新疆阿勒泰平原荒漠羅布麻種植區(qū)的生態(tài)效益評(píng)價(jià)

平曉燕,林長(zhǎng)存,白宇,劉起棠,盧欣石*

(1.北京林業(yè)大學(xué)草地資源與生態(tài)研究中心, 北京 100083; 2.戈寶綠業(yè)有限公司, 廣東 深圳 518001)

如何合理有效地恢復(fù)和管理退化生態(tài)系統(tǒng)，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是近年來(lái)困擾全球土地管理者和資源保護(hù)者的一個(gè)核心問(wèn)題[1-2]。阿勒泰地區(qū)作為新疆乃至全國(guó)的重點(diǎn)牧區(qū)之一，近年來(lái)由于氣候變暖和人類活動(dòng)的共同影響，已有87%的草地植被發(fā)生了退化[3]。其中，平原荒漠類草地占阿勒泰地區(qū)草地總面積的66%，是該區(qū)主要的冬春季放牧場(chǎng)，該類草地的載畜量水平很低，但卻負(fù)擔(dān)著阿勒泰地區(qū)總載畜量的35%，過(guò)度放牧導(dǎo)致平原荒漠草原的生態(tài)環(huán)境非常脆弱[4-5]。平原荒漠區(qū)由于降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致鹽堿化和風(fēng)蝕現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，近年來(lái)人口的增加促使阿勒泰地區(qū)的家畜數(shù)量急劇上升，放牧利用的季節(jié)不平衡、人類不合理的亂墾和過(guò)度放牧等行為引發(fā)了平原荒漠區(qū)的植被退化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的減弱和荒漠化進(jìn)程加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致草場(chǎng)生產(chǎn)力的下降，牧草品質(zhì)的降低和有毒有害植物的增加，這會(huì)顯著阻礙當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展并引發(fā)生態(tài)環(huán)境的惡性循環(huán)[6-9]。因此，如何合理有效地利用平原荒漠區(qū)的光熱資源優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化植被配置模式，恢復(fù)和增強(qiáng)平原荒漠區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和提高生態(tài)效益成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，但阿勒泰地區(qū)水資源的短缺使得在平原荒漠區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)相比其他區(qū)域要更為困難[1]。

水分是影響干旱區(qū)群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性的最主要因子，水資源的開(kāi)發(fā)利用與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾在新疆地區(qū)顯得尤為突出[10]。人口的劇增使新疆地區(qū)的灌溉綠洲面積從121×104hm2增加到420×104hm2，繼而引發(fā)土地荒漠化、土壤次生鹽堿化和湖泊銳減等一系列環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)的穩(wěn)定性[11]。同時(shí)，氣候變化包括溫度升高和降水格局的改變也嚴(yán)重影響著阿勒泰地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，近50年來(lái)阿勒泰地區(qū)強(qiáng)降水量和降水日數(shù)的增加引起平原荒漠區(qū)水蝕強(qiáng)度的增加[12]。水資源的不合理利用、土壤鹽堿化和植被退化、以及強(qiáng)烈的風(fēng)蝕和水蝕作用，導(dǎo)致阿勒泰地區(qū)的荒漠化進(jìn)程日益加劇[13]。合理規(guī)劃和高效利用阿勒泰地區(qū)的水資源是實(shí)現(xiàn)該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展雙重目標(biāo)的唯一可行方案。

羅布麻(Apocynumvenetum)為夾竹桃科多年生宿根草本植物，在我國(guó)廣泛分布于西北、華北、華東和東北地區(qū)。我國(guó)野生羅布麻的分布面積約為134×104hm2，其中新疆是主要的分布區(qū)(53×104hm2)[14-15]。野生羅布麻具有耐旱、耐寒、耐貧瘠、耐鹽堿和再生性強(qiáng)等特性，在植被難以生長(zhǎng)的鹽堿地和荒漠等惡劣環(huán)境中都具有很好的適應(yīng)性，因此具有很高的生態(tài)價(jià)值，近年來(lái)得到了較多研究者的關(guān)注，并被廣泛用于荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和水土保持[16-17]。眾多研究者從羅布麻的生長(zhǎng)特性、地理分布格局、生態(tài)適應(yīng)性、光合生理特征及其生態(tài)效益等方面開(kāi)展了研究工作[18-20]。阿勒泰地區(qū)面臨水資源匱乏和土壤高度鹽堿化等嚴(yán)酷生境，因此要恢復(fù)平原荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境，必須選擇適宜的物種組成。羅布麻由于較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值成為阿勒泰平原荒漠區(qū)植被恢復(fù)的首選物種，但當(dāng)前很少有研究關(guān)注羅布麻種植區(qū)的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，這將限制我們對(duì)羅布麻種植區(qū)生態(tài)效益的準(zhǔn)確理解。

為此，本研究以新疆阿勒泰地區(qū)的退化平原荒漠為研究對(duì)象，對(duì)比分析了不同年限的羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠在固碳增匯、防風(fēng)固沙和保持水土等方面的生態(tài)效益，為恢復(fù)平原荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境和提高平原荒漠區(qū)的生態(tài)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)位于北緯45°59′35″～49°10′45″，東經(jīng)85°31′57″～91°01′15″，地處新疆北部，阿勒泰山南麓，額爾齊斯河北岸，北與蒙古人民共和國(guó)毗鄰，全區(qū)總面積1180.4萬(wàn)hm2，草地面積985.25萬(wàn)hm2，可利用草地面積724.8萬(wàn)hm2，占新疆草地面積的14.4%。研究區(qū)位于阿勒泰市以西60 km的山前平原，氣候?qū)俦睖貛Т箨懶院錃夂?，春季多風(fēng)，夏季炎熱，秋季涼爽，冬季寒冷漫長(zhǎng)。年平均氣溫4.5℃，年均降水量126.7 mm，年均蒸發(fā)量1739.3 mm，無(wú)霜期155 d左右，年日照時(shí)數(shù)2950.7 h，氣溫年較差和日較差均較大。研究區(qū)終年放牧，草地畜牧業(yè)是研究區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，對(duì)草地資源的依賴性很強(qiáng)，草地類型為平原荒漠類，植被以超旱生的無(wú)葉假木賊(Anabasisaphylla)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa)為優(yōu)勢(shì)種，伴生種包括烏拉爾甘草(Glycyrrhizauralensis)、駱駝蓬(Peganumharmala)、鈉豬毛菜(Salsolanitraria)和乳漿大戟(Euphorbiaesula)等，植被生產(chǎn)力較低，土壤為棕鈣土。

1.2 樣地設(shè)置與樣方調(diào)查

本研究通過(guò)野外調(diào)查取樣法，對(duì)比分析不同年限的羅布麻種植區(qū)與相鄰平原荒漠的群落學(xué)特征與植被和土壤碳儲(chǔ)量，定量評(píng)估羅布麻種植區(qū)在植被恢復(fù)、固碳增匯、防風(fēng)固沙和防止水土流失等方面的生態(tài)效益。

在研究區(qū)內(nèi)由東到西依次設(shè)置2010年羅布麻種植區(qū)、2011年羅布麻種植區(qū)和對(duì)照平原荒漠區(qū)3個(gè)調(diào)查樣地。2010年羅布麻種植樣地的面積為250 km2，2011年羅布麻種植樣地的面積為406 km2，羅布麻種植樣地的株行距為3.0 m×1.5 m。為充分、高效的利用水資源，提高水分利用效率，在2個(gè)羅布麻種植樣地均采用滴灌處理。于2012年9月分別對(duì)3個(gè)樣地進(jìn)行取樣和調(diào)查，在每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)4 m×4 m的灌木調(diào)查樣方，在每個(gè)灌木調(diào)查樣方內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的草本樣方，分別進(jìn)行群落學(xué)調(diào)查，記錄樣方的立地條件、經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向和坡位等信息。

1) 植被群落調(diào)查

在2010年羅布麻種植樣地、2011年羅布麻種植樣地和對(duì)照平原荒漠樣地內(nèi)，開(kāi)展植被群落調(diào)查。首先，測(cè)定樣方內(nèi)所有羅布麻植株的株高和密度，其次，在樣方內(nèi)沿對(duì)角線方向每隔50 cm測(cè)定植株的高度和蓋度，每個(gè)樣方測(cè)定30次，取其平均值后得到群落高度和群落蓋度。

2) 生物量取樣

在2010和2011年羅布麻種植樣地的每個(gè)樣方內(nèi)各選擇3株羅布麻，利用收獲法測(cè)定羅布麻植株的地上生物量，利用土柱法(0.5 m×0.5 m×0.7 m)測(cè)定羅布麻植株的根系生物量，平均得到羅布麻的單株地上和根系生物量，結(jié)合密度可以得到單位面積羅布麻的生物量，每個(gè)樣地3次重復(fù)。在2010、2011年羅布麻種植樣地和對(duì)照平原荒漠內(nèi)利用收獲法和土柱法(1.0 m×1.0 m×0.4 m，分為3層)測(cè)定草本群落的地上和根系生物量，每個(gè)樣地3次重復(fù)。所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室于65℃烘箱中烘干48 h至恒重后，測(cè)定其干重。

3) 土壤碳儲(chǔ)量測(cè)定

生物量取樣結(jié)束后，在2010和2011年羅布麻種植樣方與對(duì)照平原荒漠樣方的根系周圍挖掘土壤剖面，隨機(jī)布點(diǎn)采集土壤混合樣。羅布麻樣地土壤的取樣深度為60 cm，分為4層(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)；對(duì)照平原荒漠樣地土樣的取樣深度為40 cm，分為3層(0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定土壤結(jié)構(gòu)組成、土壤容重(環(huán)刀法)和土壤有機(jī)質(zhì)(K2CrO7外加熱法)含量，每個(gè)處理3次重復(fù)。

4) 光合生理特征測(cè)定

選擇晴天無(wú)云的上午(北京時(shí)間：11:00-14:00)，利用LI-6400便攜式光合儀(美國(guó)，LI-COR公司制造)，對(duì)比測(cè)定羅布麻植株和對(duì)照平原荒漠優(yōu)勢(shì)種無(wú)葉假木賊的凈光合速率(Pn，μmol CO2/m2·s)，蒸騰速率(Tr，mmol H2O/m2·s)，光合有效輻射(PAR，μmol/m2·s)，胞間CO2濃度(Ci， μmol CO2/mol)，氣孔導(dǎo)度(Gs，mol H2O/m2·s)和水分利用效率(WUE，μmol CO2/mmol H2O)等光合生理指標(biāo)。測(cè)定時(shí)選擇長(zhǎng)勢(shì)相近的健康植株的向陽(yáng)葉片，每個(gè)樣地各測(cè)定5株植物。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1) 碳儲(chǔ)量

羅布麻種植區(qū)和對(duì)照平原荒漠生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量主要儲(chǔ)存于植被和土壤中，植被碳儲(chǔ)量又包括地上和地下(根系)組分。

其中，植被碳儲(chǔ)量通過(guò)以下公式計(jì)算：

Cb=αM

(1)

式中，Cb為植被碳密度(g C/m2)；α為植被生物量的含碳量，羅布麻和平原荒漠植被均取值0.43[21]；M為植被生物量(地上和根系生物量, g/m2)。

土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)算依據(jù)以下公式：

Cs=100∑(Di×di×Oi)×0.58

(2)

式中，Cs為土壤碳密度(g C/m2)；Di為土層深度(cm)；di為土壤容重(g/cm3)；Oi為土壤有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)；0.58為土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換為土壤有機(jī)碳的系數(shù)。

2) 抗風(fēng)蝕能力

為分析羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的抗風(fēng)蝕能力，本研究采用風(fēng)蝕模數(shù)來(lái)表征植被蓋度和地表粗糙度對(duì)土壤風(fēng)蝕的抵抗能力，風(fēng)蝕模數(shù)的計(jì)算參照第一次全國(guó)水利普查水土流失普查技術(shù)細(xì)則(草、灌, 2010)：

(3)

式中，Qfg為草、灌地的風(fēng)蝕模數(shù)(t/hm2·a)；W為表土濕度因子(%)；Tj為一年內(nèi)風(fēng)蝕發(fā)生期間各風(fēng)速等級(jí)的累計(jì)時(shí)間(min);V為植被蓋度(%)；A為風(fēng)速修訂系數(shù)，無(wú)量綱；Uj為風(fēng)力因子，無(wú)量綱；a2、b2和c2是與土壤類型相關(guān)的常數(shù)，分別取值2.4869, -0.0014和-54.9472。

3) 抗水蝕能力

本研究通過(guò)土壤可蝕性系數(shù)(K值)來(lái)比較羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的抗水蝕能力。該指標(biāo)是評(píng)價(jià)土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。美國(guó)通用流失方程(USLE)中對(duì)K值的計(jì)算依據(jù)以下公式：

K=[2.1×10-4M1.14(12-OM)+3.25(S-2)+2.5(P-3)]/100

(4)

式中，K為土壤可蝕性系數(shù)，M為土壤顆粒組成系數(shù)，計(jì)算公式為M=N1(100-N2) 或者M(jìn)=N1(N3+N4)；N1為粒徑在0.002～0.1 mm之間的土壤顆粒含量的百分比；N2為粒徑小于0.002 mm的土壤粘粒含量的百分比；N3為粒徑在0.002～0.05 mm之間的土壤粉砂含量的百分比；N4為粒徑在0.05～2 mm 的土壤顆粒含量的百分比；OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)；S為土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)，查表獲??；P為土壤滲透性等級(jí)，查表獲取。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用SPSS 15.0軟件對(duì)2010和2011年羅布麻種植樣地和對(duì)照平原荒漠樣地的群落高度和群落蓋度、碳儲(chǔ)量、光合生理特性、抗風(fēng)蝕和水蝕能力等數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差齊次性檢驗(yàn)、單因素方差分析和多重比較，對(duì)比分析羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠區(qū)的生態(tài)效益。

2 結(jié)果與分析

2.1 羅布麻種植區(qū)與對(duì)照平原荒漠的光合生理特性比較

2011和2010年羅布麻種植樣地相比對(duì)照平原荒漠的優(yōu)勢(shì)植物無(wú)葉假木賊顯著提高了植被的凈光合速率，雖然蒸騰速率也顯著增加，但凈光合速率的增加幅度要高于蒸騰速率(圖1)，從而導(dǎo)致2011和2010年羅布麻種植樣地的水分利用效率相比對(duì)照平原荒漠分別提高了60%和35%，差異顯著(F2,119=38.6,P<0.001)(圖1和圖2)。相比對(duì)照平原荒漠，2011和2010年羅布麻種植樣地的葉片相對(duì)濕度分別提高了160%和50%，表明種植羅布麻后顯著改善了樣地周圍的微氣候(F2,119=5047.2,P<0.001)(圖2)。

圖1 2010和2011年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的凈光合速率和蒸騰速率Fig.1 Comparisons of net photosynthesis rate (Pn) and transpiration rate (Tr) among plain desert (A. aphylla), A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011 圖中不同字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05),下同。Values with different letters mean significant difference (P<0.05) among different plots, the same as below.

圖2 2010和2011年羅布麻種植區(qū)相比平原荒漠的水分利用效率和葉片相對(duì)濕度Fig.2 Comparisons of water use efficiency (WUE) and leaf relative humility (RH) among plain desert (A. aphylla), A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2 羅布麻種植區(qū)與對(duì)照平原荒漠的固碳增匯功能比較

圖3 2010年和2011年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的草本層和群落生物量Fig.3 Comparisons of herbaceous and community biomass among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2.1羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的植被碳儲(chǔ)量 在平原荒漠區(qū)種植羅布麻，構(gòu)建灌草復(fù)合系統(tǒng)，不僅顯著提高了群落生物量，也顯著增加了草本層生物量(圖3)。2010和2011年羅布麻種植樣地的草本層生物量分別為373.62和662.56 g/m2，相比對(duì)照平原荒漠(164.99 g/m2)分別增加了126%和301%(F2,6=11.83,P=0.008)；群落總生物量分別為728.92和932.08 g/m2，比對(duì)照平原荒漠(164.99 g/m2)分別增加了340%和460%(F2,6=61.01,P<0.001)，差異均達(dá)到極顯著水平。對(duì)照平原荒漠、2010和2011年羅布麻種植區(qū)的植被碳儲(chǔ)量分別為82.49，364.46和466.04 g C/m2(圖4)。

圖4 2010和2011年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的植被碳密度Fig.4 Comparison of plant carbon densities among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2.2羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量 2010年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠顯著增加了表層土壤(0～20 cm)的有機(jī)碳含量(F2,6=24.18,P=0.001)，增加幅度達(dá)到了31%。2010和2011年羅布麻種植樣地的土壤有機(jī)碳總量與對(duì)照相比無(wú)顯著差異。隨種植年限的增加，羅布麻樣地土壤有機(jī)碳的輸入量也隨之增加，包括地上凋落物輸入量和地下根系輸入量。從而導(dǎo)致2010年羅布麻種植樣地的表層土壤有機(jī)碳含量顯著高于2011年羅布麻樣地和對(duì)照平原荒漠(表1)。

表1 2010和2011年羅布麻種植樣地相比對(duì)照平原荒漠的土壤有機(jī)碳密度Table 1 Soil organic carbon density (SOCD) of plain desert and A. venetum planted in 2010 and 2011 g C/m2

注： 表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3)，同行數(shù)值后面不同的字母表示不同樣地差異顯著(P<0.05)。

Note： Values are means±SE of three replicates (n=3), and values within the same row with different letters mean significant difference (P<0.05) among different plots.

2.2.3羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的總碳儲(chǔ)量 相比對(duì)照平原荒漠，種植羅布麻后能顯著增加生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。2010和2011年羅布麻種植樣地的總碳儲(chǔ)量(1789和1780 g C/m2)相比對(duì)照平原荒漠(1452 g C/m2)分別增加了23.21%和21.56%，差異顯著(圖5)。 這主要?dú)w結(jié)于種植羅布麻后群落和草本層植被碳儲(chǔ)量的增加，土壤碳儲(chǔ)量的增加效果不明顯。

圖5 2010和2011年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的總碳儲(chǔ)量Fig.5 Comparison of total carbon storage among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.3 羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的防風(fēng)固沙效益

羅布麻植株的空間構(gòu)型為叢生型灌木，具有分枝多、根系發(fā)達(dá)、繁殖力強(qiáng)等特點(diǎn)，相比對(duì)照平原荒漠，羅布麻種植區(qū)具有更強(qiáng)的防風(fēng)固沙能力。羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠顯著提高了群落高度和群落蓋度，2010和2011年羅布麻種植區(qū)的群落高度比對(duì)照平原荒漠分別增加了300%和410%，群落蓋度分別增加了180%和300%，差異均達(dá)到顯著水平(群落高度：F2,6=8.98,P=0.02；群落蓋度：F2,6=28.98,P=0.001，圖6)。

2.3.1抗風(fēng)蝕能力 2010和2011年羅布麻種植樣地的土壤風(fēng)蝕模數(shù)(37.65,14.58 t/hm2·a)相比對(duì)照平原荒漠(129.23 t/hm2·a)分別降低了70.87%和88.72%，差異顯著(F2,6=9.26,P=0.02，圖7)。風(fēng)蝕模數(shù)與植被蓋度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。其中，2010和2011年羅布麻種植樣地的群落蓋度都達(dá)到了55%以上，對(duì)照平原荒漠的群落蓋度僅為20%。人工種植羅布麻后，在平原荒漠區(qū)構(gòu)建了布局合理的灌草復(fù)合系統(tǒng)，使群落的冠層分布更加合理，覆蓋度更高，更能有效抵抗風(fēng)力侵蝕，這會(huì)有利于改善平原荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境并促進(jìn)植被恢復(fù)。

圖6 2010和2011年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的群落高度和群落蓋度Fig.6 Comparisons of community height and community coverage among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.3.2抗水蝕能力 2010和2011年羅布麻種植樣地的土壤可蝕性K值(0.25和0.23)相比對(duì)照平原荒漠(0.29)分別降低了13.50%和18.33%(圖8)。研究區(qū)2010和2011年羅布麻種植樣地的植被蓋度分別為56.62%和61.21%，地面坡度均不超過(guò)5°。當(dāng)灌草叢植被蓋度大于60%時(shí)，即使坡度達(dá)到40°也能有效防止土壤侵蝕[22]。因此，通過(guò)人工種植羅布麻，構(gòu)建布局合理的灌草復(fù)合系統(tǒng)，能顯著增加平原荒漠區(qū)的抗水蝕能力，有效控制水土流失。

種植羅布麻后研究區(qū)的抗風(fēng)蝕和水土流失的能力均有了很大程度的提高，其中，羅布麻灌草復(fù)合系統(tǒng)對(duì)風(fēng)蝕的攔截效率要高于水蝕。2011年羅布麻種植區(qū)的群落高度和群落蓋度均高于2010年，導(dǎo)致2011年羅布麻灌草復(fù)合系統(tǒng)的抗風(fēng)蝕和水蝕能力要更加突出。

圖7 2010和2011年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的風(fēng)蝕模數(shù)Fig.7 Comparison of wind erosion modulus among plain desert community, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

圖8 2010和2011年羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠的土壤水蝕系數(shù)Fig.8 Comparison of soil water erosion value among plain desert community, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

3 討論

羅布麻植株相比對(duì)照平原荒漠的無(wú)葉假木賊和鹽地堿蓬具有更高的光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)，能更好的適應(yīng)研究區(qū)的強(qiáng)光照環(huán)境[23]，張永霞等[19]研究表明一年生大田羅布麻葉片的凈光合速率為11.28 μmol/(m2·s)，水分利用效率為3.75 μmol CO2/mmol H2O。研究區(qū)2010和2011年羅布麻種植區(qū)葉片的凈光合速率分別為4.75和5.79 μmol/(m2·s)，水分利用效率分別為2.61和3.27 μmol CO2/mmol H2O，由于測(cè)定期接近生長(zhǎng)季末，同時(shí)研究區(qū)的生境較為嚴(yán)酷，導(dǎo)致羅布麻的凈光合速率沒(méi)有達(dá)到大田水平，但水分利用效率卻與大田相當(dāng)。以上結(jié)果表明羅布麻植株相比平原荒漠區(qū)的原生植被，能在充分利用強(qiáng)光照、提高植被凈光合速率的同時(shí)，提高植株的水分利用效率，在研究區(qū)具有很好的適應(yīng)性和生態(tài)效益。研究區(qū)所屬的平原荒漠具有氣候惡劣、植被蓋度和生產(chǎn)力低、土壤肥力差等特點(diǎn)。并且，研究區(qū)常年作為冷季型放牧場(chǎng)，放牧?xí)r間長(zhǎng)、利用強(qiáng)度大，草地植被遭到嚴(yán)重的破壞，這些因素導(dǎo)致了研究區(qū)域的荒漠化進(jìn)程進(jìn)一步加劇。同時(shí)，研究區(qū)地表的鹽堿化程度隨地下水位的抬升逐漸加劇，進(jìn)而形成鹽漬化荒漠[8]。土壤鹽堿化程度非常高，pH值達(dá)到了9.0以上，且3個(gè)樣地的電導(dǎo)率均低于1.5 ms/cm，表明土壤堿性較強(qiáng)。而羅布麻植株對(duì)堿性土壤具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此在研究區(qū)種植羅布麻灌叢，構(gòu)建結(jié)構(gòu)良好的灌草復(fù)合系統(tǒng)，能很好地促進(jìn)平原荒漠區(qū)的植被恢復(fù)和改善平原荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

自工業(yè)革命以來(lái)，CO2等溫室氣體排放的增加引起全球變暖和降水格局的改變已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。因此，如何減緩溫室氣體特別是CO2的排放和降低大氣中溫室氣體含量是當(dāng)前政府和研究者所致力解決的問(wèn)題[24-25]。其中，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的固碳潛力近年來(lái)引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)特別是林草復(fù)合系統(tǒng)被認(rèn)為是減緩CO2排放的一種最適宜的土地管理措施[26]。研究區(qū)種植羅布麻后，羅布麻灌叢與相鄰草本植物構(gòu)成了結(jié)構(gòu)合理，配置良好的灌草復(fù)合系統(tǒng)，灌草復(fù)合系統(tǒng)相比對(duì)照平原荒漠能分級(jí)多層次地利用光照、水分和養(yǎng)分資源，較大程度地提高系統(tǒng)的光能利用率和生產(chǎn)力，進(jìn)而提高系統(tǒng)的固碳潛力[27]。生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯功能的增加也會(huì)帶來(lái)其他生態(tài)效益，如改善區(qū)域環(huán)境，增加生物多樣性和改良退化土壤等[28]。林草復(fù)合系統(tǒng)的固碳潛力會(huì)受氣候條件、樣地年齡、物種組成、林木密度、土壤特性和管理措施等諸多因素的影響。其中，物種組成會(huì)通過(guò)改變木本和草本植物的生長(zhǎng)速度、凋落物的產(chǎn)量和質(zhì)量來(lái)影響林草復(fù)合系統(tǒng)的固碳潛力。因此，要提高林草復(fù)合系統(tǒng)的固碳潛力，就必須充分考慮研究區(qū)的自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況，針對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，選擇適宜的物種組成[29]。羅布麻植株能較好地適應(yīng)研究區(qū)的鹽堿化、干旱和貧瘠的生長(zhǎng)環(huán)境[17]；同時(shí)，較高的莖稈纖維含量和葉片榭皮素含量也使其具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，在新疆阿勒泰平原荒漠區(qū)種植羅布麻植株，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏目標(biāo)，是促使該區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的良好途徑。

新疆平原荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境非常脆弱，不合理的人類活動(dòng)也進(jìn)一步導(dǎo)致草原的退化和沙化[30]。因此，如何合理有效地控制和治理研究區(qū)的荒漠化進(jìn)程成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。植物措施是防風(fēng)固沙和治理荒漠化的基本方法之一[31]，其中，物種的選擇是沙漠化治理的關(guān)鍵。羅布麻種植區(qū)相比對(duì)照平原荒漠對(duì)風(fēng)蝕和水蝕的抵抗能力主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，羅布麻種植區(qū)的植被蓋度要顯著高于對(duì)照平原荒漠，加強(qiáng)植被覆蓋是減少風(fēng)蝕和水土流失的有效措施，植被覆蓋對(duì)風(fēng)蝕地表的保護(hù)效應(yīng)隨植被蓋度的增加而加強(qiáng)[32]。實(shí)驗(yàn)區(qū)種植羅布麻后顯著增加了冠層高度和群落蓋度，提高了地表粗糙度，增強(qiáng)了風(fēng)蝕抵抗能力。其次，相比平原荒漠的草本植物根系，羅布麻灌叢較深的植物根系能顯著提高土壤的團(tuán)聚體數(shù)量，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)研究區(qū)土壤的抗水蝕能力[33]。

4 結(jié)論

在阿勒泰平原荒漠區(qū)種植羅布麻灌叢，能顯著改善研究區(qū)的群落高度和群落蓋度，形成布局合理、結(jié)構(gòu)完善的灌草復(fù)合系統(tǒng)，群落高度和蓋度的增加能顯著提高系統(tǒng)的抗風(fēng)沙能力。羅布麻植株相比平原荒漠的優(yōu)勢(shì)植物無(wú)葉假木賊和鹽地堿蓬具有更為發(fā)達(dá)的植物根系，能更好地吸收深層土壤水分；同時(shí)，羅布麻根系對(duì)土壤的固著作用和對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善會(huì)提高系統(tǒng)的抗水蝕能力。種植羅布麻后也顯著提高了平原荒漠區(qū)的植被生產(chǎn)力，其中草本層的生產(chǎn)力也得到了很大程度的提高，進(jìn)而提高了研究區(qū)的固碳潛力。本研究結(jié)果表明在阿勒泰平原荒漠區(qū)種植羅布麻，具有很好的生態(tài)和社會(huì)效益，能在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，提高當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)水平，是促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。