枝條覆蓋對平茬花棒生長特征和淺層土壤水分的影響

魏亞娟,黨曉宏,2,汪 季,2,*,畢力格,祁 帥,馮亞亞,王雪超

1 內蒙古農業大學沙漠治理學院, 呼和浩特 010018 2 內蒙古杭錦荒漠生態定位觀測研究站, 鄂爾多斯 017400 3 內蒙古自治區林業監測規劃院, 呼和浩特 010020

20世紀80年代以來,吉蘭泰地區大力開發機電井,加之氣候因素影響導致當地地下水位逐年下降,天然降雨已不能滿足植物正常生長需要。尤其是人工花棒(Hedysarumscoparium)林出現了早衰現象,林帶防風固沙能力顯著降低,給當地人們生產生活帶來極大威脅。生態建設與水資源嚴重匱乏之間的矛盾已成為制約吉蘭泰地區生態建設的關鍵問題。

為了保障防護林功能的可持續發展,緩解花棒林對水分和養分的競爭,恢復當地的生態環境,促進植被正常更新,通常采取平茬措施對花棒進行復壯更新。但平茬后,地表裸露,土壤水分蒸發較快,同時植物正常生長也需消耗水分,導致“土壤干層”現象的發生。如果土壤水分不能得到及時補給,“土壤干層”現象便會進一步加劇[1]。為了抑制土壤水分蒸發,防止地表沙化,提高土壤水分利用效率,通常采用土壤表面覆蓋的方法,故就地取材采用平茬留存的花棒枝條進行地表覆蓋。關于地表覆蓋,近年來學者們主要集中在對土壤水分、土壤結構、土壤養分、土壤鹽分等方面的研究。付強等[2]研究表明,秸稈覆蓋能有效抑制0—60 cm土層土壤液態水的變幅,但抑制作用隨土層深度逐漸減弱,尤其在作物生長前期和旱季,能有效調節地表土壤水分和溫度[3- 4]。魯天平等[5]、姚寶林等[6]研究表明,地表覆蓋能有效改善土壤結構和養分,抑制土壤鹽分表聚,有利于植物生長。但地表覆蓋主要針對農作物和經濟樹種,在荒漠化地區將平茬和地表覆蓋結合運用較少。

因此,本文在前人研究基礎上,以不同立地類型退化花棒人工林為研究對象,采用機械平茬方式,并用平茬后留存的花棒枝條對林地樣帶進行覆蓋,以無覆蓋林地作為對照(CK,Control),對不同立地類型平茬花棒進行物候期、土壤水分觀測和生長指標測定分析,以揭示枝條覆蓋對花棒生長更新的影響,從而為吉蘭泰防護林植被恢復和鹽湖保護提供理論依據和技術支撐。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于吉蘭泰荒漠-綠洲過渡區防風固沙林帶(39°48′03″—39°48′95″N,105°43′21″—105°43′97″E),海拔1030—1040 m。屬溫帶大陸性季風氣候,氣候炎熱,晝夜溫差大,干旱少雨,降雨年際變化大且季節分配不均。年平均降水量121.1 mm(1980—2016年),主要集中于7—9月份。氣溫年較差大,年平均氣溫8.6℃,年均潛在蒸發量為3023.7 mm,為降雨量的26.6倍,干燥度大于7。風大沙多,年均風速3.7 m/s,最大風速24 m/s。土壤主要以風沙土和灰漠土為主。地勢相對平緩,低洼地在其中零星分布。植被主要以旱生、超旱生為主,建群種主要為人工花棒,還分布沙拐棗(Calligonummongolicum)、檉柳(Tamarixchinensis)、白刺(Nitrariatangutorum)。多年生草本植物有沙蒿(Artemisiadesertorum)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica),一年生草本植物有虎尾草(Chlorisvirgata)、興安蟲實(Corispermumchinganicum)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、堿蓬(Suaedaglauca)等。

1.2 試驗處理

經實地踏查,所選人工花棒林于1984年采用傳統挖穴栽植方式建植,株行距為1.5 m×2.0 m?；ò袅值丶s有2 cm厚度的枯落物。根據地形因素劃分為：平地、丘頂、丘間低地3種立地類型。每種立地類型下,分別設置6個5 m×15 m的小區,共計18個小區。平茬前,對不同立地下花棒林進行基本生長指標測定,具體指標情況如表1所示。

表1 不同立地類型花棒人工林生長特征(均值)

于2016年10月末,運用機械進行整株平茬,留茬高度2 cm,平茬樣帶寬8 m,長100 m。將平茬留存的枝條進行人工覆蓋處理：去除較粗分枝,使其相對平整,減少枝間空隙；然后將枝條進行交錯覆蓋兩層,覆蓋層厚度為5 cm,覆蓋度為60%—70%,對照(CK)樣地未進行覆蓋。平茬后用紅絲帶和掛牌對植株進行標記,便于日后觀測。平茬后,對試驗地進行圍封,防止人、動物等破壞、啃食。

1.3 研究方法

1.3.1土壤水分相關指標測定

(1)土壤容積含水量測定 用土鉆對不同立地類型下覆蓋與無覆蓋平茬花棒0—100 cm進行分層取樣,每10 cm為一層。用電子天平(精度為0.001 g)對土壤進行稱重,記錄其濕重,放入105℃烘箱中烘干至恒重,稱其干重。公式如下：

(2)土壤水分變異系數[7]計算公式：

式中,Dw為土壤儲水量(mm)；n為土壤層數,n=10；vswci為各觀測層土壤容積含水量(%)；Hi為各觀測層所代表的土壤深度(cm)。

1.3.2平茬花棒林物候及生長指標測定

于2017年4月觀測花棒林萌芽期。同年10月中期,分別利用卷尺與游標卡尺對不同立地平茬花棒進行株高和基徑測定,并記錄新生枝條數量。具體測定方法如下：

株高(cm)：新生枝一級分枝根莖處到頂部之間的絕對距離,精確到0.01 cm;

基徑(mm)：新生枝一級分枝根莖處的直徑,精確到0.01 mm；

分枝數(枝/叢)：每叢全部分枝數,精確到0.1枝/叢；

冠幅(m2)：分別測定灌叢東西(L)、南北(W)的長度；計算公式[10]如下：

然后測定每叢平茬花棒地上生物量鮮重和干重,包括：一級分枝、二級分枝、三級分枝、葉和種子。求出平均值,進行平茬效應分析。

1.4 數據處理

圖表中數據均采用“均值±標準差”的形式。運用Excel 10.0對數據進行整理,運用SPSS 20.0軟件進行數據單因素方差分析與檢驗,采用Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 枝條覆蓋對平茬花棒物候期的影響

由表2知,對萌芽期而言,不同立地(平地、丘頂、丘間低地)平茬花棒枝條覆蓋較無覆蓋分別提前7 d、6 d和5 d,較未平茬分別提前10 d、17 d和13 d。根據觀測,平茬后第1生長季,丘頂平茬花棒覆蓋與無覆蓋植株均出現了繁殖生長,在6月能正常開花,8月能正常結果。研究還發現,平茬處理延長了花棒生長周期,新生枝條及葉片在11月中下旬才會發黃干枯進入落葉期,結束其生長。

表2 枝條覆蓋條件下平茬花棒萌芽期情況

2.2 枝條覆蓋對平茬花棒林淺層土壤水分的影響

土壤容積含水量垂直變化趨勢 水分是影響植物生長的重要因子。在水資源較高的情況下,植物具有較高的生長補償能力[11]。由圖1知,枝條覆蓋對0—100 cm土層土壤容積含水量有一定的改善作用。平地平茬花棒林在枝條覆蓋下生長初期和末期不同土層深度土壤容積含水量較無覆蓋分別增加10.53%—148.28%、16.64%—86.16%；丘頂分別增加-2.46%—67.74%、17.88%—124.46%；丘間低地分別增加10.38%—131.33%、1.6%—251.28%。各立地平茬花棒生長季初期枝條覆蓋較無覆蓋平均土壤含水量增幅在20.12%—59.84%,末期增幅在40.13%—44.86%。枝條覆蓋對土壤水分改善作用依次為：丘間低地>平地>丘頂。由此可知,枝條覆蓋有利于表層土壤水分的保存。

土壤容積含水量變化分層 變異系數是描述觀測值變異程度的統計量,反映單位均值集中或離散程度。變異系數越大,說明觀測值變異程度越大,即土壤容積含水量變化劇烈,反之越小。從圖1知,枝條覆蓋能減緩土壤容積含水量的變幅,變異系數由表層到深層逐漸遞減。尤其在丘頂和丘間低地表現更加明顯,而平地變化相對無明顯規律。在平地,生長季初期無覆蓋0—40 cm、70—80 cm土層屬活躍層和次活躍層,覆蓋后分別屬次活躍層和穩定層；在丘頂,生長季初期無覆蓋0—20 cm、40—80 cm土層分別屬速變層和次活躍層,覆蓋后屬活躍層和相對穩定層；在丘間低地,生長季初期無覆蓋30—50 cm土層屬次活躍層,覆蓋后屬相對穩定層。由此可知,枝條覆蓋在生長季初期對平茬花棒土壤水分改善作用更加明顯。但隨深度增加,枝條覆蓋對土壤水分的影響逐漸減小。

圖1 平茬花棒土壤容積含水量及變異系數變化特征Fig.1 Change characteristics of soil volume water content and coefficient of variation on clipping Hedysarum scoparium IU,無枝條覆蓋生長季節初期 In the initial stage growth of unmulching； EU,無枝條覆蓋生長季節末期The end of growth stage of unmulching； IM,枝條覆蓋生長季節初期 In the initial stage growth of mulching； EM,枝條覆蓋生長季節末期 The end of growth stage of mulching

圖2 枝條覆蓋對平茬花棒的土壤儲水量變化特征 Fig.2 Change characteristics of soil water storage capacity on clipping Hedysarum scopariumIU,無枝條覆蓋生長季節初期 In the initial stage growth of unmulching； EU,無枝條覆蓋生長季節末期The end of growth stage of unmulching； IM,枝條覆蓋生長季節初期 In the initial stage growth of mulching； EM,枝條覆蓋生長季節末期 The end of growth stage of mulching

由圖2知,觀測期內不同立地平茬花棒經枝條覆蓋后,土壤儲水量均大于無覆蓋林地。經對比分析,生長季初期丘頂、平地、丘間低地枝條覆蓋較無覆蓋土壤儲水量分別增加27%—59.84%；生長季末期分別增加41.33%—44.86%。研究發現,不同立地覆蓋和無覆蓋平茬花棒消耗的水分分別在30.02—43.28 mm 和19.24—30.87 mm。丘頂、平地、丘間低地平茬花棒生長覆蓋較無覆蓋多消耗56.03%、42.20%、38.25%。實驗發現,枝條覆蓋下的丘間低地土壤儲水量變幅最大。說明枝條覆蓋有利于土壤儲水量增加,尤其是對丘間低地土壤保水増熵效果最好。

2.3 枝條覆蓋對平茬花棒生長特征的影響

2.3.1枝條覆蓋對平茬花棒生長狀況的影響

平茬后植物萌蘗株生長狀況是衡量其再生能力和適應環境能力的重要指標[12]。由圖3知,不同立地平茬花棒采取枝條覆蓋措施后,其生長狀況較無覆蓋效果好,且新生枝形成“蓮花狀”灌叢。株高、新生枝數、基徑粗、冠幅分別較無覆蓋平均增加15.18%、10.91%、23.38%、23.39%(P>0.05)。株高、基徑粗、冠幅效果依次為丘間低地>平地>丘頂。而新生枝數依次為：平地>丘頂>丘間低地。這說明植物的補償能力與資源可獲得性密切相關,在資源獲得性較高的環境中,植物平茬后有較高的補償生長能力[13]。

圖3 平茬花棒生長特性的變化特征Fig.3 Change characteristics of morphological features on clipping Hedysarum scoparium小寫字母表示不同立地類型平茬花棒枝條覆蓋與無覆蓋生長指標間的差異顯著性;字母相同,表示差異性不顯著(P>0.05)；字母不同,表示差異性顯著(P<0.05)

2.3.2枝條覆蓋對平茬花棒生物量積累的影響

生物量反映了生態系統生產者的物質生產量,對植物生長發育具有重要意義。由表3知,不同立地(平地、丘頂和丘間低地)平茬花棒經枝條覆蓋后地上生物量鮮重較無覆蓋分別增加24.17%、19.83%、4.45%(P<0.05),干重較無覆蓋增加17.20%、18.93%、3.78%(P<0.05)。平地一級枝、二級枝、三級枝及葉片鮮重和干重枝條覆蓋較無覆蓋分別增加15.59%、29.71%、45.50%、24.30%和6.52%、28.43%、82.04%、16.36%(P>0.05)；丘頂分別增加19.45%、20.23%、20.56%、19.87%和18.64%、19.46%、19.65%、19.09%(P>0.05)；丘間低地分別增加4.84%、5.25%、5.07%、4.64%和3.80%、3.69%、3.73%、3.83%(P>0.05)。而只有丘頂平茬花棒具有繁殖器官—種子,其鮮重和干重較無覆蓋分別增加20.40%、18.52%。其生物量大小順序依次為：丘間低地>平地>丘頂。說明較好的水分狀態可以提高平茬花棒生物量。

2.3.3枝條覆蓋對平茬花棒生物量分配格局的影響

植物生物量分配格局是植物將有限資源進行生長、支持和繁殖等方面的配置,反映植物對環境的適應能力[14]。由表4知,枝條覆蓋使不同立地(平地、丘頂、丘間低地)一級枝生物量分配較無覆蓋減少33.33%、21.43%和8.82%,尤其在平地兩者差異顯著(P<0.05)。而葉分配較無覆蓋分別增加17.02%、24.49%和11.63%(P>0.05)。枝條覆蓋對不同立地類型平茬花棒二級枝、三級枝分配影響較小且沒有規律性。對于丘頂而言,無論枝條覆蓋還是無覆蓋繁殖分配只占到生物量總分配率的10.00%、8.00%。說明花棒平茬后,將有限的資源均分配給花棒生長。

表3 平茬花棒生物量的變化特征

小寫字母表示不同立地平茬花棒枝條覆蓋與無覆蓋同一指標間的差異顯著性。字母相同,表示差異性不顯著(P>0.05)；字母不同,表示差異性顯著(P<0.05)

表4 平茬花棒生物量分配格局的變化特征

3 討論

吉蘭泰地區降雨稀少,蒸發強烈?；ò羝讲绾?地表裸露土壤水分極易蒸散,水分難以保持。因此枝條覆蓋能有效減少花棒樣地地表水分損失,提高花棒林地土壤水資源利用效率。枝條覆蓋能更快地促進林分更新,對荒漠-綠洲過渡帶防護林長期穩定發展具有重要意義。

3.1 枝條覆蓋對平茬花棒萌芽期的影響

植物物候期是受生物因素和非生物因素影響的復雜過程。經枝條覆蓋的平茬花棒萌芽期較無覆蓋提前5—7 d,說明枝條覆蓋能促使平茬花棒提前萌芽。不同立地類型花棒萌芽時間依次表現為：丘間低地>平地>丘頂。這是因為吉蘭泰位于溫帶氣候區。在該氣候區中,溫度是影響植物物候期最主要的因子[15]。春季氣溫上升快且風大,丘間低地與丘頂相比地勢低,空氣溫度較高,風速減緩。加之丘間低地土壤水分充足,導致土壤熱容量和土壤溫度較高,因此丘間低地平茬花棒提前萌芽。研究中還發現,平茬花棒較未平茬花棒萌芽期提前10—17 d。該實驗結果與李宇等[16]和李應罡等[17]等對喬木狀沙拐棗的研究不同。因為喬木狀沙拐棗平茬時間為春季,該季節風大沙多,植物去除頂端優勢后,茬口暴露在空氣中水分容易散失,且植物受到一定創傷,需要一定時間愈合。而本文平茬時間為秋末冬初,經過一個冬季的修復,平茬口早已愈合?；ò魧俣箍苹哪参?根系中存儲有大量的淀粉。此時,平茬花棒將存儲于根系中的淀粉轉化為可溶性糖類和游離態等花棒生長所需物質向上運輸,促進根莖部位側芽組織分生萌蘗[18]。

3.2 枝條覆蓋對平茬花棒林地蓄水保墑的作用

枝條覆蓋主要通過減少水分耗散增加土壤水分。枝條覆蓋后土壤平均容積含水量、土壤儲水量較無覆蓋增加20.12%—59.84%、27%—59.84%；但土層水分含量隨深度變化減緩。該結果與嚴正升[19]和黃金輝[20]等分別對平茬檸條和蘋果園的研究結果相同。枝條覆蓋對表層土壤不僅起到一定的機械保護作用,還能對土壤表面起到物理隔絕作用,減弱土壤與大氣間和不同土層間土壤水的能量交換強度和土壤水分蒸發強度,保持土壤水分供需平衡[21]。此外還有3個原因也是保持土壤水分的原因。其一,平茬使花棒地上生物量急劇減少,有效降低了植物葉片蒸騰耗水。其二,10月末降雨減少,氣溫降低導致地表蒸發強度和花棒葉片蒸騰速率減弱,而且此時植物幾乎已經完成生長進入休眠期,呼吸作用減弱,幾乎不消耗土壤水,土壤水分波動減小,使土壤水分得到回升[22]。其三,10月末平茬花棒已經形成一定冠幅,且新生花棒呈蓮花狀生長,可以有效減弱近地表風速,使土壤水分蒸發速率減小[23]。

3.3 枝條覆蓋對平茬花棒生長特性的影響

沙生灌木具有極強的超補償生長能力,當地上部分被破壞后,地上生物量能夠迅速恢復[24]。本研究表明,枝條覆蓋導致花棒株高、新生枝數、基徑、冠幅較無覆蓋地區增加10%以上,同時能促進生物量積累。總體表現為：丘間低地>平地>丘頂。由此可見,丘間低地平茬花棒生長狀態最好。丘間低地地勢相對較低,水分在此匯聚[25]。而丘頂受到風沙影響較大,土壤水分相對較低。加之枝條覆蓋能將土壤的水熱優勢轉化為花棒生長優勢,水熱條件是影響植物生長的關鍵因素。尤其在春天,平茬花棒開始萌發,光合作用和呼吸作用較為旺盛,蒸騰作用較高,此時需要一定的水分,而枝條覆蓋能阻擋水汽蒸發,使接近表層的水分受到阻隔而發生橫向運輸,減少土壤總蒸發量；同時減緩土壤溫度劇烈變化,為平茬花棒根系生長提供一個相對穩定的生長環境[26]。另外,枝條覆蓋可以保護新生萌芽免受風沙的打割,為地上組織生長提供物質條件,從而為花棒萌蘗、生物量積累提供良好的物質基礎[27]。該結果有待于進一步論證。平茬第1年,丘頂花棒出現生殖繁殖,可能原因是丘頂容易遭受風蝕,水分和養分條件相對比較惡劣,花棒在遭遇逆境時,會提前開花,此現象稱之為“逆境誘導開花”[28]。本文研究還發現,枝條覆蓋雖能夠提高花棒生物量,卻未改變花棒地上生物量的分配格局。但枝分配占到總生物量一半以上,有利于平茬花棒在水平和垂直方向上拓展營養空間。

4 結論

(1)枝條覆蓋有利于平茬花棒提前萌芽,較無覆蓋提前5 d以上,平茬后較未平茬花棒提前萌芽10 d以上。

(2)枝條覆蓋使不同立地類型平茬花棒生長季初期和生長季末期0—100 cm土層平均土壤容積含水量增加20.12%以上,且使土壤含水量變異系數隨土層深度增加變化減緩；土壤儲水量生長季初期和生長季末期枝條覆蓋較無覆蓋增加27%以上。

(3)枝條覆蓋使平茬花棒株高、新生枝數、基徑、冠幅較無覆蓋增加10.91%以上,同時其生物量鮮重和干重較無覆蓋增加4.45%—24.17%、3.78%—18.93%,尤其丘間低地平茬花棒生物量增加效果更加明顯。但枝條覆蓋未改變平茬花棒生物量分配格局。

(4)枝條覆蓋和平茬對花棒生長均具有積極作用,尤其對丘間低地平茬花棒生長的促進作用最好。