民勤沙區胡楊林健康序列及其影響因子分析

馬劍平，常兆豐，張元愷，馬俊梅，王 飛

(甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

胡楊(Populuseuphratica)，楊柳科楊屬喬木，分布于中國以及中亞地區、高加索地區、蒙古、埃及、敘利亞、印度、伊朗、阿富汗、巴基斯坦等地。我國主要分布于新疆、內蒙古西部、甘肅河西走廊、青海格爾木等地荒漠區。由于自然和人為的因素，從20世紀50、60年代以來，我國塔里木河中下游[1-2]、額濟納旗[3-4]、磴口[5]、河西走廊[6-8]和格爾木[9]的胡楊林面積逐漸減小，如20世紀50年代塔里木河中下游胡楊林面積38.67×104hm2，到90年代的40 a間塔里木河流域胡楊林面積減少了75%，1990-2015年胡楊林面積減少了2 260.45 km2[10]。有研究報告指出，近50 a來我國1/2以上面積的天然胡楊林消失[11]。

胡楊不僅是干旱荒漠區的主要建群種和優勢種，對維持干旱地區生態環境穩定具有重要意義[11-12]，被譽為抗風阻沙的“英雄樹”，而且胡楊還是沙漠中重要的觀賞樹種，屬于國家二類二級保護植物。面對天然胡楊林的衰減，近些年來西北各適生地實施了胡楊林生態修復工作，建立了一批胡楊林保護區，并大面積栽植人工胡楊林，因而，西北各地現有的胡楊林，既有天然林，也有人工林。河西走廊的金塔縣、高臺縣、阿克賽和民勤縣胡楊林面積相對較大，其他各縣均有零星分布，據筆者初步調查統計，總面積在1.2×104hm2，其中民勤境內約有1 000 hm2。

伊朗、中亞地區有關于胡楊林的研究報道[13-15]，但研究最多的還在中國，中國的研究主要集中在塔里木河兩岸[16-18]。有關胡楊林的退化的原因，大致有以下3個方面的研究報道：1)水資源退化。塔里木河流域的研究表明。在民勤境內，由于水資源減少，加之毀林開荒，胡楊林面積逐年減小[19]。隨胡楊林退化程度的加劇，林地土壤含水量、最大田間持水量、毛管持水量顯著降低[20-21]。2)耕地擴張。塔里木河下游水土資源開發將大片天然植被開墾為耕地，打破了生態系統原有平衡。同時，由于耕地擴張，水資源用于耕地，導致河道兩側地下水位下降，距離河道280～640 m的胡楊林逐漸衰敗，距離河道1 760～1 800 m的胡楊逐漸枯死[22]。3)旅游干擾，額濟納旗胡楊林的調查研究結果表明，強度旅游干擾使得胡楊林下植被和根蘗苗更新受阻，受基礎設施建設等旅游項目的影響，生境破碎化和異質性增加，改變了綠洲胡楊林的植被動態過程[23]。另外，還有20世紀60、70年代格爾木等地有砍伐胡楊林和放牧破壞情況的報道[24]。

當然，還有研究認為，胡楊死亡的原因并不是由于地下水位下降，而是由于風蝕破壞了胡楊林地表環境，一方面由于地表風蝕，幼苗更新能力差，胡楊林老化；另一方面風蝕使得根群出露地表，胡楊生長所需的營養得不到滿足[4]。那么，胡楊林退化的真正原因究竟是什么，胡楊林的健康狀況主要與哪些因素有關，這一問題的研究解決，不僅對于保護現存的胡楊林具有重要意義，而且對于西北地區培育人工胡楊林具有重要參考價值。民勤沙區既是胡楊林天然分布區之一，也是目前胡楊林退化區之一。為此，本研究以民勤沙區為例作一探索性分析，以資討論。

1 研究區與觀測研究方法

1.1 研究區概況

民勤縣位于河西走廊東北部，地處石羊河下游騰格里沙漠西部邊緣，北和西北側與巴丹吉林沙漠接壤，地理位置101°49′-103°12′E，38°05′-39°28′N，總土地面積為16 016 km2。民勤縣的生態環境退化過程大致可分為3個歷史景觀，即漢代以前為自然生態景觀，西漢(前206-公元25)至民國年間為退化生態景觀，1950年以來為人工生態景觀。民勤縣多年平均降水量116.52 mm，蒸發量2 351.79 mm，年平均風速2.8 m·s-1，主風向NW，年平均≥17 m·s-1大風28.2 d，沙塵暴25.8 d，揚沙天氣37.8 d，浮塵天氣30.2 d，民勤縣統計部門提供的資料，目前境內沙漠、戈壁、鹽堿灘地和低山殘丘占總土地面積的94.2%，其中沙漠面積占總面積的55.03%。

民勤是胡楊林的天然分布區之一，歷史上曾有大面積的胡楊林分布。后來，由于自然和人為的原因，民勤境內的胡楊林面積逐漸減小。目前，民勤的胡楊林僅存于農田邊緣、古河床、渠道和道路兩邊，且為大小不等的斑塊狀分布(圖1)。

圖1 民勤胡楊林調查樣點

1.2 觀測與分析方法

陸凡和李自珍[25]將系統活力、組織結構和系統恢復力3個指標作為干旱區生態系統健康的一級指標。而系統活力指標包括系統的狀態指標和病態指標等，系統的組織結構在植物群落中具體指植物的多樣性指標，系統恢復力指標是指系統的更新能力，在植物群落中是指植物的多樣性指標[26]。由于當地的胡楊群落的優勢種只有胡楊1個種，結構簡單，因而本研究的植物群落健康評價指標(表1)在其他植物群落健康評價指標[26]的基礎上做了適當簡化。胡楊齡級按過熟株、成熟株、中齡株、幼齡株和更新苗分為5個齡級，依次用5、4、3、2、1表示；枯梢齡級數即前述5個齡級中有幾個齡級枯梢分別用0、1、2、3、4表示，即有幾個齡級枯梢就記作幾，更新苗無枯梢；更新能力指標按樣地中更新苗的多、少和無分別記作2、1、0；伴生植物按喬木、灌木和草本3種生活型，生活型數分別用3、2、1表示。植株高度、郁閉度和蓋度以及植物多樣性指標按常規方法測量。在各樣點林地內均勻處設置植物調查樣方，喬木調查樣方50 m×50 m，用5點法在樣方4個角和中心劃定5個2 m×2 m的小樣方，在小樣方內調查灌木、草本以及胡楊更新苗等。共調查胡楊林樣地50個，只對其中的19個樣地取樣測定了土壤水分、土壤養分和土壤粒度。土壤取樣深度0～100 cm，每20 cm一層，土壤水分和土壤養分用常規方法測得，土壤粒度用馬爾文極光粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)測定。

將健康序列分為5級，分別用S1、S2、S3、S4和S5表示，健康順序用S1>S2>S3>S4>S5，即S1相對最健康。先將表1中8個指標按50個樣本的數值大小等分為5個區間，先用以下式(1)計算隸屬度，用式(2)計算加權隸屬度，再用式(3)進行歸一化處理，按其最大值進行一級判別分類。在一級判別分類的基礎上，再用式(4)進行二級模糊判別歸類。

表1 民勤胡楊林健康評價指標體系

(1)

式中，Rij為x的健康隸屬度，其中i為健康序列(i=1,2,…m)，j為植物健康指標(j=1,2,…n)；aij和bij分別為第i健康序列第j指標的判別區間上限和判別區間下限，k為系數，設k=0.5[26]。

(2)

(3)

在獲得一級判別結果的基礎上，用以下(4)式進行二級模糊綜合判別，確定健康序列。

(4)

2 結果與分析

2.1 胡楊林的健康序列

首先用式(1)、式(2)、式(3)進行一級判別歸類，將50個調查樣地的優勢種胡楊和伴生植物分別歸并為5個序列。在一級判別的基礎上，分別給胡楊和伴生植物以0.7和0.3的權重，用(4)式進行二級模糊判別分類，結果見表2。由表2可以看出，序列3的樣本數最多(26個樣本)，序列2樣本數次多(9個樣本)，序列5樣本數最少(2個樣本)，二級判別結果在優勢種胡楊一級判別結果的基礎上略有變動。

表2 民勤沙漠地區胡楊林健康序列

進一步按二級判別分類統計胡楊各健康指標的平均值(表3)。由表3可以看出：1)健康序列1的胡楊無枯枝枯梢且更新苗相對最多，伴生植物的植被蓋度最大；健康序列2的胡楊植株最高且齡級數最全，更新苗次多，伴生植物的生活型數最多；健康序列3的各指標均相對居中；健康序列5的胡楊過熟株、成熟株、中齡株和幼齡株均有枯枝枯梢，樣地上無更新苗，且伴生植物的蓋度最低，生活型數和植物種數均最少。2)健康序列1的樣地位于農田邊緣或水渠兩邊，可以利用到農田灌溉和水渠側滲水；健康序列2的樣地位于農田外圍或棄耕地，土壤水分和養分亦相對較好；健康序列5樣地位于古河床或水渠邊緣丘間地，距離水源相對較遠。

表3 二級分類的指標特征值(平均值)

2.2 胡楊林健康狀況與土壤因子的關系

調查樣地分布在長條形的民勤綠洲(圖1)，從西南到東北長約120 km，地勢平坦，氣溫、降水、風速等氣候差異不大[26]。因此，本研究就胡楊林健康狀況分析其與土壤水分、土壤養分和土壤pH值以及土壤粒度等幾個方面的關系。

胡楊林5個健康序列0～100 cm土壤因子特征見表4。由于本研究只對50個林地樣方中的19個樣地取了土樣，健康序列4中無土壤取樣樣方，但由這19個樣地多個層次有土壤資料足以揭示胡楊林健康狀況與土壤因子關系。

表4 胡楊林5個健康序列0～100 cm土壤因子特征

2.2.1 與土壤水分的關系 前述已知，只對50個胡楊調查樣地中的19個樣地取樣測定了土壤水分、土壤養分和土壤粒度。二級判別分類結果為，健康序列1、2、3、5中分別包含有6、4、8、1個土壤取樣樣地，健康序列4中無土壤取樣樣地。由以上土壤樣品測定計算得健康序列1、2、3、5的0～100 cm深平均土壤含水率分別為6.085%、4.175%、4.717%和1.257%，健康序列1最高，健康序列3次高，健康序列5最低。表層0～20 cm層平均土壤含水率分別為3.146%、3.992%、2.817%和0.342%，健康序列2最高，健康序列1次高，健康序列5最低。

胡楊林各種健康指標與土壤水分的相關分析結果表明，胡楊林的郁閉度與0～100 cm深平均土壤含水率呈極顯著正相關(P<0.01)，與40～80 cm層土壤含水率呈顯著正相關(P<0.05)。伴生植物的蓋度與0～20 cm層土壤含水率呈極顯著正相關(P<0.01)，與20～40 cm層及0～100 cm深平均土壤含水率呈顯著正相關(P<0.05)(表5)。

表5 胡楊林健康指標與土壤水分的關系

2.2.2 與土壤養分的關系 測定結果表明，各類樣地的土壤pH值均>8，即均屬于弱堿性土壤。0～100 cm深的土壤pH值健康序列5最高(8.578)，健康序列2次高(8.168)，健康序列3最低(8.027)，且0～20 cm屋的分布規律與 0～100 cm的相一致。0～100 cm土壤有機質含量健康序列1最高，健康序列2次高，健康序列5最低，且0～20 cm層與0～100 cm層分布規律相一致。0～100 cm土壤全N健康序列2最高，健康序列1次高，健康序列5最低，0～20 cm層與0～100 cm層分布規律亦相一致。0～100 cm土壤速效P健康序列1最高，健康序列3次高，健康序列5最低。

胡楊林各種健康指標與土壤pH和土壤養分的相關分析結果表明，胡楊更新苗的數量與0～20 cm以及20～60 cm層的土壤速效P顯著正相關(P<0.05)。伴生植物的植被蓋度與60～100 cm的土壤pH值顯著負相關(P<0.05)(表6)。

表6 胡楊林健康指標與土壤養分的關系

2.2.3 與土壤粒度的關系 先將樣品測定結果按粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、細砂(0.05～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)和極粗砂(1～2 mm)6個粒度級進行統計，然后再分析胡楊林健康指標與各級土壤粒度的關系。分析結果表明，胡楊林的枯枝枯梢程度與0～60 cm層的中砂以及0～100 cm深的粗砂含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與60～100 cm層的中沙含量呈顯著正相關(P<0.05)，且與20～60 cm層的細砂含量為顯著負相關(P<0.05)。胡楊更新苗的多寡與0～20 cm層土壤細砂含量為顯著正相關(P<0.05)，與0～20 cm層的粗沙含量及極粗含量呈顯著負相關(P<0.05)。伴生植物的植被蓋度與0～20 cm層的粉粒含量極顯著正相關(P<0.01)，與0～20 cm層的粘粒及20～100 cm層的粉粒含量顯著正相關(P<0.05)，與0～20 cm層的中砂及粗砂呈極顯著負相關(P<0.01)，與20～100 cm層粗砂為顯著負相關(P<0.05)(表7)。

表7 胡楊林健康指標與土壤粒度的關系

3 結論與討論

無枯梢且更新苗多的胡楊林健康狀況較好。健康序列1的胡楊林無枯枝枯梢且更新苗相對最多；健康序列2的胡楊植株最高且齡級數最全，更新苗次多；健康序列5的胡楊過熟株、成熟株、中齡株和幼齡株均有枯枝枯梢，且樣地上無更新苗。自然更新能力是標志胡楊林健康狀況的一個重要指標。研究結果表明，0～60 cm的土壤速效P和0～20 cm的土壤細砂含量較多的土壤胡楊更新苗相對較多，此可作為選定胡楊造林地的重要依據之一。

土壤干旱缺水是導致民勤胡楊林退化的主要原因。在民勤沙區，土壤干旱缺水是影響胡楊林健康狀況的主要原因，其次是土壤粒度和pH值，越是靠近農田水分條件好的地塊胡楊林的健康狀況相對越好，土壤pH值在8.0左右的微堿性細沙地上的胡楊林相對較健康，土壤pH值>8.5胡楊林健康狀況最差。鑒于此，一方面，對現有退化胡楊林應適當補充人工灌溉，使土壤含水率保持在5%以上；另一方面，營造人工胡楊林要選擇靠近農田邊緣水分條件較好的地塊。

靠近農田邊緣的胡楊林健康狀況相對較好。民勤的胡楊林正處在退化過程中[19]。對此，不便斷然確定哪個是健康的或不健康的，但健康或不健康還存在一個程度問題，因此我們總可以就其健康狀況做出某種排序。從本研究健康序列分類情況看，生長的農田邊緣水分條件較好的胡楊林健康狀況相對較好，如健康序列1基本都在邊緣，距離農田越遠則健康序列相對越居后，如健康序列5，樣地分布在距離農田較遠的古河床或沙丘間地(表3)，在現場調查時我們已注意到了這一現象，分析結果也證明胡楊林的郁閉度與土壤含水率顯著正相關(表5)。

胡楊林優勢種的優勢度較強。根據優勢種胡楊和伴生植物在群落中的功能地位，在二級模糊判別歸類時分別給胡楊和伴生植物以0.7和0.3的權重。靈敏度分析結果表明，當優勢種胡楊的權重從0.6向1.0增大時，樣本的歸類略顯偏向上一序列的趨勢，但并不改變樣本的健康順序，表明其優勢種的優勢度相對較強。不僅如此，為了揭示類群之間的差異，本研究進一步以10個序列進行了判別歸類，其結果是有的序列中無樣地，有的序列中只有1個樣地，而更多的樣本仍然聚集在中間(健康序列5、6)和兩端(健康序列1和10)，但與5個序列相比，樣本的健康序列并沒有發生改變。

有無更新苗是評價胡楊林健康狀況的重要指標之一。林地的自然更新能力是保證林分生態系統持續穩定的不可缺少的重要因素[27]。在調查樣地中，有的樣地(如樣地2、3)雖然無枯枝現象，胡楊生長相對較好，但也無更新苗，顯然，這樣的林分是不持續的，有更新苗、幼齡林、中齡林、成熟林、過熟林才是一個林齡級完善的生態系統，因此本研究將更新能力作為評價胡楊林健康狀況的重要指標之一。

當地下水位過深胡楊無法利用。以上健康序列1、2、3、4樣地分別有7、6、12和2個井位的地下水位觀測值，2018年4個健康序列各井位平均地下水位分別為18.66 m、20.84 m、22.76 m和22.54 m(健康序列5樣區無地下水觀測點位)，地下水位與胡楊林健康指標相關不顯著(P>0.05)，這樣深的地下水胡楊林肯定是無法利用的，分析結果也證實了這一點。

土壤水分是影響當地胡楊林健康的首要因素。綜合5個健康序列胡楊林地土壤因子(表4)可以看出，在民勤沙區，土壤水分是影響胡楊林健康的首要因素，序列1的土壤含水率明顯高于其他序列；其次是土壤pH值，土壤pH值在8.0左右時胡楊林健康狀況較好，序列5的土壤pH值>8.5健康狀況最差；再就是土壤養分，隨著土壤有機質和全N、速效P含量減少，胡楊林的健康序列推后；健康序列靠前的土壤細砂、粉粒和粘粒含量較高，尤其是細砂，隨著健康序列推后，土壤中的中砂、粗砂遞增。另有關于民勤胡楊林地土壤特征的研究認為，靠近耕地邊的胡楊林地土壤有機質和全N速效P顯著高于其他地塊[19]。民勤沙區胡楊林根區土壤理化性質研究還表明，土壤有機質和全N、速效P含量成熟林>中齡林>幼齡大，胡楊林齡的增大改善了土壤理化性質[28-30]。前述已知，本研究只對50個林地樣方中的19個樣地取了土樣，這也是本研究不足之處之一。

新建人工胡楊林應選擇靠近農田邊緣水分條件較好的地塊。民勤沙區現在的胡楊林均為小塊狀零散分布，普遍生長退化。面對胡楊林面積逐漸減小的趨勢，近幾年，民勤以及河西走廊其他沙區開始營造工人胡楊林。根據本研究結果，一方面，對現有退化胡楊林要適當補充人工灌溉，使土壤含水率保持在5%以上；另一方面，新建人工胡楊林應選擇靠近農田邊緣水分條件較好的地塊，選擇土壤pH值在8.0左右的微堿性[31]細沙地較為適宜。研究結果還表明，更新苗量與0～60 cm的土壤速效P(表6)和0～20 cm的土壤細砂含量(表7)顯著正相關(P<0.5)，這也可以作為選定胡楊人工造林地的依據之一。