天山北坡前山帶區(qū)域中國沙棘造林技術(shù)

王 凱,程 平,瑪納甫·賽依提,張 森,安玉光,李 宏

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆維吾爾自治區(qū)天山東部國有林管理局瑪納斯南山分局,新疆瑪納斯 832200;3.新疆林業(yè)科學(xué)院,烏魯木齊 830092)

0 引 言

【研究意義】前山帶是主體山脈與平原地區(qū)的過渡帶,前山帶的存在可以維持綠洲的穩(wěn)定發(fā)展,阻止山區(qū)洪水、泥石流對平原地區(qū)的侵襲,同時對周圍生態(tài)環(huán)境起重要保護(hù)作用[1]。天山北坡前山帶是天山區(qū)域重要的牧場,但其生態(tài)系統(tǒng)脆弱,水資源有限,植物易受干旱影響,不合理的放牧活動導(dǎo)致天然灌木林退化嚴(yán)重,自我更新能力差[2];而該區(qū)域特殊的自然環(huán)境和地形地貌,坡度一般在5～30°,進(jìn)行有灌溉造林的難度大、成本高,有必要結(jié)合該區(qū)域的自然降雨量在200～300 mm的特點[3],開展集雨保墑造林技術(shù)(即無灌溉造林)的研究,增加植被覆蓋率,促進(jìn)天山北坡前山帶區(qū)域植被快速恢復(fù)。【前人研究進(jìn)展】中國沙棘(HippophaerhamnoidesL.)為胡頹子科(Elaeagnaceaa)沙棘屬(Hippophae)的落葉灌木或是小喬木,廣泛分布于我國河北、內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅等地[4],具有極強(qiáng)的抗旱適應(yīng)能力[5],果實和葉片富含多種營養(yǎng)成分,是良好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)兼用樹種[6],也是在天山北坡前山帶區(qū)域開展集雨保墑造林的首選樹種。關(guān)于集雨保墑造林技術(shù)的相關(guān)研究報道較多,王月海等[7]采用蓄水保墑、截流效率高的水平溝整地,提高了刺槐、側(cè)柏等樹種的成活率,胡興宜等[8]在高效收集雨水的基礎(chǔ)上,通過覆膜增強(qiáng)對土壤水分的保持,減輕土壤水分蒸發(fā),保證刺槐在生長過程中的水分供給,賈殿坤[9]在遼西地區(qū)通過施用保水劑來提高楊樹的成活率?！颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于沙棘光合生理特性研究多基于不同品種間[10-11],針對中國沙棘不同造林配套模式下的生理光合特性研究鮮有報道。干旱、半干旱區(qū)的造林成活率在70%(含)以上為合格[12],需研究影響中國沙棘生長的關(guān)鍵光合指標(biāo)、生理指標(biāo)及土壤含水量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以中國沙棘研究對象,在天山北坡前山帶區(qū)域開展不同整地方式和保水措施對中國沙棘造林后苗木生長和生理生化指標(biāo)的影響,綜合評價不同造林技術(shù)措施,篩選出適宜中國沙棘最優(yōu)的造林配套技術(shù)措施,為天山北坡前山帶區(qū)域人工造林提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于新疆天東國有林管理局瑪納斯南山林場境內(nèi)的天山北坡前山帶區(qū)域,試驗地點位于石門子管護(hù)所二象臺子坡地(E86°14′,N43°52′),屬典型的溫帶大陸性干旱氣候,年均氣溫為8.7℃,1月平均氣溫為-24.7℃,7月平均氣溫為17.7℃,最高氣溫35℃左右,年降水量為324.62 mm,全年無霜期165～172 d,最長達(dá)190 d,平均海拔1 320 m左右。土壤類型為栗鈣土,有機(jī)質(zhì)(26.80±2.30) g/kg,速效鉀(253.75±21.65) mg/kg,有效磷(4.67±1.26) mg/kg,土壤pH值(7.85±0.12),電導(dǎo)率(0.29±0.02) ms/cm。

苗木為2年生中國沙棘土球苗,購買于瑪納斯縣苗圃,苗高大于80 cm,地徑大于1 cm,土球大小為15～20 cm。天然鈉基膨潤土購買于新疆奇臺縣國平膨潤土礦。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

2019年10月20日進(jìn)行秋季造林試驗,株行距設(shè)置為1.5 m×5 m,造林后全部采用圍欄保護(hù)。整地方式設(shè)置為2種,即穴狀整地和水平溝整地,種植穴規(guī)格為長×寬×深:50 cm×50 cm×20 cm,水平溝規(guī)格為溝深30 cm、寬80 cm,沿等高線開溝。保水措施設(shè)置3個處理1個對照,穴狀整地:覆膜(M1)、膨潤土(M2)、覆膜-膨潤土(M3)、CK1;水平溝整地:覆膜(M4)、膨潤土(M5)、覆膜-膨潤土(M6)、CK2。每個處理20株苗,重復(fù)3次。覆膜處理,即:栽植苗木灌冬水后,采用黑色塑料膜(膜寬80 cm)覆蓋種植穴或水平溝表面,然后覆土壓實;膨潤土處理,即:每個種植坑底部灑0.5 kg膨潤土,與種植土攪拌均勻后定植苗木;覆膜-膨潤土處理,即:采用覆黑膜與膨潤土共同處理的方式;對照(CK),不采用覆膜或膨潤土處理。

定植前,苗木全部平茬,保留株高50 cm;定植后,用灑水車澆冬水,每株20 L,水中放ABT生根粉1號;生根粉先用酒精溶入小瓶中,倒入灑水車內(nèi)。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 生長指標(biāo)

2020年9月20日,用鋼卷尺和游標(biāo)卡尺測定苗木的新梢高(精確到0.1 cm)、梢徑(精確到0.01 cm),測定苗木成活率、新梢干鮮重。

1.2.2.2 生理生化

2020年9月15日,采集不同處理的苗木葉片,均取自植株上部的功能葉,每處理取樣5株,保存于液氮罐中備用。葉綠素含量:采用乙醇提取比色法[13];可溶性蛋白含量:采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[14];超氧化物歧化酶活性:采用NBT光化學(xué)還原法[15];脯氨酸含量;采用磺基水楊酸提取法;丙二醛含量:采用硫代巴比妥酸顯色法[13]。

1.2.2.3 葉片光合

2020年7月16日11:00～13:00期間測定中國沙棘光合指標(biāo),選取植株中上部功能葉片,利用Li-6400XT便攜式光合儀測定苗木的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率,每處理選取3株苗木,每株選取3片功能葉測定。

1.2.2.4 土壤含水量

2020年5月1日開始測定土壤體積含水量,以土壤體積含水量作為實際土壤含水量的分析依據(jù)。在距離苗木20 cm兩側(cè)深30 cm處分別埋設(shè)EC-5土壤水分傳感器1個,每處理重復(fù)3次,每3 d測定1次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以生長指標(biāo)中最直觀的指標(biāo)成活率(Y1)和新梢生長量(Y2)作為因變量,(1)選擇生理指標(biāo)可溶性蛋白(X1)、葉綠素含量(X2)、丙二醛含量(X3)、脯氨酸含量(X4)、超氧化物歧化酶含量(X5)作為自變量,進(jìn)行多元逐步回歸分析,篩選出主要生理指標(biāo)影響因子;(2)選擇光合指標(biāo)凈光合速率(X6)、氣孔導(dǎo)度(X7)、細(xì)胞間CO2濃度(X8)、蒸騰速率(X9),進(jìn)行多元逐步回歸分析,篩選出主要光合指標(biāo)影響因子;(3)選擇5月平均土壤含水量(X10)、6月平均土壤含水量(X11)、7月平均土壤含水量(X12)、8月平均土壤含水量(X13),進(jìn)行多元逐步回歸分析,篩選出主要土壤含水量影響因子。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法,結(jié)合權(quán)重,對成活率(S1)、新梢高(S2)、可溶性蛋白含量(S3)、超氧化物歧化酶含量(S4)、氣孔導(dǎo)度(S5)、蒸騰速率(S6)、5月平均體積含水量(S7)、8月平均體積含水量(S8)共計8指標(biāo)進(jìn)行評分排序,最終計算出中國沙棘造林配套技術(shù)的綜合評分,數(shù)值越大,該模式保水保墑性能越強(qiáng),中國沙棘苗木生長表現(xiàn)越好。

采用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)、繪制圖表,運(yùn)用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,綜合評價采用模糊數(shù)學(xué)模型的隸屬函數(shù)[16]、結(jié)合權(quán)重進(jìn)行評價。

隸屬函數(shù)的基本計算方法為:

X(Zj) = (Zj-Zmin)/(Zmax-Zmin).

如果指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān),則:

X(Zj) = 1-(Zj-Zmin)/(Zmax-Zmin).

式中,X為隸屬函數(shù)值(下同);Zj為指標(biāo)測定值,Zmax、Zmin,為某一指標(biāo)的最大值和最小值。將各處理隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加,并求其平均值。

權(quán)重計算方法為:

式中,Wj為第j個指標(biāo)在所有評價指標(biāo)中的權(quán)重;Pj為經(jīng)主成分分析所得到第j個指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

與此前部分銀行設(shè)立的資產(chǎn)管理公司相比，理財子公司的業(yè)務(wù)范圍更加廣泛，除了投向債券、存款、貨幣市場工具等標(biāo)準(zhǔn)化資產(chǎn)，也允許投向非標(biāo)準(zhǔn)化債權(quán)類資產(chǎn)，同時還可進(jìn)行權(quán)益投資，把握一級市場，承接銀行的表外業(yè)務(wù)。在業(yè)內(nèi)看來，這無異于擁有一張“超級牌照”。

式中,D為中國沙棘造林技術(shù)綜合評分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同造林技術(shù)對中國沙棘生長指標(biāo)的影響

研究表明,不同保水處理下的中國沙棘幼苗成活率和生長狀況均存在顯著差異(P<0.05)。穴狀整地方式下,覆膜-膨潤土保水處理的中國沙棘成活率、新梢高、新梢徑粗、新梢鮮重、新梢干重均表現(xiàn)最優(yōu),表現(xiàn)最差的均為CK1,水平溝整地方式下,與穴狀整地表現(xiàn)出相同的規(guī)律,即覆膜-膨潤土保水處理的中國沙棘成活率、新梢高、新梢徑粗、新梢鮮重、新梢干重均表現(xiàn)最優(yōu),顯著高于其他保水處理,而CK2表現(xiàn)最差。水平溝整地方式優(yōu)于穴狀整地;保水處理覆膜-膨潤土>覆膜>膨潤土>CK。

相同整地方式下,中國沙棘成活率較CK分別提高:13.9%、5.6%、21.7%; 19.9%、6.3%、28.2%;相同保水處理下,中國沙棘成活率分別提高:17.6%、23.6%、18.3%、24.2%。達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)的配套措施為水平溝-覆膜-膨潤土、水平溝-覆膜。表1

表1 不同保水處理的中國沙棘生長指標(biāo)比較Table 1 Comparison of growth indexes of H.rhamnoideswith different water-retaining treatments

2.2 不同造林技術(shù)對中國沙棘葉片生理指標(biāo)的影響

研究表明,不同保水處理下的中國沙棘幼苗生理指標(biāo)均存在顯著差異(P<0.05)。穴狀整地的生理指標(biāo)(可溶性蛋白、丙二醛含量、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶)顯著高于水平溝處理(P<0.05),穴狀整地方式整體受到脅迫的程度高于水平溝整地,與中國沙棘苗木生長指標(biāo)相一致。在保水措施方面,兩種整地方式下均表現(xiàn)為CK的生理指標(biāo)為最高,覆膜-膨潤土保水處理含量最低,水平溝整地-覆膜-膨潤土保水處理下的中國沙棘受到外界環(huán)境干旱脅迫程度最輕,適應(yīng)干旱環(huán)境能力優(yōu)于其他保水處理。表2

表2 不同保水處理的中國沙棘生理指標(biāo)比較Table 2 Comparison of physiological indexes of H.rhamnoideswith different water-retaining treatments

2.3 不同造林技術(shù)對中國沙棘苗木光合指標(biāo)的影響

研究表明,不同保水處理下的中國沙棘幼苗光合指標(biāo)均有顯著差異(P<0.05)。水平溝整地的光合指標(biāo)(凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度、蒸騰速率)顯著高于穴狀整地方式(P<0.05),水平溝整地中國沙棘幼苗生長狀況優(yōu)于穴狀整地方式,與中國沙棘苗木生長指標(biāo)表現(xiàn)相一致。覆膜-膨潤土處理下中國沙棘的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度、蒸騰速率明顯優(yōu)于其他保水處理(P<0.05),覆膜-膨潤土>覆膜>膨潤土>CK。水平溝-覆膜-膨潤土處理下中國沙棘的光合作用優(yōu)于其他處理。表3

2.4 不同造林技術(shù)對土壤含水量的影響

研究表明,穴狀整地方式下,M1、M2、M3保水處理土壤含水量均高于CK1對照;水平溝整地方式下,M4、M5、M6保水處理土壤含水量均高于CK2對照。兩種整地方式下,水平溝土壤含水量均大于穴狀整地;對不同處理5～8月土壤含水量的均值進(jìn)行排序,M6>M4>M5>M3>M2>M1>CK2>CK1。圖1

圖1 不同保水處理的中國沙棘月平均土壤含水量變化

兩種整地方式下,水平溝土壤含水量優(yōu)于穴狀整地,6月27日、8月9日出現(xiàn)較大規(guī)模的降雨,降雨量分別為7.3、12.4 mm,導(dǎo)致土壤含水量急劇上升。在同一整地方式下,中國沙棘土壤含水量均表現(xiàn)出膨潤土-覆膜>覆膜>膨潤土>CK。水平溝整地和覆膜-膨潤土處理的保水效果最好,與中國沙棘的生長、生理、光合指標(biāo)的表現(xiàn)相一致。圖2

圖2 不同保水處理的中國沙棘土壤含水量變化

2.5 影響中國沙棘苗木生長的關(guān)鍵因子變化

研究表明,生理指標(biāo)中影響中國沙棘生長的關(guān)鍵因子為可溶性蛋白(X1)、超氧化物歧化酶(X5);光合指標(biāo)中影響中國沙棘生長的關(guān)鍵因子為蒸騰速率(X9)、氣孔導(dǎo)度(X7);土壤含水量指標(biāo)中影響中國沙棘生長的關(guān)鍵因子為5月土壤含水量(X10)、8月土壤含水量(X13)。表4

2.6 中國沙棘造林配套技術(shù)的綜合評價

2.6.1 主成分分析

研究表明,主要影響因子共同度均高于0.8,提取的因子已經(jīng)反映了原變量80%以上的信息,對原始變量的解釋度高。成活率、可溶性蛋白、超氧化物歧化酶含量、蒸騰速率、8月平均土壤含水量權(quán)重大于0.125,以上指標(biāo)對造林質(zhì)量影響較大;新梢生長量、氣孔導(dǎo)度、5月平均土壤含水量權(quán)重低于0.125,以上指標(biāo)對造林質(zhì)量影響較小。表5

表4 影響中國沙棘生長量的 多元逐步回歸方程Table 4 Linear regression equation of growth

2.6.2 綜合評價

研究表明,保水能力最強(qiáng)的是水平溝整地(覆膜-膨潤土),水平溝整地(覆膜)次之,保水能力最差的是穴狀整地(CK1)、水平溝整地(CK2)。表6

表5 主成分因子負(fù)荷系數(shù)和權(quán)重Table 5 Principal component factor load coefficients and weights

表6 不同保水處理的中國沙棘綜合評價值Table 6 Comprehensive evaluation value of different water conservation Treatment H.rhamnoides

3 討 論

3.1 不同造林方式下中國沙棘光合、生理特性差異性變化

在干旱區(qū)、半干旱區(qū),如何保持造林地土壤的水分是提高造林成活率的重要措施,保水的根本途徑就是有效降低土壤的水分蒸發(fā),使有限的水分能夠被植物吸收和利用,最大程度減少水分浪費(fèi)[17]。覆蓋黑膜是保持土壤水分的一項重要措施,能夠有效降低土壤水分的蒸發(fā),在蒸發(fā)較為強(qiáng)烈地區(qū)保水效果尤為明顯[18]。蘇鳳梅等[19]在渭北旱塬區(qū)土壤水分的研究發(fā)現(xiàn),地膜覆蓋能減少水分蒸發(fā),水分保持效果優(yōu)于裸地。另一方面,整地方式不同,造林地土壤蒸發(fā)不同、攔截徑流的效果也不同[20]。程積民等[21]、韓志偉等[22]研究表明,水平溝整地的集水能力、土壤含水量、中國沙棘苗木生長量均顯著高于對照組(無任何整地措施)(P<0.05)。在研究中,保水措施相同的條件下,水平溝整地的土壤含水量均顯著高于穴狀整地(P<0.05),平均增加9.39%,中國沙棘生長量均顯著高于穴狀整地,平均增加81.2%;在整地方式相同條件下,覆膜處理的土壤含水量均顯著高于未覆膜處理,平均增加9.9%,中國沙棘生長量均顯著高于穴狀整地,平均增加14.7%;研究關(guān)于水平溝整地方式和覆膜處理的研究結(jié)果與前人研究成果一致。

超氧化物歧化酶作為植物抗氧化的第一道防線,能通過歧化反應(yīng)清除因干旱產(chǎn)生的活性氧自由基,降低干旱對自身的危害[23-25]?？扇苄缘鞍资且环N重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),植物在干旱的環(huán)境下,會產(chǎn)生更多的可溶性蛋白從而提高細(xì)胞的親水性,最終達(dá)到抵御逆境的目的[26]。研究結(jié)果表明,在不同造林技術(shù)下中國沙棘的可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶活性存在顯著差異(P<0.05),經(jīng)逐步回歸分析得出可溶性蛋白含量與超氧化物歧化酶活性是影響中國沙棘生理的關(guān)鍵因子,可溶性蛋白、超氧化物歧化酶與干旱具有顯著的相關(guān)性,與吳永波等[27],郭盈添等[28]研究結(jié)果一致;而水平溝整地-覆膜-膨潤土處理下中國沙棘的可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶活性最低,表明該處理能夠顯著減低中國沙棘受到的干旱脅迫。

蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度是影響植物凈光合速率的重要因素,當(dāng)兩者同時下降且凈光合速率也下降,植物在干旱缺水時,葉片氣孔關(guān)閉、蒸騰作用降低,阻礙了光合作用的進(jìn)行,最終表現(xiàn)為生物累積量減少[29]。研究中,在不同造林技術(shù)下中國沙棘的凈光合速率存在顯著差異(P<0.05),且以水平溝整地-覆膜-膨潤土處理下中國沙棘的凈光合速率為最高;經(jīng)逐步回歸分析得出,影響中國沙棘成活率和生長量的關(guān)鍵光合指標(biāo)為氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率,凈光合速率受到蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度雙重因素的影響,與高國日等[30]土壤干旱對沙棘光合指標(biāo)的影響結(jié)果相一致。

在干旱、半干旱地區(qū),植物群落對土壤水分十分敏感,蘇嫄等[31]在黃土丘陵區(qū)地上生物量季節(jié)變化與土壤含水量關(guān)系中指出,生物量季節(jié)性變化與土壤水分密切相關(guān),在降雨較少的月份,生物量應(yīng)呈現(xiàn)下降趨勢。試驗中,8月降水少,平均土壤含水量全年最低,但覆膜、膨潤土等措施保證了中國沙棘生長所需水分,導(dǎo)致各處理間中國沙棘生長量存在顯著性差異(P<0.05),8月土壤含水量成為影響中國沙棘生長的關(guān)鍵因子與研究結(jié)果一致。同時研究發(fā)現(xiàn)5月土壤含水量成為影響中國沙棘成活率的關(guān)鍵因子,可能是由于在中國沙棘生長初期,水分充足,提供了良好的生長環(huán)境,增加了中國沙棘的抗逆性。

3.2 中國沙棘造林配套技術(shù)綜合評價

王韡燁[32]通過隸屬函數(shù)法對不同蓄水保墑處理進(jìn)行綜合評價,最終得出覆膜處理效果最好,提高苗木質(zhì)量幅度最大,且增加的造林成本最低,是比較理想的蓄水保墑處理措施。袁信昌等[33]將9中處理下的木荷等植物進(jìn)行隸屬函數(shù)綜合評價,得出在木荷在施用保水劑處理下,綜合效益最高。李麗鋒等[34]對遼西地區(qū)4種整地方式進(jìn)行綜合排序后得出,水平溝整地綜合得分>穴狀整地。試驗中,相同保水處理下,中國沙棘成活率可以提高17.6%～28.2%,且水平溝整地綜合得分均高于穴狀整地,在造林過程中應(yīng)優(yōu)先考慮水平溝整地;相同整地方式下,覆膜處理的中國沙棘成活率較CK可以提高13.9%、19.9%;膨潤土處理下的中國沙棘成活率可以提高5.6%、6.3%,在今后造林過程中單項措施應(yīng)優(yōu)先考慮覆膜。根據(jù)隸屬函數(shù)綜合評分的出,水平溝-覆膜-膨潤土綜合配套技術(shù)得分最高,單一穴狀整地(CK1)得分最低,與研究結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

4.1選擇水平溝整地方式;保水措施優(yōu)先選擇覆膜-膨潤土的措施,其次是覆膜單項技術(shù)。

4.2天山北坡前山帶中國沙棘造林的綜合配套技術(shù)為:水平溝整地-覆膜-膨潤土綜合造林技術(shù)、水平溝整地-覆膜綜合造林技術(shù)。