新疆阿勒泰平原荒漠羅布麻種植區的生態效益評價

平曉燕,林長存,白宇,劉起棠,盧欣石*

(1.北京林業大學草地資源與生態研究中心, 北京 100083; 2.戈寶綠業有限公司, 廣東 深圳 518001)

如何合理有效地恢復和管理退化生態系統，提高生態系統服務功能和實現可持續發展是近年來困擾全球土地管理者和資源保護者的一個核心問題[1-2]。阿勒泰地區作為新疆乃至全國的重點牧區之一，近年來由于氣候變暖和人類活動的共同影響，已有87%的草地植被發生了退化[3]。其中，平原荒漠類草地占阿勒泰地區草地總面積的66%，是該區主要的冬春季放牧場，該類草地的載畜量水平很低，但卻負擔著阿勒泰地區總載畜量的35%，過度放牧導致平原荒漠草原的生態環境非常脆弱[4-5]。平原荒漠區由于降水稀少，蒸發強烈，導致鹽堿化和風蝕現象尤為嚴重，近年來人口的增加促使阿勒泰地區的家畜數量急劇上升，放牧利用的季節不平衡、人類不合理的亂墾和過度放牧等行為引發了平原荒漠區的植被退化、生態系統服務功能的減弱和荒漠化進程加劇等一系列生態環境問題，進而導致草場生產力的下降，牧草品質的降低和有毒有害植物的增加，這會顯著阻礙當地畜牧業的發展并引發生態環境的惡性循環[6-9]。因此，如何合理有效地利用平原荒漠區的光熱資源優勢，優化植被配置模式，恢復和增強平原荒漠區的生態系統服務功能和提高生態效益成為當前急需解決的問題，但阿勒泰地區水資源的短缺使得在平原荒漠區進行植被恢復相比其他區域要更為困難[1]。

水分是影響干旱區群落結構、生態系統功能和穩定性的最主要因子，水資源的開發利用與區域社會經濟的可持續發展之間的矛盾在新疆地區顯得尤為突出[10]。人口的劇增使新疆地區的灌溉綠洲面積從121×104hm2增加到420×104hm2，繼而引發土地荒漠化、土壤次生鹽堿化和湖泊銳減等一系列環境問題，嚴重威脅了當地的經濟、社會和生態的穩定性[11]。同時，氣候變化包括溫度升高和降水格局的改變也嚴重影響著阿勒泰地區的生態環境，近50年來阿勒泰地區強降水量和降水日數的增加引起平原荒漠區水蝕強度的增加[12]。水資源的不合理利用、土壤鹽堿化和植被退化、以及強烈的風蝕和水蝕作用，導致阿勒泰地區的荒漠化進程日益加劇[13]。合理規劃和高效利用阿勒泰地區的水資源是實現該區生態環境保護和經濟發展雙重目標的唯一可行方案。

羅布麻(Apocynumvenetum)為夾竹桃科多年生宿根草本植物，在我國廣泛分布于西北、華北、華東和東北地區。我國野生羅布麻的分布面積約為134×104hm2，其中新疆是主要的分布區(53×104hm2)[14-15]。野生羅布麻具有耐旱、耐寒、耐貧瘠、耐鹽堿和再生性強等特性，在植被難以生長的鹽堿地和荒漠等惡劣環境中都具有很好的適應性，因此具有很高的生態價值，近年來得到了較多研究者的關注，并被廣泛用于荒漠區的生態環境恢復和水土保持[16-17]。眾多研究者從羅布麻的生長特性、地理分布格局、生態適應性、光合生理特征及其生態效益等方面開展了研究工作[18-20]。阿勒泰地區面臨水資源匱乏和土壤高度鹽堿化等嚴酷生境，因此要恢復平原荒漠區的生態環境，必須選擇適宜的物種組成。羅布麻由于較強的生態適應性和較高的經濟價值成為阿勒泰平原荒漠區植被恢復的首選物種，但當前很少有研究關注羅布麻種植區的生態環境和生態系統服務功能，這將限制我們對羅布麻種植區生態效益的準確理解。

為此，本研究以新疆阿勒泰地區的退化平原荒漠為研究對象，對比分析了不同年限的羅布麻種植區相比對照平原荒漠在固碳增匯、防風固沙和保持水土等方面的生態效益，為恢復平原荒漠區的生態環境和提高平原荒漠區的生態效益提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

阿勒泰地區位于北緯45°59′35″～49°10′45″，東經85°31′57″～91°01′15″，地處新疆北部，阿勒泰山南麓，額爾齊斯河北岸，北與蒙古人民共和國毗鄰，全區總面積1180.4萬hm2，草地面積985.25萬hm2，可利用草地面積724.8萬hm2，占新疆草地面積的14.4%。研究區位于阿勒泰市以西60 km的山前平原，氣候屬北溫帶大陸性寒冷氣候，春季多風，夏季炎熱，秋季涼爽，冬季寒冷漫長。年平均氣溫4.5℃，年均降水量126.7 mm，年均蒸發量1739.3 mm，無霜期155 d左右，年日照時數2950.7 h，氣溫年較差和日較差均較大。研究區終年放牧，草地畜牧業是研究區的主導產業，對草地資源的依賴性很強，草地類型為平原荒漠類，植被以超旱生的無葉假木賊(Anabasisaphylla)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa)為優勢種，伴生種包括烏拉爾甘草(Glycyrrhizauralensis)、駱駝蓬(Peganumharmala)、鈉豬毛菜(Salsolanitraria)和乳漿大戟(Euphorbiaesula)等，植被生產力較低，土壤為棕鈣土。

1.2 樣地設置與樣方調查

本研究通過野外調查取樣法，對比分析不同年限的羅布麻種植區與相鄰平原荒漠的群落學特征與植被和土壤碳儲量，定量評估羅布麻種植區在植被恢復、固碳增匯、防風固沙和防止水土流失等方面的生態效益。

在研究區內由東到西依次設置2010年羅布麻種植區、2011年羅布麻種植區和對照平原荒漠區3個調查樣地。2010年羅布麻種植樣地的面積為250 km2，2011年羅布麻種植樣地的面積為406 km2，羅布麻種植樣地的株行距為3.0 m×1.5 m。為充分、高效的利用水資源，提高水分利用效率，在2個羅布麻種植樣地均采用滴灌處理。于2012年9月分別對3個樣地進行取樣和調查，在每個樣地隨機設置3個4 m×4 m的灌木調查樣方，在每個灌木調查樣方內隨機選取3個1 m×1 m的草本樣方，分別進行群落學調查，記錄樣方的立地條件、經緯度、海拔、坡度、坡向和坡位等信息。

1) 植被群落調查

在2010年羅布麻種植樣地、2011年羅布麻種植樣地和對照平原荒漠樣地內，開展植被群落調查。首先，測定樣方內所有羅布麻植株的株高和密度，其次，在樣方內沿對角線方向每隔50 cm測定植株的高度和蓋度，每個樣方測定30次，取其平均值后得到群落高度和群落蓋度。

2) 生物量取樣

在2010和2011年羅布麻種植樣地的每個樣方內各選擇3株羅布麻，利用收獲法測定羅布麻植株的地上生物量，利用土柱法(0.5 m×0.5 m×0.7 m)測定羅布麻植株的根系生物量，平均得到羅布麻的單株地上和根系生物量，結合密度可以得到單位面積羅布麻的生物量，每個樣地3次重復。在2010、2011年羅布麻種植樣地和對照平原荒漠內利用收獲法和土柱法(1.0 m×1.0 m×0.4 m，分為3層)測定草本群落的地上和根系生物量，每個樣地3次重復。所有樣品帶回實驗室于65℃烘箱中烘干48 h至恒重后，測定其干重。

3) 土壤碳儲量測定

生物量取樣結束后，在2010和2011年羅布麻種植樣方與對照平原荒漠樣方的根系周圍挖掘土壤剖面，隨機布點采集土壤混合樣。羅布麻樣地土壤的取樣深度為60 cm，分為4層(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)；對照平原荒漠樣地土樣的取樣深度為40 cm，分為3層(0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm)。在實驗室內測定土壤結構組成、土壤容重(環刀法)和土壤有機質(K2CrO7外加熱法)含量，每個處理3次重復。

4) 光合生理特征測定

選擇晴天無云的上午(北京時間：11:00-14:00)，利用LI-6400便攜式光合儀(美國，LI-COR公司制造)，對比測定羅布麻植株和對照平原荒漠優勢種無葉假木賊的凈光合速率(Pn，μmol CO2/m2·s)，蒸騰速率(Tr，mmol H2O/m2·s)，光合有效輻射(PAR，μmol/m2·s)，胞間CO2濃度(Ci， μmol CO2/mol)，氣孔導度(Gs，mol H2O/m2·s)和水分利用效率(WUE，μmol CO2/mmol H2O)等光合生理指標。測定時選擇長勢相近的健康植株的向陽葉片，每個樣地各測定5株植物。

1.3 測定指標

1) 碳儲量

羅布麻種植區和對照平原荒漠生態系統的碳儲量主要儲存于植被和土壤中，植被碳儲量又包括地上和地下(根系)組分。

其中，植被碳儲量通過以下公式計算：

Cb=αM

(1)

式中，Cb為植被碳密度(g C/m2)；α為植被生物量的含碳量，羅布麻和平原荒漠植被均取值0.43[21]；M為植被生物量(地上和根系生物量, g/m2)。

土壤碳儲量的計算依據以下公式：

Cs=100∑(Di×di×Oi)×0.58

(2)

式中，Cs為土壤碳密度(g C/m2)；Di為土層深度(cm)；di為土壤容重(g/cm3)；Oi為土壤有機質含量(g/kg)；0.58為土壤有機質轉換為土壤有機碳的系數。

2) 抗風蝕能力

為分析羅布麻種植區相比對照平原荒漠的抗風蝕能力，本研究采用風蝕模數來表征植被蓋度和地表粗糙度對土壤風蝕的抵抗能力，風蝕模數的計算參照第一次全國水利普查水土流失普查技術細則(草、灌, 2010)：

(3)

式中，Qfg為草、灌地的風蝕模數(t/hm2·a)；W為表土濕度因子(%)；Tj為一年內風蝕發生期間各風速等級的累計時間(min);V為植被蓋度(%)；A為風速修訂系數，無量綱；Uj為風力因子，無量綱；a2、b2和c2是與土壤類型相關的常數，分別取值2.4869, -0.0014和-54.9472。

3) 抗水蝕能力

本研究通過土壤可蝕性系數(K值)來比較羅布麻種植區相比對照平原荒漠的抗水蝕能力。該指標是評價土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運難易程度的一項重要指標。美國通用流失方程(USLE)中對K值的計算依據以下公式：

K=[2.1×10-4M1.14(12-OM)+3.25(S-2)+2.5(P-3)]/100

(4)

式中，K為土壤可蝕性系數，M為土壤顆粒組成系數，計算公式為M=N1(100-N2) 或者M=N1(N3+N4)；N1為粒徑在0.002～0.1 mm之間的土壤顆粒含量的百分比；N2為粒徑小于0.002 mm的土壤粘粒含量的百分比；N3為粒徑在0.002～0.05 mm之間的土壤粉砂含量的百分比；N4為粒徑在0.05～2 mm 的土壤顆粒含量的百分比；OM為土壤有機質含量(%)；S為土壤結構系數，查表獲取；P為土壤滲透性等級，查表獲取。

1.4 數據分析方法

利用SPSS 15.0軟件對2010和2011年羅布麻種植樣地和對照平原荒漠樣地的群落高度和群落蓋度、碳儲量、光合生理特性、抗風蝕和水蝕能力等數據進行了方差齊次性檢驗、單因素方差分析和多重比較，對比分析羅布麻種植區相比對照平原荒漠區的生態效益。

2 結果與分析

2.1 羅布麻種植區與對照平原荒漠的光合生理特性比較

2011和2010年羅布麻種植樣地相比對照平原荒漠的優勢植物無葉假木賊顯著提高了植被的凈光合速率，雖然蒸騰速率也顯著增加，但凈光合速率的增加幅度要高于蒸騰速率(圖1)，從而導致2011和2010年羅布麻種植樣地的水分利用效率相比對照平原荒漠分別提高了60%和35%，差異顯著(F2,119=38.6,P<0.001)(圖1和圖2)。相比對照平原荒漠，2011和2010年羅布麻種植樣地的葉片相對濕度分別提高了160%和50%，表明種植羅布麻后顯著改善了樣地周圍的微氣候(F2,119=5047.2,P<0.001)(圖2)。

圖1 2010和2011年羅布麻種植區相比對照平原荒漠的凈光合速率和蒸騰速率Fig.1 Comparisons of net photosynthesis rate (Pn) and transpiration rate (Tr) among plain desert (A. aphylla), A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011 圖中不同字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05),下同。Values with different letters mean significant difference (P<0.05) among different plots, the same as below.

圖2 2010和2011年羅布麻種植區相比平原荒漠的水分利用效率和葉片相對濕度Fig.2 Comparisons of water use efficiency (WUE) and leaf relative humility (RH) among plain desert (A. aphylla), A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2 羅布麻種植區與對照平原荒漠的固碳增匯功能比較

圖3 2010年和2011年羅布麻種植區相比對照平原荒漠的草本層和群落生物量Fig.3 Comparisons of herbaceous and community biomass among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2.1羅布麻種植區相比對照平原荒漠的植被碳儲量 在平原荒漠區種植羅布麻，構建灌草復合系統，不僅顯著提高了群落生物量，也顯著增加了草本層生物量(圖3)。2010和2011年羅布麻種植樣地的草本層生物量分別為373.62和662.56 g/m2，相比對照平原荒漠(164.99 g/m2)分別增加了126%和301%(F2,6=11.83,P=0.008)；群落總生物量分別為728.92和932.08 g/m2，比對照平原荒漠(164.99 g/m2)分別增加了340%和460%(F2,6=61.01,P<0.001)，差異均達到極顯著水平。對照平原荒漠、2010和2011年羅布麻種植區的植被碳儲量分別為82.49，364.46和466.04 g C/m2(圖4)。

圖4 2010和2011年羅布麻種植區相比對照平原荒漠的植被碳密度Fig.4 Comparison of plant carbon densities among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.2.2羅布麻種植區相比對照平原荒漠的土壤有機碳儲量 2010年羅布麻種植區相比對照平原荒漠顯著增加了表層土壤(0～20 cm)的有機碳含量(F2,6=24.18,P=0.001)，增加幅度達到了31%。2010和2011年羅布麻種植樣地的土壤有機碳總量與對照相比無顯著差異。隨種植年限的增加，羅布麻樣地土壤有機碳的輸入量也隨之增加，包括地上凋落物輸入量和地下根系輸入量。從而導致2010年羅布麻種植樣地的表層土壤有機碳含量顯著高于2011年羅布麻樣地和對照平原荒漠(表1)。

表1 2010和2011年羅布麻種植樣地相比對照平原荒漠的土壤有機碳密度Table 1 Soil organic carbon density (SOCD) of plain desert and A. venetum planted in 2010 and 2011 g C/m2

注： 表中數值為平均值±標準誤(n=3)，同行數值后面不同的字母表示不同樣地差異顯著(P<0.05)。

Note： Values are means±SE of three replicates (n=3), and values within the same row with different letters mean significant difference (P<0.05) among different plots.

2.2.3羅布麻種植區相比對照平原荒漠的總碳儲量 相比對照平原荒漠，種植羅布麻后能顯著增加生態系統的碳儲量。2010和2011年羅布麻種植樣地的總碳儲量(1789和1780 g C/m2)相比對照平原荒漠(1452 g C/m2)分別增加了23.21%和21.56%，差異顯著(圖5)。 這主要歸結于種植羅布麻后群落和草本層植被碳儲量的增加，土壤碳儲量的增加效果不明顯。

圖5 2010和2011年羅布麻種植區相比對照平原荒漠的總碳儲量Fig.5 Comparison of total carbon storage among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.3 羅布麻種植區相比對照平原荒漠的防風固沙效益

羅布麻植株的空間構型為叢生型灌木，具有分枝多、根系發達、繁殖力強等特點，相比對照平原荒漠，羅布麻種植區具有更強的防風固沙能力。羅布麻種植區相比對照平原荒漠顯著提高了群落高度和群落蓋度，2010和2011年羅布麻種植區的群落高度比對照平原荒漠分別增加了300%和410%，群落蓋度分別增加了180%和300%，差異均達到顯著水平(群落高度：F2,6=8.98,P=0.02；群落蓋度：F2,6=28.98,P=0.001，圖6)。

2.3.1抗風蝕能力 2010和2011年羅布麻種植樣地的土壤風蝕模數(37.65,14.58 t/hm2·a)相比對照平原荒漠(129.23 t/hm2·a)分別降低了70.87%和88.72%，差異顯著(F2,6=9.26,P=0.02，圖7)。風蝕模數與植被蓋度之間存在顯著的正相關關系。其中，2010和2011年羅布麻種植樣地的群落蓋度都達到了55%以上，對照平原荒漠的群落蓋度僅為20%。人工種植羅布麻后，在平原荒漠區構建了布局合理的灌草復合系統，使群落的冠層分布更加合理，覆蓋度更高，更能有效抵抗風力侵蝕，這會有利于改善平原荒漠區的生態環境并促進植被恢復。

圖6 2010和2011年羅布麻種植區相比對照平原荒漠的群落高度和群落蓋度Fig.6 Comparisons of community height and community coverage among plain desert, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

2.3.2抗水蝕能力 2010和2011年羅布麻種植樣地的土壤可蝕性K值(0.25和0.23)相比對照平原荒漠(0.29)分別降低了13.50%和18.33%(圖8)。研究區2010和2011年羅布麻種植樣地的植被蓋度分別為56.62%和61.21%，地面坡度均不超過5°。當灌草叢植被蓋度大于60%時，即使坡度達到40°也能有效防止土壤侵蝕[22]。因此，通過人工種植羅布麻，構建布局合理的灌草復合系統，能顯著增加平原荒漠區的抗水蝕能力，有效控制水土流失。

種植羅布麻后研究區的抗風蝕和水土流失的能力均有了很大程度的提高，其中，羅布麻灌草復合系統對風蝕的攔截效率要高于水蝕。2011年羅布麻種植區的群落高度和群落蓋度均高于2010年，導致2011年羅布麻灌草復合系統的抗風蝕和水蝕能力要更加突出。

圖7 2010和2011年羅布麻種植區相比對照平原荒漠的風蝕模數Fig.7 Comparison of wind erosion modulus among plain desert community, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

圖8 2010和2011年羅布麻種植區相比對照平原荒漠的土壤水蝕系數Fig.8 Comparison of soil water erosion value among plain desert community, A. venetum planted in 2010 and A. venetum planted in 2011

3 討論

羅布麻植株相比對照平原荒漠的無葉假木賊和鹽地堿蓬具有更高的光飽和點和光補償點，能更好的適應研究區的強光照環境[23]，張永霞等[19]研究表明一年生大田羅布麻葉片的凈光合速率為11.28 μmol/(m2·s)，水分利用效率為3.75 μmol CO2/mmol H2O。研究區2010和2011年羅布麻種植區葉片的凈光合速率分別為4.75和5.79 μmol/(m2·s)，水分利用效率分別為2.61和3.27 μmol CO2/mmol H2O，由于測定期接近生長季末，同時研究區的生境較為嚴酷，導致羅布麻的凈光合速率沒有達到大田水平，但水分利用效率卻與大田相當。以上結果表明羅布麻植株相比平原荒漠區的原生植被，能在充分利用強光照、提高植被凈光合速率的同時，提高植株的水分利用效率，在研究區具有很好的適應性和生態效益。研究區所屬的平原荒漠具有氣候惡劣、植被蓋度和生產力低、土壤肥力差等特點。并且，研究區常年作為冷季型放牧場，放牧時間長、利用強度大，草地植被遭到嚴重的破壞，這些因素導致了研究區域的荒漠化進程進一步加劇。同時，研究區地表的鹽堿化程度隨地下水位的抬升逐漸加劇，進而形成鹽漬化荒漠[8]。土壤鹽堿化程度非常高，pH值達到了9.0以上，且3個樣地的電導率均低于1.5 ms/cm，表明土壤堿性較強。而羅布麻植株對堿性土壤具有較強的適應能力，因此在研究區種植羅布麻灌叢，構建結構良好的灌草復合系統，能很好地促進平原荒漠區的植被恢復和改善平原荒漠區的生態環境。

自工業革命以來，CO2等溫室氣體排放的增加引起全球變暖和降水格局的改變已成為不爭的事實。因此，如何減緩溫室氣體特別是CO2的排放和降低大氣中溫室氣體含量是當前政府和研究者所致力解決的問題[24-25]。其中，農林復合系統的固碳潛力近年來引起了科學家的廣泛關注，農林復合系統特別是林草復合系統被認為是減緩CO2排放的一種最適宜的土地管理措施[26]。研究區種植羅布麻后，羅布麻灌叢與相鄰草本植物構成了結構合理，配置良好的灌草復合系統，灌草復合系統相比對照平原荒漠能分級多層次地利用光照、水分和養分資源，較大程度地提高系統的光能利用率和生產力，進而提高系統的固碳潛力[27]。生態系統固碳增匯功能的增加也會帶來其他生態效益，如改善區域環境，增加生物多樣性和改良退化土壤等[28]。林草復合系統的固碳潛力會受氣候條件、樣地年齡、物種組成、林木密度、土壤特性和管理措施等諸多因素的影響。其中，物種組成會通過改變木本和草本植物的生長速度、凋落物的產量和質量來影響林草復合系統的固碳潛力。因此，要提高林草復合系統的固碳潛力，就必須充分考慮研究區的自然條件和社會經濟狀況，針對當地的氣候條件，選擇適宜的物種組成[29]。羅布麻植株能較好地適應研究區的鹽堿化、干旱和貧瘠的生長環境[17]；同時，較高的莖稈纖維含量和葉片榭皮素含量也使其具有很高的經濟價值。因此，在新疆阿勒泰平原荒漠區種植羅布麻植株，能夠實現生態效益和經濟效益的雙贏目標，是促使該區域經濟、社會和環境可持續發展的良好途徑。

新疆平原荒漠區的生態環境非常脆弱，不合理的人類活動也進一步導致草原的退化和沙化[30]。因此，如何合理有效地控制和治理研究區的荒漠化進程成為當前迫切需要解決的問題。植物措施是防風固沙和治理荒漠化的基本方法之一[31]，其中，物種的選擇是沙漠化治理的關鍵。羅布麻種植區相比對照平原荒漠對風蝕和水蝕的抵抗能力主要體現在兩個方面：首先，羅布麻種植區的植被蓋度要顯著高于對照平原荒漠，加強植被覆蓋是減少風蝕和水土流失的有效措施，植被覆蓋對風蝕地表的保護效應隨植被蓋度的增加而加強[32]。實驗區種植羅布麻后顯著增加了冠層高度和群落蓋度，提高了地表粗糙度，增強了風蝕抵抗能力。其次，相比平原荒漠的草本植物根系，羅布麻灌叢較深的植物根系能顯著提高土壤的團聚體數量，有效改善土壤結構，進而增強研究區土壤的抗水蝕能力[33]。

4 結論

在阿勒泰平原荒漠區種植羅布麻灌叢，能顯著改善研究區的群落高度和群落蓋度，形成布局合理、結構完善的灌草復合系統，群落高度和蓋度的增加能顯著提高系統的抗風沙能力。羅布麻植株相比平原荒漠的優勢植物無葉假木賊和鹽地堿蓬具有更為發達的植物根系，能更好地吸收深層土壤水分；同時，羅布麻根系對土壤的固著作用和對土壤結構的改善會提高系統的抗水蝕能力。種植羅布麻后也顯著提高了平原荒漠區的植被生產力，其中草本層的生產力也得到了很大程度的提高，進而提高了研究區的固碳潛力。本研究結果表明在阿勒泰平原荒漠區種植羅布麻，具有很好的生態和社會效益，能在改善區域生態環境的同時，提高當地居民的經濟水平，是促進當地經濟、社會和環境可持續發展的有效途徑。