科尔沁沙地奈曼沙区小叶杨防护林带间植被与土壤特性变化

郭欣宇杨 光李庆和薛艳春温雅琴杨溢文

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院 荒漠生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室,内蒙古呼和浩特010018;2.内蒙古自治区水利事业发展中心,内蒙古 呼和浩特010020;3.呼和浩特市水资源与河湖保护中心,内蒙古 呼和浩特010020;4.内蒙古自治区林业科学研究院 草原研究所,内蒙古 呼和浩特010010)

科尔沁沙地是中国面积最大的沙地,其土地荒漠化问题严重,作为半干旱农牧交错带的典型代表区域,为降低风速,涵养水源,固定流沙,有效减少水土流失,20世纪70年代至今科尔沁沙地营造了大面积的杨树人工防护林[1-2]。其中,在科尔沁沙地通辽市营造的杨树人工林面积占内蒙古人工林面积1/3以上,占全国杨树人工林面积的1/10,在林业建设中通辽地区杨树人工林的建设具有主导地位[3]。然而,由于种植密度与结构不合理,造林过程中出现了杨树衰败、枯死,形成了大面积低产低效林[4]。在林分生长的过程中,林下植被对土壤质量和养分循环有着重要影响,研究表明,林下的植被组成及多样性直接或间接导致土壤理化性质等[5-7]变化;土壤作为植物生长生存的基础,也对植物群落的结构和功能起到不可忽视的作用[8-9],土壤的理化性质对植物个体,林下植被物种组成及结构均有显著影响[10-12],植被—土壤系统互相作用的机理是控制生态系统过程的重要机制[13-14]。防护林的营造对林下植被与土壤有显著影响[15-16],防护林造林最适格局的研究是减缓土地退化的重要内容[17],诸多学者对于人工林植被与土壤特性的研究主要侧重在不同的林草地、农田、荒裸地中两者相互作用的影响或不同造林树种、不同植被恢复类型的比较上,在干旱、半干旱区探究合理造林模式与林下土壤和植被特性关系的研究并不多见。

中国林科院和内蒙古林科院在干旱区进行调查研究时发现,干旱区、半干旱区受水分制约,行带式水平配置结构造林对水分利用更为合理,且在同等密度条件下,行带式配置结构营造的人工林的防风固沙效果优于随机分布和等株行距分布[18-19];这种行带式的造林配置与早年国外研究中提及的干旱、半干旱区“二相镶嵌”等植被景观模式类似,但国外这类报道对该模式的研究主要围绕间距与带宽的比与降水量之间的关系[20-21];中国以杨文斌为代表的学者提出了干旱、半干旱区低覆盖度治沙的理念,其研究认为低覆盖度行带式固沙林能够有效改善沙地生态环境[22-23];在此基础上,姜丽娜[24]以科尔沁沙地的敖汉沙区为研究区,以“两行一带”低覆盖度杨树固沙林为对象,研究了不同带宽对土壤及植被修复的影响,结果表明行带式固沙林的不同带宽可以影响和调节植被与土壤间的相互作用。因此,本文以科尔沁沙地南缘的通辽市奈曼旗沙区为研究区,以当地最具代表性的“一行一带”式小叶杨(Populussimonii)人工防护林为研究对象,对不同带间距带间植被恢复、土壤理化性质关系进行研究,提出适宜当地更有效的带间植被修复与土壤发育的行带式配置结构模式,对科尔沁沙地人工林科学造林具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

本文试验的研究区位于科尔沁沙地南缘的内蒙古通辽市奈曼旗(120°19′40″—121°35′40″E,42°14′40″—43°32′20″N),气候属于北温带大陆性季风干旱气候,年平均气温6.0～6.5℃,平均降水量366 mm,春季风向以西南风为主,夏季多为东南风,其年平均风速为3.6～4.1 m/s[1-2];研究区土地沙漠化严重,南部黄土区主要是第四纪残积物、坡洪冲积物以及风积物组成,中部沙区和北部冲积平原区主要是冲积物、风积物和湖积物组成,主要土壤类型包括风沙土、栗钙土、草甸土等;研究区主要植被类型有差巴嘎蒿(Artemisiahalodeudron)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、黄柳(Salixgordejevii)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、狗尾草(Setariaviridis)、猪毛菜(Salsolacollina)等[25-26]。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

于2021年7月在研究区选择立地条件相同,造林年限相近的带间距为10,6,4,2 m的典型“一行一带”式小叶杨人工防护林各2～3个作为预试验样地,所选样地带间均为未经开垦的天然恢复植被,选择当地地带性植被的旷野作为对照样地;对每个样地设置30 m×30 m的乔木样方,通过每木检尺的方法调查样方内乔木的树高、基径、胸径、冠幅等;使用样方法对带间草本进行调查(尽量保证所有样方能够覆盖试验样地所有植物种),草本样方的大小为1 m×1 m,记录样方内植物种类、高度、盖度、频度等。预试验过程中草本样方与土壤取样点均为对角线三点取样,通过预试验对比发现,相同带间距的防护林植被与土壤试验数据高度相似,因此在其中选择具有代表性的不同带间距样地各一个作为最终试验样地,最终试验样地的草本样方与土壤为五点取样法,样地设置与取样示意图如图1所示(以10 m带间距样地为例),研究区防护林带基本群落特征详见表1。

图1 样地设置与取样示意图

表1 研究区防护林带基本群落特征描述

2.2 土壤样品采集与测定

土壤样品采集采取剖面法,取样点与取样时间均与草本样方相同,分3层取样,分别为0—20,20—40,40—60 cm。将土壤样品带回实验室,相同土层土样进行混合,每组重复试验3次;采用Na HCO3浸提钼锑抗比色法测定速效磷、NH4OAc浸提,火焰光度法测定速效钾,碱解扩散法测定碱解氮,重铬酸钾容重法(外加热法)测定有机碳。

2.3 数据处理与分析

2.3.1 重要值计算 选用重要值作为种群优势度指标能够表征发育过程中种群在防护林中的分布格局和功能地位。

重要值(Ⅳ):

式中:RHI为相对高度;RDE为相对密度;RFE为相对频度。

2.3.2 多样性指数计算 根据前人[27-30]对物种多样性的研究成果,选用Simpson多样性指数、Shannon-Wiener物种多样性指数;Pielou均匀度指数;Margalef丰富度指数来研究不同带间距杨树人工防护林的群落物种多样性变化。

2.3.3 统计与分析 使用Excel进行数据处理与绘图,使用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)检验与相关性分析,分析不同带间距土壤理化性质的差异性及其带间植被多样性与土壤理化性质间的相关性。

3 结果与分析

3.1 带间物种组成与多样性分析

研究区不同带间距小叶杨防护林和对照样地物种组成与重要值详见表2。随着防护林带间距的增大,植物种类数量、一年生与多年生草本数量随之增加;2 m与4 m带间距防护林优势植物种均为一年生植物,说明带间距窄的防护林物种组成较为简单,群落稳定性较低;6 m带间距防护林中多年生植物在群落中逐渐发挥重要作用;10 m带间距防护林优势种为一年生植物狗尾草与多年生植物甘草、达乌里胡枝子,说明10 m带间距的小叶杨防护林在物种组成、植被恢复程度、群落稳定性上都明显优于6 m,4 m,2 m带间距小叶杨防护林。

表2 不同带间距杨树防护林带间物种重要值

如图2所示,不同带间距小叶杨防护林多样性指数的变化表现为:带间距10 m＞6 m＞4 m＞2 m,10 m带间距与2 m带间距相比Simpson多样性指数高0.41,Shannon-Wiener物种多样性指数高0.98,Pielou均匀度指数高0.31,Margalef丰富度指数高0.77,试验涉及的几种带间距的防护林都远低于旷野对照样地,这说明以上几种带间距的小叶杨防护林的植被恢复仍然在初期阶段,植被恢复想要接近地带性植被仍是一个漫长的过程,带间距为10 m的防护林植被相比于其他几种带间距更有利于带间物种多样性的增加与植被的恢复。综上所述,以上几种带间距的行带式小叶杨防护林随着造林带间距的增加,物种多样性指数增大,群落稳定性增强。

图2 不同带间距防护林带间物种多样性变化

3.2 带间土壤物理性质变化

不同带间距小叶杨防护林0—60 cm土壤物理性质详见表3。由表3可知,在所有样地中0—60 cm土壤含水量依次表现为:2 m＜4 m＜6 m＜10 m＜旷野对照,同一样地不同土层土壤含水量依次表现为:0—20 cm＜20—40 cm＜40—60 cm,且这种趋势随着带宽的增加而增加,这主要是因为表层土的土壤含水量受地表环境中的风速、温度、湿度等因素影响蒸发较快;从方差分析结果可以看出,在0—20 cm土层中,2 m,4 m,6 m带间距杨树防护林带间土壤含水量无显著性差异(p＞0.05),在40—60 cm土层中,各样地之间均有显著性差异(p＜0.05),这说明,在表层土中带间距为2 m,4 m,6 m的样地土壤含水量相近,但与10 m带间距样地仍有差距;从变异系数上看,10 m带间距的土壤含水量在各个土层中的变化幅度更稳定。综上所述,在以上几种带间距的小叶杨防护林中带间土壤含水量随土层深度的加深而增加,随带间距的增大而增加。不同带间距小叶杨防护林0—60 cm土层的土壤容重依次表现为:2 m＞4 m＞6 m＞10 m＞旷野对照,同一样地不同土层土壤容重依次表现为:0—20 cm＜20—40 cm＜40—60 cm,这是因为植树造林,植被恢复,土壤表层分布着大量的植物根系,因此表层土壤较为松散,土壤容重较小;从方差分析结果上看,在所有不同样地中,10 m带间距的防护林最接近旷野对照样地;从变异系数的变化中可以看出,较宽的带间距土壤容重变异幅度最大,说明该带间距对土壤恢复的作用最明显,综上所述,在以上几种带间距的小叶杨防护林中带间土壤容重随带间距的增大而减小。

表3 杨树防护林带间土壤水分含量及容重的描述性统计

3.3 带间土壤化学性质变化

不同带间距小叶杨防护林的土壤化学性质变化如图3所示,在0—60 cm深度土层上,土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾的含量均表现为:旷野对照＞10 m＞6 m＞4 m＞2 m;其中有机碳含量在表层土壤中6 m与10 m带间距无显著差异(p＞0.05),在深层土壤中2 m,4 m,6 m带间距无显著差异(p＞0.05);土壤碱解氮含量在20—60 cm土层中2 m,4 m,6 m带间距无显著差异(p＞0.05),这种规律与有机碳表现相近,这是由于碱解氮含量与有机质含量密切相关;土壤速效磷含量与土壤速效钾含量在深层土壤中差异性规律不明显,这主要是由于速效磷和速效钾主要积累在耕层土壤中,因此不同样地的表层土壤规律与差异更显著(p＜0.05);从总体上看,不同带间距小叶杨防护林的有机碳和碱解氮含量随土层的加深而减小,随带间距的增大而增大,速效磷和速效钾的含量在表层土中随带间距的增大而增大,在深层土壤中表现出先降低后趋于平缓的规律,各样地差异性不显著(p＞0.05)。

图3 杨树防护林带间土壤养分含量及变化

3.4 带间植被多样性与土壤理化性质的相关性

对不同带间距小叶杨防护林带间物种多样性指数与不同土层深度的土壤理化性质进行Pearson相关分析,结果详见表4。由表4可知,在0—60 cm土层深度中,土壤容重与Simpson多样性指数、Pielou均匀度指数显著负相关(p＜0.05),与Shannon-Wiener物种多样性指数、Margalef丰富度指数极显著负相关(p＜0.01);土壤含水量与Margalef丰富度指数的相关性随土层深度的增加而上升,与Shannon-Wiener物种多样性指数在20—60 cm土层显著正相关(p＜0.05);速效磷与各多样性指数呈显著或极显著正相关(p＜0.05),速效钾的相关性规律不明显;碱解氮与Shannon-Wiener物种多样性指数和Margalef丰富度指数显著正相关(p＜0.05);在表层土壤中Margalef丰富度指数与各项土壤理化性质均呈显著或极显著正相关(p＜0.05)。

表4 物种多样性指数与土壤理化性质的相关关系分析

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 不同带间距小叶杨防护林带间植被特性的差异 行带式防护林带间距的宽窄差异从一定程度上来讲是造林密度的差异,对任何防护林来说,植被的恢复都是漫长而复杂的过程,科尔沁沙地土壤水分含量少、养分较为贫瘠,过密的种植导致了植物生长之间激烈的竞争。杨树本身根系吸水能力强,尽管部分学者认为杨树不适宜应用在干旱地区造林,但研究发现适宜栽植密度的杨树林带对干旱区自然植被修复和土壤发育有明显的促进作用[24]。一方面较宽的带间距减少了防护林本就稀少的水分和养分竞争,另一方面更宽的带间距降低了杨树林的郁闭度,遮荫面的减少让地面低矮的生活型植被可以得到更多的光源,光补偿能促使植被更好地进行光合作用,也提高了土壤温度,从而达到促生效果,同时造林间距变大使冠层对降水的截留能力减弱,草本能够更好地吸收天然降水。在中国许多干旱、半干旱地区营造的乔木、灌木防护林、人工林、固沙林,经过漫长的自然演替过程,都逐渐形成了覆盖度较低的植被群落[31]。

4.1.2 不同带间距小叶杨防护林带间土壤特性的差异 随着行带式小叶杨防护林的生长,带间土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾的含量均随着带宽的增加而增大,这主要是由于在防护林生长的过程中地表植被生长的变化、枯落物覆盖程度的不同,改变了土壤的微环境,提高了土壤的保水保肥能力,减缓了土壤水分蒸发和有机质的分解,其中土壤容重与土壤含水量的大小与土壤有机质含量密切相关,土壤有机质不仅能够促进土壤团聚体的形成,其本身也是疏松多孔的结构,能够有效提高土壤的通气性和吸水能力[32];较宽的带间距土壤养分含量更高,带间植被群落物种多样性较为丰富,植物根系数量更多,分布更密集更广泛,使土壤更松散,孔隙度更大,土壤吸水能力更强,这也在一定程度上提高了土壤含水量和土壤容重,这种植被物种多样性与土壤理化性质之间的相互作用关系也在本文的相关性研究中得到验证。

4.1.3 小叶杨防护林带间植被与土壤恢复的最适行带配置模式 在距离奈曼旗较近且同为科尔沁沙地的赤峰市敖汉旗沙区,杨文斌等学者[22]提倡的低覆盖度造林已取得显著成效,其研究认为更宽的带间距不仅有利于带间植被和土壤恢复,还能使干旱区土壤水分得到合理利用,提高固沙林的防风效果。杨文斌等人[18,23]在对固沙林带间植被和土壤恢复的相关研究结果与本文一致。姜丽娜[24]在敖汉旗沙区对造林年限为10 a左右的不同带间距“两行一带”杨树固沙林进行研究发现宽带间距可以明显加快土壤及植被修复的速度,不同带间距行带式固沙林土壤植被恢复效果随带宽的增大而提升,这种规律与本文的研究结果一致,但其研究认为科尔沁沙地敖汉旗沙区最适宜的造林模式为20 m带间距的“两行一带”造林模式,但通过实地调查发现,同为科尔沁沙地南缘的通辽市奈曼旗沙区鲜有10 m或10 m以上低覆盖度行带式固沙林,“一行一带”式为现阶段的主要造林模式。石星对敖汉沙区的赤峰杨固沙林研究发现低覆盖度固沙林对带间小气候存在一定影响,低覆盖度行带式固沙林不仅能够降低空气温度,增加带间相对湿度,还能够阻挡带间太阳辐射[33]。对于带间生长的植被来说近地层大气温湿度是其生长生存的重要条件,本文试验研究中最接近低覆盖度固沙林的为带间距10 m的小叶杨防护林,尽管由于其株距过小,并没有达到真正意义上的低覆盖,但与带间距更小的防护林相比,10 m带间距小叶杨防护林在带间植被与土壤的恢复上体现了明显的优势。小叶杨作为当地防护林最主要的造林树种,一直以来都面临着“小老树”问题,内蒙古林科院的闫德仁[3]就科尔沁沙地杨树防护林衰退原因进行探讨发现,包括奈曼旗在内的科尔沁沙地地区普遍存在着造林密度过大问题,种植密度已经远远超过当地降水与自然水位承载的范围,这成为了加速防护林衰败死亡的重要原因。杨文斌等人[34]认为当人工固沙林的覆盖率过高时,深层土壤或地下水的补给无法通过降水实现,但行带式低覆盖度固沙林的设计确保了降水的渗漏与补给,保证了人工林能够长久且稳定地生长发育。结合本文与诸多学者研究,可见密植并不适用于干旱、半干旱区人工造林,改变固有造林模式,是提高林地生产水平的重要途径。宽带间距的行带式造林相对更适宜科尔沁沙地的生态环境,增加行带宽度总体有利于带间植被与土壤的恢复与稳定,在日后奈曼沙区的防护林造林过程中应该考虑摒弃传统的密植,探索低覆盖度造林新模式防沙治沙,适当增大行带式防护林造林带间距,使人工防护林更有效地发挥其水土保持效益。

4.2 结论

(1)行带式小叶杨防护林的带间距大小对带间植被的恢复有明显的影响,在自然状态下,10 m带间距的防护林在带间物种组成、植被恢复程度、物种多样性指数上都明显优于带间距为6,4,2 m的防护林。

(2)带间距为10 m的小叶杨防护林对带间土壤修复的促进作用比带间距为6,4,2 m的防护林更明显,防护林带间土壤含水量及土壤养分随着带间距的增加而增大,土壤容重随带间距的增大而减小。

(3)在0—60 cm土层深度中,不同带间距小叶杨防护林带间物种多样性指数与土壤理化性质呈现出不同程度的显著或极显著相关(p＜0.05),其中与各物种多样性指数相关性最大的为土壤容重,与各土壤理化性质相关性最明显的物种多样性指数为Margalef丰富度指数,说明植被恢复与土壤恢复是相辅相成的。因此在科尔沁沙地奈曼沙区小叶杨人工造林过程中,综合考虑带间植被与土壤恢复,行带式造林带间距达到10 m为宜。