民勤荒漠区人工沙拐枣林平茬更新复壮技术试验研究

2023-03-06赵连鑫张勤德

中国水土保持 2023年1期

赵连鑫，刘伟，王鑫，李强，张勤德，金娜，张军，张涛，李栋，何彩

(武威市林业科学研究院,甘肃武威 733000)

沙拐枣(CalligonummongolicumTurcz.)为蓼科沙拐枣属多年生灌木，具有耐高温、抗风蚀、耐沙埋、抗干旱、耐瘠薄等特性，其枝条茂密、根系发达，能够适应条件极端严酷的干旱荒漠区，是典型的沙生植物[1]。然而，随着树龄的增长，加之少雨、高温等多种恶劣环境胁迫，沙拐枣等沙生植物普遍存在衰退、萎蔫、生长不良等现象，甚至出现整株死亡等状况[2]。平茬作为灌木林更新复壮的主要措施之一，常被应用到我国很多荒漠区域的植被更新复壮中。研究表明，平茬后植物的根冠比变大，蒸腾作用变小，改善了植株的水分条件，利于新生嫩芽和枝条迅速萌发生长[3]；同时，平茬后地上部分的迅速减少，使得贮藏在根系中的淀粉能够很快供应到地上部分，加快了地上部分的生长发育[4]。也有研究表明，由于平茬后没有了顶端分生组织，降低了植株的生长素含量，提高了细胞分裂素含量，因此植株萌芽抽枝量增大[5]。但在实际平茬操作中，需要注意平茬时间、留茬高度等问题。平茬时间一般选在对植物影响最小且能发挥植物最大生长潜力的时间段开展，不同灌木类型、不同立地条件有着不同的平茬时间[6]。周静静等[7-8]研究表明,不同平茬高度对柠条的生长、分蘖有着显著影响,不同地区、不同生境下有不同的平茬高度。

民勤县地处甘肃省河西走廊东北部，石羊河流域下游，东西北三面被腾格里和巴丹吉林两大沙漠包围，沙漠和荒漠化面积占90.34%，属全国防沙治沙重点县。为减少风沙侵蚀和改善环境，全县通过实施人工造林和封沙育林等工程，广泛栽植了沙拐枣、梭梭、霸王等沙生植物纯林和混交林。然而，随着树龄增大、逆境胁迫加剧等，当地沙拐枣林出现了大面积衰退老化现象，导致部分林地防风固沙效果减弱。为减少风沙侵害，巩固固沙造林成果，本研究对民勤县石羊河林业总场沙井子分场的人工沙拐枣林开展了不同平茬时间、不同平茬高度的组合试验，旨在探索符合当地沙拐枣林更新复壮的平茬方式，明确沙拐枣林的平茬时间和平茬高度,使已衰败的沙拐枣林通过平茬复壮继续发挥防风固沙功效，继而为荒漠区沙生植物平茬提供理论依据。

1 试验区概况与试验设计

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省民勤县石羊河林业总场沙井子分场。该区域属温带沙漠气候区，冬冷夏热、降水稀少、光照充足、昼夜温差大，年均降水量110 mm，年均水面蒸发量高达2 644 mm，昼夜温差达25.2 ℃，年均气温7.8 ℃，日照时数为3 073.5 h，无霜期162 d。全年盛行西北风,年均风速3.7 m/s，8级以上大风日数年均29 d，最大风力达11级。年均沙暴日数37 d、干热风5.7 d，灾害性天气有大风、沙尘暴、干热风、干旱、霜冻、初春低温等。试验区地类为宜林沙荒地，沙化类型为流动沙丘，沙丘类型为新月形沙丘链，土壤主要为风沙土，质地为沙土，pH值7.8左右。

1.2 试验样地和试验样方

试验样地设置在石羊河林业总场沙井子分场1985年种植的人工沙拐枣林中，造林密度约900株/hm2，面积2 hm2。为避免群落的“边缘效应”，样地离林带边缘12 m左右。在选定样地的四角用木桩定点，记录四角坐标和海拔，然后用细绳圈出样地范围。同时，在样地内设置5个10 m×10 m的样方，并做好标记，用于植物多样性调查，样方间距10～15 m。

1.3 试验设计及处理

1.3.1 植物多样性调查

平茬前(2017年7月)对试验样地内5个样方的植物种类、株数、株高和冠幅进行调查统计。同时，对草本植物进行垂直拍照，用Image Pro Plus软件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，然后取其平均值。

1.3.2 平茬试验设计

选择长势一致的退化沙拐枣林进行平茬试验，平茬时间分别设置在冬季(2017年12月)和春季(2018年4月)，留茬高度分别为0、5、10、15、20 cm，总共10个处理(冬季留茬0、5、10、15、20 cm，分别记为D-0、D-5、D-10、D-15、D-20；春季留茬0、5、10、15、20 cm，分别记为C-0、C-5、C-10、C-15、C-20)，每个处理0.133 hm2(2亩)，呈带状分布。平茬处理后，分别于2018、2019年的5、7、9月中旬，调查统计沙拐枣单株生长季冠幅、新枝高度与新枝基径，其中新枝基径均选择每丛中最粗分枝采用游标卡尺测量，新枝高度、冠幅采用钢卷尺测量。每个处理随机调查6株，取平均值。

1.3.3 土壤含水量测定

2019年5、7、9月，用土钻取0～120 cm深的土样，每20 cm作为一个分层，用称重法计算各层土壤含水量，并取其平均值。

1.4 数据统计分析

冠幅、新枝高度、新枝基径和土壤含水量等试验数据采用WPS 2019软件进行统计分析，用SAS 8.1软件进行差异显著性分析。

重要值(Pi)、Patrick丰富度指数(R)、Shannon-Wiener指数(H′)、Simpson指数(D)和Pielou均匀度指数(Jsw、Jsi)等植物物种多样性指标计算方法参考陈生云等[9]采用的方法，公式分别为

R=S

(1)

Pi=(相对高度+相对盖度+相对频度)/3

(2)

H′=-∑PilnPi

(3)

D=1-∑Pi2

(4)

Jsw=(-∑PilnPi)/lnS

(5)

Jsi=(1-∑Pi2)/(1-1/S)

(6)

上式中：i为某种植物；S为样地中的植物物种总和。

2 结果与分析

2.1 平茬前植物物种多样性

林地物种多样性分析能客观反映出该群落物种组成、结构和功能等多方面的状况，平茬研究前有必要进行深入了解和分析。由表1可知，该样地平茬前主要由沙拐枣、雾冰藜、沙米等5种植物组成，其中沙拐枣重要值为0.29，是该样地中最重要的植物；沙米、刺沙蓬、雾冰藜3种一年生草本植物的重要值之和为0.65，是该样地物种的重要组成成分。该样地平茬前物种多样性指数值见表2。

表1 平茬前样地物种多样性情况

表2 平茬前样地物种多样性指数

2.2 平茬对沙拐枣冠幅的影响

图1为沙拐枣平茬后冠幅面积2 a的生长变化趋势。由图1可知：平茬后各处理冠幅面积均逐渐增大，平茬后第二年(2019年)各处理冠幅面积的增大幅度均高于第一年(2018年)，各处理间冠幅面积的变化无明显规律；D-0处理冠幅基本大于同时期其他处理。

图1 平茬后各处理冠幅面积变化情况

图2为平茬后各处理2019年停止生长后的冠幅面积。由图2可知：D-0处理、C-5处理的冠幅面积分别为15 491.67、12 609.33 cm2，高于其他处理，且D-0处理的冠幅面积最大，但二者差别并不显著。

图2 平茬后各处理2019年停止生长后冠幅面积

2.3 平茬对沙拐枣新枝高度的影响

图3为平茬后各处理沙拐枣新枝高度2 a的生长变化情况，可知平茬后各处理沙拐枣新枝高度均逐渐增大，2019年各处理新枝高度的增大幅度均高于2018年，各处理间新枝高度的变化无明显规律；除2019年7月、9月低于C-20处理外，D-0处理新枝高度高于同时期其他处理。

图3 平茬后各处理新枝高度变化情况

图4为各处理2019年停止生长后新枝高度，其中D-0、D-5和C-20处理新枝高度分别为81.67、77.67、76.00 cm，高于其他处理，其中C-20处理新枝高度为最高，D-0处理次之，但三者差别并不显著。

图4 各处理2019年停止生长后新枝高度

2.4 平茬对沙拐枣新枝基径的影响

图5为平茬后各处理沙拐枣新枝基径2 a的生长变化情况，可知平茬后各处理沙拐枣新枝基径均逐渐增大，各处理间新枝基径变化无明显规律，其中D-0处理新枝高度高于同时期其他处理。

图5 平茬后各处理新枝基径变化情况

图6为各处理2019年停止生长后新枝基径，其中D-0处理新枝基径为8.96 cm,高于其他处理，但与D-5、D-15、C-5处理差异并不显著。

图6 各处理2019年停止生长后新枝基径

2.5 平茬对土壤含水量的影响

为明确平茬对土壤含水量的影响，测定了2019年冬季留茬0 cm平茬区与未平茬区不同土层含水量的变化。由图7可知：5—9月，各土层含水量基本呈降低趋势；0～20 cm土层各时期含水量均为平茬区高于未平茬区；20～40、40～60 cm土层各时期含水量均为未平茬区高于平茬区；60～80、80～100、100～120 cm土层各时期含水量平茬区与未平茬区呈波动变化，无明显规律。

图7 平茬区与未平茬区不同土层含水量变化情况

3 讨论

3.1 沙拐枣林植物种类概况

区域内植物的种类、生物量与当地生境密切相关[9]，因此在开展平茬试验前对该地区内植物种类进行详细调查和研究很有必要。本研究通过对平茬样地内植物种类的调查统计，发现该地区植物物种丰富度指数仅为5，其中：沙拐枣重要值为0.29，是这块区域内的优势种；沙米、刺沙蓬和雾冰藜3种一年生草本植物的重要值之和达0.65，说明一年生草本植物对该片区域的生物多样性及生境稳定性有着十分重要的意义。

3.2 平茬时间、留茬高度与沙拐枣生长情况

(1)关于平茬时间的选择。前人通过对柠条等沙生灌木的研究表明，不同植物种类、不同立地条件适合的平茬时间存在差异[6,10]，大致可分为休眠期平茬和生长期平茬。休眠期植物停止生长，体液停止流动，此时平茬对植物的伤害较小；而如果为获取饲料等，则会选择在植物营养最佳期(6月)或生长量最大期(8月)开展平茬。平茬的具体时间依当地水分和环境条件进行适当调整，水分充足、环境条件较好可提早平茬，反之可延迟平茬。为探究适合民勤荒漠区沙拐枣林的平茬时间，本研究分别设置了冬季平茬和春季平茬两个时间，研究表明，在这两个平茬时间进行平茬均有处理能明显促进沙拐枣冠幅、新枝高度和新枝基径的生长，且不存在显著差异。

(2)留茬高度的选择。李宇等[2]在沙拐枣的平茬试验中认为留茬高度10 cm时效果最佳，肖建明等[11]认为沙柳的最佳平茬高度是5 cm，刘伟等[12]在民勤荒漠区开展柠条平茬试验后认为留茬的最佳高度是15 cm。上述试验结果说明，不同的植物种类、立地条件有着不同的最佳平茬高度。因此，为明确民勤荒漠区沙拐枣林适合的平茬方式，本研究通过控制留茬高度(0、5、10、15、20 cm)、平茬时间(冬季、春季)两个因素综合开展了平茬试验，结果表明，冬季留茬0 cm处理条件下沙拐枣的冠幅、新枝高度、新枝基径优于其他处理。

3.3 土壤含水量变化情况

水分是植物生长发育过程中所需的重要物质，影响着植物的生理生化和光合作用，进而影响到植物的生长和生物量的积累[13]，在荒漠区水分对植物生长的影响尤为显著。平茬后植物的根冠比发生剧烈变化，势必影响土壤中的水分含量。李从娟等[14]研究表明，沙拐枣根系主要分布在0～150 cm土层中，根系含量在0～50 cm土层中随深度增加呈增加趋势，在50～150 cm土层中随深度增加呈递减趋势，其中50 cm深度土壤中根系含量最多。本研究分析了沙拐枣林平茬区与未平茬区0～120 cm土层中土壤含水量的变化，结果表明：在0～20 cm土层，5—9月平茬区土壤含水量均高于未平茬区，原因可能是该土层沙拐枣根系较少，对水分的吸收较弱，加之平茬后植物的蒸腾作用减弱，使得平茬区域的土壤含水量较未平茬区偏高；在20～60 cm土层，5—9月未平茬区土壤含水量高于平茬区，该结果与柠条锦鸡儿平茬第一年的结果一致[15]，出现这种现象的原因可能是这个土层范围是沙拐枣根系分布最多的区域，植物的快速生长使其对水分的需求增加，从而导致平茬后该土层中的含水量减少；在60～120 cm土层，平茬区与未平茬区土壤含水量呈波动现象，原因可能是该土层范围内的含水量受降水及不同地理环境等因素的影响较大[16-17]，与平茬的相关性不高。