生态垫覆盖对沙丘土壤水分及荒漠灌木生长的影响

张梅花

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

在干旱、半干旱地区，有限的大气降水是沙丘水分的直接补给来源，也是天然植被赖以生存的主要水源之一[1- 3]。水分亏缺极大地限制了植物的生长、养分循环以及群落生产力和更新，水分成为制约荒漠灌木生存、生长和发育的关键性因子[4- 6]。因此采取积极有效的措施，充分利用有限的降水，提高土壤含水量，为植被的成活与生长创造良好的条件，对流动沙丘生态系统的恢复与重建具有重要意义[7]。

生态垫(eco-mat)是由棕榈树果壳纤维制造的一种网状覆盖物，是一种新型生物覆盖材料。有关生态垫方面的研究报道较少，且主要集中在河滩地造林和改变沙地土壤温湿度方面，初步研究表明生态垫可改善土壤温湿度及土壤养分，抑制杂草生长，提高造林成活率[8- 13]。截至目前，有关生态垫在防沙治沙和对荒漠灌木生长的影响方面的研究还较为少见。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于张掖市甘州区西北郊，地处河西走廊中部，是典型的大陆性草原荒漠气候，气候干燥，温差大，降水少而集中。年平均降水量130.4mm，主要集中在7—9月，年均蒸发量2002.5mm，是降水量的15.4倍。多年平均气温7.3℃，近三十年最高气温39.8℃，最低气温-28.2℃。试验区内分布有固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘，土壤主要为灰棕漠土。

1.2 试验材料

生态垫(eco-mat)是由棕榈树果壳纤维制造的一种生物覆盖材料。厚约3～5cm、规格为1m×10m，疏松多孔，较易分解。

1.3 供试灌木

试验灌木为一年生梭梭(Haloxylon ammodendron)和花棒(Hedysarum scoparium)。栽植时选择灌木整齐一致，梭梭平均地径为3.5mm、高43.3cm，花棒平均地径为3.2mm、高45.1cm。

1.4 试验设计

试验地设置4个处理：覆盖生态垫的流动沙丘栽植梭梭(M1)、未覆盖生态垫的流动沙丘栽植梭梭(M01)、覆盖生态垫的流动沙丘栽植花棒(M02)和未覆盖生态垫的流动沙丘栽植花棒(M02)，每个处理重复3次。2015年4月在每个重复内种植梭梭、花棒各24株，株行距为1m。生态垫铺设方式：将生态垫沿等高线铺设于流动沙丘上部，覆盖间距为1m，梭梭、花棒栽植于生态垫旁，各处理均在栽植初期灌一次定根水，之后不再灌水。

1.5 研究方法

1.5.1土壤含水量测定

土壤含水量用烘干法测定。植苗后，从2016年4月到11月，每月对0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm六个层次的土壤含水量进行测定。

1.5.2灌木主要生长指标测定

(1)灌木高和地径的测定

在第一个生长季末，每个处理采用机械抽样法选取5株，用钢卷尺测定灌木高、游标卡尺测定地径，取平均值进行数据统计分析。

(2)细根密度调查

在各处理内挑选5株平均木，分别在距灌木主干20cm和40cm处，分0～20cm、20～40cm和40～60cm三个土层用土钻取样，然后将土样用网筛(0.25mm)冲洗，收集细根，风干后用电子天平称取干重，换算成单位体积根系质量。

(3)冠幅测定

分别量取灌木东、南、西、北四个方向冠幅长度，再求其平均值作为灌木的冠幅长度，其计算公为：

W=(W东+W南+W西+W北)/4

(1)

式中，W东、W南、W西、W北—分别代表树木东、南、西、北四个方向的冠幅长度。

1.6 数据处理

数据分析采用SPSS19.0软件完成，利用EXCEL软件做图。

2 结果与分析

2.1 各处理土壤含水量月变化情况

地表覆盖后有改变土壤水分状况和改善根系微生态环境的作用[14- 15]。从2016年4—10月对土壤含水量的连续测定(如图1所示)可以看出，各处理土壤含水量月变化趋势相同，但无论哪个层次，覆盖后的土壤含水量均大于未覆盖的，20～40cm和40～60cm两个层次最为明显。由图1看出，4月M1和M2各层的土壤含水量均高于M01、M02，土壤含水量高低依次为M1>M2>M01>M02。其中0～20cm处，M1比M01的含水量提高了0.43%(相对增长率42%)，M2比M02的含水量提高了0.2%(相对增长率25%)；20～40cm处，M1比M01的含水量提高了1.07%(相对增长率100%)，M2比M02的含水量提高了0.17%(相对增长率12%)；40～60cm处，M1比M01的含水量提高了0.89%(相对增长率63%)，M2比M02的含水量提高了0.34%(相对增长率21%)。5—6月气温继续升高，但降雨稀少，土壤含水量开始下降，6月，各处理0～20cm处土壤含水量达到全年最低值，且相差不大，但20～40cm和40～60cm处覆盖后土壤含水量均高于对照。这一阶段是林木根系生长的旺盛期，而所选用的灌木根系主要集中在20～60cm之间，覆盖后土壤含水量的提高为根系的生长创造了良好的条件。

各处理20～40cm和40～60cm处土壤含水量最小值出现在7月，而7—9月是试验区降雨量最多的时期，因此各处理土壤含水量开始明显增加，处理M1含水量的增加尤为明显，在20～40cm和40～60cm处垫下含水量比M01分别提高了0.24%～0.97%(相对增长率20%～92%)和0.27%～1.23%(相对增长率32%～103%)。10月，各处理0～20cm以及20～40cm处土壤含水量达到最高，但是40～60cm处，处理M1和M2的最高值出现在10月，而处理M01和M02的最大值却出现在9月，说明深层土壤水分受到生态垫的阻隔，土壤水分增加延缓。

从10月开始气温降低，降雨稀少，土壤含水量开始下降，但20～60cm处土壤含水量依然是M1>M2>M02>M01。水在降温过程中释放的热量可以提高地温，冬季低温时期林木不会因为气温过低而冻死，因此深层含水量的提高为林木的安全越冬提供了保障。同时由于冬季蒸发减少，水分损失变小，生态垫下保存的水分可以促进来年初春干旱期林木的生长。这对北方干旱区提高造林成活率具有非常重要的意义。

图1 各处理土壤含水量月变化对比

2.2 各处理不同深度土壤含水量年变化情况

通过对各处理不同深度土壤年平均含水量进行比较分析发现，各处理4—11月各层土壤平均含水量有明显的峰值，表层土壤含水量最低，处理M1和M2，60cm处土壤含水量最高，60cm以下呈降低的趋势；处理M01和M02，0～100cm之间土壤含水量呈递增趋势，100cm处达到最大，之后开始减小。各层土壤平均含水量在4—11月间高低依次为M1>M2>M02>M01。由于裸露的沙丘质地疏松，土壤水分在下渗运动和向上的蒸发、蒸腾作用的支配下，水分垂直运动较快，不稳定层和中间过渡层的水分极易被蒸发。

图2 不同深度土壤年平均含水量

2.3 生态垫覆盖对林木生长的影响

2.3.1覆盖对梭梭和花棒生长指标的影响

植物的生长状况是其重要的生物学特性。生长季末对不同处理下梭梭和花棒的地径、高生长、冠幅以及一级分枝数进行调查，结果见表1。可以看出覆盖生态垫后梭梭和花棒的地径、高生长、冠幅以及一级分枝数均大于未覆盖。对各处理下灌木生长指标进行方差分析，M1的地径、高生长以及冠幅与M01和M02差异极显著(P<0.01)；地径和一级分枝数，M1与M2差异显著(P<0.05)，但高生长和冠幅差异不显著。M01和M02的地径和一级分枝数差异显著(P<0.05)，但两处理间的高生长和冠幅差异不显著。M2的高生长和冠幅均显著高于M01和M02(P<0.05)，其地径与M01差异不显著，与M02差异显著，一级分枝数与M01和M02差异均不显著。综合比较分析认为铺设生态垫可以明显促进灌木生长，对梭梭的促进作用更为显著。

2.3.2覆盖对林木细根密度的影响

通过对梭梭和花棒细根密度的调查分析，由表2可以看出几个处理中细根的分布具有相同的规律，都主要集中在水平距灌木主干20cm、垂直40cm深的土壤，此处处理M1的细根密度为71.85g/m3，比M01高55.33g/m3，处理M2的细根密度为275.48g/m3，比M02高168g/m3。在距林木主干40cm处，细根密度相对较小，有的地方甚至为零。

根系是植物吸收、转化和储藏养分的器官，其生长发育状况直接影响着地上植物量[16]。根系的生长与土壤中的水、肥、气、热等因素有关，覆盖后避免了阳光直射，降低了土壤蒸发，提高了表层土壤的含水量，创造了相对稳定的土温环境，生态垫中的营养物质经雨水淋溶进入土壤，增加了土壤肥力，且本项研究试验地土壤为砂土，通气状况良好，因此生态垫下土壤环境更利于细根生长。从上面几组数据的比较来看，在同等条件下花棒的细根密度要大于梭梭，这是由于花棒根系较为发达，是由树种间的差异造成的。

2.3.3覆盖对灌木成活率的影响

通过对各处理成活率调查，结果显示M1、M2、M01和M02的成活率分别为83.3%、79.17%、54.17%和45.83%。可以看出覆盖后提高了造林成活率，其中，覆盖后梭梭成活率提高了29.13%，花棒成活率提高了33.34%。

干旱区造林的制约因素是水分，生态垫覆盖后提高了土壤含水量，降低了土壤温度日较差，为灌木生长创造了适宜的土壤环境，因此覆盖后灌木成活率大于未覆盖的。灌木成活率是衡量造林成败的关键性指标，覆盖后林木成活率的提高充分说明了生态垫适宜灌木生长。

3 讨论与结论

流动沙地铺设生态垫后，抑制了风沙的剧烈活动，起到了固定沙丘的作用，同时对流动沙丘的土壤水分以及灌木的生长产生了一定的影响。

(1)由于生态垫的物理阻隔作用，改变了土壤-植物-大气构成的水循环体系，切断了土壤水分与大气间的交换，抑制了土壤水分蒸发，使较多的水分保留到土壤中，进而提高了20～60cm处土壤含水量，起到了保墒作用；同时覆盖生态垫后改变了土壤含水量在垂直剖面上的分布，将土壤年平均含水量的最大值由100cm处提升到60cm处。这是由于裸露的沙丘质地疏松，土壤水分受下渗运动和向上的蒸发、蒸腾作用的支配，水分垂直运动较快，不稳定层和中间过渡层的水分极易被蒸发，因此其土壤年平均含水量的最大值出现在水分相对稳定层100cm处，而覆盖生态垫后，蒸发的水分会在垫下凝结最终回归到土壤中，在提高土壤水分的同时将土壤年平均含水量的最大值提升到60cm处。而供试灌木根系主要集中在20～60cm处，因此生态垫覆盖后土壤含水量的提高为灌木的生长创造了良好的条件。

(2)覆盖生态垫后，梭梭和花棒的地径、高生长以及冠幅均显著高于未覆盖状态，这是由于覆盖生态垫后提高了土壤含水量，土壤中的营养物质通过根系输送到地上部分，促进了灌木的生长。但灌木间的个体差异导致距灌木主干20cm和40cm处相同环境下的花棒细根密度大于梭梭的细根密度。

(3)从土壤含水量和灌木生长指标来看，生态垫覆盖于流动沙丘易于灌木生长，提高成活率，且梭梭生长状况优于花棒。

本试验中，由于试验周期较短，生态垫对土壤水分和灌木生长的影响虽较为明显，但土壤含水量和灌木的生长是一个动态变化的过程，随着生态垫的逐步分化降解，土壤理化特性以及灌木生理生化指标又将产生怎样的变化还需进一步深入研究。