榆林沙地矿区植被恢复技术示范生态效益分析

雷声坤，王玉宝，王怀彪，常海军，刘 洋，白文慧，高树军，高占英

(榆林市榆阳区林业工作站，陕西 榆林 719000)

榆林沙地位于毛乌素沙地南缘，是我国北方的生态屏障。榆林市榆阳区沙地矿产资源富集，近年来大规模开发利用带来全区GDP不断增长，但开发的同时使许多采矿区出现地面塌陷、水资源与植被破坏、水土流失与土地荒漠化加剧，生态破坏日益严重，生态恢复迫在眉睫。有关专家学者在沙漠治理优良树种选择及其空间配置和管理技术方面进行了大量研究，也取得了许多重要成果[1-3]。榆林市榆阳区林业工作站2015年引进陕西省治沙研究所和西北农林科技大学于2013年共同完成的“陕北沙地矿区生态恢复与重建技术研究”成果(成果编号14030101),2015年春用该技术在榆林沙地矿区示范推广66.7 hm2，同时在比邻选择立地条件一致的0.22 hm2地块，用传统造林技术造林作为对照，并对两种造林技术应用效果进行监测，分析评估其生态效益，为陕北沙地矿区植被恢复提供参考。

1 研究区概况

研究区位于榆林市榆阳区巴拉素镇，为陕西延长石油新庙滩矿区，属毛乌素沙地南缘风沙草滩区，地势平缓，大多为波状起伏固定、半固定沙地，土壤为风沙土。气候属半干旱大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，日照充足，生长季较短，干旱、冰雹和霜冻等气象灾害频繁发生，冬春漫长寒冷，少雨多风沙，年平均气温8.1 ℃，极端最高、最低气温分别为-32.7 ℃和38.6 ℃，年均降水量为414.4 mm，且集中在7-9月，年均蒸发量为1 508～2 502 mm，无霜期156 d，主要树种有杨树(Populus)、沙柳(Salixcheilophila)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、柠条(Caraganakorshinskii)、沙竹(Psammochloavillosa)等。

2 研究方法

2.1 沙地矿区生态恢复与重建技术要点

示范推广区采用引进造林技术，技术要点为选择樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、沙地柏(Sabinavulgaris)、长柄扁桃(Amygdaluspcdunculata)进行乔灌混交，树种混交模式为隔行混交，即樟子松、长柄扁桃、沙地柏等行比为1∶1∶1,按行间隔栽植，行距2 m，株距樟子松4 m、长柄扁桃2 m、沙地柏2 m;樟子松采用“壮苗保湿、带土大苗、合理稀植、适当深栽、湿沙填坑、适时浇水”六位一体技术栽植，长柄扁桃采用“良种壮苗、蘸浆保湿、截干深栽”无水栽植技术，沙地柏采用“营养袋壮苗、苗木保湿、匍匐栽植、适时浇水”拟态栽植技术。

对照区采用传统造林技术，与示范推广区造林技术相比，差异主要表现在樟子松栽植深度同苗圃起苗深度，未刻意湿沙填坑，长柄扁桃栽植未蘸浆，栽植深度较浅，沙地柏直立栽植。

2.2 技术示范效果监测

从植物群落结构与地上生物量、土壤结构与养分含量、林地生态效能等三方面对沙地矿区生态恢复与重建技术效果进行监测。

2.2.1 群落结构与地上生物量

(1)灌草层群落结构和地上生物量

采取样地、样方法调查、测定，选择新技术示范样地和对照样地(不采用该技术)各3个，样地面积为20 m×20 m，在每个样地对角各设置5 m×5 m灌木样方2个，再在每个灌木样方中心位置设置1个1 m×1 m草本样方，调查、测定每个样方内的植物种类，每种植物的盖度、高度、数量、地上生物量；技术示范前后分别都测定。

(2)乔木层生物量

樟子松选择1个有代表性的样地，在样地中依次选择未受破坏、生长正常的植株35个，每木检尺，再用西北地区樟子松单木异速生长方程计算单株地上生物量[4]；长柄扁桃、沙地柏生物量测定方法为，在3个样地中分别选定5株标准株，采用完全收获法测定，测定时将从标准株上采集的所有侧枝、主干、叶片清洗后进行分装；然后，采用挖掘法，将该标准株的地下根系全部挖出，洗掉泥土封装，将样品带回试验室，在65 ℃持续干燥24 h，再分别称重。

2.2.2 土壤结构与养分含量 在各样地内分别选择5个有代表性的地段挖土壤剖面，深度为60 cm，分3层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)分别测定土壤容重和采土样测定土壤养分含量。土壤容重测定用环刀法，土壤养分含量有机质用重铬酸钾容量法，全氮用半微量开氏法，速效磷用碳酸氢钠法，速效钾用乙酸铵提取法。

2.2.3 林地生态效能 主要测定植被上空风速和植被碳储量的变化，风速采用便携式手持风速仪测定，植被碳储量采用折算法折算；林地生态系统总碳储量包括乔灌草生物量碳储量和土壤碳储量[4]，由于土壤碳库相对稳定且不易测定[5]，故本研究不对土壤碳库进行测定，主要对樟子松、沙地柏、长柄扁桃等林木固碳效益进行分析。

2.3 指标选取及其计算方法

2.3.1 重要值 是以综合数量指标表明某个物种在群落中的地位和作用，其大小是确定群落优势种和建群种的重要依据，采用经典方法计算[7]。

2.3.2 物种多样性 是反映植物群落组成结构的重要指标[8]，采用Shannon-Weiner多样性指数(H)、优势度指数(Simpson指数)、均匀度指数(Pielou’s指数)等3个指标反映和比较群落的结构特征和物种的多样性，分别按经典公式进行计算方法[8]。

2.3.3 土壤容重与土壤孔隙度 反映土壤坚实程度与贮水能力，按照常规方法进行计算[7]。

2.3.4 粗糙度与防风效能 粗糙度反映对途经气流摩擦阻力的大小，粗糙度越大，表明其对途经气流摩擦阻力越大，降低风速效果越明显，计算公式为：

logZ0=(logZ2-AlogZ1)/(1-A)

A=u2/u1

其中：Z0为该地表的粗糙度，Z1、Z2为同一观测点的两个高度，u2、u1分别为同一时刻Z1、Z2高度的风速。本研究中风速观测的两个高度分别为50 cm和200 cm[9]。

防风效能反映消减气流能量、降低风速的能力，计算公式为：

Ex=(Vx1-Vx2)/Vx1

其中，Ex为xm高处防风效能，Vx1为对照地xm高处的风速，Vx2为xm高处的植被恢复林内风速[10]。

2.3.5 碳储量 反映陆地生态系统固定和储存CO2的能力，植被碳储量由其生物量乘以各器官的含碳率获得[11]，樟子松各器官含碳率采用贾炜玮测定的结果[4]，灌木各器官含碳率较接近，长柄扁桃、沙地柏各器官含碳率采用高艺农[12]测定的结果。

2.4 数据整理与分析

本研究利用Excel2007进行数据整理，利用SPSS 18.0进行单因素方差分析。

3 新技术生态系统恢复效果分析

3.1 新技术改善植被群落结构的效果

3.1.1 植被外貌 植被盖度的增加有利于保护地表，减轻风蚀沙埋危害。由表1知，传统造林区及示范推广区造林均能提高沙地矿区植被盖度，尤其是乔木层植被覆盖度提高较明显，示范推广区乔木层提高植被盖度1.51%，传统造林区乔木层提高植被盖度1.36%，主要原因为樟子松冠幅较大；而沙地柏、长柄扁桃本身冠幅较小，且栽植时间较短，故在提高植被盖度方面效果略差。示范推广区与传统造林区进行对比，乔、灌、草层植被盖度均表现为示范推广区更高。

3.1.2 植物群落的组成和物种多样性 由表1知，植被恢复前，沙地矿区乔木有1种，灌木有3种；植被恢复后，乔木增加1种，灌木增加2种，乔灌层植物种类数量增加。植被恢复第3年，随着新植物种的出现，原植物种重要值降低，群落的优势种发生变化，传统造林区与示范推广区乔木层均由单一的杨树变为以樟子松为优势种的群落，灌木层沙地柏、长柄扁桃的优势明显得到显现；通过人工造林改变物种重要值方面，传统造林与示范推广造林效果相似。

植被恢复前，沙地矿区乔木层只有一个树种，故乔木层Shannon-Weiner、Simpson指数均为0，不存在Pielou’s指数。植被恢复后，Shannon-Weiner、Simpson、Pielou’s指数均得到明显提高，主要是因为新植物种的出现，提高了植物种丰富度，植物群落复杂程度增高，多样性指数提高。但示范推广区、传统造林区这三项指数相近。

3.1.3 生物量 由表1知，植被恢复后，乔、灌层生物量均能明显得到提升，尤其以乔木层生物量提高最为明显，草本层生物量提高不明显。在提高乔、灌、草各层生物量方面，均表现为示范推广区提高效果更明显，示范推广区相对传统造林区综合提高乔、灌、草层生物量25 g·m-2。

3.2 新技术改善土壤结构的效果

3.2.1 土壤容重 土壤容重反映了土壤疏松状况。由表2可看出，在0～20 cm土层深度，常规造林及示范推广区土壤容重虽然有所降低，但较植被恢复前没有显著变化(P>0.05)。随着土层深度增加，植被恢复区土壤容重显著降低(P<0.05)，出现这种情况的原因是新栽灌木(沙地柏、长柄扁桃)根系主要集中在20 cm以下。在0～60 cm土层范围内，示范推广区和传统造林区土壤容重较植被恢复前分别降低0.09 g·cm-3、0.06 g·cm-3。

3.2.2 土壤孔隙度 土壤孔隙度是反映土壤疏松状况的另一个重要指标，同时也可以反映不同植物群落土壤涵养水源及调节水分循环状况， 土壤孔隙度越大，其持水和通气能力越强[13-15]。由表2知，在0～60 cm土层范围内，植被恢复后可明显提高土壤总孔隙度，总体来看示范推广区提高总孔隙度作用更明显，原因可能是示范推广区造林技术更科学、养护更到位，乔灌成活率及长势略好，从而改良土壤效益更加显著。在0～60 cm范围内，示范推广区土壤孔隙度较传统造林区高出1.46百分点。

表1 植物群落结构与生物量

3.2.3 土壤养分含量 由表2可知，在0～60 cm深度，土壤中速效钾、速效磷、全氮、有机质含量在植被恢复后均可得到显著提高(P<0.05)，但在传统造林区和示范推广区之间无显著差异(P>0.05)。主要原因为沙地矿区新造林后，植被得以较好的恢复，根系的增加改善了土壤的蓄水、通气性，进一步促进更多的枯落物以及死亡的根系得以分解，释放养分。土壤有机质的增加，有利于改善土壤结构，增加土壤持水能力，提高土壤肥力，增强林地保土防蚀能力，沙地植被重建的时间越长，土壤条件改善效益也越明显[16]。

3.3 新技术增强植被生态功能的效果

3.3.1 降低风速 植被主要通过提高地表粗糙度来降低风速。提高地表粗糙度有利于减弱起沙风速，缓减土壤风蚀，减轻风沙危害，由表3知，植被恢复前地表粗糙度为0.20 cm，植被恢复后传统造林区及示范推广区地表粗糙度都得到了明显提高，分别为0.95 cm和1.06 cm，示范推广区提高地表粗糙度更加明显。植被恢复后提高地表粗糙度的途径一是通过枝叶直接阻挡途经气流，摩擦消能；二是使经过树枝树叶的气流形成紊流，各个方面的紊流互相作用消减能量。即提高地表粗糙度的过程就是消减气流动能、降低风速、提高地表抗蚀性能的过程。

表2 土壤结构与养分含量

注：相同土层深度同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

表3 植被生态效能

以植被恢复前为参考，传统造林区及示范推广区在200 cm高度处防风效能分别可达6.64%、12.24%，在50 cm高度处防风效能分别可达15.25%、21.8%，均表现为50 cm处防风效能优于200 cm处，原因是樟子松高度普遍介于90～130 cm之间，沙地柏、长柄扁桃均为低矮灌木，故表现为越靠近地表防风效能越明显，距地面130 cm以上，离地面越远防风效能越弱。

3.3.2 碳储量 因植被恢复区新栽的长柄扁桃、沙地柏、樟子松均为幼树，且栽植密度较小，各树种之间未形成竞争关系，故测算出这三种树种的碳储量，即可初步判断植被恢复对提高林地碳储量的效果。由表3知，植被恢复后可明显提高林地碳储量，示范推广区和传统造林区碳储量分别可提高664.35、633.75 kg·hm-2，示范推广区提高碳储量效果更好。樟子松提高林地碳储量效果最明显，在传统造林区和示范推广区新增碳储量的60.22%和59.17%由樟子松提供，主要是因为在新栽三种树种里，樟子松生物量明显高于另外两种树种。

4 结论

(1)沙地矿区植被人工恢复后，通过增加新植物种，降低原植物种重要值，提高生物多样性及丰富度，建立起更加复杂、稳定的群落结构。乔木层由单一树种杨树变成以樟子松为优势种的群落，灌木层长柄扁桃、沙地柏的优势得到明显体现。乔、灌层Shannon-Weiner、Simpson、Pielou’s指数均得到提高。在提高乔、灌、草层生物量方面，均表现为示范推广区提高效果更明显，示范推广区相对传统造林区综合提高乔、灌、草层生物量25 g·m-2。

(2)植被恢复后可显著提高0～60 cm范围内土壤容重、孔隙度以及速效钾、速效磷、全氮、有机质含量，从而改良土壤结构，提高土壤涵养水源功能，提高地表抗风蚀能力。示范推广区与传统造林区在改良土壤理化性质方面显著不差异。沙地矿区植被恢复后可有效提高植被盖度，降低地表风速，提高地表粗糙度，传统造林区和示范推广区可将地表粗糙度由植被恢复前的0.20 cm分别提高到0.95 cm、1.06 cm，从而起到缓减风蚀、沙埋的效果。植被恢复后，50 cm高度处防风效能明显高于200 cm高度处防风效能，主要是因为新栽树种高度均低于200 cm。造林第3年，示范推广区和传统造林区分别可增加碳储量664.35、633.75 kg·hm-2，其中增加的碳储量60.22%、59.17%由樟子松提供。

(3)在榆林沙地矿区人工植被恢复中，引进的造林技术与传统造林技术相比，改善植被结构、改良土壤结构和养分状况以及降低风速、提高土壤碳储量等效果更明显，值得在生态环境相同或相近地区推广应用。

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