土壤增溫對(duì)高寒凍土層地區(qū)青楊生長(zhǎng)的影響

鄭娜++司劍華++喬建華

摘要：為了提高青楊在高海拔凍土層地區(qū)的生長(zhǎng)量，采用陶瓷太陽(yáng)能集熱技術(shù)人工增加土壤溫度，研究不同土壤溫度對(duì)青楊生長(zhǎng)的影響。分別設(shè)置2.0、3.0、4.0、5.0 ℃增溫梯度，對(duì)4個(gè)處理組青楊根系處的土壤進(jìn)行增溫處理，測(cè)定青楊新生枝粗度、新生枝長(zhǎng)度、胸徑、樹(shù)高，對(duì)比得出適宜青楊生長(zhǎng)的土壤增溫范圍。結(jié)果表明：土壤增溫4.0 ℃時(shí)，青楊的新生枝粗度增長(zhǎng)量、新生枝長(zhǎng)度增長(zhǎng)量、胸徑增長(zhǎng)率均達(dá)到最大，分別為14.56 mm、22.91 mm、38.83%；增溫3.0 ℃時(shí)，青楊樹(shù)高增長(zhǎng)率達(dá)到最大值，為25.79%；青楊根系基本土壤溫度增加3.0～4.0 ℃時(shí)，最有利于青楊的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：高寒凍土層；土壤溫度；青楊；生長(zhǎng)量

中圖分類(lèi)號(hào)： S792.113.05文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0234-04

青海省天峻縣地處青藏高原東北端的祁連山中段南部地區(qū)，全縣最高海拔5 826 m，最低海拔2 850 m，縣城新源鎮(zhèn)試驗(yàn)地海拔3 406 m，氣候寒冷，全年無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。近50年內(nèi)，天峻縣的年均氣溫呈上升趨勢(shì)，最高值為1 ℃[1]；天峻縣屬大陸性高原氣候，寒長(zhǎng)暑短，四季不分明，日溫差大，多風(fēng)少雨，蒸發(fā)量大。天峻縣年均大風(fēng)天數(shù)為97 d，年均沙塵暴天數(shù)為5.4 d，年均降水量344.7 mm，縣內(nèi)東部海拔4 000 m以上地區(qū)，年降水量一般在400～500 mm，縣境內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)年降水量都在300 mm左右[2]。

青楊（Populus cathayana）屬楊柳科楊屬，落葉喬木，在青海省的分布范圍十分廣泛，具有較強(qiáng)的抗旱性、抗寒性和耐瘠薄能力，屬于造林速生樹(shù)種。青楊干形通直，樹(shù)冠為闊卵形，是十分理想的城市綠化樹(shù)種[3]。青海省大部分地區(qū)高寒、高旱，適宜生長(zhǎng)的樹(shù)種較少，再加上大氣溫度低，土壤凍土層深度較厚，不利于樹(shù)種根系的生長(zhǎng)，因此，土壤溫度成了制約樹(shù)木成活率的主要因素。凍土層深厚使得土壤溫度和大氣溫度無(wú)法共同促進(jìn)青楊的生長(zhǎng)發(fā)育。喬木樹(shù)種在大氣溫度為5～10 ℃下開(kāi)始生長(zhǎng)，在25～30 ℃下生長(zhǎng)最快，而天峻縣的年平均氣溫最高不過(guò)1 ℃左右，嚴(yán)重阻礙青楊的生長(zhǎng)；并且凍土?xí)r間長(zhǎng)、凍土層深厚使青楊在“三江源”地區(qū)扎根不深，生長(zhǎng)極其困難[4-5]。除此之外，春季大氣溫度開(kāi)始回升，青楊地上部分開(kāi)始發(fā)芽生長(zhǎng)，但天峻縣春季大風(fēng)日較多，青楊地上部分水分的蒸發(fā)量增大，凍土層深厚使得根系處的土壤溫度較低，回升速度緩慢，使得青楊根系無(wú)法進(jìn)行水分吸收，致使青楊失水死亡；根系處土壤溫度過(guò)低也使得青楊全年的生長(zhǎng)量減小，青楊的木質(zhì)化程度降低，從而導(dǎo)致青楊在天峻縣高寒凍土層上的成活率較低。

本試驗(yàn)首次在高寒凍土層地區(qū)采用陶瓷太陽(yáng)能集熱技術(shù)，利用集熱板吸收陽(yáng)光的熱量，以金屬導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)熱量，用土壤作為儲(chǔ)能介質(zhì)，構(gòu)成增溫保溫集成系統(tǒng)，其特點(diǎn)是低成本、無(wú)污染，配套設(shè)備一次投入，可多年連續(xù)使用；在低溫環(huán)境下可形成大片區(qū)域的適溫微環(huán)境，保障樹(shù)木順利越冬、快速生長(zhǎng)。以青海的鄉(xiāng)土樹(shù)種青楊為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定不同土壤溫度條件下青楊的生長(zhǎng)情況，探究出適宜青楊生長(zhǎng)的土壤增溫范圍，以期提高天峻縣的城鄉(xiāng)綠化樹(shù)種成活率和存活率，為高寒凍土層地區(qū)造林技術(shù)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于距新源鎮(zhèn)25 km處，地勢(shì)平坦，交通便利，海拔3 400 m，年均降水量為300 mm；試驗(yàn)地土質(zhì)為沙質(zhì)壤土，pH值在8.4左右，土壤含水量較高。

1.2試驗(yàn)材料

青楊植株：5年生樹(shù)況接近、無(wú)病蟲(chóng)害的青楊，株行距1.0 m ×1.0 m。

增溫設(shè)施：青海萬(wàn)通新能源技術(shù)開(kāi)發(fā)股份有限公司提供的陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)儀器：60 cm土壤探針溫度計(jì)，游標(biāo)卡尺，米尺，線繩，塔尺，圍尺。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)設(shè)定4個(gè)不同的土壤增溫處理區(qū)域，分別增溫2.0、3.0、4.0、5.0 ℃（誤差±0.1 ℃），用S1、S2、S3、S4標(biāo)記，設(shè)立對(duì)照組，用CK標(biāo)記；確保青楊生長(zhǎng)期內(nèi)每個(gè)區(qū)域的撫育管理一致，每個(gè)區(qū)域中隨機(jī)選定10株青楊（編號(hào)為1～10號(hào)），每月定期測(cè)定每株青楊的新生枝粗度、新生枝長(zhǎng)度、樹(shù)高和胸徑的增長(zhǎng)量。

1.4指標(biāo)測(cè)定

在2014年6—10月的每月1日，對(duì)不同土壤增溫處理組中選定的每株青楊進(jìn)行生長(zhǎng)量的測(cè)定。利用游標(biāo)卡尺測(cè)定新生枝粗度的變化；利用線繩和米尺測(cè)量新生枝長(zhǎng)度的變化；利用塔尺測(cè)量樹(shù)高；利用圍尺在樹(shù)高1.3 m處測(cè)量胸徑，并記錄數(shù)據(jù)。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，計(jì)算青楊各個(gè)生長(zhǎng)量的增長(zhǎng)率，利用SAS 9.1統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1不同土壤增溫處理對(duì)青楊新生枝的影響

2.1.1不同土壤增溫處理對(duì)青楊新生枝條數(shù)的影響于9月1日測(cè)定5個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)青楊標(biāo)記株的新生枝條數(shù)，然后對(duì)青楊新生枝條數(shù)變化量的平均值進(jìn)行對(duì)比、分析（表1）。

由表1分析可知，不同土壤增溫處理組新生枝條平均數(shù)都多于對(duì)照組，S2處理組新生枝條平均數(shù)達(dá)到最大值11.0，依次為S2> S3> S1> S4> CK，由此可見(jiàn)，土壤增溫處理確實(shí)有利于促進(jìn)青楊發(fā)出新生枝條；每個(gè)處理組中，青楊的新生枝條個(gè)數(shù)差異較大，造成組間差異不顯著。

2.1.2同土壤增溫處理對(duì)青楊新生枝粗度的影響每株青楊上標(biāo)記3個(gè)枝條，于每月1日測(cè)定5個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)每株青楊新生枝的粗度，粗度測(cè)量的位置為同一新生枝基部3 cm處，然后對(duì)青楊新生枝粗度變化量的平均值進(jìn)行對(duì)比、分析（表2）。

由表2分析可知，每個(gè)月份不同土壤增溫處理下新生枝粗度的增長(zhǎng)量都高于對(duì)照組，并且每個(gè)月份S3處理下新生枝粗度的增長(zhǎng)量都高于其他處理組，依次為：S3>S2>S4>S1>CK；所有處理組當(dāng)中，新生枝粗度的增長(zhǎng)量從6月份到7月份呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在7月份達(dá)到最大值，7月份到9月份呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于天峻縣大氣溫度在7、8月份達(dá)到最大值，土壤增溫處理和大氣溫度共同促進(jìn)了青楊的生長(zhǎng)發(fā)育；從總增長(zhǎng)量上來(lái)看，4個(gè)不同增溫處理下新生枝粗度的增長(zhǎng)量都顯著高于對(duì)照組（P<0.05），S3處理下新生枝粗度顯著高于S2和S4（P<0.05），達(dá)到14.56%，S2和S4處理下新生枝粗度差異不顯著，但顯著高于S1（P<0.05）。由此可見(jiàn)，土壤增溫4 ℃時(shí)，最有利于青楊新生枝粗度的增長(zhǎng)。

2.1.3不同土壤增溫處理對(duì)青楊新生枝長(zhǎng)度的影響每株青楊上標(biāo)記3個(gè)枝條，于每月1日測(cè)定5個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)青楊新生枝長(zhǎng)度，利用線繩測(cè)量出青楊新生枝的長(zhǎng)度，然后在用米尺量出線繩的長(zhǎng)度，得出青楊新生枝的長(zhǎng)度，計(jì)算得出平均值，然后對(duì)青楊新生枝長(zhǎng)度變化量的平均值進(jìn)行對(duì)比、分析（表3）。

由表3分析可知，土壤增溫對(duì)青楊新生枝長(zhǎng)度的增長(zhǎng)影響十分明顯，不同土壤增溫處理組新生枝的總長(zhǎng)度均比對(duì)照組有顯著提高。所有處理組當(dāng)中，新生枝長(zhǎng)度的增長(zhǎng)量在7月份達(dá)到最大值。從總增長(zhǎng)量上來(lái)看，4個(gè)不同增溫處理下新生枝長(zhǎng)度的增長(zhǎng)量都顯著高于對(duì)照組（P<0.05），S2、S3處理下新生枝長(zhǎng)度顯著高于S1和S4（P<0.05），S2和S3、S1和S4處理下新生枝長(zhǎng)度差異均不顯著。由此可見(jiàn)，土壤增溫3 ℃或4 ℃時(shí)，最有利于青楊新生枝長(zhǎng)度的增長(zhǎng)。

2.2不同土壤增溫處理對(duì)青楊樹(shù)高的影響

在5個(gè)試驗(yàn)區(qū)中，于6月、9月分別對(duì)每個(gè)試驗(yàn)區(qū)中選定的青楊樹(shù)高進(jìn)行測(cè)量，利用塔尺測(cè)量樹(shù)高，計(jì)算出每個(gè)區(qū)域內(nèi)樹(shù)高的平均值（表4）。

2.3不同土壤增溫處理對(duì)青楊胸徑的影響

在5個(gè)試驗(yàn)區(qū)中，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)區(qū)中的每株青楊胸徑進(jìn)行由表6可見(jiàn)，S3處理中平均胸徑均大于其他處理組，為4.29 cm，平均胸徑依次為S3>S2>S1>S4>CK。不同土壤增溫處理組的青楊胸徑均顯著高于對(duì)照組（P<005）；S2、S3處理組胸徑顯著高于S1（P<0.05），但S2、S3間差異性不顯著；S1處理組胸徑顯著高于S4（P<0.05）。由此可見(jiàn)，土壤增溫3 ℃或4 ℃時(shí)，青楊胸徑增長(zhǎng)最為明顯。

由表7可見(jiàn)，各個(gè)不同土壤增溫處理組青楊胸徑增長(zhǎng)率均顯著高于對(duì)照組（P<0.05）；S2、S3處理中青楊胸徑生長(zhǎng)量較為明顯，6月到9月青楊平均胸徑分別增加了1.14、1.20 cm， 其增長(zhǎng)率顯著大于其他3個(gè)試驗(yàn)區(qū)域（P<0.05），增長(zhǎng)率分別為37.13%、38.83%，兩者之間差異不顯著；S1處理組青楊的胸徑的增長(zhǎng)率顯著高于S4，增長(zhǎng)率分別為3168%、2733%；在對(duì)照組中青楊胸徑生長(zhǎng)最緩慢，平均增長(zhǎng)0.70 cm，增長(zhǎng)率為23.26%。由此可見(jiàn)，土壤增溫3 ℃或4 ℃時(shí)，青楊胸徑增長(zhǎng)率達(dá)到最大值。

3結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

（1）青楊根系處的土壤經(jīng)過(guò)不同程度的增溫處理后，青楊的新生枝粗度、新生枝長(zhǎng)度、樹(shù)高、胸徑各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)相對(duì)于對(duì)照組均有明顯的提高。

（2）不同土壤增溫處理對(duì)青楊新生枝影響的研究表明：土壤增溫4 ℃時(shí)，最有利于青楊新生枝粗度的增長(zhǎng)，總增長(zhǎng)量達(dá)到14.56 mm，優(yōu)于增溫3 ℃、增溫5 ℃和增溫2 ℃的處理，更優(yōu)于對(duì)照組的處理，比對(duì)照組總增長(zhǎng)量高出5.28 mm；土壤增溫4 ℃或3 ℃時(shí)最有利于青楊新生枝長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，分別達(dá)到22.91、22.64 mm，優(yōu)于增溫2 ℃和增溫5 ℃的處理，更優(yōu)于對(duì)照組的處理，比對(duì)照組總增長(zhǎng)量高出5.44 mm。

（3）不同土壤增溫處理對(duì)青楊樹(shù)高影響的研究表明：土壤增溫3 ℃或4 ℃時(shí)最有利于青楊樹(shù)高的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率分別達(dá)到25.79%、24.55%，優(yōu)于增溫5 ℃和增溫2 ℃的處理，更優(yōu)于對(duì)照組的處理，增長(zhǎng)率比對(duì)照組增長(zhǎng)率高出5.53%。

（4）不同土壤增溫處理對(duì)青楊胸徑影響的研究表明：土壤增溫4 ℃或3 ℃時(shí)最有利于青楊胸徑的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率分別達(dá)到38.83%、37.13%，優(yōu)于增溫2 ℃和增溫5 ℃的處理，更優(yōu)于對(duì)照組的處理，增長(zhǎng)率比對(duì)照組增長(zhǎng)率高出15.57、1387百分點(diǎn)。

（5）綜合各項(xiàng)指標(biāo)，土壤增溫4 ℃時(shí)最有利于青楊的生長(zhǎng)；且在大氣溫度最高的7月、8月，土壤增溫和大氣溫度相結(jié)合，使得青楊各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)的增長(zhǎng)量達(dá)到最大值。

3.2討論

影響青楊生長(zhǎng)量的主要因素包括氣候、生境、土壤等方面[6-8]。光、熱、水、肥4個(gè)土壤生態(tài)因子對(duì)青楊生長(zhǎng)的影響程度亦有差異，各生態(tài)因子對(duì)青楊生長(zhǎng)的影響程度依次為土壤水分、土壤肥力、光照、天然降水、熱量。土壤溫度對(duì)青楊的宏觀生長(zhǎng)量有著顯著的影響，但其作用機(jī)制以及對(duì)生殖生長(zhǎng)的影響還需要進(jìn)一步研究[9]。

自然條件下植物根系和地上部分所處的環(huán)境溫度不同，根系部分溫度也有一定的差異[10]。當(dāng)大氣溫度達(dá)到一定范圍時(shí)，開(kāi)始影響地上部分發(fā)芽生長(zhǎng)，而土壤溫度卻還未達(dá)到促進(jìn)根系生長(zhǎng)、代謝的溫度范圍，這就會(huì)使得植株發(fā)生“干梢”現(xiàn)象，從而引起植株的死亡，難以提高林木的成活率[11]，這也是凍土層造林成活率低的主要原因。Walker研究表明，土壤溫度變化1 ℃就能引起植物生長(zhǎng)發(fā)生明顯的變化[12]。范愛(ài)武等的研究也表明，土壤溫度可以通過(guò)多種不同的機(jī)制影響植物地上部分的生長(zhǎng)[13]。因此植物的生長(zhǎng)發(fā)育可能對(duì)土壤溫度更加敏感[14-19]。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)5個(gè)處理組所栽植的青楊的新生枝粗度、新生枝長(zhǎng)度、樹(shù)高和胸徑進(jìn)行測(cè)量，然后求各個(gè)生長(zhǎng)量的平均值，通過(guò)對(duì)青楊生長(zhǎng)量的分析，得出不同溫度對(duì)青楊生長(zhǎng)的影響；由于試驗(yàn)區(qū)的自然氣候原因，試驗(yàn)地區(qū)的地理環(huán)境原因和一些儀器中的系統(tǒng)誤差，使得本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的誤差。

近年來(lái)，隨著水土流失和土地荒漠化程度的加劇，植樹(shù)造林越來(lái)越受到社會(huì)各級(jí)的關(guān)注，同時(shí)育苗、造林技術(shù)的研究也逐漸向著科學(xué)化、具體化、專(zhuān)業(yè)化的方向發(fā)展。土壤溫度和大氣溫度對(duì)植物的生理生態(tài)效應(yīng)已經(jīng)受到普遍的重視，但是對(duì)于植物生長(zhǎng)的影響還缺乏專(zhuān)業(yè)性的研究。因此土壤溫度和大氣溫度對(duì)于植物生長(zhǎng)影響更細(xì)、更深的研究將成為未來(lái)一段時(shí)間人們研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

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