民勤沙區(qū)胡楊林健康序列及其影響因子分析

馬劍平，常兆豐，張?jiān)獝?，馬俊梅，王 飛

(甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

胡楊(Populuseuphratica)，楊柳科楊屬喬木，分布于中國(guó)以及中亞地區(qū)、高加索地區(qū)、蒙古、埃及、敘利亞、印度、伊朗、阿富汗、巴基斯坦等地。我國(guó)主要分布于新疆、內(nèi)蒙古西部、甘肅河西走廊、青海格爾木等地荒漠區(qū)。由于自然和人為的因素，從20世紀(jì)50、60年代以來，我國(guó)塔里木河中下游[1-2]、額濟(jì)納旗[3-4]、磴口[5]、河西走廊[6-8]和格爾木[9]的胡楊林面積逐漸減小，如20世紀(jì)50年代塔里木河中下游胡楊林面積38.67×104hm2，到90年代的40 a間塔里木河流域胡楊林面積減少了75%，1990-2015年胡楊林面積減少了2 260.45 km2[10]。有研究報(bào)告指出，近50 a來我國(guó)1/2以上面積的天然胡楊林消失[11]。

胡楊不僅是干旱荒漠區(qū)的主要建群種和優(yōu)勢(shì)種，對(duì)維持干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義[11-12]，被譽(yù)為抗風(fēng)阻沙的“英雄樹”，而且胡楊還是沙漠中重要的觀賞樹種，屬于國(guó)家二類二級(jí)保護(hù)植物。面對(duì)天然胡楊林的衰減，近些年來西北各適生地實(shí)施了胡楊林生態(tài)修復(fù)工作，建立了一批胡楊林保護(hù)區(qū)，并大面積栽植人工胡楊林，因而，西北各地現(xiàn)有的胡楊林，既有天然林，也有人工林。河西走廊的金塔縣、高臺(tái)縣、阿克賽和民勤縣胡楊林面積相對(duì)較大，其他各縣均有零星分布，據(jù)筆者初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，總面積在1.2×104hm2，其中民勤境內(nèi)約有1 000 hm2。

伊朗、中亞地區(qū)有關(guān)于胡楊林的研究報(bào)道[13-15]，但研究最多的還在中國(guó)，中國(guó)的研究主要集中在塔里木河兩岸[16-18]。有關(guān)胡楊林的退化的原因，大致有以下3個(gè)方面的研究報(bào)道：1)水資源退化。塔里木河流域的研究表明。在民勤境內(nèi)，由于水資源減少，加之毀林開荒，胡楊林面積逐年減小[19]。隨胡楊林退化程度的加劇，林地土壤含水量、最大田間持水量、毛管持水量顯著降低[20-21]。2)耕地?cái)U(kuò)張。塔里木河下游水土資源開發(fā)將大片天然植被開墾為耕地，打破了生態(tài)系統(tǒng)原有平衡。同時(shí)，由于耕地?cái)U(kuò)張，水資源用于耕地，導(dǎo)致河道兩側(cè)地下水位下降，距離河道280～640 m的胡楊林逐漸衰敗，距離河道1 760～1 800 m的胡楊逐漸枯死[22]。3)旅游干擾，額濟(jì)納旗胡楊林的調(diào)查研究結(jié)果表明，強(qiáng)度旅游干擾使得胡楊林下植被和根蘗苗更新受阻，受基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等旅游項(xiàng)目的影響，生境破碎化和異質(zhì)性增加，改變了綠洲胡楊林的植被動(dòng)態(tài)過程[23]。另外，還有20世紀(jì)60、70年代格爾木等地有砍伐胡楊林和放牧破壞情況的報(bào)道[24]。

當(dāng)然，還有研究認(rèn)為，胡楊死亡的原因并不是由于地下水位下降，而是由于風(fēng)蝕破壞了胡楊林地表環(huán)境，一方面由于地表風(fēng)蝕，幼苗更新能力差，胡楊林老化；另一方面風(fēng)蝕使得根群出露地表，胡楊生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)得不到滿足[4]。那么，胡楊林退化的真正原因究竟是什么，胡楊林的健康狀況主要與哪些因素有關(guān)，這一問題的研究解決，不僅對(duì)于保護(hù)現(xiàn)存的胡楊林具有重要意義，而且對(duì)于西北地區(qū)培育人工胡楊林具有重要參考價(jià)值。民勤沙區(qū)既是胡楊林天然分布區(qū)之一，也是目前胡楊林退化區(qū)之一。為此，本研究以民勤沙區(qū)為例作一探索性分析，以資討論。

1 研究區(qū)與觀測(cè)研究方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤縣位于河西走廊東北部，地處石羊河下游騰格里沙漠西部邊緣，北和西北側(cè)與巴丹吉林沙漠接壤，地理位置101°49′-103°12′E，38°05′-39°28′N，總土地面積為16 016 km2。民勤縣的生態(tài)環(huán)境退化過程大致可分為3個(gè)歷史景觀，即漢代以前為自然生態(tài)景觀，西漢(前206-公元25)至民國(guó)年間為退化生態(tài)景觀，1950年以來為人工生態(tài)景觀。民勤縣多年平均降水量116.52 mm，蒸發(fā)量2 351.79 mm，年平均風(fēng)速2.8 m·s-1，主風(fēng)向NW，年平均≥17 m·s-1大風(fēng)28.2 d，沙塵暴25.8 d，揚(yáng)沙天氣37.8 d，浮塵天氣30.2 d，民勤縣統(tǒng)計(jì)部門提供的資料，目前境內(nèi)沙漠、戈壁、鹽堿灘地和低山殘丘占總土地面積的94.2%，其中沙漠面積占總面積的55.03%。

民勤是胡楊林的天然分布區(qū)之一，歷史上曾有大面積的胡楊林分布。后來，由于自然和人為的原因，民勤境內(nèi)的胡楊林面積逐漸減小。目前，民勤的胡楊林僅存于農(nóng)田邊緣、古河床、渠道和道路兩邊，且為大小不等的斑塊狀分布(圖1)。

圖1 民勤胡楊林調(diào)查樣點(diǎn)

1.2 觀測(cè)與分析方法

陸凡和李自珍[25]將系統(tǒng)活力、組織結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)恢復(fù)力3個(gè)指標(biāo)作為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的一級(jí)指標(biāo)。而系統(tǒng)活力指標(biāo)包括系統(tǒng)的狀態(tài)指標(biāo)和病態(tài)指標(biāo)等，系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)在植物群落中具體指植物的多樣性指標(biāo)，系統(tǒng)恢復(fù)力指標(biāo)是指系統(tǒng)的更新能力，在植物群落中是指植物的多樣性指標(biāo)[26]。由于當(dāng)?shù)氐暮鷹钊郝涞膬?yōu)勢(shì)種只有胡楊1個(gè)種，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而本研究的植物群落健康評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)在其他植物群落健康評(píng)價(jià)指標(biāo)[26]的基礎(chǔ)上做了適當(dāng)簡(jiǎn)化。胡楊齡級(jí)按過熟株、成熟株、中齡株、幼齡株和更新苗分為5個(gè)齡級(jí)，依次用5、4、3、2、1表示；枯梢齡級(jí)數(shù)即前述5個(gè)齡級(jí)中有幾個(gè)齡級(jí)枯梢分別用0、1、2、3、4表示，即有幾個(gè)齡級(jí)枯梢就記作幾，更新苗無枯梢；更新能力指標(biāo)按樣地中更新苗的多、少和無分別記作2、1、0；伴生植物按喬木、灌木和草本3種生活型，生活型數(shù)分別用3、2、1表示。植株高度、郁閉度和蓋度以及植物多樣性指標(biāo)按常規(guī)方法測(cè)量。在各樣點(diǎn)林地內(nèi)均勻處設(shè)置植物調(diào)查樣方，喬木調(diào)查樣方50 m×50 m，用5點(diǎn)法在樣方4個(gè)角和中心劃定5個(gè)2 m×2 m的小樣方，在小樣方內(nèi)調(diào)查灌木、草本以及胡楊更新苗等。共調(diào)查胡楊林樣地50個(gè)，只對(duì)其中的19個(gè)樣地取樣測(cè)定了土壤水分、土壤養(yǎng)分和土壤粒度。土壤取樣深度0～100 cm，每20 cm一層，土壤水分和土壤養(yǎng)分用常規(guī)方法測(cè)得，土壤粒度用馬爾文極光粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)測(cè)定。

將健康序列分為5級(jí)，分別用S1、S2、S3、S4和S5表示，健康順序用S1>S2>S3>S4>S5，即S1相對(duì)最健康。先將表1中8個(gè)指標(biāo)按50個(gè)樣本的數(shù)值大小等分為5個(gè)區(qū)間，先用以下式(1)計(jì)算隸屬度，用式(2)計(jì)算加權(quán)隸屬度，再用式(3)進(jìn)行歸一化處理，按其最大值進(jìn)行一級(jí)判別分類。在一級(jí)判別分類的基礎(chǔ)上，再用式(4)進(jìn)行二級(jí)模糊判別歸類。

表1 民勤胡楊林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)

式中，Rij為x的健康隸屬度，其中i為健康序列(i=1,2,…m)，j為植物健康指標(biāo)(j=1,2,…n)；aij和bij分別為第i健康序列第j指標(biāo)的判別區(qū)間上限和判別區(qū)間下限，k為系數(shù)，設(shè)k=0.5[26]。

(2)

(3)

在獲得一級(jí)判別結(jié)果的基礎(chǔ)上，用以下(4)式進(jìn)行二級(jí)模糊綜合判別，確定健康序列。

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 胡楊林的健康序列

首先用式(1)、式(2)、式(3)進(jìn)行一級(jí)判別歸類，將50個(gè)調(diào)查樣地的優(yōu)勢(shì)種胡楊和伴生植物分別歸并為5個(gè)序列。在一級(jí)判別的基礎(chǔ)上，分別給胡楊和伴生植物以0.7和0.3的權(quán)重，用(4)式進(jìn)行二級(jí)模糊判別分類，結(jié)果見表2。由表2可以看出，序列3的樣本數(shù)最多(26個(gè)樣本)，序列2樣本數(shù)次多(9個(gè)樣本)，序列5樣本數(shù)最少(2個(gè)樣本)，二級(jí)判別結(jié)果在優(yōu)勢(shì)種胡楊一級(jí)判別結(jié)果的基礎(chǔ)上略有變動(dòng)。

表2 民勤沙漠地區(qū)胡楊林健康序列

進(jìn)一步按二級(jí)判別分類統(tǒng)計(jì)胡楊各健康指標(biāo)的平均值(表3)。由表3可以看出：1)健康序列1的胡楊無枯枝枯梢且更新苗相對(duì)最多，伴生植物的植被蓋度最大；健康序列2的胡楊植株最高且齡級(jí)數(shù)最全，更新苗次多，伴生植物的生活型數(shù)最多；健康序列3的各指標(biāo)均相對(duì)居中；健康序列5的胡楊過熟株、成熟株、中齡株和幼齡株均有枯枝枯梢，樣地上無更新苗，且伴生植物的蓋度最低，生活型數(shù)和植物種數(shù)均最少。2)健康序列1的樣地位于農(nóng)田邊緣或水渠兩邊，可以利用到農(nóng)田灌溉和水渠側(cè)滲水；健康序列2的樣地位于農(nóng)田外圍或棄耕地，土壤水分和養(yǎng)分亦相對(duì)較好；健康序列5樣地位于古河床或水渠邊緣丘間地，距離水源相對(duì)較遠(yuǎn)。

表3 二級(jí)分類的指標(biāo)特征值(平均值)

2.2 胡楊林健康狀況與土壤因子的關(guān)系

調(diào)查樣地分布在長(zhǎng)條形的民勤綠洲(圖1)，從西南到東北長(zhǎng)約120 km，地勢(shì)平坦，氣溫、降水、風(fēng)速等氣候差異不大[26]。因此，本研究就胡楊林健康狀況分析其與土壤水分、土壤養(yǎng)分和土壤pH值以及土壤粒度等幾個(gè)方面的關(guān)系。

胡楊林5個(gè)健康序列0～100 cm土壤因子特征見表4。由于本研究只對(duì)50個(gè)林地樣方中的19個(gè)樣地取了土樣，健康序列4中無土壤取樣樣方，但由這19個(gè)樣地多個(gè)層次有土壤資料足以揭示胡楊林健康狀況與土壤因子關(guān)系。

表4 胡楊林5個(gè)健康序列0～100 cm土壤因子特征

2.2.1 與土壤水分的關(guān)系 前述已知，只對(duì)50個(gè)胡楊調(diào)查樣地中的19個(gè)樣地取樣測(cè)定了土壤水分、土壤養(yǎng)分和土壤粒度。二級(jí)判別分類結(jié)果為，健康序列1、2、3、5中分別包含有6、4、8、1個(gè)土壤取樣樣地，健康序列4中無土壤取樣樣地。由以上土壤樣品測(cè)定計(jì)算得健康序列1、2、3、5的0～100 cm深平均土壤含水率分別為6.085%、4.175%、4.717%和1.257%，健康序列1最高，健康序列3次高，健康序列5最低。表層0～20 cm層平均土壤含水率分別為3.146%、3.992%、2.817%和0.342%，健康序列2最高，健康序列1次高，健康序列5最低。

胡楊林各種健康指標(biāo)與土壤水分的相關(guān)分析結(jié)果表明，胡楊林的郁閉度與0～100 cm深平均土壤含水率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與40～80 cm層土壤含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。伴生植物的蓋度與0～20 cm層土壤含水率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與20～40 cm層及0～100 cm深平均土壤含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)(表5)。

表5 胡楊林健康指標(biāo)與土壤水分的關(guān)系

2.2.2 與土壤養(yǎng)分的關(guān)系 測(cè)定結(jié)果表明，各類樣地的土壤pH值均>8，即均屬于弱堿性土壤。0～100 cm深的土壤pH值健康序列5最高(8.578)，健康序列2次高(8.168)，健康序列3最低(8.027)，且0～20 cm屋的分布規(guī)律與 0～100 cm的相一致。0～100 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量健康序列1最高，健康序列2次高，健康序列5最低，且0～20 cm層與0～100 cm層分布規(guī)律相一致。0～100 cm土壤全N健康序列2最高，健康序列1次高，健康序列5最低，0～20 cm層與0～100 cm層分布規(guī)律亦相一致。0～100 cm土壤速效P健康序列1最高，健康序列3次高，健康序列5最低。

胡楊林各種健康指標(biāo)與土壤pH和土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析結(jié)果表明，胡楊更新苗的數(shù)量與0～20 cm以及20～60 cm層的土壤速效P顯著正相關(guān)(P<0.05)。伴生植物的植被蓋度與60～100 cm的土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表6)。

表6 胡楊林健康指標(biāo)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

2.2.3 與土壤粒度的關(guān)系 先將樣品測(cè)定結(jié)果按粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、細(xì)砂(0.05～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)和極粗砂(1～2 mm)6個(gè)粒度級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后再分析胡楊林健康指標(biāo)與各級(jí)土壤粒度的關(guān)系。分析結(jié)果表明，胡楊林的枯枝枯梢程度與0～60 cm層的中砂以及0～100 cm深的粗砂含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與60～100 cm層的中沙含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，且與20～60 cm層的細(xì)砂含量為顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。胡楊更新苗的多寡與0～20 cm層土壤細(xì)砂含量為顯著正相關(guān)(P<0.05)，與0～20 cm層的粗沙含量及極粗含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。伴生植物的植被蓋度與0～20 cm層的粉粒含量極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與0～20 cm層的粘粒及20～100 cm層的粉粒含量顯著正相關(guān)(P<0.05)，與0～20 cm層的中砂及粗砂呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與20～100 cm層粗砂為顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表7)。

表7 胡楊林健康指標(biāo)與土壤粒度的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

無枯梢且更新苗多的胡楊林健康狀況較好。健康序列1的胡楊林無枯枝枯梢且更新苗相對(duì)最多；健康序列2的胡楊植株最高且齡級(jí)數(shù)最全，更新苗次多；健康序列5的胡楊過熟株、成熟株、中齡株和幼齡株均有枯枝枯梢，且樣地上無更新苗。自然更新能力是標(biāo)志胡楊林健康狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。研究結(jié)果表明，0～60 cm的土壤速效P和0～20 cm的土壤細(xì)砂含量較多的土壤胡楊更新苗相對(duì)較多，此可作為選定胡楊造林地的重要依據(jù)之一。

土壤干旱缺水是導(dǎo)致民勤胡楊林退化的主要原因。在民勤沙區(qū)，土壤干旱缺水是影響胡楊林健康狀況的主要原因，其次是土壤粒度和pH值，越是靠近農(nóng)田水分條件好的地塊胡楊林的健康狀況相對(duì)越好，土壤pH值在8.0左右的微堿性細(xì)沙地上的胡楊林相對(duì)較健康，土壤pH值>8.5胡楊林健康狀況最差。鑒于此，一方面，對(duì)現(xiàn)有退化胡楊林應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充人工灌溉，使土壤含水率保持在5%以上；另一方面，營(yíng)造人工胡楊林要選擇靠近農(nóng)田邊緣水分條件較好的地塊。

靠近農(nóng)田邊緣的胡楊林健康狀況相對(duì)較好。民勤的胡楊林正處在退化過程中[19]。對(duì)此，不便斷然確定哪個(gè)是健康的或不健康的，但健康或不健康還存在一個(gè)程度問題，因此我們總可以就其健康狀況做出某種排序。從本研究健康序列分類情況看，生長(zhǎng)的農(nóng)田邊緣水分條件較好的胡楊林健康狀況相對(duì)較好，如健康序列1基本都在邊緣，距離農(nóng)田越遠(yuǎn)則健康序列相對(duì)越居后，如健康序列5，樣地分布在距離農(nóng)田較遠(yuǎn)的古河床或沙丘間地(表3)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)我們已注意到了這一現(xiàn)象，分析結(jié)果也證明胡楊林的郁閉度與土壤含水率顯著正相關(guān)(表5)。

胡楊林優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度較強(qiáng)。根據(jù)優(yōu)勢(shì)種胡楊和伴生植物在群落中的功能地位，在二級(jí)模糊判別歸類時(shí)分別給胡楊和伴生植物以0.7和0.3的權(quán)重。靈敏度分析結(jié)果表明，當(dāng)優(yōu)勢(shì)種胡楊的權(quán)重從0.6向1.0增大時(shí)，樣本的歸類略顯偏向上一序列的趨勢(shì)，但并不改變樣本的健康順序，表明其優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度相對(duì)較強(qiáng)。不僅如此，為了揭示類群之間的差異，本研究進(jìn)一步以10個(gè)序列進(jìn)行了判別歸類，其結(jié)果是有的序列中無樣地，有的序列中只有1個(gè)樣地，而更多的樣本仍然聚集在中間(健康序列5、6)和兩端(健康序列1和10)，但與5個(gè)序列相比，樣本的健康序列并沒有發(fā)生改變。

有無更新苗是評(píng)價(jià)胡楊林健康狀況的重要指標(biāo)之一。林地的自然更新能力是保證林分生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的不可缺少的重要因素[27]。在調(diào)查樣地中，有的樣地(如樣地2、3)雖然無枯枝現(xiàn)象，胡楊生長(zhǎng)相對(duì)較好，但也無更新苗，顯然，這樣的林分是不持續(xù)的，有更新苗、幼齡林、中齡林、成熟林、過熟林才是一個(gè)林齡級(jí)完善的生態(tài)系統(tǒng)，因此本研究將更新能力作為評(píng)價(jià)胡楊林健康狀況的重要指標(biāo)之一。

當(dāng)?shù)叵滤贿^深胡楊無法利用。以上健康序列1、2、3、4樣地分別有7、6、12和2個(gè)井位的地下水位觀測(cè)值，2018年4個(gè)健康序列各井位平均地下水位分別為18.66 m、20.84 m、22.76 m和22.54 m(健康序列5樣區(qū)無地下水觀測(cè)點(diǎn)位)，地下水位與胡楊林健康指標(biāo)相關(guān)不顯著(P>0.05)，這樣深的地下水胡楊林肯定是無法利用的，分析結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

土壤水分是影響當(dāng)?shù)睾鷹盍纸】档氖滓蛩?。綜合5個(gè)健康序列胡楊林地土壤因子(表4)可以看出，在民勤沙區(qū)，土壤水分是影響胡楊林健康的首要因素，序列1的土壤含水率明顯高于其他序列；其次是土壤pH值，土壤pH值在8.0左右時(shí)胡楊林健康狀況較好，序列5的土壤pH值>8.5健康狀況最差；再就是土壤養(yǎng)分，隨著土壤有機(jī)質(zhì)和全N、速效P含量減少，胡楊林的健康序列推后；健康序列靠前的土壤細(xì)砂、粉粒和粘粒含量較高，尤其是細(xì)砂，隨著健康序列推后，土壤中的中砂、粗砂遞增。另有關(guān)于民勤胡楊林地土壤特征的研究認(rèn)為，靠近耕地邊的胡楊林地土壤有機(jī)質(zhì)和全N速效P顯著高于其他地塊[19]。民勤沙區(qū)胡楊林根區(qū)土壤理化性質(zhì)研究還表明，土壤有機(jī)質(zhì)和全N、速效P含量成熟林>中齡林>幼齡大，胡楊林齡的增大改善了土壤理化性質(zhì)[28-30]。前述已知，本研究只對(duì)50個(gè)林地樣方中的19個(gè)樣地取了土樣，這也是本研究不足之處之一。

新建人工胡楊林應(yīng)選擇靠近農(nóng)田邊緣水分條件較好的地塊。民勤沙區(qū)現(xiàn)在的胡楊林均為小塊狀零散分布，普遍生長(zhǎng)退化。面對(duì)胡楊林面積逐漸減小的趨勢(shì)，近幾年，民勤以及河西走廊其他沙區(qū)開始營(yíng)造工人胡楊林。根據(jù)本研究結(jié)果，一方面，對(duì)現(xiàn)有退化胡楊林要適當(dāng)補(bǔ)充人工灌溉，使土壤含水率保持在5%以上；另一方面，新建人工胡楊林應(yīng)選擇靠近農(nóng)田邊緣水分條件較好的地塊，選擇土壤pH值在8.0左右的微堿性[31]細(xì)沙地較為適宜。研究結(jié)果還表明，更新苗量與0～60 cm的土壤速效P(表6)和0～20 cm的土壤細(xì)砂含量(表7)顯著正相關(guān)(P<0.5)，這也可以作為選定胡楊人工造林地的依據(jù)之一。