不同生境黑果枸杞實(shí)生苗生長(zhǎng)及土壤養(yǎng)分空間差異的研究

郭有燕, 聶海松，余宏遠(yuǎn), 孔東升,2,張亞娟

(1.甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 張掖 734000；2.甘肅省黑果枸杞工程中心，甘肅 張掖 734000;3.東京農(nóng)工大學(xué)農(nóng)業(yè)研究院，日本 東京 183-8509)

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于張掖市甘州區(qū)、臨澤縣、肅南縣(東經(jīng)99°30′08″～100°41′14″，北緯38°54′18″～39°25′02″)及周邊地區(qū)。該區(qū)域位于黑河中游，光熱資源豐富，海拔1 380～2 278 m，年平均溫度2.8～7.6℃，日照時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 000～4 000 h。地帶性植被為溫帶小灌木、半灌木荒漠植被。該區(qū)域大面積黑果枸杞群落較少，常以斑塊狀存在于農(nóng)田地埂、鹽化沙地、鹽堿荒地。伴生種有蘆葦(PhragmitescommunisTrin.)、駱駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、獨(dú)行菜(Lepidiumapetalum)、駱駝?shì)?PeganumnigellastrumBunge)、頂羽菊(Acroptilonrepens(L.)DC.)、冰草(Agropyroncristatum(Linn.)Gaertn.)。本研究不同生境環(huán)境因子見表1。

1.2 樣地設(shè)置

黑果枸杞在該研究區(qū)主要分布在農(nóng)田地埂、水渠邊、鹽化沙地、鹽堿荒地生境，本研究以這4個(gè)生境的黑果枸杞為研究對(duì)象，于2016年在這4個(gè)生境分別設(shè)置3個(gè)10 m×10 m固定樣地，共12個(gè)固定樣地。

表1 不同生境黑果枸杞環(huán)境因子特征

1.3 樣地調(diào)查

1.3.1 環(huán)境因子調(diào)查 于2016年7-9月實(shí)生苗生長(zhǎng)的旺盛期，用GPS測(cè)定樣地的海拔，定位經(jīng)緯度，用DHM2型通風(fēng)干濕溫度計(jì)測(cè)定氣溫和濕度，用ZDS-10型光照計(jì)測(cè)定光照強(qiáng)度。測(cè)定各樣地中心距地表以上0.5 m處的空氣溫度、濕度及光照強(qiáng)度，每次測(cè)定時(shí)間為10∶00-16∶00，每隔2 h測(cè)定一次。在各樣地沿對(duì)角線各取3個(gè)0～20 cm土層剖面的土壤樣品，用烘干法(105℃)測(cè)定土壤含水量。

1.3.2 實(shí)生苗調(diào)查 2016年8月，在固定樣地中仔細(xì)尋找黑果枸杞實(shí)生苗，統(tǒng)計(jì)實(shí)生苗數(shù)量，測(cè)定其樹齡、高度、基徑和冠幅。基徑是通過黑果枸杞樹干地面根頸部的直徑測(cè)定，冠幅是通過黑果枸杞樹冠中部東西和南北方向?qū)挾鹊钠骄禍y(cè)定。實(shí)生苗可通過枝條年生長(zhǎng)節(jié)間痕跡，確定其樹齡，合并同一生境的調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算出各分布區(qū)實(shí)生苗的平均密度、平均基徑、平均高度和平均冠幅。

1.3.3 實(shí)生苗生物量調(diào)查 在每個(gè)生境的固定樣地分別選取3個(gè)1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗標(biāo)準(zhǔn)株，整株挖下，測(cè)定完鮮重后，帶回實(shí)驗(yàn)室清洗干凈，分為根、莖、葉三部分。在80℃條件下，烘干至恒重，分別稱量每株幼苗干物質(zhì)質(zhì)量，合并同一生境中同一年齡實(shí)生苗生物量數(shù)據(jù)，求其平均值。依據(jù)下式計(jì)算總生物量和根冠比?？偵锪?地上部分生物量+地下部分生物量；根冠比=地下部分生物量/地上部分生物量。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 每個(gè)樣地內(nèi)分別在土壤剖面0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 深處采集土樣，室內(nèi)風(fēng)干,采用國(guó)家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤分析方法》測(cè)定土壤養(yǎng)分含量，包括土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、有效氮、全氮[10]。土壤全鹽測(cè)定采用電導(dǎo)法，使用DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用SPSS 16.0軟件進(jìn)行處理，用Origin 8.0繪圖,LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境黑果枸杞幼苗數(shù)量特征

從圖1中可以看出，不同生境均有黑果枸杞實(shí)生苗分布，農(nóng)田地埂的黑果枸杞實(shí)生苗數(shù)量最多，而鹽堿荒地的實(shí)生苗數(shù)量最少。農(nóng)田地埂1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗數(shù)量與其他生境差異顯著(P<0.05)。農(nóng)田地埂生境實(shí)生苗數(shù)量相對(duì)水渠邊、鹽化沙地、鹽堿荒地分別增加66.67%、122.22%、215.79%。各生境1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗數(shù)量均表現(xiàn)為1 a生>2 a生>3 a生。

工程學(xué)類實(shí)驗(yàn)室包括物理學(xué)、電工、藥劑學(xué)、中藥制備、制藥工程、實(shí)訓(xùn)中心等實(shí)驗(yàn)室，其中有毒有害物質(zhì)、放射性保護(hù)、用電安全、機(jī)械類損傷等是安全防控重點(diǎn)。

2.2 不同生境黑果枸杞幼苗生長(zhǎng)狀況

農(nóng)田地埂、水渠邊、鹽化沙地、鹽堿荒地生境因水分、鹽分等環(huán)境條件的不同，黑果枸杞實(shí)生苗高度、基徑、冠幅存在差異(圖2)。1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗高度在4個(gè)生境表現(xiàn)為農(nóng)田地埂>水渠邊>鹽化沙地>鹽堿荒地，農(nóng)田地埂生境3 a生黑果枸杞實(shí)生苗高度與其他生境實(shí)生苗高度相比差異顯著(P<0.05)。1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗基徑在4個(gè)生境表現(xiàn)為鹽堿荒地>鹽化沙地>水渠邊>農(nóng)田地埂。1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗冠幅在4個(gè)生境表現(xiàn)為鹽化沙地>水渠邊>鹽堿荒地>農(nóng)田地埂，鹽化沙地生境的黑果枸杞實(shí)生苗冠幅與其他生境差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同生境黑果枸杞幼苗的生長(zhǎng)特性Fig.2 Growth characters of Lycium ruthenicum seedlings in different habitats

2.3 不同生境黑果枸杞幼苗生物量分配

從圖3可以看出，隨著年齡的增加，黑果枸杞幼苗總生物量顯著增加(P<0.05)。1～3 a 生黑果枸杞實(shí)生苗總生物量、地上生物量均表現(xiàn)為農(nóng)田地埂>鹽化沙地>水渠邊>鹽堿荒地。農(nóng)田地埂生境1 a生黑果枸杞實(shí)生苗地上生物量分別比水渠邊、鹽化沙地、鹽堿荒地生境1 a生黑果枸杞實(shí)生苗多63.03%、51.18%和68.96%。1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗地下生物量均表現(xiàn)為鹽化沙地>鹽堿荒地>水渠邊>農(nóng)田地埂。鹽化沙地1 a生黑果枸杞幼苗地下生物量分別比農(nóng)田地埂、水渠邊、鹽堿荒地生境1 a生黑果枸杞幼苗多45.28%、40.88%和38.68%。1～3 a生黑果枸杞實(shí)生苗根冠比均表現(xiàn)為鹽化沙地>鹽堿荒地>水渠邊>農(nóng)田地埂。

2.4 不同生境黑果枸杞土壤化學(xué)性質(zhì)的空間差異

2.4.1 不同生境黑果枸杞土壤有機(jī)質(zhì)的空間差異 各生境黑果枸杞土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布趨勢(shì)一致，隨土層的加深，土壤有機(jī)質(zhì)含量均逐漸降低(圖4)。地埂生境土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，而渠邊生境有機(jī)質(zhì)含量最低。渠邊生境0～20 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)地埂、鹽化沙地、鹽堿荒地生境分別降低22.17%、20.14%和14.30%，且差異顯著(P<0.05)。在40～60 cm土層，渠邊生境土壤有機(jī)質(zhì)含量與其他生境也有差異，但差異不顯著(P>0.05)。

圖4 不同生境黑果枸杞土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig.4 The change of soil organic matter content inLycium ruthenicum field

2.4.2 不同生境黑果枸杞土壤全氮的空間差異 各生境土壤全氮的垂直分布趨勢(shì)不同，地埂和渠邊生境土壤全氮含量隨土層的增加先降低后增加，鹽化沙地生境的土壤全氮含量隨土層的增加逐漸降低，而鹽堿荒地生境土壤全氮的含量隨土層的增加先增加后降低(圖5)。地埂生境土壤全氮含量垂直分布均大于其他生境，且差異顯著(P<0.05)。0～20 cm土層，鹽堿荒地、渠邊和鹽化沙地生境土壤全氮含量相對(duì)地埂生境分別降低42.00%，30.59%和24.90%。20～40 cm土層，鹽堿荒地、渠邊和鹽化沙地生境土壤全氮含量相對(duì)地埂生境分別降低22.81%，35.20%和28.28%。40～60 cm土層，鹽堿荒地、渠邊和鹽化沙地生境土壤全氮含量相對(duì)地埂生境分別降低42.42%，35.21%和38.06%。

2.4.3 不同生境黑果枸杞土壤全鹽的空間差異 不同生境黑果枸杞土壤全鹽含量均隨土層深度的增加逐漸降低(圖6)。0～20 cm土層，鹽化沙地生境土壤含鹽量最高，渠邊、地埂和鹽堿荒地生境相對(duì)鹽化沙地生境分別降低87.63%、73.78%和27.94%，差異顯著(P<0.05)。20～40 cm土層，鹽堿荒地生境土壤含鹽量最高，相對(duì)渠邊、地埂和鹽化沙地生境分別增加72.84%、84.91%和22.50%。40～60 cm土層，鹽堿荒地生境土壤含鹽量相對(duì)渠邊、地埂和鹽化沙地生境分別增加74.24%、79.84%和65.61%。

2.4.4 不同生境黑果枸杞土壤有效氮的空間差異 不同生境黑果枸杞土壤有效氮垂直分布呈2種趨勢(shì)(圖7)，地埂生境土壤有效氮含量隨土層的增加先增加后降低，而其他3個(gè)生境的土壤有效氮含量均隨土層的增加逐漸降低。各土層地埂生境土壤有效氮含量均大于其他生境。20～40 cm土層，地埂生境土壤有效氮含量相對(duì)渠邊、鹽堿荒地、鹽化沙地分別增加51.14%、32.96%和53.41%，且差異顯著(P<0.05)。

2.4.5 不同生境黑果枸杞土壤有效磷的空間差異 各生境黑果枸杞土壤有效磷含量均隨土層的增加逐漸降低(圖8)。0～20 cm、20～40 cm土層，鹽化沙地生境土壤有效磷含量均較其他生境高，且差異顯著(P<0.05)。40～60 cm土層，地埂生境有效磷含量較高，相對(duì)水渠、鹽堿荒地和鹽化沙地分別增加72.73%、32.96%和9.09%。

2.4.6 不同生境黑果枸杞土壤速效鉀的空間差異 由圖9可見，各生境黑果枸杞土壤速效鉀含量的垂直分布分為2種趨勢(shì)，鹽堿荒地生境的速效鉀含量隨土層深度的增加先增加后降低，而其他生境的速效鉀含量均隨土層深度的增加逐漸降低。鹽化沙地生境各土層速效鉀含量均大于同層其他生境，且差異顯著(P<0.05)。0～20 cm土層,地埂、渠邊和鹽堿荒地生境土壤速效鉀含量相對(duì)鹽化沙地分別降低67.72%、73.75%和84.74%。20～40 cm土層, 鹽化沙地生境土壤速效鉀含量相對(duì)地埂、渠邊和鹽堿荒地生境分別增加52.67%、71.89%和48.69%。40～60 cm土層,鹽化沙地生境土壤速效鉀含量相對(duì)地埂、渠邊和鹽堿荒地生境分別增加48.51%、78.75%和59.49%。

圖5 不同生境黑果枸杞土壤全氮含量的變化Fig.5 The change of soil total N content inLycium ruthenicum field

圖7 不同生境黑果枸杞土壤有效氮含量的變化Fig.7 The change of soil available N content inLycium ruthenicum field

圖6 不同生境黑果枸杞土壤全鹽含量的變化Fig.6 The change of soil total salt content inLycium ruthenicum field

圖8 不同生境黑果枸杞土壤有效磷含量的變化Fig.8 The change of soil available P content inLycium ruthenicum field

圖9 不同生境黑果枸杞土壤速效鉀含量的變化Fig.9 The change of soil available K content inLycium ruthenicum field

2.5 環(huán)境因子對(duì)黑果枸杞幼苗生長(zhǎng)的影響

以12個(gè)環(huán)境因子與黑果枸杞幼苗高度、基徑、冠幅的相關(guān)性分析表明(表2)，幼苗高度與空氣濕度、土壤含水量呈顯著正相關(guān)(r=0.991；r=0.998)，土壤含鹽量、有效氮、有效磷、速效鉀與幼苗高度呈負(fù)相關(guān)，但不顯著(P>0.05)。幼苗基徑與空氣濕度、土壤含水量呈負(fù)相關(guān)(r=-0.961；r=-0.977)，與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，但均不顯著(P>0.05)。幼苗冠幅與光照強(qiáng)度、土壤含鹽量呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)，但均不顯著(P>0.05)。

為了進(jìn)一步明確影響黑果枸杞幼苗生長(zhǎng)的環(huán)境因子，本文選擇了12個(gè)環(huán)境因子對(duì)其進(jìn)行主成分分析(表3)，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到了100%，可以滿足分析的需要。第一主成分的貢獻(xiàn)率為62.217%，主要因素有空氣濕度、土壤含水量、土壤含鹽量、有效氮、有效磷、速效鉀；第二主成分中，主要因素是光照強(qiáng)度、有機(jī)質(zhì)；第三主成分中，主要因素是氣溫、有機(jī)質(zhì)。說明這些因素在黑果枸杞幼苗生長(zhǎng)中發(fā)揮了重要作用。

3 討 論

黑果枸杞分布生境較廣，本研究對(duì)農(nóng)田地埂、水渠邊、鹽化沙地、鹽堿荒地4個(gè)生境的黑果枸杞實(shí)生苗更新特征進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黑果枸杞實(shí)生苗從農(nóng)田地埂、水渠邊、鹽化沙地到鹽堿荒地?cái)?shù)量顯著減少，說明空氣濕度、土壤含水量等環(huán)境因子的差異會(huì)導(dǎo)致黑果枸杞實(shí)生苗數(shù)量的差異。隨著年齡的增加，黑果枸杞各生境實(shí)生苗數(shù)量均逐漸減少，這說明黑果枸杞幼苗的定居過程受到環(huán)境條件的影響，部分幼苗因不適應(yīng)環(huán)境而被淘汰。這與付嬋娟等[11]對(duì)神農(nóng)架巴山冷杉(Abiesfargesii)的研究、馬莉薇等[12]對(duì)栓皮櫟(Quercusvariabilis)的研究和郭有燕等[13]對(duì)文冠果(Xanthocerassorbifolia)的研究結(jié)果相似。

表2 黑果枸杞幼苗數(shù)量、高度、生物量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

注: ** 表示P< 0.01，df=9。

Note: ** indicate significant level atP<0.01，df=9.

因環(huán)境條件的差異，不同生境的黑果枸杞實(shí)生苗采取不同的生長(zhǎng)策略以適應(yīng)環(huán)境。農(nóng)田地埂生境的黑果枸杞實(shí)生苗高度大于其他生境，鹽堿荒地生境的黑果枸杞實(shí)生苗基徑大于其他生境，而鹽堿沙地生境的黑果枸杞實(shí)生苗冠幅大于其他生境。這說明，在水分充足的生境，黑果枸杞幼苗會(huì)將更多的資源投入到高度的生長(zhǎng)，而在光照資源非常豐富的生境，黑果枸杞幼苗主要進(jìn)行莖的增粗生長(zhǎng)，Ziegenhagen等[14]、陳章和等[15]、許中旗等[16]、閆興富等[17]得出了類似的研究結(jié)果。在土壤含鹽量較高的生境，黑果枸杞幼苗主要采取增大冠幅的方式，獲取更多的光照資源，以利于幼苗的生長(zhǎng)。

各生境黑果枸杞實(shí)生苗地上與地下部分干物質(zhì)分配不均，農(nóng)田地埂生境的黑果枸杞實(shí)生苗將更多的生物量投入到了地上部分，而鹽化沙地的黑果枸杞將更多的生物量投入到了根系。這說明黑果枸杞實(shí)生苗通過調(diào)整生存策略適應(yīng)環(huán)境的變化[18]。鹽化沙地、鹽堿荒地生境空氣、土壤水分相對(duì)貧乏，黑果枸杞為了確保生存與生長(zhǎng)，通過降低地上部分的生長(zhǎng)，加大根系的生長(zhǎng)以適應(yīng)干旱的環(huán)境。Asbjornsen等[19]、吳敏等[20]得出了類似的研究結(jié)論。

表3 不同環(huán)境因子的貢獻(xiàn)率和主成分值

因立地條件的差異，不同生境黑果枸杞土壤化學(xué)性質(zhì)的空間分布有差異。農(nóng)田地埂生境不同土層有機(jī)質(zhì)、全氮和有效氮含量均高于其他生境，這與該生境農(nóng)業(yè)活動(dòng)有很大的關(guān)系。鹽化沙地生境0～20 cm土層，土壤全鹽含量高于其他生境，這與該生境地下水位高有很大的關(guān)系。鹽化沙地0～20 cm土層，有效磷和速效鉀含量高于其他生境，這與該生境成土母質(zhì)、土壤顆粒組成有很大的關(guān)系。黑果枸杞實(shí)生苗生長(zhǎng)是多個(gè)環(huán)境因子相互作用的結(jié)果，空氣濕度、土壤含水量對(duì)實(shí)生苗生長(zhǎng)產(chǎn)生積極顯著的影響。

4 結(jié) 論

各生境黑果枸杞實(shí)生苗數(shù)量均較少，而空氣濕度、土壤含水量與黑果枸杞實(shí)生苗數(shù)量呈顯著的正相關(guān)，因此，在黑果枸杞的栽培管理中，應(yīng)考慮空氣濕度與土壤水分，以確保幼苗能夠定居與生長(zhǎng)。黑果枸杞實(shí)生苗更新是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，同時(shí)受復(fù)雜的環(huán)境因子的影響，因此，今后應(yīng)重點(diǎn)研究實(shí)生苗更新過程與相關(guān)環(huán)境因子的作用關(guān)系。