冀北坝上沙化土地沙棘人工林的生态效益

张强，李玉灵，刘春海，李晓刚

(1河北永林林业技术服务有限公司，河北 石家庄 050091；2河北农业大学 林学院，河北 保定 071001；3承德宇航人高山植物应用技术有限责任公司，河北 承德 067000)

冀北坝上地区地处我国农牧交错地带，是华北温带阔叶林与草原的过渡区域，气候高寒干旱、水资源短缺，是我国生态环境最为脆弱的地带之一[1]。由于过去对森林的过度砍伐、超载放牧、过度开垦，加之不合理的农业结构和对地下水的过度开采等原因，该地区的植被覆盖率不断减少，导致水土流失加剧、土地沙化现象日益明显、生态环境日益恶化[2]。

沙棘是沙化地区水土保持、防风固沙、改善生态环境的先锋树种，具有喜光，耐冷、热，耐干旱、贫瘠，抗风沙等特点，其根系发达具有根瘤，有肥地之效，克隆性使其具有“独木成林”的潜力，沙棘不仅具有重要的生态价值，还具有很高的经济价值，其枝叶可做能源和饲料，果实可用于食品、保健品、药品等的加工利用[3-6]。目前，有关沙棘生态效益的研究较多，但针对沙棘在北方高海拔沙化地区生态效益的相关研究处于空白[7-9]。因此，以植物防风固沙和经济林栽培理论为基础，对冀北坝上沙化地区沙棘经济林进行研究，通过对比沙棘林内和荒坡的防风效果、植物物种多样性和土壤理化性质，明确沙棘栽培的生态改良效应，从而为利用沙棘资源改善坝上沙化环境和民生提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于河北省承德市丰宁满族自治县坝上地区的外沟门乡，地理坐标为E 116°38′23.64″，N 41°12′25.99″，该地属于中温带半湿润半干旱大陆性季风型高原山地气候，年平均气温0.9～6.2 ℃，无霜期110～145 d，昼夜温差大，年降水量约340～500 mm，年4级以上风日数210 d左右，8级以上大风的日数最高可达65 d。由于人为不合理的放牧、耕作和对水资源的过度利用等原因，该地植被出现不同程度的退化，土地沙化严重。

2 研究方法

2.1 样地设置

在承德市丰宁满族自治县外沟门乡茶棚村沙化坡地上的俄罗斯大果沙棘种植园内利用罗盘仪设置1个样地，样地面积为6 hm2(200 m×300 m)，样地内为2年生俄罗斯大果沙棘，株行距为2 m×4 m，同时设置1个面积为6.25 hm2(250 m×250 m)未经开垦的荒坡样地为对照。将沙棘林地和荒坡20 m为1个点进行网格化处理(沙棘林样地划分为150个小网格，测150个点；荒坡样地划分为156个小网格，测156个点)，用TruPulse 360测量每个点的相对高程，用surfer 12.0绘制地形图(图1)。由图1可以看出，沙棘林地和荒坡绝大部分地形都呈缓坡状，坡长大约为300 m，且整体坡度均匀，荒坡最高点和最低点之间相差约12 m，沙棘林地最高点与最低点之间相差17 m。两样地的坡度都比较小，因此可以不考虑坡位的影响。

图1 荒坡和沙棘林地地形图

2.2 沙棘林的防风固沙效应研究

2.2.1 风速的测定 为明确沙棘林在春、夏、秋3个季节的防风效应，用Kestrel 4500手持风速测定仪，分别在2018年4月(春季)、2018年8月(夏季)、2018年9月(秋季)中旬连续3天，在每天9：00、11：00、13：00、15：00、17：00 5个时间点，2个调查组在相同时间分别测定荒坡和沙棘林内2 m和0.5 m处风速，每个测定点测定3次。

2.2.2 防风效能的计算 对沙棘林风速观测数据进行处理，计算出沙棘林地在不同高度相对于荒坡的防风效能，防风效能EZ是指林内高度为Z的风速比荒坡风速减少的百分比。

(1)

式中：EZ为沙棘林内高度Z处的防风效能；UZ为沙棘林内高度Z处的平均风速；U0,Z为相同高度荒坡的平均风速。

2.2.3 地表粗糙度的计算 地表粗糙度是反映地表对风阻抗能力的重要参数，表明了该地区空气气流紊流的运动情况。地表粗糙度越大，表明地面对空气流动的阻力越大，相对应削弱风速的能力就越强。粗糙度的计算公式如下：

LogZ0=(LogU2-ALogU1)/(1-A)

(2)

式中：Z0为地表粗糙度；U1、U2为任意2个高度的风速，本研究中U1、U2分别取2 m和0.5 m高度的风速值；A为2个高度上风速之比的平均值。

2.3 土壤理化性质的测定

2017年9月在沙棘林地内做9个40 cm深剖面，在荒坡对应位置也做相同数量、相同规格的剖面(共计18个剖面)，每个剖面分0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm 3层测定土壤的理化性质。通过外业采取样地中每个剖面不同土层的土样，土壤理化性质指标的测定均在实验室完成。土壤的物理性质包括土壤自然含水率、容重、孔隙度等指标，用环刀法测定；pH值采用pH计测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法-外稀释法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；全磷含量采用碱溶钼蓝比色法测定；速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提钼蓝比色法测定；全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度法测定；速效钾采用1 mol/L醋酸铵浸提—原子吸收分管光度计测定[10-11]。

2.4 植物物种多样性调查

因沙棘林内和荒坡生长的都是1到2年生的草本植物，所以于2018年8月在沙棘林和荒坡样地内各设置9个1 m×1 m的样方，调查并记录样方内物种的名称、株(丛)数、高度、盖度等指标，计算物种丰富度指数(R0)、Simpson指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(E)等指标[12]。计算公式如下：

丰富度指数(R0)

以样方中物种的数目表示物种丰富度。

R0=S

(3)

重要值(Pi)

重要值=(相对高度+相对频度+相对盖度)/3

(4)

式中：相对高度=(某种植物的平均高度/全部植物平均高度之和)×100%；

相对频度=(某种植物的频度/全部植物的频度之和)×100%；

相对盖度=(某种植物的盖度/全部植物盖度之和)×100%。

Simpson多样性指数(D)

(5)

Shannon-Wiener多样性指数(H)

(6)

Pielou均匀度指数(E)

(7)

式中：S为样方中草本物种数量；N为样方中所有草本物种的个体数之和；i为样方中第i个物种；Pi为样方中第i个物种的个体数占所有物种个体数的比值，即相对密度。

2.5 数据处理

试验数据通过Excel进行初步统计和计算，利用SPSS 23.0对沙棘林地和荒坡的粗糙度、土壤理化性质指标进行单因素方差分析和LSD多重比较，地形图用surfer12.0绘制。

3 结果与分析

3.1 沙棘林防风效应

3.1.1 荒坡风速的季节变化 春、夏、秋3季风速见图2。

图2 春、夏、秋3季风速变化图

由图2可见，荒坡春、夏、秋3个季节的风速变化，此风速可代表该地区春、夏、秋3个季节自然风状态。研究地春季的风速明显大于夏、秋2个季节，夏季和秋季风速差别不明显；秋季下午的风速略高于夏季。3个季节风速日变化均呈先升后降趋势，风速的日变化最大值在13:00，最小值出现在17:00，这主要是受温度日变化的影响。

3.1.2 防风效能 沙棘林不同季节防风效能变化见图3。

图3 沙棘林不同季节防风效能变化

图3显示不同季节沙棘林的防风效能，沙棘林地2 m处的防风效能在春、夏、秋3个季节差距很小，几乎没有变化。0.5 m高度处的防风效能整体大于2 m高度处，且随季节的推移防风效能逐渐增大。

3.1.3 粗糙度 3个季节粗糙度见图4。

图4 3个季节粗糙度

根据沙棘林地和荒坡0.5 m和2 m 2个高度所观测的风速值，利用粗糙度公式计算出林带和荒坡不同位置的地表粗糙度，计算结果如图4(图中相同季节中不同字母表示经Duncan氏新复极差法测验在0.05水平上差异显著)所示，随着季节的变化，荒坡和林内地表粗糙度均呈现逐渐升高的趋势，春季最小，秋季的粗糙度为最大，沙棘林内地表粗糙度均大于荒坡地，春季、夏季和秋季沙棘林地粗糙度分别是荒坡的1.08倍、1.19倍和1.22倍。在枝叶旺盛期的夏季，沙棘林内地表粗糙度是春季的1.3倍，明显高于无叶期。

3.2 沙棘对植物群落的影响

沙棘林地和荒坡地的物种组成见表1。

表1 沙棘林地和荒坡地的物种组成

由表1可见，研究地共发现20个草本植物物种(无乔木、灌木等植物)，分别属于禾本科、藜科、菊科、茜草科、莎草科、豆科、蓼科，其中有12个物种在荒坡和沙棘林地都有出现，另有8个物种只出现在沙棘林地，相比较而言，沙棘林内的物种更丰富。

荒坡和沙棘林物种多样性指数对比见图5。

图5 荒坡和沙棘林物种多样性指数对比

图5中相同指数下不同同字母表示经Duncan氏新复极差法测验在0.05水平上差异显著，ShanNon-Wiener指数反映了物种个体出现的不确定程度，沙棘林下Shannon-Wiener指数为1.63，荒坡为1.11，并且两地间差异显著，说明沙棘林地比荒坡出现稀有种的可能性较大。Simpson指数反映了生境物种多样性的综合优势度，沙棘林地和荒坡草本物种的Simpson指数无显著差异，呈现物种多样性指数不随物种丰富度变化而变化的现象。Pielou 指数反映了生境中物种个体分配的均匀程度，沙棘林带Pielou 指数表现高于荒坡地，说明沙棘林内生境和荒坡相比，表现出更为稳定的群落结构。

3.3 沙棘种植对土壤理化性质的影响

沙棘林地和荒坡土壤的物理性质见表2。

表2 沙棘林地和荒坡土壤物理性质

由表2可知，沙棘林地土壤容重随深度增加呈现逐渐增加的趋势，沙棘林地与荒坡容重在各土层间具有显著性差异，荒坡地的土壤容重处于1.46～1.53 g/cm3之间，沙棘林地土壤容重在1.36～1.43 g/cm3之间。由河北省土壤容重分级标准可知，荒坡土壤处于二级等级，沙棘林地土壤处于一级适宜等级，沙棘根系对土壤容重的改良作用明显[10]。沙棘林地和荒坡的自然含水率、田间持水量、毛管持水量均随土层深度的增加呈递减的趋势，均为0～10 cm土层显著大于10～20 cm层和20～40 cm层，而10～20 cm和20～40 cm之间的差异不显著，且沙棘林地各土层均显著大于荒坡，整体来看，沙棘林地土壤持水能力大于荒坡。从土壤孔隙度来看，沙棘林地土壤孔隙度整体均大于荒坡，沙棘林地的总孔隙度在各土层均显著大于荒坡，非毛管孔隙度只有10～20 cm层和20～40 cm层显著大于荒坡，毛管孔隙度两地间差异不显著，沙棘林地0～10 cm层土壤的总孔隙度、毛管孔隙度均显著大于10～20 cm、20～40 cm层土壤，总体来看，沙棘林地的土壤孔隙度优于荒坡，明显改良了土壤结构。

沙棘林地和荒坡0～40 cm层土壤化学性质见表3。

表3 沙棘林地和荒坡土壤化学性质

由表3可知，沙棘林地和荒坡地的pH值随土壤深度增加均呈上升趋势，沙棘林地的土壤pH值在6.24～7.08之间，属中性偏酸，荒坡地的土壤pH值在5.76～6.42之间，整体偏酸，沙棘林土壤的酸碱性表现更好。沙棘林地与荒坡地有机质含量呈现随土壤深度增加逐渐下降，沙棘林地与荒坡地土壤的有机质含量分别为14.75～16.71 g/kg和10.8～12.64 g/kg，沙棘林地各土层土壤的有机质含量均显著高于荒坡。沙棘林地氮、磷、钾元素的含量呈现随土壤深度的增加逐渐降低的趋势，且沙棘林地土壤氮、磷、钾元素含量整体高于荒坡，在各土层均有显著性差异；沙棘林地碱解氮含量呈现随土壤深度增加逐渐增加的趋势，沙棘林地土壤碱解氮含量在各土层显著高于荒坡地，沙棘林地与荒坡地的碱解氮含量分别为57.07～71.47 mg/kg和37.2～49.93 mg/kg。由速效磷含量可得，无论是沙棘林地还是荒坡地，土壤速效磷含量均较低，最高为4.25 mg/kg；由速效钾含量可得，随着土壤深度的增加，沙棘林地土壤速效钾含量逐渐降低，沙棘林地土壤速效钾含量在各土层显著高于荒坡地，沙棘林地与荒坡地土壤的速效钾含量分别为44.96～49.33 mg/kg和31.54～35.25 mg/kg。

4 讨论与结论

4.1 沙棘对冀北坝上沙化地区防风效果的影响

沙棘林的防风效能主要是通过降低风速、增加地表粗糙度及和地表植被共同作用来改变风速紊流来实现。春、夏、秋3个季节，春季因土壤水分处于亏缺状态，沙棘枝叶尚未展开且生长缓慢，所以沙棘林地表粗糙度较其他季节小，且防风效能在0.5 m和2 m处相差也较小；夏季因雨水的补充，土壤水分增加，沙棘植株迅速生长，枝叶茂盛，在0.5 m高度的防风效能明显大于春季；秋季虽雨水减少，但经过夏季雨水的积累和沙棘本身的生长，沙棘林地的防风效能和粗糙度仍然很大。

4.2 沙棘生长与植物多样性的关系

物种多样性具有展示植被丰富性和平衡物种生长的特性[13]。本研究表明，沙棘林地草本丰富度较荒坡高，这与哈斯研究结果一致，共发现草本植物种20种，沙棘林20种，荒坡12种，分别隶属于禾本科、藜科、菊科、茜草科、莎草科、豆科、蓼科[14]。

Pielou指数表现出沙棘林高于荒坡，说明沙棘林地草本物种的群落结构也较为稳定，Shannon-weaner指数来源于信息论中计算熵的公式，在均匀度差异不显著的情况下，其对物种丰富度较为敏感。本研究显示，沙棘林地与荒坡的均匀度接近，但沙棘林的Shannon指数为1.63显著高于荒坡的1.11，这说明沙棘林地出现稀有草本物种的可能性更大，稀有种对于Shannon指数的计算存在较大贡献，实际调查情况也证实沙棘林地植物物种较多。

4.3 沙棘生长对沙化土地土壤理化性质的影响

干旱区属于脆弱生态类型区，土壤具有结构差、质地粗且生产力低下，干时松散等特点[15]。本研究结果显示荒坡地 0～40 cm层土壤容重，处于1.46～1.53 g/cm3之间，在国家耕地土壤容重分级标准中处于“偏紧”等级，孔隙度指标也均较低。沙棘林地的土壤容重在1.36～1.43 g/cm3之间，处于适宜等级，土壤结构良好，土壤孔隙度指标均较高，土壤通透性较好，保肥蓄水能力较强[16-18]。可见沙棘造林对土壤容重和孔隙结构均有改善，这说明通过沙棘植树造林，对土壤理化性质具有明显改善作用。

本研究中沙棘林地土壤氮、磷、钾和碱解氮、速效钾含量均显著高于荒坡，说明沙棘的生长对沙化土地土壤的改良作用明显，尤其是对于提高土壤碱解氮含量的作用显著，这可能与沙棘植物根系的根瘤菌有关。虽然沙棘林地和荒坡在土壤养分方面有显著差异，但无论是沙棘林地还是荒坡，土壤整体养分含量都比较低，这多数是因为研究地土壤本身养分贫瘠造成的，且沙棘种植时间较短，林木通过微生物分解其凋落物途径归还土壤养分，对土壤的改善作用还不明显。但随着时间的延长，林木对土壤的改良效果会更显著。

综合考虑，就本研究结果而言，沙棘生长对土壤理化性质有一定的改善作用，又因沙棘本身具有抗旱机理，对土壤水分要求不苛刻，还可提高地区草本层的物种多样性，因此，沙棘可作为冀北坝上地区优良的防风固沙经济林。研究采用的是纯林造林，通过研究结果可以看到效果也较好，但纯林造林具有容易诱发病虫害等潜在弊端，同时，沙棘为浅根性树种，对深层土壤的改良亦存在一定局限且苗期和草本的竞争性较大。因此，今后加强苗期管理，也可进行多树种及不同林龄混交造林模式，无论生态效益还是经济效益可能会达到更好的效果。