不同結(jié)皮破壞對(duì)退化梭梭林地土壤水分及梭梭生長(zhǎng)的影響

王方琳 張錦春 紀(jì)永福 陳芳 丁峰 劉有軍 王吉金

作者簡(jiǎn)介： 王方琳（1985-），女，甘肅天水人，本科，研究實(shí)習(xí)員。主要從事荒漠生態(tài)與荒漠化防治研究。E-mail:wangfanglin2008@163.com張錦春為通訊作者。

摘要: 在甘肅民勤對(duì)20世紀(jì)60年代建植的人工梭梭林進(jìn)行植被恢復(fù)研究試驗(yàn)，結(jié)果表明，結(jié)皮破壞可以增加林地水分入滲深度, 降低地表徑流，提高土壤含水率，對(duì)退化梭梭有恢復(fù)作用。3種改造措施中，土壤水分儲(chǔ)存效果以處理Ⅰ和處理Ⅱ較好；結(jié)皮的存在易造成坡面徑流，而結(jié)皮破壞則阻止了坡面徑流的產(chǎn)生，并增加了土壤水分入滲；退化梭梭恢復(fù)以處理Ⅰ和處理Ⅱ梭梭的枝條成活率最大，達(dá)到6.67 %，新枝枝數(shù)、枝長(zhǎng)、基部粗度以處理Ⅰ占優(yōu)勢(shì)；新結(jié)皮形成方面，處理Ⅰ不易形成新結(jié)皮，處理Ⅰ，處理Ⅱ和處理Ⅲ形成的新結(jié)皮厚度分別為0.22 cm，0.27 cm和0.38 cm。

關(guān)鍵詞: 甘肅民勤；結(jié)皮破壞；退化人工梭梭林；植被恢復(fù)

中圖分類號(hào)： S 714;S 793.05文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1009-5500(2011)04-0056-05

土壤結(jié)皮是土壤表面由苔蘚、地衣、藻類、細(xì)菌等生物組分以及土壤顆粒等物質(zhì)共同形成的一個(gè)復(fù)合體。在廣闊的干旱沙漠地區(qū),流動(dòng)沙丘向固定沙丘演變過(guò)程中,地表會(huì)形成結(jié)皮,結(jié)皮層的出現(xiàn),有效地阻止了流沙的移動(dòng)。諸多研究表明^[1-5]，沙丘表面結(jié)皮一方面使得大氣降水入滲減少，另一方面地表蒸發(fā)增強(qiáng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是微生物結(jié)皮會(huì)完全關(guān)閉沙面的導(dǎo)水孔隙，影響降水入滲；同時(shí)，當(dāng)降水較少時(shí)，由于結(jié)皮層的吸水能力強(qiáng)，水分被固持在結(jié)皮層，很快蒸發(fā)到空氣中；當(dāng)降水較大時(shí)則形成徑流流失。這樣，結(jié)皮限制了水分下滲，使植物深層根系得不到水分補(bǔ)給，土壤水分狀況惡化，土壤干旱加劇，加速了深根系植物梭梭種群衰敗^[1，5，6]。因此，有效減少?gòu)搅鳌⒃黾咏邓霛B是該類區(qū)域促進(jìn)有限降水充分利用、深根系植物生長(zhǎng)和生態(tài)恢復(fù)的重要措施。已有研究中，陳榮毅等^[7] 認(rèn)為結(jié)皮影響種子植物多樣性的機(jī)理主要在于發(fā)育后期的生物土壤結(jié)皮會(huì)降低土壤種子庫(kù)，也會(huì)抑制多數(shù)

種類種子萌發(fā)，夏秋季結(jié)皮深層土壤水分的減少也不利于深根植物的生存，但結(jié)皮土壤擁有相對(duì)較高的養(yǎng)分條件卻能保證一年生短命植物生長(zhǎng)和生存。龍利群等^[8]對(duì)沙波頭沙面結(jié)皮研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)皮的存在有利于一年生草本植物的幼苗成活。這些研究共同表明，結(jié)皮的存在有利于一年生植物生長(zhǎng)，但同時(shí)限制了深根系植物生長(zhǎng)。近年來(lái)以人工灌溉、模擬降水、雨水集流等措施開(kāi)展退化梭梭林恢復(fù)技術(shù)試驗(yàn)報(bào)道較多^[6-8]，但由于區(qū)域水資源缺乏，立地條件復(fù)雜多變，梭梭種群灌溉恢復(fù)技術(shù)不可能大面積推廣應(yīng)用，開(kāi)展實(shí)用有效的人工梭梭種群恢復(fù)技術(shù)依然是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，以退化梭梭林地結(jié)皮不同破壞試驗(yàn)探明沙丘不同結(jié)皮破壞對(duì)土壤含水率及水分入滲、對(duì)退化梭梭生長(zhǎng)恢復(fù)狀況及新結(jié)皮形成的影響，旨在為梭梭種群雨養(yǎng)恢復(fù)提供技術(shù)及理論支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于甘肅河西走廊東北部的民勤縣，地處石羊河下游的騰格里沙漠西緣，地理位置E 102°02′～104°02′E ,N 38°05′～39°06′。民勤縣東、北、西三面環(huán)沙，沙漠、戈壁、鹽堿灘地占全縣總土地面積的94.2%，屬典型荒漠地區(qū)。氣候?yàn)榈湫偷拇箨懜珊敌蜌夂颍?961～2004年平均氣溫7.7 ℃；年平均降水量115.9 mm，年蒸發(fā)量為2 452.7 mm；主導(dǎo)風(fēng)向多以西北風(fēng)（NW），平均風(fēng)速2.4 cm/s，最大風(fēng)速為23.0 m/s。近年民勤地下水位急劇下降，由20世紀(jì)50年代1～3 m下降至目前的20 cm。20世紀(jì)50～80年代，民勤境內(nèi)人工梭梭林90 000 hm2,分布立地類型有流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、丘間平灘地、風(fēng)蝕殘積山坡、山前洪積扇、平緩假戈壁等，其中，流動(dòng)沙丘、固定沙丘、半固定沙丘上分布的梭梭較多，占民勤梭梭林面積的97.56%，是民勤梭梭林防風(fēng)固沙的主體，梭梭林保存密度320～350株/hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2008年8月以民勤治沙綜合試驗(yàn)站14號(hào)井的退化梭梭林地作為樣地進(jìn)行了調(diào)查及試驗(yàn)，樣地是20世紀(jì)60年代設(shè)置間距為4 m的粘性土沙障，初植密度為4 m×2 m，樣地為坡度約15°的沙丘坡面，坡長(zhǎng)100 m，寬度為50 m，沙丘坡面已全部形成結(jié)皮，結(jié)皮厚度為0.5～1 cm，樣方10 m×10 m。樣地設(shè)3種方式的結(jié)皮破壞處理：Ⅰ 100%去除結(jié)皮處理，即去除梭梭林地全部結(jié)皮使其成為裸沙地表；Ⅱ50%帶狀去除結(jié)皮處理，沿沙丘等高線去除樣方下半部分的結(jié)皮使其成為裸沙地表，保留上半部分的結(jié)皮；Ⅲ100%碎結(jié)皮處理，采用機(jī)械措施將結(jié)皮完全破碎，但不移除。每種結(jié)皮處理分別在沙丘的坡頂、坡腰、坡腳各設(shè)3個(gè)重復(fù)處理，以不破壞結(jié)皮作為對(duì)照處理(CK)。每個(gè)處理選擇3株中心位置的梭梭作為觀測(cè)樣株，距每株觀測(cè)樣株基部50 cm處安裝中子儀水分測(cè)管，測(cè)定不同降水條件下林地土壤水分狀況，測(cè)定深度200 cm，每20 cm為一層，每次降水后以24 h為時(shí)間段進(jìn)行樣地內(nèi)梭梭林地土壤水分連續(xù)觀測(cè)，根據(jù)降水量大小可連續(xù)觀測(cè)1～5次，同時(shí)在每月月底加測(cè)1次林地土壤水分；梭梭生長(zhǎng)及新結(jié)皮形成情況于每年秋季（9月底）調(diào)查。主要調(diào)查當(dāng)年生枝條的長(zhǎng)度、個(gè)數(shù)、枝條基部的粗度，枝級(jí)以及枝上成活枝與死亡枝的比例等，結(jié)皮厚度用游標(biāo)卡尺測(cè)量。枝級(jí)調(diào)查按植株分枝發(fā)育順序的離心法^[10]來(lái)確定，從根莖處開(kāi)始長(zhǎng)出的作為一級(jí)枝，一級(jí)枝上分出的枝為二級(jí)枝，即兩個(gè)二級(jí)枝相遇處為一級(jí)枝，二級(jí)枝再分出的作為三級(jí)枝，以此類推。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)皮破壞對(duì)梭梭林地土壤水分入滲的影響

2.1.1 小降水條件下土壤水分入滲規(guī)律 試驗(yàn)小降水指結(jié)皮地表沒(méi)有形成地表徑流的降水。歷時(shí)40 min、降水強(qiáng)度分為0.025 mm/min和0.035 mm/min，總降水量為1 mm和1.4 mm的小降水事件中降水1 d后土壤水分含水率分布（圖1）。土壤水分變化主要集中在表層20 cm范圍內(nèi)，表層土壤含水率處理Ⅰ最高，處理Ⅱ與處理Ⅲ居中，對(duì)照最低。由于降水量小，水分在地表20 cm以內(nèi)入滲淺層化，20 cm以下水分趨勢(shì)線變化趨于平緩，土壤水分基本沒(méi)形成明顯入滲現(xiàn)象。

2.1.2 大降水條件下土壤水分入滲 試驗(yàn)大降水指結(jié)皮地表能夠形成地表徑流的降水。歷時(shí)200 min降水強(qiáng)度0.15 mm/min，總降水量為30 mm的降水條件下不同結(jié)皮破壞處理水分變化（圖2），本次強(qiáng)降水后連續(xù)4 d所測(cè)的數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢(shì)，即各處理水分入滲變化趨勢(shì)線中各出現(xiàn)一個(gè)水分較高拐點(diǎn)和一個(gè)水分低谷點(diǎn)。較高拐點(diǎn)是因?yàn)樵诠拯c(diǎn)處存在粘土層，有關(guān)粘土層對(duì)水分的影響已有報(bào)道^[11]，粘土層土壤保存有大量水分，拐點(diǎn)值的大小表明其所具有的水分貯存量；低谷點(diǎn)主要由粘土與沙土的不同持水性能造成。

圖1 1 mm和1.4 mm降水條件下結(jié)皮破壞對(duì)梭梭林地土壤水分入滲的影響

Fig.1 The soil moisture of Haloxylon community with crust-breaking treatment under 1 mm and 1.4 mm precipitation

圖2 30 mm降水條件下不同結(jié)皮破壞處理水分變化

Fig.2 The soil moisture of Haloxylon community with crust-breaking treatment under 20 mm precipitation

對(duì)照與對(duì)應(yīng)相同測(cè)量層次各處理間水分含水率在0.05 的水平上進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（表2），在0～20 cm的表層對(duì)照與100%去除結(jié)皮處理和50%帶狀

去除結(jié)皮處理差異顯著，說(shuō)明在接收降水的效率上100%去除結(jié)皮處理和50%帶狀去除結(jié)皮處理效果明顯，能在降水之際接受較多水分；在20～40 cm層次

表2 對(duì)照與各處理差異分析

Table 2 Difference analysis among treatments

注：顯著水平0.05；F臨界值=5.987 378

上，對(duì)照與處理Ⅲ差異顯著，處理Ⅰ與Ⅱ達(dá)到極顯著；在40～60 cm及60～80 cm層次上對(duì)照與處理Ⅲ差異不顯著，但與處理Ⅰ與Ⅱ差異極顯著；

80 cm以下對(duì)照與各處理差異皆不顯著，這與降水入滲范圍有關(guān)。處理Ⅲ與對(duì)照差異不顯著，其原因?yàn)槠扑榻Y(jié)皮處理中結(jié)皮破壞后易于形成新的結(jié)皮，地表質(zhì)地依然比較緊密，限制了水分下滲，而去除結(jié)皮的2個(gè)處理相對(duì)有粗造的地表，難于形成坡面徑流，促進(jìn)了水分入滲有關(guān)。處理Ⅰ和處理Ⅱ在水分入滲上具有明顯加強(qiáng)效果。

2.2 結(jié)皮破壞及梭梭構(gòu)件生長(zhǎng)

不同結(jié)皮破壞處理下梭梭構(gòu)件調(diào)查（表3），成活枝與死亡枝以處理Ⅰ最大，其次，為處理Ⅱ，對(duì)照和處理Ⅲ最小；梭梭枝條平均成活率以處理Ⅰ和處理Ⅱ最好，成活率近66.67%，其次，處理Ⅰ成活率達(dá)到60%，對(duì)照處理成活狀況最差，只有37.33%。不同的結(jié)皮破壞中新枝生長(zhǎng)狀況變化較大，處理Ⅰ新枝數(shù)量最多，2年生枝條上著生新枝平均數(shù)為54.33個(gè)，其次為處理Ⅱ46個(gè)和處理Ⅲ41.67個(gè)，對(duì)照新枝個(gè)數(shù)僅為27.11個(gè)；新枝基部粗度變化不明顯，但處理Ⅰ基部最粗，達(dá)0.14 cm；新枝長(zhǎng)度處理Ⅰ也高于其他處理及對(duì)照，達(dá)20.65 cm。除梭梭一、二、三各級(jí)分枝成活比例外，無(wú)論從新枝枝數(shù)、枝長(zhǎng)，基部粗度各方面來(lái)看，均以對(duì)照生長(zhǎng)狀況最差，這與測(cè)得的林地土壤水分狀況相一致。從新結(jié)皮形成方面來(lái)分析，處理Ⅰ和處理Ⅱ形成的新結(jié)皮厚度分別為0.22 cm和0.27 cm ,處理Ⅲ形成的新結(jié)皮厚度達(dá)到0.38 cm。相比較而言，處理Ⅰ和處理Ⅱ相對(duì)不易形成新結(jié)皮，降水入滲較多，林地水分狀況較好，有利于梭梭新枝生長(zhǎng)，處理Ⅲ形成的新結(jié)皮較厚，降水截留量較大，引起林地水分狀況相對(duì)較差，對(duì)梭梭的生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的影響。

表3 不同結(jié)皮破壞對(duì)梭梭構(gòu)件生長(zhǎng)的影響

Table 3 The effect of soil crust breaking on the growth of Haloxylon ammodendron

3 討論與小結(jié)

（1）不同結(jié)皮破壞對(duì)土壤水分的影響當(dāng)降水量較小時(shí)，水分變化主要集中在20 cm層次內(nèi)，20 cm以下各種處理水分變化趨勢(shì)線和對(duì)照一致；降水量較大時(shí)，處理Ⅰ和處理Ⅱ在水分入滲上具有明顯加強(qiáng)效果。

（2）不同結(jié)皮破壞處理下退化梭梭生長(zhǎng)表明，處理Ⅰ和處理Ⅱ下梭梭的枝條成活率最大，達(dá)66.67%，處理Ⅲ60%，對(duì)照只有37.33%；新枝枝數(shù)、枝長(zhǎng)、基部粗度生長(zhǎng)也均以處理Ⅰ占優(yōu)勢(shì)，分別為54.33個(gè)，20.65 cm和0.14 cm，這種現(xiàn)象與試驗(yàn)所測(cè)的林地土壤水分狀況相一致；新結(jié)皮形成方面，處理Ⅰ和處理Ⅱ形成的新結(jié)皮厚度分別為0.22 cm和0.27 cm，處理Ⅲ形成的新結(jié)皮達(dá)0.38 cm，已接近原有結(jié)皮厚度。

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Effects of soil crust breaking on soil moisture and growth of degraded Haloxylon ammodendron community

WANG Fang-lin1,ZHANG Jin-chun1,JI Yong-fu1,CHEN Fang1,DING Feng1,LIU You-jun1,WANG Ji-jin2

(1. Key Laboratory for Desertification Combating of Gansu Province,Gansu Desert Control Research Institute,Lanzhou 730070,China; 2. Forestry Bureau of Tianzhu County，Tianzhu 733300,China)

Abstract: The restoration experiment of degraded Haloxylon ammodendron community was conducted with the Haloxylon ammodendron community established in Minqin County in 1960s.The result showed that the soil crust could be broken to increase the depth of water infiltration,reduce the run-off,increase the soil moisture.The best treatment was 100% crust-removed,and it was followed by the treatment of 50% crust-removed.The effect of water infiltration tends to be greater with the increased precipitation.The branches survival reached 66.67% in the 100% crust-removed treatment and 60% in the 50% crust-removed treatment.The depths of soil crust were 0.22 cm,0.27 cm and 0.38 cm for treatment 1,2 and 3 respectively after the treatment was applied.

Key words: Minqin;crust breaking;degraded Haloxylon ammodendron community;vegetation restoration