毛烏素沙地飛播楊柴林平茬復(fù)壯成效分析

李卓凡，蘇 和，王曉江，張 雷，洪光宇，高孝威，李梓豪，海 龍，武永智，吳建新，白 艷，蘇雅拉巴雅爾

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古大青山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)退耕還林和外援項(xiàng)目管理中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010； 4. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原有害生物防治檢疫總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 5. 烏審旗國(guó)有烏蘭陶勒蓋治沙站，內(nèi)蒙古 烏審旗 017300)

荒漠化已成為當(dāng)今世界上最嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題之一，植被恢復(fù)與重建可有效控制土地的沙化，是防治與治理土地荒漠化的主要方式[1]。飛播造林運(yùn)用森林天然下種更新原理，利用飛機(jī)把林木種子或種子丸撒在造林地上，是加速沙區(qū)治理、促進(jìn)植被恢復(fù)的一種有效方法，其遵循生物學(xué)和森林生態(tài)學(xué)的基本規(guī)律，也是將人工促進(jìn)天然更新和人工更新相結(jié)合的一種造林方式[2]。楊柴(Hedysarummongolicum)是沙區(qū)飛播造林的主要樹(shù)種，其抗逆性和適應(yīng)性均很強(qiáng)，具有耐旱、耐寒、耐高溫、耐瘠薄、抗風(fēng)沙等特點(diǎn)，其在50 cm沙層且含水量?jī)H有 0.72% 的條件下仍能維持生命，冬季能忍受 -35 ℃以下的嚴(yán)寒，夏季能

忍耐45 ℃以上的沙地高溫，幼株或成年植株枝條全部沙埋后仍能萌發(fā)出土并能正常生長(zhǎng)[3]。

目前，我國(guó)飛播林經(jīng)營(yíng)相對(duì)滯后，多側(cè)重于現(xiàn)狀管護(hù)，重“造”輕“管”。飛播楊柴林以純林為主，樹(shù)種相對(duì)單一，空間結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，種群空間格局為聚集度較高的群團(tuán)型，而且為了增加成活率及增強(qiáng)防風(fēng)效益，灌木林單位面積內(nèi)植株密度較高，灌叢植物整體長(zhǎng)勢(shì)衰退，自然枯死現(xiàn)象嚴(yán)重，生產(chǎn)力下降[4]。因此，對(duì)飛播楊柴林的生長(zhǎng)規(guī)律、經(jīng)營(yíng)管理等進(jìn)行相關(guān)研究在生產(chǎn)實(shí)踐中較為迫切，平茬復(fù)壯在灌木林的經(jīng)營(yíng)管理中已成為更新?lián)嵊闹匾侄沃籟5-10]。本研究以毛烏素沙地飛播楊柴林為研究對(duì)象，進(jìn)行不同平茬方式以及不同預(yù)留蓋度的平茬處理，通過(guò)連續(xù)觀測(cè)平茬楊柴生長(zhǎng)指標(biāo)特征，探討適用于飛播楊柴林的平茬復(fù)壯技術(shù)，旨在為今后飛播楊柴林林分結(jié)構(gòu)改造和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地中部，地理坐標(biāo)為37°38′54″—39°23′50″N，108°17′36″—109°40′22″E。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6～8 ℃，年平均日照時(shí)長(zhǎng)2 000～3 000 h，年降水量350～400 mm，多集中在7—9月，年蒸發(fā)量2 200～2 800 mm，無(wú)霜期125～135 d，年均風(fēng)速 3.5 m·s-1，大風(fēng)多出現(xiàn)在4—5月，以西北風(fēng)為主，夏季盛行東南風(fēng)。研究區(qū)主要有楊柴、沙柳(Salixpsammophila)、油蒿(Artemisiaordosica)、花棒(Hedysarumscoparium)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)等旱生灌木[11-12]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

以迎風(fēng)坡立地條件下未進(jìn)行過(guò)平茬作業(yè)的飛播楊柴林(2002年飛播)為研究對(duì)象，選擇帶狀和塊狀2種平茬方式，以未平茬楊柴林分作為對(duì)照組，塊狀平茬以平茬面積5 m × 5 m、保留面積5 m × 5 m、“品”字形對(duì)坡面進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)開(kāi)展帶狀平茬方式下預(yù)留 10% 蓋度、20% 蓋度、30% 蓋度、40% 蓋度4種平茬強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)實(shí)地踏查，選擇具有代表性區(qū)域布設(shè)40 m × 50 m典型樣地，平茬前對(duì)各樣地楊柴林生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行本底調(diào)查，平茬時(shí)間選擇春季楊柴萌發(fā)前進(jìn)行，平茬后高度為0 cm，平茬后對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行圍封保護(hù)。

2.2 植被調(diào)查

樣地內(nèi)在坡上、坡中、坡下各設(shè)置3個(gè)2 m × 2 m楊柴樣方，樣方應(yīng)設(shè)在林分內(nèi)部，以避免邊緣效應(yīng)的影響。于9月生長(zhǎng)季末對(duì)平茬樣地內(nèi)楊柴的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查指標(biāo)主要有地徑生長(zhǎng)量、株高生長(zhǎng)量、株叢數(shù)量、活枝數(shù)量、枯枝數(shù)量和生物量。生物量主要指活枝干重，采取全收獲法，帶回實(shí)驗(yàn)室65 ℃進(jìn)行烘干。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并使用 SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，表中數(shù)據(jù)均采用“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同平茬方式楊柴生長(zhǎng)變化特征

由表1可知，帶狀平茬單位面積內(nèi)活枝數(shù)量是對(duì)照組的 1.51 倍，是塊狀平茬的1.78倍，帶狀平茬與塊狀平茬差異顯著；帶狀平茬枯枝率為 22.85%，與塊狀平茬、對(duì)照組差異顯著；帶狀平茬單位面積內(nèi)株叢數(shù)量、生物量均高于塊狀平茬和對(duì)照組，而塊狀平茬地徑和株高生長(zhǎng)量略高于帶狀平茬，而略低于對(duì)照組，但是差異均不顯著。可見(jiàn)，平茬處理后，可有效降低楊柴林的枯枝率，提高單位面積內(nèi)株叢數(shù)量，平茬對(duì)楊柴地徑和株高生長(zhǎng)影響不顯著。帶狀平茬可顯著提高單位面積內(nèi)活枝數(shù)量和生物量，并減少枯枝數(shù)量，要優(yōu)于塊狀平茬。

表1 不同平茬方式楊柴生長(zhǎng)變化特征Tab.1 Growth characteristics of Hedysarum mongolicum with different stumping modes

3.2 不同帶狀平茬強(qiáng)度楊柴生長(zhǎng)連年變化特征

3.2.1地徑生長(zhǎng)連年變化特征

由表2可知，刈割當(dāng)年，預(yù)留 10% 蓋度地徑最大，可達(dá)到平茬前的 65.65%，與預(yù)留 20% 蓋度、預(yù)留 40% 蓋度差異顯著，預(yù)留 40% 蓋度最小，僅達(dá)到平茬前的 49.61%。第2 a地徑生長(zhǎng)量快速增加，預(yù)留 20% 蓋度年生長(zhǎng)量最大，達(dá)到了 1.52 mm，預(yù)留 30% 蓋度年生長(zhǎng)量最小，僅為 0.66 mm，4種平茬強(qiáng)度中，預(yù)留 10% 蓋度地徑最大。第3 a，預(yù)留 10% 蓋度地徑最大，可恢復(fù)到平茬前水平，預(yù)留 30% 蓋度地徑最小。平茬處理后，地徑隨平茬時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，開(kāi)始階段預(yù)留 10% 蓋度生長(zhǎng)量較大，隨時(shí)間推移各平茬強(qiáng)度之間差異逐漸減小。

表2 不同平茬強(qiáng)度楊柴地徑生長(zhǎng)連年變化特征Tab.2 Annual variation characteristics of ground diameter increment of Hedysarum mongolicum with different stumping intensities

3.2.2株高生長(zhǎng)連年變化特征

由表3可知，刈割當(dāng)年，預(yù)留 30% 蓋度株高生長(zhǎng)量最大，可達(dá)到平茬前的 77.13%，與預(yù)留 20% 蓋度、預(yù)留 40% 蓋度差異顯著，預(yù)留 20% 蓋度最小，僅達(dá)到平茬前的 54.59%。第2 a預(yù)留 20% 蓋度年生長(zhǎng)量達(dá)到了 30.32 cm，4種平茬強(qiáng)度中，預(yù)留 10% 蓋度株高生長(zhǎng)量最大，可恢復(fù)到平茬前水平。第3 a，預(yù)留 40% 蓋度株高年生長(zhǎng)量最大，預(yù)留 30% 蓋度可恢復(fù)到平茬前水平。平茬處理后，第1 a楊柴株高快速生長(zhǎng)，之后增幅變小，與平茬前相比較，預(yù)留 30% 蓋度較優(yōu)。

表3 不同平茬強(qiáng)度楊柴株高生長(zhǎng)連年變化特征Tab.3 Annual growth characteristics of height of Hedysarum mongolicum with different stubble intensities

3.2.3株叢數(shù)量連年變化特征

由表4可知，刈割當(dāng)年，單位面積內(nèi)株叢數(shù)量除預(yù)留 20% 蓋度外，均可恢復(fù)到平茬前水平，其中，預(yù)留 30% 蓋度最多，與預(yù)留 20% 蓋度差異顯著，預(yù)留 20% 蓋度最小，僅達(dá)到平茬前的 50.99%；第2 a預(yù)留 20% 蓋度年增加量為 2.55 株·m-2，4種平茬強(qiáng)度中，預(yù)留 40% 蓋度株叢數(shù)量最多，是平茬前的 1.35 倍；第3 a與上一年度相比，各平茬強(qiáng)度均表現(xiàn)為株叢數(shù)量減少，其中，預(yù)留 10% 蓋度減幅最大。

表4 不同平茬強(qiáng)度楊柴株叢數(shù)量連年變化特征Tab.4 Annual variation characteristics of cluster number of Hedysarum mongolicum with different stubble intensities

刈割當(dāng)年，單位面積內(nèi)活枝數(shù)量以預(yù)留 30% 蓋度為最多，恢復(fù)到平茬前水平，與預(yù)留 20% 蓋度、預(yù)留 40% 蓋度差異顯著，預(yù)留 20% 蓋度最小，僅達(dá)到平茬前的 56.76%；第2 a預(yù)留 20% 蓋度年增加量為15枝·m-2，4種平茬強(qiáng)度中，預(yù)留 30% 蓋度最多；第3 a，預(yù)留 40% 蓋度最多，是平茬前的 1.49 倍，與上一年度相比，其他平茬強(qiáng)度均表現(xiàn)為活枝數(shù)量減少，預(yù)留 10% 蓋度減幅最大。

平茬處理后第2 a開(kāi)始出現(xiàn)枯死枝，預(yù)留 10% 蓋度枯枝率最大，為 29.99%，與預(yù)留 20% 蓋度差異顯著；第3 a預(yù)留 10% 蓋度枯枝率達(dá)到了 49.89%，超過(guò)了平茬前水平，預(yù)留 30% 蓋度枯枝率最小，為 24.21%。

平茬處理后，單位面積內(nèi)株叢數(shù)量和活枝數(shù)量均呈先增加再減少趨勢(shì)，預(yù)留 30%～40% 蓋度具有較高的株叢數(shù)量和活枝數(shù)量，預(yù)留 30% 蓋度具有較低的枯枝率。

3.2.4生物量連年變化特征

由表5可知，刈割當(dāng)年，單位面積生物量除預(yù)留 20% 蓋度外，均可恢復(fù)到平茬前水平，其中，預(yù)留 10% 蓋度最多，預(yù)留 30% 蓋度恢復(fù)最好，是平茬前的 1.75 倍。第2 a預(yù)留 20% 蓋度年增長(zhǎng)量為 146.43 g·m-2，4種平茬強(qiáng)度中，預(yù)留 30% 蓋度恢復(fù)最好，是平茬前的 2.88 倍。第3 a各平茬強(qiáng)度均表現(xiàn)為生物量減少，其中，預(yù)留 20% 蓋度減幅最大，預(yù)留 40% 蓋度減幅較小。平茬處理后，單位面積生物量呈先增加再減少趨勢(shì)，與平茬前楊柴生物量相比較，預(yù)留 30% 蓋度恢復(fù)最好。

表5 不同平茬強(qiáng)度楊柴活枝干生物量連年變化特征Tab.5 Annual variation characteristics of dry biomass of living branches of Hedysarum mongolicum with different stumping intensities

4 討論

飛播楊柴林進(jìn)行平茬處理，可有效降低林分的枯枝率，提高單位面積內(nèi)株叢數(shù)量。不同平茬方式對(duì)楊柴的地徑與株高生長(zhǎng)影響較小，與平茬前相比均表現(xiàn)為差異不顯著，但帶狀平茬可顯著提高單位面積內(nèi)活枝數(shù)量和生物量，并減少枯枝數(shù)量。同時(shí)，帶狀平茬有利于保持水土，不會(huì)造成林地內(nèi)的水土流失和降低林分的防風(fēng)固沙能力，在平茬作業(yè)中，帶狀平茬也更利于操作，因此，對(duì)于飛播楊柴林可選擇帶狀平茬的方式進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)已有學(xué)者研究[7,13]，選擇預(yù)留 10% 蓋度、20% 蓋度、30% 蓋度、40% 蓋度開(kāi)展帶狀平茬不同強(qiáng)度的試驗(yàn)，相較于平茬前楊柴的生長(zhǎng)特征，預(yù)留 30%～40% 蓋度株高生長(zhǎng)量、單位面積株叢數(shù)量、活枝數(shù)量和干物質(zhì)積累量恢復(fù)效果較好，具有相對(duì)較低的枯枝率，要優(yōu)于預(yù)留 10% 蓋度、預(yù)留 20% 蓋度，這可能是由于高強(qiáng)度平茬造成林分蓋度降低、地表風(fēng)速加大、地面溫度增高，加大了土壤水分的蒸發(fā)量，而土壤水分對(duì)植被生長(zhǎng)起到重要作用，因此在生產(chǎn)中可選擇預(yù)留 30%～40% 蓋度進(jìn)行作業(yè)。通過(guò)連年監(jiān)測(cè)楊柴的生長(zhǎng)變化情況，可知其各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均在第1 a快速增加，在第2 a或最遲第3 a時(shí)可基本恢復(fù)到或優(yōu)于平茬前水平，而平茬第3 a單位面積株叢數(shù)量開(kāi)始減少、干物質(zhì)積累量降低、枯枝率較高，楊柴林表現(xiàn)為開(kāi)始衰退，為維持并加強(qiáng)飛播楊柴林地生態(tài)保護(hù)，在生產(chǎn)中可選擇3 a作為其平茬周期。

飛播灌木林種群空間格局為聚集度較高的群團(tuán)型，單位面積內(nèi)植株密度較高，從而產(chǎn)生灌叢與地區(qū)水分平衡的矛盾，隨著灌叢的生長(zhǎng)，灌叢水分營(yíng)養(yǎng)面積不足，引起了各水分平衡分量的比例關(guān)系發(fā)生改變，土壤水分條件惡化[14]，平茬復(fù)壯對(duì)土壤水分影響顯著，可以改善土壤水分情況，林地具有很強(qiáng)的土壤水分恢復(fù)能力[15-17]。同時(shí)，平茬不僅可以促進(jìn)灌木地上部分生長(zhǎng)，還可以大幅提高灌木根系的生長(zhǎng)[18]，對(duì)灌木生理特性[19]和土壤理化性質(zhì)[20-21]也有重要影響，應(yīng)用平茬復(fù)壯技術(shù)控制沙地灌木林鉆蛀性害蟲(chóng)的發(fā)生，在林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要意義[22]。在今后研究中，可將衰退飛播楊柴林平茬復(fù)壯后的土壤水分、土壤理化性質(zhì)、根系生長(zhǎng)量等變化特征作為主要內(nèi)容開(kāi)展深入研究。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于不同平茬方式，帶狀平茬可增加單位面積內(nèi)株叢數(shù)量，能降低楊柴林分的枯枝率，并提高單位面積內(nèi)生物量，單位面積內(nèi)活枝數(shù)量是平茬前的 1.51 倍，整體上要優(yōu)于塊狀平茬方式。

(2)對(duì)于帶狀平茬不同平茬強(qiáng)度，預(yù)留 30%～40% 蓋度與平茬前楊柴的生長(zhǎng)特征相比較，其株高生長(zhǎng)量、單位面積株叢數(shù)量、活枝數(shù)量和生物量要優(yōu)于其他預(yù)留蓋度，同時(shí)枯枝率相對(duì)較低，恢復(fù)效果較好。

(3)連年監(jiān)測(cè)楊柴的生長(zhǎng)變化情況，楊柴的地徑生長(zhǎng)量、株高生長(zhǎng)量、株叢數(shù)量、活枝數(shù)量均在第1 a快速增加，在第2 a或最遲第3 a時(shí)可基本恢復(fù)到或優(yōu)于平茬前水平，平茬第3 a枯枝率可達(dá)到 24.21%～49.89%。