平茬密度對荒漠草原人工檸條林間生境的影響

賈希洋,周靜靜,宿婷婷,周 瑤,陳佳寶,馬紅彬,2,*,馬靜利,王曉芳

1 寧夏大學農學院, 銀川 750021 2 寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021

寧夏荒漠草原地處干旱與半干旱的農牧交錯區,生境脆弱,是我國水土流失、草地退化、荒漠化等環境問題最為突出的地區之一。隨著生態建設工程的實施,寧夏、內蒙等地在荒漠草原上補植了大量帶狀檸條灌木,這些檸條灌木對防風固沙、保持水土具有重要作用[1]。目前,寧夏檸條資源存林面積44.60萬hm2以上,地上部總生物量(干物質)達77萬t左右[1- 2],其中寧夏鹽池縣分布12.95萬hm2檸條資源[3],主要為中間錦雞兒。檸條屬于豆科錦雞兒屬的旱生灌木,既是防風固沙造林中的重要灌木樹種,也是一種重要的飼用灌木,其鮮枝營養豐富,花期粗蛋白含量最高可達36.27%。但檸條生長到一定年限后,木質化程度加劇,枝條干枯甚至全株死亡,進而造成檸條林退化[4]。平茬能有效解決檸條植株衰敗老化,促進植株更新復壯[5]。同時,飼草資源不足是制約當前畜牧業持續發展的因素之一,如能將寧夏荒漠草原檸條資源科學平茬飼用,對緩解畜牧業飼草不足、維持當地生態建設具有重要意義。

平茬技術對改良檸條林、提高生態和經濟效益具有重要作用[6]。適宜的留茬高度對植物的持續生長具有正向作用[7- 9]。根據檸條生育期、平茬目的和整體效益等因素來綜合確定平茬最佳時期[10- 11]。平茬后檸條具有一定的生殖補償能力[12],對土壤水分的消耗量發生變化[13- 14]。檸條平茬刺激后不僅促使植物根、頸部萌生不定芽,也能使根部積累大量的養分,促進植物快速生長[15- 16]。荒漠草原灰鈣土、紅黏土和風沙土上的人工檸條林根際與非根際土壤理化性質、顆粒組成差異明顯[17]。留茬高度對檸條分枝數、地上生物量無明顯影響,翌年檸條返青率隨著留茬高度的增加而降低,5—6月平茬檸條的再生性更好[10]。對不同種植帶間距中間錦雞兒平茬后林間生境變化研究發現,8 m種植間距較4 m和6 m間距更利于林間植被多樣性增加、土壤質量改善和風蝕減少[16]。可見,目前有關檸條平茬研究主要集中在不同留茬高度、不同時期平茬后檸條生理生態特征變化以及不同種植密度平茬等方面。平茬密度對人工檸條林間生態的影響亦有一些報道。研究發現成片平茬方式易造成黃土丘陵半干旱區沙地裸露、風蝕加劇、沙地采取隔帶或隔叢平茬較好[14]。全部平茬、隔行平茬和未平茬對荒漠草原檸條林土壤水分垂直變化影響顯著[18]。立地條件、植被類型均影響著平茬后檸條林間生境變化,但有關平茬密度對檸條林間生境影響的研究報道較少[19],不同密度平茬后寧夏荒漠草原檸條林間植被土壤性狀、風蝕狀況變化還不清楚,還需進一步深入探究。因此,本文以寧夏荒漠草原人工檸條林不同密度平茬后林間生境為對象,對林間植被、土壤性狀及土壤風蝕特征進行研究,以期確定該區人工檸條林適宜飼用平茬密度,為當地生態建設和檸條資源的科學飼用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏鹽池縣花馬池鎮柳楊堡土溝村荒漠草原,東經107°35′,北緯37°88′,地處干旱半干旱農牧交錯區,具有獨特的自然生態條件及農牧業生產特征。試驗區屬中溫帶大陸性氣候,年平均降水量為300 mm左右,全年降水量60%多集中在7—9月,年蒸發量為2400 mm左右,年均氣溫為8.1℃,≥0℃的年積溫3430.3℃,無霜期約160 d,年均風速2.59 m/s。地帶性土壤為淡灰鈣土,地帶性植被為荒漠草原。主要分布有中間錦雞兒(C.intermedia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、短花針茅(Stipabreviflora)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)、砂珍棘豆(Oxytropispsamocharis)、乳漿大戟(Euphorbiaesula)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、豬毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)、蒺藜(Tribulusterrestris)等植物。

1.2 試驗設計

試驗區檸條為中間錦雞兒(C.intermedia),屬退耕還林工程種植,呈帶狀分布在荒漠草原上。試驗選擇當地退耕還林種植面積最大的6 m帶間距人工檸條林,每帶2行檸條,行距60 cm,種植時間為2003年,種植后到本試驗前一直未進行過平茬。在試驗區,選擇地形、土壤、植被和生長狀況一致的中間錦雞兒灌木林及其林間草地作為研究樣地。于2015年12月設置不同隔帶間距平茬試驗,共設置全平(QP)、隔一帶平茬一帶(G1P1)、隔一帶平茬兩帶(G1P2)、隔兩帶平茬一帶(G2P1)和未平茬(WP)5個處理,每個處理3次重復,平茬高度均為齊地平茬。試驗設置詳見簡圖1。

圖1 不同平茬密度試驗設置簡圖 Fig.1 Schematic diagram of different cropping densities(1)“×”, 未平茬處理的檸條灌叢 Caragana intermedia shrubs without flat stubble; “○”,平茬處理的檸條灌叢Caragana intermedia shrubs treated with flat stubble;(2) QP: 全部平茬 All stubble; G1P2: 隔一帶平茬兩帶 Stubble two belts with one belt no stubble; G1P1: 隔一帶平茬一帶 Stubble one belt with one belt no stubble; G2P1: 隔兩帶平茬一帶 Stubble one belt with two belts no stubble; WP, 未平茬 No stubble

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植被調查

于2018年8月,對平茬后林間植被特征進行調查。在各處理樣地林間(兩帶檸條林中間)設置一條平行于檸條林的樣線,在每個樣線上等距設置3個樣方,記錄植物種類組成,并用常規方法分種測定頻度、蓋度、多度、高度及地上生物量,樣方面積1 m2(1 m×1 m),3次重復。其中,頻度、蓋度和多度分別采用樣圓法、針刺法和統計單位面積株數法測定；對每個物種隨機測定30株自然高度作為其平均高度；分種齊地刈割樣方內植物,帶回室內放入65℃烘箱中烘至恒重稱取地上生物量[16, 20]。

1.3.2 土壤采樣及性狀測定

植被調查的同時,用土鉆在各處理樣地樣方周圍用“S”形五點法采集土樣,采集之前去除地表凋落物,按0—10,10—20,20—30、30—40 cm土層取樣,3次重復[20]。采用環刀法測定0—180 cm土壤容重,每10 cm為一層,3次重復[21]。將采集到的土樣放入保溫箱(4℃)中帶回室內,去除石塊、草根等雜質后磨細,過2 mm篩,將過篩后的土樣裝入自封袋,用于土壤顆粒組成和養分的測定。

用Microtrac S3500激光粒度分析儀測定土壤顆粒組成[16],根據美國制土壤機械組成分類標準進行分類。土壤有機質、全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量依次采用重鉻酸鉀容量法、全自動凱氏定氮法、堿解擴散法、氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法和近紅外光譜法進行測定[22]。

在植被調查樣方附近埋設TDR探管。采用TDR測定各處理樣地0—180 cm土壤體積含水率,測定時間為2018年4月—2018年11月,每月5日、25日測定,測定時按20 cm為一層,3次重復[23]。根據土壤容重將土壤體積含水率折算成土壤質量含水率[24]。

1.3.3 林間氣溫、風速和土壤風蝕

在2018年1月5日、4月5日、5月5日、7月5日、9月5日和10月5日,利用 Kestrel 3500手持氣象站觀測各處理距地面20 cm的風速和氣溫,測定時間為測定當天的早8點至晚6點,每隔2 h觀測一次,3次重復。采用插釬法測定土壤風蝕量[25-26]。選用編好號的長鋼釬(40 cm),在各處理內設置(檸條平茬時)1 m×1 m面積的鋼釬,鋼釬間的距離為0.2 m×0.2 m,地上保留高度為20 cm,3次重復。在測定風速的同時,測定鋼釬地上高度變化情況。

1.4 數據分析

數據采用Excel錄入、計算并做圖,統計分析用DPS 7.05軟件進行,采用One-way ANOVA和Duncan法進行顯著性檢驗(α=0.05)和多重比較,根據測定數據,計算以下指標.

1.4.1 物種多樣性

計算物種重要值、Margalef豐富度、Simpson優勢度、Shannon-Wiener多樣性和Pielou均勻度指數,公式如下[27]：

重要值=(相對頻度+相對蓋度+相對高度+相對生物量)×100/4

Margalef物種豐富度指數:

Ma=(S-1)lnN

Simpson優勢度指數：C=∑(Pi)2

Shannon-Wiener多樣性指數:H′=-∑PilnPi

Pielou均勻度指數:J=H′/lnS

式中,S為物種總數；N為物種總個體數；Pi為物種i的重要值。

1.4.2土壤風蝕量[25-26]

W=100σbΔh

式中,W：土壤風蝕量(t/hm2)；Δh：前后兩次測釬讀數差值,吹蝕為負,風積為正(cm)；σb：土壤容重(g/cm3)

2 結果與分析

2.1 不同密度平茬后林間植被變化

2.1.1 植物生活型組成

各處理均以多年生草本的物種比例和重要值比例較高(表1)。G2P1物種總數最多(25種),G1P2最少(20種)。半灌木物種數和物種比例以WP最高,重要值比例以QP最高；多年生草本物種比例：G1P1>G1P2>G2P1>QP>WP,重要值比例：WP>G1P2>QP>G1P1>G2P1；一年生草本的物種數比例以G2P1最大(24.00%),重要值比例：G2P1>G1P2>G1P1>WP>QP。

表1 不同平茬密度下檸條林林間植物生活型組成

2.1.2 植物群落特征

由表2可知,總體上5種平茬處理林間植被蓋度、優勢度和均勻度指數差異不顯著(P>0.05)。林間植被密度、高度和地上生物量以G2P1處理最高(P<0.05),G1P1植被密度和地上生物量顯著低于G2P1、G1P2和QP,WP高度顯著低于其他處理(P<0.05)。林間植物群落物種豐富度指數以QP、G1P1、G2P1較高；G1P1、G2P1和WP多樣性指數顯著高于QP和G1P2(P<0.05)。

表2 不同平茬密度下檸條林林間植物群落特征

2.2 不同密度平茬后林間土壤理化性質變化

2.2.1 機械組成和容重

整體來看(表3),各處理林間0—40 cm土壤均以細砂含量最高,介于74.79%—78.34%之間,均無粘粒。0—40 cm土壤粉粒含量以G1P1最高,G1P2和G2P1最低(P<0.05)；細砂含量G1P2、G1P1和WP較高,QP和G2P1較低(P<0.05)；中砂粒含量QP、G1P2和G2P1中較高,G1P1的中砂粒含量最低(P<0.05)；粗砂粒含量以G2P1最高(P<0.05)。0—40 cm土壤容重呈現QP≈G1P2≈WP>G1P1≈G2P1(P<0.05)。由圖2可知,隨土層的加深(0—40 cm),5種平茬處理土壤粉粒含量均呈增加趨勢,而細砂粒含量恰好相反(P<0.05)；中、粗砂粒含量和土壤容重在垂直變化上無明顯規律(P>0.05)。

表3 不同平茬密度下檸條林間土壤機械組成及土壤容重

圖2 不同平茬密度下檸條林間土壤機械組成及土壤容重的垂直變化Fig.2 Vertical changes of soil mechanical composition and soil bulk density in C. intermedia forests under different cropping densities同一處理不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2.2 土壤水分

2018年4—11月,不同月份不同處理下,土壤水分在降水和植被消耗影響下變化不盡相同,其中QP、G1P2、G1P1和WP處理土壤含水量隨月份的延長變化規律總體一致(圖3),呈降低-升高-降低-升高趨勢(P<0.05)；G2P1土壤含水量雖在不同月份間有波動,但4—5月,6—8月和9—11月間差異不顯著(P>0.05)。由表4可知,4—5月,G2P1土壤含水量顯著高于QP、G1P2 和WP(P<0.05)；6—8月,QP、G1P1和G2P1含水量顯著高于G1P2和WP(P<0.05)；9—11月,各處理間土壤含水量差異不顯著(P>0.05)。4—11月,整個試驗期內G2P1處理土壤含水量最高,達到8.33%,G1P2和WP處理最低。

圖3 不同平茬密度下檸條林林間土壤水分動態變化(2018年) Fig.3 Dynamic changes of soil moisture in the forests of C. intermedia forest under different cropping densities (2018)

表4 不同平茬密度下檸條林林間0—180 cm土壤水分差異/%

試驗期內0—180 cm土壤含水量垂直變化規律如圖4所示,由圖可知,隨土層深度的增加,WP土壤含水量呈先減少-后增加-再減少的趨勢,在0—20 cm處最高,160—180 cm處最低；G1P2呈單峰變化趨勢(先減后增),在120—140 cm處最低；G1P1處理總體呈下降趨勢,在140—160 cm處最低；G2P1土壤含水量呈波動變化,在20—40 cm處最低,140—160 cm最高；WP土壤含水量與G1P2正好呈相反規律。

整體來看(圖4),各處理水分垂直變異系數均小于10%,WP水分垂直變異系數大于其他處理,隨土層深度的增加,各處理下水分垂直變異系數均無明顯變化規律。其中,G1P2、WP在0—20 cm處、G1P1在100—120 cm處、G2P1在140—160 cm處變異系數均最小,分別為0.25%、0.10%、0.13%和0.57%。QP在60—80 cm和120—140 cm處變異系數最小,為0.15%。

圖4 不同平茬密度下檸條林林間土壤水分垂直變化與變異系數Fig.4 Vertical variation and coefficient of variation of soil moisture in the forests of C. intermedia forests under different cropping densities

2.2.3 土壤養分

0—40 cm土壤養分含量表明(表5),5種處理,有機質和速效鉀均呈現G2P1>G1P2>QP、G1P1>WP,全氮呈G2P1>G1P2、WP>G1P1>QP,速效氮呈G2P1>G1P2>G1P1>QP、WP,速效磷呈G1P1>G2P1>G1P2>WP>QP(P<0.05)。總體來看(圖5),各處理速效磷、鉀含量隨土層的加深均呈下降趨勢,而有機質、全氮和速效氮含量垂直變化無規律。

表5 不同平茬密度下檸條林林間土壤養分含量

圖5 不同平茬密度下檸條林林間土壤養分含量垂直變化Fig.5 Vertical variation of soil nutrient contents in C. intermedia forests under different cropping densities同一處理不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.3 不同密度平茬后林間小氣候和土壤風蝕量變化

林間平均氣溫結果表明(圖6),1月,QP顯著高于G1P2和G2P1(P<0.05)；在4、5、10月,各處理間差異不顯著(P>0.05)；7月,呈G1P2≈G1P1>QP>G2P1>WP(P<0.05)；9月,G2P1顯著高于G1P2處理(P<0.05),與其他處理差異不顯著(P>0.05)。

平均風速方面(圖6),5種平茬處理林間日平均風速介于0.35—3.22 m/s之間。1月,QP林間風速顯著大于G2P1(P<0.05),與其他處理差異不顯著(P>0.05)；4月,QP顯著大于G1P1和WP處理(P<0.05)；5月,QP顯著大于G1P1、G2P1和WP(P<0.05)；7月,各處理間差異均不顯著(P>0.05)；9月,QP、G1P2和G1P1顯著高于其他處理(P<0.05)。

風蝕量數據表明(圖6),1月,G1P1和G2P1出現風積現象,且二者風蝕量顯著大于其余3種處理(P<0.05)；4月和5月,QP、G1P2和WP均為吹蝕現象,G2P1林間風蝕量顯著高于QP、G1P2和WP(P<0.05)；9月,除G1P1為風積現象外,其他處理均為吹蝕現象,G1P1風蝕量顯著大于QP和WP(P<0.05)；10月,G1P1和WP出現吹蝕現象而剩余處理為風積,WP風蝕量顯著小于QP、G1P2、G2P1(P<0.05)。

5種平茬處理在整個監測期內(圖6),林間平均氣溫、平均風速差異均不顯著(P>0.05)；總體看,風蝕量以QP、G1P2和WP較高,G1P1、G2P1較小,G1P1和G2P1處理出現風積,剩余處理均為吹蝕。

圖6 不同平茬密度下林間氣溫、風速以及風蝕量比較Fig.6 Comparison of air temperature, wind speed and wind erosion in forests under different cropping densities同一處理不同字母表示差異顯著(P<0.05)

3 討論

經過多年的生態建設,寧夏荒漠草原地上植被、土壤理化性質及小氣候得到明顯改善,生態環境處于好轉[28]。一些研究表明,隨著檸條平茬隔帶間距的(密度)不同,土壤理化性狀、土壤微生物等相繼發生變化,進而影響地上植物群落特征[29]。本研究中未平茬(WP)半灌木物種數和物種比例最高,全部平茬(QP)后半

灌木重要值比例高達40.25%,說明QP或WP處理下,林間植被趨于灌叢化,這與未平茬檸條生長、全部平茬后檸條再生對林間草本生長影響有關[29]。總體看,不同密度平茬對檸條林間草地植被密度、高度、地上生物量及多樣性影響顯著,隔兩帶平一帶(G2P1)林間物種總數、一年生草本物種數及重要值比例大于其他處理,這與其土壤含水量較高有關[16]。但是,平茬密度對林間植物群落蓋度、物種優勢度影響不顯著,這可能與平茬后時間較短(3年)、群落演替過程較慢有關[19],還有待進一步研究。

土壤機械組成是影響土壤水肥狀況的關鍵因子,荒漠草原中,表土極易遭到風蝕,細顆粒被吹走,粗粒積累[30]。本研究中5種平茬處理林間0—40 cm土壤粉粒含量在11.15%—15.59%之間,這與部分學者研究的退化沙質草地恢復過程中,土壤中粉粒含量呈明顯累積態勢基本一致[31]。隔兩帶平一帶(G2P1)林間較高的土壤水分促使林間植被生長增加,產生的較多枯落物又作用于土壤,對土壤結構、蓄水能力和養分狀況影響最明顯[32],進而使G2P1土壤有機質、氮和速效鉀含量、土壤容重改善最為明顯[33],說明土壤與地上植物是相互統一的有機體,植被特征影響著土壤性狀[34]。

土壤水分是干旱地區植被生長的重要限制因子[29]。楊永勝等人對平茬措施對檸條土壤水分狀況研究發現,平茬第1年,檸條地塊對土壤水分響應顯著[13]。李耀林發現平茬對林地深層(200—400 cm)土壤水分有輕微恢復作用,但是淺層土壤(0—200 cm)水分的消耗相對更嚴重[14]。本研究中,平茬密度影響著土壤水分變化。隔兩帶平茬一帶(G2P1)處理下,林間植被以多年生草本為主,較高的植被高度及蓋度緩解了地表高強度的蒸騰作用[16],降低了風蝕作用所帶走的地表水分,所以試驗期間的4—11月土壤含水量以G2P1處理最高。同時,全部平茬(QP)后檸條地上生物量在一定時期內下降,減少了對土壤深層水分的消耗,所以在整個試驗期內土壤含水量亦較高[18]。隔一帶平茬兩帶(G1P2)和未平茬(WP)處理下林間植被蓋度下降、裸地增加,地表蒸騰和風蝕作用變強,地表水分消耗加劇,致使這兩個處理土壤含水量下降。檸條根系發達、入土較深,對深層次土壤養分和水分有一定的影響,尤其對土壤水分影響更為明顯[14],因此本試驗進行了0—180 cm水分監測。考慮本文主要比較檸條平茬密度對林間植被土壤影響,試驗區林間植被根系大多在40 cm以上土層,因而對40 cm以下土壤性狀沒有進行研究,這還有待于今后進一步加強。

本研究中,土壤風蝕量變化與林間風速變化整體呈正相關關系[35],全部平茬(QP)后裸地面積增加,風蝕呈現增加趨勢[18]。隔一帶平一帶(G1P1)和隔兩帶平一帶(G2P1)處理下林間風速降低,出現風積,而其他三個處理出現吹蝕現象。說明隨平茬密度的降低,檸條帶抗風蝕或對外來流沙的攔截增強,土壤風蝕量減少。

綜合研究結果可見,檸條林全部平茬或不平茬均會造成植被群落物種組成單一,多樣性及群落數量特征降低,植被趨于灌叢化,土壤理化性狀變差,地表風蝕加劇等。適宜的平茬密度(間距)有利于檸條林水土保持及林間植被物種多樣性的增加。從生態、經濟效益綜合考慮,研究認為寧夏荒漠草原6 m帶間距人工檸條林以隔兩帶平茬一帶(G2P1)較為適宜。受客觀原因限制,論文只選擇了當地面積最大的6 m帶間距人工檸條林進行了平茬密度研究,今后還可進一步對其他種植帶距檸條林的平茬密度進行研究,以便更加全面地指導當地檸條資源的更新復壯和合理利用。

4 結論

(1)荒漠草原6 m帶間距人工檸條林平茬后,林間植被物種數、密度、高度和地上生物量以G2P1最高,物種豐富度指數和多樣性指數以G1P1、G2P1較高。

(2)G1P1、G2P1處理下0—40 cm土壤容重顯著降低；土壤有機質、速效鉀、全氮和速效氮在G2P1中最高,速效磷在G1P1處理最高；4—11月土壤平均含水量以G2P1較高,達到8.33%,G1P2和WP最低。

(3)各處理下林間平均氣溫和風速無顯著差異；風蝕量以QP、G1P2和WP較高,G1P1與G2P1較小。綜上平茬后林間生境變化,研究認為寧夏荒漠草原6 m帶間距人工檸條林利用時可采取隔兩帶平茬一帶的方式。