片麻巖石質(zhì)山地火炬樹幼林集水保墑措施優(yōu)化1)

章岳濤 譚飛理

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083) (湛江師范學(xué)院)

李廣德 賈黎明

(中央廣播電視大學(xué)) (省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué)))

在干旱、半干旱的華北石質(zhì)山區(qū)嚴(yán)酷的自然條件下，水分虧缺及利用效率低嚴(yán)重影響林木的成活率與生長。該地區(qū)年際間連旱頻發(fā)，年內(nèi)降雨多集中在7—9月份，區(qū)域性、季節(jié)性干旱缺水突出。坡面降雨徑流既是產(chǎn)生水土流失的動力，又是緩解干旱缺水的重要水源［1］。采取合理措施有效地利用坡面降雨徑流是緩解這一地區(qū)生態(tài)用水的關(guān)鍵所在。國內(nèi)外學(xué)者對集雨、雨水資源的概念進(jìn)行了不同的概括和描述［2－7］，但其基本內(nèi)涵是一致的。1997年Y. Tilander和M. Bonzi 在半干旱地區(qū)布基納法索(非洲)，研究評定了不同土壤覆蓋措施對不同作物在土壤含水量、養(yǎng)分及溫度上的影響［8］。A. Tubeileh 研究了在敘利亞旱地集水對橄欖樹幼苗的生長影響［9］。國內(nèi)，集水面由早期的利用自然坡面、取草皮坡面、經(jīng)拍光壓實的機(jī)械土制面，到各種物理、化學(xué)防滲材料的應(yīng)用，使徑流收集效率得到很大地提高［10－12］。

火炬樹(Rhus typhina L.)別名鹿角漆，原產(chǎn)美國和加拿大南部，耐旱、耐瘠薄、喜光、幼期生長迅速，是水土保持的優(yōu)良樹種，秋季景觀優(yōu)美、獨特［13］。同時，火炬樹還是生產(chǎn)栲膠的優(yōu)良原料之一;是鞣革的原料;和重要的工業(yè)原料［14－15］。目前對火炬樹苗木的耐旱性、發(fā)育解剖、形態(tài)結(jié)構(gòu)、組織培養(yǎng)、水源涵養(yǎng)功能、傳粉和幼苗幼樹的分布格局、克隆生長和生物量特征、培育技術(shù)等已經(jīng)有了較多的研究［16－22］?；鹁鏄潆m抗旱性強(qiáng)，但在河北片麻巖山地上的幼林生長卻很差，造林5 a 以上的幼林地仍不能郁閉，如何采取集水保墑措施促進(jìn)其生長至關(guān)重要。本研究對火炬樹幼林地采取不同微地形集水保墑措施后的光合因子和生長指標(biāo)的變化進(jìn)行了對比，優(yōu)化形成該樹種在片麻巖山地利用微地形的最優(yōu)集水保墑措施，為火炬樹在華北干旱半干旱地區(qū)的培育提供技術(shù)支撐。

1 試驗地概況

試驗地位于河北省西部太行山中段東麓的平山縣崗南鎮(zhèn)寺家溝村。以丘陵為主，海拔100 ～300 m，坡度大都在4° ～40°。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬春寒冷干燥，秋季涼爽少雨，無霜期140 d。據(jù)平山縣氣象局1960—2004年資料統(tǒng)計，該地區(qū)多年平均降水量500 mm，集中于7—9月份，其余時間多干旱少雨。由于植被稀疏，土層較薄，降水多以地表徑流的形式輸出。最大蒸發(fā)出現(xiàn)在4—6月份，表現(xiàn)出典型的北方嚴(yán)重春旱的特征。試驗區(qū)母巖以片麻巖、花崗巖和頁巖為主;低山土壤分布有山地褐土、粗骨土和石質(zhì)土;丘陵地帶則分布有褐土，局部地段分布有黃土;農(nóng)田土壤為石灰性褐土。試驗地平均土壤密度1.50 g·cm－3、飽和含水量29.41%、田間持水量11.50%。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

于2007年5月下旬對試驗地進(jìn)行了調(diào)研，查清現(xiàn)有人工植被的生長及林分結(jié)構(gòu)情況，根據(jù)現(xiàn)有林地、地形、海拔、坡位、坡向等因素選取了火炬樹作為試驗對象。根據(jù)該地區(qū)地形破碎、裸巖較多的特點，因地制宜采取不同形式翼式魚鱗坑集水保墑技術(shù)，即在將原造林整地時形成的魚鱗坑(多年已經(jīng)破壞)修復(fù)基礎(chǔ)上，在坑的斜上兩側(cè)開翼，翼角45°，平均翼長100 cm，集雨面積為5 m2。微型集水區(qū)表面為自然坡面，均位于立地條件基本一致的同一坡面，坡度為(26±1)°，坡向分別為北偏西40°、南偏西70°。處理前幼樹平均樹高為(1.45±0.31)m，地徑為(5.33±0.63)cm。

2.2 試驗設(shè)計

采用單因子完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置了3 個區(qū)組，每小區(qū)8 ～11 株。在翼式魚鱗坑集水的基礎(chǔ)上，設(shè)置坑內(nèi)保水劑、平茬荊條覆蓋、石子覆蓋等不同保墑措施。利用以上技術(shù)綜合集成來改善林地土壤水分，促進(jìn)林木生長。設(shè)置了翼式魚鱗坑、翼式魚鱗坑+保水劑、翼式魚鱗坑+石子、翼式魚鱗坑+植物覆蓋及對照5 個處理，分別用YY、YY+B、YY+S、YY+Z、CK 表示。

2.3 測定指標(biāo)及方法

①生長調(diào)查 地徑、樹高的調(diào)查采用每木檢尺法逐株測定，記載長勢、枯梢和斷頂?shù)惹闆r，初次測定地徑時起點處用油漆做好標(biāo)記。

②土壤含水量 測定用烘干法，測定時間是降雨后的一個周期里，用取土鉆采集20 cm 處的土壤。

③光合作用 用Li －6400 便攜式光合測定系統(tǒng)在生長季典型條件下，選取苗木中上部位枝條葉片進(jìn)行定時、定位觀測，從8:00 到18:00，每2 h 觀測一次，每處理重復(fù)3 次。

④光響應(yīng)曲線采用Li －6400 便攜式光合測定系統(tǒng)，測定光源選用6400 －02B 紅藍(lán)光源。測定光合響應(yīng)曲線的光合有效輻射(PAR)取值為:2 000、1 800、1 600、1 200、1 000、800、600、500、400、200、100、50、20、0 mol·m－2·s－1。在光合測定前，先用飽和光對植物葉片進(jìn)行30 min 光誘導(dǎo)。用光合助手軟件Photosyn Assist 對光響應(yīng)曲線進(jìn)行模擬計算。Photosyn Assist 原理是利用Prioul 和Chartier［23］建立的非直線雙曲線模型，對葉片凈光合速率(Pn)與光合有效輻射(PAR)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，能直接求出暗呼吸速率(Rd)、表觀光量子效率(Φ)、光響應(yīng)曲角(k)、最大凈光合速率(Pnmax)、光補(bǔ)償點(LCP)、光飽和點(LSP)等參數(shù)值。非直角雙曲線模型理論公式:

2.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)的處理和分析用SPSS 13. 0 和Excel 完成，各處理方法之間在0.05 和0.01 水平上顯著的條件下進(jìn)行LSD 多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 某次降雨后的土壤水分含量變化趨勢

表1所示為2007年8月29日一次13.3 mm 降雨過程后各集水保墑措施土壤水分差異。采取集水保墑措施處理的土壤含水量在降雨后的前、中期比對照顯著增高，在后期，隨著土壤水分下降各處理之間土壤含水量的差異逐漸減小。方差分析表明，距雨后第1 天，所測定的離樹體20 cm 遠(yuǎn)、深20 cm 左右的土壤含水量，YY+B 和CK 有顯著差異，其他各處理之間無明顯差異。YY +B 土壤含水量為11.02%，比CK 提高20.6%。降雨后第4 天，YY +S 和CK 達(dá)到了顯著差異，其他各處理之間差異不顯著。雨后第6天，YY+S、YY +B 和YY +Z 比CK 分別高出20.93%、22.21%和43.19%。到雨后第14 天，對照與其他各處理的土壤含水量相比整體偏小，已無顯著差異?？梢姡琘Y+B 和YY+S 能有效提高土壤的保水能力，其中YY+S 持續(xù)時間較長。

表1 某次降雨后不同集水保墑措施火炬樹樹穴土壤含水量 %

3.2 不同集水保墑措施對火炬樹幼樹生長的影響

由表2可以看出，不同集水保墑措施處理一個生長季后，YY+S 處理的火炬樹幼樹樹高生長量為12.09 cm，極顯著高于YY 和CK，分別比提高1.95倍和3.03 倍。YY+S、YY+Z 處理的地徑生長量分別為0.43、0.40 cm，都顯著高于CK，其中YY+S 處理的地徑生長量比YY 和CK 分別提高86.96%和115.00%，YY + Z 處理的地徑生長量比CK 提高100%。其他各處理與CK 的地徑生長量在0.05 水平上沒達(dá)到顯著差異。用樹高生長量(Δh)與地徑生長量平方(Δd2)的乘積來表征樹體材積生長指標(biāo)(ΔhΔd2)(以下簡稱材積指標(biāo))。YY + S 處理的火炬樹幼樹一個生長季后的材積指標(biāo)與CK 達(dá)到顯著差異，YY + S 的材積指標(biāo)為2. 24 cm3，比對照提高17.67 倍?？傮w看來，YY+S 和YY+Z 處理對火炬樹幼樹生長促進(jìn)效果最大，歸因于石子、灌條覆蓋一定程度上阻止了土壤的無效蒸發(fā)，增加了水分在土壤中留存的時間。

表2 不同集水保墑措施對火炬樹幼樹一個生長季樹高、地徑、材積生長量的影響

3.3 不同集水保墑措施對火炬樹幼樹光合特性的影響

3.3.1 不同集水保墑措施下火炬樹幼樹的光合日進(jìn)程

樹木光合作用直接與生長速度相關(guān)，也最能從根本上解釋在集水保墑措施下樹木生長差別的原因，本研究對比了夏天典型天氣條件下各種處理與對照樹木光合作用日動態(tài)。由2007年7月19日火炬樹幼樹的光合日變化圖(圖1)可以看出，不同集水保墑措施下火炬樹幼樹葉片凈光合速率變化趨勢一致，火炬樹幼樹的光合日變化圖呈雙峰曲線，最高值出現(xiàn)在10:00 和14:00。從全天光合日變化的總體趨勢來看，對照的凈光合速率最低，8:00—14:00是光合高峰期，CK 均顯著低于其他集水保墑處理。10:00 的光合速率明顯分為2 組，最優(yōu)的為所有采取集水、保墑的處理，唯有對照的凈光合速率最低，僅為7.11 μmol·m－2·s－1，YY +Z、YY +B、YY +S、YY 分別為14.77、13.63、12.78、2.73 μmol·m－2·s－1，比CK 提高59.23%、55.84%、52.91%、52.69%。而在12:00“光合午休”期，YY +B 和YY +Z處理的光合表現(xiàn)較優(yōu)，YY+S 次之，YY 和CK 較差。

圖1 不同集水保墑措施對火炬樹幼樹光合速率日變化的影響

由蒸騰速率日變化(圖2)可以看出，各處理的蒸騰的日變化規(guī)律總體上呈現(xiàn)典型單峰形，峰值出現(xiàn)在12:00。此時，采取集水保墑措施的YY+B、YY+Z、YY +S 的蒸騰速率分別為13.10、12.17、11.68 mmol·m－2·s－1，比YY 高出73.74%、61.41%、54.91%，比CK 高出99.39%、85.24%、77.78%。

圖2 不同集水保墑措施對火炬樹幼樹蒸騰速率日變化的影響

葉片水分利用效率(WUE)指單位水量通過葉片蒸騰散失時光合作用所同化的CO2量，為光合速率與蒸騰速率的比值(Pn/Tr)，是水分利用效率的理論值［25］。圖3所示為不同集水保墑措施下水分利用效率的日變化圖，最低值出現(xiàn)在12:00。從全天水分利用效率日變化的總體趨勢來看，YY +S 和CK 可以歸為一組，其他3 種處理歸為一組，8:00時，YY +S 和CK 的水分利用效率最高分別達(dá)到2.27、2.25 μmol·mol－1，極顯著地高于其他3 種處理。隨著時間的推移，10:00 時，YY +S 和CK 的水分利用效率為最低，均顯著低于其他各處理。結(jié)合蒸騰速率日變化(圖2)可以看出，由于土壤水分條件好，YY + S 具有較高的蒸騰速率，但其凈光合速率也高，所以WUE 不高。而CK 的蒸騰速率很低，但它的凈光合速率也小，所以CK 的水分利用效率很低。

圖3 不同集水保墑措施對火炬樹幼樹水分利用效率日變化的影響

3.3.2 不同集水保墑措施下火炬樹的光響應(yīng)曲線

光照強(qiáng)度對植物的光合作用有顯著的影響，不同生態(tài)型植物對光照的響應(yīng)也不相同，其光合速率變化在強(qiáng)光和弱光下均有差異［26］。光響應(yīng)曲線反應(yīng)了植物光合速率隨光照強(qiáng)度改變的變化規(guī)律。隨著光照強(qiáng)度的增加，光合速率明顯增大，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到一定值后，光合速率基本上穩(wěn)定在一定水平，即達(dá)到飽和。從圖4a Pn－PAR 響應(yīng)曲線可知，控制在自然光強(qiáng)范圍內(nèi)，不同集水保墑措施下火炬樹幼樹凈光合速率(Pn)隨著光合有效輻射(PAR)的增加呈上升趨勢。在較低PAR(0 ～400 μmol·m－2·s－1)時，Pn 曲線趨于平緩;當(dāng)PAR 在400 ～600 μmol·m－2·s－1時，Pn 曲線增幅最大;當(dāng)PAR 達(dá)到一定的數(shù)值(1 600 mol·m－2·s－1)時，即達(dá)到火炬樹的光飽和點時，Pn 曲線趨于平緩，出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象。隨著光強(qiáng)的增加(PAR600 ～2 000 μmol·m－2·s－1)，YY +B 及YY+Z 的Pn 顯著高于對照，分別比高出21. 17%和18.99%。Pn 光補(bǔ)償點越小、最大光量子效率越大表明植物利用弱光能力越強(qiáng)，火炬樹的各處理的光補(bǔ)償點基本一致，為198 mol·m－2·s－1，光飽和點都為1 427 mol·m－2·s－1，最大凈光合速率達(dá)到17.7 mol·m－2·s－1，暗呼吸速率為－2.85 mol·m－2·s－1，表觀光量子效率為0.014 4 mol·mol－1?；鹁鏄淙~片的凈光合速率－光響應(yīng)曲線方程為:

光飽和點反映了植物利用強(qiáng)光的能力，越高說明植物在受到強(qiáng)光刺激時不易發(fā)生抑制，植物的耐陽性越強(qiáng)。但不同處理火炬樹光飽和點的光合速率最高為YY+B 處理的16.8 mol·m－2·s－1，對照僅為13.6 mol·m－2·s－1。各處理葉片蒸騰速率(Tr)、水分利用效率(WUE)、水蒸氣的氣孔導(dǎo)度(Cond)均隨著PAR 的增強(qiáng)而提高，這與光合速率隨光強(qiáng)的變化一致(圖4b，c，d)。胞間CO2摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Ci)的變化趨勢卻恰恰相反，在PAR400 ～800 μmol·m－2·s－1時，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)而迅速變小;在PAR500 ～2 000 μmol·m－2·s－1Ci 曲線的變化較為平緩(圖4e)。這是由于Cond 在前期提高的幅度較小，而光合速率不加強(qiáng)使得Ci 急劇下降，CO2供應(yīng)趕不上光合速率的需求所致。從圖4c 可知，WUE 從高到低依次為YY +B、YY+S、YY、YY+Z、CK。

4 結(jié)論與討論

通過對某次降雨后土壤水分含量變化的研究表明，不同集水保墑措施下，YY +B 和YY +S 都能有效提高土壤的保水能力，其中YY + S 持續(xù)時間較長。雨后第6 天，YY +S 比YY +B、YY +Z、CK 分別高出20.93%、22.21%和43.19%。從年終生長來看，不同處理對火炬樹幼樹的生長有顯著影響，其中YY+S 和YY +Z 對幼樹生長改善的效果最大。兩處理的火炬樹幼樹樹高生長量為12.09、8.07 cm，比YY 提高了194. 88%、96. 83%，比對照提高了303%、169%;地徑生長量分別為0.43、0.40 cm，是CK 地徑生長量的2.15、2.00 倍;材積指標(biāo)為2.24、1.29 cm3，是對照的18.67、10.75 倍。通過夏季典型天氣條件下某次光合日進(jìn)程的研究可以看出，YY+Z、YY+B、YY+S 處理幼樹光合能力明顯優(yōu)于YY和CK，3 個處理在光合最高點時(10:00)的凈光合速率分別比CK 提高107.59%、91.66%和79.71%。各處理間火炬樹幼樹的光響應(yīng)曲線趨勢基本一致，光補(bǔ)償點為500 mol·m－2·s－1、光飽和點為1 600 mol·m－2·s－1。隨著光強(qiáng)的增加(600 ～2 000 μmol·m－2·s－1)，YY+B 及YY+Z 的凈光合速率顯著高于對照，分別比對照的Pn 高出21.17%和18.99%。

由于研究地當(dāng)年整體降水不足，片麻巖山地是極為苛刻的造林地和生態(tài)環(huán)境建設(shè)用地，限制了多次研究。從一次降雨后的土壤含水量的變化趨勢、年終樹木生長量、光合速率及光響應(yīng)曲線綜合看來，翼式魚鱗坑+石子覆蓋為該地區(qū)火炬樹幼林地最優(yōu)集水保墑措施。

圖4 不同集水保墑措施下火炬樹幼樹各光合指標(biāo)對不同光合有效輻射(PAR)的響應(yīng)

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