半干旱黃土區(qū)檸條生長(zhǎng)與環(huán)境因子的關(guān)系研究進(jìn)展

王子婷，柴春山，張洋東，陳 榮，戚建莉

(1.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030； 2.定西市水土保持科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000)

1 研究背景

中國(guó)黃土高原土地面積62萬(wàn)km2，其中降水量在300～500 mm的半干旱地區(qū)以山西的雁北、陜西的北部、寧夏南部山區(qū)、甘肅的定西為中心，約占黃土高原總面積的60%[1]。生態(tài)環(huán)境脆弱，加上長(zhǎng)期不合理的人類活動(dòng)，使得該區(qū)溝壑縱橫、地形破碎、水土流失嚴(yán)重[2]。為維持該區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，人工林草建設(shè)被視為該區(qū)植被恢復(fù)的主要措施之一[3]。但在具體實(shí)施過(guò)程中，不論立地類型差異均機(jī)械性地遵照統(tǒng)一的人工林草建設(shè)模式，并片面追求過(guò)高生產(chǎn)力，進(jìn)行高密度栽植，致使出現(xiàn)了小老樹(shù)、土壤干化等問(wèn)題，使得群落衰敗、生態(tài)系統(tǒng)退化[4-5]。因此，在半干旱黃土高原植被恢復(fù)與建設(shè)中，從樹(shù)種的選擇到栽植模式的選擇都需要遵照自然規(guī)律，符合生態(tài)學(xué)原則。

檸條(Caraganakorshinskii)屬豆科錦雞兒屬多年生灌木，是黃土高原地區(qū)的地帶性植被，因其適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、繁殖容易等特性，被篩選確定為該區(qū)最適宜人工造林的優(yōu)良灌木樹(shù)種[6]和建立集流灌草配置模式的主要物種[7]。然而，半干旱黃土區(qū)地形破碎、溝壑縱橫，坡面水熱組合條件變化較大[8]，非地帶性因子差別顯著，故在植被恢復(fù)與建設(shè)實(shí)踐中還需充分考慮非地帶性因子[5]，如坡向、坡度、坡位、坡面地形和水分條件的差異。為此，我們對(duì)半干旱黃土區(qū)檸條人工林生長(zhǎng)與環(huán)境因子的關(guān)系研究進(jìn)行梳理，以期全面掌握檸條生長(zhǎng)與環(huán)境因子的關(guān)系，確定影響植被生長(zhǎng)的環(huán)境要素，從而更科學(xué)有效地指導(dǎo)該區(qū)人工植被建設(shè)與管理。

2 影響檸條生長(zhǎng)的環(huán)境因子

2.1 地帶性因素——?dú)夂蛞蜃?/h3>

氣候因子中的降水、積溫、光照強(qiáng)度和蒸發(fā)量等都是影響植株生長(zhǎng)的因素，其中降水是檸條生長(zhǎng)與分布的主要限制因子。半干旱黃土區(qū)全年降水分布不均，多集中在7—9月，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，降水的流失和蒸發(fā)致使土壤水分含量較低。同時(shí)，降雨使得黃土區(qū)植被表層土壤水分含量呈短期脈動(dòng)變化，且這種影響隨著土層深度的增加而減弱[9]。郭忠升等[10]在黃土丘陵半干旱區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，檸條林地降雨入滲深度最大為2.7 m。檸條的地上和地下生長(zhǎng)過(guò)程與降雨變化關(guān)系密切，趙艷云等[11]研究發(fā)現(xiàn)，檸條的株高、分枝數(shù)、單株生物量與年度累積降雨量之間呈“S”型曲線關(guān)系，根系的生長(zhǎng)與降雨量之間則呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，說(shuō)明檸條生長(zhǎng)過(guò)程與降雨量有極大的相關(guān)性；同時(shí)，檸條人工林不同生長(zhǎng)階段對(duì)降雨變化的響應(yīng)亦有不同，在檸條生長(zhǎng)的前11年，株高、分枝數(shù)、單株生物量及根深隨降雨量的增加基本上呈直線上升的趨勢(shì)，第12年增幅達(dá)到最大，但在之后的生長(zhǎng)過(guò)程中檸條的各生長(zhǎng)指標(biāo)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，偶爾有衰退現(xiàn)象。魏佳英等[12]在對(duì)甘肅定西成熟檸條林所做的研究中發(fā)現(xiàn)，新梢生長(zhǎng)量?jī)H與0～200 cm剖面的土壤水分成顯著性相關(guān)，且這一入滲層剖面的土壤水分對(duì)植被生長(zhǎng)的影響是短期的，主要表現(xiàn)在對(duì)新梢生長(zhǎng)上。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，積溫和蒸發(fā)量對(duì)檸條人工林的地徑和生物量有一定影響[13]。總之，半干旱黃土區(qū)人工檸條林生長(zhǎng)受降雨及溫度變化的影響，這在檸條生長(zhǎng)的前期表現(xiàn)尤為明顯，生長(zhǎng)后期受水分的限制檸條逐步開(kāi)始退化。

2.2 非地帶性因素

2.2.1 地形因子

半干旱黃土區(qū)坡面微地形變化(坡向、坡度和坡位等)引起降雨和熱量的再分配，這決定了坡面檸條人工林的生長(zhǎng)與時(shí)空分布格局。陳云明[14]在陜北對(duì)檸條幼林的研究發(fā)現(xiàn)，影響檸條單叢生物量的環(huán)境因子主要有坡位、坡向和坡度等，其中陰坡檸條生長(zhǎng)好于陽(yáng)坡，下坡位生長(zhǎng)好于中上坡位，坡面坡度越大檸條生長(zhǎng)越差。不同生長(zhǎng)年限的檸條株高、分枝數(shù)和地徑對(duì)地形變化的響應(yīng)亦有不同。程杰等[15]在寧夏固原研究發(fā)現(xiàn)，幼齡(1～7年生)和老齡(16～23年生)檸條林株高隨坡面上升而降低，中齡(8～15年生)檸條林株高變化相反，3個(gè)林齡檸條林分枝數(shù)和地徑均隨坡面的上升而降低。趙艷云等[11]對(duì)寧夏上黃17年生檸條林的研究表明，坡位對(duì)檸條株高、根深及生物量生長(zhǎng)有顯著影響，對(duì)分枝數(shù)沒(méi)有明顯影響。王子婷等[16]在半干旱黃土丘陵區(qū)對(duì)成熟檸條林的研究發(fā)現(xiàn)，陰坡檸條生長(zhǎng)明顯好于陽(yáng)坡，下坡位生長(zhǎng)量略好于中上坡位。然而，畢建琦等[17]在黃土高原丘陵區(qū)對(duì)3年生幼齡檸條林的研究發(fā)現(xiàn)，地上及地下生物量均表現(xiàn)為陽(yáng)坡生長(zhǎng)好于陰坡。因此，地形因子通過(guò)對(duì)光照、熱量和水分的組合與分配影響不同林齡檸條生長(zhǎng)。在幼齡期，相對(duì)于水分條件而言，光照強(qiáng)度是其生長(zhǎng)的限制因子，故表現(xiàn)為陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡光合產(chǎn)物較高，檸條生物量大于陰坡和半陰坡；而進(jìn)入中齡期以后，土壤水分則成為影響檸條生長(zhǎng)的主要影響因子，故表現(xiàn)為陰坡、半陰坡的生長(zhǎng)好于陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡。

2.2.2 土壤水分及養(yǎng)分

在半干旱黃土區(qū)，水分是影響生態(tài)系統(tǒng)功能和過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子[18]，也是植被生長(zhǎng)和生存的重要環(huán)境組成部分，直接影響植被的生長(zhǎng)發(fā)育、結(jié)構(gòu)特征及群落穩(wěn)定性。同樣，土壤含水量的高低也受氣候、地形及植被因素的綜合影響。因此，地形因子會(huì)改變土壤水分含量，同時(shí)土壤水分含量的變化與植被生長(zhǎng)又是一個(gè)相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程。不同林齡的檸條林對(duì)土壤水分的利用深度亦有不同，隨著林齡的增加，檸條對(duì)土壤水分利用的深度和耗水量增加[19]。在半干旱黃土丘陵區(qū)檸條林發(fā)育至成熟階段，土壤水分補(bǔ)償與消減將會(huì)保持平衡狀態(tài)，在對(duì)其生長(zhǎng)狀況及影響要素分析中發(fā)現(xiàn)，地形和土壤水分解釋了59.9%的成熟檸條生長(zhǎng)變異，其中檸條生長(zhǎng)對(duì)淺層(0～200 cm)土壤水分的響應(yīng)敏感且存在正相關(guān)關(guān)系，而與深層(200～600 cm)土壤水分則呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系[16]。在該區(qū)的研究還發(fā)現(xiàn)，地形差異造成了土壤水分規(guī)律性變化，但在特定植被生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)和坡面尺度下，植被因子將成為土壤水分動(dòng)態(tài)變化的主控因子[20]。土壤水分與植被生長(zhǎng)的相互關(guān)系一方面表現(xiàn)出一定的時(shí)間差，另一方面植被對(duì)土壤水分也具有一定的適應(yīng)性。這是因?yàn)橥寥篮矢邥?huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，植物生長(zhǎng)勢(shì)增強(qiáng)則會(huì)進(jìn)一步加大對(duì)土壤水分的消耗，從而引起土壤水分含量不足，抑制植物生長(zhǎng)，植物生長(zhǎng)勢(shì)減弱又會(huì)進(jìn)一步降低對(duì)土壤水分的消耗[21]。

土壤養(yǎng)分是土壤物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)的綜合反映，能通過(guò)直接或間接的途徑影響植物生長(zhǎng)，對(duì)植被恢復(fù)至關(guān)重要[22]。同時(shí)養(yǎng)分的吸收又與檸條的生長(zhǎng)階段有關(guān)，幼齡期檸條生長(zhǎng)量很大，其對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收量就高，而隨著檸條生長(zhǎng)年限的增加，土壤中速效養(yǎng)分及微量元素含量呈下降趨勢(shì)，尤其是速效鉀和鐵含量降低明顯[11]。同時(shí)，在半干旱黃土區(qū)土壤養(yǎng)分的利用又與土壤水分相耦合。陳建文等[23]在對(duì)晉西北黃土高原檸條人工林幼林與成林細(xì)根生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)比較的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤水分和養(yǎng)分共同作用影響細(xì)根在土壤剖面的生長(zhǎng)與分布。隨著檸條林不斷生長(zhǎng)，會(huì)引起不同土層深度土壤水分的虧缺，而缺水會(huì)造成固態(tài)養(yǎng)分溶化與供應(yīng)滯后，使得檸條在生長(zhǎng)到一定年限后出現(xiàn)部分營(yíng)養(yǎng)元素的虧缺，從而導(dǎo)致檸條在達(dá)到一定樹(shù)齡后生長(zhǎng)停滯甚至出現(xiàn)衰退[24]，最終表現(xiàn)為土壤養(yǎng)分與檸條生產(chǎn)力的高低相關(guān)性不顯著，與土壤水分的相關(guān)性也不顯著[12]。也有研究表明，檸條生長(zhǎng)年限與林地土壤養(yǎng)分狀況關(guān)系不大，在對(duì)退化林地采用平茬方式進(jìn)行復(fù)壯更新后，檸條生物量的積累與土壤養(yǎng)分的關(guān)系不明顯，不同平茬方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響亦不顯著[25-26]。因此，土壤養(yǎng)分對(duì)檸條生長(zhǎng)發(fā)育的影響是非常有限的。

2.2.3 栽植密度

黃土高原地區(qū)人工植被種植密度過(guò)大，造成土壤水分過(guò)度消耗，是形成深層土壤干化的直接原因[27]。研究表明，不同植被類型對(duì)土壤水分的影響差異很大，而同一植被類型不同的密度、生物量及生長(zhǎng)年限造成土壤干化的程度和厚度也不同[28-30]。故在半干旱區(qū)進(jìn)行人工植被恢復(fù)時(shí)，林地密度是影響植被恢復(fù)的重要因子，它不僅影響林分生長(zhǎng)、單株生物量和產(chǎn)量，而且還影響土壤水分補(bǔ)給、供應(yīng)和消耗。郭忠升等[31]通過(guò)構(gòu)建確定土壤水分植被承載力數(shù)學(xué)模型，研究檸條密度與根層土壤水分補(bǔ)給、土壤水分消耗及林分生長(zhǎng)的關(guān)系，結(jié)果表明，檸條的成林密度顯著影響其生長(zhǎng)過(guò)程，當(dāng)檸條林密度相對(duì)較低時(shí)，檸條生長(zhǎng)對(duì)土壤貯水量影響不大，檸條生長(zhǎng)耗水量小于大氣降水補(bǔ)給量，林地土壤水分處于積蓄狀態(tài)，對(duì)檸條生長(zhǎng)有利，而在密度制約很強(qiáng)的情況下，檸條生長(zhǎng)耗水大于補(bǔ)給量，土壤水分處于虧缺狀態(tài)，檸條生長(zhǎng)則受到限制[32]。當(dāng)然，幼齡檸條林過(guò)于稀疏也會(huì)因不利于土壤含水率的保持而影響檸條生長(zhǎng)。張文文等[33]在黃土丘陵半干旱區(qū)檸條林密度對(duì)土壤水分和檸條生長(zhǎng)的影響研究中發(fā)現(xiàn)，檸條低密度小區(qū)因蓋度較低，蒸散發(fā)造成的水分損耗較多，加上檸條自身生長(zhǎng)對(duì)水分的吸收(因1～5年生檸條生長(zhǎng)較快，對(duì)水分的利用也較多)，使得低密度小區(qū)土壤水資源顯著低于高密度種植小區(qū)。因此，檸條植株密度與其生長(zhǎng)的關(guān)系受土壤水分的補(bǔ)給和消耗、林分生長(zhǎng)及發(fā)育階段等因素的綜合影響。

2.2.4 整地方式

半干旱黃土區(qū)水土流失防治的核心是促進(jìn)水分就地入滲，為了在該區(qū)實(shí)現(xiàn)有限水分的持續(xù)利用，在生態(tài)治理和植被恢復(fù)過(guò)程中，實(shí)施了包括整修梯田、魚鱗坑、反坡臺(tái)、水平階、水平溝等形式多樣的整地措施，使得原始坡面自然景觀在整地后形成了微地形與植被恢復(fù)耦合下的新景觀。研究證明，整地對(duì)黃土高原生態(tài)修復(fù)和環(huán)境改善有重要作用，相比自然坡面，在進(jìn)行工程措施改造后可有效攔沙截流、蓄水保墑、改善土壤及植被生長(zhǎng)條件[34-35]。因此，不同整地方式在該區(qū)廣為應(yīng)用，而其對(duì)植被生長(zhǎng)的影響也備受研究者的關(guān)注。研究表明，在該區(qū)進(jìn)行水平階整地栽植檸條，檸條的分枝數(shù)、地徑、地上生物量和地下生物量均高于荒坡，其中僅就株高而言，幼齡期(1～7年生)和中齡期(8～15年生)水平階檸條株高顯著高于荒坡，隨著檸條生長(zhǎng)的繼續(xù)，在進(jìn)入老齡期(13～23年生)后因深層土壤水分的影響，水平階和荒坡檸條株高差異不顯著[15]。同時(shí)，不同整地方式對(duì)于檸條株高、分枝數(shù)、根深、單株生物量均有顯著影響[11]，在半干旱黃土區(qū)對(duì)10°～20°荒山采用水平階、水平溝和魚鱗坑整地均可促進(jìn)灌草植被的生長(zhǎng)，并大幅提高檸條的生物產(chǎn)量[6]，這主要是由于不同的整地方式改善了土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力及土壤水分狀況等，進(jìn)而影響了檸條的生長(zhǎng)。因此，在相應(yīng)坡位上開(kāi)展適宜的整地措施，將有利于檸條的生長(zhǎng)和植被恢復(fù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在半干旱黃土區(qū)不同整地措施會(huì)影響降雨在坡面土壤的水分再分配，加之不同坡向、坡位和坡度等地形因子的共同影響，使得檸條生長(zhǎng)發(fā)生差異，而檸條地上生長(zhǎng)不同又會(huì)影響土壤水分的變化，同時(shí)植株密度又是調(diào)節(jié)土壤水分的重要因子，并間接調(diào)控了檸條后期的生長(zhǎng)和更新。水分是該區(qū)坡面人工植被恢復(fù)的主要限制因子，坡面整地措施提高了水分利用效率，但過(guò)度消耗土壤水分則會(huì)引起深層土壤水分虧缺，導(dǎo)致林地退化。因此，在半干旱黃土區(qū)植被恢復(fù)中，不可過(guò)多強(qiáng)調(diào)單一的植被建設(shè)模式，應(yīng)在遵循植被地帶性規(guī)律的基礎(chǔ)上結(jié)合局部地形變化及林木發(fā)育階段確定合理的栽植密度，并輔以科學(xué)的水土保持集水措施及后期管理措施(如平茬)等，從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)植被恢復(fù)的可持續(xù)性。此外，在過(guò)熟人工林地或退化林地中增加一些開(kāi)花的鄉(xiāng)土小灌木，可提高植物多樣性及生態(tài)功能，促進(jìn)林地自然更新并減少病蟲害的發(fā)生。