平茬密度对荒漠草原人工柠条林间生境的影响

贾希洋,周静静,宿婷婷,周 瑶,陈佳宝,马红彬,2,*,马静利,王晓芳

1 宁夏大学农学院, 银川 750021 2 宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地, 银川 750021

宁夏荒漠草原地处干旱与半干旱的农牧交错区,生境脆弱,是我国水土流失、草地退化、荒漠化等环境问题最为突出的地区之一。随着生态建设工程的实施,宁夏、内蒙等地在荒漠草原上补植了大量带状柠条灌木,这些柠条灌木对防风固沙、保持水土具有重要作用[1]。目前,宁夏柠条资源存林面积44.60万hm2以上,地上部总生物量(干物质)达77万t左右[1- 2],其中宁夏盐池县分布12.95万hm2柠条资源[3],主要为中间锦鸡儿。柠条属于豆科锦鸡儿属的旱生灌木,既是防风固沙造林中的重要灌木树种,也是一种重要的饲用灌木,其鲜枝营养丰富,花期粗蛋白含量最高可达36.27%。但柠条生长到一定年限后,木质化程度加剧,枝条干枯甚至全株死亡,进而造成柠条林退化[4]。平茬能有效解决柠条植株衰败老化,促进植株更新复壮[5]。同时,饲草资源不足是制约当前畜牧业持续发展的因素之一,如能将宁夏荒漠草原柠条资源科学平茬饲用,对缓解畜牧业饲草不足、维持当地生态建设具有重要意义。

平茬技术对改良柠条林、提高生态和经济效益具有重要作用[6]。适宜的留茬高度对植物的持续生长具有正向作用[7- 9]。根据柠条生育期、平茬目的和整体效益等因素来综合确定平茬最佳时期[10- 11]。平茬后柠条具有一定的生殖补偿能力[12],对土壤水分的消耗量发生变化[13- 14]。柠条平茬刺激后不仅促使植物根、颈部萌生不定芽,也能使根部积累大量的养分,促进植物快速生长[15- 16]。荒漠草原灰钙土、红黏土和风沙土上的人工柠条林根际与非根际土壤理化性质、颗粒组成差异明显[17]。留茬高度对柠条分枝数、地上生物量无明显影响,翌年柠条返青率随着留茬高度的增加而降低,5—6月平茬柠条的再生性更好[10]。对不同种植带间距中间锦鸡儿平茬后林间生境变化研究发现,8 m种植间距较4 m和6 m间距更利于林间植被多样性增加、土壤质量改善和风蚀减少[16]。可见,目前有关柠条平茬研究主要集中在不同留茬高度、不同时期平茬后柠条生理生态特征变化以及不同种植密度平茬等方面。平茬密度对人工柠条林间生态的影响亦有一些报道。研究发现成片平茬方式易造成黄土丘陵半干旱区沙地裸露、风蚀加剧、沙地采取隔带或隔丛平茬较好[14]。全部平茬、隔行平茬和未平茬对荒漠草原柠条林土壤水分垂直变化影响显著[18]。立地条件、植被类型均影响着平茬后柠条林间生境变化,但有关平茬密度对柠条林间生境影响的研究报道较少[19],不同密度平茬后宁夏荒漠草原柠条林间植被土壤性状、风蚀状况变化还不清楚,还需进一步深入探究。因此,本文以宁夏荒漠草原人工柠条林不同密度平茬后林间生境为对象,对林间植被、土壤性状及土壤风蚀特征进行研究,以期确定该区人工柠条林适宜饲用平茬密度,为当地生态建设和柠条资源的科学饲用提供依据。

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柳杨堡土沟村荒漠草原,东经107°35′,北纬37°88′,地处干旱半干旱农牧交错区,具有独特的自然生态条件及农牧业生产特征。试验区属中温带大陆性气候,年平均降水量为300 mm左右,全年降水量60%多集中在7—9月,年蒸发量为2400 mm左右,年均气温为8.1℃,≥0℃的年积温3430.3℃,无霜期约160 d,年均风速2.59 m/s。地带性土壤为淡灰钙土,地带性植被为荒漠草原。主要分布有中间锦鸡儿(C.intermedia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、短花针茅(Stipabreviflora)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、猫头刺(Oxytropisaciphylla)、老瓜头(Cynanchumkomarovii)、砂珍棘豆(Oxytropispsamocharis)、乳浆大戟(Euphorbiaesula)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、猪毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)、蒺藜(Tribulusterrestris)等植物。

1.2 试验设计

试验区柠条为中间锦鸡儿(C.intermedia),属退耕还林工程种植,呈带状分布在荒漠草原上。试验选择当地退耕还林种植面积最大的6 m带间距人工柠条林,每带2行柠条,行距60 cm,种植时间为2003年,种植后到本试验前一直未进行过平茬。在试验区,选择地形、土壤、植被和生长状况一致的中间锦鸡儿灌木林及其林间草地作为研究样地。于2015年12月设置不同隔带间距平茬试验,共设置全平(QP)、隔一带平茬一带(G1P1)、隔一带平茬两带(G1P2)、隔两带平茬一带(G2P1)和未平茬(WP)5个处理,每个处理3次重复,平茬高度均为齐地平茬。试验设置详见简图1。

图1 不同平茬密度试验设置简图 Fig.1 Schematic diagram of different cropping densities(1)“×”, 未平茬处理的柠条灌丛 Caragana intermedia shrubs without flat stubble; “○”,平茬处理的柠条灌丛Caragana intermedia shrubs treated with flat stubble;(2) QP: 全部平茬 All stubble; G1P2: 隔一带平茬两带 Stubble two belts with one belt no stubble; G1P1: 隔一带平茬一带 Stubble one belt with one belt no stubble; G2P1: 隔两带平茬一带 Stubble one belt with two belts no stubble; WP, 未平茬 No stubble

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植被调查

于2018年8月,对平茬后林间植被特征进行调查。在各处理样地林间(两带柠条林中间)设置一条平行于柠条林的样线,在每个样线上等距设置3个样方,记录植物种类组成,并用常规方法分种测定频度、盖度、多度、高度及地上生物量,样方面积1 m2(1 m×1 m),3次重复。其中,频度、盖度和多度分别采用样圆法、针刺法和统计单位面积株数法测定；对每个物种随机测定30株自然高度作为其平均高度；分种齐地刈割样方内植物,带回室内放入65℃烘箱中烘至恒重称取地上生物量[16, 20]。

1.3.2 土壤采样及性状测定

植被调查的同时,用土钻在各处理样地样方周围用“S”形五点法采集土样,采集之前去除地表凋落物,按0—10,10—20,20—30、30—40 cm土层取样,3次重复[20]。采用环刀法测定0—180 cm土壤容重,每10 cm为一层,3次重复[21]。将采集到的土样放入保温箱(4℃)中带回室内,去除石块、草根等杂质后磨细,过2 mm筛,将过筛后的土样装入自封袋,用于土壤颗粒组成和养分的测定。

用Microtrac S3500激光粒度分析仪测定土壤颗粒组成[16],根据美国制土壤机械组成分类标准进行分类。土壤有机质、全氮、速效氮、全磷和速效钾含量依次采用重铬酸钾容量法、全自动凯氏定氮法、碱解扩散法、氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法和近红外光谱法进行测定[22]。

在植被调查样方附近埋设TDR探管。采用TDR测定各处理样地0—180 cm土壤体积含水率,测定时间为2018年4月—2018年11月,每月5日、25日测定,测定时按20 cm为一层,3次重复[23]。根据土壤容重将土壤体积含水率折算成土壤质量含水率[24]。

1.3.3 林间气温、风速和土壤风蚀

在2018年1月5日、4月5日、5月5日、7月5日、9月5日和10月5日,利用 Kestrel 3500手持气象站观测各处理距地面20 cm的风速和气温,测定时间为测定当天的早8点至晚6点,每隔2 h观测一次,3次重复。采用插钎法测定土壤风蚀量[25-26]。选用编好号的长钢钎(40 cm),在各处理内设置(柠条平茬时)1 m×1 m面积的钢钎,钢钎间的距离为0.2 m×0.2 m,地上保留高度为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

数据采用Excel录入、计算并做图,统计分析用DPS 7.05软件进行,采用One-way ANOVA和Duncan法进行显著性检验(α=0.05)和多重比较,根据测定数据,计算以下指标.

1.4.1 物种多样性

计算物种重要值、Margalef丰富度、Simpson优势度、Shannon-Wiener多样性和Pielou均匀度指数,公式如下[27]：

重要值=(相对频度+相对盖度+相对高度+相对生物量)×100/4

Margalef物种丰富度指数:

Ma=(S-1)lnN

Simpson优势度指数：C=∑(Pi)2

Shannon-Wiener多样性指数:H′=-∑PilnPi

Pielou均匀度指数:J=H′/lnS

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。

1.4.2土壤风蚀量[25-26]

W=100σbΔh

式中,W：土壤风蚀量(t/hm2)；Δh：前后两次测钎读数差值,吹蚀为负,风积为正(cm)；σb：土壤容重(g/cm3)

2 结果与分析

2.1 不同密度平茬后林间植被变化

2.1.1 植物生活型组成

各处理均以多年生草本的物种比例和重要值比例较高(表1)。G2P1物种总数最多(25种),G1P2最少(20种)。半灌木物种数和物种比例以WP最高,重要值比例以QP最高；多年生草本物种比例：G1P1>G1P2>G2P1>QP>WP,重要值比例：WP>G1P2>QP>G1P1>G2P1；一年生草本的物种数比例以G2P1最大(24.00%),重要值比例：G2P1>G1P2>G1P1>WP>QP。

表1 不同平茬密度下柠条林林间植物生活型组成

2.1.2 植物群落特征

由表2可知,总体上5种平茬处理林间植被盖度、优势度和均匀度指数差异不显著(P>0.05)。林间植被密度、高度和地上生物量以G2P1处理最高(P<0.05),G1P1植被密度和地上生物量显著低于G2P1、G1P2和QP,WP高度显著低于其他处理(P<0.05)。林间植物群落物种丰富度指数以QP、G1P1、G2P1较高；G1P1、G2P1和WP多样性指数显著高于QP和G1P2(P<0.05)。

表2 不同平茬密度下柠条林林间植物群落特征

2.2 不同密度平茬后林间土壤理化性质变化

2.2.1 机械组成和容重

整体来看(表3),各处理林间0—40 cm土壤均以细砂含量最高,介于74.79%—78.34%之间,均无粘粒。0—40 cm土壤粉粒含量以G1P1最高,G1P2和G2P1最低(P<0.05)；细砂含量G1P2、G1P1和WP较高,QP和G2P1较低(P<0.05)；中砂粒含量QP、G1P2和G2P1中较高,G1P1的中砂粒含量最低(P<0.05)；粗砂粒含量以G2P1最高(P<0.05)。0—40 cm土壤容重呈现QP≈G1P2≈WP>G1P1≈G2P1(P<0.05)。由图2可知,随土层的加深(0—40 cm),5种平茬处理土壤粉粒含量均呈增加趋势,而细砂粒含量恰好相反(P<0.05)；中、粗砂粒含量和土壤容重在垂直变化上无明显规律(P>0.05)。

表3 不同平茬密度下柠条林间土壤机械组成及土壤容重

图2 不同平茬密度下柠条林间土壤机械组成及土壤容重的垂直变化Fig.2 Vertical changes of soil mechanical composition and soil bulk density in C. intermedia forests under different cropping densities同一处理不同字母表示差异显著(P<0.05)

2.2.2 土壤水分

2018年4—11月,不同月份不同处理下,土壤水分在降水和植被消耗影响下变化不尽相同,其中QP、G1P2、G1P1和WP处理土壤含水量随月份的延长变化规律总体一致(图3),呈降低-升高-降低-升高趋势(P<0.05)；G2P1土壤含水量虽在不同月份间有波动,但4—5月,6—8月和9—11月间差异不显著(P>0.05)。由表4可知,4—5月,G2P1土壤含水量显著高于QP、G1P2 和WP(P<0.05)；6—8月,QP、G1P1和G2P1含水量显著高于G1P2和WP(P<0.05)；9—11月,各处理间土壤含水量差异不显著(P>0.05)。4—11月,整个试验期内G2P1处理土壤含水量最高,达到8.33%,G1P2和WP处理最低。

图3 不同平茬密度下柠条林林间土壤水分动态变化(2018年) Fig.3 Dynamic changes of soil moisture in the forests of C. intermedia forest under different cropping densities (2018)

表4 不同平茬密度下柠条林林间0—180 cm土壤水分差异/%

试验期内0—180 cm土壤含水量垂直变化规律如图4所示,由图可知,随土层深度的增加,WP土壤含水量呈先减少-后增加-再减少的趋势,在0—20 cm处最高,160—180 cm处最低；G1P2呈单峰变化趋势(先减后增),在120—140 cm处最低；G1P1处理总体呈下降趋势,在140—160 cm处最低；G2P1土壤含水量呈波动变化,在20—40 cm处最低,140—160 cm最高；WP土壤含水量与G1P2正好呈相反规律。

整体来看(图4),各处理水分垂直变异系数均小于10%,WP水分垂直变异系数大于其他处理,随土层深度的增加,各处理下水分垂直变异系数均无明显变化规律。其中,G1P2、WP在0—20 cm处、G1P1在100—120 cm处、G2P1在140—160 cm处变异系数均最小,分别为0.25%、0.10%、0.13%和0.57%。QP在60—80 cm和120—140 cm处变异系数最小,为0.15%。

图4 不同平茬密度下柠条林林间土壤水分垂直变化与变异系数Fig.4 Vertical variation and coefficient of variation of soil moisture in the forests of C. intermedia forests under different cropping densities

2.2.3 土壤养分

0—40 cm土壤养分含量表明(表5),5种处理,有机质和速效钾均呈现G2P1>G1P2>QP、G1P1>WP,全氮呈G2P1>G1P2、WP>G1P1>QP,速效氮呈G2P1>G1P2>G1P1>QP、WP,速效磷呈G1P1>G2P1>G1P2>WP>QP(P<0.05)。总体来看(图5),各处理速效磷、钾含量随土层的加深均呈下降趋势,而有机质、全氮和速效氮含量垂直变化无规律。

表5 不同平茬密度下柠条林林间土壤养分含量

图5 不同平茬密度下柠条林林间土壤养分含量垂直变化Fig.5 Vertical variation of soil nutrient contents in C. intermedia forests under different cropping densities同一处理不同字母表示差异显著(P<0.05)

2.3 不同密度平茬后林间小气候和土壤风蚀量变化

林间平均气温结果表明(图6),1月,QP显著高于G1P2和G2P1(P<0.05)；在4、5、10月,各处理间差异不显著(P>0.05)；7月,呈G1P2≈G1P1>QP>G2P1>WP(P<0.05)；9月,G2P1显著高于G1P2处理(P<0.05),与其他处理差异不显著(P>0.05)。

平均风速方面(图6),5种平茬处理林间日平均风速介于0.35—3.22 m/s之间。1月,QP林间风速显著大于G2P1(P<0.05),与其他处理差异不显著(P>0.05)；4月,QP显著大于G1P1和WP处理(P<0.05)；5月,QP显著大于G1P1、G2P1和WP(P<0.05)；7月,各处理间差异均不显著(P>0.05)；9月,QP、G1P2和G1P1显著高于其他处理(P<0.05)。

风蚀量数据表明(图6),1月,G1P1和G2P1出现风积现象,且二者风蚀量显著大于其余3种处理(P<0.05)；4月和5月,QP、G1P2和WP均为吹蚀现象,G2P1林间风蚀量显著高于QP、G1P2和WP(P<0.05)；9月,除G1P1为风积现象外,其他处理均为吹蚀现象,G1P1风蚀量显著大于QP和WP(P<0.05)；10月,G1P1和WP出现吹蚀现象而剩余处理为风积,WP风蚀量显著小于QP、G1P2、G2P1(P<0.05)。

5种平茬处理在整个监测期内(图6),林间平均气温、平均风速差异均不显著(P>0.05)；总体看,风蚀量以QP、G1P2和WP较高,G1P1、G2P1较小,G1P1和G2P1处理出现风积,剩余处理均为吹蚀。

图6 不同平茬密度下林间气温、风速以及风蚀量比较Fig.6 Comparison of air temperature, wind speed and wind erosion in forests under different cropping densities同一处理不同字母表示差异显著(P<0.05)

3 讨论

经过多年的生态建设,宁夏荒漠草原地上植被、土壤理化性质及小气候得到明显改善,生态环境处于好转[28]。一些研究表明,随着柠条平茬隔带间距的(密度)不同,土壤理化性状、土壤微生物等相继发生变化,进而影响地上植物群落特征[29]。本研究中未平茬(WP)半灌木物种数和物种比例最高,全部平茬(QP)后半

灌木重要值比例高达40.25%,说明QP或WP处理下,林间植被趋于灌丛化,这与未平茬柠条生长、全部平茬后柠条再生对林间草本生长影响有关[29]。总体看,不同密度平茬对柠条林间草地植被密度、高度、地上生物量及多样性影响显著,隔两带平一带(G2P1)林间物种总数、一年生草本物种数及重要值比例大于其他处理,这与其土壤含水量较高有关[16]。但是,平茬密度对林间植物群落盖度、物种优势度影响不显著,这可能与平茬后时间较短(3年)、群落演替过程较慢有关[19],还有待进一步研究。

土壤机械组成是影响土壤水肥状况的关键因子,荒漠草原中,表土极易遭到风蚀,细颗粒被吹走,粗粒积累[30]。本研究中5种平茬处理林间0—40 cm土壤粉粒含量在11.15%—15.59%之间,这与部分学者研究的退化沙质草地恢复过程中,土壤中粉粒含量呈明显累积态势基本一致[31]。隔两带平一带(G2P1)林间较高的土壤水分促使林间植被生长增加,产生的较多枯落物又作用于土壤,对土壤结构、蓄水能力和养分状况影响最明显[32],进而使G2P1土壤有机质、氮和速效钾含量、土壤容重改善最为明显[33],说明土壤与地上植物是相互统一的有机体,植被特征影响着土壤性状[34]。

土壤水分是干旱地区植被生长的重要限制因子[29]。杨永胜等人对平茬措施对柠条土壤水分状况研究发现,平茬第1年,柠条地块对土壤水分响应显著[13]。李耀林发现平茬对林地深层(200—400 cm)土壤水分有轻微恢复作用,但是浅层土壤(0—200 cm)水分的消耗相对更严重[14]。本研究中,平茬密度影响着土壤水分变化。隔两带平茬一带(G2P1)处理下,林间植被以多年生草本为主,较高的植被高度及盖度缓解了地表高强度的蒸腾作用[16],降低了风蚀作用所带走的地表水分,所以试验期间的4—11月土壤含水量以G2P1处理最高。同时,全部平茬(QP)后柠条地上生物量在一定时期内下降,减少了对土壤深层水分的消耗,所以在整个试验期内土壤含水量亦较高[18]。隔一带平茬两带(G1P2)和未平茬(WP)处理下林间植被盖度下降、裸地增加,地表蒸腾和风蚀作用变强,地表水分消耗加剧,致使这两个处理土壤含水量下降。柠条根系发达、入土较深,对深层次土壤养分和水分有一定的影响,尤其对土壤水分影响更为明显[14],因此本试验进行了0—180 cm水分监测。考虑本文主要比较柠条平茬密度对林间植被土壤影响,试验区林间植被根系大多在40 cm以上土层,因而对40 cm以下土壤性状没有进行研究,这还有待于今后进一步加强。

本研究中,土壤风蚀量变化与林间风速变化整体呈正相关关系[35],全部平茬(QP)后裸地面积增加,风蚀呈现增加趋势[18]。隔一带平一带(G1P1)和隔两带平一带(G2P1)处理下林间风速降低,出现风积,而其他三个处理出现吹蚀现象。说明随平茬密度的降低,柠条带抗风蚀或对外来流沙的拦截增强,土壤风蚀量减少。

综合研究结果可见,柠条林全部平茬或不平茬均会造成植被群落物种组成单一,多样性及群落数量特征降低,植被趋于灌丛化,土壤理化性状变差,地表风蚀加剧等。适宜的平茬密度(间距)有利于柠条林水土保持及林间植被物种多样性的增加。从生态、经济效益综合考虑,研究认为宁夏荒漠草原6 m带间距人工柠条林以隔两带平茬一带(G2P1)较为适宜。受客观原因限制,论文只选择了当地面积最大的6 m带间距人工柠条林进行了平茬密度研究,今后还可进一步对其他种植带距柠条林的平茬密度进行研究,以便更加全面地指导当地柠条资源的更新复壮和合理利用。

4 结论

(1)荒漠草原6 m带间距人工柠条林平茬后,林间植被物种数、密度、高度和地上生物量以G2P1最高,物种丰富度指数和多样性指数以G1P1、G2P1较高。

(2)G1P1、G2P1处理下0—40 cm土壤容重显著降低；土壤有机质、速效钾、全氮和速效氮在G2P1中最高,速效磷在G1P1处理最高；4—11月土壤平均含水量以G2P1较高,达到8.33%,G1P2和WP最低。

(3)各处理下林间平均气温和风速无显著差异；风蚀量以QP、G1P2和WP较高,G1P1与G2P1较小。综上平茬后林间生境变化,研究认为宁夏荒漠草原6 m带间距人工柠条林利用时可采取隔两带平茬一带的方式。