民勤荒漠區(qū)人工沙拐棗林平茬更新復(fù)壯技術(shù)試驗(yàn)研究

趙連鑫，劉 偉，王 鑫，李 強(qiáng)，張勤德，金 娜，張 軍，張 濤，李 棟，何 彩

(武威市林業(yè)科學(xué)研究院,甘肅 武威 733000)

沙拐棗(CalligonummongolicumTurcz.)為蓼科沙拐棗屬多年生灌木，具有耐高溫、抗風(fēng)蝕、耐沙埋、抗干旱、耐瘠薄等特性，其枝條茂密、根系發(fā)達(dá)，能夠適應(yīng)條件極端嚴(yán)酷的干旱荒漠區(qū)，是典型的沙生植物[1]。然而，隨著樹齡的增長，加之少雨、高溫等多種惡劣環(huán)境脅迫，沙拐棗等沙生植物普遍存在衰退、萎蔫、生長不良等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)整株死亡等狀況[2]。平茬作為灌木林更新復(fù)壯的主要措施之一，常被應(yīng)用到我國很多荒漠區(qū)域的植被更新復(fù)壯中。研究表明，平茬后植物的根冠比變大，蒸騰作用變小，改善了植株的水分條件，利于新生嫩芽和枝條迅速萌發(fā)生長[3]；同時，平茬后地上部分的迅速減少，使得貯藏在根系中的淀粉能夠很快供應(yīng)到地上部分，加快了地上部分的生長發(fā)育[4]。也有研究表明，由于平茬后沒有了頂端分生組織，降低了植株的生長素含量，提高了細(xì)胞分裂素含量，因此植株萌芽抽枝量增大[5]。但在實(shí)際平茬操作中，需要注意平茬時間、留茬高度等問題。平茬時間一般選在對植物影響最小且能發(fā)揮植物最大生長潛力的時間段開展，不同灌木類型、不同立地條件有著不同的平茬時間[6]。周靜靜等[7-8]研究表明,不同平茬高度對檸條的生長、分蘗有著顯著影響,不同地區(qū)、不同生境下有不同的平茬高度。

民勤縣地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游，東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，沙漠和荒漠化面積占90.34%，屬全國防沙治沙重點(diǎn)縣。為減少風(fēng)沙侵蝕和改善環(huán)境，全縣通過實(shí)施人工造林和封沙育林等工程，廣泛栽植了沙拐棗、梭梭、霸王等沙生植物純林和混交林。然而，隨著樹齡增大、逆境脅迫加劇等，當(dāng)?shù)厣彻諚椓殖霈F(xiàn)了大面積衰退老化現(xiàn)象，導(dǎo)致部分林地防風(fēng)固沙效果減弱。為減少風(fēng)沙侵害，鞏固固沙造林成果，本研究對民勤縣石羊河林業(yè)總場沙井子分場的人工沙拐棗林開展了不同平茬時間、不同平茬高度的組合試驗(yàn)，旨在探索符合當(dāng)?shù)厣彻諚椓指聫?fù)壯的平茬方式，明確沙拐棗林的平茬時間和平茬高度,使已衰敗的沙拐棗林通過平茬復(fù)壯繼續(xù)發(fā)揮防風(fēng)固沙功效，繼而為荒漠區(qū)沙生植物平茬提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省民勤縣石羊河林業(yè)總場沙井子分場。該區(qū)域?qū)贉貛衬畾夂騾^(qū)，冬冷夏熱、降水稀少、光照充足、晝夜溫差大，年均降水量110 mm，年均水面蒸發(fā)量高達(dá)2 644 mm，晝夜溫差達(dá)25.2 ℃，年均氣溫7.8 ℃，日照時數(shù)為3 073.5 h，無霜期162 d。全年盛行西北風(fēng),年均風(fēng)速3.7 m/s，8級以上大風(fēng)日數(shù)年均29 d，最大風(fēng)力達(dá)11級。年均沙暴日數(shù)37 d、干熱風(fēng)5.7 d，災(zāi)害性天氣有大風(fēng)、沙塵暴、干熱風(fēng)、干旱、霜凍、初春低溫等。試驗(yàn)區(qū)地類為宜林沙荒地，沙化類型為流動沙丘，沙丘類型為新月形沙丘鏈，土壤主要為風(fēng)沙土，質(zhì)地為沙土，pH值7.8左右。

1.2 試驗(yàn)樣地和試驗(yàn)樣方

試驗(yàn)樣地設(shè)置在石羊河林業(yè)總場沙井子分場1985年種植的人工沙拐棗林中，造林密度約900株/hm2，面積2 hm2。為避免群落的“邊緣效應(yīng)”，樣地離林帶邊緣12 m左右。在選定樣地的四角用木樁定點(diǎn)，記錄四角坐標(biāo)和海拔，然后用細(xì)繩圈出樣地范圍。同時，在樣地內(nèi)設(shè)置5個10 m×10 m的樣方，并做好標(biāo)記，用于植物多樣性調(diào)查，樣方間距10～15 m。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計及處理

1.3.1 植物多樣性調(diào)查

平茬前(2017年7月)對試驗(yàn)樣地內(nèi)5個樣方的植物種類、株數(shù)、株高和冠幅進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計。同時，對草本植物進(jìn)行垂直拍照，用Image Pro Plus軟件獲得照片中植物地上部分的地面垂直投影面積百分?jǐn)?shù)，計算出各樣方的植被蓋度，然后取其平均值。

1.3.2 平茬試驗(yàn)設(shè)計

選擇長勢一致的退化沙拐棗林進(jìn)行平茬試驗(yàn)，平茬時間分別設(shè)置在冬季(2017年12月)和春季(2018年4月)，留茬高度分別為0、5、10、15、20 cm，總共10個處理(冬季留茬0、5、10、15、20 cm，分別記為D-0、D-5、D-10、D-15、D-20；春季留茬0、5、10、15、20 cm，分別記為C-0、C-5、C-10、C-15、C-20)，每個處理0.133 hm2(2畝)，呈帶狀分布。平茬處理后，分別于2018、2019年的5、7、9月中旬，調(diào)查統(tǒng)計沙拐棗單株生長季冠幅、新枝高度與新枝基徑，其中新枝基徑均選擇每叢中最粗分枝采用游標(biāo)卡尺測量，新枝高度、冠幅采用鋼卷尺測量。每個處理隨機(jī)調(diào)查6株，取平均值。

1.3.3 土壤含水量測定

2019年5、7、9月，用土鉆取0～120 cm深的土樣，每20 cm作為一個分層，用稱重法計算各層土壤含水量，并取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

冠幅、新枝高度、新枝基徑和土壤含水量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用WPS 2019軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用SAS 8.1軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

重要值(Pi)、Patrick豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Simpson指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(Jsw、Jsi)等植物物種多樣性指標(biāo)計算方法參考陳生云等[9]采用的方法，公式分別為

R=S

(1)

Pi=(相對高度+相對蓋度+相對頻度)/3

(2)

H′=-∑PilnPi

(3)

D=1-∑Pi2

(4)

Jsw=(-∑PilnPi)/lnS

(5)

Jsi=(1-∑Pi2)/(1-1/S)

(6)

上式中：i為某種植物；S為樣地中的植物物種總和。

2 結(jié)果與分析

2.1 平茬前植物物種多樣性

林地物種多樣性分析能客觀反映出該群落物種組成、結(jié)構(gòu)和功能等多方面的狀況，平茬研究前有必要進(jìn)行深入了解和分析。由表1可知，該樣地平茬前主要由沙拐棗、霧冰藜、沙米等5種植物組成，其中沙拐棗重要值為0.29，是該樣地中最重要的植物；沙米、刺沙蓬、霧冰藜3種一年生草本植物的重要值之和為0.65，是該樣地物種的重要組成成分。該樣地平茬前物種多樣性指數(shù)值見表2。

表1 平茬前樣地物種多樣性情況

表2 平茬前樣地物種多樣性指數(shù)

2.2 平茬對沙拐棗冠幅的影響

圖1為沙拐棗平茬后冠幅面積2 a的生長變化趨勢。由圖1可知：平茬后各處理冠幅面積均逐漸增大，平茬后第二年(2019年)各處理冠幅面積的增大幅度均高于第一年(2018年)，各處理間冠幅面積的變化無明顯規(guī)律；D-0處理冠幅基本大于同時期其他處理。

圖1 平茬后各處理冠幅面積變化情況

圖2為平茬后各處理2019年停止生長后的冠幅面積。由圖2可知：D-0處理、C-5處理的冠幅面積分別為15 491.67、12 609.33 cm2，高于其他處理，且D-0處理的冠幅面積最大，但二者差別并不顯著。

圖2 平茬后各處理2019年停止生長后冠幅面積

2.3 平茬對沙拐棗新枝高度的影響

圖3為平茬后各處理沙拐棗新枝高度2 a的生長變化情況，可知平茬后各處理沙拐棗新枝高度均逐漸增大，2019年各處理新枝高度的增大幅度均高于2018年，各處理間新枝高度的變化無明顯規(guī)律；除2019年7月、9月低于C-20處理外，D-0處理新枝高度高于同時期其他處理。

圖3 平茬后各處理新枝高度變化情況

圖4為各處理2019年停止生長后新枝高度，其中D-0、D-5和C-20處理新枝高度分別為81.67、77.67、76.00 cm，高于其他處理，其中C-20處理新枝高度為最高，D-0處理次之，但三者差別并不顯著。

圖4 各處理2019年停止生長后新枝高度

2.4 平茬對沙拐棗新枝基徑的影響

圖5為平茬后各處理沙拐棗新枝基徑2 a的生長變化情況，可知平茬后各處理沙拐棗新枝基徑均逐漸增大，各處理間新枝基徑變化無明顯規(guī)律，其中D-0處理新枝高度高于同時期其他處理。

圖5 平茬后各處理新枝基徑變化情況

圖6為各處理2019年停止生長后新枝基徑，其中D-0處理新枝基徑為8.96 cm,高于其他處理，但與D-5、D-15、C-5處理差異并不顯著。

圖6 各處理2019年停止生長后新枝基徑

2.5 平茬對土壤含水量的影響

為明確平茬對土壤含水量的影響，測定了2019年冬季留茬0 cm平茬區(qū)與未平茬區(qū)不同土層含水量的變化。由圖7可知：5—9月，各土層含水量基本呈降低趨勢；0～20 cm土層各時期含水量均為平茬區(qū)高于未平茬區(qū)；20～40、40～60 cm土層各時期含水量均為未平茬區(qū)高于平茬區(qū)；60～80、80～100、100～120 cm土層各時期含水量平茬區(qū)與未平茬區(qū)呈波動變化，無明顯規(guī)律。

圖7 平茬區(qū)與未平茬區(qū)不同土層含水量變化情況

3 討 論

3.1 沙拐棗林植物種類概況

區(qū)域內(nèi)植物的種類、生物量與當(dāng)?shù)厣趁芮邢嚓P(guān)[9]，因此在開展平茬試驗(yàn)前對該地區(qū)內(nèi)植物種類進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和研究很有必要。本研究通過對平茬樣地內(nèi)植物種類的調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)植物物種豐富度指數(shù)僅為5，其中：沙拐棗重要值為0.29，是這塊區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢種；沙米、刺沙蓬和霧冰藜3種一年生草本植物的重要值之和達(dá)0.65，說明一年生草本植物對該片區(qū)域的生物多樣性及生境穩(wěn)定性有著十分重要的意義。

3.2 平茬時間、留茬高度與沙拐棗生長情況

(1)關(guān)于平茬時間的選擇。前人通過對檸條等沙生灌木的研究表明，不同植物種類、不同立地條件適合的平茬時間存在差異[6,10]，大致可分為休眠期平茬和生長期平茬。休眠期植物停止生長，體液停止流動，此時平茬對植物的傷害較?。欢绻麨楂@取飼料等，則會選擇在植物營養(yǎng)最佳期(6月)或生長量最大期(8月)開展平茬。平茬的具體時間依當(dāng)?shù)厮趾铜h(huán)境條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，水分充足、環(huán)境條件較好可提早平茬，反之可延遲平茬。為探究適合民勤荒漠區(qū)沙拐棗林的平茬時間，本研究分別設(shè)置了冬季平茬和春季平茬兩個時間，研究表明，在這兩個平茬時間進(jìn)行平茬均有處理能明顯促進(jìn)沙拐棗冠幅、新枝高度和新枝基徑的生長，且不存在顯著差異。

(2)留茬高度的選擇。李宇等[2]在沙拐棗的平茬試驗(yàn)中認(rèn)為留茬高度10 cm時效果最佳，肖建明等[11]認(rèn)為沙柳的最佳平茬高度是5 cm，劉偉等[12]在民勤荒漠區(qū)開展檸條平茬試驗(yàn)后認(rèn)為留茬的最佳高度是15 cm。上述試驗(yàn)結(jié)果說明，不同的植物種類、立地條件有著不同的最佳平茬高度。因此，為明確民勤荒漠區(qū)沙拐棗林適合的平茬方式，本研究通過控制留茬高度(0、5、10、15、20 cm)、平茬時間(冬季、春季)兩個因素綜合開展了平茬試驗(yàn)，結(jié)果表明，冬季留茬0 cm處理條件下沙拐棗的冠幅、新枝高度、新枝基徑優(yōu)于其他處理。

3.3 土壤含水量變化情況

水分是植物生長發(fā)育過程中所需的重要物質(zhì)，影響著植物的生理生化和光合作用，進(jìn)而影響到植物的生長和生物量的積累[13]，在荒漠區(qū)水分對植物生長的影響尤為顯著。平茬后植物的根冠比發(fā)生劇烈變化，勢必影響土壤中的水分含量。李從娟等[14]研究表明，沙拐棗根系主要分布在0～150 cm土層中，根系含量在0～50 cm土層中隨深度增加呈增加趨勢，在50～150 cm土層中隨深度增加呈遞減趨勢，其中50 cm深度土壤中根系含量最多。本研究分析了沙拐棗林平茬區(qū)與未平茬區(qū)0～120 cm土層中土壤含水量的變化，結(jié)果表明：在0～20 cm土層，5—9月平茬區(qū)土壤含水量均高于未平茬區(qū)，原因可能是該土層沙拐棗根系較少，對水分的吸收較弱，加之平茬后植物的蒸騰作用減弱，使得平茬區(qū)域的土壤含水量較未平茬區(qū)偏高；在20～60 cm土層，5—9月未平茬區(qū)土壤含水量高于平茬區(qū)，該結(jié)果與檸條錦雞兒平茬第一年的結(jié)果一致[15]，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是這個土層范圍是沙拐棗根系分布最多的區(qū)域，植物的快速生長使其對水分的需求增加，從而導(dǎo)致平茬后該土層中的含水量減少；在60～120 cm土層，平茬區(qū)與未平茬區(qū)土壤含水量呈波動現(xiàn)象，原因可能是該土層范圍內(nèi)的含水量受降水及不同地理環(huán)境等因素的影響較大[16-17]，與平茬的相關(guān)性不高。

4 結(jié) 論

在民勤荒漠區(qū)開展衰退沙拐棗林平茬復(fù)壯時，以冬季平茬0 cm為宜；在生產(chǎn)中建議分年度、隔行開展平茬復(fù)壯，不宜大規(guī)模平茬。平茬后為提高沙拐棗林的生長質(zhì)量，前2 a應(yīng)加強(qiáng)沙拐棗林的水分管理，1 a至少保障補(bǔ)水1次，確保植株快速生長期對水分的需求。同時，要加強(qiáng)對區(qū)域內(nèi)一年生草本植物的保護(hù)和利用。