雅江河谷防沙治沙工程近地表特性——林下植被特性、生物結皮及土壤養分變化特征

劉 琳,張寶軍,熊東紅*,唐永發,4,袁 勇

雅江河谷防沙治沙工程近地表特性——林下植被特性、生物結皮及土壤養分變化特征

劉 琳1,2,3,張寶軍1,2,熊東紅1,2*,唐永發1,2,4,袁 勇1,2,3

(1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,四川 成都 610041；2.中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所,四川 成都 610041；3.中國科學院大學,北京 100049；4.四川農業大學,四川 雅安 625014)

采用對比分析和時空互代法,從植被配置模式(楊樹+砂生槐、砂生槐、花棒、藏沙蒿)、工程年限(6,10,30a)2個方面,研究了雅魯藏布江(簡稱雅江)河谷防沙治沙生態工程實施過程中林下植被特性、地表生物結皮及土壤養分等變化特征.結果表明,工程年限為10a的喬灌(楊樹+砂生槐)、灌木(砂生槐、花棒)型樣地較草本(藏沙蒿)更有利于提高林下植物多樣性,且楊樹+砂生槐樣地的林下植被地上生物量、枯落物量、地下生物量、土壤有機質、全氮與全磷含量均顯著高于其他3種樣地.藏沙蒿樣地的生物結皮最為發育,花棒樣地次之,楊樹+砂生槐樣地無結皮.隨年限延長,楊樹+砂生槐樣地林下植物多樣性、枯落物量、地下生物量、土壤有機質、全氮及全磷含量呈增加趨勢,生物結皮僅在6a樣地中有發育;砂生槐樣地地上生物量、地下生物量、生物結皮逐漸增加,但植物多樣性、全氮含量呈下降趨勢,枯落物量、有機碳及全氮含量呈先增加后減小規律.不同配置模式中,楊樹+砂生槐喬灌型樣地各項指標綜合表現最佳,并隨工程年限延長,對促進河谷沙地植被演替、提高植被生產力、提升沙地肥力等作用愈強.建議該區防沙治沙工程中應推廣楊樹+砂生槐喬灌型模式為主.

沙地；生態工程；植被特性；生物結皮；雅魯藏布江

人工營造植被是一種有效遏制風沙的手段[1].生物多樣性與生物量作為植被恢復的重要表現[2],在一定程度上反映了生態系統的穩定性以及植被生產力[3].在防沙治沙中,人工固沙林增加了生物多樣性,提高地上植被蓋度、生物量和群落多樣性指數[4],增加地表粗糙度,減輕風蝕.植被群落演替及其生產力的提高,驅動植被枯落物、生物結皮和根系系統的變化[5],進而提升防風固沙作用[6-7].同時,在植被、生物結皮與土壤的互作過程中不同程度地改善了土壤結構與養分狀況[8-9].植被特性、生物結皮與土壤理化性質等近地表特性作為沙地生態系統結構和功能恢復的重要體現,研究這些特性在防沙治沙工程中的變化,對評價工程生態成效有重要意義.

青藏高原是中國重要生態安全屏障[10],西藏自治區作為青藏高原的主體,長期以來,由于氣候和人類活動的影響,土地沙化嚴重,現有沙化土地21.62萬km2,位居全國第3[11].雅江自西向東橫貫西藏南部,其中部流域是西藏的經濟和文化的中心地帶,也是西藏土地沙化和風沙活動嚴重的區域之一,現有沙化地面積近3000km2[12].自上世紀80年代以來,在河谷兩岸沙地陸續實施了“國家級防沙治沙綜合示范區”、“西藏生態安全屏障防沙治沙”、“沙化土地封禁保護區”等各類防沙治沙生態工程項目,造林總面積達300km2.隨著造林治沙工作推進,雅江沿岸大面積的流動或半流動沙丘變成綠洲,沙害現象顯著減少.目前,大量研究主要集中于雅江河谷風沙現狀及成因等[13-15].少數學者針對雅江河谷植被恢復與重建探討了河谷沙丘及寬谷河階地的造林適宜性[16]、適生物種及其固沙效益等[17].然而,植被群落、生物結皮和土壤理化性質等近地表特性作為生態恢復成效的重要表征[18-19],其對雅江河谷防沙治沙生態工程實施的響應卻鮮有報道.

本文選擇雅江河谷沙地為研究對象,從植被配置模式、工程實施年限2個角度,探究該區防沙治沙生態工程實施對河谷沙地植被、生物結皮及土壤的影響,揭示不同配置模式及不同恢復時長下植被物種多樣性、生物量等植被特性、地表生物結皮特性、土壤肥力的特點及其變化規律,以期為區域防沙治沙成效評價及該區沙化土地生態恢復實踐提供理論依據.

1 研究區概況

研究區位于雅魯藏布江貢嘎—扎囊中游寬谷段(29°30N′～29°31′N,91°34′E～91°54′E),海拔3500～ 3900m,地處西藏自治區山南市.該區屬高原溫帶半干旱氣候,夏季溫涼多雨,冬季干冷多風,年平均氣溫5～9℃,年降水量300～450mm,約80%的降水集中于5～9月,年蒸發量為2200～2750mm;年平均風速為2.5m/s,最大風速為15m/s,11月～次年5月大風頻發.河谷辮狀或亂流狀水系極為發達,河流輸沙率達600kg/s,年總輸沙量為1405～1900 萬t,由于冬春季屬枯水期,水位下降高達4m[20],大片河床沙地出露[21],加之風力侵蝕強而頻繁,大量泥沙被吹蝕,導致河谷兩岸風成沙地或沙丘分布廣泛.抗風沙、耐貧瘠的砂生槐()成為該區最具代表性的鄉土灌叢植物[22],零星分布有草本藏沙蒿()、固沙草()、白草()等.河谷沙地主要造林樹種有新疆楊()、銀白楊()、榆樹()、旱柳()等喬木,以及花棒()、沙棘()等灌木樹種.

2 研究方法

2.1 樣地選取及調查方法

2020年7月,在詳細查閱研究區所在林業管理部門歷史造林檔案資料的基礎上,充分考慮造林前生境、地形地勢、土壤類型等立地條件,經過詳細的野外調查,最終選取了不同配置模式和不同年限的防沙治沙生態工程區共8個,包括:1)4種配置模式,即楊樹+砂生槐、砂生槐、花棒、藏沙蒿.其中,楊樹+砂生槐為喬木結合鄉土灌木類型,砂生槐為鄉土灌木類型、花棒為引進灌木類型,藏沙蒿為鄉土草本類型,這4種均為研究區防沙治沙生態工程中具代表性的植被類型,且多數工程實施年限均在10a左右. 2)3個工程年限,即6,10,30a.由于楊樹+砂生槐、砂生槐2種類型的工程實施面積廣、年限長,在本研究區治沙工程中最為常見,且調查中發現花棒與藏沙蒿在本研究區種植不多,花棒又是近10a的外來引進物種.因此,為了解長時間序列下防沙治沙生態工程對沙地植被及土壤的影響,本研究基于10a工程年限的楊樹+砂生槐與砂生槐工程區,進一步選擇了6和30a2個工程年限,擬采用“空間代替時間”的方法,研究不同年限下楊樹+砂生槐、砂生槐2種工程區內植被、生物結皮及土壤等特性變化.

每個工程區內選取1個30m×20m的樣地,共計8個樣地,記錄樣地海拔、經緯度等.為保證樣地間具有較好的可比性,楊樹+砂生槐樣地僅對林下灌木和草本植被進行調查,在樣地內隨機選取灌木樣方(2m×2m)3個,其他6個樣地內隨機選取具代表性的灌木樣方各3個,藏沙蒿樣地內隨機選取草本樣方(1m×1m)3個,調查樣方內林下灌草植被種類、株/叢數、蓋度、高度、冠幅、基徑、地上及地下生物量、枯落物等.樣地基本情況見表1.

由于各樣地均位于雅江河谷階地,且在人工營造植被前基本為無植被覆蓋的流動沙地,土壤類型為風沙土,因而本研究在靠近各樣地周邊選取了立地條件、地形地勢相似且長期無干擾的兩個裸露沙地以代表造林前生境,并進行了相關背景值調查,其本底情況詳見表2.

表1 樣地基本信息

注:表中植被高度、基徑、冠幅為主要樹種(除喬木)的平均高度、平均基徑和平均冠幅,蓋度為林下樣方內植被總蓋度.

表2 裸露沙地基本概況

2.2 樣品采集與測定

為保護研究區內植被不被過度破壞,同時確保植被特性的可比性,僅對林下灌木與草本進行樣品采集.其中,灌木地上生物量調查采用標準株法帶回室內烘干至恒重(65℃),稱標準株干質量進一步換算得到地上生物量;草本地上生物量、枯落物蓄積量采用全收獲法[23].地下生物量采用荷蘭Eijkelkamp公司05.02型土壤根鉆(內徑8.0cm)分層(0～5cm、5～ 10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm)獲取,每個樣方取3鉆,將采集的根系土樣進行室內沖洗后,裝入信封烘干(65℃,24h),稱重獲取地下生物量.生物結皮厚度用噴壺灑水濕潤后用游標卡尺測定,重復20次.此外,隨機選擇3個樣點挖取0～5cm表土,裝入已標記的自封袋內,密封帶回室內測定有機質、全氮和全磷含量.

2.3 數據處理與分析方法

采用Simpson多樣性指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數[24]分別測定林下植物多樣性,其公式如下:

Simpson多樣性指數():

Shannon-wiener多樣性指數():

Margalef豐富度指數(M):

Pielou均勻度指數(J):

式中:為樣方內物種數目;為所有物種個體數之和;P為種的相對重要值[25],P=()/3,為相對蓋度,為相對高度,為相對密度.

采用Excel 2010進行數據處理,運用SPSS 17.0統計分析軟件進行分析,用單因素方差分析法(One- way ANOVA)和多重比較分析不同數據組間的差異(α=0.05),運用Pearson相關性系數檢驗植被、生物結皮等指標與土壤養分的相關性,采用origin 2018制圖.

3 結果與分析

3.1 防沙治沙工程林下植物多樣性指數

雅江河谷防沙治沙生態工程實施后群落物種多樣性有所提升,但整體仍處于較低水平.4種10a配置模式(楊樹+砂生槐、砂生槐、花棒、藏沙蒿)樣地的生物多樣性指數為0.46～0.60,介于0.65～0.99,M為0.28～0.52.其中, 花棒樣地的、和M均最大,顯著高于藏沙蒿樣地,但與楊樹+砂生槐、砂生槐樣地無顯著差異性.4種樣地的均勻度指數J(Pielou均勻度指數)介于0.90～0.94,各樣地間無顯著差異(圖1).

在不同工程年限下(6,10和30a),楊樹+砂生槐樣地生物多樣性指數、、M隨工程年限延長均呈先減小后增加趨勢,且30a最大,砂生槐樣地多樣性指數、、M均呈下降趨勢. 兩種工程樣地的均勻度指數J大小排列均為10a>30a>6a,受年限影響不明顯.經方差分析,30a楊樹+砂生槐樣地、、M顯著高于同年限砂生槐樣地,均勻程度上隨年限延長無明顯差異.

3.2 防沙治沙工程植被生物量

3.2.1 林下植被地上生物量 4種10a植被類型樣地中,楊樹+砂生槐樣地的林下植被地上生物量最高,達18.91t/hm2,是砂生槐(12.47t/hm2)、花棒(12.21t/hm2)和藏沙蒿樣地(11.04t/hm2)的1.52、1.55與1.71倍,砂生槐、花棒、藏沙蒿樣地間無顯著差異(圖2).

圖1 林下植物物種多樣性指數

大寫字母表示相同年限下不同配置模式間在0.05水平存在顯著性差異(<0.05),小寫字母表示相同配置模式不同年限間在0.05 水平存在顯著性差異(<0.05),下同.

對比不同工程年限的地上生物量變化,如圖2所示,隨年限延長,楊樹+砂生槐樣地的林下植被地上生物量呈先增加后減小趨勢,砂生槐樣地為增加趨勢.楊樹+砂生槐樣地中林下灌草植被的地上生物量在10a最高,達18.91t/hm2,6a次之(10.66t/hm2),30a地上生物量顯著降低(1.60t/hm2).砂生槐樣地的地上生物量從大到小依次排列為30a(20.64t/hm2)> 10a(12.47t/hm2)>6a(8.23t/hm2).在工程實施6a,兩種樣地的地上生物量無顯著差異,隨年限延長,10a楊樹+砂生槐樣地地上生物量顯著高于10a砂生槐樣地,達30a時,則顯著低于砂生槐樣地.

3.2.2 枯落物量 4種10a植被類型樣地中,楊樹+砂生槐樣地的枯落物蓄積量為4.85t/hm2,較砂生槐(0.94t/hm2)、花棒(0.95t/hm2)、藏沙蒿(0.54t/hm2)顯著提升了4.16倍、4.11倍和7.98倍,砂生槐、花棒、藏沙蒿樣地間無顯著差異(圖2).

在不同實施年限下,楊樹+砂生槐與砂生槐樣地枯落物蓄積量均隨年限延長先增加后減小.楊樹+砂生槐樣地中,10a枯落物蓄積量(4.85t/hm2)顯著大于30a(2.25t/hm2)與6a(0.66t/hm2).砂生槐樣地6,10,30a枯落物蓄積量分別為0.52,0.94,0.84t/hm2,各年限間均無顯著差異性.在工程實施初期(6a),兩種工程樣地枯落物蓄積量無顯著差異性,隨年限延長,楊樹+砂生槐樣地枯落物蓄積量較同年限砂生槐樣地顯著增加了4.16與1.68倍.

圖2 林下植被地上生物量、枯落物量與地下生物量

3.2.3 地下生物量 4種10a不同植被配置模式樣地中,0～60cm地下生物量從大到小依次為楊樹+砂生槐(24.61t/hm2)>砂生槐(14.46t/hm2)>花棒(10.38t/hm2)>藏沙蒿樣地(6.52t/hm2)(圖2),楊樹+砂生槐樣地0～60cm地下生物量較3種樣地顯著提升了70.19%～277.45%.4種樣地的地下根系生物量深度分布如圖3(a)所示,楊樹+砂生槐樣地根系生物量隨深度呈波動變化,但各土層生物量均高于同土層的其他樣地;砂生槐樣地根系生物量隨深度呈先增加后減小,在土層30cm左右達最大;花棒和藏沙蒿樣地的地下根系生物量隨深度分布呈波動變化,各土層間較均勻分布.表層0～20cm根系量中楊樹+砂生槐樣地最高(10.62t/hm2),分別是藏沙蒿、花棒、砂生槐樣地的2.31、2.86、2.18倍.

在不同實施年限下,楊樹+砂生槐0～60cm地下生物量為19.79～26.68t/hm2,砂生槐0～60cm根系生物量為7.62～23.61t/hm2,兩樣地隨年限延長均呈增加趨勢(圖2).年限達6及10a,楊樹+砂生槐樣地地下生物量均顯著高于砂生槐樣地,隨著年限延長至30a,兩者地下生物量差異不顯著.隨年限增加,楊樹+砂生槐與砂生槐樣地根系生物量隨深度增加,各土層根系生物量具有差異性, 6和10a楊樹+砂生槐樣地各土層根系量高于同年限同一土層的砂生槐樣地[圖3(b)];在30a時,表層0～20cm土壤中,楊樹+砂生槐樣地根系生物量最大,占0～60cm地下總生物量的66.7%,顯著高于同年限砂生槐樣地.

圖3 地下根系生物量隨土層深度分布

3.3 防沙治沙工程生物結皮

在調查中發現,雅江河谷防沙治沙工程中地表生物結皮以苔蘚結皮與藻類結皮為主.結果分析表明,地表結皮蓋度、結皮厚度因植被配置模式和工程實施年限不同而異.如表3所示,對比10a工程樣地,除楊樹+砂生槐樣地無結皮外,生物結皮蓋度從大到小依次排列為藏沙蒿>花棒>砂生槐.藏沙蒿樣地中局地生物結皮蓋度高達80.00%,是砂生槐與花棒樣地的1.6倍和2.46倍,其苔蘚結皮厚度和藻類結皮厚度分別是花棒、砂生槐樣地的1.31倍、1.14倍和1.08倍、1.14倍.

表3 防沙治沙生態工程樣地生物結皮

注:表內值為平均值±標準誤,同行不同大寫字母表示相同年限下不同配置模式間在0.05水平存在顯著性差異(<0.05),同列不同小寫字母表示相同配置模式不同年限間在0.05水平存在顯著性差異(<0.05).

在不同實施年限下,楊樹+砂生槐樣地僅在工程初期6a有生物結皮,其蓋度為4.33%,苔蘚結皮與藻類結皮厚度分別為14.66和7.01mm.砂生槐樣地的生物結皮蓋度與厚度隨年限增加均呈增加趨勢,該樣地中生物結皮蓋度從6a的6.44%增加到30a的34.00%,苔蘚結皮厚度從9.79mm增加到30.72mm,藻類結皮厚度從5.70mm增加到13.18mm,分別提升了4.28倍、2.14倍與1.31倍.實施年限為6a時,這兩種工程的生物結皮蓋度雖無顯著差異性,但楊樹+砂生槐樣地苔蘚結皮厚度顯著高于砂生槐樣地.

3.4 防沙治沙工程植被特征、生物結皮與土壤養分的關系

隨著雅江河谷防沙治沙生態工程的實施,沙地土壤有機質、全氮與全磷含量有所提升,其中楊樹+砂生槐提升效果最佳.

對比4種10a工程樣地,有機質含量介于2.44～9.49g/kg,砂生槐樣地有機質含量最高,但與楊樹+砂生槐樣地無顯著差異,兩樣地有機質含量顯著高于花棒、藏沙蒿樣地.全氮含量從大到小依次為楊樹+砂生槐(0.66g/kg)>砂生槐(0.65g/ kg)>藏沙蒿(0.28g/kg)>花棒(0.21g/kg)樣地.全磷含量從大到小依次為楊樹+砂生槐(0.68g/kg)>花棒(0.56g/kg)>藏沙蒿(0.55g/kg)>砂生槐(0.52g/kg)樣地,楊樹+砂生槐樣地的全磷含量顯著高于其他3種樣地.

在不同實施年限下,楊樹+砂生槐樣地隨工程年限延長,土壤有機質含量、全氮及全磷含量顯著增加.砂生槐樣地土壤有機質含量、全氮及全磷含量均呈先增加后減小趨勢,10a最大.30a楊樹+砂生槐樣地的土壤有機質、全氮與全磷含量顯著高于同年限的砂生槐樣地.

如表4所示,有機質、全氮與全磷含量僅與枯落物量呈現顯著的正相關關系,地上生物量、地下生物量、生物結皮蓋度與結皮厚度不存在明顯的相關性,表明防沙治沙工程中土壤有機質、全氮及全磷的含量主要受枯落物蓄積量的影響.

圖4 防沙治沙生態工程樣地土壤有機質、全氮與全磷含量

表4 防沙治沙生態工程植被特征、生物結皮與土壤養分的關系

注: **<0.01相關性極顯著.

4 討論

4.1 防沙治沙工程對植物特性的影響

地上植被的變化能夠直接反映沙地的治理恢復成效[3].植被恢復過程中物種多樣性的變化反映了植被群落的穩定程度[2].本研究發現植被配置模式不同導致生物多樣性指數具有差異,具體表現為灌木(花棒、砂生槐)與喬灌型(楊樹+砂生槐)樣地高于草本型(藏沙蒿)樣地,表明灌木及喬灌群落更有利于提高植物多樣性.在裸露的沙地地表,水分極易蒸發散失,植被的出現能夠改變局地水熱條件[26],胡金姣等[4]研究表明高山柳灌木因其具有較大冠幅,不僅能有效遮擋光照還能截留降水、減少水分損失.雅江防沙治沙工程中不論灌木(花棒、砂生槐)還是喬灌型(楊樹+砂生槐)植被,較大的冠幅不僅能增加地表粗糙度[6],降低近地面風速,還能提供較好的遮蔭條件,為草本植物創造更宜生存的環境,進而比草本藏沙蒿更有助于提高地上植物多樣性.本研究結果中,工程實施10a以內的楊樹+砂生槐樣地生物多樣性顯著低于30a樣地,表明年限是生物多樣性變化的一個重要影響因素.郁閉度在一定程度影響林下植被群落的發生和演替[27].楊樹+砂生槐樣地林下優勢種在10a內主要為砂生槐灌木,隨著年限延長楊樹郁閉度顯著增加,林下群落結構由灌木為主到1a生與多年生草本為主導的多元結構,Porensky等[28]發現干旱區多年生草本植物能減少土壤侵蝕,但也抑制灌木的生長,因而楊樹+砂生槐樣地的林下灌木群落演替為草本群落,導致30a樣地生物多樣性明顯增加.砂生槐樣地隨年限延長呈不顯著下降趨勢,砂生槐是雅江河谷沙地中的鄉土優勢種,自然狀態下生長良好,這種優勢可能抑制其他物種的繁殖,所以生物多樣性表現出隨年限降低的趨勢.

生物量是群落結構特征及其生長狀況的重要標志.在海拔高、氣溫低且蒸發大的雅江河谷地區,10a工程樣地的地上生物量、枯落物量與地下生物量均表現為喬灌(楊樹+砂生槐)>灌木(砂生槐、花棒)>草本(藏沙蒿),表明灌、草在單位時間內的初級生產力低于喬灌組合.隨年限的增加,楊樹+砂生槐樣地各生物量較同年限砂生槐樣地高(除30a楊樹+砂生槐樣地林下灌草的地上生物量顯著低于砂生槐樣地).金艷強等[29]研究表明林下植被生物量與灌木群體的平均基徑、蓋度、高度緊密相關.在工程實施10a以內,楊樹+砂生槐樣地林下以砂生槐灌木為主,其平均基徑、蓋度以及高度均優于單一砂生槐樣地.王樹梅等[27]發現楊樹刺槐混交比純刺槐林更有利于增加耐陰草本物種.本研究的楊樹+砂生槐樣地中大量草本植入也為地上地下生物量增加做出重要貢獻,因而各生物量較砂生槐樣地高.30a楊樹+砂生槐樣地地上生物量急劇減少與林下砂生槐群落演替為草本有關.土壤根系對保持水土有顯著影響[30],不同配置模式與年限中,楊樹+砂生槐樣地表層0～20cm根系生物量最大,與其林下草本伴生有重要關聯.發達的根系能提供較多分泌物以及凋亡的死根,成為土壤團聚體的膠結劑,加之以穿插纏繞等形式固結沙粒,促進沙地成土作用,楊樹+砂生槐樣地更有利于沙地抗侵蝕能力的提高.

總體看來,對比裸露的沙地,雅江河谷防沙治沙工程的實施促進了沙地植被恢復、提高植被生產力.其中,喬灌(楊樹+砂生槐)與灌木(砂生槐、花棒)對群落物種多樣性、地上生物量、枯落物量、地下生物量改善較草本藏沙蒿好,楊樹+砂生槐喬灌型樣地隨年限延長植被恢復效果愈佳,這將更利于減輕沙地風蝕.建議在雅江河谷實施生態工程中推廣“楊樹+砂生槐”喬灌配置模式,并強化對單一灌木/草本型工程區的撫育與管理,以促進防沙治沙作用發揮,加快工程區內生態環境恢復與改善.

4.2 防沙治沙工程對生物結皮的影響

雅江河谷防沙治沙工程的實施在一定程度上促進生物結皮的發育,但不同的人工植被類型及實施年限導致生物結皮的發育程度迥異.本研究發現,在4種10a工程樣地中,藏沙蒿樣地生物結皮較其他3種樣地發育最好;隨年限的延長,砂生槐樣地中生物結皮蓋度、厚度呈增加趨勢,而楊樹+砂生槐樣地僅在工程初期6a發育有結皮.在立地貧瘠的生境下,植被促進生物結皮發育,當生境改善到適宜植被生長時,草本植被占據生長優勢[31],結皮逐漸退出,即植被對生物結皮存在先相互促進再抑制的關系[26].秦福雯等[32]和盧曉杰等[31]發現生物結皮形成與發育受植物覆蓋度、枯落物的影響.本研究中觀測到植被蓋度小于65%時,生物結皮發育狀況與植被蓋度、枯落物量呈正相關,當植被蓋度大于65%時,生物結皮逐漸不發育(表1、表3).卜楠[33]研究結果也顯示植被蓋度超過60%時,生物結皮的發育受到抑制.因而,本研究中蓋度較大、枯落物蓄積量高的10和30a楊樹+砂生槐樣地未觀測到生物結皮.

生物結皮的形成能增加地表粗糙度、提高土壤顆粒的起動風速[34].王雪芹等[7]利用風洞實驗發現有生物結皮覆蓋的沙地能抵抗25～30m/s的大風且不發生風蝕.對比裸露地表,李新凱等[35]發現有苔蘚結皮覆蓋的沙蒿、檸條和沙柳實驗小區風蝕量可減少11.3%～104.2%.Liu等[36]研究結果表明生物結皮能降低土壤剝離能力和細溝可蝕性,還發現裸地細溝可蝕性比有苔蘚類結皮覆蓋的大3～74倍,比混合型結皮覆蓋的大2～165倍[37].生物結皮作為沙地的重要保護殼,在雅江河谷裸露的沙地,生物結皮的出現有利于增強地表穩定性,尤其是在冬春大風時期,生物結皮對保護地表、抵抗風蝕有重要意義.在今后防沙治沙工程營建過程中,應重視對生物結皮的保護,以及加強對枯落物現存量的積累,進而達到更好的固結表土、改良沙地、減輕風蝕的作用.

4.3 防沙治沙工程對土壤養分的影響

雅江河谷沙地以風沙土為主,沙地表層有機質含量小于0.5%[16],養分含量低(表2),土壤貧瘠.本研究發現,4種10a工程樣地中楊樹+砂生槐與藏沙蒿樣地的土壤有機質、全氮含量優于花棒和藏沙蒿樣地,全磷含量最高為楊樹+砂生槐樣地,表明楊樹+砂生槐與砂生槐樣地更有利土壤肥力提升.在無外源性肥料補充的條件下,土壤肥力主要取決于植物有機物的投入量[4].鄉土灌木砂生槐屬具有良好固氮作用的豆科植物,楊樹為闊葉樹種,其凋落物輸入較多,且林下草本根系生長旺盛,為土壤有機質與全氮的投入作出重要貢獻.相關性分析表明,枯落物顯著影響有機質、全氮和全磷的含量.鄧艷等[8]研究結果也發現林地枯落物分解后形成的腐殖質和有機質是土壤養分最主要的來源.本研究結果中,楊樹+砂生槐樣地隨年限延長對土壤有機質、全氮和全磷的提升越顯著.賈黎明等[38]發現在貧瘠的立地條件下,非固氮樹種與固氮樹種的混交林較純林更有利于促進樹種生長和提高林分穩定性.隨著林齡的增加,植被-土壤之間的互作效果愈強,林木及林下植被的改土作用越顯著[39],因而30a楊樹+砂生槐樣地養分含量顯著增加.而砂生槐樣地有機質、全氮含量10a最大,30a有減小趨勢,表明砂生槐灌木隨年限增加對土壤有機質、全氮等養分含量輸入有限,這可能與30a砂生槐處于過熟階段,小枝和葉的生物量占比較小且枯落物量減少(圖2)有關.趙棟等[40]對封育5,13,22,33a狼牙刺灌叢的土壤理化性質進行研究,發現13a時的土壤有機碳、全量氮、磷、鉀的含量均最大,隨后降低,說明了單一灌木對沙地土壤改良不是無限期的,在雅江河谷防沙治沙工程中,砂生槐達到過熟后應進行適當的人為撫育更新

土壤肥力的變化是沙地生態恢復的重要表征,該區防沙治沙工程的實施對沙地土壤養分的明顯改善表明了工程對沙地生態恢復成效較好,尤其是楊樹+砂生槐與砂生槐兩種配置模式對土壤肥力提升顯著.同時,應注重對過熟階段砂生槐的撫育更新,并加強花棒、藏沙蒿的管護以提高生產力,進一步促進沙地土壤養分的改良.但由于本研究僅涉及3個工程年限,今后應加強多時間梯度下的長期動態研究.

5 結論

5.1 雅江河谷防沙治沙生態工程能在一定程度上增加植物多樣性、提高植被生產力,促進生物結皮發育及沙地土壤肥力提升,使沙地植被朝著正向演替.

5.2 4種10a不同配置模式樣地中,各樣地生物多樣性指數、、M分別為0.46～0.60,0.65～0.99, 0.28～0.52,各樣地的地上生物量、枯落物量和地下生物量分別為11.04～18.91,0.54～4.85,6.52～24.61t/hm2,土壤有機質為2.44～9.49g/kg.各指標均表現為喬灌(楊樹+砂生槐)>灌木(砂生槐、花棒)>草本(藏沙蒿).并且隨年限增加(6a、10a、30a),楊樹+砂生槐的枯落物量、地下根系生物量、有機質、全氮含量增加;而對砂生槐樣地,這些指標由6a～10a呈增加,30a有所降低.

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Variation characteristics of vegetation characteristics, biological crusts and soil nutrients under the main vegetation configuration modes in the process of sand control in the Yarlung Zangbo River valley.

LIU Lin1,2,3, ZHANG Bao-jun1,2, XIONG Dong-hong1,2*, TANG Yong-fa1,2,4, YUAN Yong1,2,3

(1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China；2.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China；3.University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；4Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)., 2021,41(9)：4310～4319

In order to understand the impact of ecological project for sand control on the vegetation, biological crusts and soil characteristics of the middle reaches of the Yarlung Zangbo River valley. The characteristics of understory vegetation, surface biological crusts, and soil fertility properties during the implementation of the project with different vegetation configuration modes and ages were analyzed. 4 modes which restoration ages were approximately 10 years were selected, including+(YS+SSH),(SSH),(HB) and(ZSH). Because of the most widely implemented of YS+SSH and SSH, three ages were studied (i.e. 6, 10 and 30 years old). The results showed that: The arbor+shrub (YS+SSH) and shrub (SSH and HB) plots with 10 years were more conducive to increasing species diversity than the herb (ZSH). The above-ground biomass, litter volume, underground biomass, soil organic matter, total nitrogen and total phosphorus content of the YS+SSH plot were significantly higher than the other three plots. The biological crusts of the ZSH plotwere the most developed, followed by the HB plots, and theYS+SSH plot hadno crust. The species diversity index, litter storage, underground biomass, soil organic matter, total nitrogen and total phosphorus content of the YS+SSH plot increased with the increase of years, but the biological crust was only in 6 years. The aboveground biomass, underground biomass, and biological crusts of the SSH plot gradually increased with the increasing of years, but the species diversity index and total nitrogen content showed a downward trend. The litter storage, organic carbon and total nitrogen content increased first and then decreased. Among the different modes, the YS+SSH plot had the best comprehensive near-surface characteristics. With the increasing of the project years, it had stronger effects on promoting the succession of vegetation on the sandy land in this area, increasing the productivity of the vegetation, and enhancing the fertility of the sandy land. Therefore, it is suggested that the vegetation configuration mode of arbor+shrub(YS+SSH) should be promoted in the ecological project for sand control in this area.

land desertification；ecological project；variation characteristics；biological crusts；Yarlung Zangbo River valley

X171.4

A

1000-6923(2021)09-4310-10

劉 琳(1996-),女,貴州岑鞏人,博士研究生,主要從事土壤侵蝕與水土保持工作.

2021-01-27

第二次青藏高原綜合科學考察研究資助項目(2019QZKK0404);中國科學院先導專項A(XDA20020401)

* 責任作者, 研究員, dhxiong@imde.ac.cn