土壤增温对高寒冻土层地区青杨生长的影响

郑娜++司剑华++乔建华

摘要：为了提高青杨在高海拔冻土层地区的生长量，采用陶瓷太阳能集热技术人工增加土壤温度，研究不同土壤温度对青杨生长的影响。分别设置2.0、3.0、4.0、5.0 ℃增温梯度，对4个处理组青杨根系处的土壤进行增温处理，测定青杨新生枝粗度、新生枝长度、胸径、树高，对比得出适宜青杨生长的土壤增温范围。结果表明：土壤增温4.0 ℃时，青杨的新生枝粗度增长量、新生枝长度增长量、胸径增长率均达到最大，分别为14.56 mm、22.91 mm、38.83%；增温3.0 ℃时，青杨树高增长率达到最大值，为25.79%；青杨根系基本土壤温度增加3.0～4.0 ℃时，最有利于青杨的生长。

关键词：高寒冻土层；土壤温度；青杨；生长量

中图分类号： S792.113.05文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0234-04

青海省天峻县地处青藏高原东北端的祁连山中段南部地区，全县最高海拔5 826 m，最低海拔2 850 m，县城新源镇试验地海拔3 406 m，气候寒冷，全年无绝对无霜期。近50年内，天峻县的年均气温呈上升趋势，最高值为1 ℃[1]；天峻县属大陆性高原气候，寒长暑短，四季不分明，日温差大，多风少雨，蒸发量大。天峻县年均大风天数为97 d，年均沙尘暴天数为5.4 d，年均降水量344.7 mm，县内东部海拔4 000 m以上地区，年降水量一般在400～500 mm，县境内绝大多数地区年降水量都在300 mm左右[2]。

青杨（Populus cathayana）属杨柳科杨属，落叶乔木，在青海省的分布范围十分广泛，具有较强的抗旱性、抗寒性和耐瘠薄能力，属于造林速生树种。青杨干形通直，树冠为阔卵形，是十分理想的城市绿化树种[3]。青海省大部分地区高寒、高旱，适宜生长的树种较少，再加上大气温度低，土壤冻土层深度较厚，不利于树种根系的生长，因此，土壤温度成了制约树木成活率的主要因素。冻土层深厚使得土壤温度和大气温度无法共同促进青杨的生长发育。乔木树种在大气温度为5～10 ℃下开始生长，在25～30 ℃下生长最快，而天峻县的年平均气温最高不过1 ℃左右，严重阻碍青杨的生长；并且冻土时间长、冻土层深厚使青杨在“三江源”地区扎根不深，生长极其困难[4-5]。除此之外，春季大气温度开始回升，青杨地上部分开始发芽生长，但天峻县春季大风日较多，青杨地上部分水分的蒸发量增大，冻土层深厚使得根系处的土壤温度较低，回升速度缓慢，使得青杨根系无法进行水分吸收，致使青杨失水死亡；根系处土壤温度过低也使得青杨全年的生长量减小，青杨的木质化程度降低，从而导致青杨在天峻县高寒冻土层上的成活率较低。

本试验首次在高寒冻土层地区采用陶瓷太阳能集热技术，利用集热板吸收阳光的热量，以金属导热材料传导热量，用土壤作为储能介质，构成增温保温集成系统，其特点是低成本、无污染，配套设备一次投入，可多年连续使用；在低温环境下可形成大片区域的适温微环境，保障树木顺利越冬、快速生长。以青海的乡土树种青杨为研究对象，通过测定不同土壤温度条件下青杨的生长情况，探究出适宜青杨生长的土壤增温范围，以期提高天峻县的城乡绿化树种成活率和存活率，为高寒冻土层地区造林技术提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验区位于距新源镇25 km处，地势平坦，交通便利，海拔3 400 m，年均降水量为300 mm；试验地土质为沙质壤土，pH值在8.4左右，土壤含水量较高。

1.2试验材料

青杨植株：5年生树况接近、无病虫害的青杨，株行距1.0 m ×1.0 m。

增温设施：青海万通新能源技术开发股份有限公司提供的陶瓷太阳能集热系统。

实验仪器：60 cm土壤探针温度计，游标卡尺，米尺，线绳，塔尺，围尺。

1.3试验设计

在试验区设定4个不同的土壤增温处理区域，分别增温2.0、3.0、4.0、5.0 ℃（误差±0.1 ℃），用S1、S2、S3、S4标记，设立对照组，用CK标记；确保青杨生长期内每个区域的抚育管理一致，每个区域中随机选定10株青杨（编号为1～10号），每月定期测定每株青杨的新生枝粗度、新生枝长度、树高和胸径的增长量。

1.4指标测定

在2014年6—10月的每月1日，对不同土壤增温处理组中选定的每株青杨进行生长量的测定。利用游标卡尺测定新生枝粗度的变化；利用线绳和米尺测量新生枝长度的变化；利用塔尺测量树高；利用围尺在树高1.3 m处测量胸径，并记录数据。

1.5数据处理

采用Excel 2007进行数据初步处理，计算青杨各个生长量的增长率，利用SAS 9.1统计软件进行单因素方差分析，采用Duncans新复极差法进行多重比较。

2结果与分析

2.1不同土壤增温处理对青杨新生枝的影响

2.1.1不同土壤增温处理对青杨新生枝条数的影响于9月1日测定5个试验区内青杨标记株的新生枝条数，然后对青杨新生枝条数变化量的平均值进行对比、分析（表1）。

由表1分析可知，不同土壤增温处理组新生枝条平均数都多于对照组，S2处理组新生枝条平均数达到最大值11.0，依次为S2> S3> S1> S4> CK，由此可见，土壤增温处理确实有利于促进青杨发出新生枝条；每个处理组中，青杨的新生枝条个数差异较大，造成组间差异不显著。

2.1.2同土壤增温处理对青杨新生枝粗度的影响每株青杨上标记3个枝条，于每月1日测定5个试验区内每株青杨新生枝的粗度，粗度测量的位置为同一新生枝基部3 cm处，然后对青杨新生枝粗度变化量的平均值进行对比、分析（表2）。

由表2分析可知，每个月份不同土壤增温处理下新生枝粗度的增长量都高于对照组，并且每个月份S3处理下新生枝粗度的增长量都高于其他处理组，依次为：S3>S2>S4>S1>CK；所有处理组当中，新生枝粗度的增长量从6月份到7月份呈现上升趋势，并在7月份达到最大值，7月份到9月份呈现下降趋势，这是由于天峻县大气温度在7、8月份达到最大值，土壤增温处理和大气温度共同促进了青杨的生长发育；从总增长量上来看，4个不同增温处理下新生枝粗度的增长量都显著高于对照组（P<0.05），S3处理下新生枝粗度显著高于S2和S4（P<0.05），达到14.56%，S2和S4处理下新生枝粗度差异不显著，但显著高于S1（P<0.05）。由此可见，土壤增温4 ℃时，最有利于青杨新生枝粗度的增长。

2.1.3不同土壤增温处理对青杨新生枝长度的影响每株青杨上标记3个枝条，于每月1日测定5个试验区内青杨新生枝长度，利用线绳测量出青杨新生枝的长度，然后在用米尺量出线绳的长度，得出青杨新生枝的长度，计算得出平均值，然后对青杨新生枝长度变化量的平均值进行对比、分析（表3）。

由表3分析可知，土壤增温对青杨新生枝长度的增长影响十分明显，不同土壤增温处理组新生枝的总长度均比对照组有显著提高。所有处理组当中，新生枝长度的增长量在7月份达到最大值。从总增长量上来看，4个不同增温处理下新生枝长度的增长量都显著高于对照组（P<0.05），S2、S3处理下新生枝长度显著高于S1和S4（P<0.05），S2和S3、S1和S4处理下新生枝长度差异均不显著。由此可见，土壤增温3 ℃或4 ℃时，最有利于青杨新生枝长度的增长。

2.2不同土壤增温处理对青杨树高的影响

在5个试验区中，于6月、9月分别对每个试验区中选定的青杨树高进行测量，利用塔尺测量树高，计算出每个区域内树高的平均值（表4）。

2.3不同土壤增温处理对青杨胸径的影响

在5个试验区中，对每个试验区中的每株青杨胸径进行由表6可见，S3处理中平均胸径均大于其他处理组，为4.29 cm，平均胸径依次为S3>S2>S1>S4>CK。不同土壤增温处理组的青杨胸径均显著高于对照组（P<005）；S2、S3处理组胸径显著高于S1（P<0.05），但S2、S3间差异性不显著；S1处理组胸径显著高于S4（P<0.05）。由此可见，土壤增温3 ℃或4 ℃时，青杨胸径增长最为明显。

由表7可见，各个不同土壤增温处理组青杨胸径增长率均显著高于对照组（P<0.05）；S2、S3处理中青杨胸径生长量较为明显，6月到9月青杨平均胸径分别增加了1.14、1.20 cm， 其增长率显著大于其他3个试验区域（P<0.05），增长率分别为37.13%、38.83%，两者之间差异不显著；S1处理组青杨的胸径的增长率显著高于S4，增长率分别为3168%、2733%；在对照组中青杨胸径生长最缓慢，平均增长0.70 cm，增长率为23.26%。由此可见，土壤增温3 ℃或4 ℃时，青杨胸径增长率达到最大值。

3结论与讨论

3.1结论

（1）青杨根系处的土壤经过不同程度的增温处理后，青杨的新生枝粗度、新生枝长度、树高、胸径各项生长指标相对于对照组均有明显的提高。

（2）不同土壤增温处理对青杨新生枝影响的研究表明：土壤增温4 ℃时，最有利于青杨新生枝粗度的增长，总增长量达到14.56 mm，优于增温3 ℃、增温5 ℃和增温2 ℃的处理，更优于对照组的处理，比对照组总增长量高出5.28 mm；土壤增温4 ℃或3 ℃时最有利于青杨新生枝长度的增长，分别达到22.91、22.64 mm，优于增温2 ℃和增温5 ℃的处理，更优于对照组的处理，比对照组总增长量高出5.44 mm。

（3）不同土壤增温处理对青杨树高影响的研究表明：土壤增温3 ℃或4 ℃时最有利于青杨树高的增长，增长率分别达到25.79%、24.55%，优于增温5 ℃和增温2 ℃的处理，更优于对照组的处理，增长率比对照组增长率高出5.53%。

（4）不同土壤增温处理对青杨胸径影响的研究表明：土壤增温4 ℃或3 ℃时最有利于青杨胸径的增长，增长率分别达到38.83%、37.13%，优于增温2 ℃和增温5 ℃的处理，更优于对照组的处理，增长率比对照组增长率高出15.57、1387百分点。

（5）综合各项指标，土壤增温4 ℃时最有利于青杨的生长；且在大气温度最高的7月、8月，土壤增温和大气温度相结合，使得青杨各项生长指标的增长量达到最大值。

3.2讨论

影响青杨生长量的主要因素包括气候、生境、土壤等方面[6-8]。光、热、水、肥4个土壤生态因子对青杨生长的影响程度亦有差异，各生态因子对青杨生长的影响程度依次为土壤水分、土壤肥力、光照、天然降水、热量。土壤温度对青杨的宏观生长量有着显著的影响，但其作用机制以及对生殖生长的影响还需要进一步研究[9]。

自然条件下植物根系和地上部分所处的环境温度不同，根系部分温度也有一定的差异[10]。当大气温度达到一定范围时，开始影响地上部分发芽生长，而土壤温度却还未达到促进根系生长、代谢的温度范围，这就会使得植株发生“干梢”现象，从而引起植株的死亡，难以提高林木的成活率[11]，这也是冻土层造林成活率低的主要原因。Walker研究表明，土壤温度变化1 ℃就能引起植物生长发生明显的变化[12]。范爱武等的研究也表明，土壤温度可以通过多种不同的机制影响植物地上部分的生长[13]。因此植物的生长发育可能对土壤温度更加敏感[14-19]。

本试验通过对5个处理组所栽植的青杨的新生枝粗度、新生枝长度、树高和胸径进行测量，然后求各个生长量的平均值，通过对青杨生长量的分析，得出不同温度对青杨生长的影响；由于试验区的自然气候原因，试验地区的地理环境原因和一些仪器中的系统误差，使得本次试验数据具有一定的误差。

近年来，随着水土流失和土地荒漠化程度的加剧，植树造林越来越受到社会各级的关注，同时育苗、造林技术的研究也逐渐向着科学化、具体化、专业化的方向发展。土壤温度和大气温度对植物的生理生态效应已经受到普遍的重视，但是对于植物生长的影响还缺乏专业性的研究。因此土壤温度和大气温度对于植物生长影响更细、更深的研究将成为未来一段时间人们研究的热点和重点。

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