黄河流域砒砂岩区典型水土保持植被生长特征及限制因素研究

包雪源，杨振奇，郭建英，秦富仓，刘铁军

(1.内蒙古自治区林业和草原工作总站，内蒙古 呼和浩特 010018； 2.中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，北京 100038； 3.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010020)

在干旱与半干旱地区，生态环境脆弱，天然植被稀疏，为了短期内提高地表覆盖度，常会进行大规模的水土保持植被建设，如此以来对于该区原有的生态环境和生物适应策略都将产生深远的影响[1-2]。人工林的生长发育过程极易受多种外界环境的干扰，相关研究表明，不同的研究尺度上制约植被生长的环境因子有所区别，大尺度的研究认为气候和地形因素是决定植被生长发育的主导因素，中小尺度的研究则将影响因素归结为地形和土壤因素两方面[3-5]。植物的生长发育过程随生物栖息环境的梯度变化而表现出一定差异规律，研究自然和人为综合因素影响下水土保持植被的生长规律，以及水土保持植被与区域生态环境恢复的耦合机制，一直是生态修复领域的热点[6-7]。但目前，运用单一的描述统计方法和简单的线性数学方法在探讨植被物种随环境梯度变化上还存在着较大的局限性。研究水土保持植被的生长发育特征，建立生长特征与环境因子的联系，对于深入解读生态恢复过程有重要意义。

黄河流域的生态保护和高质量发展，是我国新时代生态文明建设的重要内容。砒砂岩区是黄河流域上中游地带的粗泥沙集中来源区，该区基岩成岩程度低，裸露基岩极易风化溃散，引发严重水土流失作用[8-9]，砒砂岩区土壤养分物质来源匮乏，土壤肥力贫瘠，基岩松散，在水力、风力和重力的作用下极易坍塌滑坡，生态修复难度极大[10]。裸露砒砂岩区自20世纪80年代起，以小流域为治理单元开展了一系统的水土流失治理工作，营造了大面积的水土保持植被，区域水土流失趋势得到了有效控制。而现阶段砒砂岩区典型流域水土保持植被生长现状如何，人工林的生长限制性因素有哪些，等等问题尚不明确。为此，本研究选取内蒙古砒砂岩区鲍家沟小流域为研究区，以该区域典型水土保持植被为对象，研究小流域水土保持植被的生长发育特征，探究水土保持植被的生长限制性因子，以期为砒砂岩区的生态修复工作提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古准格尔旗暖水乡的鲍家沟流域(110°31′-110°35′E，39°46′-39°48′N)，小流域面积为12.67 km2，海拔1 110～1 300 m，地形北高南低；温带大陆性气候，冬季漫长干燥，夏季短暂温热，年均气温7.2 ℃，年降水量400 mm；土壤类型以粗骨栗钙土为主，土壤侵蚀类型有水力侵蚀、风力侵蚀以及重力侵蚀等。流域内实施生态移民搬迁政策，人类活动干扰少，耕地全部退耕还林，土地利用类型以林地和草地为主，其余大部分为未利用地(裸露砒砂岩地)流域植被覆盖度约为56%，流域内土壤侵蚀治理措施以营造水土保持植被和封育禁牧措施为主，主要水土保持植被有：油松(Pinustabuliformis)、柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等；草本植物主要有羊草(Leymuschinensis)、猪毛菜(Salsolanitraria)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

通过无人机和地面调查相结合的手段，对砒砂岩典型小流域内气候、土壤、植被等自然条件进行全面调查，依据该区地形特征和植被配置特点，选取该区最为常见的油松、沙棘、山杏、柠条4种纯林和油松×沙棘、油松×山杏2种混交林作为研究对象。表1为研究流域内人工林的结构组成情况，主要造林树种为油松、沙棘、柠条和山杏4个，林龄一致均为10 a。灌木林林分密度一致，乔木林和经济林林分密度一致，混交林林分密度一致。

2.2 植被调查

在小流域内布设标准样地20个，其中乔木30 m×30 m、灌木15 m×15 m、分别测定标准地内林木的树高和冠幅等林分因子，在林分中，不同高度林木的分配状态称为林分的树高结构，也称林分树高分布。经过林分调查，鲍家沟流域树种的种类相对较少，本身生长特点也有很大的不同，各树种受立地条件和生物学特性等因素的影响，树高存在明显的差异，按照50 cm划分1个径级。同时在样地四角及中心布设1 m×1 m样本5个，详细记录树种、林龄、郁闭度/盖度、密度、土层厚度、坡度、坡向、坡位、树种组成、地理位置等。

2.3 土壤理化性质分析

在研究区样地内开挖土壤剖面，按照0～20、20～40、40～60 cm分层取土，带回室内风干备用。室内试验：土壤含水量采用烘干法；土壤容重采用环刀法；有机碳测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法；全N测定采用半微量开氏蒸馏法；有效P采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法；速效K测定采用乙酸氨浸提火焰光度法。

表1 人工林结构组成

3 结果与分析

3.1 小流域人工林地分布及生长现状

图1为流域林地空间分布图，流域造林树种主要有沙棘、柠条、山杏和油松4种，其中沙棘面积最大为1.72 km2，占林地总面积的34.13%，其次为柠条林地，面积为1.34 km2，占林地总面积的26.59%。油松林面积为1.11 km2，占林地总面积的22.02%，山杏林面积最小为0.58 km2，占林地总面积的11.51%。其余为2类乔灌混交林，油松×山杏混交林面积为0.18 km2，占林地总面积的3.57%，油松×沙棘混交林面积为0.064 km2，占林地总面积的1.27%，而全流域中的裸露砒砂岩区的面积高达4.41 km2，占流域总面积的34.81%。

图1 流域林地空间分布

图2为流域植被覆盖度分级图，可以看出高覆盖度面积3.80 km2，占流域面积的30%。中覆盖度面积3.00 km2，占流域面积的23.68%，中低覆盖度面积2.94 km2，占流域面积的23.20%，低覆盖度和裸地是裸露砒砂岩的集中分布地带，占流域面积的23.12%。

由图3、图4可知，同龄纯林中林木株数按树高分布也具有明显的结构规律，在柠条纯林中，林分最大树高2 m，最小树高0.47 m，有39%的树高分布在1～1.5 m范围，有34.5%的树高分布在1.5～2 m范围，有26%的树高分布在0.5～1 m范围，仅有0.5%的树高分布在<0.5 m的区间，此部分柠条分布在道路两侧，可能与植被建设过程中车辆碾压导致的生长缓慢有关；沙棘林的树高分布只在1～1.5 m范围内出现了较大的分布区，占总株数的49%，其次在1.5～2 m和0.5～1 m的分布分别为20%和18%，在>2 m和<0.5 m的两极区间分布较少，分别为6%和7%；山杏的树高分布在2.35～3.5 m，一部分分布在<2.5 m处，株数占总株数40%、另一个是分布在3～3.5 m，株数占总株数37%，其余分布在2.5～3 m，株数占总株数的23%；油松林的树高分布在2.2～3.8 m，其中有31%的树高分布在<2.5 m区间，有18%的树高分布在2.5～3 m，有22%的树高分布在3～3.5 m，有29%的树高分布在>3.5 m区间。

图2 流域植被覆盖度

图3 柠条、沙棘纯林树高分布

图4 山杏、油松纯林树高分布

由图5和图6可知，油松×山杏混交林中油松树高在1.5～2.65 m，其中有70.9%的树高分布在2～2.5 m，有27.27%的树高分布在<2 m区间，有1.81%的树高分布在>2.5 m区间。山杏树高在1.65～3 m，其中有35%的树高分布在2～2.5 m，有45%的树高分布在<2 m区间，有20%的树高分布在>2.5 m的区间。油松×沙棘混交林中，油松树高在1.5～2.6 m，20%的树高分布在2～2.5 m，有40%的树高分布在<2 m的区间，有40%的树高分布在>2.5 m的区间。沙棘树高在1.4～1.7 m，38%的树高分布在1.5～2.2 m，有62%的树高分布在<1.5 m的区间。

3.2 人工林地土壤理化性状

图7为研究区典型流域不同人工林地土壤的理化特征，从各林地土壤养分特征来看，土壤速效P含量在0.27～2.04 mg·kg-1，土壤速效K含量在34.26～48.60 mg·kg-1，土壤速效N含量在1.11～6.05 mg·kg-1，土壤有机质在2.45～6.23 g·kg-1，按照全国第2次土壤普查的土壤养分分级标准，分别属于4～6级、5级、6级、6级，土壤养分整体较低，土壤肥力条件较差。其中油松×山杏混交林下土壤速效P含量(2.04 mg·kg-1)高于其他林地土壤，其次为柠条林(1.78 mg·kg-1)、山杏林(1.57 mg·kg-1)，沙棘林与油松林下土壤速效P含量差异不显著，油松×沙棘混交林下土壤速效P含量(0.28 mg·kg-1)低于其他人工林；各林地土壤速效氮呈油松×沙棘>沙棘>油松×山杏>山杏>柠条>油松的趋势；各林地土壤有机质含量呈油松×山杏>沙棘>柠条>油松×沙棘>山杏>油松的趋势。

图5 油松、山杏混交林树高分布

图6 油松、沙棘混交林树高分布

从各林地土壤水文物理性状来看，各林地土壤容重在1.51～1.71 g·cm-3，土壤含水率在10%～18%，按照全国第2次土壤普查的土壤容重分级标准，土壤相对紧实，土壤颗粒较粗。各林地土壤总孔隙度呈油松>山杏>柠条>油松×沙棘>沙棘>油松×山杏；土壤含水率以油松×山杏混交林下最高；土层厚度呈柠条>山杏>油松>油松×沙棘>油松×山杏>沙棘的趋势。

3.3 小流域人工林地生长限制因素

选取坡度和坡向2个地形因子，选取土壤有机质、速效P、速效N、速效K这4种与植被生长密切相关的养分指标，以及土壤容重、含水和土层厚度3种物理性质指标，共9项环境因子，采用皮尔逊相关性分析方法，分析人工林树高指标与环境因子的相关性。由表2可知，养分指标中土壤有机质和速效N含量与人工林树高呈极显著正相关关系，土壤有机质与树高的相关性最强，为0.817，土壤物理指标中容重与树高分别呈极显著负相关关系，而坡向因子和坡度因子与树高的相关性较差，反而与土壤养分指标和物理性状指标的关系密切，坡向与速效磷和含水率呈极显著负相关关系，坡度与容重呈极显著正相关关系，与速效K、土壤含水呈极显著负相关关系，与速效N、有机质呈显著负相关关系。

图7 人工林下土壤理化性状

为了进一步定量化研究土壤因素对水土保持植被生长发育的直接影响作用，以及地形因子的间接影响作用，结合各因子间相关关系，分别以各因子为因变量，以其他有直接连接关系的因子为自变量，如以速效氮为因变量，则以有机质和坡度因子为自变量，依次类推，分别进行回归分析，确定间接影响系数。

表3为各因子对树高因子的直接影响作用和间接影响系数，按照影响关系路径可以分为4级，一级路径为直接影响关系，可以看出土壤因子对树高的直接影响作用依次为有机质(0.955)>速效P(0.555)>速效N(0.202)>容重(0.284)>含水率(0.270)=土层厚度(0.270)>速效K(0.196)。

二级路径，为通过2个因子的路径关系，主要有坡度→速效N→树高、坡度→速效P→树高、坡度→有机质→树高、坡度→容重→树高、坡度→土层厚度→树高、坡向→有机质→树高、坡向→含水率→树高、有机质→速效N→树高、有机质→速效P→树高、有机质→速效K→树高、有机质→孔隙度→树高，其中综合影响作用最大的路径为坡向→有机质→树高，综合影响系数为0.548。

三级路径，有坡度→有机质→速效P→树高、坡度→有机质→速效K→树高、坡度→有机质→速效N→树高、坡度→有机质→含水率→树高、坡向→有机质→速效N→树高、坡向→有机质→速效P→树高、坡向→有机质→速效K→树高，其中的综合影响作用最大的路径为坡向→有机质→速效N→树高，综合影响系数为0.053。

通过将直接影响因子与树高因子建立回归关系，回归模型可以写成

y=2.949-0.479x1+0.014x2-0.076x3+0.329x4+4.416x5-0.003x6-1.438x7

(1)

式中：y为树高；x1～x7分别为速效P、速效K、速效N、有机质、含水率、土层厚度和容重；模型汇总R2=0.735，模型可解释性的变异度较高。人工林树高与环境因子的路径关系见图8，图8中的箭头表示某一因子对其他因子的直接影响作用，土壤速效P、速效K、速效N和有机质4个土壤养分指标，土壤容重、土层厚度和含水率3个土壤物理性质指标，能直接作用于人工林的树高生长，因此其与树高有直接连线。坡向因子和坡度因子需要通过影响土壤养分和土壤物理性质间接影响植被生长，因此其不能与树高直接连线，需先链接土壤养分或土壤物理性质。坡度因子通过改变地表径流的冲刷影响土壤颗粒的搬运和土壤养分的迁移，进而改变土壤结构和水肥特征，因此其与速效N、速效P、速效K、有机质、土壤容重、土层厚度和含水率有直接连接关系，而坡向通过改变太阳辐射能量影响有机质的积累和土壤水分的蒸发，因而只与含水率和土壤有机质有直接联系作用；土壤有机质的分解会增加土壤速效养分，并改变土壤结构，增加土壤通气透水性能，因此土壤有机质与速效N、速效P、速效K和容重有直接连接关系；土壤水分主要存在于土壤孔隙中，土壤孔隙结构受土壤质地和土壤有机质的影响，因此含水率与容重存在直接连接关系。

表2 人工林树高与环境因子的相关性

表3 人工林树高与环境因子的相关性

4 结论与讨论

砒砂岩区典型小流域的水土保持植被措施树种结构相对单一，沙棘和柠条林生长发育状态相对稳定，油松，山杏林的生长发育状态受立地条件影响较大，采取乔灌混交的配置形式可促进植被生长发育。

土壤有机质为限制砒砂岩区人工林生长发育的直接限制性因子，坡度和坡向因子为间接限制性因子。坡向等地形因素主要通过改变区域水热资源分配，影响土壤有机质含量变化进而影响人工林的生长发育。

图8 人工林树高与环境因子的路径关系

植物生长发育的差异是环境、生物等因子多方面协同影响下的结果，研究尺度的不同，其影响因素也有所区别[11]。顾锡羚等[12]认为在空间大尺度水平上，气候是制约植物生长发育差异的首要因素。王子婷等[13]认为地形是导致中等空间尺度植物生长变异的关键因素。郭建斌等[14]认为造林密度差异是引起小尺度范围内植物种生长差异的主要因素。与前人研究有所不同的是，砒砂岩区典型小流域气候条件基本一致，其地形属性有着典型黄土丘陵沟壑区的破碎化地形特征，同时又独有砒砂岩裸露，土层浅薄的地域特点，与其他研究区域不同的是[15]，土壤和地形因子并非主导小尺度生境的唯一因子。鲍家沟小流域相对高差不足200 m，海拔作用对水土保持植被的影响可以忽略，同时流域面积较小，东西长约5 km，南北跨度3 km，流域内降雨、温度等气候因素基本一致。与黄土地区不同的是，研究区基岩裸露，水土流失剧烈，长期的土壤侵蚀作用改变了地表土壤结构，加剧了养分的流失，间接影响着砒砂岩区水土保持植被的生长发育过程[16]，这与赵维军等[16]的研究结论相近。此外，值得强调的是，土层厚度是砒砂岩区土壤性质中较为独特的指标，在实地调查中发现该区部分区域土层厚度<5 cm，甚至部分地区地表砒砂岩风化物裸露，砒砂岩的存在对于土壤持水能力有着较大影响[17]，间接影响着植被的生长发育。

结合本研究路径分析的结果来看，砒砂岩小流域尺度下，土壤水肥指标能够直接影响人工林的生长发育过程，土壤因素属直接影响因素。而坡度、坡向等地形因子则是通过改变局部区域的水热条件和地表蚀积作用，间接影响土壤的物理性质和养分条件，进而间接影响植被的生长发育，因此地形因子属间接影响因素[18-19]。实际情况也是如此，在砒砂岩区的调研过程中也发现陡坡地带、基岩裸露地带以及沟坡地带，往往土层浅薄养分贫瘠，植被长势稀疏，而沟谷、缓坡和阶地带，土壤的水肥条件相对较好，植被长势良好。因此在当前黄河流域生态环境明显好转的大背景下，裸露基岩仍是流域内的优势景观，在地形因素的限制下是无法通过植被建设达到完全消除裸露基岩的目的，因而无节制地增加水土保持植被的面积，对于侵蚀的控制作用收效甚微，甚至将面临水资源枯竭和水土保持植被退化的严重问题[20]。