民勤荒漠區人工沙拐棗林平茬更新復壯技術試驗研究

趙連鑫，劉 偉，王 鑫，李 強，張勤德，金 娜，張 軍，張 濤，李 棟，何 彩

(武威市林業科學研究院,甘肅 武威 733000)

沙拐棗(CalligonummongolicumTurcz.)為蓼科沙拐棗屬多年生灌木，具有耐高溫、抗風蝕、耐沙埋、抗干旱、耐瘠薄等特性，其枝條茂密、根系發達，能夠適應條件極端嚴酷的干旱荒漠區，是典型的沙生植物[1]。然而，隨著樹齡的增長，加之少雨、高溫等多種惡劣環境脅迫，沙拐棗等沙生植物普遍存在衰退、萎蔫、生長不良等現象，甚至出現整株死亡等狀況[2]。平茬作為灌木林更新復壯的主要措施之一，常被應用到我國很多荒漠區域的植被更新復壯中。研究表明，平茬后植物的根冠比變大，蒸騰作用變小，改善了植株的水分條件，利于新生嫩芽和枝條迅速萌發生長[3]；同時，平茬后地上部分的迅速減少，使得貯藏在根系中的淀粉能夠很快供應到地上部分，加快了地上部分的生長發育[4]。也有研究表明，由于平茬后沒有了頂端分生組織，降低了植株的生長素含量，提高了細胞分裂素含量，因此植株萌芽抽枝量增大[5]。但在實際平茬操作中，需要注意平茬時間、留茬高度等問題。平茬時間一般選在對植物影響最小且能發揮植物最大生長潛力的時間段開展，不同灌木類型、不同立地條件有著不同的平茬時間[6]。周靜靜等[7-8]研究表明,不同平茬高度對檸條的生長、分蘗有著顯著影響,不同地區、不同生境下有不同的平茬高度。

民勤縣地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游，東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，沙漠和荒漠化面積占90.34%，屬全國防沙治沙重點縣。為減少風沙侵蝕和改善環境，全縣通過實施人工造林和封沙育林等工程，廣泛栽植了沙拐棗、梭梭、霸王等沙生植物純林和混交林。然而，隨著樹齡增大、逆境脅迫加劇等，當地沙拐棗林出現了大面積衰退老化現象，導致部分林地防風固沙效果減弱。為減少風沙侵害，鞏固固沙造林成果，本研究對民勤縣石羊河林業總場沙井子分場的人工沙拐棗林開展了不同平茬時間、不同平茬高度的組合試驗，旨在探索符合當地沙拐棗林更新復壯的平茬方式，明確沙拐棗林的平茬時間和平茬高度,使已衰敗的沙拐棗林通過平茬復壯繼續發揮防風固沙功效，繼而為荒漠區沙生植物平茬提供理論依據。

1 試驗區概況與試驗設計

1.1 試驗區概況

試驗區位于甘肅省民勤縣石羊河林業總場沙井子分場。該區域屬溫帶沙漠氣候區，冬冷夏熱、降水稀少、光照充足、晝夜溫差大，年均降水量110 mm，年均水面蒸發量高達2 644 mm，晝夜溫差達25.2 ℃，年均氣溫7.8 ℃，日照時數為3 073.5 h，無霜期162 d。全年盛行西北風,年均風速3.7 m/s，8級以上大風日數年均29 d，最大風力達11級。年均沙暴日數37 d、干熱風5.7 d，災害性天氣有大風、沙塵暴、干熱風、干旱、霜凍、初春低溫等。試驗區地類為宜林沙荒地，沙化類型為流動沙丘，沙丘類型為新月形沙丘鏈，土壤主要為風沙土，質地為沙土，pH值7.8左右。

1.2 試驗樣地和試驗樣方

試驗樣地設置在石羊河林業總場沙井子分場1985年種植的人工沙拐棗林中，造林密度約900株/hm2，面積2 hm2。為避免群落的“邊緣效應”，樣地離林帶邊緣12 m左右。在選定樣地的四角用木樁定點，記錄四角坐標和海拔，然后用細繩圈出樣地范圍。同時，在樣地內設置5個10 m×10 m的樣方，并做好標記，用于植物多樣性調查，樣方間距10～15 m。

1.3 試驗設計及處理

1.3.1 植物多樣性調查

平茬前(2017年7月)對試驗樣地內5個樣方的植物種類、株數、株高和冠幅進行調查統計。同時，對草本植物進行垂直拍照，用Image Pro Plus軟件獲得照片中植物地上部分的地面垂直投影面積百分數，計算出各樣方的植被蓋度，然后取其平均值。

1.3.2 平茬試驗設計

選擇長勢一致的退化沙拐棗林進行平茬試驗，平茬時間分別設置在冬季(2017年12月)和春季(2018年4月)，留茬高度分別為0、5、10、15、20 cm，總共10個處理(冬季留茬0、5、10、15、20 cm，分別記為D-0、D-5、D-10、D-15、D-20；春季留茬0、5、10、15、20 cm，分別記為C-0、C-5、C-10、C-15、C-20)，每個處理0.133 hm2(2畝)，呈帶狀分布。平茬處理后，分別于2018、2019年的5、7、9月中旬，調查統計沙拐棗單株生長季冠幅、新枝高度與新枝基徑，其中新枝基徑均選擇每叢中最粗分枝采用游標卡尺測量，新枝高度、冠幅采用鋼卷尺測量。每個處理隨機調查6株，取平均值。

1.3.3 土壤含水量測定

2019年5、7、9月，用土鉆取0～120 cm深的土樣，每20 cm作為一個分層，用稱重法計算各層土壤含水量，并取其平均值。

1.4 數據統計分析

冠幅、新枝高度、新枝基徑和土壤含水量等試驗數據采用WPS 2019軟件進行統計分析，用SAS 8.1軟件進行差異顯著性分析。

重要值(Pi)、Patrick豐富度指數(R)、Shannon-Wiener指數(H′)、Simpson指數(D)和Pielou均勻度指數(Jsw、Jsi)等植物物種多樣性指標計算方法參考陳生云等[9]采用的方法，公式分別為

R=S

(1)

Pi=(相對高度+相對蓋度+相對頻度)/3

(2)

H′=-∑PilnPi

(3)

D=1-∑Pi2

(4)

Jsw=(-∑PilnPi)/lnS

(5)

Jsi=(1-∑Pi2)/(1-1/S)

(6)

上式中：i為某種植物；S為樣地中的植物物種總和。

2 結果與分析

2.1 平茬前植物物種多樣性

林地物種多樣性分析能客觀反映出該群落物種組成、結構和功能等多方面的狀況，平茬研究前有必要進行深入了解和分析。由表1可知，該樣地平茬前主要由沙拐棗、霧冰藜、沙米等5種植物組成，其中沙拐棗重要值為0.29，是該樣地中最重要的植物；沙米、刺沙蓬、霧冰藜3種一年生草本植物的重要值之和為0.65，是該樣地物種的重要組成成分。該樣地平茬前物種多樣性指數值見表2。

表1 平茬前樣地物種多樣性情況

表2 平茬前樣地物種多樣性指數

2.2 平茬對沙拐棗冠幅的影響

圖1為沙拐棗平茬后冠幅面積2 a的生長變化趨勢。由圖1可知：平茬后各處理冠幅面積均逐漸增大，平茬后第二年(2019年)各處理冠幅面積的增大幅度均高于第一年(2018年)，各處理間冠幅面積的變化無明顯規律；D-0處理冠幅基本大于同時期其他處理。

圖1 平茬后各處理冠幅面積變化情況

圖2為平茬后各處理2019年停止生長后的冠幅面積。由圖2可知：D-0處理、C-5處理的冠幅面積分別為15 491.67、12 609.33 cm2，高于其他處理，且D-0處理的冠幅面積最大，但二者差別并不顯著。

圖2 平茬后各處理2019年停止生長后冠幅面積

2.3 平茬對沙拐棗新枝高度的影響

圖3為平茬后各處理沙拐棗新枝高度2 a的生長變化情況，可知平茬后各處理沙拐棗新枝高度均逐漸增大，2019年各處理新枝高度的增大幅度均高于2018年，各處理間新枝高度的變化無明顯規律；除2019年7月、9月低于C-20處理外，D-0處理新枝高度高于同時期其他處理。

圖3 平茬后各處理新枝高度變化情況

圖4為各處理2019年停止生長后新枝高度，其中D-0、D-5和C-20處理新枝高度分別為81.67、77.67、76.00 cm，高于其他處理，其中C-20處理新枝高度為最高，D-0處理次之，但三者差別并不顯著。

圖4 各處理2019年停止生長后新枝高度

2.4 平茬對沙拐棗新枝基徑的影響

圖5為平茬后各處理沙拐棗新枝基徑2 a的生長變化情況，可知平茬后各處理沙拐棗新枝基徑均逐漸增大，各處理間新枝基徑變化無明顯規律，其中D-0處理新枝高度高于同時期其他處理。

圖5 平茬后各處理新枝基徑變化情況

圖6為各處理2019年停止生長后新枝基徑，其中D-0處理新枝基徑為8.96 cm,高于其他處理，但與D-5、D-15、C-5處理差異并不顯著。

圖6 各處理2019年停止生長后新枝基徑

2.5 平茬對土壤含水量的影響

為明確平茬對土壤含水量的影響，測定了2019年冬季留茬0 cm平茬區與未平茬區不同土層含水量的變化。由圖7可知：5—9月，各土層含水量基本呈降低趨勢；0～20 cm土層各時期含水量均為平茬區高于未平茬區；20～40、40～60 cm土層各時期含水量均為未平茬區高于平茬區；60～80、80～100、100～120 cm土層各時期含水量平茬區與未平茬區呈波動變化，無明顯規律。

圖7 平茬區與未平茬區不同土層含水量變化情況

3 討 論

3.1 沙拐棗林植物種類概況

區域內植物的種類、生物量與當地生境密切相關[9]，因此在開展平茬試驗前對該地區內植物種類進行詳細調查和研究很有必要。本研究通過對平茬樣地內植物種類的調查統計，發現該地區植物物種豐富度指數僅為5，其中：沙拐棗重要值為0.29，是這塊區域內的優勢種；沙米、刺沙蓬和霧冰藜3種一年生草本植物的重要值之和達0.65，說明一年生草本植物對該片區域的生物多樣性及生境穩定性有著十分重要的意義。

3.2 平茬時間、留茬高度與沙拐棗生長情況

(1)關于平茬時間的選擇。前人通過對檸條等沙生灌木的研究表明，不同植物種類、不同立地條件適合的平茬時間存在差異[6,10]，大致可分為休眠期平茬和生長期平茬。休眠期植物停止生長，體液停止流動，此時平茬對植物的傷害較小；而如果為獲取飼料等，則會選擇在植物營養最佳期(6月)或生長量最大期(8月)開展平茬。平茬的具體時間依當地水分和環境條件進行適當調整，水分充足、環境條件較好可提早平茬，反之可延遲平茬。為探究適合民勤荒漠區沙拐棗林的平茬時間，本研究分別設置了冬季平茬和春季平茬兩個時間，研究表明，在這兩個平茬時間進行平茬均有處理能明顯促進沙拐棗冠幅、新枝高度和新枝基徑的生長，且不存在顯著差異。

(2)留茬高度的選擇。李宇等[2]在沙拐棗的平茬試驗中認為留茬高度10 cm時效果最佳，肖建明等[11]認為沙柳的最佳平茬高度是5 cm，劉偉等[12]在民勤荒漠區開展檸條平茬試驗后認為留茬的最佳高度是15 cm。上述試驗結果說明，不同的植物種類、立地條件有著不同的最佳平茬高度。因此，為明確民勤荒漠區沙拐棗林適合的平茬方式，本研究通過控制留茬高度(0、5、10、15、20 cm)、平茬時間(冬季、春季)兩個因素綜合開展了平茬試驗，結果表明，冬季留茬0 cm處理條件下沙拐棗的冠幅、新枝高度、新枝基徑優于其他處理。

3.3 土壤含水量變化情況

水分是植物生長發育過程中所需的重要物質，影響著植物的生理生化和光合作用，進而影響到植物的生長和生物量的積累[13]，在荒漠區水分對植物生長的影響尤為顯著。平茬后植物的根冠比發生劇烈變化，勢必影響土壤中的水分含量。李從娟等[14]研究表明，沙拐棗根系主要分布在0～150 cm土層中，根系含量在0～50 cm土層中隨深度增加呈增加趨勢，在50～150 cm土層中隨深度增加呈遞減趨勢，其中50 cm深度土壤中根系含量最多。本研究分析了沙拐棗林平茬區與未平茬區0～120 cm土層中土壤含水量的變化，結果表明：在0～20 cm土層，5—9月平茬區土壤含水量均高于未平茬區，原因可能是該土層沙拐棗根系較少，對水分的吸收較弱，加之平茬后植物的蒸騰作用減弱，使得平茬區域的土壤含水量較未平茬區偏高；在20～60 cm土層，5—9月未平茬區土壤含水量高于平茬區，該結果與檸條錦雞兒平茬第一年的結果一致[15]，出現這種現象的原因可能是這個土層范圍是沙拐棗根系分布最多的區域，植物的快速生長使其對水分的需求增加，從而導致平茬后該土層中的含水量減少；在60～120 cm土層，平茬區與未平茬區土壤含水量呈波動現象，原因可能是該土層范圍內的含水量受降水及不同地理環境等因素的影響較大[16-17]，與平茬的相關性不高。

4 結 論

在民勤荒漠區開展衰退沙拐棗林平茬復壯時，以冬季平茬0 cm為宜；在生產中建議分年度、隔行開展平茬復壯，不宜大規模平茬。平茬后為提高沙拐棗林的生長質量，前2 a應加強沙拐棗林的水分管理，1 a至少保障補水1次，確保植株快速生長期對水分的需求。同時，要加強對區域內一年生草本植物的保護和利用。