甘家湖典型防風(fēng)固沙林健康評(píng)價(jià)

何苗, 寧虎森,*, 羅青紅

甘家湖典型防風(fēng)固沙林健康評(píng)價(jià)

何苗1,2, 寧虎森1,2,*, 羅青紅1,2

1. 新疆林科院造林治沙研究所, 烏魯木齊 830063 2. 新疆精河荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 新疆精河 833300

防風(fēng)固沙林是干旱半干旱地區(qū)生態(tài)安全屏障的重要組成, 對(duì)其健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià), 可為防風(fēng)固沙林經(jīng)營(yíng)和管理提供科學(xué)依據(jù)。以甘家湖地區(qū)防風(fēng)固沙林為研究對(duì)象, 使用樣方調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法, 選取4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo), 采用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)模型對(duì)防風(fēng)固沙林健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示, 甘家湖防風(fēng)固沙林整體健康狀況良好, 其健康指數(shù)范圍在0.53—0.93之間, 均值為0.77, 樣方中: 6.82%為“優(yōu)質(zhì)健康”狀態(tài), 47.73%為“健康”狀態(tài), 38.64%健康狀態(tài)為“一般健康”, 6.82%健康狀態(tài)為“差”。不同類型防風(fēng)固沙林健康狀況排序?yàn)? 梭梭林>胡楊林>混交林>檉柳林。今后應(yīng)加強(qiáng)管護(hù), 保證防風(fēng)固沙林健康發(fā)展。

甘家湖; 森林健康; 梭梭; 胡楊

0 前言

森林的健康狀態(tài)是森林發(fā)展?fàn)顩r的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 其并不是指森林無(wú)病蟲害等狀況發(fā)生, 而是這些不利因素處于較低水平, 森林生態(tài)系統(tǒng)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[1-2]。基于對(duì)森林健康評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí), 現(xiàn)已不乏相關(guān)研究, 前人在此領(lǐng)域已取得一些成果, 其中有對(duì)某一地域范圍所有森林的健康水平進(jìn)行整體評(píng)價(jià)[3-5], 也有對(duì)區(qū)域內(nèi)某一林種森林健康水平進(jìn)行評(píng)價(jià)[6-8], 但相關(guān)研究大多集中在我國(guó)東部及南部自然環(huán)境較好的地區(qū), 而關(guān)于干旱半干旱地區(qū)防風(fēng)固沙林健康狀況的評(píng)價(jià)相對(duì)較少。風(fēng)沙侵襲一直是影響新疆生態(tài)安全的因素, 由于干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱, 森林作為干旱半干旱地區(qū)重要的生態(tài)屏障, 其防風(fēng)固沙功能顯得尤為重要[9-10]。植被作為森林生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分, 能夠通過(guò)根系固定土壤及改善土壤結(jié)構(gòu)等方式減少土壤風(fēng)蝕, 同時(shí)增加下墊面粗糙度, 降低近地面風(fēng)速, 從而減弱大風(fēng)裹挾風(fēng)沙, 減少或減弱沙塵暴的發(fā)生[11]。甘家湖地區(qū)位于古爾班通古特沙漠西南緣, 阿拉山口的強(qiáng)風(fēng)夾帶沙土向南是北疆多地沙塵暴或浮塵天氣的主要成因之一, 其經(jīng)過(guò)甘家湖地區(qū)時(shí), 防風(fēng)固沙林對(duì)這一過(guò)程有降低風(fēng)速阻滯沙塵的作用, 從而減緩沙塵天氣對(duì)其以南地區(qū)的影響[12]。本研究旨在通過(guò)調(diào)查分析, 對(duì)甘家湖地區(qū)防風(fēng)固沙林森林健康狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià), 為當(dāng)?shù)丶白匀粭l件相似地區(qū)防風(fēng)固沙林經(jīng)營(yíng)和管理提供理論指導(dǎo), 同時(shí)也為更好的發(fā)揮防風(fēng)固沙林生態(tài)屏障的作用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要位于新疆烏蘇市和博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi), 地處準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠西南緣(44°50'—45°05'N, 83°20'—84°07'E), 研究區(qū)總面積5.466×104hm2, 屬溫帶荒漠氣候地帶, 全年太陽(yáng)總輻射量約為536 J·cm-2·a-1, 年日照時(shí)數(shù)約2700 h左右, ≥10 ℃的積溫為3600 ℃左右, 年平均氣溫6.7 ℃, 氣溫年際變化為5.9—8.5 ℃, 全年無(wú)霜期, 180 d左右[13-14]。區(qū)域內(nèi)土壤主要是流沙、灰棕色荒漠土、灰漠土、鹽漠土、和草甸土等類型。區(qū)域內(nèi)植物資源豐富, 分布有梭梭()、白梭梭()、胡楊()、檉柳()、鈴鐺刺()、琵琶柴()等多種植物。該區(qū)域是我國(guó)研究荒漠生態(tài)系統(tǒng)的重要基地, 同時(shí)也是也是抵御艾比湖地區(qū)的風(fēng)沙向東侵蝕的天然屏障。

1.2 研究方法

1.2.1 調(diào)查方法

1.2.1.1 調(diào)查樣方選取

在研究區(qū)內(nèi), 根據(jù)地表植被類型, 選取四類樣方: (1)梭梭樣方: 梭梭純林或以梭梭為明顯優(yōu)勢(shì)種; (2)檉柳樣方: 檉柳純林或以檉柳為明顯優(yōu)勢(shì)種; (3)胡楊樣方: 胡楊純林或胡楊林中伴生灌木較少且矮小; (4)混交林樣方: 兩種及以上植物共生且無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)種的混交林樣方。混交林主要包括梭梭+檉柳、梭梭+白刺、梭梭+檉柳+白刺+琵琶柴、梭梭+鈴鐺刺+沙拐棗等多種類型。本次調(diào)查共選取44個(gè)樣方, 其中: 梭梭樣方8個(gè)、檉柳樣方4個(gè)、胡楊樣方9個(gè)、混交林樣方23個(gè)。

1.2.1.2 調(diào)查方法

在植物生長(zhǎng)較為旺盛的季節(jié), 進(jìn)入研究區(qū)進(jìn)行樣方調(diào)查, 調(diào)查內(nèi)容主要包括樣方的立地情況、植被生長(zhǎng)狀況、土壤狀況及受干擾和病蟲害狀況。調(diào)查時(shí), 設(shè)定樣方大小為20 m×20 m, 并按照如下指標(biāo)對(duì)樣方進(jìn)行調(diào)查:

(1)群落結(jié)構(gòu)調(diào)查: 樣方選定后, 記錄樣方基本信息及植被類型, 逐一測(cè)量樣方中喬木和灌木并調(diào)查生長(zhǎng)狀況, 包括: 喬木胸徑、冠幅、高度, 灌木種類、地徑、冠幅、高度, 更新數(shù)量。采用五點(diǎn)法, 在樣方中設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的草本樣方, 統(tǒng)計(jì)草本的種類、數(shù)量、高度、冠幅等數(shù)據(jù)。

(2)群落功能調(diào)查: 樣地中土壤結(jié)皮類型。

(3)生境因子調(diào)查: 每個(gè)樣方中挖出一個(gè)垂直深度20 cm的土壤剖面, 取0—20 cm土壤, 將土壤樣品混勻后盛入封口袋中帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定土壤黏粉粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、含水量。

(4)健康風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查: 樣方中植被枯梢、病蟲害和人畜干擾情況。

1.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

本研究結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際并請(qǐng)教相關(guān)專家, 同時(shí)參考前人研究成果, 遵從科學(xué)性和層次性原則, 同時(shí)考慮到實(shí)際性和易操作性, 設(shè)定了群落結(jié)構(gòu)、群落功能、生境因子、健康風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)一級(jí)指標(biāo), 在一級(jí)指標(biāo)下分別選取了物種多樣性、更新狀況、人畜干擾等17個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)防風(fēng)固沙林健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。(表1)

1.2.2.1 指標(biāo)測(cè)量與計(jì)算

樣方中植被的株高、冠幅(取平均冠幅)、數(shù)量等指標(biāo)可直接測(cè)得, 其他指標(biāo)計(jì)算、判定方法如下:

(1)物種多樣性: 物種多樣性指數(shù)的計(jì)算公式各異, 而實(shí)質(zhì)相近[15], 其大多基于物種種類數(shù)計(jì)算, 本研究將物種多樣性直接簡(jiǎn)化為樣方內(nèi)植物種類數(shù), 并劃分成三級(jí): >5種為“好”、3—5種為“中”、<3種為“差”[16]。

(3)保持水土: 調(diào)查樣方中土壤結(jié)皮的類型, 分別將生物結(jié)皮、物理結(jié)皮與無(wú)結(jié)皮劃分作“好”、“中”和“差”三個(gè)等級(jí)。

(4)土壤有機(jī)質(zhì): 采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[18]。

(5)土壤黏粉粒含量: 采用篩分法測(cè)定[19]。

(6)土壤含水量: 采用烘干法測(cè)定[18]。

(7)人畜干擾: 調(diào)查樣方中是否有放牧等人畜擾動(dòng), 所有植被無(wú)牲畜啃食或牲畜啃食發(fā)生率<30%為輕度; 30%≤牲畜啃食發(fā)生率<60%為中度; 牲畜啃食發(fā)生率≥60%為重度。

(8)病蟲害: 調(diào)查樣方中植被受病蟲害程度, 所有植被枝葉無(wú)病蟲害或病蟲害發(fā)生率<30%為輕度; 30%≤病蟲害發(fā)生率<60%為中度; 病蟲害發(fā)生率≥60%為重度。

(9)枯梢情況: 調(diào)查樣方中植被枯梢狀況, 所有植被無(wú)枯梢情況或植被枯梢率≤30%為輕度; 30%≤枯梢率<60%為中度; 枯梢率≥60%為重度。

1.2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化方法

本研究采用等級(jí)評(píng)分法, 對(duì)所選取的指標(biāo)進(jìn)行量化處理, 將每個(gè)指標(biāo)分為好、中、差三個(gè)等級(jí), 并采用黃金分割法, 分別對(duì)好、中、差三個(gè)等級(jí)賦值為: 1.0、0.62、0.38[20]。(表1)

1.2.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置

權(quán)重計(jì)算采用層次分析法, 即通過(guò)專家打分法, 獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重判斷矩陣后, 計(jì)算最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量, 并通過(guò)一致性檢驗(yàn)[21]。

1.2.3 防風(fēng)固沙林健康評(píng)價(jià)模型

本研究采用生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)模型HI評(píng)價(jià)模型[21-22], 同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況, 對(duì)甘家湖防風(fēng)固沙林健康水平進(jìn)行評(píng)價(jià), 計(jì)算方法如下:

公式中:代表防風(fēng)固沙林健康綜合指數(shù);W、W、W、W分別代表群落結(jié)構(gòu)、群落功能、生境因子、健康風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重;w、w、w、w分別代表代表各一級(jí)指標(biāo)下二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重;s、s、s、s分別代表樣方在各二級(jí)指標(biāo)中的得分;、、、為各一級(jí)指標(biāo)下二級(jí)指標(biāo)的數(shù)量。

表1 甘家湖防風(fēng)固沙林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)及權(quán)重

各級(jí)指標(biāo)權(quán)重滿足:

1+2+3+4=1

1.2.4 健康等級(jí)劃分

根據(jù)本次調(diào)查的實(shí)際情況, 并參考前人的相關(guān)研究結(jié)果[16,21], 按照森林健康指數(shù)分別定義森林健康狀態(tài)等級(jí)(表2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 防風(fēng)固沙林整體健康評(píng)價(jià)分析

如圖1所示, 由防風(fēng)固沙林健康指數(shù)模型計(jì)算得出, 甘家湖地區(qū)防風(fēng)固沙林44個(gè)樣方健康指數(shù)變化范圍為0.53—0.93, 主要集中在0.65—0.9之間, 共36個(gè)樣方, 占總樣方數(shù)的81.82%。甘家湖防風(fēng)固沙林健康狀況整體較好, 所有樣方中, 健康指數(shù)小于0.6(“不健康”狀態(tài))的和大于0.9(“優(yōu)質(zhì)健康”狀態(tài))的樣方各有3個(gè), 分別占總樣方數(shù)的6.82%。

2.2 不同類型防風(fēng)固沙林健康評(píng)價(jià)分析

由圖2可看出, 甘家湖地區(qū)防風(fēng)固沙林健康狀態(tài)以“一般健康”和“健康”為主, 其次為“優(yōu)質(zhì)健康” 和“不健康”。“不健康”樣方主要為檉柳樣方和胡楊樣方, “優(yōu)質(zhì)健康”樣方主要為梭梭樣方、胡楊樣方和混交林樣方, 各類型防風(fēng)固沙林中處在“一般健康”和“健康”狀態(tài)的樣方均在本類型樣方中占比最大。

表2 防風(fēng)固沙林健康等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖1 甘家湖防風(fēng)固沙林樣方健康指數(shù)概率分布圖

Figure 1 The probability distribution of health index of the windbreak and sand-fixation forest quadrats in Ganjiahu

甘家湖地區(qū)不同防風(fēng)固沙林樣方健康狀況差異如表3、表4所示, 防風(fēng)固沙林樣方健康指數(shù)最小值0.5268出現(xiàn)在檉柳樣方中, 檉柳樣方中優(yōu)質(zhì)健康等級(jí)樣方占比為0, 且其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1613, 為四個(gè)類型樣方中最大。防風(fēng)固沙林樣方健康指數(shù)最大值0.9362出現(xiàn)在胡楊樣方中, 且胡楊樣方標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0895, 為四個(gè)類型防風(fēng)固沙林中最小。胡楊樣方和混交林樣方中, 處于“一般健康”和“健康”等級(jí)的數(shù)量最多, 這兩種健康狀態(tài)的樣方總和分別占這兩種防風(fēng)固沙林樣方的88.89%和86.96%。梭梭樣方健康指數(shù)平均值為0.8304, 且“優(yōu)質(zhì)健康”樣方占梭梭樣方總數(shù)的12.5%, 均為四種類型防風(fēng)固沙林中最高。

圖2 不同健康等級(jí)防風(fēng)固沙林樣方數(shù)量

Figure 2 The number of the windbreak and sand-fixation forest quadrats in different healthy levels

2.3 不同類型防風(fēng)固沙林環(huán)境指標(biāo)比較

不同類型防風(fēng)固沙林環(huán)境指標(biāo)如圖3所示, 四種類型防風(fēng)固沙林樣方中, 胡楊林樣方的地表無(wú)結(jié)皮樣方占總樣方數(shù)占比最高, 且多數(shù)樣方土壤中黏粉粒含量不高, 其他三種類型中, 地表無(wú)結(jié)皮樣方均不超過(guò)本類型樣方的25%, 且多數(shù)樣方中土壤黏粉粒含量較高, 土壤含水量條件好的樣方在四種類型樣方中的占比差異不大。各類型樣方中, 多數(shù)樣方受人畜干擾情況較輕, 檉柳樣方中受病蟲害影響嚴(yán)重的樣方占比最大, 混交林樣方次之, 梭梭樣方和胡楊樣方中受病蟲害影響嚴(yán)重的樣方相對(duì)較少。

表3 不同類型防風(fēng)固沙林健康狀況比較

表4 不同類型防風(fēng)固沙林健康指數(shù)比較

3 討論

森林的健康狀態(tài)良好, 有利于更好的發(fā)揮森林的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)等多種效益[23]。防風(fēng)固沙林健康綜合指數(shù)模型HI評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果顯示, 甘家湖地區(qū)防風(fēng)固沙林健康狀況良好, 與前人在環(huán)境相似地區(qū)的研究結(jié)果相似[16], 這說(shuō)明植被在長(zhǎng)期的演化過(guò)程中, 已較好的適應(yīng)了當(dāng)?shù)刈匀粭l件。不同類型防風(fēng)固沙林中, 檉柳樣方的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1613, 在四種類型樣方中最大, 表明該地區(qū)檉柳林健康狀況差異較大, 可能是因?yàn)椴煌挲g檉柳對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性及抗干擾能力存在較大差異。胡楊樣方的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0895, 為四種類型樣方中最小, 這可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)胡楊林主要分布在奎屯河、四棵樹河等河流沿岸, 自然條件相對(duì)較好, 故胡楊林健康狀況較好, 且差異性較小。梭梭樣方中, 優(yōu)質(zhì)健康樣方占12.5%且無(wú)不健康樣方, 說(shuō)明梭梭在該地區(qū)環(huán)境生長(zhǎng)適應(yīng)良好。不同類型防風(fēng)固沙林健康狀態(tài)的差異表明了不同類型植物對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境適應(yīng)性的差異及不同類型防風(fēng)固沙林的穩(wěn)定性不同。

通過(guò)此次調(diào)查發(fā)現(xiàn), 部分防風(fēng)固沙林受人為干擾較嚴(yán)重, 牲畜過(guò)度啃食影響植被正常生長(zhǎng), 進(jìn)而影響防風(fēng)固沙林的健康發(fā)展, 同時(shí)調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)夭糠治催M(jìn)行藥物噴灑除蟲的防風(fēng)固沙林蟲害較嚴(yán)重, 蝗蟲吸取植物汁液啃食葉片, 致使植物長(zhǎng)勢(shì)衰弱甚至死亡, 特別是相對(duì)較為低矮的灌木, 更容易遭受牲畜啃食及蝗蟲災(zāi)害影響, 因而需加強(qiáng)管控放牧強(qiáng)度及除蟲等管護(hù)工作, 保證甘家湖防風(fēng)固沙林生長(zhǎng)健康。森林的天然更新是森林繁衍的主要方式, 也是森林健康發(fā)展的重要保證[24-25], 本次調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn), 部分防風(fēng)固沙林天然更新情況不好, 可采取封禁育林等方法促進(jìn)防風(fēng)固沙林的天然更新。森林健康狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程, 本次調(diào)查評(píng)價(jià)的結(jié)果僅針對(duì)甘家湖防風(fēng)固沙林當(dāng)前的狀況, 而并未長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià), 因而不能對(duì)其健康狀況未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)判, 今后應(yīng)進(jìn)行定期調(diào)查研究, 從而給出科學(xué)建議, 為合理調(diào)整管護(hù)方式提供幫助。

注: A: 檉柳樣方; B:胡楊樣方; C: 梭梭樣方; D: 混交林樣方。

Figure 3 Comparison of environmental indicators of the windbreak and sand-fixation forest in different types

4 結(jié)論

(1)甘家湖防風(fēng)固沙林整體健康狀況良好, 其健康指數(shù)范圍在0.53—0.93之間, 均值為0.77。

(2)不同類型防風(fēng)固沙林健康狀況排序?yàn)? 梭梭林>胡楊林>混交林>檉柳林。

(3)今后應(yīng)加強(qiáng)管護(hù), 減少人為擾動(dòng)及病蟲害對(duì)防風(fēng)固沙林的影響, 保證防風(fēng)固沙林更新, 促進(jìn)其健康發(fā)展。

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Health evaluation of typical windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu

HE Miao1,2, NING Husen1,2,*, LUO Qinghong1,2

1. Research Institute of Afforestation and Desertification Prevention and Control, Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Urumqi 830063, China 2. Jinghe Desert Ecosystem Research Station, Jinghe 833300, China

Windbreak and sand-fixation forests maintain the stability of ecosystem in arid and semiarid area. Evaluating its health status could provide scientific support for forest protection and management in arid and semiarid area. Combined field survey and laboratory analysis, 4 categories and 17 secondary indicators were respectively selected; ecosystem health index model was used to evaluate the health of the windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu. The results showed that as a whole, the windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu was in good health; thevalue ranged from 0.53 to 0.93 and the mean value was 0.77. 6.82% quadrats were in quality health status, 47.73% quadrats were in health status, 38.64% quadrats were in general health status and 6.82% quadrats were in unhealthy status. The order of health status in different types of the windbreak and sand-fixation forest wasforest >forest > mixed forest forest >forest. The windbreak and sand-fixation forest should be managed and protected well and its health level should be enhanced in future.

Ganjiahu; forest health;;

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.010

S718.55

A

1008-8873(2022)04-078-06

2020-08-11;

2020-10-02

公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(KY202202); 新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)科技項(xiàng)目(XJLY-2019002);“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃課題(2012BAD16B03)

何苗(1990—), 女, 四川廣元人, 助理研究員, 主要從事林木逆境生理、荒漠化防治研究, E-mail: hem009@126.com

通信作者:寧虎森, 男, 教授級(jí)高級(jí)工程師, 主要從事生態(tài)恢復(fù)和荒漠化防治等方面的研究, E-mail: ninghusen@sina.com

何苗, 寧虎森, 羅青紅. 甘家湖典型防風(fēng)固沙林健康評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(4): 78–83.

HE Miao, NING Husen, LUO Qinghong. Health evaluation of typical windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 78–83.