，为恢复平原荒漠区的生态环境和提高平原荒漠区的生态效益提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿勒泰地区位于北纬45°59′35″～49°10′45″，东经85°31′57″～91°01′15″，地处新疆北部，阿勒泰山南麓，额尔齐斯河北岸，北与蒙古人民共和国毗邻，全区总面积1180.4万hm2，草地面积985.25万hm2，可利用草地面积724.8万hm2，占新疆草地面积的14.4%。研究区位于阿勒泰市以西60 km的山前平原，气候属北温带大陆性寒冷气候，春季多风，夏季炎热，秋季凉爽，冬季寒冷漫长。年平均气温4.5℃，年均降水量126.7 mm，年均蒸发量1739.3 mm，无霜期155 d左右，年日照时数2950.7 h，气温年较差和日较差均较大。研究区终年放牧，草地畜牧业是研究区的主导产业，对草地资源的依赖性很强，草地类型为平原荒漠类，植被以超旱生的无叶假木贼(Anabasisaphylla)、盐地碱蓬(Suaedasalsa)为优势种，伴生种包括乌拉尔甘草(Glycyrrhizauralensis)、骆驼蓬(Peganumharmala)、钠猪毛菜(Salsolanitraria)和乳浆大戟(Euphorbiaesula)等，植被生产力较低，土壤为棕钙土。

1.2 样地设置与样方调查

本研究通过野外调查取样法，对比分析不同年限的罗布麻种植区与相邻平原荒漠的群落学特征与植被和土壤碳储量，定量评估罗布麻种植区在植被恢复、固碳增汇、防风固沙和防止水土流失等方面的生态效益。

在研究区内由东到西依次设置2010年罗布麻种植区、2011年罗布麻种植区和对照平原荒漠区3个调查样地。2010年罗布麻种植样地的面积为250 km2，2011年罗布麻种植样地的面积为406 km2，罗布麻种植样地的株行距为3.0 m×1.5 m。为充分、高效的利用水资源，提高水分利用效率，在2个罗布麻种植样地均采用滴灌处理。于2012年9月分别对3个样地进行取样和调查，在每个样地随机设置3个4 m×4 m的灌木调查样方，在每个灌木调查样方内随机选取3个1 m×1 m的草本样方，分别进行群落学调查，记录样方的立地条件、经纬度、海拔、坡度、坡向和坡位等信息。

1) 植被群落调查

在2010年罗布麻种植样地、2011年罗布麻种植样地和对照平原荒漠样地内，开展植被群落调查。首先，测定样方内所有罗布麻植株的株高和密度，其次，在样方内沿对角线方向每隔50 cm测定植株的高度和盖度，每个样方测定30次，取其平均值后得到群落高度和群落盖度。

2) 生物量取样

在2010和2011年罗布麻种植样地的每个样方内各选择3株罗布麻，利用收获法测定罗布麻植株的地上生物量，利用土柱法(0.5 m×0.5 m×0.7 m)测定罗布麻植株的根系生物量，平均得到罗布麻的单株地上和根系生物量，结合密度可以得到单位面积罗布麻的生物量，每个样地3次重复。在2010、2011年罗布麻种植样地和对照平原荒漠内利用收获法和土柱法(1.0 m×1.0 m×0.4 m，分为3层)测定草本群落的地上和根系生物量，每个样地3次重复。所有样品带回实验室于65℃烘箱中烘干48 h至恒重后，测定其干重。

3) 土壤碳储量测定

生物量取样结束后，在2010和2011年罗布麻种植样方与对照平原荒漠样方的根系周围挖掘土壤剖面，随机布点采集土壤混合样。罗布麻样地土壤的取样深度为60 cm，分为4层(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)；对照平原荒漠样地土样的取样深度为40 cm，分为3层(0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm)。在实验室内测定土壤结构组成、土壤容重(环刀法)和土壤有机质(K2CrO7外加热法)含量，每个处理3次重复。

4) 光合生理特征测定

选择晴天无云的上午(北京时间：11:00-14:00)，利用LI-6400便携式光合仪(美国，LI-COR公司制造)，对比测定罗布麻植株和对照平原荒漠优势种无叶假木贼的净光合速率(Pn，μmol CO2/m2·s)，蒸腾速率(Tr，mmol H2O/m2·s)，光合有效辐射(PAR，μmol/m2·s)，胞间CO2浓度(Ci， μmol CO2/mol)，气孔导度(Gs，mol H2O/m2·s)和水分利用效率(WUE，μmol CO2/mmol H2O)等光合生理指标。测定时选择长势相近的健康植株的向阳叶片，每个样地各测定5株植物。

1.3 测定指标

1) 碳储量

罗布麻种植区和对照平原荒漠生态系统的碳储量主要储存于植被和土壤中，植被碳储量又包括地上和地下(根系)组分。

其中，植被碳储量通过以下公式计算：

Cb=αM

(1)

式中，Cb为植被碳密度(g C/m2)；α为植被生物量的含碳量，罗布麻和平原荒漠植被均取值0.43[21]；M为植被生物量(地上和根系生物量, g/m2)。

土壤碳储量的计算依据以下公式：

Cs=100∑(Di×di×Oi)×0.58

(2)

式中，Cs为土壤碳密度(g C/m2)；Di为土层深度(cm)；di为土壤容重(g/cm3)；Oi为土壤有机质含量(g/kg)；0.58为土壤有机质转换为土壤有机碳的系数。

2) 抗风蚀能力

为分析罗布麻种植区相比对照平原荒漠的抗风蚀能力，本研究采用风蚀模数来表征植被盖度和地表粗糙度对土壤风蚀的抵抗能力，风蚀模数的计算参照第一次全国水利普查水土流失普查技术细则(草、灌, 2010)：

(3)

式中，Qfg为草、灌地的风蚀模数(t/hm2·a)；W为表土湿度因子(%)；Tj为一年内风蚀发生期间各风速等级的累计时间(min);V为植被盖度(%)；A为风速修订系数，无量纲；Uj为风力因子，无量纲；a2、b2和c2是与土壤类型相关的常数，分别取值2.4869, -0.0014和-54.9472。

3) 抗水蚀能力

本研究通过土壤可蚀性系数(K值)来比较罗布麻种植区相比对照平原荒漠的抗水蚀能力。该指标是评价土壤被降雨侵蚀力分离、冲蚀和搬运难易程度的一项重要指标。美国通用流失方程(USLE)中对K值的计算依据以下公式：

K=[2.1×10-4M1.14(12-OM)+3.25(S-2)+2.5(P-3)]/100

(4)

式中，K为土壤可蚀性系数，M为土壤颗粒组成系数，计算公式为M=N1(100-N2) 或者M=N1(N3+N4)；N1为粒径在0.002～0.1 mm之间的土壤颗粒含量的百分比；N2为粒径小于0.002 mm的土壤粘粒含量的百分比；N3为粒径在0.002～0.05 mm之间的土壤粉砂含量的百分比；N4为粒径在0.05～2 mm 的土壤颗粒含量的百分比；OM为土壤有机质含量(%)；S为土壤结构系数，查表获取；P为土壤渗透性等级，查表获取。

1.4 数据分析方法

利用SPSS 15.0软件对2010和2011年罗布麻种植样地和对照平原荒漠样地的群落高度和群落盖度、碳储量、光合生理特性、抗风蚀和水蚀能力等数据进行了方差齐次性检验、单因素方差分析和多重比较，对比分析罗布麻种植区相比对照平原荒漠区的生态效益。

2 结果与分析

2.1 罗布麻种植区与对照平原荒漠的光合生理特性比较

2011和2010年罗布麻种植样地相比对照平原荒漠的优势植物无叶假木贼显著提高了植被的净光合速率，虽然蒸腾速率也显著增加，但净光合速率的增加幅度要高于蒸腾速率(图1)，从而导致2011和2010年罗布麻种植样地的水分利用效率相比对照平原荒漠分别提高了60%和35%，差异显著(F2,119=38.6,P<0.001)(图1和图2)。相比对照平原荒漠，2011和2010年罗布麻种植样地的叶片相对湿度分别提高了160%和50%，表明种植罗布麻后显著改善了样地周围的微气候(F2,119=5047.2,P<0.001)(图2)。

图1 2010和2011年罗布麻种植区相比对照平原荒漠的净光合速率和蒸腾速率Fig.1 Comparisons of net photosynthesis rate (Pn) and transpiration rate (Tr) among plain desert (A. aphylla), A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011 图中不同字母表示不同样地间差异显著(P<0.05),下同。Values with different letters mean significant difference (P<0.05) among different plots, the same as below.

图2 2010和2011年罗布麻种植区相比平原荒漠的水分利用效率和叶片相对湿度Fig.2 Comparisons of water use efficiency (WUE) and leaf relative humility (RH) among plain desert (A. aphylla), A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2 罗布麻种植区与对照平原荒漠的固碳增汇功能比较

图3 2010年和2011年罗布麻种植区相比对照平原荒漠的草本层和群落生物量Fig.3 Comparisons of herbaceous and community biomass among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2.1罗布麻种植区相比对照平原荒漠的植被碳储量 在平原荒漠区种植罗布麻，构建灌草复合系统，不仅显著提高了群落生物量，也显著增加了草本层生物量(图3)。2010和2011年罗布麻种植样地的草本层生物量分别为373.62和662.56 g/m2，相比对照平原荒漠(164.99 g/m2)分别增加了126%和301%(F2,6=11.83,P=0.008)；群落总生物量分别为728.92和932.08 g/m2，比对照平原荒漠(164.99 g/m2)分别增加了340%和460%(F2,6=61.01,P<0.001)，差异均达到极显著水平。对照平原荒漠、2010和2011年罗布麻种植区的植被碳储量分别为82.49，364.46和466.04 g C/m2(图4)。

图4 2010和2011年罗布麻种植区相比对照平原荒漠的植被碳密度Fig.4 Comparison of plant carbon densities among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2.2罗布麻种植区相比对照平原荒漠的土壤有机碳储量 2010年罗布麻种植区相比对照平原荒漠显著增加了表层土壤(0～20 cm)的有机碳含量(F2,6=24.18,P=0.001)，增加幅度达到了31%。2010和2011年罗布麻种植样地的土壤有机碳总量与对照相比无显著差异。随种植年限的增加，罗布麻样地土壤有机碳的输入量也随之增加，包括地上凋落物输入量和地下根系输入量。从而导致2010年罗布麻种植样地的表层土壤有机碳含量显著高于2011年罗布麻样地和对照平原荒漠(表1)。

表1 2010和2011年罗布麻种植样地相比对照平原荒漠的土壤有机碳密度Table 1 Soil organic carbon density (SOCD) of plain desert and A. venetum planted in 2010 and 2011 g C/m2

注： 表中数值为平均值±标准误(n=3)，同行数值后面不同的字母表示不同样地差异显著(P<0.05)。

Note： Values are means±SE of three replicates (n=3), and values within the same row with different letters mean significant difference (P<0.05) among different plots.

2.2.3罗布麻种植区相比对照平原荒漠的总碳储量 相比对照平原荒漠，种植罗布麻后能显著增加生态系统的碳储量。2010和2011年罗布麻种植样地的总碳储量(1789和1780 g C/m2)相比对照平原荒漠(1452 g C/m2)分别增加了23.21%和21.56%，差异显著(图5)。 这主要归结于种植罗布麻后群落和草本层植被碳储量的增加，土壤碳储量的增加效果不明显。

图5 2010和2011年罗布麻种植区相比对照平原荒漠的总碳储量Fig.5 Comparison of total carbon storage among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.3 罗布麻种植区相比对照平原荒漠的防风固沙效益

罗布麻植株的空间构型为丛生型灌木，具有分枝多、根系发达、繁殖力强等特点，相比对照平原荒漠，罗布麻种植区具有更强的防风固沙能力。罗布麻种植区相比对照平原荒漠显著提高了群落高度和群落盖度，2010和2011年罗布麻种植区的群落高度比对照平原荒漠分别增加了300%和410%，群落盖度分别增加了180%和300%，差异均达到显著水平(群落高度：F2,6=8.98,P=0.02；群落盖度：F2,6=28.98,P=0.001，图6)。

2.3.1抗风蚀能力 2010和2011年罗布麻种植样地的土壤风蚀模数(37.65,14.58 t/hm2·a)相比对照平原荒漠(129.23 t/hm2·a)分别降低了70.87%和88.72%，差异显著(F2,6=9.26,P=0.02，图7)。风蚀模数与植被盖度之间存在显著的正相关关系。其中，2010和2011年罗布麻种植样地的群落盖度都达到了55%以上，对照平原荒漠的群落盖度仅为20%。人工种植罗布麻后，在平原荒漠区构建了布局合理的灌草复合系统，使群落的冠层分布更加合理，覆盖度更高，更能有效抵抗风力侵蚀，这会有利于改善平原荒漠区的生态环境并促进植被恢复。

图6 2010和2011年罗布麻种植区相比对照平原荒漠的群落高度和群落盖度Fig.6 Comparisons of community height and community coverage among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.3.2抗水蚀能力 2010和2011年罗布麻种植样地的土壤可蚀性K值(0.25和0.23)相比对照平原荒漠(0.29)分别降低了13.50%和18.33%(图8)。研究区2010和2011年罗布麻种植样地的植被盖度分别为56.62%和61.21%，地面坡度均不超过5°。当灌草丛植被盖度大于60%时，即使坡度达到40°也能有效防止土壤侵蚀[22]。因此，通过人工种植罗布麻，构建布局合理的灌草复合系统，能显著增加平原荒漠区的抗水蚀能力，有效控制水土流失。

种植罗布麻后研究区的抗风蚀和水土流失的能力均有了很大程度的提高，其中，罗布麻灌草复合系统对风蚀的拦截效率要高于水蚀。2011年罗布麻种植区的群落高度和群落盖度均高于2010年，导致2011年罗布麻灌草复合系统的抗风蚀和水蚀能力要更加突出。

图7 2010和2011年罗布麻种植区相比对照平原荒漠的风蚀模数Fig.7 Comparison of wind erosion modulus among plain desert community, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

图8 2010和2011年罗布麻种植区相比对照平原荒漠的土壤水蚀系数Fig.8 Comparison of soil water erosion value among plain desert community, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

3 讨论

罗布麻植株相比对照平原荒漠的无叶假木贼和盐地碱蓬具有更高的光饱和点和光补偿点，能更好的适应研究区的强光照环境[23]，张永霞等[19]研究表明一年生大田罗布麻叶片的净光合速率为11.28 μmol/(m2·s)，水分利用效率为3.75 μmol CO2/mmol H2O。研究区2010和2011年罗布麻种植区叶片的净光合速率分别为4.75和5.79 μmol/(m2·s)，水分利用效率分别为2.61和3.27 μmol CO2/mmol H2O，由于测定期接近生长季末，同时研究区的生境较为严酷，导致罗布麻的净光合速率没有达到大田水平，但水分利用效率却与大田相当。以上结果表明罗布麻植株相比平原荒漠区的原生植被，能在充分利用强光照、提高植被净光合速率的同时，提高植株的水分利用效率，在研究区具有很好的适应性和生态效益。研究区所属的平原荒漠具有气候恶劣、植被盖度和生产力低、土壤肥力差等特点。并且，研究区常年作为冷季型放牧场，放牧时间长、利用强度大，草地植被遭到严重的破坏，这些因素导致了研究区域的荒漠化进程进一步加剧。同时，研究区地表的盐碱化程度随地下水位的抬升逐渐加剧，进而形成盐渍化荒漠[8]。土壤盐碱化程度非常高，pH值达到了9.0以上，且3个样地的电导率均低于1.5 ms/cm，表明土壤碱性较强。而罗布麻植株对碱性土壤具有较强的适应能力，因此在研究区种植罗布麻灌丛，构建结构良好的灌草复合系统，能很好地促进平原荒漠区的植被恢复和改善平原荒漠区的生态环境。

自工业革命以来，CO2等温室气体排放的增加引起全球变暖和降水格局的改变已成为不争的事实。因此，如何减缓温室气体特别是CO2的排放和降低大气中温室气体含量是当前政府和研究者所致力解决的问题[24-25]。其中，农林复合系统的固碳潜力近年来引起了科学家的广泛关注，农林复合系统特别是林草复合系统被认为是减缓CO2排放的一种最适宜的土地管理措施[26]。研究区种植罗布麻后，罗布麻灌丛与相邻草本植物构成了结构合理，配置良好的灌草复合系统，灌草复合系统相比对照平原荒漠能分级多层次地利用光照、水分和养分资源，较大程度地提高系统的光能利用率和生产力，进而提高系统的固碳潜力[27]。生态系统固碳增汇功能的增加也会带来其他生态效益，如改善区域环境，增加生物多样性和改良退化土壤等[28]。林草复合系统的固碳潜力会受气候条件、样地年龄、物种组成、林木密度、土壤特性和管理措施等诸多因素的影响。其中，物种组成会通过改变木本和草本植物的生长速度、凋落物的产量和质量来影响林草复合系统的固碳潜力。因此，要提高林草复合系统的固碳潜力，就必须充分考虑研究区的自然条件和社会经济状况，针对当地的气候条件，选择适宜的物种组成[29]。罗布麻植株能较好地适应研究区的盐碱化、干旱和贫瘠的生长环境[17]；同时，较高的茎秆纤维含量和叶片榭皮素含量也使其具有很高的经济价值。因此，在新疆阿勒泰平原荒漠区种植罗布麻植株，能够实现生态效益和经济效益的双赢目标，是促使该区域经济、社会和环境可持续发展的良好途径。

新疆平原荒漠区的生态环境非常脆弱，不合理的人类活动也进一步导致草原的退化和沙化[30]。因此，如何合理有效地控制和治理研究区的荒漠化进程成为当前迫切需要解决的问题。植物措施是防风固沙和治理荒漠化的基本方法之一[31]，其中，物种的选择是沙漠化治理的关键。罗布麻种植区相比对照平原荒漠对风蚀和水蚀的抵抗能力主要体现在两个方面：首先，罗布麻种植区的植被盖度要显著高于对照平原荒漠，加强植被覆盖是减少风蚀和水土流失的有效措施，植被覆盖对风蚀地表的保护效应随植被盖度的增加而加强[32]。实验区种植罗布麻后显著增加了冠层高度和群落盖度，提高了地表粗糙度，增强了风蚀抵抗能力。其次，相比平原荒漠的草本植物根系，罗布麻灌丛较深的植物根系能显著提高土壤的团聚体数量，有效改善土壤结构，进而增强研究区土壤的抗水蚀能力[33]。

4 结论

在阿勒泰平原荒漠区种植罗布麻灌丛，能显著改善研究区的群落高度和群落盖度，形成布局合理、结构完善的灌草复合系统，群落高度和盖度的增加能显著提高系统的抗风沙能力。罗布麻植株相比平原荒漠的优势植物无叶假木贼和盐地碱蓬具有更为发达的植物根系，能更好地吸收深层土壤水分；同时，罗布麻根系对土壤的固着作用和对土壤结构的改善会提高系统的抗水蚀能力。种植罗布麻后也显著提高了平原荒漠区的植被生产力，其中草本层的生产力也得到了很大程度的提高，进而提高了研究区的固碳潜力。本研究结果表明在阿勒泰平原荒漠区种植罗布麻，具有很好的生态和社会效益，能在改善区域生态环境的同时，提高当地居民的经济水平，是促进当地经济、社会和环境可持续发展的有效途径。