立地类型对干旱沙区梭梭人工林群落特征的影响

马扎雅泰 赵晨光 李慧瑛 张斌武 谢宗才 李庆恩 赵承华

摘 要 结合2014—2017年阿拉善干旱沙区梭梭人工林群落野外调查和GIS技术，研究了立地类型对梭梭人工林群落特征的影响。结果表明：（1） 梭梭人工林立地类型质量等级排序为半固定沙丘>流动沙丘>石質土缓丘陵>石质土低山>砾石质戈壁荒漠。（2） 不同立地类型的梭梭人工林成活率和盖度存在显著差异，半固定沙丘显著高于石质低山和石质土缓丘陵，但保存率差异不显著;不同立地类型人工林的成活率、保存率和盖度变化与立地类型质量等级排序一致。（3） 梭梭人工林建设增加了半固定沙丘和流动沙丘草本层的植物种数量，但是对石质土缓丘陵、石质土低山和砾石质戈壁荒漠的植物种数量无显著影响。

关键词 梭梭人工林;干旱沙区;立地类型;群落特征

文章编号：1005-5215（2022）01-0035-06

中图分类号：S728.4 文献标识码：A doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.01.012

Abstract In order to improve the survival rate of afforestation and the efficiency of vegetation restoration in the desert，it is essential to evaluate the suitability of afforestation under the different site types. The study determines the effect of site types on community characteristics of Haloxylon ammodendron plantation in Alax desert based on the methods of field quadrat investigation from 2014 to 2017 and GIS. Results shows that： （1） the site quality of H. ammodendron plantation was ranking of semi-fixed dune > mobile dune > pebbly Gobi desert > rocky low mountain > soil low hill. （2） The survival rate and coverage of H. ammodendron plantation was different significantly，of which was higher in semi-fixed dune than in low hill and rocky low mountain，but not for preserving rate in the different site type，and the ranking was inconsistent with site quality，（3） Artificial planting of H. ammodendron increased the number of plant species in the herb layer of semi-fixed dunes and mobile dunes，but had no significant impact on the species diversity of other site types. Therefore，it is suggested better to select the semi-fixed dune and mobile dune to plant H. ammodendron，and consider the combining of artificial sand-fixation measures and H. ammodendron plantation the mobile dune is needed.

Key words Haloxylon ammodendron plantation;arid sand;site types; community characteristics

梭梭（Haloxylon ammodendron）是藜科梭梭属植物，小乔木，为国家三级濒危珍稀保护植物，也是古地中海区系的孑遗种，是亚洲荒漠区中分布最广泛的荒漠植被类型。我国天然梭梭主要分布在内蒙古、新疆、甘肃、青海等地，成为西北荒漠、半荒漠区的珍贵植物资源。但是，近半个世纪以来，受人类活动和气候变化影响，梭梭荒漠植被出现严重退化，20世纪90年代末横贯阿拉善荒漠东西长约800 km的梭梭林，已沦为植被稀疏的53万hm2的残林，有156.5万hm2梭梭由建群种变成次优势种、伴生种和偶见种，部分地段变成寸草不生的沙漠和砾石戈壁[1-3]。阿拉善梭梭人工林建设始于20世纪80年代，截至2019年底，阿拉善梭梭人工林面积已达46.9万hm2。随着梭梭人工林面积的持续增加，适宜于梭梭人工种植的宜林地面积逐年减少，未来梭梭人工林建设对区位选择的依赖性将越来越大，如何选择适宜的区域开展梭梭人工林建设成为迫切需要解决的现实问题。

目前，针对梭梭的研究主要集中在其生理和生态方面，包括梭梭的分布特征、生理生态特性、造林密度与水分平衡研究、更新复壮技术及其效益等[4-7]。但是，针对不同立地类型下梭梭人工林的适宜性（即如何选择适宜的造林地）研究相对较少。为了提高荒漠区造林成活率和进一步扩大梭梭人工林的面积，研究阿拉善荒漠梭梭人工林在不同立地条件下的适宜性、生长状况及群落变化特征对指导人工林建设中具有重要意义。本研究选择不同立地类型的梭梭人工林群落，基于野外样方法和GIS技术开展群落特征调查，揭示不同立地类型梭梭人工林群落特征和生物多样性变化规律，旨在为干旱沙区人工造林适宜区选择和后期抚育提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于阿拉善左旗，属干旱荒漠区，水资源严重匮乏，冬季干冷，夏季酷热，降水稀少，风大沙多。据阿拉善左旗气象站1958—2017年资料统计，年均降水量212.3±55.6 mm，年均氣温8.4±0.9 ℃，极端最高气温38.4 ℃，最低气温-28.5 ℃，无霜期192 d，年均风速2.7±0.5 ms-1，最大风速13.8 ms-1，地域性风向为东南风。土壤属典型的荒漠土类。其中，灰漠土、灰棕漠土为地带性土壤;风沙土、石质土、粗骨土、潮土、盐土均为非地带性土壤。

2 研究方法

2.1 立地类型划分

根据中国森林立地分类系统，采用立地类型组和立地类型两级分类系统[8，9]。同时，结合研究区的自然特性、植被、土壤、地形等分布特点，采用标准地样方调查与GIS方法，在森林资源二类调查和阿拉善左旗林地保护利用规划成果[10]基础上，将研究区立地类型划分为半固定沙丘、流动沙丘、砾石质戈壁荒漠、石质土低山和石质土缓丘陵5类。不同立地类型的土壤类型和天然分布植物种详见表1。

2.2 样地布设与样方调查

2.2.1 样地布设

根据研究区2014—2017年梭梭人工林分布和面积，分别于阿拉善左旗宗别立镇、吉兰泰镇、巴彦诺尔公苏木、银根苏木等地根据造林年限布设调查样地20个。每个样地根据立地类型沿西南—东北方向布设20 m × 20 m调查样方3个。同时，为每一个样地设置相应的对照区，对照区紧邻与之相对应的调查样地，其土壤条件、水文条件及地表微环境与其相应的造林区基本一致。地表植被为未经人类干扰的原生植被，总计布设调查样方120个。在20个样地的造林区及对照区，按照五点法在每个样地的造林区和对照区分别设置5个1 m × 1 m草本样方，以调查草本层植物组成与生物学特征参数。

2.2.2 生物学特性调查

于设置的20 m×20 m样方内调查每株梭梭的高度、冠幅、地径及地上部分生物量。为了不影响梭梭的生长，生物量采用标准枝法估算，即首先选择生长状况良好、枝径长度适中的枝条作为标准枝，通过对10个标准枝鲜质量称量确定标准枝质量（Bs），之后通过目测法估计每一株梭梭地上部分枝条与标准枝的比值（S），用以计算梭梭地上部分生物量（Babove）[11，12]，公式如下：

2.2.3 成活率与保存率调查

采用随机不重复抽样法对树种进行调查，以不同种植年限、不同立地类型下人工种植的梭梭为研究对象，每块样地随机抽取当年种植的梭梭5行，每组100棵，利用计数法进行成活率的统计调查，取平均值为成活率（%）。梭梭人工林保存率于造林后第2年和第3年秋季测定，方法同成活率调查，2年的平均值为梭梭人工林最终的保存率。

2.2.4 植被盖度

采用无人机（inspire2，大疆，中国）摄影技术对样地进行垂直拍摄，每个样方拍摄一张照片，拍摄高度设为25 m。获得的样方影像通过影像处理软件Pix4Dmapper拼接及正射校正后导入ArcGIS软件进行矢量化处理，提取样方范围内的区域，并判读植被垂直投影面积（Ap），样方面积为Aq，则样方植被盖度Cv为：

样地植被盖度取3个样方的平均值。

2.3 立地质量评价

立地质量评价采用地位指数表法[13]。采用单株生物量V作为衡量立地质量的指标，取灌丛高度H和灌丛平均直径D为影响生物量的林分因子，计算不同立地类型的梭梭单株生物量，模型表达式为：

根据梭梭人工林调查的20个样地数据，拟合函数获得梭梭单株生物量模型：

模型中6个参数估计标准误在0.52～11.172之间，模型决定系数R2=0.93，拟合精度较高。X2检验： df=16，X2=24.830<X20.05=26.296，检验合格。

由此，利用上述公式计算结果评价造林地梭梭造林立地质量，并将其划分为差（1～3）、中（4～6）和优（7～10）。

2.4 物种多样性评价

生物多样性在物种水平上的表现形式即为物种多样性。物种多样性测度指数按性质划分为以下4类：物种丰富度指数、物种多样性指数、均匀度指数及优势度[14]。

（1）Margalef 指数（S）：

（2）香农-威纳多样性指数（Shannon-Weiner index，H′）：

（3）辛普森指数（Simpson’s index，D）：

（4）Pielou均匀度指数（Pielou evenness index，J′）

（5）稳定性指数（ICV）：

式中：N为样方总体个数，S为样地植物种数，ni为第i个物种的个数，Pi = ni/N，Ni为种i的重要值，σ（N）为样方内物种数的标准差。

3 结果与分析

3.1 立地类型的质量评价

研究区梭梭人工林立地类型质量等级在半固定沙丘（S1）、流动沙丘（S2）、砾石质戈壁荒漠（S3）和石质土缓丘陵（S5）中以优为主，占比>40%，尤其是半固定沙丘和流动沙丘占比>70%;砾石质戈壁荒漠质量为优的占50%，质量为中和差的合计占50%。而石质土低山（S4）、石质土缓丘陵（S5）质量为差的比例为33%（图1）。综合来看，梭梭人工林立地类型质量等级排序：半固定沙丘（S1）>流动沙丘（S2）>砾石质戈壁荒漠（S3）>石质土缓丘陵（S5）>石质土低山（S4）。

3.2 不同立地类型梭梭成活率、保存率及生长状况

梭梭人工林种植当年的平均成活率约为77.9%。其中：半固定沙丘最高，可达84.2%，石质土低山最低，为73.7%。根据单因素ANOVA分析，不同立地类型梭梭人工林的成活率存在显著差异。基于LSD方法两两对比发现，半固定沙丘（S1）与石质土低山（S4）和石质土缓丘陵（S5）梭梭人工林的成活率存在显著差异，其他立地类型梭梭人工林的成活率差异不显著（表2）。

梭梭人工林种植后期的平均保存率约为71.6%。其中：半固定沙丘梭梭人工林保存率最高，为74.8%;石质土低山梭梭人工林保存率最低，为68.1%。不同立地类型下梭梭人工林成活率顺序和保存率一致。根据单因素ANOVA分析，不同立地类型梭梭人工林的存活率差异不显著（表2）。不同种植年份间，梭梭人工林的存活率存在显著差异，2017年的存活率显著高于2015和2016年，但与2014年无显著差异（图2a）。2014年、2015年和2016年种植的梭梭保存率差异不显著，但明显低于2017年（图2b）。造成这一现象的原因是梭梭人工林管护期为3年，本研究调查时间在2017年造林区的管护期内，管护期内每株梭梭人工浇水2次，每次15 L，管护期后，梭梭的水分补给主要依靠天然降水，因此2017年梭梭人工林的保存率明显高于2014—2016年。

Pearson相关分析表明，梭梭人工林的盖度与株高、冠幅、地径、生物量均呈显著的正相关关系，说明盖度变化可以反映植物的生长状况。梭梭人工林盖度均值为27.1%，其中：半固定沙丘梭梭人工林盖度最高，石质土低山最低。不同立地类型的梭梭盖度顺序与成活率和保存率一致。根据单因素ANOVA分析，不同立地类型梭梭人工林的盖度差异显著，基于LSD方法两两对比发现，半固定沙丘（S1） 与石质土低山（S4）、石质土缓丘陵（S5）梭梭人工林的盖度存在显著差异，其他立地类型梭梭人工林的盖度差异不显著（表2）。不同种植年份间，梭梭人工林的盖度差异不显著，但2017年显著低于2014年（图2c）。

3.3 不同生活型物种分布及物种多样性状况

生活型是植物对环境条件适应后在其生理、结构，尤其是在外部形态上的一种具体反映。梭梭人工林群落内主要植物种的生活型多为耐旱能力较强的灌木、半灌木。半固定沙丘、石质土低山立地类型下，1年生和多年生草本占植物种总数比例>60%;砾石质戈壁荒漠、石质土缓丘陵立地类型下，1年生与多年生草本占植物种总数比例≤60%;流动沙丘灌木和草本植被基本占比为50%（图3）。总体而言，半固定沙丘和石质土低山立地类型以1年生和多年生草本为主，砾石质戈壁荒漠、石质土缓丘陵立地类型以灌木与多年生草本为主，而流动沙丘灌木植物种和草本植物种所占比例基本相同。

不同立地类型下物种多样性指数变化见图4。种植区与对照区相比较，半固定沙丘、石质低山、石质土缓丘陵及砾石质戈壁荒漠的Margalef指数（S）、Shannon-Wiener指數（H′）、Simpson指数（D）、Pielous指数（J′）及稳定性指数（ICV）均无显著性差异，即立地类型对植物种的丰富度、多样性、优势度及稳定性没有显著影响。然而，对流动沙丘（S2）各个指数都显现出极显著的差异，说明梭梭的种植使得流动沙丘的植物种数量明显增多，种群的多样性增加，植物种在区域内分布更加均匀。同时，优势植物种显著增加，这一系列的变化表明了在流动沙丘梭梭人工林内的地表微环境得到了极为明显的改善。造成这一变化的原因除了梭梭种植增大了区域植被盖度，改善了地表土壤微环境外，还与梭梭种植灌溉使土壤水分增加有关。另外，在流动沙丘梭梭种植的同时设置了人工沙障，使沙丘得到固定，这有利于草本植物种子萌发与保存，使得物种数量和生物多样性明显增加。

4 讨论

梭梭荒漠群系是亚洲荒漠区分布最广的荒漠植被类型，其分布区与较松散的基质密切相关。一般而言，梭梭在沙质荒漠生长最好，被沙埋后生长旺盛[15]。阿拉善地区的梭梭荒漠群系包含5个群丛组，其中在半固定和固定沙地上分布的沙质梭梭荒漠群丛组面积最广，生长最好。由此可见，立地类型是影响我国梭梭天然分布的重要因子。本研究表明，梭梭人工林立地类型质量等级排序：半固定沙丘>流动沙丘>砾石质戈壁荒漠>石质土缓丘陵>石质土低山。这一结论与前人关于不同立地条件下梭梭生长状况的研究结果基本一致[16]，但是需要明确的是经过物理固沙措施（如沙障）后的流动沙丘才表现出适宜种植梭梭的表型，未采取物理固沙措施的流动沙丘仍不适宜作为人工造林地。可见，梭梭更适宜于生长在固定或半固定沙地上，这主要与梭梭根系的分布有关。研究表明，乌兰布和沙漠东北缘的梭梭人工林根系垂直分布随着年龄的增加具有下移趋势[17]，这意味着沙质土壤更适宜于梭梭根系的向下生长，以利更好的呼吸并获取更多的水分，根系呼吸速率与耗水成正比有利于梭梭生长[18]。

就不同立地类型的梭梭人工林成活率、保存率、生长状况及多样性指标方面，种植在流动沙丘中的梭梭的生长状况、存活率等指标都优于低山丘陵地区。这一点有别于纪永福等[19]的研究成果，区别在于前人研究成果强调经过生态环境的变化，梭梭在流动沙丘表现出生长良好的特征。但是本研究表明，采取物理固沙措施干预后的流动沙丘，为梭梭种植提供了较好的生存条件，使其在造林初期就已表现出明显优势。造成这一结果的主要原因是：研究中在流动沙丘上的梭梭人工林都布设了沙障，这一措施改变了流动沙丘立地条件下土壤环境稳定性差的状态，进而降低了梭梭根系遭风蚀裸露干化、树干倒伏和沙埋的风险，提高了成活率和保存率;其次，考虑到自然条件限制，在流动沙丘造林时往往选择靠近路边、湖边等自然条件相对较好的地域，可以保证水分的供给，使得流动沙丘上梭梭生长和存活优于其他立地类型。

梭梭人工林的物种多样性低于梭梭天然林[20]，其物种相对单一，优势度明显，丰富度不足，多样性指数偏低。这可能与梭梭人工造林引起土壤盐分增加有关[21，22]。随着造林时间的增加，物种丰富度和优势度基本无变化，多样性指数呈增加趋势。梭梭人工林对草本层的植物种变化有着明显的作用，其作用大小排序依次为：流动沙丘>石质土缓丘陵>半固定沙丘>石质土低山>砾石质戈壁荒漠。这一结果与巴丹吉林沙漠东南缘梭梭人工林建设30～40年后草本层逐渐增加并最终成为优势群落的结论一致[23]，造成这一结果的主要原因是流动沙丘作为原始地貌类型，基本无原生草本植被，通过物理固沙措施和梭梭种植的结合，稳定了植物生长的微土壤环境，为草本植被侵入和定居提供了条件。同样，在腾格里沙漠东南缘沙坡头人工固沙植被区也存在草本的大量侵入和定居[24]。

5 结论

本研究从立地类型质量评价、梭梭生长状况、生物多样性变化等多方面综合评估了立地类型对梭梭群落特征的影响，结果表明，梭梭更适宜于半固定沙丘或采取物理固沙措施的流动沙丘立地类型。因此，今后在梭梭人工林建设中应尽可能选择立地类型为半固定或经过人工固沙措施的流动沙丘作为造林区。选择流动沙丘开展人工林建设时应选择靠近路边、湖边等水分条件较好的地域。随着人工造林面积的不断增加，适宜人工造林的区域必将减少，在制定后期规划时，应考虑实际情况，根据造林区立地条件，调整人工林造林模式（如物理固沙+人工造林），以保证预期的造林成效。

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