甘家湖典型防风固沙林健康评价

何苗, 宁虎森,*, 罗青红

甘家湖典型防风固沙林健康评价

何苗1,2, 宁虎森1,2,*, 罗青红1,2

1. 新疆林科院造林治沙研究所, 乌鲁木齐 830063 2. 新疆精河荒漠生态系统国家定位观测研究站, 新疆精河 833300

防风固沙林是干旱半干旱地区生态安全屏障的重要组成, 对其健康状况进行评价, 可为防风固沙林经营和管理提供科学依据。以甘家湖地区防风固沙林为研究对象, 使用样方调查和室内实验分析相结合的方法, 选取4个一级指标和17个二级指标, 采用生态系统健康指数模型对防风固沙林健康状况进行评价。结果显示, 甘家湖防风固沙林整体健康状况良好, 其健康指数范围在0.53—0.93之间, 均值为0.77, 样方中: 6.82%为“优质健康”状态, 47.73%为“健康”状态, 38.64%健康状态为“一般健康”, 6.82%健康状态为“差”。不同类型防风固沙林健康状况排序为: 梭梭林>胡杨林>混交林>柽柳林。今后应加强管护, 保证防风固沙林健康发展。

甘家湖; 森林健康; 梭梭; 胡杨

0 前言

森林的健康状态是森林发展状况的重要评价标准, 其并不是指森林无病虫害等状况发生, 而是这些不利因素处于较低水平, 森林生态系统保持相对稳定的状态[1-2]。基于对森林健康评价的认识, 现已不乏相关研究, 前人在此领域已取得一些成果, 其中有对某一地域范围所有森林的健康水平进行整体评价[3-5], 也有对区域内某一林种森林健康水平进行评价[6-8], 但相关研究大多集中在我国东部及南部自然环境较好的地区, 而关于干旱半干旱地区防风固沙林健康状况的评价相对较少。风沙侵袭一直是影响新疆生态安全的因素, 由于干旱半干旱地区生态环境脆弱, 森林作为干旱半干旱地区重要的生态屏障, 其防风固沙功能显得尤为重要[9-10]。植被作为森林生态系统的关键组成部分, 能够通过根系固定土壤及改善土壤结构等方式减少土壤风蚀, 同时增加下垫面粗糙度, 降低近地面风速, 从而减弱大风裹挟风沙, 减少或减弱沙尘暴的发生[11]。甘家湖地区位于古尔班通古特沙漠西南缘, 阿拉山口的强风夹带沙土向南是北疆多地沙尘暴或浮尘天气的主要成因之一, 其经过甘家湖地区时, 防风固沙林对这一过程有降低风速阻滞沙尘的作用, 从而减缓沙尘天气对其以南地区的影响[12]。本研究旨在通过调查分析, 对甘家湖地区防风固沙林森林健康状况进行科学评价, 为当地及自然条件相似地区防风固沙林经营和管理提供理论指导, 同时也为更好的发挥防风固沙林生态屏障的作用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区主要位于新疆乌苏市和博尔塔拉蒙古自治州精河县境内, 地处准噶尔盆地古尔班通古特沙漠西南缘(44°50'—45°05'N, 83°20'—84°07'E), 研究区总面积5.466×104hm2, 属温带荒漠气候地带, 全年太阳总辐射量约为536 J·cm-2·a-1, 年日照时数约2700 h左右, ≥10 ℃的积温为3600 ℃左右, 年平均气温6.7 ℃, 气温年际变化为5.9—8.5 ℃, 全年无霜期, 180 d左右[13-14]。区域内土壤主要是流沙、灰棕色荒漠土、灰漠土、盐漠土、和草甸土等类型。区域内植物资源丰富, 分布有梭梭()、白梭梭()、胡杨()、柽柳()、铃铛刺()、琵琶柴()等多种植物。该区域是我国研究荒漠生态系统的重要基地, 同时也是也是抵御艾比湖地区的风沙向东侵蚀的天然屏障。

1.2 研究方法

1.2.1 调查方法

1.2.1.1 调查样方选取

在研究区内, 根据地表植被类型, 选取四类样方: (1)梭梭样方: 梭梭纯林或以梭梭为明显优势种; (2)柽柳样方: 柽柳纯林或以柽柳为明显优势种; (3)胡杨样方: 胡杨纯林或胡杨林中伴生灌木较少且矮小; (4)混交林样方: 两种及以上植物共生且无明显优势种的混交林样方。混交林主要包括梭梭+柽柳、梭梭+白刺、梭梭+柽柳+白刺+琵琶柴、梭梭+铃铛刺+沙拐枣等多种类型。本次调查共选取44个样方, 其中: 梭梭样方8个、柽柳样方4个、胡杨样方9个、混交林样方23个。

1.2.1.2 调查方法

在植物生长较为旺盛的季节, 进入研究区进行样方调查, 调查内容主要包括样方的立地情况、植被生长状况、土壤状况及受干扰和病虫害状况。调查时, 设定样方大小为20 m×20 m, 并按照如下指标对样方进行调查:

(1)群落结构调查: 样方选定后, 记录样方基本信息及植被类型, 逐一测量样方中乔木和灌木并调查生长状况, 包括: 乔木胸径、冠幅、高度, 灌木种类、地径、冠幅、高度, 更新数量。采用五点法, 在样方中设置5个1 m×1 m的草本样方, 统计草本的种类、数量、高度、冠幅等数据。

(2)群落功能调查: 样地中土壤结皮类型。

(3)生境因子调查: 每个样方中挖出一个垂直深度20 cm的土壤剖面, 取0—20 cm土壤, 将土壤样品混匀后盛入封口袋中带回实验室用于测定土壤黏粉粒含量、有机质含量、含水量。

(4)健康风险调查: 样方中植被枯梢、病虫害和人畜干扰情况。

1.2.2 评价指标体系建立

本研究结合当地实际并请教相关专家, 同时参考前人研究成果, 遵从科学性和层次性原则, 同时考虑到实际性和易操作性, 设定了群落结构、群落功能、生境因子、健康风险四个一级指标, 在一级指标下分别选取了物种多样性、更新状况、人畜干扰等17个二级指标对防风固沙林健康状态进行评价。(表1)

1.2.2.1 指标测量与计算

样方中植被的株高、冠幅(取平均冠幅)、数量等指标可直接测得, 其他指标计算、判定方法如下:

(1)物种多样性: 物种多样性指数的计算公式各异, 而实质相近[15], 其大多基于物种种类数计算, 本研究将物种多样性直接简化为样方内植物种类数, 并划分成三级: >5种为“好”、3—5种为“中”、<3种为“差”[16]。

(3)保持水土: 调查样方中土壤结皮的类型, 分别将生物结皮、物理结皮与无结皮划分作“好”、“中”和“差”三个等级。

(4)土壤有机质: 采用重铬酸钾容量法测定[18]。

(5)土壤黏粉粒含量: 采用筛分法测定[19]。

(6)土壤含水量: 采用烘干法测定[18]。

(7)人畜干扰: 调查样方中是否有放牧等人畜扰动, 所有植被无牲畜啃食或牲畜啃食发生率<30%为轻度; 30%≤牲畜啃食发生率<60%为中度; 牲畜啃食发生率≥60%为重度。

(8)病虫害: 调查样方中植被受病虫害程度, 所有植被枝叶无病虫害或病虫害发生率<30%为轻度; 30%≤病虫害发生率<60%为中度; 病虫害发生率≥60%为重度。

(9)枯梢情况: 调查样方中植被枯梢状况, 所有植被无枯梢情况或植被枯梢率≤30%为轻度; 30%≤枯梢率<60%为中度; 枯梢率≥60%为重度。

1.2.2.2 评价指标量化方法

本研究采用等级评分法, 对所选取的指标进行量化处理, 将每个指标分为好、中、差三个等级, 并采用黄金分割法, 分别对好、中、差三个等级赋值为: 1.0、0.62、0.38[20]。(表1)

1.2.2.3 评价指标权重设置

权重计算采用层次分析法, 即通过专家打分法, 获得评价指标的权重判断矩阵后, 计算最大特征根所对应的特征向量, 并通过一致性检验[21]。

1.2.3 防风固沙林健康评价模型

本研究采用生态系统健康综合指数模型HI评价模型[21-22], 同时结合当地实际情况, 对甘家湖防风固沙林健康水平进行评价, 计算方法如下:

公式中:代表防风固沙林健康综合指数;W、W、W、W分别代表群落结构、群落功能、生境因子、健康风险四个一级指标的权重;w、w、w、w分别代表代表各一级指标下二级指标的权重;s、s、s、s分别代表样方在各二级指标中的得分;、、、为各一级指标下二级指标的数量。

表1 甘家湖防风固沙林健康评价指标等级及权重

各级指标权重满足:

1+2+3+4=1

1.2.4 健康等级划分

根据本次调查的实际情况, 并参考前人的相关研究结果[16,21], 按照森林健康指数分别定义森林健康状态等级(表2)。

2 结果与分析

2.1 防风固沙林整体健康评价分析

如图1所示, 由防风固沙林健康指数模型计算得出, 甘家湖地区防风固沙林44个样方健康指数变化范围为0.53—0.93, 主要集中在0.65—0.9之间, 共36个样方, 占总样方数的81.82%。甘家湖防风固沙林健康状况整体较好, 所有样方中, 健康指数小于0.6(“不健康”状态)的和大于0.9(“优质健康”状态)的样方各有3个, 分别占总样方数的6.82%。

2.2 不同类型防风固沙林健康评价分析

由图2可看出, 甘家湖地区防风固沙林健康状态以“一般健康”和“健康”为主, 其次为“优质健康” 和“不健康”。“不健康”样方主要为柽柳样方和胡杨样方, “优质健康”样方主要为梭梭样方、胡杨样方和混交林样方, 各类型防风固沙林中处在“一般健康”和“健康”状态的样方均在本类型样方中占比最大。

表2 防风固沙林健康等级划分标准

图1 甘家湖防风固沙林样方健康指数概率分布图

Figure 1 The probability distribution of health index of the windbreak and sand-fixation forest quadrats in Ganjiahu

甘家湖地区不同防风固沙林样方健康状况差异如表3、表4所示, 防风固沙林样方健康指数最小值0.5268出现在柽柳样方中, 柽柳样方中优质健康等级样方占比为0, 且其标准偏差为0.1613, 为四个类型样方中最大。防风固沙林样方健康指数最大值0.9362出现在胡杨样方中, 且胡杨样方标准偏差为0.0895, 为四个类型防风固沙林中最小。胡杨样方和混交林样方中, 处于“一般健康”和“健康”等级的数量最多, 这两种健康状态的样方总和分别占这两种防风固沙林样方的88.89%和86.96%。梭梭样方健康指数平均值为0.8304, 且“优质健康”样方占梭梭样方总数的12.5%, 均为四种类型防风固沙林中最高。

图2 不同健康等级防风固沙林样方数量

Figure 2 The number of the windbreak and sand-fixation forest quadrats in different healthy levels

2.3 不同类型防风固沙林环境指标比较

不同类型防风固沙林环境指标如图3所示, 四种类型防风固沙林样方中, 胡杨林样方的地表无结皮样方占总样方数占比最高, 且多数样方土壤中黏粉粒含量不高, 其他三种类型中, 地表无结皮样方均不超过本类型样方的25%, 且多数样方中土壤黏粉粒含量较高, 土壤含水量条件好的样方在四种类型样方中的占比差异不大。各类型样方中, 多数样方受人畜干扰情况较轻, 柽柳样方中受病虫害影响严重的样方占比最大, 混交林样方次之, 梭梭样方和胡杨样方中受病虫害影响严重的样方相对较少。

表3 不同类型防风固沙林健康状况比较

表4 不同类型防风固沙林健康指数比较

3 讨论

森林的健康状态良好, 有利于更好的发挥森林的生态和经济等多种效益[23]。防风固沙林健康综合指数模型HI评价模型计算结果显示, 甘家湖地区防风固沙林健康状况良好, 与前人在环境相似地区的研究结果相似[16], 这说明植被在长期的演化过程中, 已较好的适应了当地自然条件。不同类型防风固沙林中, 柽柳样方的标准偏差为0.1613, 在四种类型样方中最大, 表明该地区柽柳林健康状况差异较大, 可能是因为不同年龄柽柳对环境的适应性及抗干扰能力存在较大差异。胡杨样方的标准偏差为0.0895, 为四种类型样方中最小, 这可能是因为该地区胡杨林主要分布在奎屯河、四棵树河等河流沿岸, 自然条件相对较好, 故胡杨林健康状况较好, 且差异性较小。梭梭样方中, 优质健康样方占12.5%且无不健康样方, 说明梭梭在该地区环境生长适应良好。不同类型防风固沙林健康状态的差异表明了不同类型植物对当地环境适应性的差异及不同类型防风固沙林的稳定性不同。

通过此次调查发现, 部分防风固沙林受人为干扰较严重, 牲畜过度啃食影响植被正常生长, 进而影响防风固沙林的健康发展, 同时调查期间发现当地部分未进行药物喷洒除虫的防风固沙林虫害较严重, 蝗虫吸取植物汁液啃食叶片, 致使植物长势衰弱甚至死亡, 特别是相对较为低矮的灌木, 更容易遭受牲畜啃食及蝗虫灾害影响, 因而需加强管控放牧强度及除虫等管护工作, 保证甘家湖防风固沙林生长健康。森林的天然更新是森林繁衍的主要方式, 也是森林健康发展的重要保证[24-25], 本次调查时发现, 部分防风固沙林天然更新情况不好, 可采取封禁育林等方法促进防风固沙林的天然更新。森林健康状态是一个动态的过程, 本次调查评价的结果仅针对甘家湖防风固沙林当前的状况, 而并未长期连续的监测评价, 因而不能对其健康状况未来发展方向进行预判, 今后应进行定期调查研究, 从而给出科学建议, 为合理调整管护方式提供帮助。

注: A: 柽柳样方; B:胡杨样方; C: 梭梭样方; D: 混交林样方。

Figure 3 Comparison of environmental indicators of the windbreak and sand-fixation forest in different types

4 结论

(1)甘家湖防风固沙林整体健康状况良好, 其健康指数范围在0.53—0.93之间, 均值为0.77。

(2)不同类型防风固沙林健康状况排序为: 梭梭林>胡杨林>混交林>柽柳林。

(3)今后应加强管护, 减少人为扰动及病虫害对防风固沙林的影响, 保证防风固沙林更新, 促进其健康发展。

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Health evaluation of typical windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu

HE Miao1,2, NING Husen1,2,*, LUO Qinghong1,2

1. Research Institute of Afforestation and Desertification Prevention and Control, Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Urumqi 830063, China 2. Jinghe Desert Ecosystem Research Station, Jinghe 833300, China

Windbreak and sand-fixation forests maintain the stability of ecosystem in arid and semiarid area. Evaluating its health status could provide scientific support for forest protection and management in arid and semiarid area. Combined field survey and laboratory analysis, 4 categories and 17 secondary indicators were respectively selected; ecosystem health index model was used to evaluate the health of the windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu. The results showed that as a whole, the windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu was in good health; thevalue ranged from 0.53 to 0.93 and the mean value was 0.77. 6.82% quadrats were in quality health status, 47.73% quadrats were in health status, 38.64% quadrats were in general health status and 6.82% quadrats were in unhealthy status. The order of health status in different types of the windbreak and sand-fixation forest wasforest >forest > mixed forest forest >forest. The windbreak and sand-fixation forest should be managed and protected well and its health level should be enhanced in future.

Ganjiahu; forest health;;

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.010

S718.55

A

1008-8873(2022)04-078-06

2020-08-11;

2020-10-02

公益性科研院所基本科研业务费项目(KY202202); 新疆维吾尔自治区林业科技项目(XJLY-2019002);“十二五”国家科技计划课题(2012BAD16B03)

何苗(1990—), 女, 四川广元人, 助理研究员, 主要从事林木逆境生理、荒漠化防治研究, E-mail: hem009@126.com

通信作者:宁虎森, 男, 教授级高级工程师, 主要从事生态恢复和荒漠化防治等方面的研究, E-mail: ninghusen@sina.com

何苗, 宁虎森, 罗青红. 甘家湖典型防风固沙林健康评价[J]. 生态科学, 2022, 41(4): 78–83.

HE Miao, NING Husen, LUO Qinghong. Health evaluation of typical windbreak and sand-fixation forest in Ganjiahu[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 78–83.