荒漠草原不同带间距人工柠条林平茬对林间生境的影响

周静静，马红彬1,*，周瑶，蔡育荣，吴兴旺，宿婷婷，贾希洋

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)



荒漠草原不同带间距人工柠条林平茬对林间生境的影响

周静静2，马红彬1,2*，周瑶2，蔡育荣2，吴兴旺2，宿婷婷2，贾希洋2

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

研究不同带间距柠条林平茬后林间生境的变化对人工柠条中间锦鸡儿的种植和平茬饲用具有重要意义。以荒漠草原分布的4, 6和8 m带间距中间锦鸡儿林间草原为对象，于2015年4月对3种带间距柠条林进行齐地平茬，研究不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间植被、土壤理化性质、气温、风速、风蚀量等变化。结果表明，1)8 m带间距的林间多年生草本物种比例、植被盖度和密度最高(P<0.05)，6和4 m间距植被盖度密度接近；3种间距的林间地上生物量、物种多样性无显著差异(P>0.05)。2)随着带间距增加，土壤粉粒含量以及土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾含量总体呈现上升趋势。但土壤水分以6 m带间距最高，4 m带间距最低。3)林间平均气温以4 m带间距最高，8 m带间距最低，风速大小正好相反；土壤风蚀量呈现6 m带间距最高(P<0.05)，4和8 m带间距最低。4)相关性分析表明，植物多样性与土壤有机质、全氮、粉粒含量正相关，土壤有机质含量与土壤粉粒含量、植被盖度呈正相关。研究认为，8 m人工中间锦鸡儿林种植间距对林间植被多样性增加、土壤质量改善和土壤风蚀减少更为有利。

荒漠草原；中间锦鸡儿；平茬；林间植被土壤；风蚀量

柠条(锦鸡儿属Caragana植物的俗称)是水土保持、防风固沙的优良灌木，也是优质的饲草资源。但其在生长 6～8 年后，就会出现枝条老化、生长力衰退等现象[1]。平茬可有效解决柠条植株衰败老化的问题，促进柠条更新复壮[2]。同时，平茬也可有效利用柠条资源、缓解当地畜牧业发展的饲草不足。宁夏荒漠草原地处干旱与半干旱农牧交错区，生态环境脆弱，是当地重要的畜牧业生产基地和我国两屏三带生态建设关键区域。近年来，在生态建设项目中，宁夏荒漠草原上补植了大量带状柠条灌木林。当前宁夏全区柠条面积已达44.60万hm2，总地上生物量达77.03万t[3]，其中位于荒漠草原的宁夏盐池县分布13万hm2左右，占全县总土地面积的18.19%[4]，多为中间锦鸡儿(Caraganaintermedia)，这些柠条灌木林为荒漠草原防风固沙、保持水土做出了贡献[5]，也成为当地舍饲羊只的一种重要粗饲料来源。目前，宁夏盐池县对5年龄以上人工柠条林进行平茬收获，经揉丝后直接饲喂羊只或制作裹包青贮柠条饲料。

目前对柠条平茬的研究大多集中在平茬机械[6]、平茬复壮技术[7-8]、平茬措施对柠条林环境的影响等方面[9]。在种植带距对生境影响方面，研究发现柠条林种植密度、种植带距不同对生境产生影响不同，合理的种植行距(密度)的柠条林可以起到改善生态环境，提高草地生产力的作用[10-11]。适宜的种植带距能增大林间植被盖度和地上生物量，提高植被群落的稳定性[5,12]。不同柠条种植密度会导致草原土壤肥力变化不一，适宜的种植密度能够提高土壤有机质、全氮含量[5]。人工柠条灌丛能够增加荒漠草原土壤有机碳含量，随种植行间距的增大其增加效果减弱[13]。不同行间距柠条林灌丛改变了草原土壤含水量[13]，柠条根系虽能涵养水分，但种植密度大时植物蒸腾和土壤蒸发消耗的水分增多，林地出现土壤旱化，引发土壤退化和植被退化问题[14]，适宜的造林密度并不引起土壤旱化[5]。不同带距柠条林防风沙效果不同，行带式柠条林带间具有较大空间，受不同种植带间距的影响其带间小气候存在空间差异性[15]，随着林带行距增加，防护林降低风速作用减弱[16]。目前，对不同柠条种植行(带)距对草原生态影响研究较多，但是对不同带距柠条平茬后林间草原生境的变化研究鲜有报道。基于生产中荒漠草原柠条饲用平茬利用现状，试验选择宁夏荒漠草原不同种植带间距人工中间锦鸡儿林，研究其平茬后林间植被、土壤性状及风蚀情况，以期为当地中间锦鸡儿资源合理平茬饲用和适宜的种植行距提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏盐池县花马池镇十六堡新村荒漠草原上，位于北纬37°50′，东经107°19′，该地具有干旱与半干旱的农牧交错区的生态和生产特征。气候属于典型的中温带大陆性气候，年均气温为7.6 ℃，≥0 ℃的年积温3430.3 ℃，年降雨量为290 mm，7-9月降水量约占全年降水量的60% 以上，年蒸发量为2131.8 mm，无霜期162 d左右，年均风速 2.08 m/s。地带性土壤为淡灰钙土，质地沙壤和粉沙壤，地带性植被为荒漠草原，植被以旱生和中旱生植物为主。主要分布有中间锦鸡儿、牛枝子(Lespedezadaurica)、赖草(Leymussecalinus)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、砂珍棘豆(Oxytropispsammocharis)、大戟(Euphorbiapekinensis)、猪毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)、蒺藜(Tribulusterrestris)、蒙古虫实(Corispermummongolicum)等植物。试验区中间锦鸡儿为退耕还林工程种植，呈带状分布在荒漠草原上，带距4～8 m，每带2行中间锦鸡儿，行距2 m，种植时间为2003年。按当地习惯，一般对5龄以上柠条林进行平茬饲用，1-12月均有平茬。因为当地近几年才开始进行柠条平茬，本试验柠条林种植后未进行过平茬。

1.2 试验设计

在宁夏荒漠草原，选择林生长状况正常，高度、冠幅及单株生物量接近，种植面积最大的3种不同带距林间草原为研究对象，中间锦鸡儿种植带距分别为4, 6和8 m，对各带距中间锦鸡儿林进行齐地平茬收获方式，3次重复。试验样地基本情况见表1。

表1 样地情况Table 1 Sample plot

注：以下分析中用代号名称代替处理名称。

Note: The following analysis using code name instead of treatments name.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植被特征 2015年和2016年8月份下旬对平茬后林间植被特征进行调查。每个处理内随机取样，设置3个1 m×1 m样方，调查观测植物物种组成、高度、盖度、频度、密度、地上生物量，其中，用卷尺测定各物种的自然高度，30次重复；样圆法测定各物种频度，重复30次；针刺法测定植被盖度；齐地面分别剪取各物种，带回实验室65 ℃烘干至恒重，称取地上生物量。

1.3.2 土壤理化性状 采用TRIME-T3定期测定土壤体积含水率，测定深度0～180 cm，测定时按20 cm为一层，3次重复。土壤水分测量时间为2015年9月5日-2015年11月20日，2016年4月5日-2016年8月20日，每月5日、20日测量两次。

2016年7月5日采用环刀法[5]测定0～180 cm土壤容重，每10 cm为一层，3次重复。2015年9月20日和2016年7月5日按多点混合法采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土样，3次重复。采集到的土样室内处理后用常规方法[5]测定有机质、全氮、速效氮、速效钾和速效磷含量，用Microtrac S3500激光粒度分析仪测定土壤颗粒组成。

1.3.3 林间气温、风速、土壤风蚀 利用 Kestrel 3500 手持气象站，选择 2015年9月5日和11月5日，2016年1月5日、4月5日、5月5日观测不同处理距地面20 cm的风速、气温，测定时间为 8：00 至18：00，每隔2 h各处理同时观测一次，3次重复。草地土壤风蚀情况采用插钎法测定[17-18]。选用不易风化腐蚀的40 cm长钢钎，编号，中间锦鸡儿平茬时在各处理内设置1 m×1 m面积的钢钎，钢钎间距0.2 m×0.2 m，地面以上保留20 cm，3次重复，在测定风速的同时测定钢钎地上高度变化情况。

1.4 数据分析

所有的数据用Excel录入、计算和作图，用DPS 7.05软件进行统计分析，数据以平均值(±SD)表示，均采用方差分析(ANOVA)，显著水平P<0.05。土壤体积含水率根据土壤容重折算成重量含水率。基于植被调查数据，计算物种重要值、Margalef丰富度指数、Simpson多样性指数、Pielou均匀度指数，公式如下[19-20]：

式中：S为物种总数；N为物种总个体数；Pi为物种i的重要值。

式中：n为在观测样地内布置的钢钎总数；ΔLi为第i根钢针顶部到地面距离的变化量。

2 结果与分析

2.1 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间植被变化

2.1.1 林间植物生活型组成 从各带间距林间植物生活型组成可看出(表2)，3种处理的物种总数均为12种，其中多年生草本的物种比例和重要值比例最高。D4处理下半灌木种类有2种，半灌木的比例和其重要值比例高于其他两种处理；多年生物种比例呈D8>D6>D4，D8间距多年生草本的重要值比例最高；一年生草本的物种数呈D4=D6>D8，D8间距中一年生草本的重要值比例最低。

表2 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间植物生活型组成Table 2 Plant life forms composition in different planting spacing of C. intermedia after flat stubble

2.1.2 林间植物群落特征 林间植物群落特征表明(表3)，盖度以D8处理最高,达63.75%，其次为D4处理和D6处理，D8与D4、D6处理差异显著(P<0.05)，D4、D6之间差异不显著(P>0.05)。林间植物密度呈现D8>D4>D6(P<0.05)。林间地上生物量及物种丰富度、优势度、多样性和均匀度指数处理间差异不显著(P>0.05)。

2.2 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间土壤理化性质变化

2.2.1 林间土壤机械组成和容重变化 根据美国制，将土壤机械组成按粒径大小分为粗砂粒(500～2000 μm)、中砂粒(250～500 μm)、细砂粒(50～250 μm)、粉粒(2～50 μm)、粘粒(<2 μm)，整体看来(表4)，3种带距林间土壤均以细砂粒含量最高，在68.88%～90.31%之间，均无粘粒。0～40 cm土层中，D8处理林间土壤粉粒含量显著高于D4、D6(P<0.05)，D4、D6的细砂粒、中砂粒含量显著高于D8(P<0.05)，粗砂粒含量差异不显著。分层来看，粉粒、细砂粒、中砂粒在各处理间的含量规律与0～40 cm层的整体规律基本一致(除0～10 cm的中砂粒含量)，粗砂粒含量各异。土壤容重方面，0～30 cm土层3种处理间无显著差异，30～40 cm土层呈现D4>D6>D8(P<0.05)，D4和D6处理间差异不显著(P>0.05)，整体来看各处理下的容重在0～40 cm土层无显著差异(P>0.05)。

表3 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间植物群落特征Table 3 Plant community characteristics by stumping the C. intermedia forest with different band spacings

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Notes: Different letters in the same column mean significant difference atP<0.05 level, the same below.

表4 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间土壤机械组成及土壤容重Table 4 The soil mechanical composition and soil bulk density by stumping the C. intermedia forest with different band spacings

2.2.2 林间土壤水分变化 不同时间下各处理土壤水分差异显示(表5)，4-5月，D6处理间土壤含水量显著高于D4和D8处理(P<0.05)，6-8月含水量呈D6>D8>D4的趋势(P<0.05)，9-11月期间D6、D8的土壤含水量无显著差异，但均显著高于D4间距(P<0.05)。整个试验期间(4-11月)D6处理含水量最高，达到7.71%，含水量大小顺序为D6>D8>D4(P<0.05)。

各处理下林间不同土层水分差异各异(表6)。0～40 cm土层，D4处理显著低于D6、D8(P<0.05)，D6、D8无显著差异(P>0.05)，40～80 cm以D6处理土壤含水量最高，D4处理最低(P<0.05)。80～120 cm，D6处理的土壤含水量显著高于D4、D8(P<0.05)，D4显著高于D8处理(P>0.05)。120～180 cm以D8处理的林间土壤含水量最高，D4处理最低(P<0.05)。

表5 不同时间下各带间距中间锦鸡儿平茬后林间土壤水分差异(0～180 cm)Table 5 Difference of soil moisture by stumping the C. intermedia forest with different band spacings (0-180 cm) %

表6 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间年平均土壤水分垂直差异Table 6 Annual average difference of soil moisture vertical change by stumping the C. intermedia forest with different band spacings %

由土壤水分垂直变异可见(图1)，3种处理下，土壤水分随土层深度的增加总体呈现下降趋势(P<0.05)。3种处理下水分变异差异较大，D4处理林间以浅层土壤(0～60 cm)变异最大、160～180 cm土层变异最小；D6处理以160～180 cm土壤变异最大，20～60 cm变异最小；D8处理水分变异以0～20 cm土层最大，40～80 cm土层最小。

图1 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间土壤水分垂直差异与变异系数Fig.1 Vertical variation of soil moisture and coefficient of variation by stumping the C. intermedia forest with different band spacings 不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。Different letters mean significant difference at P<0.05 level, the same below.

2.2.3 林间土壤养分变化 土壤养分含量分析表明(表7)，3种处理下，除10～20 cm的速效钾和20～30 cm的全氮含量在处理D6和D8之间差异不显著、10～20 cm土层的全氮和速效氮以及30～40 cm的速效磷含量在D4和D6处理间差异不显著(P>0.05)以及D6处理速效氮含量稍低于D4处理外，整体上看，随中间锦鸡儿带距增加，土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾总体呈现增加趋势(P<0.05)。

2.3 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间气温、风速和土壤风蚀量变化

小气候监测结果表明(图2A)，1、4、9月的平均气温均为D4处理的林间气温显著高于D6、D8处理(P<0.05)，D6、D8处理的林间气温差异不显著(P>0.05)。5月的平均气温为D4、D6处理的气温显著高于D8处理(P<0.05)。整个测定期间平均气温大小排序为D4>D6>D8(P<0.05)。风速方面(图2B)，各处理下林间日平均风速在0.42～0.91 m/s，其中4月和5月呈现D8>D6>D4，处理间差异显著(P<0.05)，1月和9月呈现D8处理的林间风速显著高于D4、D6处理，D4、D6林间风速差异不显著(P>0.05)。整个测定期间日平均风速按大小排序为：D8>D6>D4(P<0.05)。土壤风蚀方面(图2C)，各处理均出现了风蚀现象，风蚀量最大的在1月份D6处理，达到了0.25 cm，最小为11月份D8处理，林间风蚀量为0.06 cm。风蚀量的大小按月份排序为：1月>4月>11月>5月，5月份风速较高但风蚀量较小，与5月份植被生长，地上生物量较大有关。整个测定期间各处理间风蚀量大小均呈现为：D6>D4>D8(P<0.05)，各月份风蚀量差异各异。

表7 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间土壤养分含量Table 7 The soil nutrient content by stumping the C. intermedia forest with different band spacings

图2 不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间气温、风速以及风蚀量Fig.2 The temperature, wind speed and wind erosion amount by stumping the C. intermedia forest with different band spacings

2.4 林间植被、土壤主要性状间的相关性

为进一步了解各生态特征间的关系，将林间植被、土壤主要性状进行了相关性分析(表8)。结果表明林间植被盖度与土壤有机质、土壤粉粒含量呈显著正相关关系(P<0.05)；物种多样性与土壤全氮、有机质、粉粒、粗砂粒含量呈显著正相关关系(P<0.05)，与平均风速呈极显著正相关关系(P<0.01)；土壤有机质含量与土壤粉粒含量呈极显著正相关(P<0.01)，与平均风速呈显著正相关关系(P<0.05)；土壤粉粒、粗砂粒含量也与平均风速呈显著正相关关系(P<0.05)。

表8 林间生境主要指标相关性分析Table 8 Correlative analysis of the main indicators of woodland habitat

*P<0.05， **P<0.01.

3 讨论

柠条种植间距不同，会对土壤的水分、微生物等环境产生影响，从而使草原地上植物群落特征发生变化[5]。随着柠条带间距的增加，平茬后带间植被盖度增加、一年生草本物种减少、多年生草本比例增加，群落向更为稳定的多年生植物演替，群落结构变得更加复杂[21]。较低密度的行带式固沙林能加快带间土壤修复效应[22]。荒漠草原中间锦鸡儿林带间距8 m时，平茬后林间土壤粉粒土含量、全氮、有机质、速效磷、速效钾、速效氮含量显著高于4和6 m带间距，说明随着中间锦鸡儿带间距的增加，土壤的理化改善效果更为明显[21]。随着土壤粒度变粗，粘粉粒含量降低，砂砾含量增加，土壤有机质含量下降[23]。土壤养分随土壤深度的增加变化无明显规律说明不同间距中间锦鸡儿平茬并没有影响到荒漠草原土壤养分的垂直分布格局[24]。土壤水分是干旱地区植被生长发育和恢复重建的重要限制因子[25]。随着柠条林种植密度增大，单位面积柠条地上生物量增加，土壤水分消耗上升[13]，人工柠条林密度过大会出现土壤旱化现象[26]。本研究中，土壤水分含量呈现6 m带间距>8 m带间距>4 m带间距，这可能与6 m带间距林间植被地上生物量较低有关，也可能是不同中间锦鸡儿密度和带间植被对水分消耗的综合结果。

气温、风速等是影响生物生长发育重要环境因子，不同植物群落可形成不同的小环境[27]。人工柠条林带是荒漠草原防风固沙的重要措施，随着林带间距增加，防护林降低风速作用减小[15-16]。不同带间距中间锦鸡儿平茬后林间平均气温从小到大排序为4 m>6 m>8 m，风速大小正好呈相反趋势，说明随着行距的增大，柠条林密度减小，林间通风增强，气温降低，这与余利等[28]研究结果一致。林间风蚀量以4 和8 m带间距较低、6 m带间距最高，3种处理下土壤风蚀量变化与林间风速并不一致，这与柠条林带间土壤风蚀量大小受风速、表层土壤含水量及植被盖度等因素综合影响有关[29]，有研究表明植被覆盖对土壤风蚀具有显著的抑制作用[30]，也有研究表明土壤有机质、全氮能起到固定土壤的作用[31]，本研究中4 m带间距下的风蚀量较低与柠条林种植密度有关，8 m处理下风蚀量较低可能是林间植被盖度、土壤有机质以及土壤全氮含量的综合结果导致。

植被特征与土壤理化性质关系密切，植物物种多样性与土壤理化指标具有显著相关性，但因生境的差异而有所不同[32-33]。土壤有机碳和氮素是土壤养分的重要组成部分，有机碳在很大程度上影响着土壤的结构和团聚体的形成及其稳定性、土壤的持水性能和植物营养的生物有效性等，能够减缓风蚀，改善区域生态环境[34-35]。本研究中植物多样性与土壤全氮、有机质、粉粒含量呈显著正相关关系；土壤有机质含量与土壤粉粒含量呈极显著正相关，与植被盖度呈显著正相关。这与一些研究发现有机碳含量与粘粉粒含量呈显著的正相关的结果一致[36-37]。

4 结论

荒漠草原4, 6和8 m带间距人工中间锦鸡儿林平茬后，随着带距增加，带间植被盖度和多年生草本比例、土壤粉粒含量以及有机质、全氮、速效磷、速效钾含量呈上升趋势。平茬后水分以6 m带间距林间土壤最高；平均气温以4 m带间距最高，8 m带间距最低，风速大小正好相反；土壤风蚀量呈现6 m带间距最高。研究发现柠条种植间距的增加可使林间植被多样性和土壤养分得到提高，土壤风蚀量下降。就宁夏荒漠草原目前4, 6和8 m种植带间距而言，实践中应选择8 m种植带间距。

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Effects of belt-spacing of artificialCaraganaintermediastands on the ecology of woodland on the Desert Steppe

ZHOU Jing-Jing2, MA Hong-Bin1,2*, ZHOU Yao2, CAI Yu-Rong2, WU Xing-Wang2, SU Ting-Ting2, JIA Xi-Yang2

1.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofLandDegradationandEcologicalRestorationofNorth-westernChina,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China; 2.AgriculturalCollege,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

The spacing ofCaraganaintermediabelts in plantations can markedly affect the ecology of the surrounding woodland. In this study, we evaluated the changes in the woodland habitat after cuttingC.intermediaforests with different spacings ofC.intermediabelts. The study site was a forest grassland on the desert steppe withC.intermediabelts planted with 4 m, 6 m, and 8 m spacings. The soil physical and chemical properties, air temperature, wind speed, and amount of wind erosion were evaluated to determine the effects of different belt spacings ofC.intermediaforest after stumping (cutting)C.intermediaplants to a stubble height of 0 cm in April 2015. The main findings were as follows: 1) The forest grassland with 8 m spacing ofC.intermediabelts showed the highest proportion of perennial herbaceous species, vegetation coverage, and vegetation density (P<0.05), but vegetation coverage did not differ significantly between the 4 m and 6 mC.intermediabelt-spacing treatments. There was no difference in aboveground biomass and species diversity among the three treatments (P>0.05). 2) As the belt spacing increased, the soil fine particle content, soil organic matter content, total nitrogen content, available phosphorus content, and available potassium content tended to increase. The soil water content was highest in the forest with 6 m belt spacing, and lowest in the forest with 4 m belt spacing. 3) The average air temperature was highest in the forest with 4 m belt spacing, and lowest in the forest with 8 m belt spacing, while wind speed showed the opposite trend. Wind erosion of soil was highest in the forest with 6 m belt spacing (P<0.05), and lowest in the forests with 4 m and 8 m belt spacings. 4) Correlation analyses indicated that plant diversity was positively correlated with soil organic matter content, soil total nitrogen content, and soil fine particle content, and that soil organic matter content was positively correlated with soil fine particle content and vegetation coverage. These results indicate thatC.intermediaforests with 8 m belt spacing have the advantages of increased vegetation diversity, better soil quality, and lower soil wind erosion of the surrounding forest grassland.

desert steppe;Caraganaintermedia; stumping; woodland plants and soil; wind erosion

10.11686/cyxb2016387

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-10-13；改回日期：2017-01-10

宁夏回族自治区科技支撑计划(2014)和中国科学院“西部之光”人才培养引进计划项目(XAB2015A10)资助。

周静静(1992-)，女，陕西榆林人，在读硕士。E-mail: 749181985@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: ma_hb@nxu.edu.cn

周静静, 马红彬, 周瑶, 蔡育荣, 吴兴旺, 宿婷婷, 贾希洋. 荒漠草原不同带间距人工柠条林平茬对林间生境的影响. 草业学报, 2017, 26(5): 40-50.

ZHOU Jing-Jing, MA Hong-Bin, ZHOU Yao, CAI Yu-Rong, WU Xing-Wang, SU Ting-Ting, JIA Xi-Yang. Effects of belt-spacing of artificialCaraganaintermediastands on the ecology of woodland on the Desert Steppe. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(5): 40-50.