甘家湖典型防風固沙林健康評價

何苗, 寧虎森,*, 羅青紅

甘家湖典型防風固沙林健康評價

何苗1,2, 寧虎森1,2,*, 羅青紅1,2

1. 新疆林科院造林治沙研究所, 烏魯木齊 830063 2. 新疆精河荒漠生態系統國家定位觀測研究站, 新疆精河 833300

防風固沙林是干旱半干旱地區生態安全屏障的重要組成, 對其健康狀況進行評價, 可為防風固沙林經營和管理提供科學依據。以甘家湖地區防風固沙林為研究對象, 使用樣方調查和室內實驗分析相結合的方法, 選取4個一級指標和17個二級指標, 采用生態系統健康指數模型對防風固沙林健康狀況進行評價。結果顯示, 甘家湖防風固沙林整體健康狀況良好, 其健康指數范圍在0.53—0.93之間, 均值為0.77, 樣方中: 6.82%為“優質健康”狀態, 47.73%為“健康”狀態, 38.64%健康狀態為“一般健康”, 6.82%健康狀態為“差”。不同類型防風固沙林健康狀況排序為: 梭梭林>胡楊林>混交林>檉柳林。今后應加強管護, 保證防風固沙林健康發展。

甘家湖; 森林健康; 梭梭; 胡楊

0 前言

森林的健康狀態是森林發展狀況的重要評價標準, 其并不是指森林無病蟲害等狀況發生, 而是這些不利因素處于較低水平, 森林生態系統保持相對穩定的狀態[1-2]。基于對森林健康評價的認識, 現已不乏相關研究, 前人在此領域已取得一些成果, 其中有對某一地域范圍所有森林的健康水平進行整體評價[3-5], 也有對區域內某一林種森林健康水平進行評價[6-8], 但相關研究大多集中在我國東部及南部自然環境較好的地區, 而關于干旱半干旱地區防風固沙林健康狀況的評價相對較少。風沙侵襲一直是影響新疆生態安全的因素, 由于干旱半干旱地區生態環境脆弱, 森林作為干旱半干旱地區重要的生態屏障, 其防風固沙功能顯得尤為重要[9-10]。植被作為森林生態系統的關鍵組成部分, 能夠通過根系固定土壤及改善土壤結構等方式減少土壤風蝕, 同時增加下墊面粗糙度, 降低近地面風速, 從而減弱大風裹挾風沙, 減少或減弱沙塵暴的發生[11]。甘家湖地區位于古爾班通古特沙漠西南緣, 阿拉山口的強風夾帶沙土向南是北疆多地沙塵暴或浮塵天氣的主要成因之一, 其經過甘家湖地區時, 防風固沙林對這一過程有降低風速阻滯沙塵的作用, 從而減緩沙塵天氣對其以南地區的影響[12]。本研究旨在通過調查分析, 對甘家湖地區防風固沙林森林健康狀況進行科學評價, 為當地及自然條件相似地區防風固沙林經營和管理提供理論指導, 同時也為更好的發揮防風固沙林生態屏障的作用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區主要位于新疆烏蘇市和博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內, 地處準噶爾盆地古爾班通古特沙漠西南緣(44°50'—45°05'N, 83°20'—84°07'E), 研究區總面積5.466×104hm2, 屬溫帶荒漠氣候地帶, 全年太陽總輻射量約為536 J·cm-2·a-1, 年日照時數約2700 h左右, ≥10 ℃的積溫為3600 ℃左右, 年平均氣溫6.7 ℃, 氣溫年際變化為5.9—8.5 ℃, 全年無霜期, 180 d左右[13-14]。區域內土壤主要是流沙、灰棕色荒漠土、灰漠土、鹽漠土、和草甸土等類型。區域內植物資源豐富, 分布有梭梭()、白梭梭()、胡楊()、檉柳()、鈴鐺刺()、琵琶柴()等多種植物。該區域是我國研究荒漠生態系統的重要基地, 同時也是也是抵御艾比湖地區的風沙向東侵蝕的天然屏障。

1.2 研究方法

1.2.1 調查方法

1.2.1.1 調查樣方選取

在研究區內, 根據地表植被類型, 選取四類樣方: (1)梭梭樣方: 梭梭純林或以梭梭為明顯優勢種; (2)檉柳樣方: 檉柳純林或以檉柳為明顯優勢種; (3)胡楊樣方: 胡楊純林或胡楊林中伴生灌木較少且矮小; (4)混交林樣方: 兩種及以上植物共生且無明顯優勢種的混交林樣方。混交林主要包括梭梭+檉柳、梭梭+白刺、梭梭+檉柳+白刺+琵琶柴、梭梭+鈴鐺刺+沙拐棗等多種類型。本次調查共選取44個樣方, 其中: 梭梭樣方8個、檉柳樣方4個、胡楊樣方9個、混交林樣方23個。

1.2.1.2 調查方法

在植物生長較為旺盛的季節, 進入研究區進行樣方調查, 調查內容主要包括樣方的立地情況、植被生長狀況、土壤狀況及受干擾和病蟲害狀況。調查時, 設定樣方大小為20 m×20 m, 并按照如下指標對樣方進行調查:

(1)群落結構調查: 樣方選定后, 記錄樣方基本信息及植被類型, 逐一測量樣方中喬木和灌木并調查生長狀況, 包括: 喬木胸徑、冠幅、高度, 灌木種類、地徑、冠幅、高度, 更新數量。采用五點法, 在樣方中設置5個1 m×1 m的草本樣方, 統計草本的種類、數量、高度、冠幅等數據。

(2)群落功能調查: 樣地中土壤結皮類型。

(3)生境因子調查: 每個樣方中挖出一個垂直深度20 cm的土壤剖面, 取0—20 cm土壤, 將土壤樣品混勻后盛入封口袋中帶回實驗室用于測定土壤黏粉粒含量、有機質含量、含水量。

(4)健康風險調查: 樣方中植被枯梢、病蟲害和人畜干擾情況。

1.2.2 評價指標體系建立

本研究結合當地實際并請教相關專家, 同時參考前人研究成果, 遵從科學性和層次性原則, 同時考慮到實際性和易操作性, 設定了群落結構、群落功能、生境因子、健康風險四個一級指標, 在一級指標下分別選取了物種多樣性、更新狀況、人畜干擾等17個二級指標對防風固沙林健康狀態進行評價。(表1)

1.2.2.1 指標測量與計算

樣方中植被的株高、冠幅(取平均冠幅)、數量等指標可直接測得, 其他指標計算、判定方法如下:

(1)物種多樣性: 物種多樣性指數的計算公式各異, 而實質相近[15], 其大多基于物種種類數計算, 本研究將物種多樣性直接簡化為樣方內植物種類數, 并劃分成三級: >5種為“好”、3—5種為“中”、<3種為“差”[16]。

(3)保持水土: 調查樣方中土壤結皮的類型, 分別將生物結皮、物理結皮與無結皮劃分作“好”、“中”和“差”三個等級。

(4)土壤有機質: 采用重鉻酸鉀容量法測定[18]。

(5)土壤黏粉粒含量: 采用篩分法測定[19]。

(6)土壤含水量: 采用烘干法測定[18]。

(7)人畜干擾: 調查樣方中是否有放牧等人畜擾動, 所有植被無牲畜啃食或牲畜啃食發生率<30%為輕度; 30%≤牲畜啃食發生率<60%為中度; 牲畜啃食發生率≥60%為重度。

(8)病蟲害: 調查樣方中植被受病蟲害程度, 所有植被枝葉無病蟲害或病蟲害發生率<30%為輕度; 30%≤病蟲害發生率<60%為中度; 病蟲害發生率≥60%為重度。

(9)枯梢情況: 調查樣方中植被枯梢狀況, 所有植被無枯梢情況或植被枯梢率≤30%為輕度; 30%≤枯梢率<60%為中度; 枯梢率≥60%為重度。

1.2.2.2 評價指標量化方法

本研究采用等級評分法, 對所選取的指標進行量化處理, 將每個指標分為好、中、差三個等級, 并采用黃金分割法, 分別對好、中、差三個等級賦值為: 1.0、0.62、0.38[20]。(表1)

1.2.2.3 評價指標權重設置

權重計算采用層次分析法, 即通過專家打分法, 獲得評價指標的權重判斷矩陣后, 計算最大特征根所對應的特征向量, 并通過一致性檢驗[21]。

1.2.3 防風固沙林健康評價模型

本研究采用生態系統健康綜合指數模型HI評價模型[21-22], 同時結合當地實際情況, 對甘家湖防風固沙林健康水平進行評價, 計算方法如下:

公式中:代表防風固沙林健康綜合指數;W、W、W、W分別代表群落結構、群落功能、生境因子、健康風險四個一級指標的權重;w、w、w、w分別代表代表各一級指標下二級指標的權重;s、s、s、s分別代表樣方在各二級指標中的得分;、、、為各一級指標下二級指標的數量。

表1 甘家湖防風固沙林健康評價指標等級及權重

各級指標權重滿足:

1+2+3+4=1

1.2.4 健康等級劃分

根據本次調查的實際情況, 并參考前人的相關研究結果[16,21], 按照森林健康指數分別定義森林健康狀態等級(表2)。

2 結果與分析

2.1 防風固沙林整體健康評價分析

如圖1所示, 由防風固沙林健康指數模型計算得出, 甘家湖地區防風固沙林44個樣方健康指數變化范圍為0.53—0.93, 主要集中在0.65—0.9之間, 共36個樣方, 占總樣方數的81.82%。甘家湖防風固沙林健康狀況整體較好, 所有樣方中, 健康指數小于0.6(“不健康”狀態)的和大于0.9(“優質健康”狀態)的樣方各有3個, 分別占總樣方數的6.82%。

2.2 不同類型防風固沙林健康評價分析

由圖2可看出, 甘家湖地區防風固沙林健康狀態以“一般健康”和“健康”為主, 其次為“優質健康” 和“不健康”。“不健康”樣方主要為檉柳樣方和胡楊樣方, “優質健康”樣方主要為梭梭樣方、胡楊樣方和混交林樣方, 各類型防風固沙林中處在“一般健康”和“健康”狀態的樣方均在本類型樣方中占比最大。

表2 防風固沙林健康等級劃分標準

圖1 甘家湖防風固沙林樣方健康指數概率分布圖

Figure 1 The probability distribution of health index of the windbreak and sand-fixation forest quadrats in Ganjiahu

甘家湖地區不同防風固沙林樣方健康狀況差異如表3、表4所示, 防風固沙林樣方健康指數最小值0.5268出現在檉柳樣方中, 檉柳樣方中優質健康等級樣方占比為0, 且其標準偏差為0.1613, 為四個類型樣方中最大。防風固沙林樣方健康指數最大值0.9362出現在胡楊樣方中, 且胡楊樣方標準偏差為0.0895, 為四個類型防風固沙林中最小。胡楊樣方和混交林樣方中, 處于“一般健康”和“健康”等級的數量最多, 這兩種健康狀態的樣方總和分別占這兩種防風固沙林樣方的88.89%和86.96%。梭梭樣方健康指數平均值為0.8304, 且“優質健康”樣方占梭梭樣方總數的12.5%, 均為四種類型防風固沙林中最高。

圖2 不同健康等級防風固沙林樣方數量

Figure 2 The number of the windbreak and sand-fixation forest quadrats in different healthy levels

2.3 不同類型防風固沙林環境指標比較

不同類型防風固沙林環境指標如圖3所示, 四種類型防風固沙林樣方中, 胡楊林樣方的地表無結皮樣方占總樣方數占比最高, 且多數樣方土壤中黏粉粒含量不高, 其他三種類型中, 地表無結皮樣方均不超過本類型樣方的25%, 且多數樣方中土壤黏粉粒含量較高, 土壤含水量條件好的樣方在四種類型樣方中的占比差異不大。各類型樣方中, 多數樣方受人畜干擾情況較輕, 檉柳樣方中受病蟲害影響嚴重的樣方占比最大, 混交林樣方次之, 梭梭樣方和胡楊樣方中受病蟲害影響嚴重的樣方相對較少。

表3 不同類型防風固沙林健康狀況比較

表4 不同類型防風固沙林健康指數比較

3 討論

森林的健康狀態良好, 有利于更好的發揮森林的生態和經濟等多種效益[23]。防風固沙林健康綜合指數模型HI評價模型計算結果顯示, 甘家湖地區防風固沙林健康狀況良好, 與前人在環境相似地區的研究結果相似[16], 這說明植被在長期的演化過程中, 已較好的適應了當地自然條件。不同類型防風固沙林中, 檉柳樣方的標準偏差為0.1613, 在四種類型樣方中最大, 表明該地區檉柳林健康狀況差異較大, 可能是因為不同年齡檉柳對環境的適應性及抗干擾能力存在較大差異。胡楊樣方的標準偏差為0.0895, 為四種類型樣方中最小, 這可能是因為該地區胡楊林主要分布在奎屯河、四棵樹河等河流沿岸, 自然條件相對較好, 故胡楊林健康狀況較好, 且差異性較小。梭梭樣方中, 優質健康樣方占12.5%且無不健康樣方, 說明梭梭在該地區環境生長適應良好。不同類型防風固沙林健康狀態的差異表明了不同類型植物對當地環境適應性的差異及不同類型防風固沙林的穩定性不同。

通過此次調查發現, 部分防風固沙林受人為干擾較嚴重, 牲畜過度啃食影響植被正常生長, 進而影響防風固沙林的健康發展, 同時調查期間發現當地部分未進行藥物噴灑除蟲的防風固沙林蟲害較嚴重, 蝗蟲吸取植物汁液啃食葉片, 致使植物長勢衰弱甚至死亡, 特別是相對較為低矮的灌木, 更容易遭受牲畜啃食及蝗蟲災害影響, 因而需加強管控放牧強度及除蟲等管護工作, 保證甘家湖防風固沙林生長健康。森林的天然更新是森林繁衍的主要方式, 也是森林健康發展的重要保證[24-25], 本次調查時發現, 部分防風固沙林天然更新情況不好, 可采取封禁育林等方法促進防風固沙林的天然更新。森林健康狀態是一個動態的過程, 本次調查評價的結果僅針對甘家湖防風固沙林當前的狀況, 而并未長期連續的監測評價, 因而不能對其健康狀況未來發展方向進行預判, 今后應進行定期調查研究, 從而給出科學建議, 為合理調整管護方式提供幫助。

注: A: 檉柳樣方; B:胡楊樣方; C: 梭梭樣方; D: 混交林樣方。

Figure 3 Comparison of environmental indicators of the windbreak and sand-fixation forest in different types

4 結論

(1)甘家湖防風固沙林整體健康狀況良好, 其健康指數范圍在0.53—0.93之間, 均值為0.77。

(2)不同類型防風固沙林健康狀況排序為: 梭梭林>胡楊林>混交林>檉柳林。

(3)今后應加強管護, 減少人為擾動及病蟲害對防風固沙林的影響, 保證防風固沙林更新, 促進其健康發展。

[1] BERTOLLO P. Assessing Ecosystem Health in Governed Landscapes: A Framework for Developing Core Indicators[J]. Ecosystem Health, 2010, 4(1): 33–51.

[2] MISTRETTA P A. Managing for forest health[J]. Journal of Forestry Washington, 2002, 100(7): 24–27.

[3] 徐世芳, 李小英, 夏靜, 等. 昆明海口林場森林健康狀況評價[J]. 西南林業大學學報, 2015, 35(2): 68–72

[4] 黃國勝, 王雪軍, 李曉靖. 三峽庫區森林健康評價[J]. 江西農業大學學報, 2017, 39(2): 334–341.

[5] 許俊麗. 基于群落結構、更新能力及土壤質量的上海城市森林健康評價研究[D]. 上海: 華東師范大學, 2018.

[6] 吳金卓, 蔡小溪, 林文樹. 吉林蛟河不同演替階段針闊混交林土壤健康評價[J]. 東北林業大學學報, 2015, 43(6): 78–82.

[7] 劉曉玥, 杜燕, 鄭小賢. 不同賦權法的將樂林場常綠闊葉林的健康評價[J]. 森林與環境學報, 2015, 35(2): 141– 146.

[8] 劉紅娟, 劉君昂, 郭亮, 等. 油茶林健康評價指標體系構建初探[J]. 西北林學院學報, 2010, 25(4): 67–71.

[9] 寧虎森, 何苗, 羅青紅, 等. 新疆檉柳林生態服務功能及其價值評估分析[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 111–118.

[10] 寧虎森, 羅青紅, 吉小敏, 等. 新疆梭梭林生態系統服務價值評估[J]. 生態科學, 2017, 36(3): 74–81.

[11] 高君亮, 郝玉光, 丁國棟, 等. 烏蘭布和荒漠生態系統防風固沙功能價值初步評估[J]. 干旱區資源與環境, 2013, 27(12): 41–46.

[12] 霍文. 新疆沙塵暴天氣演變特征及成因分析[D]. 烏魯木齊: 新疆師范大學, 2011.

[13] 羅青紅, 寧虎森, 陳啟民. 基于濕潤指數的新疆甘家湖地表干濕狀況變化趨勢[J]. 干旱區研究, 2016, 33(5): 921–926.

[14] 蔡新斌, 吳俊俠. 甘家湖自然保護區白梭梭種群特征與動態分析[J]. 干旱區資源與環境, 2016, 30(7): 90–94.

[15] 張清敏主編. 環境生物學實驗技術[M]: 北京: 化學工業出版社, 2005.

[16] 付貴全. 民勤典型防風固沙林健康評價研究[D]. 北京: 中國林業科學院, 2016.

[17] 常兆豐, 李易珺, 張劍揮, 等. 民勤荒漠區4種植物的防風固沙功能對比分析[J]. 草業科學, 2012, 29(3): 358– 363.

[18] 鮑士旦. 土壤農化分析(第三版)[M]. 北京: 中國農業出版社, 2000.

[19] 王東麗, 劉陽, 郭瑩瑩, 等. 半干旱礦區排土場苜蓿恢復過程中土壤顆粒分形的演變特征[J]. 生態學報, 2020, 40(13): 4585–4593.

[20] 蔣德明, 曹成有, 押田敏雄, 等. 科爾沁沙地小葉錦雞兒人工林防風固沙及改良土壤效應研究[J]. 干旱區研究, 2008, 25(5): 653–658.

[21] 于金濤, 雷靜品, 王鵬程,等. 秭歸縣防護林健康評價指標體系的建立及應用[J]. 生態學報, 2015, 35(7): 2094– 2104.

[22] 蔣衛國, 李京, 李加洪, 等. 遼河三角洲濕地生態系統健康評價[J]. 生態學報, 2004, 25(3): 408–414.

[23] LORENZ M, MUES V. Forest health status in Europe[J]. The Scientific World Journal, 2007, 7(1): 22–27.

[24] O'BRIEN M J, O'HARA K L, ERBILGIN N, et al. Overstory and shrub effects on natural regeneration processes in nativestands[J]. Forest Ecology & Management, 2007, 240(1/3): 178–185.

[25] NOWAK D J. Contrasting natural regeneration and tree planting in fourteen North American cities[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2012, 11(4): 374–382.

Health evaluation of typical windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu

HE Miao1,2, NING Husen1,2,*, LUO Qinghong1,2

1. Research Institute of Afforestation and Desertification Prevention and Control, Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Urumqi 830063, China 2. Jinghe Desert Ecosystem Research Station, Jinghe 833300, China

Windbreak and sand-fixation forests maintain the stability of ecosystem in arid and semiarid area. Evaluating its health status could provide scientific support for forest protection and management in arid and semiarid area. Combined field survey and laboratory analysis, 4 categories and 17 secondary indicators were respectively selected; ecosystem health index model was used to evaluate the health of the windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu. The results showed that as a whole, the windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu was in good health; thevalue ranged from 0.53 to 0.93 and the mean value was 0.77. 6.82% quadrats were in quality health status, 47.73% quadrats were in health status, 38.64% quadrats were in general health status and 6.82% quadrats were in unhealthy status. The order of health status in different types of the windbreak and sand-fixation forest wasforest >forest > mixed forest forest >forest. The windbreak and sand-fixation forest should be managed and protected well and its health level should be enhanced in future.

Ganjiahu; forest health;;

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.010

S718.55

A

1008-8873(2022)04-078-06

2020-08-11;

2020-10-02

公益性科研院所基本科研業務費項目(KY202202); 新疆維吾爾自治區林業科技項目(XJLY-2019002);“十二五”國家科技計劃課題(2012BAD16B03)

何苗(1990—), 女, 四川廣元人, 助理研究員, 主要從事林木逆境生理、荒漠化防治研究, E-mail: hem009@126.com

通信作者:寧虎森, 男, 教授級高級工程師, 主要從事生態恢復和荒漠化防治等方面的研究, E-mail: ninghusen@sina.com

何苗, 寧虎森, 羅青紅. 甘家湖典型防風固沙林健康評價[J]. 生態科學, 2022, 41(4): 78–83.

HE Miao, NING Husen, LUO Qinghong. Health evaluation of typical windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 78–83.