半干旱黄土区柠条生长与环境因子的关系研究进展

王子婷，柴春山，张洋东，陈 荣，戚建莉

(1.甘肃省林业科学研究院，甘肃 兰州 730030； 2.定西市水土保持科学研究所，甘肃 定西 743000)

1 研究背景

中国黄土高原土地面积62万km2，其中降水量在300～500 mm的半干旱地区以山西的雁北、陕西的北部、宁夏南部山区、甘肃的定西为中心，约占黄土高原总面积的60%[1]。生态环境脆弱，加上长期不合理的人类活动，使得该区沟壑纵横、地形破碎、水土流失严重[2]。为维持该区生态环境稳定，人工林草建设被视为该区植被恢复的主要措施之一[3]。但在具体实施过程中，不论立地类型差异均机械性地遵照统一的人工林草建设模式，并片面追求过高生产力，进行高密度栽植，致使出现了小老树、土壤干化等问题，使得群落衰败、生态系统退化[4-5]。因此，在半干旱黄土高原植被恢复与建设中，从树种的选择到栽植模式的选择都需要遵照自然规律，符合生态学原则。

柠条(Caraganakorshinskii)属豆科锦鸡儿属多年生灌木，是黄土高原地区的地带性植被，因其适应性强、生长快、繁殖容易等特性，被筛选确定为该区最适宜人工造林的优良灌木树种[6]和建立集流灌草配置模式的主要物种[7]。然而，半干旱黄土区地形破碎、沟壑纵横，坡面水热组合条件变化较大[8]，非地带性因子差别显著，故在植被恢复与建设实践中还需充分考虑非地带性因子[5]，如坡向、坡度、坡位、坡面地形和水分条件的差异。为此，我们对半干旱黄土区柠条人工林生长与环境因子的关系研究进行梳理，以期全面掌握柠条生长与环境因子的关系，确定影响植被生长的环境要素，从而更科学有效地指导该区人工植被建设与管理。

2 影响柠条生长的环境因子

2.1 地带性因素——气候因子

气候因子中的降水、积温、光照强度和蒸发量等都是影响植株生长的因素，其中降水是柠条生长与分布的主要限制因子。半干旱黄土区全年降水分布不均，多集中在7—9月，且多以暴雨形式出现，年蒸发量远大于降水量，降水的流失和蒸发致使土壤水分含量较低。同时，降雨使得黄土区植被表层土壤水分含量呈短期脉动变化，且这种影响随着土层深度的增加而减弱[9]。郭忠升等[10]在黄土丘陵半干旱区的研究发现，柠条林地降雨入渗深度最大为2.7 m。柠条的地上和地下生长过程与降雨变化关系密切，赵艳云等[11]研究发现，柠条的株高、分枝数、单株生物量与年度累积降雨量之间呈“S”型曲线关系，根系的生长与降雨量之间则呈指数规律增长，说明柠条生长过程与降雨量有极大的相关性；同时，柠条人工林不同生长阶段对降雨变化的响应亦有不同，在柠条生长的前11年，株高、分枝数、单株生物量及根深随降雨量的增加基本上呈直线上升的趋势，第12年增幅达到最大，但在之后的生长过程中柠条的各生长指标基本处于稳定状态，偶尔有衰退现象。魏佳英等[12]在对甘肃定西成熟柠条林所做的研究中发现，新梢生长量仅与0～200 cm剖面的土壤水分成显著性相关，且这一入渗层剖面的土壤水分对植被生长的影响是短期的，主要表现在对新梢生长上。此外，还有研究发现，积温和蒸发量对柠条人工林的地径和生物量有一定影响[13]。总之，半干旱黄土区人工柠条林生长受降雨及温度变化的影响，这在柠条生长的前期表现尤为明显，生长后期受水分的限制柠条逐步开始退化。

2.2 非地带性因素

2.2.1 地形因子

半干旱黄土区坡面微地形变化(坡向、坡度和坡位等)引起降雨和热量的再分配，这决定了坡面柠条人工林的生长与时空分布格局。陈云明[14]在陕北对柠条幼林的研究发现，影响柠条单丛生物量的环境因子主要有坡位、坡向和坡度等，其中阴坡柠条生长好于阳坡，下坡位生长好于中上坡位，坡面坡度越大柠条生长越差。不同生长年限的柠条株高、分枝数和地径对地形变化的响应亦有不同。程杰等[15]在宁夏固原研究发现，幼龄(1～7年生)和老龄(16～23年生)柠条林株高随坡面上升而降低，中龄(8～15年生)柠条林株高变化相反，3个林龄柠条林分枝数和地径均随坡面的上升而降低。赵艳云等[11]对宁夏上黄17年生柠条林的研究表明，坡位对柠条株高、根深及生物量生长有显著影响，对分枝数没有明显影响。王子婷等[16]在半干旱黄土丘陵区对成熟柠条林的研究发现，阴坡柠条生长明显好于阳坡，下坡位生长量略好于中上坡位。然而，毕建琦等[17]在黄土高原丘陵区对3年生幼龄柠条林的研究发现，地上及地下生物量均表现为阳坡生长好于阴坡。因此，地形因子通过对光照、热量和水分的组合与分配影响不同林龄柠条生长。在幼龄期，相对于水分条件而言，光照强度是其生长的限制因子，故表现为阳坡和半阳坡光合产物较高，柠条生物量大于阴坡和半阴坡；而进入中龄期以后，土壤水分则成为影响柠条生长的主要影响因子，故表现为阴坡、半阴坡的生长好于阳坡、半阳坡。

2.2.2 土壤水分及养分

在半干旱黄土区，水分是影响生态系统功能和过程的关键驱动因子[18]，也是植被生长和生存的重要环境组成部分，直接影响植被的生长发育、结构特征及群落稳定性。同样，土壤含水量的高低也受气候、地形及植被因素的综合影响。因此，地形因子会改变土壤水分含量，同时土壤水分含量的变化与植被生长又是一个相互作用的动态过程。不同林龄的柠条林对土壤水分的利用深度亦有不同，随着林龄的增加，柠条对土壤水分利用的深度和耗水量增加[19]。在半干旱黄土丘陵区柠条林发育至成熟阶段，土壤水分补偿与消减将会保持平衡状态，在对其生长状况及影响要素分析中发现，地形和土壤水分解释了59.9%的成熟柠条生长变异，其中柠条生长对浅层(0～200 cm)土壤水分的响应敏感且存在正相关关系，而与深层(200～600 cm)土壤水分则呈现出负相关关系[16]。在该区的研究还发现，地形差异造成了土壤水分规律性变化，但在特定植被生长发育状态和坡面尺度下，植被因子将成为土壤水分动态变化的主控因子[20]。土壤水分与植被生长的相互关系一方面表现出一定的时间差，另一方面植被对土壤水分也具有一定的适应性。这是因为土壤含水率高会促进植物生长，植物生长势增强则会进一步加大对土壤水分的消耗，从而引起土壤水分含量不足，抑制植物生长，植物生长势减弱又会进一步降低对土壤水分的消耗[21]。

土壤养分是土壤物理、化学、生物等性质的综合反映，能通过直接或间接的途径影响植物生长，对植被恢复至关重要[22]。同时养分的吸收又与柠条的生长阶段有关，幼龄期柠条生长量很大，其对土壤养分的吸收量就高，而随着柠条生长年限的增加，土壤中速效养分及微量元素含量呈下降趋势，尤其是速效钾和铁含量降低明显[11]。同时，在半干旱黄土区土壤养分的利用又与土壤水分相耦合。陈建文等[23]在对晋西北黄土高原柠条人工林幼林与成林细根生长动态比较的研究中发现，土壤水分和养分共同作用影响细根在土壤剖面的生长与分布。随着柠条林不断生长，会引起不同土层深度土壤水分的亏缺，而缺水会造成固态养分溶化与供应滞后，使得柠条在生长到一定年限后出现部分营养元素的亏缺，从而导致柠条在达到一定树龄后生长停滞甚至出现衰退[24]，最终表现为土壤养分与柠条生产力的高低相关性不显著，与土壤水分的相关性也不显著[12]。也有研究表明，柠条生长年限与林地土壤养分状况关系不大，在对退化林地采用平茬方式进行复壮更新后，柠条生物量的积累与土壤养分的关系不明显，不同平茬方式对土壤养分的影响亦不显著[25-26]。因此，土壤养分对柠条生长发育的影响是非常有限的。

2.2.3 栽植密度

黄土高原地区人工植被种植密度过大，造成土壤水分过度消耗，是形成深层土壤干化的直接原因[27]。研究表明，不同植被类型对土壤水分的影响差异很大，而同一植被类型不同的密度、生物量及生长年限造成土壤干化的程度和厚度也不同[28-30]。故在半干旱区进行人工植被恢复时，林地密度是影响植被恢复的重要因子，它不仅影响林分生长、单株生物量和产量，而且还影响土壤水分补给、供应和消耗。郭忠升等[31]通过构建确定土壤水分植被承载力数学模型，研究柠条密度与根层土壤水分补给、土壤水分消耗及林分生长的关系，结果表明，柠条的成林密度显著影响其生长过程，当柠条林密度相对较低时，柠条生长对土壤贮水量影响不大，柠条生长耗水量小于大气降水补给量，林地土壤水分处于积蓄状态，对柠条生长有利，而在密度制约很强的情况下，柠条生长耗水大于补给量，土壤水分处于亏缺状态，柠条生长则受到限制[32]。当然，幼龄柠条林过于稀疏也会因不利于土壤含水率的保持而影响柠条生长。张文文等[33]在黄土丘陵半干旱区柠条林密度对土壤水分和柠条生长的影响研究中发现，柠条低密度小区因盖度较低，蒸散发造成的水分损耗较多，加上柠条自身生长对水分的吸收(因1～5年生柠条生长较快，对水分的利用也较多)，使得低密度小区土壤水资源显著低于高密度种植小区。因此，柠条植株密度与其生长的关系受土壤水分的补给和消耗、林分生长及发育阶段等因素的综合影响。

2.2.4 整地方式

半干旱黄土区水土流失防治的核心是促进水分就地入渗，为了在该区实现有限水分的持续利用，在生态治理和植被恢复过程中，实施了包括整修梯田、鱼鳞坑、反坡台、水平阶、水平沟等形式多样的整地措施，使得原始坡面自然景观在整地后形成了微地形与植被恢复耦合下的新景观。研究证明，整地对黄土高原生态修复和环境改善有重要作用，相比自然坡面，在进行工程措施改造后可有效拦沙截流、蓄水保墒、改善土壤及植被生长条件[34-35]。因此，不同整地方式在该区广为应用，而其对植被生长的影响也备受研究者的关注。研究表明，在该区进行水平阶整地栽植柠条，柠条的分枝数、地径、地上生物量和地下生物量均高于荒坡，其中仅就株高而言，幼龄期(1～7年生)和中龄期(8～15年生)水平阶柠条株高显著高于荒坡，随着柠条生长的继续，在进入老龄期(13～23年生)后因深层土壤水分的影响，水平阶和荒坡柠条株高差异不显著[15]。同时，不同整地方式对于柠条株高、分枝数、根深、单株生物量均有显著影响[11]，在半干旱黄土区对10°～20°荒山采用水平阶、水平沟和鱼鳞坑整地均可促进灌草植被的生长，并大幅提高柠条的生物产量[6]，这主要是由于不同的整地方式改善了土壤结构、土壤肥力及土壤水分状况等，进而影响了柠条的生长。因此，在相应坡位上开展适宜的整地措施，将有利于柠条的生长和植被恢复。

3 结 语

在半干旱黄土区不同整地措施会影响降雨在坡面土壤的水分再分配，加之不同坡向、坡位和坡度等地形因子的共同影响，使得柠条生长发生差异，而柠条地上生长不同又会影响土壤水分的变化，同时植株密度又是调节土壤水分的重要因子，并间接调控了柠条后期的生长和更新。水分是该区坡面人工植被恢复的主要限制因子，坡面整地措施提高了水分利用效率，但过度消耗土壤水分则会引起深层土壤水分亏缺，导致林地退化。因此，在半干旱黄土区植被恢复中，不可过多强调单一的植被建设模式，应在遵循植被地带性规律的基础上结合局部地形变化及林木发育阶段确定合理的栽植密度，并辅以科学的水土保持集水措施及后期管理措施(如平茬)等，从而实现该区植被恢复的可持续性。此外，在过熟人工林地或退化林地中增加一些开花的乡土小灌木，可提高植物多样性及生态功能，促进林地自然更新并减少病虫害的发生。