地形對(duì)陜北黃土區(qū)衰退沙棘人工林天然更新的影響

張恰嚀，朱清科*，任正龑?zhuān)S正佳

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.寧夏水利廳水土保持局，寧夏 銀川 750000)

地形對(duì)陜北黃土區(qū)衰退沙棘人工林天然更新的影響

張恰嚀1，朱清科1*，任正龑2，黃正佳1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.寧夏水利廳水土保持局，寧夏 銀川 750000)

[目的]為揭示陜北黃土區(qū)衰退沙棘人工林天然更新的地形適生范圍。[方法]通過(guò)調(diào)查陜西省吳起縣沙棘人工林大面積衰退及死亡后的天然更新?tīng)顩r，以68個(gè)樣方的更新率、成林率及每木數(shù)據(jù)(株高、地徑等)作為更新恢復(fù)能力的衡量指標(biāo)，運(yùn)用方差分析、回歸擬合及系統(tǒng)聚類(lèi)分析等方法，分析了沙棘更新恢復(fù)能力與各地形因子的關(guān)系。[結(jié)果](1)各坡向沙棘更新率差異顯著(P=0.018)，沙棘更新率均值陰坡>半陰坡>半陽(yáng)坡>陽(yáng)坡，陰坡更新生長(zhǎng)狀況最好，半陰坡更新幼株數(shù)量大，存活率較高；(2)坡度對(duì)更新率無(wú)顯著影響，但更新率在陰坡緩坡、極陡坡范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，在陽(yáng)坡條件下隨坡度上升而減??；(3)總體上衰退沙棘人工林天然更新的地形條件是陰坡、半陰坡；(4)坡面微地形對(duì)衰退沙棘人工林更新具有顯著影響(P=0.038)，緩臺(tái)較好，陡坎較差。[結(jié)論]半干旱黃土區(qū)部分衰退沙棘人工林可自行完成天然更新，部分恢復(fù)困難，需人工輔助或重新栽植適合的樹(shù)種。陰坡、半陰坡的衰退沙棘幼株種群生長(zhǎng)狀況較好且基本能更新成林，陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡的生長(zhǎng)狀況較差且難以更新成林；陰坡坡向條件下，坡度對(duì)沙棘更新率的影響程度隨著坡度上升而變小，陽(yáng)坡坡向條件下坡度對(duì)更新率的影響較小。衰退沙棘人工林更新率因所處微地形不同而存在差異。處于緩臺(tái)的衰退沙棘幼株種群基本能更新成林，淺溝的沙棘幼株種群與所處的原狀坡面上的更新?tīng)顩r相似，部分能更新成林，處于陡坎的沙棘幼株種群基本不能更新成林。

沙棘；人工林衰退；天然更新；地形因子；微地形

沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)是黃土高原主要水土保持灌木造林樹(shù)種之一，因其根蘗萌生能力強(qiáng)，在半干旱地區(qū)退耕還林、三北防護(hù)林體系建設(shè)及小流域水土保持等生態(tài)工程建設(shè)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，如位于半干旱黃土區(qū)的陜西省吳起縣累計(jì)營(yíng)造沙棘人工林達(dá)8萬(wàn)hm2，占該縣土地總面積21.1%以上，但是，2010年以來(lái)出現(xiàn)了大面積衰退甚至死亡現(xiàn)象，影響其功能的可持續(xù)發(fā)揮[3]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于沙棘人工林的研究重點(diǎn)主要在林地土壤水分及養(yǎng)分，水土保持機(jī)理及效益，衰退死亡機(jī)制和種群結(jié)構(gòu)、數(shù)量動(dòng)態(tài)等繁殖特性研究[4-8]，但是關(guān)于衰退沙棘人工林的天然更新問(wèn)題還未深入研究，因此，衰退沙棘人工林能否完成天然更新及其更新條件是急需研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

從幼株天然更新的角度研究森林木本植物早期階段對(duì)生境異質(zhì)性的響應(yīng)及機(jī)理，不僅對(duì)理解森林更新和維持生物多樣性具有理論意義，而且對(duì)退化森林生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自然恢復(fù)具有重要的實(shí)踐價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外探討更新特別是關(guān)于萌生更新的研究主要從萌枝的生物學(xué)特性和機(jī)理，幼苗生活史策略，對(duì)群落結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的影響，以及對(duì)干擾的恢復(fù)響應(yīng)[9-12]，在很多情況下，幼株天然更新與環(huán)境因子，特別是森林光環(huán)境[13-14]和地形因子[15-17]有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。而在黃土高原生態(tài)系統(tǒng)研究中，坡向、坡位、坡度以及微地形是衡量地形分異的主要特征，地形因子通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射和降水的再分配，導(dǎo)致了土壤水分、養(yǎng)分及局部小氣候的空間異質(zhì)性[18]，進(jìn)而影響更新和群落分異格局。因此，研究該地區(qū)地形對(duì)衰退后沙棘人工林天然更新的影響有重大意義。

實(shí)際上，在黃土區(qū)植被恢復(fù)重建過(guò)程中，微地形對(duì)更新幼苗定居及種群結(jié)構(gòu)配置有著重要作用。微地形一般認(rèn)為是坡面范圍內(nèi)1 m2以上發(fā)生變化的局部地形，陜北黃土區(qū)按照地形特征分為緩臺(tái)、切溝、淺溝、塌陷、陡坎5類(lèi)微地形[19]。本文旨在從地形、微地形—植被角度分析衰退沙棘人工林的更新特征，確定衰退沙棘天然更新的適生范圍，以期為近自然植被恢復(fù)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 研究與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 研究方法

圖1 衰退沙棘人工林地徑徑級(jí)頻率分布圖Fig.1 The basal diameter class frequency map of Degrade Sea-buckthorn Forests

更新率：沙棘部分植株的死亡為其更新幼苗提供了空間和資源，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)更新苗多生長(zhǎng)于地上部分死亡的沙棘周?chē)涓鶚兑矔?huì)萌蘗出幼苗。因此，定義樣方更新率為：更新率=更新植株/死亡植株×100%(死亡植株不為0)。

成林率：本研究的成林率是指衰退沙棘人工林通過(guò)天然更新恢復(fù)成新沙棘林的樣地占調(diào)查樣總量的百分率。即：成林率=符合成林標(biāo)準(zhǔn)的樣方數(shù)/樣方總數(shù)×100%根據(jù)國(guó)家林業(yè)局《新一輪退耕還林還草總體方案》(發(fā)改西部[2014]1772號(hào))和《新一輪退耕還林檢查驗(yàn)收辦法》中灌木林標(biāo)準(zhǔn)：一般地區(qū)株數(shù)保存率≥80%，特殊地區(qū)株數(shù)保存率≥65%。吳起縣1986年栽植沙棘人工林的初始密度是2×2 m，達(dá)到2 505株·hm-2，坡度35°以上造林困難立地視為特殊地區(qū)。因此，計(jì)算得到吳起縣不同樣方面積衰退沙棘人工林能通過(guò)天然更新恢復(fù)形成沙棘林的標(biāo)準(zhǔn)如下表2。

表1 吳起縣實(shí)驗(yàn)點(diǎn)降雨量

數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.gov.cn/)

表2 不同樣方面積沙棘天然更新的成林標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2013、Origin9.0軟件進(jìn)行處理、繪圖。通過(guò)SPSS19.0單因素方差(ANOVA)、多重比較(LSD)檢驗(yàn)不同坡向、不同微地形類(lèi)型衰退沙棘林更新率的差異，利用非參數(shù)檢驗(yàn)分析坡度對(duì)更新率的影響，顯著性水平均設(shè)定為α=0.05，并采用變異系數(shù)對(duì)比各坡度段對(duì)更新率的影響程度。利用Origin9.0擬合更新率與坡度的關(guān)系，并利用R軟件ward系統(tǒng)聚類(lèi)法對(duì)更新率、成林率、地形因子各指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地形條件對(duì)衰退沙棘人工林更新率的影響分析

2.1.1 坡向?qū)Ω侣实挠绊?衰退沙棘人工林更新率在不同坡向上差異顯著(表3)。更新率多重比較分析結(jié)果(表4)表明，陰坡、半陰坡分別與半陽(yáng)坡、陽(yáng)坡差異顯著，且陰坡、半陰坡之間無(wú)顯著差異，半陽(yáng)坡、陽(yáng)坡之間無(wú)顯著差異。不同坡向沙棘更新率均值(表4)從大到小依次為陰坡>半陰坡>半陽(yáng)坡>陽(yáng)坡，且比較不同坡向上沙棘的更新苗株高、地徑得知(表4)，陰坡沙棘生長(zhǎng)狀況比其它坡向好。這主要是由于陰坡土壤含水量較其他坡向高，植被覆蓋度、林下植物多樣性以及林內(nèi)結(jié)構(gòu)均優(yōu)于其他坡向，從而促進(jìn)沙棘人工林的更新與生長(zhǎng)。從表4可見(jiàn)，半陰坡沙棘死亡密度最小，更新苗密度最大，且更新苗平均地徑最小，說(shuō)明1、2年生更新苗所占比例大且在該生境存活率較高。因此判定該坡向沙棘幼苗種群為增長(zhǎng)型，考慮這與半陰坡高水分條件及沙棘陽(yáng)生的生理特性相關(guān)。

表3 更新率方差分析

注：*為顯著性水平在0.05以?xún)?nèi)，即較顯著.

表4 不同坡向沙棘更新特征與生長(zhǎng)狀況

注：Mean±SD為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；小寫(xiě)字母相同表示不同坡向間差異不顯著(LSD多重比較法，α=0.05)

2.1.2 坡度對(duì)更新率的影響 由于陰坡與半陰坡、陽(yáng)坡與半陽(yáng)坡上沙棘更新率差異均不顯著，將陰坡與半陰坡、陽(yáng)坡與半陽(yáng)坡分別合并為陰坡和陽(yáng)坡，以分析同一坡向條件下坡度對(duì)沙棘更新率的影響程度。

2.1.3 微地形對(duì)更新率的影響 由于侵蝕作用等造成的微生境差異，通過(guò)對(duì)降水的再分配影響土壤含水量[19]，進(jìn)而影響著黃土高原植被更新過(guò)程。對(duì)比分析不同坡向各類(lèi)微地形沙棘更新率，及與原狀坡的差異(圖3)。

總體上，不同微地形沙棘更新率均值存在顯著差異(P=0.038)，其均值大小排序均為緩臺(tái)>淺溝>陡坎，這與黃土高原微地形土壤含水量排序相同。與原狀坡相比，陰坡、陽(yáng)坡緩臺(tái)更新率均值均高于原狀坡面，陡坎更新率均小于原狀坡面，而陰坡淺溝更新率小于原狀坡，陽(yáng)坡淺溝更新率大于原狀坡。因此，各類(lèi)微地形對(duì)衰退沙棘人工林更新有不同影響，緩臺(tái)微地形有利于其天然更新，陡坎微地形不利于其天然更新，淺溝微地形對(duì)沙棘更新率影響較小，這主要是因?yàn)闇\溝底與其所在原狀坡的土壤含水量無(wú)顯著差異，前人調(diào)查中也觀察到淺溝底與原狀坡的植被類(lèi)型、蓋度極為相似。

圖2 沙棘幼苗種群更新率-坡度關(guān)系曲線(A:陰坡 B：陽(yáng)坡)Fig.2 The response curve of Renewal Rate-Gradient in seedling populations of Sea-buckthorn(A：shady slope B：sunny slope)

圖3 陰坡、陽(yáng)坡不同微地形和原狀坡面更新率均值Fig.3 Average of renewal rate in both different microtopography types and in shady slope and sunny slope

2.2 沙棘更新成林與地形因子關(guān)系的聚類(lèi)分析

根據(jù)沙棘林更新率、成林率、坡向、坡度、微地形類(lèi)型5個(gè)指標(biāo)對(duì)68個(gè)樣方進(jìn)行聚類(lèi)分析。結(jié)果表明：可將68個(gè)樣方按照更新程度分為4類(lèi)(表6)。第一類(lèi)衰退沙棘更新程度最好，成林率達(dá)100%，平均更新率是122%，分布于陰坡、半陰坡原狀坡面小寫(xiě)字母相同表示不同坡度段間更新率差異不顯著(非參數(shù)檢驗(yàn)，α=0.05)上；第二類(lèi)衰退沙棘更新程度較好，成林率達(dá)40%，平均更新率是94%，分布于各個(gè)坡向的緩臺(tái)上；第三類(lèi)衰退沙棘更新程度較差，平均更新率僅29%，但成林率為23%，主要分布于半陰坡陡坡原狀坡面；第四類(lèi)衰退沙棘更新程度最差，成林率為0，平均更新率僅17%。因此，在半干旱黃土坡面的緩臺(tái)微地形和陰坡、半陰坡原狀坡面地形條件，衰退沙棘人工林有可能通過(guò)天然更新恢復(fù)為新的沙棘林。

表5 坡度與沙棘更新率的關(guān)系

表6 衰退沙棘成林率、更新率與地形因子的聚類(lèi)分析

A-陰坡shady slope; B-半陰坡semi-shady slope；C-半陽(yáng)坡semi-sunny slope；D-陽(yáng)坡sunny slope / a-緩臺(tái) platform；c-原狀坡undisturbed slope

3 討論

(1)本研究采用更新率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以直觀反映衰退沙棘的天然更新程度，地形響應(yīng)體現(xiàn)了植物對(duì)資源利用策略的變化。坡向?qū)λネ松臣侣视酗@著影響，這主要是由于不同坡向坡面接收太陽(yáng)輻射的能力不同，造成地溫、土壤蒸發(fā)及植被蒸騰不同[24]，導(dǎo)致了不同坡向土壤含水量的區(qū)別[25-27]。本研究結(jié)果表明，陽(yáng)坡較陰坡差異顯著，說(shuō)明陽(yáng)坡水分的缺乏限制了其天然更新；半陰坡的優(yōu)勢(shì)較明顯，經(jīng)測(cè)定與計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該生境植株地上生物量較其他坡向大，說(shuō)明沙棘在較好的水熱條件下，增強(qiáng)了幼株的光合作用能力及根系萌蘗、伸長(zhǎng)能力。

(2)盡管微地形不是影響灌木種群更新的直接環(huán)境因子，但它可以通過(guò)對(duì)微生境資源的再分配而加劇幼苗的更新差異，尤其是土壤水分差異，表現(xiàn)為緩臺(tái)>淺溝>陡坎[33-35]，但本試驗(yàn)中僅緩臺(tái)對(duì)沙棘人工林有明顯促進(jìn)更新成林的效果，淺溝、陡坎微地形則不明顯；沙棘由于其強(qiáng)大的根系伸展能力，在不同微地形類(lèi)型上表現(xiàn)出隨微地形大小形狀變化的差異，如淺溝上呈條形分布、緩臺(tái)上呈均勻分布，說(shuō)明沙棘會(huì)為了獲取資源而改變其根蘗苗放置點(diǎn)的選擇策略；在調(diào)查中，觀察到切溝中沙棘灌叢生長(zhǎng)茂盛，基本無(wú)衰退及死亡現(xiàn)象，與其他情況差異明顯，造成這種差異的原因可能是坡面徑流隨坡面流下集中在切溝底，增加了土壤含水量，富含養(yǎng)分的表層土壤也匯集在切溝底[33-36]，導(dǎo)致切溝底的土壤水分、氮含量、有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，滿(mǎn)足了沙棘灌叢生長(zhǎng)發(fā)育的需要。這些結(jié)果都從側(cè)面反映了黃土區(qū)坡面水分的不均勻性，證明該地區(qū)實(shí)行坡面植被人工恢復(fù)與重建時(shí)有必要按照微地形來(lái)區(qū)別配置。綜合地形影響因子可以發(fā)現(xiàn)，處于陰坡區(qū)域的緩坡、極陡坡(過(guò)高或過(guò)低密度)、切溝、緩臺(tái)沙棘林分更新最好，因此可以實(shí)施封禁措施，實(shí)現(xiàn)衰退林分的自然恢復(fù)；處于陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡區(qū)域及其他微地形類(lèi)型的沙棘林分可以采取人為輔助措施，如補(bǔ)植、間伐、平茬等促進(jìn)沙棘人工林天然化發(fā)育，達(dá)到種群的永續(xù)利用。

4 結(jié)論

(1)陰坡、半陰坡的衰退沙棘幼株種群生長(zhǎng)狀況較好且基本能更新成林，陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡的生長(zhǎng)狀況較差且難以更新成林；總體上，陰坡坡向條件下，坡度對(duì)沙棘更新率的影響程度隨著坡度上升而變小，陽(yáng)坡坡向條件下坡度對(duì)更新率的影響較小。

(2)衰退沙棘人工林更新率因所處微地形不同而存在差異。處于緩臺(tái)的衰退沙棘幼株種群基本能更新成林，淺溝的沙棘幼株種群與所處的原狀坡面上的更新?tīng)顩r相似，部分能更新成林，處于陡坎的沙棘幼株種群基本不能更新成林。

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(責(zé)任編輯：崔 貝)

Modeling the Effects of Topography on the Natural Renewal of Declining Sea-buckthorn Forest in Loess Plateau of Northern Shaanxi Province

ZHANGQia-ning1,ZHUQing-ke1,RENZheng-yan2,HUANGZheng-Jia1

(1.Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education; School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.Soil and Water Conservation Bureau of Department of Water Resources of Ningxia, Yinchuan 750000, Ningxia, China)

[Objective]To illustrate the topographic condition of natural renewal of declining Sea-buckthorn (Hippophaerhamnoides) forest in Loess Plateau of northern Shaanxi Province.[Method]The relations between recovery ability of sea-buckthorn and terrain factors were analyzed based on an investigation of natural regenerative condition of Sea-buckthorn forest after large-area death in Wuqi County, Shaanxi Province, by using renewal rate, reforestation percentage and tally data (height and basal diameter) from 68 quadrates as standard to measure the value of recovery ability, and also by using one-way Anova method of square-deviation (SD), regression fitting and systematical clustering method.[Result](1)The renewal rate of sea-buckthorn showed significant different in various slopes (P=0.018). The average of renewal rate may be ranked in the order of shady slope > semi-shady slope > semi-sunny slope > sunny slope. The best growth status of seeding population was in shady slope while the condition with a high survival rate and a huge amount of renewal young trees were in semi-shady slope. (2) Gradient has no significant effect on renewal rate. The renewal rate of sea-buckthorn showed the first peak (gentle slope) and the second peak (extremely steep slope) on shady slope, while the renewal rate gradually decrease with the grade increase of slope on sunny slope. (3) The topographic conditions of natural renewal of declining Sea-buckthorn forest were shady slope and semi-shady slope. (4) Micro-relief has a significant impact on natural renewal of declining Sea-buckthorn forest (P=0.038), platform was better while scarp was poor. [Conclusion]A portion of declining sea-buckthorn populations are difficult to recover spontaneously while they require manual assistance or alternative plants instead in Loess Plateau.

sea-buckthorn；plantation declining；natural renewal；topographic factors；microtopography

2016-07-27 基金項(xiàng)目： “十二·五”國(guó)家科技支撐課題“困難立地植被恢復(fù)技術(shù)研究與示范”(2015BAD07B02)。 作者簡(jiǎn)介： 張恰嚀(1992—)，女，碩士研究生，主要從事水土保持與林業(yè)生態(tài)工程研究，E-mail: zhangqianing224@sina.com. * 通訊作者：朱清科，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與林業(yè)生態(tài)工程研究，E-mail: zhuqingke@sohu.com.

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.016

S793.6

A

1001-1498(2017)02-0300-07