不同結皮破壞對退化梭梭林地土壤水分及梭梭生長的影響

王方琳 張錦春 紀永福 陳芳 丁峰 劉有軍 王吉金

作者簡介： 王方琳（1985-），女，甘肅天水人，本科，研究實習員。主要從事荒漠生態(tài)與荒漠化防治研究。E-mail:wangfanglin2008@163.com張錦春為通訊作者。

摘要: 在甘肅民勤對20世紀60年代建植的人工梭梭林進行植被恢復研究試驗，結果表明，結皮破壞可以增加林地水分入滲深度, 降低地表徑流，提高土壤含水率，對退化梭梭有恢復作用。3種改造措施中，土壤水分儲存效果以處理Ⅰ和處理Ⅱ較好；結皮的存在易造成坡面徑流，而結皮破壞則阻止了坡面徑流的產(chǎn)生，并增加了土壤水分入滲；退化梭梭恢復以處理Ⅰ和處理Ⅱ梭梭的枝條成活率最大，達到6.67 %，新枝枝數(shù)、枝長、基部粗度以處理Ⅰ占優(yōu)勢；新結皮形成方面，處理Ⅰ不易形成新結皮，處理Ⅰ，處理Ⅱ和處理Ⅲ形成的新結皮厚度分別為0.22 cm，0.27 cm和0.38 cm。

關鍵詞: 甘肅民勤；結皮破壞；退化人工梭梭林；植被恢復

中圖分類號： S 714;S 793.05文獻標識碼： A文章編號： 1009-5500(2011)04-0056-05

土壤結皮是土壤表面由苔蘚、地衣、藻類、細菌等生物組分以及土壤顆粒等物質共同形成的一個復合體。在廣闊的干旱沙漠地區(qū),流動沙丘向固定沙丘演變過程中,地表會形成結皮,結皮層的出現(xiàn),有效地阻止了流沙的移動。諸多研究表明^[1-5]，沙丘表面結皮一方面使得大氣降水入滲減少，另一方面地表蒸發(fā)增強。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是微生物結皮會完全關閉沙面的導水孔隙，影響降水入滲；同時，當降水較少時，由于結皮層的吸水能力強，水分被固持在結皮層，很快蒸發(fā)到空氣中；當降水較大時則形成徑流流失。這樣，結皮限制了水分下滲，使植物深層根系得不到水分補給，土壤水分狀況惡化，土壤干旱加劇，加速了深根系植物梭梭種群衰敗^{[1，5，6]}。因此，有效減少徑流、增加降水入滲是該類區(qū)域促進有限降水充分利用、深根系植物生長和生態(tài)恢復的重要措施。已有研究中，陳榮毅等^[7] 認為結皮影響種子植物多樣性的機理主要在于發(fā)育后期的生物土壤結皮會降低土壤種子庫，也會抑制多數(shù)

種類種子萌發(fā)，夏秋季結皮深層土壤水分的減少也不利于深根植物的生存，但結皮土壤擁有相對較高的養(yǎng)分條件卻能保證一年生短命植物生長和生存。龍利群等^[8]對沙波頭沙面結皮研究發(fā)現(xiàn)，結皮的存在有利于一年生草本植物的幼苗成活。這些研究共同表明，結皮的存在有利于一年生植物生長，但同時限制了深根系植物生長。近年來以人工灌溉、模擬降水、雨水集流等措施開展退化梭梭林恢復技術試驗報道較多^[6-8]，但由于區(qū)域水資源缺乏，立地條件復雜多變，梭梭種群灌溉恢復技術不可能大面積推廣應用，開展實用有效的人工梭梭種群恢復技術依然是當前研究的重點和難點。因此，以退化梭梭林地結皮不同破壞試驗探明沙丘不同結皮破壞對土壤含水率及水分入滲、對退化梭梭生長恢復狀況及新結皮形成的影響，旨在為梭梭種群雨養(yǎng)恢復提供技術及理論支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于甘肅河西走廊東北部的民勤縣，地處石羊河下游的騰格里沙漠西緣，地理位置E 102°02′～104°02′E ,N 38°05′～39°06′。民勤縣東、北、西三面環(huán)沙，沙漠、戈壁、鹽堿灘地占全縣總土地面積的94.2%，屬典型荒漠地區(qū)。氣候為典型的大陸干旱型氣候，1961～2004年平均氣溫7.7 ℃；年平均降水量115.9 mm，年蒸發(fā)量為2 452.7 mm；主導風向多以西北風（NW），平均風速2.4 cm/s，最大風速為23.0 m/s。近年民勤地下水位急劇下降，由20世紀50年代1～3 m下降至目前的20 cm。20世紀50～80年代，民勤境內(nèi)人工梭梭林90 000 hm2,分布立地類型有流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、丘間平灘地、風蝕殘積山坡、山前洪積扇、平緩假戈壁等，其中，流動沙丘、固定沙丘、半固定沙丘上分布的梭梭較多，占民勤梭梭林面積的97.56%，是民勤梭梭林防風固沙的主體，梭梭林保存密度320～350株/hm2。

1.2 試驗設計與方法

2008年8月以民勤治沙綜合試驗站14號井的退化梭梭林地作為樣地進行了調(diào)查及試驗，樣地是20世紀60年代設置間距為4 m的粘性土沙障，初植密度為4 m×2 m，樣地為坡度約15°的沙丘坡面，坡長100 m，寬度為50 m，沙丘坡面已全部形成結皮，結皮厚度為0.5～1 cm，樣方10 m×10 m。樣地設3種方式的結皮破壞處理：Ⅰ 100%去除結皮處理，即去除梭梭林地全部結皮使其成為裸沙地表；Ⅱ50%帶狀去除結皮處理，沿沙丘等高線去除樣方下半部分的結皮使其成為裸沙地表，保留上半部分的結皮；Ⅲ100%碎結皮處理，采用機械措施將結皮完全破碎，但不移除。每種結皮處理分別在沙丘的坡頂、坡腰、坡腳各設3個重復處理，以不破壞結皮作為對照處理(CK)。每個處理選擇3株中心位置的梭梭作為觀測樣株，距每株觀測樣株基部50 cm處安裝中子儀水分測管，測定不同降水條件下林地土壤水分狀況，測定深度200 cm，每20 cm為一層，每次降水后以24 h為時間段進行樣地內(nèi)梭梭林地土壤水分連續(xù)觀測，根據(jù)降水量大小可連續(xù)觀測1～5次，同時在每月月底加測1次林地土壤水分；梭梭生長及新結皮形成情況于每年秋季（9月底）調(diào)查。主要調(diào)查當年生枝條的長度、個數(shù)、枝條基部的粗度，枝級以及枝上成活枝與死亡枝的比例等，結皮厚度用游標卡尺測量。枝級調(diào)查按植株分枝發(fā)育順序的離心法^[10]來確定，從根莖處開始長出的作為一級枝，一級枝上分出的枝為二級枝，即兩個二級枝相遇處為一級枝，二級枝再分出的作為三級枝，以此類推。

2 結果與分析

2.1 結皮破壞對梭梭林地土壤水分入滲的影響

2.1.1 小降水條件下土壤水分入滲規(guī)律 試驗小降水指結皮地表沒有形成地表徑流的降水。歷時40 min、降水強度分為0.025 mm/min和0.035 mm/min，總降水量為1 mm和1.4 mm的小降水事件中降水1 d后土壤水分含水率分布（圖1）。土壤水分變化主要集中在表層20 cm范圍內(nèi)，表層土壤含水率處理Ⅰ最高，處理Ⅱ與處理Ⅲ居中，對照最低。由于降水量小，水分在地表20 cm以內(nèi)入滲淺層化，20 cm以下水分趨勢線變化趨于平緩，土壤水分基本沒形成明顯入滲現(xiàn)象。

2.1.2 大降水條件下土壤水分入滲 試驗大降水指結皮地表能夠形成地表徑流的降水。歷時200 min降水強度0.15 mm/min，總降水量為30 mm的降水條件下不同結皮破壞處理水分變化（圖2），本次強降水后連續(xù)4 d所測的數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢，即各處理水分入滲變化趨勢線中各出現(xiàn)一個水分較高拐點和一個水分低谷點。較高拐點是因為在拐點處存在粘土層，有關粘土層對水分的影響已有報道^[11]，粘土層土壤保存有大量水分，拐點值的大小表明其所具有的水分貯存量；低谷點主要由粘土與沙土的不同持水性能造成。

圖1 1 mm和1.4 mm降水條件下結皮破壞對梭梭林地土壤水分入滲的影響

Fig.1 The soil moisture of Haloxylon community with crust-breaking treatment under 1 mm and 1.4 mm precipitation

圖2 30 mm降水條件下不同結皮破壞處理水分變化

Fig.2 The soil moisture of Haloxylon community with crust-breaking treatment under 20 mm precipitation

對照與對應相同測量層次各處理間水分含水率在0.05 的水平上進行差異顯著性檢驗（表2），在0～20 cm的表層對照與100%去除結皮處理和50%帶狀

去除結皮處理差異顯著，說明在接收降水的效率上100%去除結皮處理和50%帶狀去除結皮處理效果明顯，能在降水之際接受較多水分；在20～40 cm層次

表2 對照與各處理差異分析

Table 2 Difference analysis among treatments

注：顯著水平0.05；F臨界值=5.987 378

上，對照與處理Ⅲ差異顯著，處理Ⅰ與Ⅱ達到極顯著；在40～60 cm及60～80 cm層次上對照與處理Ⅲ差異不顯著，但與處理Ⅰ與Ⅱ差異極顯著；

80 cm以下對照與各處理差異皆不顯著，這與降水入滲范圍有關。處理Ⅲ與對照差異不顯著，其原因為破碎結皮處理中結皮破壞后易于形成新的結皮，地表質地依然比較緊密，限制了水分下滲，而去除結皮的2個處理相對有粗造的地表，難于形成坡面徑流，促進了水分入滲有關。處理Ⅰ和處理Ⅱ在水分入滲上具有明顯加強效果。

2.2 結皮破壞及梭梭構件生長

不同結皮破壞處理下梭梭構件調(diào)查（表3），成活枝與死亡枝以處理Ⅰ最大，其次，為處理Ⅱ，對照和處理Ⅲ最小；梭梭枝條平均成活率以處理Ⅰ和處理Ⅱ最好，成活率近66.67%，其次，處理Ⅰ成活率達到60%，對照處理成活狀況最差，只有37.33%。不同的結皮破壞中新枝生長狀況變化較大，處理Ⅰ新枝數(shù)量最多，2年生枝條上著生新枝平均數(shù)為54.33個，其次為處理Ⅱ46個和處理Ⅲ41.67個，對照新枝個數(shù)僅為27.11個；新枝基部粗度變化不明顯，但處理Ⅰ基部最粗，達0.14 cm；新枝長度處理Ⅰ也高于其他處理及對照，達20.65 cm。除梭梭一、二、三各級分枝成活比例外，無論從新枝枝數(shù)、枝長，基部粗度各方面來看，均以對照生長狀況最差，這與測得的林地土壤水分狀況相一致。從新結皮形成方面來分析，處理Ⅰ和處理Ⅱ形成的新結皮厚度分別為0.22 cm和0.27 cm ,處理Ⅲ形成的新結皮厚度達到0.38 cm。相比較而言，處理Ⅰ和處理Ⅱ相對不易形成新結皮，降水入滲較多，林地水分狀況較好，有利于梭梭新枝生長，處理Ⅲ形成的新結皮較厚，降水截留量較大，引起林地水分狀況相對較差，對梭梭的生長產(chǎn)生了一定的影響。

表3 不同結皮破壞對梭梭構件生長的影響

Table 3 The effect of soil crust breaking on the growth of Haloxylon ammodendron

3 討論與小結

（1）不同結皮破壞對土壤水分的影響當降水量較小時，水分變化主要集中在20 cm層次內(nèi)，20 cm以下各種處理水分變化趨勢線和對照一致；降水量較大時，處理Ⅰ和處理Ⅱ在水分入滲上具有明顯加強效果。

（2）不同結皮破壞處理下退化梭梭生長表明，處理Ⅰ和處理Ⅱ下梭梭的枝條成活率最大，達66.67%，處理Ⅲ60%，對照只有37.33%；新枝枝數(shù)、枝長、基部粗度生長也均以處理Ⅰ占優(yōu)勢，分別為54.33個，20.65 cm和0.14 cm，這種現(xiàn)象與試驗所測的林地土壤水分狀況相一致；新結皮形成方面，處理Ⅰ和處理Ⅱ形成的新結皮厚度分別為0.22 cm和0.27 cm，處理Ⅲ形成的新結皮達0.38 cm，已接近原有結皮厚度。

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Effects of soil crust breaking on soil moisture and growth of degraded Haloxylon ammodendron community

WANG Fang-lin1,ZHANG Jin-chun1,JI Yong-fu1,CHEN Fang1,DING Feng1,LIU You-jun1,WANG Ji-jin2

(1. Key Laboratory for Desertification Combating of Gansu Province,Gansu Desert Control Research Institute,Lanzhou 730070,China; 2. Forestry Bureau of Tianzhu County，Tianzhu 733300,China)

Abstract: The restoration experiment of degraded Haloxylon ammodendron community was conducted with the Haloxylon ammodendron community established in Minqin County in 1960s.The result showed that the soil crust could be broken to increase the depth of water infiltration,reduce the run-off,increase the soil moisture.The best treatment was 100% crust-removed,and it was followed by the treatment of 50% crust-removed.The effect of water infiltration tends to be greater with the increased precipitation.The branches survival reached 66.67% in the 100% crust-removed treatment and 60% in the 50% crust-removed treatment.The depths of soil crust were 0.22 cm,0.27 cm and 0.38 cm for treatment 1,2 and 3 respectively after the treatment was applied.

Key words: Minqin;crust breaking;degraded Haloxylon ammodendron community;vegetation restoration