朱家龍, 周智彬, 王立生, 呂 平, 姜詠雪
(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所國(guó)家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心,新疆 烏魯木齊 830011;2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830011;3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站,新疆 石河子 832000;4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049;5.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)林業(yè)和草原工作總站,新疆 烏魯木齊 830013;6.新疆瑞繹昕生態(tài)園林技術(shù)有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)
梭梭(Haloxylon ammodendron)是藜科多年生灌木狀小喬木,在我國(guó)主要分布于西北荒漠,具有耐干旱、耐風(fēng)蝕、耐高溫、耐嚴(yán)寒、耐瘠薄等特征[1-3]。準(zhǔn)噶爾盆地地處干旱區(qū),水資源匱乏,風(fēng)沙危害嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境脆弱[4]。作為該沙漠中規(guī)模最大、分布最集中的物種,梭梭是準(zhǔn)噶爾盆地綠洲邊緣免受沙塵暴侵蝕的天然屏障。然而,近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),由于氣候變化以及過(guò)度采伐、放牧、不合理開(kāi)墾等人為因素,使準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)梭梭種群面積減少,植被景觀破碎嚴(yán)重[5];梭梭種群幼苗正常補(bǔ)充機(jī)制受到嚴(yán)重威脅,種群年齡結(jié)構(gòu)普遍呈現(xiàn)衰退,群落顯現(xiàn)逆行演替特征[6];與此同時(shí),古爾班通古特沙漠的流沙化面積不斷地增加,沙漠化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重[7],嚴(yán)重威脅到以梭梭為建群種或優(yōu)勢(shì)種的植被群落履行綠洲生態(tài)屏障功能。
自20 世紀(jì)80 年代以來(lái),梭梭一直是古爾班通古特沙漠周邊人工造林的首選樹(shù)種。莫索灣地區(qū)與瑪納斯流域建立的主要由人工梭梭林及梭梭天然荒漠林組成的梭梭防護(hù)林體系被認(rèn)為是沙漠地區(qū)人工生態(tài)工程成功的典范[8-10]。準(zhǔn)噶爾盆地的沖積、湖泊平原上分布著大面積龜裂地,天然條件下種植梭梭的保存率很低,在龜裂地上更難得苗[11]。1980—1985 年黃丕振等[12]通過(guò)集水措施在莫索灣地區(qū)龜裂地上進(jìn)行免灌溉造林,造林前期梭梭平均保存率91.1%,最低80%。植被得到較好恢復(fù),風(fēng)沙災(zāi)害明顯減少,取得了較好的生態(tài)社會(huì)效益[13-14]。
但是,在中亞干旱區(qū)氣候暖濕化趨勢(shì)背景下[15-16],近40 a 來(lái)工程區(qū)氣候和水文形勢(shì)發(fā)生了變化,尚不清楚這種變化會(huì)對(duì)免灌溉人工梭梭林產(chǎn)生什么樣的影響,梭梭林分生長(zhǎng)現(xiàn)狀如何?現(xiàn)狀產(chǎn)生差異的原因是什么?針對(duì)采取集水造林措施的梭梭林地,以不同株行距建植的梭梭林植被為研究對(duì)象,布設(shè)樣地,開(kāi)展植被群落調(diào)查、監(jiān)測(cè)、取樣、分析和評(píng)估工作,闡明免灌溉集水造林條件下不同密度梭梭林的林分生長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)特征,探討梭梭生長(zhǎng)與土壤水分的相互影響,為綠洲邊緣地帶人工梭梭林建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
研究區(qū)位于古爾班通古特沙漠西南緣的莫索灣沙漠研究站(45°02′N(xiāo),86°06′E;海拔346 m),地處荒漠與綠洲的過(guò)渡帶區(qū)域。該區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候,年均氣溫6.6 ℃,年均降水量不足120 mm,蒸發(fā)量高達(dá)1942 mm,地下水位13 m左右[17-18]。冬季積雪厚度約13 cm左右,最厚可達(dá)27 cm,初春(3—4月)溫度回升,凍土和積雪融化,蒸發(fā)較弱,使土壤含水量增加。地帶性土壤屬荒漠灰鈣土,部分土地發(fā)生堿化[19]。該區(qū)人工梭梭林于1984年種植,林地內(nèi)無(wú)其他灌木生長(zhǎng)。
選取采用集水措施的梭梭林地,即采用修集水溝的辦法在地勢(shì)平坦的龜裂土地上建植梭梭。1983年秋季開(kāi)溝,兩邊翻土,溝深25 cm,溝距3~10 m,邊坡約6°,1984年在溝底按株距1~6 m挖植樹(shù)穴,穴內(nèi)栽植梭梭,造林后至今38 a未進(jìn)行人工灌溉[13,20]。根據(jù)各集水造林地溝距與株距的不同,本研究選取了不同造林密度的梭梭防護(hù)林體系作為研究對(duì)象。
2021 年4 月,采用典型抽樣法在集水造林地選擇初始造林密度為株行間距1.5 m×7 m、4 m×4 m和6 m×3.5 m 的3 個(gè)不同密度且集水溝均為南北走向的梭梭標(biāo)準(zhǔn)地(基本不受人為及病蟲(chóng)害擾動(dòng)),分別設(shè)置20 m×50 m 調(diào)查樣地進(jìn)行試驗(yàn)(圖1)。在壟間及其左右兩側(cè)坡中位置設(shè)置1 組3 個(gè)1 m×1 m 的林下植被調(diào)查小樣方(圖2),各樣地沿對(duì)角線方向分別設(shè)置3組。
圖1 各林地梭梭生長(zhǎng)狀態(tài)Fig.1 Growth state of Haloxylon ammodendron in each forest land
圖2 樣地調(diào)查示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample plot investigation
2021 年5 月,在每個(gè)20 m×50 m 樣地內(nèi)查數(shù)和量測(cè)所有的梭梭,調(diào)查內(nèi)容包括:株高、冠幅、地徑、枯枝比例、健康狀況及林下植物蓋度,并根據(jù)梭梭根部的精準(zhǔn)定位及株高、冠幅、地徑等指標(biāo)的實(shí)地調(diào)查,將各樣地內(nèi)的梭梭劃分為母樹(shù)(初始人工種植梭梭)、幼樹(shù)和幼苗(株高≤40 cm),參照丁改改等[10]I齡級(jí)的梭梭進(jìn)行劃分。在每個(gè)樣地內(nèi)利用之字法分別選取具有代表性的15株母樹(shù)、15株自然更新苗(包含10株幼樹(shù)和5株幼苗)作為標(biāo)準(zhǔn)樣株,并進(jìn)行掛旗區(qū)分,于2021年5—9月每月中旬測(cè)量株高、冠幅、地徑及新枝生長(zhǎng)量(每木15枝)。
本文選用李鋼鐵等[21]建立的回歸模型計(jì)算梭梭單株生物量,該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.99,擬合率為86.5%,將單株梭梭生物量累加得到整個(gè)研究林地的生物量。
式中:BW為單株梭梭的地上生物量(t·hm-2);RW為單株梭梭的地下生物量(t·hm-2);H為株高(m);E為冠幅(m2);R為地徑(cm)。
在3個(gè)樣地內(nèi)梭梭保存率較好的區(qū)域分別選擇2 株具有代表性且長(zhǎng)勢(shì)較好的母樹(shù),在其株間和其中1株梭梭根部、坡中、壟頂分別設(shè)置4根土壤水分檢測(cè)管(圖2),于2021 年5—9 月每月中旬利用TRIME-TDR 土壤水分測(cè)試儀讀取0~280 cm 深土壤體積含水量,每隔20 cm讀數(shù)1次,3組重復(fù)。
利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析,通過(guò)在One-Way ANOVA 在95%的置信水平上,采用Duncan法進(jìn)行顯著檢驗(yàn),所有統(tǒng)計(jì)分析在0.05顯著性水平與0.01 極顯著性水平上實(shí)現(xiàn)。利用Spear?man 相關(guān)分析梭梭株高(H)、冠幅(E)、地徑(R)、地上生物量(BW)、地下生物量(RW)、總生物量(BW+RW)與壟頂、坡中、根部、株間及梭梭根部不同深度土壤水分的交互影響。運(yùn)用Origin 2021繪圖。
2.1.1 梭梭保存與自然更新從表1 可以看出,各密度林地母樹(shù)保存率(枯萎、伏地和斷裂均不記在內(nèi))隨造林密度減小而增大,其中低密度明顯高于中密度和低密度;母樹(shù)保留密度最高為中密度,最低為高密度;梭梭自然更新苗與母樹(shù)數(shù)量之比可以反映種群的自然更新能力,梭梭更新苗占比均在85%以上,其中幼苗占比均在7成左右,各林地自然更新比均在3 以上,說(shuō)明在長(zhǎng)期免灌溉條件下的3種密度梭梭林依然有較好的更新能力和可持續(xù)性,造林密度越小的林地自然更新能力相比表現(xiàn)越好。人工林地郁閉度與林下植被蓋度的大小,直接影響著固沙林分的防護(hù)效果,各林地郁閉度均大于10%[22-23],郁閉度與林下植被蓋度變化趨勢(shì)依次為低密度>高密度>中密度。
表1 各梭梭林地基本特征Tab.1 Basic characteristics of Haloxylon ammodendron forest land
2.1.2 梭梭生長(zhǎng)特征
(1)整體長(zhǎng)勢(shì)與生物量
從表2 和圖3 可以看出,高密度母樹(shù)的平均株高、平均冠幅、平均地徑均高于其他林地,變化趨勢(shì)與母樹(shù)生物量相同,其中中密度母樹(shù)的平均株高僅為158 cm,遠(yuǎn)低于高密度和低密度;中密度自然更新苗的平均株高與平均地徑均顯著高于其他林地,變化趨勢(shì)與自然更新苗生物量相同。各林地母樹(shù)平均枯枝比無(wú)顯著差異,但低密度自然更新苗的平均枯枝比要顯著好于中密度林地(圖3)。
表2 梭梭林木生物量Tab.2 Biomass of Haloxylon ammodendron forest /t·hm-2
圖3 各林地梭梭林木平均生長(zhǎng)量Fig.3 Average growth of Haloxylon ammodendron in each forest land
各林地梭梭林木總生物量為10.23~12.11 t·hm-2,其中母樹(shù)總生物量隨母樹(shù)保留密度遞增呈逐漸下降趨勢(shì),依次為高密度>低密度>中密度;母樹(shù)地上生物量變化趨勢(shì)與林下植被蓋度及梭梭郁閉度相同,依次為低密度>高密度>中密度。自然更新苗生物量為1.53~3.63 t·hm-2,其中最高值的中密度要比最低值的低密度高出2.10 t·hm-2。
(2)生長(zhǎng)季生長(zhǎng)特性
在各造林密度的林地內(nèi),梭梭生長(zhǎng)季的生長(zhǎng)速率差異不明顯(圖4)。母樹(shù)的株高隨時(shí)間變化不大(受干梢影響),平均冠幅變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為先在5—7月增加后在8、9月逐漸放緩,地徑在5—9月呈逐漸增高趨勢(shì)(高密度除外);梭梭更新苗的株高、冠幅和地徑在5—9 月均呈緩慢增高的趨勢(shì),其中,低密度更新苗的株高和地徑增長(zhǎng)趨勢(shì)最為明顯。
圖4 各林地梭梭生長(zhǎng)量月變化Fig.4 Monthly variation of Haloxylon ammodendron growth in each forest land
各林地內(nèi)梭梭新枝長(zhǎng)度個(gè)體間差異明顯,如高密度最長(zhǎng)達(dá)16.94 cm,最短僅為1.98 cm,但15 株母樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)株與15 株自然更新苗標(biāo)準(zhǔn)株求均值后在各月份的差別不大,整體在5—7月快速增長(zhǎng)后在8月達(dá)到最大值,此時(shí)各林地平均枝條長(zhǎng)度從大到小依次為低密度(9.21 cm)、中密度(8.51 cm)、高密度(8.31 cm),9月因白粉病有所降低。
2.2.1 土壤水分垂直變化從圖5 可以看出,0~20 cm表層土壤的體積含水量月變異系數(shù)最大,主要受降水和短命植物的影響;高密度與低密度在20 cm以下隨深度增加土壤體積含水量先趨于穩(wěn)定后分別在220 cm與260 cm土層上升;中密度則呈波動(dòng)變化,在60 cm、100 cm、140 cm 和180 cm 出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。各密度林地140 cm 土層上下的體積含水量差異明顯,利用多重比較發(fā)現(xiàn),中密度與其他林地在140 cm土層以上的體積含水量存在極顯著差異(P<0.01),高密度與其他林地在140 cm土層以下的體積含水量存在極顯著差異(P<0.01),分別取平均值發(fā)現(xiàn):0~140 cm 土層的體積含水量表現(xiàn)為中密度(10.55%)>高密度(7.46%)>低密度(6.45%);140~280 cm 土層的體積含水量表現(xiàn)為高密度(6.94%)>中密度(4.43%)>低密度(4.21%)。總體上在地表近300 cm深的范圍內(nèi),土壤體積含水量由大到小依次為中密度(7.49%)>高密度(7.20%)>低密度(5.33%),垂直變異性表現(xiàn)為中密度(0.44)>低密度(0.34)>高密度(0.22)。
圖5 各林地土壤水分垂直分布Fig.5 Vertical distribution of soil moisture in each forest land
2.2.2 不同位置觀測(cè)點(diǎn)土壤水分變化實(shí)地調(diào)查顯示中密度林地壟溝的邊坡接近0°,降水在地表幾乎不發(fā)生匯流,低密度林地溝距較窄,降水沿坑壁向四周入滲,枝葉對(duì)降水的攔截與根系對(duì)水分的吸收使得梭梭根部水分明顯低于株間及壟溝其他位置,表現(xiàn)為壟頂>坡中>根部,株間>根部;但高密度林地溝距寬7 m,為壟間匯聚大量水分并向深層次的根系入滲,表現(xiàn)為根部>坡中>壟頂,根部>株間(表3、圖6)。
圖6 各林地不同觀測(cè)點(diǎn)土壤水分垂直分布Fig.6 Vertical distributions of soil moisture at different observation points in each forest land
2.3.1 母樹(shù)生長(zhǎng)特征與其根部土壤水分相關(guān)性從圖7 可以看出,母樹(shù)生長(zhǎng)與140 cm 土層以上土壤水分無(wú)顯著相關(guān)性,與140 cm土層以下土壤水分負(fù)相關(guān)性明顯;140~180 cm 土層,除地下生物量外母樹(shù)的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均與土壤水分呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān);220~280 cm土層,母樹(shù)的冠幅、地徑及地上生物量均與土壤水分呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。
圖7 母樹(shù)與其根部土壤水分相關(guān)性Fig.7 Correlation between the growth of artificial Haloxylon ammodendron and its root soil moisture
2.3.2 母樹(shù)生長(zhǎng)特征與其株間土壤水分相關(guān)性從圖8 可以看出,梭梭的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)與0~20 cm 土層土壤水分正相關(guān);與60~100 cm 土層土壤水分負(fù)相關(guān),特別是地徑與該層水分呈顯著負(fù)相關(guān);與120~240 cm 土層土壤水分正相關(guān)(地下生物量除外),但不顯著。
圖8 母樹(shù)與其株間土壤水分相關(guān)性Fig.8 Correlation between the growth of artificial Haloxylon ammodendron and soil moisture among its plants
各林地土壤水分的差異一方面受土壤表面微地形影響,發(fā)生移集作用使集水區(qū)的濕層加深加厚,因而土層中蒸發(fā)耗失的水分將隨之顯著減少,但隨年限增長(zhǎng)個(gè)別林地土壤微地形趨于平坦,降水平均鋪散在地面,被濕潤(rùn)的土層往往較淺。研究區(qū)林地水源主要來(lái)源于初春(3—4月)融雪補(bǔ)給期,若不進(jìn)行微地形改造,其他季節(jié)的水很難使深層土壤匯入大量水源[24]。一方面受土壤質(zhì)地的影響,研究區(qū)除表層為龜裂土外,地下主要是黏土及對(duì)水的束縛性較差的沙壤土[25]。沙土干透而成隔離層,沙土層以下的黏土因受上層沙土的隔離而水分得以保留,成為沙下的貯水體。在準(zhǔn)噶爾盆地的龜裂土,質(zhì)地黏重,黏土表層寸草不生,但龜裂土的含水量與沙土層厚度密切相關(guān)[24]。中亞地區(qū),沙土25~30 cm厚的表層土可能因蒸發(fā)而干透,但該層以下水分將保存在土體中供植物利用[26]。另一方面土壤水分的差異與梭梭根系的吸收利用有關(guān),對(duì)比梭梭根部水分與株間水分可知,觀測(cè)林地母樹(shù)株高、冠幅較大,根部分布的林下植被蓋度較高,降水未到地面便被蒸散發(fā)損失掉,阻礙了根部及其附近水分的補(bǔ)充;母樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育消耗利用了梭梭根部140 cm以下土壤水分,其中對(duì)140~240 cm土壤水分的吸收更為明顯;同時(shí),由于梭梭根系呈倒“金字塔”型[27],梭梭在其主根周?chē)鷱V泛分布著側(cè)根,在距主根200~300 cm 水平距離內(nèi)梭梭側(cè)根主要消耗利用60~100 cm土層深的水分,表明梭梭為補(bǔ)償根部土壤水分的虧損,只有通過(guò)根系不斷向深層、向四周土層延伸來(lái)吸收水分以維持體內(nèi)水分平衡[28-29]。
梭梭根部附近是固定沙面,位于各林地壟間,其林下植被蓋度、地表生物結(jié)皮蓋度較大,對(duì)降水有顯著截留作用,同時(shí)梭梭消耗根部附近水分用于生長(zhǎng)發(fā)育,故中、低密度建植的林地主要表現(xiàn)為距梭梭根部愈近土壤水分愈低。高密度建植的梭梭林地則相反,表現(xiàn)為距梭梭根部愈遠(yuǎn)土壤水分愈低,這是由于高密度林地的壟間距(行距7 m)及壟間坡度(21°)遠(yuǎn)大于其他林地,為根植于壟間的梭梭匯流大量水分。土壤水分從壟頂向壟間(梭梭根部)逐漸增加或下降的趨勢(shì),反映出不同壟間距(行距)形成的沙壟地貌坡位以及梭梭根系對(duì)降水、徑流、入滲、蒸發(fā)和蒸騰等水文過(guò)程有較大的影響作用[30]。
梭梭生長(zhǎng)量不僅受密度影響,還受到土壤水分的制約[31-33]。種植密度較大的人工林若不通過(guò)間伐等措施來(lái)緩解土壤水分的消耗,梭梭會(huì)逐漸死亡[34];梭梭個(gè)體會(huì)隨著生長(zhǎng)而對(duì)水分產(chǎn)生激烈競(jìng)爭(zhēng),從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的自然稀疏[35];修筑集水溝時(shí),一些地段將因集水面積過(guò)大,導(dǎo)致集水量超過(guò)梭梭生長(zhǎng)所需而引起死亡[36]。眾多研究表明,在干旱地區(qū)土壤水分是影響植被生長(zhǎng)最關(guān)鍵、最直接的生態(tài)因子[37-38],本文3 種造林密度的梭梭林在長(zhǎng)期免灌溉的條件下,土壤坡面的質(zhì)量含水量(根據(jù)實(shí)測(cè)坡面平均土壤容重1.3 g·cm-3換算)均在2%以上,能夠滿(mǎn)足梭梭的長(zhǎng)期生長(zhǎng)發(fā)育和自然更新[39]。土壤結(jié)皮與土壤表面微地形的差異也是影響梭梭生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素[40-41]。梭梭生長(zhǎng)量會(huì)隨林分密度的減小和集水溝匯流量的增加而增大[42]。因此,確定適當(dāng)?shù)乃笏蠹炝置芏?,并根?jù)林分生長(zhǎng)過(guò)程中的變化采取重塑集水溝、保持合理株行距、間伐等措施,改變土壤水分的再分配,從而直接或間接影響梭梭的生長(zhǎng)與自然更新[43],使林分結(jié)構(gòu)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定,更大限度地發(fā)揮綠洲邊緣人工梭梭林防風(fēng)固沙的效益。
本文研究表明梭梭林郁閉度、林下植被蓋度越高,0~140 cm土層含水量越低,梭梭更新苗(主要利用表層土壤水分)長(zhǎng)勢(shì)越差;0~140 cm 土層土壤水分越好,自然更新苗的長(zhǎng)勢(shì)越好、生物量越高;1983—2021 年38 a 中梭梭生長(zhǎng)主要消耗利用根部140~240 cm土壤水分,且各密度林地內(nèi)梭梭根部該土層水分越高,母樹(shù)的整體長(zhǎng)勢(shì)越好、生物量越高,這與前人研究結(jié)果相似[44-45]。以上結(jié)果均表明梭梭有很強(qiáng)的吸水性和保水性[46]。
梭梭作為干旱區(qū)固沙造林的先鋒樹(shù)種,本文對(duì)荒漠綠洲邊緣地區(qū)龜裂土立地條件下免灌人工梭梭林的生長(zhǎng)及其林下土壤水分進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論:
(1)不同密度下38 a生梭梭的保存率和生長(zhǎng)狀況差異明顯,保存率隨造林密度的遞增而下降,保留密度越低的林地其梭梭個(gè)體長(zhǎng)勢(shì)越好。
(2)蓋度、郁閉度越高,林地0~140 cm 土層土壤水分越差,梭梭更新苗長(zhǎng)勢(shì)及生物量越差。38 a中梭梭主要吸收利用根部140~240 cm土壤水分,該層水分越高的林地,其母樹(shù)的長(zhǎng)勢(shì)越好、生物量越高。
(3)當(dāng)造林密度為1.5 m×7 m(990 株·hm-2)時(shí),近40 a 后母樹(shù)保留密度僅為360株·hm-2,但梭梭總體生物量更高,梭梭長(zhǎng)勢(shì)較好,林下植被更為豐富,林地土壤水分條件相對(duì)較好;當(dāng)造林密度為4 m×4 m時(shí)(600 株·hm-2),林地現(xiàn)存的梭梭密度最高,梭梭整體長(zhǎng)勢(shì)最差;當(dāng)造林密度為6 m×3.5 m時(shí)(480 株·hm-2),初始種植梭梭保存率(83.33%)、自然更新比、郁閉度及林下植被蓋度均高于其他林地,但自然更新苗的長(zhǎng)勢(shì)與生物量、幼樹(shù)數(shù)量均低于其他密度林地。因此,在莫索灣龜裂性土地上采取集水措施進(jìn)行人工林建設(shè)時(shí),梭梭密度保持在360 株·hm-2(株行距4 m×7 m)是較為理想的選擇。