民勤荒漠区柠条防护林平茬复壮技术研究

2021-05-11周永海张勤德赵连鑫董存元任德全

中国水土保持 2021年5期

刘伟，何彩，周永海，张勤德，张军，李强，金娜，赵连鑫，李栋，董存元，任德全

(1.武威市林业科学研究院，甘肃武威 733000； 2.武威市凉州生态环境监测站，甘肃武威 733000)

柠条(Caraganakorshinskii)为豆科锦鸡儿属植物，是水土保持、防风固沙的优良灌木，常用于沙区造林、防护林带建设等，同时也是优质的饲草资源。但是，柠条随着造林时间的延长会逐渐出现枝条老化、生长力衰退等现象，导致生态效益降低[1]。包哈森高娃等[2-3]研究得出，平茬能够有效缓解柠条植株衰败、老化的问题，通过平茬不仅可促进柠条更新复壮，还可使平茬枝条得到有效利用，以缓解当地畜牧业发展中饲草不足的问题。

武威市石羊河林业总场扎子沟分场的柠条人工林已有50年，衰败老化很严重。据调查，武威干旱荒漠区沙生灌木林主要依靠自然更新，人工干预平茬复壮的更新方式还未大规模应用推广。本研究在前人研究的基础上，选择石羊河林业总场扎子沟分场衰老、退化的沙生灌木柠条为研究对象，对其进行平茬复壮试验，通过设置不同平茬高度，连续两年测定萌条数量、株高、冠幅、萌条地径、平茬后土壤含水量等指标，综合评估适合当地的柠条平茬复壮高度及强度，旨在为今后全市柠条人工干预更新复壮提供科学依据。

1 试验设计与研究方法

1.1 试验区概况

武威市石羊河林业总场扎子沟分场位于甘肃省民勤县重兴镇境内，地处河西走廊东端，属腾格里沙漠南缘，地势较平坦，自西北向东南倾斜，地理坐标为东经104°41′、北纬38°13′，区内海拔为1 420 m。属温带干旱荒漠区，光热资源相对比较丰富，日照比较充足，蒸发比较强烈，风沙活动比较频繁；年均气温为9.2 ℃，年降水量为110 mm，年蒸发量为2 500 mm；以西北风为主，年均风沙日数达到33 d，平均风速为4 m/s，年沙尘暴日数达到21.9 d；无霜期为142 d，日照时数为2 725.7 h。区内土壤为灰棕荒漠土，pH值为8.3。土壤以风沙土和流动沙土为主，覆沙厚度20 cm[4]，地下水位为20 m。柠条人工林造林时间为1969年，造林密度约为900株/hm2。

1.2 植物多样性调查

1.2.1 观测样地设置

2017年4月，在石羊河林业总场扎子沟分场1969年柠条人工林地中选择柠条长势比较相近、林分密度比较相似的区域作为样地(120 m×96 m)，在其中设置5个20 m×20 m的调查样方，样方间距要求保持在50 m以上，编号分别为A1、A2、A3、A4和A5，并对样方中的柠条植株进行统一编号(当年生柠条植株除外)。

1.2.2 植被调查

2017年6—8月，调查记录柠条人工林样方中植物的种类和株数，测量每株植物的株高和冠幅。同时，用数码相机对草本样方进行垂直拍照，用软件Image Pro Plus获得照片中植物地上部分的地面垂直投影面积百分数，计算出各样方的植被盖度，然后取5个样方的平均值。

1.3 平茬试验设计

1.3.1 留茬高度设计

2018年1月在同一样地选择立地条件和植物长势一致的地段进行平茬试验。平茬时为了保证切口平整、无毛刺，全部采用手锯、修枝剪操作。试验设置5个平茬高度，即距地面0、5、10、15、20 cm。

1.3.2 数据采集

于2018年5、7、9月和2019年5、7、9月每月中旬调查各平茬处理植株生长状况，每个处理随机选择6株进行调查，调查内容包括萌条数量、株高、冠幅和萌条地径，其中萌条地径均选择每丛中最粗分支测量。株高、冠幅采用钢卷尺测量，地径采用游标卡尺测量，取平均值。

1.3.3 土壤含水量测定

于2019年3、5、7、9月每月中旬在试验区采用土钻分层取样，调查0～120 cm深度林地土壤含水量，分层梯度为20 cm，计算各层3—9月土壤含水量的平均值。土壤含水量采用称重法测定。

1.4 数据处理与分析方法

用Microsoft Excel WPS进行数据处理和绘图，用SPSS 16.0数理统计软件(非参数检验)和Pearson相关分析对数据进行差异显著性分析。选用物种丰富度指数(R)、Shannon-Wiener指数(H′)、Simpson优势度指数(D)、Pielou均匀度指数(E)来表征柠条林地的物种多样性，计算公式[5]为

R=S

(1)

(2)

(3)

(4)

上四式中：S为物种总数；Pi为第i个种在全体物种中的重要性比例，Pi=Ni/N，Ni是样方中第i种的相对重要值，N为样方所有种的重要值。

2 结果与分析

2.1 植物多样性分析

植物多样性对保持沙漠稳定、防风固沙有重要作用，是调整林分结构和恢复地力的主导驱动因子。由表1可知，试验区柠条林地中植物种类有8种，以柠条、梭梭、沙米和多裂骆驼蓬为优势种，这既包括灌木、小乔木，也包括1年生和多年生草本。试验区植被总盖度为34.91%，多样性指数见表2。

表1 扎子沟1969年营造的柠条林的物种多样性

表2 扎子沟1969年营造的柠条林的多样性指数

2.2 柠条人工林不同留茬高度的平茬效果

2.2.1 平茬两年后萌蘖株生长动态

植物平茬后衡量其再生能力和适应环境能力的重要指标之一是植物萌蘖株生长状况[6]。由图1可以看出，平茬两年后5种留茬处理生长动态基本一致，但15 cm留茬处理萌蘖株生长状况明显高于其他处理。不同留茬高度处理柠条的株高、冠幅和地径随着时间增加呈增长趋势，萌条数量则呈减少趋势。

根据图1和调查结果，可以将柠条平茬萌蘖株的生长过程分为3个阶段：①5月中旬左右，柠条植株养分主要用于无性繁殖，萌条尚未木质化，而且呈簇状，数量很大但没有明显主枝；②7月中旬左右，柠条植株迅速生长，表现为粗度和长度都快速生长，主枝明显；③9月中旬左右，柠条萌条数量由于自疏作用而减少，最终趋于稳定，株高和冠幅的生长速率也较小，其中有些植株株高、冠幅出现比之前减小的现象与林地沙鼠啃食有关。到了第二年，由于越冬低温伤害和水分、养分等供应不足，萌条数量大幅下降，但株高、冠幅、地径仍然随着时间在逐渐增长。

图1 不同留茬高度处理萌蘖株生长状况

2.2.2 平茬两年后萌蘖株生长量对比

由表3可以看出，留茬高度对萌条的生长状况和数量均有显著的影响。2018年冬季1月平茬后，5种留茬高度处理均萌发出较多的新生枝条，新枝数均明显多于对照(P<0.05)，其中：10 cm留茬处理萌条数量最多，达95条；5 cm和20 cm留茬处理次之，为70条左右；而对照萌发的新枝数仅为24条。从新生枝条生长情况来看，15 cm留茬处理株高、冠幅及萌条基径都为最大，显著大于其他留茬处理和未平茬植株(P<0.05)，行间形成有效覆盖，具备较好的防护功能。

此外，从表3还可以看出，萌条数量并不是简单地随着留茬高度的增加而增加，10 cm留茬处理平均萌条数量多于其他留茬处理，15 cm留茬处理萌条数量明显低于其他4种留茬处理(P<0.05)。株高、冠幅、地径则随留茬高度的变化呈现出一定的规律，即15 cm留茬处理最大，10和20 cm留茬处理次之，0和5 cm留茬处理最小。

表3 平茬后灌木状柠条生长状况

2.2.3 平茬样地与未平茬样地土壤水分状况对比

比较平茬样地与未平茬样地各层土壤含水量(图2)可知，平茬样地土壤含水量在各个土层都高于未平茬样地，在40、60、80、100 cm土层差异尤为明显，在20和120 cm土层差异不明显。

图2 土壤含水量比较

3 讨论

通过对石羊河林业总场扎子沟分场1969年营造的柠条人工林进行野外调查和数据分析，可知造林地植物种类有8种，以柠条、梭梭、沙米和多裂骆驼蓬为优势种，植被总盖度为34.91%。总体来说，石羊河林业总场扎子沟分场柠条人工林的植物种类比较少，物种不是很丰富，这可能与民勤的干旱环境有关，卢占芳等[7]的研究结果与此一致。植物多样性除与造林时间和环境有关外，人为的干扰及树种的选择等方面的影响有待进一步研究。

植物资源能重复利用的基础很重要一点就是许多植物的地上部分被破坏后会进行补偿性生长。如前分析，平茬的柠条植株能从根颈处萌发大量新生枝条，且在生长季节生长非常迅速，留茬高度适当时这种现象更加明显，这对于柠条在维持其生存生态位和防护林长期稳定发展等方面具有重要的意义。魏怀东等[8]通过对腾格里沙漠南缘4种灌木不同高度的平茬试验发现，随着留茬高度的增加，柠条的株高、冠幅、萌条数都会显著增加。从本试验结果来看，留茬高度对柠条的萌条数量和生长量有显著影响，但生长量并不是随着留茬高度的增加而增大，而是以15 cm留茬处理效果最好，这一点不同于前人对柠条的研究，可能是由于生境和种间差异引起的。总之，对柠条而言，其平茬效果会受到留茬高度的影响，就本研究区域来看，以15 cm留茬高度为最好。

在极端干旱的腾格里沙漠腹地，水分一直都是影响植物生长发育的限制性因子。高天鹏等[9]对柠条平茬的研究认为，土壤含水量对平茬后萌蘖株生长状况及生物量均有显著的影响，平茬后萌蘖株在生长季所受干旱胁迫较小，植物将更多的光能以光合作用的形式利用，植物会生长迅速，而未平茬植株所受干旱胁迫严重，植物生长相对缓慢。平茬植株用水比未平茬植株用水少，这也许就是平茬区域的土壤含水量显著大于未平茬区域的原因，但是还需要进一步试验论证。