冀北壩上沙化土地沙棘人工林的生態(tài)效益

張強，李玉靈，劉春海，李曉剛

(1河北永林林業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 石家莊 050091；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071001；3承德宇航人高山植物應(yīng)用技術(shù)有限責(zé)任公司，河北 承德 067000)

冀北壩上地區(qū)地處我國農(nóng)牧交錯地帶，是華北溫帶闊葉林與草原的過渡區(qū)域，氣候高寒干旱、水資源短缺，是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地帶之一[1]。由于過去對森林的過度砍伐、超載放牧、過度開墾，加之不合理的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和對地下水的過度開采等原因，該地區(qū)的植被覆蓋率不斷減少，導(dǎo)致水土流失加劇、土地沙化現(xiàn)象日益明顯、生態(tài)環(huán)境日益惡化[2]。

沙棘是沙化地區(qū)水土保持、防風(fēng)固沙、改善生態(tài)環(huán)境的先鋒樹種，具有喜光，耐冷、熱，耐干旱、貧瘠，抗風(fēng)沙等特點，其根系發(fā)達具有根瘤，有肥地之效，克隆性使其具有“獨木成林”的潛力，沙棘不僅具有重要的生態(tài)價值，還具有很高的經(jīng)濟價值，其枝葉可做能源和飼料，果實可用于食品、保健品、藥品等的加工利用[3-6]。目前，有關(guān)沙棘生態(tài)效益的研究較多，但針對沙棘在北方高海拔沙化地區(qū)生態(tài)效益的相關(guān)研究處于空白[7-9]。因此，以植物防風(fēng)固沙和經(jīng)濟林栽培理論為基礎(chǔ)，對冀北壩上沙化地區(qū)沙棘經(jīng)濟林進行研究，通過對比沙棘林內(nèi)和荒坡的防風(fēng)效果、植物物種多樣性和土壤理化性質(zhì)，明確沙棘栽培的生態(tài)改良效應(yīng)，從而為利用沙棘資源改善壩上沙化環(huán)境和民生提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市豐寧滿族自治縣壩上地區(qū)的外溝門鄉(xiāng)，地理坐標為E 116°38′23.64″，N 41°12′25.99″，該地屬于中溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)型高原山地氣候，年平均氣溫0.9～6.2 ℃，無霜期110～145 d，晝夜溫差大，年降水量約340～500 mm，年4級以上風(fēng)日數(shù)210 d左右，8級以上大風(fēng)的日數(shù)最高可達65 d。由于人為不合理的放牧、耕作和對水資源的過度利用等原因，該地植被出現(xiàn)不同程度的退化，土地沙化嚴重。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在承德市豐寧滿族自治縣外溝門鄉(xiāng)茶棚村沙化坡地上的俄羅斯大果沙棘種植園內(nèi)利用羅盤儀設(shè)置1個樣地，樣地面積為6 hm2(200 m×300 m)，樣地內(nèi)為2年生俄羅斯大果沙棘，株行距為2 m×4 m，同時設(shè)置1個面積為6.25 hm2(250 m×250 m)未經(jīng)開墾的荒坡樣地為對照。將沙棘林地和荒坡20 m為1個點進行網(wǎng)格化處理(沙棘林樣地劃分為150個小網(wǎng)格，測150個點；荒坡樣地劃分為156個小網(wǎng)格，測156個點)，用TruPulse 360測量每個點的相對高程，用surfer 12.0繪制地形圖(圖1)。由圖1可以看出，沙棘林地和荒坡絕大部分地形都呈緩坡狀，坡長大約為300 m，且整體坡度均勻，荒坡最高點和最低點之間相差約12 m，沙棘林地最高點與最低點之間相差17 m。兩樣地的坡度都比較小，因此可以不考慮坡位的影響。

圖1 荒坡和沙棘林地地形圖

2.2 沙棘林的防風(fēng)固沙效應(yīng)研究

2.2.1 風(fēng)速的測定 為明確沙棘林在春、夏、秋3個季節(jié)的防風(fēng)效應(yīng)，用Kestrel 4500手持風(fēng)速測定儀，分別在2018年4月(春季)、2018年8月(夏季)、2018年9月(秋季)中旬連續(xù)3天，在每天9：00、11：00、13：00、15：00、17：00 5個時間點，2個調(diào)查組在相同時間分別測定荒坡和沙棘林內(nèi)2 m和0.5 m處風(fēng)速，每個測定點測定3次。

2.2.2 防風(fēng)效能的計算 對沙棘林風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)進行處理，計算出沙棘林地在不同高度相對于荒坡的防風(fēng)效能，防風(fēng)效能EZ是指林內(nèi)高度為Z的風(fēng)速比荒坡風(fēng)速減少的百分比。

(1)

式中：EZ為沙棘林內(nèi)高度Z處的防風(fēng)效能；UZ為沙棘林內(nèi)高度Z處的平均風(fēng)速；U0,Z為相同高度荒坡的平均風(fēng)速。

2.2.3 地表粗糙度的計算 地表粗糙度是反映地表對風(fēng)阻抗能力的重要參數(shù)，表明了該地區(qū)空氣氣流紊流的運動情況。地表粗糙度越大，表明地面對空氣流動的阻力越大，相對應(yīng)削弱風(fēng)速的能力就越強。粗糙度的計算公式如下：

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

(2)

式中：Z0為地表粗糙度；U1、U2為任意2個高度的風(fēng)速，本研究中U1、U2分別取2 m和0.5 m高度的風(fēng)速值；A為2個高度上風(fēng)速之比的平均值。

2.3 土壤理化性質(zhì)的測定

2017年9月在沙棘林地內(nèi)做9個40 cm深剖面，在荒坡對應(yīng)位置也做相同數(shù)量、相同規(guī)格的剖面(共計18個剖面)，每個剖面分0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm 3層測定土壤的理化性質(zhì)。通過外業(yè)采取樣地中每個剖面不同土層的土樣，土壤理化性質(zhì)指標的測定均在實驗室完成。土壤的物理性質(zhì)包括土壤自然含水率、容重、孔隙度等指標，用環(huán)刀法測定；pH值采用pH計測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外稀釋法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；全磷含量采用堿溶鉬藍比色法測定；速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬藍比色法測定；全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法測定；速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提—原子吸收分管光度計測定[10-11]。

2.4 植物物種多樣性調(diào)查

因沙棘林內(nèi)和荒坡生長的都是1到2年生的草本植物，所以于2018年8月在沙棘林和荒坡樣地內(nèi)各設(shè)置9個1 m×1 m的樣方，調(diào)查并記錄樣方內(nèi)物種的名稱、株(叢)數(shù)、高度、蓋度等指標，計算物種豐富度指數(shù)(R0)、Simpson指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(E)等指標[12]。計算公式如下：

豐富度指數(shù)(R0)

以樣方中物種的數(shù)目表示物種豐富度。

R0=S

(3)

重要值(Pi)

重要值=(相對高度+相對頻度+相對蓋度)/3

(4)

式中：相對高度=(某種植物的平均高度/全部植物平均高度之和)×100%；

相對頻度=(某種植物的頻度/全部植物的頻度之和)×100%；

相對蓋度=(某種植物的蓋度/全部植物蓋度之和)×100%。

Simpson多樣性指數(shù)(D)

(5)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)

(6)

Pielou均勻度指數(shù)(E)

(7)

式中：S為樣方中草本物種數(shù)量；N為樣方中所有草本物種的個體數(shù)之和；i為樣方中第i個物種；Pi為樣方中第i個物種的個體數(shù)占所有物種個體數(shù)的比值，即相對密度。

2.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)通過Excel進行初步統(tǒng)計和計算，利用SPSS 23.0對沙棘林地和荒坡的粗糙度、土壤理化性質(zhì)指標進行單因素方差分析和LSD多重比較，地形圖用surfer12.0繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙棘林防風(fēng)效應(yīng)

3.1.1 荒坡風(fēng)速的季節(jié)變化 春、夏、秋3季風(fēng)速見圖2。

圖2 春、夏、秋3季風(fēng)速變化圖

由圖2可見，荒坡春、夏、秋3個季節(jié)的風(fēng)速變化，此風(fēng)速可代表該地區(qū)春、夏、秋3個季節(jié)自然風(fēng)狀態(tài)。研究地春季的風(fēng)速明顯大于夏、秋2個季節(jié)，夏季和秋季風(fēng)速差別不明顯；秋季下午的風(fēng)速略高于夏季。3個季節(jié)風(fēng)速日變化均呈先升后降趨勢，風(fēng)速的日變化最大值在13:00，最小值出現(xiàn)在17:00，這主要是受溫度日變化的影響。

3.1.2 防風(fēng)效能 沙棘林不同季節(jié)防風(fēng)效能變化見圖3。

圖3 沙棘林不同季節(jié)防風(fēng)效能變化

圖3顯示不同季節(jié)沙棘林的防風(fēng)效能，沙棘林地2 m處的防風(fēng)效能在春、夏、秋3個季節(jié)差距很小，幾乎沒有變化。0.5 m高度處的防風(fēng)效能整體大于2 m高度處，且隨季節(jié)的推移防風(fēng)效能逐漸增大。

3.1.3 粗糙度 3個季節(jié)粗糙度見圖4。

圖4 3個季節(jié)粗糙度

根據(jù)沙棘林地和荒坡0.5 m和2 m 2個高度所觀測的風(fēng)速值，利用粗糙度公式計算出林帶和荒坡不同位置的地表粗糙度，計算結(jié)果如圖4(圖中相同季節(jié)中不同字母表示經(jīng)Duncan氏新復(fù)極差法測驗在0.05水平上差異顯著)所示，隨著季節(jié)的變化，荒坡和林內(nèi)地表粗糙度均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，春季最小，秋季的粗糙度為最大，沙棘林內(nèi)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別是荒坡的1.08倍、1.19倍和1.22倍。在枝葉旺盛期的夏季，沙棘林內(nèi)地表粗糙度是春季的1.3倍，明顯高于無葉期。

3.2 沙棘對植物群落的影響

沙棘林地和荒坡地的物種組成見表1。

表1 沙棘林地和荒坡地的物種組成

由表1可見，研究地共發(fā)現(xiàn)20個草本植物物種(無喬木、灌木等植物)，分別屬于禾本科、藜科、菊科、茜草科、莎草科、豆科、蓼科，其中有12個物種在荒坡和沙棘林地都有出現(xiàn)，另有8個物種只出現(xiàn)在沙棘林地，相比較而言，沙棘林內(nèi)的物種更豐富。

荒坡和沙棘林物種多樣性指數(shù)對比見圖5。

圖5 荒坡和沙棘林物種多樣性指數(shù)對比

圖5中相同指數(shù)下不同同字母表示經(jīng)Duncan氏新復(fù)極差法測驗在0.05水平上差異顯著，ShanNon-Wiener指數(shù)反映了物種個體出現(xiàn)的不確定程度，沙棘林下Shannon-Wiener指數(shù)為1.63，荒坡為1.11，并且兩地間差異顯著，說明沙棘林地比荒坡出現(xiàn)稀有種的可能性較大。Simpson指數(shù)反映了生境物種多樣性的綜合優(yōu)勢度，沙棘林地和荒坡草本物種的Simpson指數(shù)無顯著差異，呈現(xiàn)物種多樣性指數(shù)不隨物種豐富度變化而變化的現(xiàn)象。Pielou 指數(shù)反映了生境中物種個體分配的均勻程度，沙棘林帶Pielou 指數(shù)表現(xiàn)高于荒坡地，說明沙棘林內(nèi)生境和荒坡相比，表現(xiàn)出更為穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。

3.3 沙棘種植對土壤理化性質(zhì)的影響

沙棘林地和荒坡土壤的物理性質(zhì)見表2。

表2 沙棘林地和荒坡土壤物理性質(zhì)

由表2可知，沙棘林地土壤容重隨深度增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，沙棘林地與荒坡容重在各土層間具有顯著性差異，荒坡地的土壤容重處于1.46～1.53 g/cm3之間，沙棘林地土壤容重在1.36～1.43 g/cm3之間。由河北省土壤容重分級標準可知，荒坡土壤處于二級等級，沙棘林地土壤處于一級適宜等級，沙棘根系對土壤容重的改良作用明顯[10]。沙棘林地和荒坡的自然含水率、田間持水量、毛管持水量均隨土層深度的增加呈遞減的趨勢，均為0～10 cm土層顯著大于10～20 cm層和20～40 cm層，而10～20 cm和20～40 cm之間的差異不顯著，且沙棘林地各土層均顯著大于荒坡，整體來看，沙棘林地土壤持水能力大于荒坡。從土壤孔隙度來看，沙棘林地土壤孔隙度整體均大于荒坡，沙棘林地的總孔隙度在各土層均顯著大于荒坡，非毛管孔隙度只有10～20 cm層和20～40 cm層顯著大于荒坡，毛管孔隙度兩地間差異不顯著，沙棘林地0～10 cm層土壤的總孔隙度、毛管孔隙度均顯著大于10～20 cm、20～40 cm層土壤，總體來看，沙棘林地的土壤孔隙度優(yōu)于荒坡，明顯改良了土壤結(jié)構(gòu)。

沙棘林地和荒坡0～40 cm層土壤化學(xué)性質(zhì)見表3。

表3 沙棘林地和荒坡土壤化學(xué)性質(zhì)

由表3可知，沙棘林地和荒坡地的pH值隨土壤深度增加均呈上升趨勢，沙棘林地的土壤pH值在6.24～7.08之間，屬中性偏酸，荒坡地的土壤pH值在5.76～6.42之間，整體偏酸，沙棘林土壤的酸堿性表現(xiàn)更好。沙棘林地與荒坡地有機質(zhì)含量呈現(xiàn)隨土壤深度增加逐漸下降，沙棘林地與荒坡地土壤的有機質(zhì)含量分別為14.75～16.71 g/kg和10.8～12.64 g/kg，沙棘林地各土層土壤的有機質(zhì)含量均顯著高于荒坡。沙棘林地氮、磷、鉀元素的含量呈現(xiàn)隨土壤深度的增加逐漸降低的趨勢，且沙棘林地土壤氮、磷、鉀元素含量整體高于荒坡，在各土層均有顯著性差異；沙棘林地堿解氮含量呈現(xiàn)隨土壤深度增加逐漸增加的趨勢，沙棘林地土壤堿解氮含量在各土層顯著高于荒坡地，沙棘林地與荒坡地的堿解氮含量分別為57.07～71.47 mg/kg和37.2～49.93 mg/kg。由速效磷含量可得，無論是沙棘林地還是荒坡地，土壤速效磷含量均較低，最高為4.25 mg/kg；由速效鉀含量可得，隨著土壤深度的增加，沙棘林地土壤速效鉀含量逐漸降低，沙棘林地土壤速效鉀含量在各土層顯著高于荒坡地，沙棘林地與荒坡地土壤的速效鉀含量分別為44.96～49.33 mg/kg和31.54～35.25 mg/kg。

4 討論與結(jié)論

4.1 沙棘對冀北壩上沙化地區(qū)防風(fēng)效果的影響

沙棘林的防風(fēng)效能主要是通過降低風(fēng)速、增加地表粗糙度及和地表植被共同作用來改變風(fēng)速紊流來實現(xiàn)。春、夏、秋3個季節(jié)，春季因土壤水分處于虧缺狀態(tài)，沙棘枝葉尚未展開且生長緩慢，所以沙棘林地表粗糙度較其他季節(jié)小，且防風(fēng)效能在0.5 m和2 m處相差也較??；夏季因雨水的補充，土壤水分增加，沙棘植株迅速生長，枝葉茂盛，在0.5 m高度的防風(fēng)效能明顯大于春季；秋季雖雨水減少，但經(jīng)過夏季雨水的積累和沙棘本身的生長，沙棘林地的防風(fēng)效能和粗糙度仍然很大。

4.2 沙棘生長與植物多樣性的關(guān)系

物種多樣性具有展示植被豐富性和平衡物種生長的特性[13]。本研究表明，沙棘林地草本豐富度較荒坡高，這與哈斯研究結(jié)果一致，共發(fā)現(xiàn)草本植物種20種，沙棘林20種，荒坡12種，分別隸屬于禾本科、藜科、菊科、茜草科、莎草科、豆科、蓼科[14]。

Pielou指數(shù)表現(xiàn)出沙棘林高于荒坡，說明沙棘林地草本物種的群落結(jié)構(gòu)也較為穩(wěn)定，Shannon-weaner指數(shù)來源于信息論中計算熵的公式，在均勻度差異不顯著的情況下，其對物種豐富度較為敏感。本研究顯示，沙棘林地與荒坡的均勻度接近，但沙棘林的Shannon指數(shù)為1.63顯著高于荒坡的1.11，這說明沙棘林地出現(xiàn)稀有草本物種的可能性更大，稀有種對于Shannon指數(shù)的計算存在較大貢獻，實際調(diào)查情況也證實沙棘林地植物物種較多。

4.3 沙棘生長對沙化土地土壤理化性質(zhì)的影響

干旱區(qū)屬于脆弱生態(tài)類型區(qū)，土壤具有結(jié)構(gòu)差、質(zhì)地粗且生產(chǎn)力低下，干時松散等特點[15]。本研究結(jié)果顯示荒坡地 0～40 cm層土壤容重，處于1.46～1.53 g/cm3之間，在國家耕地土壤容重分級標準中處于“偏緊”等級，孔隙度指標也均較低。沙棘林地的土壤容重在1.36～1.43 g/cm3之間，處于適宜等級，土壤結(jié)構(gòu)良好，土壤孔隙度指標均較高，土壤通透性較好，保肥蓄水能力較強[16-18]?？梢娚臣炝謱ν寥廊葜睾涂紫督Y(jié)構(gòu)均有改善，這說明通過沙棘植樹造林，對土壤理化性質(zhì)具有明顯改善作用。

本研究中沙棘林地土壤氮、磷、鉀和堿解氮、速效鉀含量均顯著高于荒坡，說明沙棘的生長對沙化土地土壤的改良作用明顯，尤其是對于提高土壤堿解氮含量的作用顯著，這可能與沙棘植物根系的根瘤菌有關(guān)。雖然沙棘林地和荒坡在土壤養(yǎng)分方面有顯著差異，但無論是沙棘林地還是荒坡，土壤整體養(yǎng)分含量都比較低，這多數(shù)是因為研究地土壤本身養(yǎng)分貧瘠造成的，且沙棘種植時間較短，林木通過微生物分解其凋落物途徑歸還土壤養(yǎng)分，對土壤的改善作用還不明顯。但隨著時間的延長，林木對土壤的改良效果會更顯著。

綜合考慮，就本研究結(jié)果而言，沙棘生長對土壤理化性質(zhì)有一定的改善作用，又因沙棘本身具有抗旱機理，對土壤水分要求不苛刻，還可提高地區(qū)草本層的物種多樣性，因此，沙棘可作為冀北壩上地區(qū)優(yōu)良的防風(fēng)固沙經(jīng)濟林。研究采用的是純林造林，通過研究結(jié)果可以看到效果也較好，但純林造林具有容易誘發(fā)病蟲害等潛在弊端，同時，沙棘為淺根性樹種，對深層土壤的改良亦存在一定局限且苗期和草本的競爭性較大。因此，今后加強苗期管理，也可進行多樹種及不同林齡混交造林模式，無論生態(tài)效益還是經(jīng)濟效益可能會達到更好的效果。