科爾沁沙地奈曼沙區小葉楊防護林帶間植被與土壤特性變化

郭欣宇楊 光李慶和薛艷春溫雅琴楊溢文

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院 荒漠生態系統保護與修復國家林業和草原局重點實驗室,內蒙古呼和浩特010018;2.內蒙古自治區水利事業發展中心,內蒙古 呼和浩特010020;3.呼和浩特市水資源與河湖保護中心,內蒙古 呼和浩特010020;4.內蒙古自治區林業科學研究院 草原研究所,內蒙古 呼和浩特010010)

科爾沁沙地是中國面積最大的沙地,其土地荒漠化問題嚴重,作為半干旱農牧交錯帶的典型代表區域,為降低風速,涵養水源,固定流沙,有效減少水土流失,20世紀70年代至今科爾沁沙地營造了大面積的楊樹人工防護林[1-2]。其中,在科爾沁沙地通遼市營造的楊樹人工林面積占內蒙古人工林面積1/3以上,占全國楊樹人工林面積的1/10,在林業建設中通遼地區楊樹人工林的建設具有主導地位[3]。然而,由于種植密度與結構不合理,造林過程中出現了楊樹衰敗、枯死,形成了大面積低產低效林[4]。在林分生長的過程中,林下植被對土壤質量和養分循環有著重要影響,研究表明,林下的植被組成及多樣性直接或間接導致土壤理化性質等[5-7]變化;土壤作為植物生長生存的基礎,也對植物群落的結構和功能起到不可忽視的作用[8-9],土壤的理化性質對植物個體,林下植被物種組成及結構均有顯著影響[10-12],植被—土壤系統互相作用的機理是控制生態系統過程的重要機制[13-14]。防護林的營造對林下植被與土壤有顯著影響[15-16],防護林造林最適格局的研究是減緩土地退化的重要內容[17],諸多學者對于人工林植被與土壤特性的研究主要側重在不同的林草地、農田、荒裸地中兩者相互作用的影響或不同造林樹種、不同植被恢復類型的比較上,在干旱、半干旱區探究合理造林模式與林下土壤和植被特性關系的研究并不多見。

中國林科院和內蒙古林科院在干旱區進行調查研究時發現,干旱區、半干旱區受水分制約,行帶式水平配置結構造林對水分利用更為合理,且在同等密度條件下,行帶式配置結構營造的人工林的防風固沙效果優于隨機分布和等株行距分布[18-19];這種行帶式的造林配置與早年國外研究中提及的干旱、半干旱區“二相鑲嵌”等植被景觀模式類似,但國外這類報道對該模式的研究主要圍繞間距與帶寬的比與降水量之間的關系[20-21];中國以楊文斌為代表的學者提出了干旱、半干旱區低覆蓋度治沙的理念,其研究認為低覆蓋度行帶式固沙林能夠有效改善沙地生態環境[22-23];在此基礎上,姜麗娜[24]以科爾沁沙地的敖漢沙區為研究區,以“兩行一帶”低覆蓋度楊樹固沙林為對象,研究了不同帶寬對土壤及植被修復的影響,結果表明行帶式固沙林的不同帶寬可以影響和調節植被與土壤間的相互作用。因此,本文以科爾沁沙地南緣的通遼市奈曼旗沙區為研究區,以當地最具代表性的“一行一帶”式小葉楊(Populussimonii)人工防護林為研究對象,對不同帶間距帶間植被恢復、土壤理化性質關系進行研究,提出適宜當地更有效的帶間植被修復與土壤發育的行帶式配置結構模式,對科爾沁沙地人工林科學造林具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區概況

本文試驗的研究區位于科爾沁沙地南緣的內蒙古通遼市奈曼旗(120°19′40″—121°35′40″E,42°14′40″—43°32′20″N),氣候屬于北溫帶大陸性季風干旱氣候,年平均氣溫6.0～6.5℃,平均降水量366 mm,春季風向以西南風為主,夏季多為東南風,其年平均風速為3.6～4.1 m/s[1-2];研究區土地沙漠化嚴重,南部黃土區主要是第四紀殘積物、坡洪沖積物以及風積物組成,中部沙區和北部沖積平原區主要是沖積物、風積物和湖積物組成,主要土壤類型包括風沙土、栗鈣土、草甸土等;研究區主要植被類型有差巴嘎蒿(Artemisiahalodeudron)、小葉錦雞兒(Caragana microphylla)、黃柳(Salixgordejevii)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、達烏里胡枝子(Lespedeza davurica)、狗尾草(Setariaviridis)、豬毛菜(Salsolacollina)等[25-26]。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

于2021年7月在研究區選擇立地條件相同,造林年限相近的帶間距為10,6,4,2 m的典型“一行一帶”式小葉楊人工防護林各2～3個作為預試驗樣地,所選樣地帶間均為未經開墾的天然恢復植被,選擇當地地帶性植被的曠野作為對照樣地;對每個樣地設置30 m×30 m的喬木樣方,通過每木檢尺的方法調查樣方內喬木的樹高、基徑、胸徑、冠幅等;使用樣方法對帶間草本進行調查(盡量保證所有樣方能夠覆蓋試驗樣地所有植物種),草本樣方的大小為1 m×1 m,記錄樣方內植物種類、高度、蓋度、頻度等。預試驗過程中草本樣方與土壤取樣點均為對角線三點取樣,通過預試驗對比發現,相同帶間距的防護林植被與土壤試驗數據高度相似,因此在其中選擇具有代表性的不同帶間距樣地各一個作為最終試驗樣地,最終試驗樣地的草本樣方與土壤為五點取樣法,樣地設置與取樣示意圖如圖1所示(以10 m帶間距樣地為例),研究區防護林帶基本群落特征詳見表1。

圖1 樣地設置與取樣示意圖

表1 研究區防護林帶基本群落特征描述

2.2 土壤樣品采集與測定

土壤樣品采集采取剖面法,取樣點與取樣時間均與草本樣方相同,分3層取樣,分別為0—20,20—40,40—60 cm。將土壤樣品帶回實驗室,相同土層土樣進行混合,每組重復試驗3次;采用Na HCO3浸提鉬銻抗比色法測定速效磷、NH4OAc浸提,火焰光度法測定速效鉀,堿解擴散法測定堿解氮,重鉻酸鉀容重法(外加熱法)測定有機碳。

2.3 數據處理與分析

2.3.1 重要值計算 選用重要值作為種群優勢度指標能夠表征發育過程中種群在防護林中的分布格局和功能地位。

重要值(Ⅳ):

式中:RHI為相對高度;RDE為相對密度;RFE為相對頻度。

2.3.2 多樣性指數計算 根據前人[27-30]對物種多樣性的研究成果,選用Simpson多樣性指數、Shannon-Wiener物種多樣性指數;Pielou均勻度指數;Margalef豐富度指數來研究不同帶間距楊樹人工防護林的群落物種多樣性變化。

2.3.3 統計與分析 使用Excel進行數據處理與繪圖,使用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)檢驗與相關性分析,分析不同帶間距土壤理化性質的差異性及其帶間植被多樣性與土壤理化性質間的相關性。

3 結果與分析

3.1 帶間物種組成與多樣性分析

研究區不同帶間距小葉楊防護林和對照樣地物種組成與重要值詳見表2。隨著防護林帶間距的增大,植物種類數量、一年生與多年生草本數量隨之增加;2 m與4 m帶間距防護林優勢植物種均為一年生植物,說明帶間距窄的防護林物種組成較為簡單,群落穩定性較低;6 m帶間距防護林中多年生植物在群落中逐漸發揮重要作用;10 m帶間距防護林優勢種為一年生植物狗尾草與多年生植物甘草、達烏里胡枝子,說明10 m帶間距的小葉楊防護林在物種組成、植被恢復程度、群落穩定性上都明顯優于6 m,4 m,2 m帶間距小葉楊防護林。

表2 不同帶間距楊樹防護林帶間物種重要值

如圖2所示,不同帶間距小葉楊防護林多樣性指數的變化表現為:帶間距10 m＞6 m＞4 m＞2 m,10 m帶間距與2 m帶間距相比Simpson多樣性指數高0.41,Shannon-Wiener物種多樣性指數高0.98,Pielou均勻度指數高0.31,Margalef豐富度指數高0.77,試驗涉及的幾種帶間距的防護林都遠低于曠野對照樣地,這說明以上幾種帶間距的小葉楊防護林的植被恢復仍然在初期階段,植被恢復想要接近地帶性植被仍是一個漫長的過程,帶間距為10 m的防護林植被相比于其他幾種帶間距更有利于帶間物種多樣性的增加與植被的恢復。綜上所述,以上幾種帶間距的行帶式小葉楊防護林隨著造林帶間距的增加,物種多樣性指數增大,群落穩定性增強。

圖2 不同帶間距防護林帶間物種多樣性變化

3.2 帶間土壤物理性質變化

不同帶間距小葉楊防護林0—60 cm土壤物理性質詳見表3。由表3可知,在所有樣地中0—60 cm土壤含水量依次表現為:2 m＜4 m＜6 m＜10 m＜曠野對照,同一樣地不同土層土壤含水量依次表現為:0—20 cm＜20—40 cm＜40—60 cm,且這種趨勢隨著帶寬的增加而增加,這主要是因為表層土的土壤含水量受地表環境中的風速、溫度、濕度等因素影響蒸發較快;從方差分析結果可以看出,在0—20 cm土層中,2 m,4 m,6 m帶間距楊樹防護林帶間土壤含水量無顯著性差異(p＞0.05),在40—60 cm土層中,各樣地之間均有顯著性差異(p＜0.05),這說明,在表層土中帶間距為2 m,4 m,6 m的樣地土壤含水量相近,但與10 m帶間距樣地仍有差距;從變異系數上看,10 m帶間距的土壤含水量在各個土層中的變化幅度更穩定。綜上所述,在以上幾種帶間距的小葉楊防護林中帶間土壤含水量隨土層深度的加深而增加,隨帶間距的增大而增加。不同帶間距小葉楊防護林0—60 cm土層的土壤容重依次表現為:2 m＞4 m＞6 m＞10 m＞曠野對照,同一樣地不同土層土壤容重依次表現為:0—20 cm＜20—40 cm＜40—60 cm,這是因為植樹造林,植被恢復,土壤表層分布著大量的植物根系,因此表層土壤較為松散,土壤容重較小;從方差分析結果上看,在所有不同樣地中,10 m帶間距的防護林最接近曠野對照樣地;從變異系數的變化中可以看出,較寬的帶間距土壤容重變異幅度最大,說明該帶間距對土壤恢復的作用最明顯,綜上所述,在以上幾種帶間距的小葉楊防護林中帶間土壤容重隨帶間距的增大而減小。

表3 楊樹防護林帶間土壤水分含量及容重的描述性統計

3.3 帶間土壤化學性質變化

不同帶間距小葉楊防護林的土壤化學性質變化如圖3所示,在0—60 cm深度土層上,土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量均表現為:曠野對照＞10 m＞6 m＞4 m＞2 m;其中有機碳含量在表層土壤中6 m與10 m帶間距無顯著差異(p＞0.05),在深層土壤中2 m,4 m,6 m帶間距無顯著差異(p＞0.05);土壤堿解氮含量在20—60 cm土層中2 m,4 m,6 m帶間距無顯著差異(p＞0.05),這種規律與有機碳表現相近,這是由于堿解氮含量與有機質含量密切相關;土壤速效磷含量與土壤速效鉀含量在深層土壤中差異性規律不明顯,這主要是由于速效磷和速效鉀主要積累在耕層土壤中,因此不同樣地的表層土壤規律與差異更顯著(p＜0.05);從總體上看,不同帶間距小葉楊防護林的有機碳和堿解氮含量隨土層的加深而減小,隨帶間距的增大而增大,速效磷和速效鉀的含量在表層土中隨帶間距的增大而增大,在深層土壤中表現出先降低后趨于平緩的規律,各樣地差異性不顯著(p＞0.05)。

圖3 楊樹防護林帶間土壤養分含量及變化

3.4 帶間植被多樣性與土壤理化性質的相關性

對不同帶間距小葉楊防護林帶間物種多樣性指數與不同土層深度的土壤理化性質進行Pearson相關分析,結果詳見表4。由表4可知,在0—60 cm土層深度中,土壤容重與Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數顯著負相關(p＜0.05),與Shannon-Wiener物種多樣性指數、Margalef豐富度指數極顯著負相關(p＜0.01);土壤含水量與Margalef豐富度指數的相關性隨土層深度的增加而上升,與Shannon-Wiener物種多樣性指數在20—60 cm土層顯著正相關(p＜0.05);速效磷與各多樣性指數呈顯著或極顯著正相關(p＜0.05),速效鉀的相關性規律不明顯;堿解氮與Shannon-Wiener物種多樣性指數和Margalef豐富度指數顯著正相關(p＜0.05);在表層土壤中Margalef豐富度指數與各項土壤理化性質均呈顯著或極顯著正相關(p＜0.05)。

表4 物種多樣性指數與土壤理化性質的相關關系分析

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1 不同帶間距小葉楊防護林帶間植被特性的差異 行帶式防護林帶間距的寬窄差異從一定程度上來講是造林密度的差異,對任何防護林來說,植被的恢復都是漫長而復雜的過程,科爾沁沙地土壤水分含量少、養分較為貧瘠,過密的種植導致了植物生長之間激烈的競爭。楊樹本身根系吸水能力強,盡管部分學者認為楊樹不適宜應用在干旱地區造林,但研究發現適宜栽植密度的楊樹林帶對干旱區自然植被修復和土壤發育有明顯的促進作用[24]。一方面較寬的帶間距減少了防護林本就稀少的水分和養分競爭,另一方面更寬的帶間距降低了楊樹林的郁閉度,遮蔭面的減少讓地面低矮的生活型植被可以得到更多的光源,光補償能促使植被更好地進行光合作用,也提高了土壤溫度,從而達到促生效果,同時造林間距變大使冠層對降水的截留能力減弱,草本能夠更好地吸收天然降水。在中國許多干旱、半干旱地區營造的喬木、灌木防護林、人工林、固沙林,經過漫長的自然演替過程,都逐漸形成了覆蓋度較低的植被群落[31]。

4.1.2 不同帶間距小葉楊防護林帶間土壤特性的差異 隨著行帶式小葉楊防護林的生長,帶間土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量均隨著帶寬的增加而增大,這主要是由于在防護林生長的過程中地表植被生長的變化、枯落物覆蓋程度的不同,改變了土壤的微環境,提高了土壤的保水保肥能力,減緩了土壤水分蒸發和有機質的分解,其中土壤容重與土壤含水量的大小與土壤有機質含量密切相關,土壤有機質不僅能夠促進土壤團聚體的形成,其本身也是疏松多孔的結構,能夠有效提高土壤的通氣性和吸水能力[32];較寬的帶間距土壤養分含量更高,帶間植被群落物種多樣性較為豐富,植物根系數量更多,分布更密集更廣泛,使土壤更松散,孔隙度更大,土壤吸水能力更強,這也在一定程度上提高了土壤含水量和土壤容重,這種植被物種多樣性與土壤理化性質之間的相互作用關系也在本文的相關性研究中得到驗證。

4.1.3 小葉楊防護林帶間植被與土壤恢復的最適行帶配置模式 在距離奈曼旗較近且同為科爾沁沙地的赤峰市敖漢旗沙區,楊文斌等學者[22]提倡的低覆蓋度造林已取得顯著成效,其研究認為更寬的帶間距不僅有利于帶間植被和土壤恢復,還能使干旱區土壤水分得到合理利用,提高固沙林的防風效果。楊文斌等人[18,23]在對固沙林帶間植被和土壤恢復的相關研究結果與本文一致。姜麗娜[24]在敖漢旗沙區對造林年限為10 a左右的不同帶間距“兩行一帶”楊樹固沙林進行研究發現寬帶間距可以明顯加快土壤及植被修復的速度,不同帶間距行帶式固沙林土壤植被恢復效果隨帶寬的增大而提升,這種規律與本文的研究結果一致,但其研究認為科爾沁沙地敖漢旗沙區最適宜的造林模式為20 m帶間距的“兩行一帶”造林模式,但通過實地調查發現,同為科爾沁沙地南緣的通遼市奈曼旗沙區鮮有10 m或10 m以上低覆蓋度行帶式固沙林,“一行一帶”式為現階段的主要造林模式。石星對敖漢沙區的赤峰楊固沙林研究發現低覆蓋度固沙林對帶間小氣候存在一定影響,低覆蓋度行帶式固沙林不僅能夠降低空氣溫度,增加帶間相對濕度,還能夠阻擋帶間太陽輻射[33]。對于帶間生長的植被來說近地層大氣溫濕度是其生長生存的重要條件,本文試驗研究中最接近低覆蓋度固沙林的為帶間距10 m的小葉楊防護林,盡管由于其株距過小,并沒有達到真正意義上的低覆蓋,但與帶間距更小的防護林相比,10 m帶間距小葉楊防護林在帶間植被與土壤的恢復上體現了明顯的優勢。小葉楊作為當地防護林最主要的造林樹種,一直以來都面臨著“小老樹”問題,內蒙古林科院的閆德仁[3]就科爾沁沙地楊樹防護林衰退原因進行探討發現,包括奈曼旗在內的科爾沁沙地地區普遍存在著造林密度過大問題,種植密度已經遠遠超過當地降水與自然水位承載的范圍,這成為了加速防護林衰敗死亡的重要原因。楊文斌等人[34]認為當人工固沙林的覆蓋率過高時,深層土壤或地下水的補給無法通過降水實現,但行帶式低覆蓋度固沙林的設計確保了降水的滲漏與補給,保證了人工林能夠長久且穩定地生長發育。結合本文與諸多學者研究,可見密植并不適用于干旱、半干旱區人工造林,改變固有造林模式,是提高林地生產水平的重要途徑。寬帶間距的行帶式造林相對更適宜科爾沁沙地的生態環境,增加行帶寬度總體有利于帶間植被與土壤的恢復與穩定,在日后奈曼沙區的防護林造林過程中應該考慮摒棄傳統的密植,探索低覆蓋度造林新模式防沙治沙,適當增大行帶式防護林造林帶間距,使人工防護林更有效地發揮其水土保持效益。

4.2 結論

(1)行帶式小葉楊防護林的帶間距大小對帶間植被的恢復有明顯的影響,在自然狀態下,10 m帶間距的防護林在帶間物種組成、植被恢復程度、物種多樣性指數上都明顯優于帶間距為6,4,2 m的防護林。

(2)帶間距為10 m的小葉楊防護林對帶間土壤修復的促進作用比帶間距為6,4,2 m的防護林更明顯,防護林帶間土壤含水量及土壤養分隨著帶間距的增加而增大,土壤容重隨帶間距的增大而減小。

(3)在0—60 cm土層深度中,不同帶間距小葉楊防護林帶間物種多樣性指數與土壤理化性質呈現出不同程度的顯著或極顯著相關(p＜0.05),其中與各物種多樣性指數相關性最大的為土壤容重,與各土壤理化性質相關性最明顯的物種多樣性指數為Margalef豐富度指數,說明植被恢復與土壤恢復是相輔相成的。因此在科爾沁沙地奈曼沙區小葉楊人工造林過程中,綜合考慮帶間植被與土壤恢復,行帶式造林帶間距達到10 m為宜。