天山北坡前山帶疏花薔薇集水造林技術措施篩選

張 帥，程 平，張齊武，王 凱，武勝利，李 宏

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院/新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054；2.新疆農業大學林學與風景園林學院，烏魯木齊 830052；3.新疆林業重點工程質量管理總站，烏魯木齊 830099；4.新疆林業科學院，烏魯木齊 830092)

0 引言

【研究意義】天山北坡前山帶是由位于主體山脈之前的、海拔相對較低的低山及山間洼地所構成的地域系統，作為一個獨特的地貌景觀處于高山和平原的過渡帶上，其發育的原始灌木林對維護區域生態安全發揮著重要作用。近些年該區域灌木林地有所退化，自我更新能力較差[1-3]；但該區域特殊的地形條件(坡度5～30°)等在此開展常規的灌溉造林促進植被恢復顯得難度大、成本高。基于該區域200～300 mm年降水量的自然優勢，選擇合適的鄉土樹種、應用合理的造林措施開展無灌溉造林(即集水造林)十分必要。【前人研究進展】集水造林是把徑流截集和水土保持相結合起來的人工造林技術，其技術的關鍵在于如何集住水和保住水，集水一般采用科學合理的整地方式，保水一般采用相應的林業措施[4]。整地方式主要有水平溝、魚鱗坑、深溝、反坡梯田等，且水平溝整地水土保持效果、生長量和生物量要優于穴狀整地[5,6]，而朱聿申等[7]采用大魚鱗坑造林技術可以增加匯水面積、提高土壤含水量和林木保存率及生長量，表明集住更多的自然降水是整地的關鍵。另一方面，保水措施主要有地表覆蓋物、保水劑、土壤改良劑等，而地膜覆蓋是保持土壤水分、提高苗木成活率最有效的方法之一，吳賢忠等[8]研究發現覆膜能有效提高土壤水分，促進植物生長；王正安等[9]分析得出覆膜處理在樟子松造林初期的效果最佳，具有更高的成活率、生長量；膨潤土作為一種土壤保水劑，能有效改善土壤理化性質，增加土壤水分、提高水分利用效率[10]；黃腐酸作為一種復合肥料，富含植物生長所需要的多種養分和氨基酸，促進根系生長提高作物抗旱性，增強土壤保水保肥性[11]。【本研究切入點】天山北坡前山帶區域開展集水造林技術的相關研究報道較少[12]，而利用該區域自然分布的優勢樹種疏花薔薇進行集水造林技術的研究未見報道。需研究不同整地方式和保水保墑措施對疏花薔薇造林成活率、生長量及生理生化指標的影響。【擬解決的關鍵問題】以天山北坡前山帶自然分布的優勢樹種疏花薔薇為研究對象，分析不同整地方式和保水保墑措施對疏花薔薇造林成活率、生長量及生理生化指標的影響，篩選出在天山北坡前山帶區域集水造林最佳的綜合技術措施，為該區域人工造林提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗地位于新疆天東國有林管理局瑪納斯南山林場境內的石門子管護所月牙臺子坡地(E86°10′，N43°89′)，該區域為典型的溫帶大陸性氣候，年均氣溫為8.7℃，1月平均氣溫-24.7℃，7月平均氣溫17.7℃，最高氣溫35℃左右，年降水量為324.62 mm，全年無霜期165～172 d。試驗地土壤類型為栗鈣土，海拔在1 250～1 350 m，田間持水量23.41%，萎蔫系數(7.53±0.89)%，有機質(26.80±2.30) g/kg，速效鉀(253.75±21.65) mg/kg，有效磷(4.67±1.26) mg/kg，土壤pH值(7.85±0.12)，電導率(0.29±0.02) ms/cm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

薔薇苗購買于瑪納斯苗圃，全部選用Ⅰ級裸根苗，苗高大于80 cm，地徑大于0.8 cm；膨潤土為奇臺縣國平膨潤土礦生產的鈉基膨潤土，黃腐酸為新疆匯通旱地龍腐殖酸有限責任公司生產的黃腐酸粉末，其中N+P2O5+K2O≥5%，有機質≥45%。

2020年10月15～20日，進行造林試驗，整地方式設置為：水平溝整地、V形坑整地，水平溝規格為溝寬80 cm、溝深50 cm，V形坑規格為上口寬150 cm、縱寬80 cm、深50 cm，沿等高線開溝或挖坑，株行距為1.5 m×5 m。保水保墑措施設置為：覆黑塑料膜(A)、膨潤土保水(B)、黃腐酸保墑(C)3種單項措施以及A+B、A+C、B+C、A+B+C 4種綜合措施，CK為無保水保墑措施；膨潤土保水措施即每穴放膨潤土0.5 kg，黃腐酸保墑措施即每穴放1.25 kg黃腐酸，與栽植土攪拌均勻定植苗木，每處理20株，重復3次。

栽植前所有苗木沾泥漿(膨潤土+水+生根粉)，栽植后平茬高度保留在50 cm左右，灑水車澆冬水，每株澆水20 L；1周后扶苗1次。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 成活率和生長指標

2021年9月15日測定成活率，并用卷尺和游標卡尺對薔薇新梢生長、新梢粗進行測定，對地上部分稱取鮮重，再于105℃下殺青0.5 h后在85℃下烘干至恒質量測定干重，每個處理3個重復。

1.2.2.2 葉片生理生化指標

2021年8月30日采集不同處理葉片放入液氮灌中保存，后測定各項生理生化指標，每個處理3個重復；葉綠素(Chla+b)含量測定采用乙醇提取比色法[13]；可溶性蛋白(SolubleProtein)含量采用考馬斯亮藍G-250法測定[14]；脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法測定[13]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸TBA顯色法[13]；用愈創木酚比色法測定過氧化物酶(POD)活性[14]。

1.2.2.3 葉片光合指標

2021年7月18日，使用Li-6400便攜式光合儀(Li-6400Cor,USA)在晴朗無風的11：00～13:00，每個處理選取3株長勢基本一致的苗木，每株選取自上而下第5～8片功能葉測定光合指標，每次重復測定3次，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。

1.2.2.4 土壤含水量

2021年7月1日開始每5 d測定1次土壤體積含水量。在土壤0～20 cm、20～30 cm、30～40 cm深處分別安裝EC-5土壤水分傳感器1個，每個處理重復3次，將3個深度土壤體積含水量的平均值作為不同處理土壤含水量的測定值。

1.3 數據處理

數據通過Excel2010進行數據整理，利用SPSS25.0進行顯著性分析(Duncan法)，Origin2018制作圖表。

運用隸屬函數值法對供各處理進行耐旱性綜合評價。如果某一指標與耐旱性呈正相關，則采用以下公式計算:

Zij=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin).

如果某一指標與耐旱性呈負相關，則采用以下公式計算：

Zij(反)=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin).

式中:Zij為i處理j指標下隸屬函數值，Xij為i處理下j指標的測定值，Ximin和Ximax分別為某一指標的最小值和最大值，將所有處理的隸屬函數值求和，并求其均值后綜合評價各處理抗旱性強弱[15]。

2 結果與分析

2.1 不同造林技術措施對疏花薔薇成活率和生長量的影響

研究表明，水平溝與V形坑兩種整地方式下不同造林措施疏花薔薇成活率存在顯著差異(P<0.05)，在相同保水措施下，水平溝成活率較優于V形坑，水平溝成活率較V形坑分別高5%、6.67%、1.66%、8.33%、8.33%、1.66%、1.66%、16.67%，水平溝成活率整體較優于V形坑，但無顯著差異(P>0.05)。2種整地方式成活率均以A+B+C處理最高，CK處理最低，水平溝不同處理薔薇造林成活率分別較CK高出15%、8.33%、1.66%、28.33%、26.66%、6.66%、31.66%，V形坑不同處理薔薇造林存活率分別較CK增加26.67%、18.33%、16.67%、36.67%、35%、21.67%、46.67%。2種整地方式下，A+B+C處理的新梢生長量、新梢徑粗、地上部分鮮重、地上部分干重也表現為最佳，之后為A+B、A+C處理，表現最差的為CK處理；而A、B+C、B、C處理相比，A處理要優于B+C處理，A處理相比B+C處理對薔薇生長量有明顯的促進作用，保水效果要優于B+C處理。水平溝與V形坑2種整地方式相比，相同保水處理下水平溝新梢生長量、新梢徑粗、地上部分鮮重、地上部分干重均優于V形坑，但差異不顯著(P>0.05)。A+B+C處理可以更好的應對環境脅迫，提高薔薇成活率和生長，而2種造林方式在相同造林措施下成活率和生長量無明顯差異。表1

2.2 不同造林技術措施對疏花薔薇生理指標的影響

研究表明，在不同整地方式，薔薇各生理指標存在顯著差異(P<0.05)。在相同保水保墑處理下，水平溝葉綠素均高于V形坑，可溶性蛋白、丙二醛、脯氨酸、過氧化物酶活性均低于V形坑，但差異不顯著(P>0.05)。2種整地方式下的葉綠素均以A+B+C處理最高，CK處理最低；其它生理指標(可溶性蛋白、丙二醛、脯氨酸、過氧化物酶活性)以CK處理最高，A+B+C處理最低，且A處理低于B+C處理，與薔薇生長指標規律一致；薔薇生理指標在不同保水措施下有不同的變化，A+B+C處理各生理指標受干旱程度的影響最小，作為抗蒸騰劑的黃腐酸與具有良好吸附性的膨潤土和黑膜相結合的保水措施能有效吸附土壤水分，防止蒸發，減少干旱脅迫，因而各生理指標表現最優；水平溝相同保水處理下生理指標也優于V形坑，但差異不顯著(P>0.05)。表2

表2 不同造林技術措施下疏花薔薇生理指標變化Table 2 Physiological indices of R. laxa under different silviculture techniques

2.3 不同造林技術措施對疏花薔薇光合指標的影響

研究表明，不同整地方式與保水措施下薔薇凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2、蒸騰速率存在顯著差異(P<0.05)。水平溝和V形坑A+B+C處理凈光合速率分別為13.43和13.89 μmol /(m2·s)，無顯著差異(P>0.05)。2種整地方式不同保水處理中均以A+B+C處理凈光合速率最高，水平溝和V形坑比CK處理分別高了42.9%和69%；相同整地方式氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均以A+B+C處理最高，CK處理最低，不同保水處理存在顯出差異(P<0.05)，水平溝整地方式A+B+C處理氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率較V形坑分別高了17.3%、8%、7.1%，存在顯著差異(P<0.05))。在保水處理方面，A+B+C處理薔薇凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率優于其他處理，總體表現為A+B+C>A+B>A+C>A>B+C>B>C>CK,與薔薇生長量、生理指標表現一致。水平溝和V形坑A+B+C處理光合作用最優，不同整地方式相同保水處理整體上水平溝優于V型坑。表3

表3 不同造林技術措施下疏花薔薇光合指標Table 3 Photosynthetic indices of R. laxa under different silviculture techniques

2.4 不同造林技術措施下土壤含水量的差異

研究表明，7～9月土壤含水量整體呈遞減的趨勢，且相同月份不同處理變化也較為一致；相同保水保墑措施7月、8月、9月水平溝土壤含水量略高于V形坑，水平溝A+B+C處理不同月土壤含水量較V形坑分別高1.44%、1.98%、1.3%，但無顯著差異(P>0.05)；2種整地方式均以A+B+C處理土壤含水量最高，CK處理最低，水平溝和V形坑A+B+C處理分別為15.26%、15.06%、12.98%和13.82%、13.08%、11.68%，CK處理分別為8.4%、7.95%、7.45和7.11%、6.3%、5.83%，不同月份A+B+C處理比CK處理分別高了6.86%、7.11%、5.53%和6.71%、6.78%、5.85%；相比CK處理，A+B+C處理能保留更多的土壤水分，而2種整地方式土壤含水量相差不大，各月土壤含水量排序整體為A+B+C>A+B>A+C>A>B+C>B>C>CK,與薔薇生長、生理和光合指標表現一致，水平溝A+B+C處理保水效果最優。圖1

圖1 不同造林技術措施下不同月份土壤平均含水量Fig.1 Average soil water content in different months under different afforestation techniques

2.5 疏花薔薇不同造林技術措施抗旱性評價

研究表明，脯氨酸代表抗旱性生理指標的關鍵因子，并結合成活率、新稍生長量、土壤含水量5個指標隸屬度的平均值來評價其造林技術抗旱性，平均隸屬度越大，造林技術措施抗旱性越高，反之越低。疏花薔薇不同造林方式與保水處理的平均隸屬度為0.02～0.98，其中最高水平溝A+B+C處理，其次是V形坑A+B+C處理，最低為V型坑CK處理，水平溝和V形坑A+B+C處理造林效果較好，V形坑CK處理造林措施最差。表4

表4 疏花薔薇不同造林技術措施綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of different silviculture techniques and measures for R. laxa

3 討 論

3.1 不同整地方式對集水造林效果的影響

利用模糊數學隸屬函數法，對不同造林方式和保水處理進行綜合比較與評價，選取凈光合速率代表光合指標的關鍵因子[16]，干旱區造林成活的關鍵因子在于水分，而整地方式是改善土壤水分的重要環節，通過整地可以攔截地表徑流，達到蓄水保墑的作用，以促進苗木生長，提高造林成活率[17]。水平溝和V形坑作為干旱區典型整地方式，能有效攔截徑流，提高土壤水分[18]。李英武等[19]對比不同整地方式發現水平溝整地能提高土壤貯水能力，促進山杏生長；鄭長瑞[20]發現在坡度較小的情況下，水平溝整地可顯著促進苗木生長，并提高成活率。劉文宏等[21]發現水平溝和V形坑整地能有效提高土壤水分，促進苗木生長，水平溝和V形坑成活率相比對照分別高了38.33%和35%。研究發現在相同保水保墑措施下，水平溝處理成活率較V形坑高1.67%～16.67%，薔薇各生長量指標水平溝稍高于V形坑，但無顯著性差異(P>0.05)，原因是水平溝整地后的土壤更加疏松，有利于植物根系生長；土壤含水量方面，水平溝A+B+C處理月平均土壤含水量相比V形坑A+B+C處理平均高出1.57%，較優于V形坑，可能是因為水平溝在整地時對深層土壤進行了翻耕，使得土壤較為疏松，從而使得土壤含水量增加，成活率提高。水平溝整地的造林成活率、苗木生長量及土壤含水量等均優于V形坑整地，但水平溝整地動土量較大，成本較V形坑增加30%以上，且隨著造林株距的增加(本研究為1.5 m)成本增幅更大，在天山北坡前山帶集水造林區域，整地方式優先選擇V形坑整地。

3.2 不同保水保墑措施對集水造林效果的影響

干旱區降水少，水資源匱乏，蒸發量大，同時降水的時空分布不均使得土壤水分成為影響干旱區苗木生長和成活的限制因子，綜合蓄水保墑措施便成為決定造林質量的重要因素。黑色地膜覆蓋能有效阻斷地表水分蒸發，保墑作用明顯，同時具有增溫、減少雜草生長的效果[22]，進而提高葉片凈光合速率、蒸騰速率，促進植株成長發育[23]；施用黃腐酸可提高葉片葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，增強其抗逆性并促進幼苗生長[24, 25]；施加一定量的鈉基膨潤土能有效保持土壤水分，提高幼苗在干旱脅迫下葉綠素含量，促進根莖生長[26]。研究中，相同整地方式下不同保水處理疏花薔薇的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率存在顯著差異(P<0.05),A+B+C處理(覆膜+膨潤土+黃腐酸)的光合指標為最高，2項措施以A+B為最優，A+C次之，B+C較差，單項措施以A處理為最優，B、C次之。研究發現，A(覆膜)處理能顯著提高土壤含水量、并增加薔薇成活率，其效果優于B+C(膨潤土+黃腐酸)處理，覆蓋地膜抑制土壤水分蒸發的阻水效果優于B+C的保水效果。

3.3 滲透調節物質及抗氧化酶活性對整地方式及保水保墑措施的響應

脯氨酸、可溶性蛋白作為一種重要的滲透調節物質，會在干旱條件下積累，來保持細胞的含水量和膨壓，緩解干旱環境對植物造成傷害[27]。丙二醛為植物在逆境環境下積累膜脂過氧化物所分解的最終產物，造成生物膜結構和功能的損壞，而過氧化物酶是植物自身抗氧化保護酶，能夠清除植物體內的自由氧來應對干旱脅迫。邱孟柯等[28]發現在干旱脅迫下植物滲透調節物質和抗氧化酶活性呈上升趨勢，且施加一定量黃腐酸可有效緩解干旱對苗木的傷害，提高其抗旱能力；李柯妮等[26]發現施加膨潤土能有效較少滲透調節物質，有利于幼苗葉片清楚自由基降低膜脂過氧化水平，避免受到氧化脅迫傷害，促進幼苗生長。

試驗結果表明，不同保水處理下疏花薔薇滲透調節物質和抗氧化酶活性與植物生長指標、光合指標表現出了較高的一致性，受干旱脅迫最嚴重的CK處理以最高的脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛和過氧化物酶活性含量，降低活性氧積累和細胞水勢來抵御外來惡劣環境，而A+B+C處理遭受干旱脅迫的程度最輕，疏花薔薇體內活性氧能得到清除，因而表現出了最低的脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛和過氧化物酶活性含量。研究發現水平溝、V形坑整地A+B+C處理成活率分別比CK處理高31.66%、46.67%，且各生理指標與最優，與前人研究成果一致。

3.4 疏花薔薇不同造林技術措施綜合評價

張永青[29]采用7種造林技術措施發現覆膜+保水劑處理土壤含水量最高，造林成活率最高；馬艷芝等[30]在不同覆蓋物處理下運用隸屬函數法得出黑膜得分最高，對北柴胡幼苗生長的影響最為顯著。研究通過設置水平溝、V形坑2種整地方式和不同保水保墑處理，綜合考慮生長量、成活率、土壤含水量、光合指標和生理指標，運用隸屬函數值法得出水平溝A+B+C處理得分最高，V形坑CK處理得分最低，單項措施A處理得分最高。根據規范[31]，干旱 、半干旱區的造林成活率在70%(含)以上為合格，本試驗除了水平溝C、CK處理、V形坑除B、C、CK處理之外，其余造林方式均為合格。研究疏花薔薇造林成本中，水平溝、V形坑單株價格分別為4.5、2.5元，覆膜、膨潤土、黃腐酸單株的價格分別為0.5、0.45、3元；通過最小成本組合原則篩選最佳造林技術，當出成活率在85%(含)以上時，最佳造林技術為V形坑A+B處理，當成活率在70%～85%，最佳造林技術為V形坑A處理。

4 結 論

4.1疏花薔薇在水平溝和V形坑2種整地方式下成活率、生長量、土壤含水量無顯著差異(P<0.05)，而V形坑整地相較水平坑整地動土量小，成本低，可優先選擇V形坑整地。

4.2A+B+C(覆膜+膨潤土+黃腐酸)處理能有效保存土壤水分，增強凈光合速率，促進新梢生長，提高疏花薔薇成活率；水平溝和V形坑存活率較對照提高31.66%和46.67%，保水保墑效果最優，兩項措施以A+B處理最優，單項措施A處理最優。

4.3干旱、半干旱區的造林成活率在70%(含)以上為合格，天山北坡前山帶疏花薔薇集水造林最佳技術為V形坑A+B(覆膜+膨潤土)處理、V形坑A(覆膜)處理。