王志印, 曹建生
中國北方土石山區(qū)植被恢復(fù)及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展*
王志印1,2, 曹建生1**
(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)
植樹造林是建設(shè)美麗中國、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、改善民生福祉的具體行動, 是實(shí)現(xiàn)綠水青山就是金山銀山的具體措施。北方土石山區(qū)植被稀少、土壤貧瘠、氣候干旱、災(zāi)害頻發(fā), 加之人類不合理的生產(chǎn)活動, 使得區(qū)域內(nèi)植被破壞嚴(yán)重, 導(dǎo)致一系列生態(tài)與環(huán)境問題, 形成大片巖石裸露地, 水土流失嚴(yán)重, 植被恢復(fù)是此區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵。本文就目前北方土石山區(qū)植被恢復(fù)的研究現(xiàn)狀及當(dāng)前研究存在的問題進(jìn)行了總結(jié)與評述, 包括植被恢復(fù)中植被配置模式及造林技術(shù)的選擇、影響植被恢復(fù)的環(huán)境因子、植被恢復(fù)的生態(tài)效應(yīng)。討論了不同樹種配置及造林技術(shù)對造林成活率的影響, 指出樹種多樣化、合理調(diào)控樹種水分利用是土石山區(qū)植被恢復(fù)成功與否的關(guān)鍵。通過對土壤肥力、水分、地形及地帶性差異對植被恢復(fù)的影響, 以及植被恢復(fù)的水文、水土保持、土壤環(huán)境和生物多樣性效應(yīng)的討論, 發(fā)現(xiàn)土石山區(qū)植被恢復(fù)過程中, 植被與環(huán)境之間相互影響、相互促進(jìn), 加快了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的恢復(fù)與提升。同時(shí)發(fā)現(xiàn)土石山區(qū)內(nèi)植被變化的地形效應(yīng)研究相對缺乏, 土壤養(yǎng)分對植被恢復(fù)的影響機(jī)制也還未明確。最后針對土石山區(qū)植被恢復(fù)過程中存在的樹種選擇不合理、研究時(shí)間尺度較短及數(shù)據(jù)資料有限、植被恢復(fù)經(jīng)濟(jì)效益研究不足等問題, 提出篩選優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種搭配種植、建立植被演替長期定位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行植被恢復(fù)綜合效益監(jiān)測與評價(jià)、明確植被對極端氣候的響應(yīng)機(jī)制, 是下一步土石山區(qū)植被恢復(fù)工作中應(yīng)重視和解決的重要問題。
北方土石山區(qū); 植被恢復(fù); 植被配置模式; 造林技術(shù); 環(huán)境因子; 生態(tài)效應(yīng)
北方土石山區(qū)是指東北的漫崗丘陵以南, 黃土高原以東, 大別山以北的冀、晉、豫、魯、內(nèi)蒙古、皖、蘇等省區(qū)的大部分地區(qū), 范圍包含海河流域、淮河流域全部及黃河流域的部分地區(qū), 總面積約為75.4萬km2[1]。大致可分為淮北土石山區(qū)、華北土石山區(qū)、黃土高原土石山區(qū)和遼寧丘陵土石山區(qū)。4個(gè)地區(qū)因氣候和社會經(jīng)濟(jì)條件不同, 區(qū)域間的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀也有顯著的差異。但總的來看, 北方土石山區(qū)環(huán)境條件惡劣, 生態(tài)破壞較為嚴(yán)重, 土層薄、有機(jī)質(zhì)含量低, 土壤中水分較少, 天然林覆蓋率低, 部分地區(qū)會出現(xiàn)裸露地, 屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)。由于區(qū)域內(nèi)開荒種地、不合理的種植結(jié)構(gòu)、采礦等的干擾, 山區(qū)內(nèi)為數(shù)不多的植被也出現(xiàn)了退化, 水源涵養(yǎng)及水土保持功能出現(xiàn)大幅度減退, 其生態(tài)壓力已臨近或超過生態(tài)系統(tǒng)的承受閾值。若不及時(shí)采取切實(shí)可行的措施, 必然導(dǎo)致區(qū)域植被持續(xù)退化, 水土流失現(xiàn)象進(jìn)一步加劇, 生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的惡化。因此加快進(jìn)行此區(qū)域的植被恢復(fù)已經(jīng)變得十分迫切。
植樹造林是土石山區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重要措施。造林中的植被修復(fù)是針對土石山區(qū)采礦地、化工廠等土壤污染地區(qū), 利用植物的吸收和降解等作用, 來清除土壤環(huán)境污染[2]。土壤環(huán)境修復(fù)后也會促進(jìn)植被的生長, 加速植被的恢復(fù)演替。造林中的植被建設(shè)是在植被恢復(fù)過程中, 遵循適地適樹、適地適草等自然規(guī)律, 并適當(dāng)增加經(jīng)濟(jì)樹種數(shù)量, 以獲得生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的雙重效益, 這對于土石山區(qū)中深度連片貧困區(qū)的脫貧工作具有重要意義。造林后的植被保護(hù)[3]及林分撫育[4]是植被恢復(fù)過程中的關(guān)鍵步驟, 通過運(yùn)用農(nóng)業(yè)、物理、化學(xué)等措施, 防治植被病蟲害, 以保證植物的正常生長。在實(shí)際工作中, 通過建立植被生長監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對植被進(jìn)行監(jiān)測保護(hù), 適時(shí)對植被進(jìn)行施肥、灌溉、間伐等撫育工作, 以保障植被恢復(fù)過程的正常進(jìn)行。
植被恢復(fù)不僅能促進(jìn)土石山區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的恢復(fù), 還能促進(jìn)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù), 使土石山區(qū)成為水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū), 為區(qū)域生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展助力, 推動形成人與自然和諧發(fā)展的現(xiàn)代化建設(shè)新格局。本文在查閱相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上, 對北方土石山區(qū)植被恢復(fù)研究進(jìn)行了分析和總結(jié)。
因?yàn)槿魏瓮嘶鷳B(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)幾乎都是以植被恢復(fù)為前提的[5]。所以選擇適宜的植物種類進(jìn)行植被恢復(fù), 是恢復(fù)土石山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。選擇不同植被的配置方式及整地方式, 會對土石山區(qū)植被恢復(fù)的進(jìn)程產(chǎn)生很大的影響[6]。植被恢復(fù)的植物種類的選擇一般是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤等自然條件和植被恢復(fù)目標(biāo), 經(jīng)樣地種植觀察后再確定植物物種。土石山區(qū)所選用的植物物種應(yīng)具有根系發(fā)達(dá)、固土力強(qiáng)、耐貧瘠、抗干旱等特點(diǎn)。在植物物種的選用中應(yīng)堅(jiān)持本地樹種與引進(jìn)樹種相結(jié)合的原則, 選用優(yōu)良的鄉(xiāng)土種和先鋒物種。同時(shí), 在做到因地制宜, 宜林則林、宜草則草的同時(shí), 也應(yīng)考慮不同樹種間的競爭關(guān)系, 進(jìn)行樹種之間的合理布局。此外, 造林技術(shù)選擇的合理與否, 也直接關(guān)系到土石山區(qū)生態(tài)恢復(fù)工作的成敗。
黃土高原土石山區(qū)降水較少, 土層較薄, 土壤有機(jī)質(zhì)含量低, 有些區(qū)域甚至出現(xiàn)了裸露地。在此區(qū)域進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)應(yīng)優(yōu)先種植草本植物。一是因?yàn)椴荼局参锵啾扔诹止嘀参锖乃扛? 二是草冠能降低降雨對土壤的沖蝕和坡面徑流的侵蝕[7]。歐陽前超等[8]對山西土石山區(qū)的黑麥草()、香根草()、百喜草()3種草本植物的根系開展了抗拉力學(xué)試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)百喜草的彈性模量約是前兩者的6.3倍, 固持土壤的效果最為突出。在土石山區(qū)植被恢復(fù)初期可優(yōu)先考慮種植百喜草進(jìn)行土壤改良和固持。在太行山土石山區(qū)立地條件較好的地區(qū)可以適當(dāng)補(bǔ)種灌木。灌木在土石山區(qū)植被恢復(fù)中起著重要作用[9]。灌木的葉面積較小[10]、氣孔調(diào)控能力強(qiáng)[11]、根系分布深[12], 有著較高的水分利用效率和耐旱性, 對土壤性狀的改善作用明顯。土石山區(qū)植被恢復(fù)較為常用的先鋒灌木樹種是荊條(var.)和酸棗(var.), 但目前對于荊條和酸棗在惡劣生境條件下的適應(yīng)機(jī)理尚缺乏明確的認(rèn)識[13]。20世紀(jì)80年代以來, 華北土石山區(qū)實(shí)行了人工綠化工程, 少數(shù)地區(qū)已郁閉成林; 淮北土石山區(qū)地處暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū), 氣候條件較好, 區(qū)域內(nèi)植被覆蓋程度較高。對于這兩類對于立地條件較好、植被覆蓋較高的地區(qū), 可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)種喬木樹種, 增加植物種類, 逐漸形成頂級復(fù)層植被群落。宋恒川等[14]研究了華北土石山區(qū)不同喬木樹種的根系特征, 發(fā)現(xiàn)白樺()的總根系長度最大、落葉松()的根系生物量最大。同時(shí)應(yīng)用模型較好地模擬了不同喬木樹種根系分布情況, 為土石山區(qū)植被恢復(fù)中喬木樹種的選擇提供了參考依據(jù)。魯紹偉等[15]研究發(fā)現(xiàn), 刺槐()-側(cè)柏()混交林與刺槐、側(cè)柏純林相比, 混交林的生物量更大, 對病蟲害的抵抗能力更強(qiáng)。張永利等[16]在對北京八達(dá)嶺林區(qū)中天然林和人工林研究中, 發(fā)現(xiàn)人工純林的生長較差, 林分水源涵養(yǎng)能力不足, 嚴(yán)重影響林木的正常生長, 而混交林的土壤持水力要比純林高2倍左右, 水源涵養(yǎng)能力更強(qiáng)。因此植被恢復(fù)中補(bǔ)充喬木樹種時(shí), 要以混交林為主, 避免營造純林, 通過建立多樹種相結(jié)合的生態(tài)景觀, 以保持和增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
不同植被類型的土壤改良能力不同。張志銘等[17]通過比較太行山區(qū)具有代表性的草地、側(cè)柏林地和刺槐林地等植被恢復(fù)類型, 發(fā)現(xiàn)刺槐林能增強(qiáng)土壤的固氮能力, 側(cè)柏林能較好地改良土壤結(jié)構(gòu), 而草地可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。因此在植被恢復(fù)中選擇適合的植被配置模式, 優(yōu)化植物群落的生態(tài)位結(jié)構(gòu), 可提高植被恢復(fù)速度。不同植被類型的水土保持效果也存在差異[1], 通過選擇最優(yōu)的植被配置模式, 可達(dá)到最佳的水土保持效果。呂皎等[18]在土石山區(qū)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 荊條與紅豆草()、油松()與荊條配置及油松與荊條、紅豆草立體配置的水土保持效果較好, 能夠有效減少地表徑流, 減少土壤侵蝕, 達(dá)到蓄水、保土的效果。梁彥蘭等[19]應(yīng)用恢復(fù)生態(tài)學(xué)的原理與方法, 提出了土石山區(qū)植被恢復(fù)中, 在立地條件差的地方, 先構(gòu)建地帶性灌草叢植物, 以恢復(fù)土壤肥力, 改善土壤質(zhì)量; 立地條件較好的地方, 栽種水土保持樹種和鄉(xiāng)土樹種, 形成復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu), 以恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。
種植密度會直接影響土壤含水量及土壤通透性[20], 初植密度過高很容易引起土壤水的供需矛盾[21]。土石山區(qū)水分和土壤有機(jī)碳等條件較差, 有限的水分資源會加劇樹種間的競爭。在對北京土石山區(qū)典型群落植物水分來源的研究中, 劉自強(qiáng)等[22]發(fā)現(xiàn)側(cè)柏和胡枝子()土壤水分利用的深度相似, 一起種植會引起水分競爭。而荊條和構(gòu)樹()土壤水分利用的深度沒有交叉, 兩個(gè)樹種適宜混交種植。因此, 在以后的植被恢復(fù)工作中, 應(yīng)了解樹種水分競爭關(guān)系, 選擇適當(dāng)?shù)臉浞N混栽, 合理使用有限的水資源。
林分密度會影響林分的競爭強(qiáng)度。優(yōu)勢種會占據(jù)林分的主要空間, 抑制其他樹種的生長, 影響其演替速度和方向[23]。高廣磊等[24]把林分空間競爭指數(shù)引入土石山區(qū)植被恢復(fù)的研究中, 采用大小比數(shù)和開敞度兩種空間林木競爭指數(shù), 研究了天然次生林內(nèi)的林木競爭強(qiáng)度, 發(fā)現(xiàn)落葉松的樹種大小比數(shù)最大, 油松的樹種敞開度最大, 樹種大小比數(shù)與開敞度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這為華北土石山區(qū)植被恢復(fù)物種的選擇和配置提供了新的參考方向。林分密度也會影響土壤有機(jī)碳含量及碳密度。任麗娜等[25]研究了不同密度油松人工林的土壤有機(jī)碳養(yǎng)分含量, 發(fā)現(xiàn)只有在合理密度內(nèi), 植被才能擁有最大的土壤固碳能力, 密度過大, 會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量減少。這提醒我們在植被恢復(fù)中, 栽種密度要合理, 不要盲目地追求植被覆蓋度。
造林技術(shù)是土石山區(qū)植被能否恢復(fù)的關(guān)鍵步驟, 合理的造林技術(shù)能夠充分保障植被的生長和發(fā)育。植被恢復(fù)過程中應(yīng)根據(jù)土石山區(qū)表層土壤發(fā)育的優(yōu)劣, 采用不同的造林技術(shù)[26]。在山區(qū)土壤缺水的條件下, 可以采取各種抗旱栽植技術(shù), 如: 魚鱗坑整地技術(shù)、帶狀整地技術(shù)、水利播種與覆蓋技術(shù)[27]。有研究表明[28], 土石山區(qū)進(jìn)行坡改梯改造后的土地顯示出了良好的保水保肥特征。種植苗木時(shí), 采用容器苗種植、基盤法植苗等技術(shù)進(jìn)行幼林撫育[29], 能顯著提高苗木的成活率[30]。馬佳琳[31]對遼東櫟(Q)進(jìn)行裸根苗、容器苗、穴盤苗造林對比試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)穴盤苗在造林成活率、生長量和根系發(fā)育情況方面表現(xiàn)最好。曹建生等[32]針對太行山土石山區(qū)的特點(diǎn), 提出了4套造林技術(shù)模式, 即坡改梯工程+經(jīng)濟(jì)林梯田面造林模式、營養(yǎng)缽+灌草的切割面造林模式、苜蓿()+金銀花()的地埂綠化模式、石質(zhì)山地爆破、魚鱗坑+景觀林的大苗移栽造林模式。實(shí)踐證明這幾種造林技術(shù)顯著提高了土石山區(qū)造林的成活率, 實(shí)現(xiàn)了山區(qū)植被的快速覆蓋。
生態(tài)系統(tǒng)一般具有很強(qiáng)的自我恢復(fù)能力, 除極端條件之外, 無人為干擾下經(jīng)過較長的一段時(shí)間, 生態(tài)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)。但北方土石山區(qū)環(huán)境條件較為惡劣, 植被破壞嚴(yán)重, 生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)很難實(shí)現(xiàn)或者實(shí)現(xiàn)過程需要漫長的時(shí)間。人為干預(yù)是促進(jìn)土石山地植被恢復(fù)的重要途徑。為實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)下植物的快速恢復(fù)和正向演替, 影響植被恢復(fù)的環(huán)境因子的研究是必要的前提。影響土石山區(qū)植被恢復(fù)的最主要的環(huán)境因子是土壤肥力、水分、地形及地帶性差異等。
作為植物生長環(huán)境的一部分, 土壤不僅影響著植物群落的發(fā)育與演替速度, 而且決定著植物群落演替的方向[33]。土壤肥力作為土壤最重要的生態(tài)功能, 影響著林木生長的狀態(tài)[34]。劉洋等[35]研究發(fā)現(xiàn), 土石山區(qū)土壤肥力提高, 能促進(jìn)植被的恢復(fù)。植被恢復(fù)后也使得土壤質(zhì)量改善、土壤肥力提高。土壤養(yǎng)分是肥力的重要指標(biāo), 不僅協(xié)調(diào)和供應(yīng)了植物生長所需的營養(yǎng)元素, 而且促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的分解和生物-地球-化學(xué)循環(huán)等過程[36]。邵方麗等[37]研究發(fā)現(xiàn), 華北土石山區(qū)土壤嚴(yán)重缺磷, 且空間變異程度高, 嚴(yán)重影響了植被的正常生長。李旭等[38]研究發(fā)現(xiàn), 華北土石山區(qū)土壤全鉀的空間變異程度較低, 但大部分鉀元素以原生礦物形態(tài)分布在土壤粗粒部分, 難以被植被利用。此類研究雖表明土壤養(yǎng)分情況及其空間變異性在一定程度上影響了該區(qū)域的森林生長狀況、植被分布情況和物種多樣性, 但對于土壤養(yǎng)分對植被恢復(fù)影響機(jī)制還未明確。李勝平等[39]研究了喀斯特地區(qū)草地土壤養(yǎng)分變化對植被多樣性的影響, 結(jié)果表明土壤養(yǎng)分在一定程度上決定了植被豐富度和植被的蓋度, 土壤的全氮、全碳在其中起主導(dǎo)作用。今后在土石山區(qū)應(yīng)開展此類研究, 進(jìn)一步明確土石山區(qū)土壤養(yǎng)分對植被恢復(fù)的影響機(jī)制。
土壤水分是限制缺水地區(qū)植物生長的關(guān)鍵因子之一[40]。土壤水是植物根系吸收利用水分的直接來源, 其含量影響著植被的蒸騰, 土壤水的動態(tài)變化決定了區(qū)域植被的生存生長狀態(tài)[41]。黃土高原土石山區(qū)和華北土石山區(qū)降水較少, 區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)作用強(qiáng)烈, 不利于植被恢復(fù)。因此研究此區(qū)域植被的蒸騰特性也變得十分必要[42-43]。有研究發(fā)現(xiàn)[44], 易干旱的土石山區(qū), 因土壤水分缺乏, 可供林分蒸騰的水源無法得到保證。為保證造林成功率, 降低水分對植被成活的限制, 在樹種選擇時(shí), 可選擇種植氣孔導(dǎo)度較小的樹種, 降低人工林蒸騰量。在植被生長過程中, 可定期修剪植物的葉片來減少樹木蒸騰。
降雨是土壤水分的主要來源之一[45]。陳麗華等[42]研究發(fā)現(xiàn), 隨著降雨的增加, 土壤水分逐漸充足, 植物的蒸騰速率升高。但降雨過多會使得土壤含水量過高, 土壤孔隙堵塞, 土壤呼吸及土壤微生物活動受到抑制, 植被的生長發(fā)育受到嚴(yán)重影響[46-47]。此外, 不同植物對土壤含水量響應(yīng)的程度也有很大的差異[48], 不同樹種之間土壤水分的利用深度也存在不同[22]。因此, 在土石山區(qū)植被恢復(fù)過程中, 應(yīng)選擇適宜于區(qū)域水分條件的樹種, 同時(shí)減少不同樹種之間的水分競爭, 提高樹種存活率。
地形也是影響植被恢復(fù)的重要因子。坡面地形的起伏會導(dǎo)致土壤水分、養(yǎng)分及土壤厚度等在小范圍內(nèi)產(chǎn)生變化, 從而影響地上植物群落的類型和生產(chǎn)力[49]。此外, 坡向也會對植被恢復(fù)產(chǎn)生重要影響。山坡的坡向不同, 所接受的太陽輻射量也不同, 使得不同坡向的土壤溫度有很大的差異。而溫度通過影響土壤呼吸速率從而影響植被生長[50]。有研究發(fā)現(xiàn)[51], 土石山區(qū)中生長在陽坡上的刺槐長勢較好, 而陰坡上的長勢則較差。坡向也影響著土壤含水量。李紫恬等[52]研究發(fā)現(xiàn), 陰坡的油松林枯落物累積量大于陽坡, 土壤層的儲水能力強(qiáng)于陽坡, 植被種植密度對陽坡土壤含水量及其穩(wěn)定性影響較大, 而對陰坡土壤含水量及其穩(wěn)定性的影響不明顯。高程[53]、坡度[54]等地形要素影響著植被的覆蓋情況。但土石山區(qū)內(nèi)此類研究還較為缺乏, 且研究方法較為簡單[55]。在今后研究中, 應(yīng)利用最新的分析手段[56], 明確土石山區(qū)植被變化的地形效應(yīng), 為區(qū)域脆弱環(huán)境的改善提供科學(xué)依據(jù)。
北方土石山區(qū)區(qū)域廣闊, 南北地帶性差異很大。根據(jù)不同的氣候特點(diǎn)及地理位置差異, 我們將北方土石山區(qū)分為淮北土石山區(qū)、華北土石山區(qū)、黃土高原土石山區(qū)和遼寧丘陵土石山區(qū)。4個(gè)區(qū)域不同的土壤養(yǎng)分、水分及光照時(shí)間等氣候條件及其社會經(jīng)濟(jì)條件, 使得區(qū)域內(nèi)的植被恢復(fù)模式、植被恢復(fù)目標(biāo)及所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)存在差異。
淮北土石山區(qū)屬暖溫帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū), 年降雨量可達(dá)900 mm, 植被覆蓋較好。此區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問題主要是因過分追求經(jīng)濟(jì)效益, 種植大量經(jīng)濟(jì)林, 導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降[57]。研究表明[58], 針闊混交林轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)林后, 土壤有機(jī)碳氮含量顯著降低, 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降, 土層變薄, 受水力侵蝕的破壞強(qiáng)度增大。區(qū)域內(nèi)的植被恢復(fù)目標(biāo)是進(jìn)行樹種的合理配置, 減少經(jīng)濟(jì)林種植, 增加針闊葉林等生態(tài)林的建設(shè), 從而改善土壤質(zhì)量和提高土壤抗水蝕能力。
黃土高原土石山區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū), 降水少, 植被覆蓋度低。區(qū)域內(nèi)因不合理生產(chǎn)活動加之惡劣的氣候條件, 土壤條件較差, 存在土層薄、土壤松散等問題。區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重, 土壤有機(jī)質(zhì)含量少, 存在大片無植被覆蓋裸露地, 生態(tài)環(huán)境脆弱[1]。此區(qū)域現(xiàn)階段植被恢復(fù)的主要目標(biāo)是增加地面植被覆蓋, 從草本植物開始種植, 逐漸改善土壤的質(zhì)量, 減少土壤侵蝕, 提高土壤養(yǎng)分含量[59]。
華北土石山區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū), 降水時(shí)空分布不均, 蒸散發(fā)量大。區(qū)域植被主要為草灌木及經(jīng)濟(jì)林, 少數(shù)地區(qū)因采礦等活動產(chǎn)生了裸露地[26]。此區(qū)域植被恢復(fù)時(shí), 對于礦場裸露地要根據(jù)土壤條件選擇合適的草灌木進(jìn)行植被修復(fù), 降低土壤中的重金屬或放射物的含量[5]。對于植被恢復(fù)較好的地區(qū), 可以進(jìn)行喬灌木的補(bǔ)種, 增加生物多樣性, 提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在種植經(jīng)濟(jì)林的地區(qū), 要把經(jīng)濟(jì)林與生態(tài)林進(jìn)行合理配置, 避免大面積種植單一樹種[15]。此外, 華北土石山區(qū)受東亞季風(fēng)影響, 降水年際變化幅度較大, 是典型的季節(jié)性干旱地區(qū)[60]。季節(jié)性干旱引起的干旱脅迫對植被的生長和發(fā)育具有重要影響[61]。它不僅影響著植被的水分利用效率[62], 其導(dǎo)致的溫度和降水量的變化也影響著植被生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收, 影響土壤肥力。此外干旱也會改變植被表面的顯熱和潛熱, 從而影響植被能量和水分的循環(huán)過程[63]。因此, 華北土石山區(qū)在進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)要充分考慮季節(jié)性干旱對林木生長的影響, 保證區(qū)域生態(tài)恢復(fù)過程的正常進(jìn)行。
遼寧環(huán)渤海山地丘陵區(qū)也是我國北方土石山區(qū)的重要組成部分。該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫄夂騾^(qū), 年均降水量500~950mm, 植被類型以農(nóng)業(yè)植被和林地為主。區(qū)域內(nèi)水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重, 多發(fā)生在坡耕地和稀疏林地[64]。該區(qū)域的植被恢復(fù)主要是對稀疏林地按照合理的植被配置模式進(jìn)行補(bǔ)種, 對水土流失嚴(yán)重的坡耕地進(jìn)行退耕還林還草[65], 最終達(dá)到提高林草覆蓋度、維護(hù)和改善人居環(huán)境、提高區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的目標(biāo)。
水文效益是植被生態(tài)系統(tǒng)的重要功能。華北土石山區(qū)是京津冀地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)功能區(qū), 此區(qū)域的生態(tài)環(huán)境直接影響著京津冀地區(qū)的發(fā)展進(jìn)程; 黃土高原土石山區(qū)土質(zhì)松散、土壤持水性差[1], 植被覆蓋能顯著提高土壤含水量[28], 減少坡面產(chǎn)流[66], 使區(qū)域內(nèi)形成良性水循環(huán)。植被對水文過程的影響首先表現(xiàn)在對降雨分配的影響。植被對降雨的分配過程主要包括地上部分的冠層截留和樹干蓄留; 土壤層對降雨的蓄留、入滲以及地被物對降雨的蓄留等[67]。林冠截留作用在降雨再分配的過程中起著主要作用。梁文俊等[68]發(fā)現(xiàn)華北土石山區(qū)人工油松林的林冠對降水在時(shí)間及空間上都進(jìn)行了再分配。
明確土壤水分入滲規(guī)律是研究土石山區(qū)地表徑流產(chǎn)生機(jī)制的基礎(chǔ)[69]。相較于裸地, 不同覆被類型下土壤入滲性能均得到了不同程度改善[70]; 而不同植被類型之間的土壤入滲性能也存在著較大差異[71]。王鵬等[41]研究發(fā)現(xiàn), 在大雨量降水后, 土石山區(qū)中刺槐林土壤的入滲速度最快, 側(cè)柏林地次之, 而荒草地覆被土壤的入滲速度最慢。
植被通過截留、攔蓄的作用, 能合理地調(diào)配坡面徑流。植被的密度在很大程度上影響著地表徑流量。有研究表明[72], 山區(qū)坡地產(chǎn)流量會隨著林分密度的增大而減小。朱麗等[73]研究發(fā)現(xiàn), 土石山區(qū)植被條件較好時(shí)期, 地表產(chǎn)流有所減少。而王賀年等[74]發(fā)現(xiàn), 土石山區(qū)降水量較少的地區(qū), 地表徑流量隨植被密度的變化并不明顯, 植被對徑流的影響很小。在降水量較高的地區(qū), 隨著植被密度的增加, 區(qū)域內(nèi)的徑流量呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。兩者的結(jié)果差異可能是研究尺度不同而造成的。
黃土高原土石山區(qū)及華北土石山區(qū)的部分地區(qū)土層淺薄、天然林覆蓋率低、部分地區(qū)裸露地較多, 土壤侵蝕嚴(yán)重。土壤侵蝕會帶走土壤中的部分營養(yǎng)元素, 從而使得土壤中營養(yǎng)元素含量降低, 土壤肥力下降[75]。植被作為減少土壤侵蝕的措施, 很早就受到重視。植被覆蓋能減少地表由于雨滴擊濺和地表徑流等外力形成的侵蝕[76]。通過對北京土門西溝流域內(nèi)裸荒地和水源保護(hù)林的對比研究, 發(fā)現(xiàn)裸荒地場降雨產(chǎn)沙量占場降雨侵蝕總量的92.47%~100.00%, 而水源保護(hù)林地(包括刺槐和油松林地)的產(chǎn)沙量僅占總侵蝕量的15.23%~7.53%[77]。說明華北土石山區(qū)水源保護(hù)林建設(shè)有效地減少了降雨對坡地土壤的侵蝕。坡地土壤侵蝕過程包括雨滴擊濺和坡面流對土壤的分散過程, 以及坡面流對分散顆粒的輸移過程[78-79]。通過在土石山區(qū)進(jìn)行野外人工模擬降雨試驗(yàn), 叢月等[80]研究發(fā)現(xiàn), 植被覆蓋度越大, 土壤濺蝕量隨雨強(qiáng)增大而增大的幅度越小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度40%是一個(gè)臨界值。也就是說, 植被覆蓋率達(dá)到40%, 就可以有效減少降雨對土壤的濺蝕作用。周柱棟等[81]從水動力學(xué)和侵蝕方式演變角度分析了植被密度對坡面流粒徑分選性的影響, 發(fā)現(xiàn)流量一定時(shí), 隨著植被密度的增加, 各粒徑組分百分比隨沖刷時(shí)間波動性增加, 即植被密度越大, 土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定, 越不容易被侵蝕。
從林分的林種結(jié)構(gòu)配置看, 混交林抗土壤侵蝕能力好于純林。其原因是混交林的地上部分和地下部分彼此交錯分布, 地表枯落物更豐富, 增加了土壤腐殖質(zhì)含量, 改良了土壤質(zhì)量, 因而具有更大的水土保持功能[82]。張東旭等[83]采用靜水崩解試驗(yàn)的方法, 測定土石山區(qū)典型防護(hù)林的土壤抗蝕指數(shù), 發(fā)現(xiàn)混交林的土壤抗蝕指數(shù)比人工純林高15%左右, 可見混交林對土壤具有較好的改良作用。
土石山區(qū)土壤的水分含量較少、土壤環(huán)境惡劣。土石山區(qū)的植被恢復(fù)可以提高土壤持水能力的同時(shí)改善土壤環(huán)境。植被恢復(fù)對土壤環(huán)境的影響, 可分為植被對土壤水、土壤質(zhì)量、土壤碳等方面的影響, 植被恢復(fù)可以顯著增加土壤含水量。在土石山區(qū)種植刺槐、側(cè)柏混交林可以使區(qū)域土壤理化性質(zhì)得到改善, 水源涵養(yǎng)能力得到了大幅度提升[15]。任啟文等[84]研究表明, 華北土石山區(qū)栽植華北落葉松()-白樺混交林對土壤持水能力的改善作用較大, 特別是對最大持水量和田間持水量有明顯的改善作用。
土壤質(zhì)量指土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi), 維持生物的生產(chǎn)能力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)動植物健康的能力[85]。Garcia等[86]和Gil-Sotres等[87]指出, 植被恢復(fù)一方面增加了地表的植被覆蓋, 減少了土壤侵蝕和養(yǎng)分的流失; 另一方面, 植物殘?bào)w、根系以及根系分泌物的存在還增加了向土壤輸入的有機(jī)物質(zhì)。植被恢復(fù)有利于促進(jìn)土石山區(qū)侵蝕土壤發(fā)育、改善土壤特性、提高土壤質(zhì)量[88]。有研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)不僅可以改善土壤的物理性質(zhì)[89], 還可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量與速效磷、全氮、全磷含量, 改善土壤質(zhì)量[90]。任麗娜等[25]發(fā)現(xiàn)北方土石山區(qū)在種植落葉松后, 土壤質(zhì)地有變黏的趨勢, 土壤變得更加板結(jié)、緊實(shí)。馬云波等[91]研究發(fā)現(xiàn), 人工林隨林齡的增長, 林下土壤氮含量、速效磷含量上升, 土壤質(zhì)量明顯改善。劉洋等[35]研究也發(fā)現(xiàn), 隨著植被恢復(fù)年限延長, 太行山片麻巖山區(qū)坡面土壤有效養(yǎng)分增多, 持水能力增強(qiáng), 土壤質(zhì)量變好??偟膩碚f, 土石山區(qū)植被覆蓋區(qū)域的土壤擁有良好的土壤質(zhì)量狀況。但植被類型不同, 其對土壤質(zhì)量的改良作用也不同。例如, 刺槐林的土壤有效氮轉(zhuǎn)化速率較高, 側(cè)柏林有較高的細(xì)根參數(shù), 草地能夠提高土壤中可吸收的磷組分等[17]。任啟文等[84]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 森林植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量的改善作用是由淺及深的過程, 隨著林齡增大, 其對土壤質(zhì)量的改善作用逐漸深入到土壤中下層。而在不同的植被恢復(fù)類型中, 混交林的土壤養(yǎng)分狀況要好于純林。
隨著全球氣候變化研究的開展, 土壤碳的研究也引起了學(xué)者的關(guān)注。翁伯琦等[92]提出植被恢復(fù)進(jìn)程實(shí)際上就是植被與土壤相互影響和相互作用的過程。植被恢復(fù)過程中, 植被-土壤復(fù)合系統(tǒng)通過相互作用使得生態(tài)系統(tǒng)向土壤輸入的碳素增加, 同時(shí)土壤呼吸所釋放的碳素也顯著增加[93]。有研究發(fā)現(xiàn)[94], 灌木林作為土石山區(qū)重要的植被恢復(fù)類型, 土壤有機(jī)碳含量高于人工針葉純林2倍左右, 能有效提高土壤的養(yǎng)分含量。此外, 林分密度對土壤有機(jī)碳含量及碳密度有顯著影響。任麗娜等[25]在研究土石山區(qū)油松人工林時(shí)發(fā)現(xiàn), 林分密度通過改變光照、土壤微環(huán)境等影響土壤有機(jī)碳的輸入和輸出, 從而影響土壤有機(jī)碳含量和碳密度。
在植被恢復(fù)過程中, 土壤為植物的生長提供水分和礦物質(zhì)養(yǎng)分, 其含量不僅影響植物的生長發(fā)育, 也決定著植物群落的類型和分布[95]。土石山區(qū)土壤質(zhì)量較差, 土壤微生物多樣性低, 地上植物種類單一。植被恢復(fù)可以使土壤質(zhì)量不斷恢復(fù)提高, 植被覆蓋度與植物種類顯著增加,植物多樣性顯著提高[92]。
植被恢復(fù)在受環(huán)境影響的同時(shí), 也影響著周圍的環(huán)境, 由于植被與環(huán)境之間的相互影響, 使植被物種豐富度、多樣性和均勻度逐步達(dá)到穩(wěn)定[15]。有研究發(fā)現(xiàn)[96], 隨著植被恢復(fù)演替的進(jìn)行, 華北土石山區(qū)群落的物種多樣性先升高后降低, 之后會逐漸趨于穩(wěn)定。植被恢復(fù)演替過程中, 高大個(gè)體在群落中所占比例會逐漸增加, 高度較低或個(gè)體較小的植物種會先增加后減少[97]。曾歆花等[98]對太行山低山丘陵區(qū)植被物種多樣性研究發(fā)現(xiàn), 植被恢復(fù)過程中, 草本植物的物種數(shù)顯著減少, 喬木物種數(shù)有所增加, 群落結(jié)構(gòu)漸趨合理。魯紹偉等[72]研究發(fā)現(xiàn), 油松林覆被下草本層、灌木層的物種多樣性呈現(xiàn)由高密度向低密度油松林增大的趨勢。由此可見植被密度也會影響植物的多樣性。
植被通過改變土壤結(jié)構(gòu)來改變微生物的生長環(huán)境, 同時(shí)植物根系的分泌物也會對根系微生物群落產(chǎn)生影響。不同的植被恢復(fù)類型下土壤微生物多樣性也會有差異。楊喜田等[99]對土石山區(qū)6種不同植被恢復(fù)類型下群落中土壤微生物的多樣性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn), 灌叢地中的土壤微生物及細(xì)菌的多樣性都為最高; 而郁閉度較小的刺槐純林, 由于對土壤有機(jī)質(zhì)的改良作用較小, 土壤微生物的多樣性最低。
綜上所述, 土石山區(qū)的植被恢復(fù)改良了區(qū)域土壤結(jié)構(gòu), 提高了土壤涵養(yǎng)水分的能力和土壤肥力質(zhì)量, 同時(shí)良好的土壤條件反過來也對植物群落及生物多樣性產(chǎn)生影響, 二者相互影響、相互促進(jìn), 使得這種相互作用隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行而不斷加強(qiáng)。
多年的研究實(shí)踐證明, 植被恢復(fù)是北方土石山區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建的重要途經(jīng)。近些年來, 隨著國家對生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的高度重視, 土石山區(qū)植被恢復(fù)的研究得到了快速發(fā)展。一些地區(qū)取得的成效為北方土石山區(qū)提供了成功的范例[100], 使植被恢復(fù)的理論研究得到豐富和發(fā)展。但由于自然和社會經(jīng)濟(jì)等條件的限制, 土石山區(qū)植被恢復(fù)的難度依然很大。土石山區(qū)植被恢復(fù)的理論、方法和內(nèi)容仍然有待進(jìn)一步完善。
首先對本地樹種的重視程度不夠。為追求經(jīng)濟(jì)效益和植被覆蓋面積, 大面積種植經(jīng)濟(jì)樹種和外來樹種, 忽視了具有生態(tài)價(jià)值的鄉(xiāng)土種[58]。而多數(shù)外來樹種及經(jīng)濟(jì)種, 雖會因幼苗期的水分和土壤養(yǎng)分的供給充足, 長勢相對良好[30]。但經(jīng)過幾年的生長, 土石山區(qū)的水分和養(yǎng)分資源漸漸不能滿足植物生長, 會導(dǎo)致植物長勢減緩, 甚至死亡[101]。因此植被恢復(fù)過程中, 應(yīng)明確不同地區(qū)氣候和立地條件的差異, 合理配置樹種。鄉(xiāng)土種經(jīng)過長期的進(jìn)化, 已經(jīng)適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件, 與外來引用種相比, 有更高的存活率[102]。因此, 建議篩選優(yōu)良的當(dāng)?shù)刂参镞M(jìn)行樹種配置種植, 以促進(jìn)土石山區(qū)植被的快速恢復(fù)。
其次缺乏環(huán)境綜合因素對植被恢復(fù)的研究。環(huán)境因素對植被恢復(fù)影響的研究中, 多數(shù)只考慮單因素的影響[37,46], 且研究時(shí)間較短, 資料收集有限, 不利于長期、綜合分析研究[74]。另外, 植被恢復(fù)對環(huán)境影響的量化方法還比較缺乏, 且植被恢復(fù)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境動態(tài)影響的研究明顯不足[98], 存在研究時(shí)間較短, 資料數(shù)據(jù)有限的問題。因此在今后的研究中應(yīng)將微觀的機(jī)理研究與宏觀的動態(tài)研究相結(jié)合[103], 建立植被恢復(fù)與環(huán)境相互作用的轉(zhuǎn)換機(jī)制, 為區(qū)域植被恢復(fù)重建提供決策基礎(chǔ)。在研究時(shí)間尺度上, 應(yīng)建立固定樣地進(jìn)行長期定位觀測, 以獲得長期可靠的數(shù)據(jù)以評價(jià)不同植被配置模式對土石山區(qū)生態(tài)恢復(fù)重建的作用[104]。此外, 把遙感[105]、生態(tài)系統(tǒng)評估模型[106]等大尺度觀測手段與定點(diǎn)觀測方法相結(jié)合, 加強(qiáng)對植被恢復(fù)與環(huán)境相互影響的量化研究, 為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考, 是未來發(fā)展的重要趨勢?,F(xiàn)在多數(shù)研究只是通過植被恢復(fù)后的水土流失狀況[80]、土壤肥力[88]、土壤化學(xué)性質(zhì)[107]及植被覆蓋率[105]等方面評價(jià)植被恢復(fù)的生態(tài)效益, 而對于植被恢復(fù)所產(chǎn)生的長時(shí)間和大范圍的生態(tài)效益評價(jià)較少[108]。此外, 對于植被恢復(fù)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益研究更為缺乏。因此, 建立土石山區(qū)植被恢復(fù)綜合效益的評價(jià)系統(tǒng), 進(jìn)行合理、有效的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評價(jià), 對于土石山區(qū)植被恢復(fù), 改善生態(tài)環(huán)境有重要作用。
植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分, 其對氣候變化的響應(yīng)顯著, 被認(rèn)為是全球氣候變化的指示器[109]。近年來, 對于全球氣候變化下植被的動態(tài)響應(yīng)成為了目前研究的熱點(diǎn)問題[110]。全球氣候變化致使極端氣候事件頻發(fā), 而生態(tài)脆弱區(qū)的植被對極端氣候的響應(yīng)異常敏感。因此, 研究植被對極端氣候事件的響應(yīng), 對區(qū)域植被恢復(fù)和保護(hù)工作具有重要的意義。國際上學(xué)者在蒙古高原地區(qū)[111]、亞馬遜雨林地區(qū)[112]等生態(tài)環(huán)境敏感地區(qū), 研究了植被對干旱、厄爾尼諾等極端氣候事件的響應(yīng), 取得了顯著的研究成果, 而國內(nèi)的此類研究則稍顯缺乏。土石山區(qū)屬于典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū), 區(qū)域內(nèi)植被對于氣候變化的響應(yīng)較為敏感, 全球氣候變化所導(dǎo)致的極端氣候?qū)^(qū)域內(nèi)的植被生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的影響[60]。因此, 了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變規(guī)律, 明確植被對極端氣候事件的響應(yīng)機(jī)制, 對重建良性生態(tài)環(huán)境具有重要意義。
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Research advances in vegetation restoration and its ecological effects in earth-rock mountain areas of North China*
WANG Zhiyin1,2, CAO Jiansheng1**
(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Afforestation is a method for building a beautiful China, promoting the construction of ecological civilization, and improving the well-being of people’s livelihood. It is a concrete measure to realize the green hills and mountains. The sparse vegetation, poor soil, severe climate, frequent disasters, and unreasonable production from human activities in the northern earth-rocky mountains have caused serious damage to the vegetation in the region, resulting in a series of ecological and environmental problems and forming large exposed areas of rocks, serious soil erosion. Vegetation recovery is the key to ecological restoration in this region. Here, we reviewed the current research status of vegetation restoration in the earth-rocky mountains of North China and the existing problems in current research, including allocation patterns and afforestation technology selection in vegetation restoration, environmental factors affecting vegetation restoration, and ecological effects of vegetation restoration. Further, we discussed the effects of allocating different tree species and afforestation techniques on the survival rate of afforestation. It was pointed out that the variant tree species and rational regulation of tree water use were keys to successful vegetation restoration in the earth-rocky mountains. We also discussed the effects of soil fertility, water, topography, and zonal differences on vegetation restoration, and the hydrological, soil and water conservation, soil environment, and biodiversity effects of vegetation restoration. We found that, in the process of vegetation restoration in the earth-rocky mountains, the vegetation and the environment interacted with and promoted each other; this, in turn, accelerated the restoration and upgrading of the regional ecosystem structure and function. At the same time, it was found that the researches on topographic effect of vegetation change in the earth-rocky mountains was relatively lacking, and the mechanism of soil nutrient impact on vegetation restoration was not yet clear. Finally, there were problems of unreasonable tree species selection, short research scale, limited data, and insufficient economic research on vegetation restoration in the process of vegetation restoration in the earth-rocky mountains. Our study proposed that more attention should be paid to selecting fine native tree species to plant in combination, establishing a long-term monitoring network for vegetation succession, monitoring and evaluating the comprehensive benefits of vegetation restoration, and clarifying the response mechanisms of vegetation to extreme climate; solving these issues was the next step in restoring vegetation research in the earth-rocky mountains.
Earth-rocky mountain area in North China; Vegetation restoration; Vegetation configuration mode; Afforestation techniques; Environmental factors; Ecological effects
, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn
Feb. 16, 2019;
May 5, 2019
S7-05
2096-6237(2019)09-1319-13
10.13930/j.cnki.cjea.190108
曹建生, 主要從事生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及生態(tài)水文研究。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn王志印, 主要研究方向?yàn)樯絽^(qū)生態(tài)水文。E-mail: 18213516753@163.com
2019-02-16
2019-05-05
* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFC0406501-02) and the National Natural Science Foundation of China (41877170).
* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0406501-02)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41877170)資助
王志印, 曹建生. 中國北方土石山區(qū)植被恢復(fù)及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(9): 1319-1331
WANG Z Y, CAO J S.Research advances in vegetation restoration and its ecological effects in earth-rock mountain areas of North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1319-1331