半干旱黃土區檸條生長與環境因子的關系研究進展

王子婷，柴春山，張洋東，陳 榮，戚建莉

(1.甘肅省林業科學研究院，甘肅 蘭州 730030； 2.定西市水土保持科學研究所，甘肅 定西 743000)

1 研究背景

中國黃土高原土地面積62萬km2，其中降水量在300～500 mm的半干旱地區以山西的雁北、陜西的北部、寧夏南部山區、甘肅的定西為中心，約占黃土高原總面積的60%[1]。生態環境脆弱，加上長期不合理的人類活動，使得該區溝壑縱橫、地形破碎、水土流失嚴重[2]。為維持該區生態環境穩定，人工林草建設被視為該區植被恢復的主要措施之一[3]。但在具體實施過程中，不論立地類型差異均機械性地遵照統一的人工林草建設模式，并片面追求過高生產力，進行高密度栽植，致使出現了小老樹、土壤干化等問題，使得群落衰敗、生態系統退化[4-5]。因此，在半干旱黃土高原植被恢復與建設中，從樹種的選擇到栽植模式的選擇都需要遵照自然規律，符合生態學原則。

檸條(Caraganakorshinskii)屬豆科錦雞兒屬多年生灌木，是黃土高原地區的地帶性植被，因其適應性強、生長快、繁殖容易等特性，被篩選確定為該區最適宜人工造林的優良灌木樹種[6]和建立集流灌草配置模式的主要物種[7]。然而，半干旱黃土區地形破碎、溝壑縱橫，坡面水熱組合條件變化較大[8]，非地帶性因子差別顯著，故在植被恢復與建設實踐中還需充分考慮非地帶性因子[5]，如坡向、坡度、坡位、坡面地形和水分條件的差異。為此，我們對半干旱黃土區檸條人工林生長與環境因子的關系研究進行梳理，以期全面掌握檸條生長與環境因子的關系，確定影響植被生長的環境要素，從而更科學有效地指導該區人工植被建設與管理。

2 影響檸條生長的環境因子

2.1 地帶性因素——氣候因子

氣候因子中的降水、積溫、光照強度和蒸發量等都是影響植株生長的因素，其中降水是檸條生長與分布的主要限制因子。半干旱黃土區全年降水分布不均，多集中在7—9月，且多以暴雨形式出現，年蒸發量遠大于降水量，降水的流失和蒸發致使土壤水分含量較低。同時，降雨使得黃土區植被表層土壤水分含量呈短期脈動變化，且這種影響隨著土層深度的增加而減弱[9]。郭忠升等[10]在黃土丘陵半干旱區的研究發現，檸條林地降雨入滲深度最大為2.7 m。檸條的地上和地下生長過程與降雨變化關系密切，趙艷云等[11]研究發現，檸條的株高、分枝數、單株生物量與年度累積降雨量之間呈“S”型曲線關系，根系的生長與降雨量之間則呈指數規律增長，說明檸條生長過程與降雨量有極大的相關性；同時，檸條人工林不同生長階段對降雨變化的響應亦有不同，在檸條生長的前11年，株高、分枝數、單株生物量及根深隨降雨量的增加基本上呈直線上升的趨勢，第12年增幅達到最大，但在之后的生長過程中檸條的各生長指標基本處于穩定狀態，偶爾有衰退現象。魏佳英等[12]在對甘肅定西成熟檸條林所做的研究中發現，新梢生長量僅與0～200 cm剖面的土壤水分成顯著性相關，且這一入滲層剖面的土壤水分對植被生長的影響是短期的，主要表現在對新梢生長上。此外，還有研究發現，積溫和蒸發量對檸條人工林的地徑和生物量有一定影響[13]。總之，半干旱黃土區人工檸條林生長受降雨及溫度變化的影響，這在檸條生長的前期表現尤為明顯，生長后期受水分的限制檸條逐步開始退化。

2.2 非地帶性因素

2.2.1 地形因子

半干旱黃土區坡面微地形變化(坡向、坡度和坡位等)引起降雨和熱量的再分配，這決定了坡面檸條人工林的生長與時空分布格局。陳云明[14]在陜北對檸條幼林的研究發現，影響檸條單叢生物量的環境因子主要有坡位、坡向和坡度等，其中陰坡檸條生長好于陽坡，下坡位生長好于中上坡位，坡面坡度越大檸條生長越差。不同生長年限的檸條株高、分枝數和地徑對地形變化的響應亦有不同。程杰等[15]在寧夏固原研究發現，幼齡(1～7年生)和老齡(16～23年生)檸條林株高隨坡面上升而降低，中齡(8～15年生)檸條林株高變化相反，3個林齡檸條林分枝數和地徑均隨坡面的上升而降低。趙艷云等[11]對寧夏上黃17年生檸條林的研究表明，坡位對檸條株高、根深及生物量生長有顯著影響，對分枝數沒有明顯影響。王子婷等[16]在半干旱黃土丘陵區對成熟檸條林的研究發現，陰坡檸條生長明顯好于陽坡，下坡位生長量略好于中上坡位。然而，畢建琦等[17]在黃土高原丘陵區對3年生幼齡檸條林的研究發現，地上及地下生物量均表現為陽坡生長好于陰坡。因此，地形因子通過對光照、熱量和水分的組合與分配影響不同林齡檸條生長。在幼齡期，相對于水分條件而言，光照強度是其生長的限制因子，故表現為陽坡和半陽坡光合產物較高，檸條生物量大于陰坡和半陰坡；而進入中齡期以后，土壤水分則成為影響檸條生長的主要影響因子，故表現為陰坡、半陰坡的生長好于陽坡、半陽坡。

2.2.2 土壤水分及養分

在半干旱黃土區，水分是影響生態系統功能和過程的關鍵驅動因子[18]，也是植被生長和生存的重要環境組成部分，直接影響植被的生長發育、結構特征及群落穩定性。同樣，土壤含水量的高低也受氣候、地形及植被因素的綜合影響。因此，地形因子會改變土壤水分含量，同時土壤水分含量的變化與植被生長又是一個相互作用的動態過程。不同林齡的檸條林對土壤水分的利用深度亦有不同，隨著林齡的增加，檸條對土壤水分利用的深度和耗水量增加[19]。在半干旱黃土丘陵區檸條林發育至成熟階段，土壤水分補償與消減將會保持平衡狀態，在對其生長狀況及影響要素分析中發現，地形和土壤水分解釋了59.9%的成熟檸條生長變異，其中檸條生長對淺層(0～200 cm)土壤水分的響應敏感且存在正相關關系，而與深層(200～600 cm)土壤水分則呈現出負相關關系[16]。在該區的研究還發現，地形差異造成了土壤水分規律性變化，但在特定植被生長發育狀態和坡面尺度下，植被因子將成為土壤水分動態變化的主控因子[20]。土壤水分與植被生長的相互關系一方面表現出一定的時間差，另一方面植被對土壤水分也具有一定的適應性。這是因為土壤含水率高會促進植物生長，植物生長勢增強則會進一步加大對土壤水分的消耗，從而引起土壤水分含量不足，抑制植物生長，植物生長勢減弱又會進一步降低對土壤水分的消耗[21]。

土壤養分是土壤物理、化學、生物等性質的綜合反映，能通過直接或間接的途徑影響植物生長，對植被恢復至關重要[22]。同時養分的吸收又與檸條的生長階段有關，幼齡期檸條生長量很大，其對土壤養分的吸收量就高，而隨著檸條生長年限的增加，土壤中速效養分及微量元素含量呈下降趨勢，尤其是速效鉀和鐵含量降低明顯[11]。同時，在半干旱黃土區土壤養分的利用又與土壤水分相耦合。陳建文等[23]在對晉西北黃土高原檸條人工林幼林與成林細根生長動態比較的研究中發現，土壤水分和養分共同作用影響細根在土壤剖面的生長與分布。隨著檸條林不斷生長，會引起不同土層深度土壤水分的虧缺，而缺水會造成固態養分溶化與供應滯后，使得檸條在生長到一定年限后出現部分營養元素的虧缺，從而導致檸條在達到一定樹齡后生長停滯甚至出現衰退[24]，最終表現為土壤養分與檸條生產力的高低相關性不顯著，與土壤水分的相關性也不顯著[12]。也有研究表明，檸條生長年限與林地土壤養分狀況關系不大，在對退化林地采用平茬方式進行復壯更新后，檸條生物量的積累與土壤養分的關系不明顯，不同平茬方式對土壤養分的影響亦不顯著[25-26]。因此，土壤養分對檸條生長發育的影響是非常有限的。

2.2.3 栽植密度

黃土高原地區人工植被種植密度過大，造成土壤水分過度消耗，是形成深層土壤干化的直接原因[27]。研究表明，不同植被類型對土壤水分的影響差異很大，而同一植被類型不同的密度、生物量及生長年限造成土壤干化的程度和厚度也不同[28-30]。故在半干旱區進行人工植被恢復時，林地密度是影響植被恢復的重要因子，它不僅影響林分生長、單株生物量和產量，而且還影響土壤水分補給、供應和消耗。郭忠升等[31]通過構建確定土壤水分植被承載力數學模型，研究檸條密度與根層土壤水分補給、土壤水分消耗及林分生長的關系，結果表明，檸條的成林密度顯著影響其生長過程，當檸條林密度相對較低時，檸條生長對土壤貯水量影響不大，檸條生長耗水量小于大氣降水補給量，林地土壤水分處于積蓄狀態，對檸條生長有利，而在密度制約很強的情況下，檸條生長耗水大于補給量，土壤水分處于虧缺狀態，檸條生長則受到限制[32]。當然，幼齡檸條林過于稀疏也會因不利于土壤含水率的保持而影響檸條生長。張文文等[33]在黃土丘陵半干旱區檸條林密度對土壤水分和檸條生長的影響研究中發現，檸條低密度小區因蓋度較低，蒸散發造成的水分損耗較多，加上檸條自身生長對水分的吸收(因1～5年生檸條生長較快，對水分的利用也較多)，使得低密度小區土壤水資源顯著低于高密度種植小區。因此，檸條植株密度與其生長的關系受土壤水分的補給和消耗、林分生長及發育階段等因素的綜合影響。

2.2.4 整地方式

半干旱黃土區水土流失防治的核心是促進水分就地入滲，為了在該區實現有限水分的持續利用，在生態治理和植被恢復過程中，實施了包括整修梯田、魚鱗坑、反坡臺、水平階、水平溝等形式多樣的整地措施，使得原始坡面自然景觀在整地后形成了微地形與植被恢復耦合下的新景觀。研究證明，整地對黃土高原生態修復和環境改善有重要作用，相比自然坡面，在進行工程措施改造后可有效攔沙截流、蓄水保墑、改善土壤及植被生長條件[34-35]。因此，不同整地方式在該區廣為應用，而其對植被生長的影響也備受研究者的關注。研究表明，在該區進行水平階整地栽植檸條，檸條的分枝數、地徑、地上生物量和地下生物量均高于荒坡，其中僅就株高而言，幼齡期(1～7年生)和中齡期(8～15年生)水平階檸條株高顯著高于荒坡，隨著檸條生長的繼續，在進入老齡期(13～23年生)后因深層土壤水分的影響，水平階和荒坡檸條株高差異不顯著[15]。同時，不同整地方式對于檸條株高、分枝數、根深、單株生物量均有顯著影響[11]，在半干旱黃土區對10°～20°荒山采用水平階、水平溝和魚鱗坑整地均可促進灌草植被的生長，并大幅提高檸條的生物產量[6]，這主要是由于不同的整地方式改善了土壤結構、土壤肥力及土壤水分狀況等，進而影響了檸條的生長。因此，在相應坡位上開展適宜的整地措施，將有利于檸條的生長和植被恢復。

3 結 語

在半干旱黃土區不同整地措施會影響降雨在坡面土壤的水分再分配，加之不同坡向、坡位和坡度等地形因子的共同影響，使得檸條生長發生差異，而檸條地上生長不同又會影響土壤水分的變化，同時植株密度又是調節土壤水分的重要因子，并間接調控了檸條后期的生長和更新。水分是該區坡面人工植被恢復的主要限制因子，坡面整地措施提高了水分利用效率，但過度消耗土壤水分則會引起深層土壤水分虧缺，導致林地退化。因此，在半干旱黃土區植被恢復中，不可過多強調單一的植被建設模式，應在遵循植被地帶性規律的基礎上結合局部地形變化及林木發育階段確定合理的栽植密度，并輔以科學的水土保持集水措施及后期管理措施(如平茬)等，從而實現該區植被恢復的可持續性。此外，在過熟人工林地或退化林地中增加一些開花的鄉土小灌木，可提高植物多樣性及生態功能，促進林地自然更新并減少病蟲害的發生。