丁改改, 蔣 進(jìn), 宋春武, 李生宇, 王海峰, 周 杰,3, 李亞萍

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古爾班通古特沙漠人工梭梭林群落生態(tài)特征研究*

丁改改1,2, 蔣 進(jìn)1**, 宋春武1, 李生宇1, 王海峰1, 周 杰1,2,3, 李亞萍1,2

(1. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 烏魯木齊 830011; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站 策勒 848300)

為探究古爾班通古特沙漠南緣莫索灣地區(qū)33年來人工梭梭林群落(依靠天然降水)的生態(tài)特征, 本文對(duì)兩種造林技術(shù)(積雪-客沙造林和秋灌造林)人工梭梭林地梭梭的長勢、草本植物、土壤水分進(jìn)行了調(diào)查和監(jiān)測。結(jié)果表明: ①積雪-客沙造林和秋灌造林梭梭至今生長良好, 目前植株高度和冠幅均大于2 m和2 m2, 當(dāng)年新生枝條長度均大于20 cm; 初始造林梭梭存活率較高, 分別為40%和63%; 經(jīng)過自然更新, 現(xiàn)有密度均有所提高, 人工林形成異齡復(fù)層混交林, 林下生長有不同優(yōu)勢種的草本植物; 土壤含水量均>2.00%, 能夠滿足梭梭生長。②由于兩種造林技術(shù)的土地處理方式和初期水分供給量不同, 導(dǎo)致兩種林地梭梭生長、林下草本植物蓋度和多樣性以及天然更新梭梭植株數(shù)量均有很大差異, 整體秋灌造林地的狀況優(yōu)于積雪-客沙造林地。③兩種造林技術(shù)對(duì)于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件均有很好的適應(yīng)性, 雖然積雪-客沙造林密度相對(duì)較低, 但優(yōu)于自然植被狀況, 且造林成本低; 秋灌造林密度較大, 天然更新植株數(shù)量較多, 但造林成本高, 后期生長較緩慢, 需要采取一定的人工措施調(diào)整密度。綜上可知, 積雪-客沙造林和秋灌造林梭梭目前生長均較穩(wěn)定, 后者對(duì)該區(qū)生態(tài)條件適應(yīng)性更強(qiáng)。

積雪-客沙造林; 秋灌造林; 梭梭林; 自然更新; 物種多樣性; 土壤水分; 古爾班通古特沙漠

人工造林是防治沙漠化的有效措施之一, 在我國西北荒漠地區(qū)生態(tài)恢復(fù)重建中發(fā)揮了重要作用[1-3]。但20世紀(jì)50年代以來, 世界各國人工林衰退現(xiàn)象時(shí)有報(bào)道, 我國部分人工林也出現(xiàn)了衰退、甚至死亡現(xiàn)象[4], 如: 部分“三北”防護(hù)林出現(xiàn)林木衰退; 甘肅河西走廊主要造林樹種楊樹(spp.)生長緩慢或停滯, 成“小老頭樹”; 科爾沁沙地主要造林樹種樟子松部分死亡。這些現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是人工林樹種選擇、種植技術(shù)與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件不完全適應(yīng)[5-7]。

古爾班通古特沙漠是我國第二大沙漠, 以固定、半固定沙丘為主。20世紀(jì)80年代以來, 由于氣候變化和人為活動(dòng)的干擾, 沙漠天然植被嚴(yán)重退化, 覆蓋度明顯降低, 部分地段植被蓋度甚至降低至5%以下, 沙漠趨向活化[8]。在古爾班通古特沙漠西南緣的莫索灣地區(qū)是沙丘活化的典型區(qū)域, 綠洲外圍沙丘普遍活化, 形成了一條寬約10~20 km, 長80 km的沙丘活化帶, 大部分已演變成流動(dòng)沙丘, 侵入綠洲, 埋沒農(nóng)田, 對(duì)沙漠邊緣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害[8-10]。1984年, 中國科學(xué)院新疆生物土壤沙漠研究所(現(xiàn)為中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所)科學(xué)家根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際條件, 進(jìn)行了秋灌造林和積雪-客沙造林技術(shù)試驗(yàn), 成功建造了人工梭梭()林, 固定了活化沙丘, 改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境, 保障了綠洲生態(tài)安全[11], 并在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用推廣, 促進(jìn)了區(qū)域生態(tài)退化的恢復(fù)。莫索灣地區(qū)屬干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng), 降水稀少, 年變率大[12], 積雪-客沙造林自種植起僅依靠天然降水維持生長, 秋灌造林也僅在造林最初4年進(jìn)行過人工灌溉。因此, 兩種林地在長期免灌溉條件下, 土壤水分是否能夠滿足林地梭梭的正常生長, 林地群落的生態(tài)特征狀況如何, 以及兩種林地在推廣應(yīng)用中的可靠性和林地功能發(fā)揮的可持續(xù)性等都是亟待研究和解決的問題, 這也是評(píng)價(jià)研究區(qū)造林技術(shù)對(duì)區(qū)域適應(yīng)性的關(guān)鍵。

本文從土壤水分狀況、林分自然更新和林下草本物種多樣性等林地關(guān)鍵生態(tài)特征角度, 對(duì)近8 a兩種造林技術(shù)下梭梭林土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)、2016年林分齡級(jí)分布以及林內(nèi)植被組成調(diào)查數(shù)據(jù)分析, 明確了該區(qū)33 a來人工梭梭林群落生態(tài)特征, 并探討該區(qū)兩種人工林造林技術(shù)的異同和功能發(fā)揮的可持續(xù)性, 為干旱區(qū)人工造林技術(shù)適宜性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

莫索灣(45°03￠N, 86°06￠E, 海拔314 m)位于古爾班通古特沙漠西南緣, 為典型大陸干旱荒漠氣候, 年降水量114.89 mm, 年蒸發(fā)量1 942.1 mm, 干燥度16.9; 年平均氣溫4~6 ℃, ≥10 ℃的活動(dòng)積溫3 000~ 3 500 ℃, 年平均日照時(shí)數(shù)3 100~3 200 h; 春夏兩季為風(fēng)季, 最大風(fēng)速達(dá)20 m×s-1。該區(qū)冬季積雪厚度約為13 cm左右, 最厚可達(dá)27 cm, 春季溫度回升, 積雪融化, 降水增多, 土壤濕潤含水量增加。地帶性土壤為荒漠灰鈣土, 部分土地發(fā)生堿化[13]。

積雪-客沙造林是利用沙土濕沙層進(jìn)行造林。即在自然流沙地上, 早春將沙地表層上的積雪掃成堆, 待雪融化后, 人工挖掘植樹坑, 坑內(nèi)徑60 cm以上, 挖透干沙層, 栽植梭梭后, 將濕沙再填入坑內(nèi), 當(dāng)時(shí)的造林密度為667株×hm-2, 造林后至今33 a未進(jìn)行人工灌溉(圖1)[8]。

秋灌造林是在機(jī)械平整的沙地上, 于秋季灌溉翌年春季造林。沙地平整后, 作畦開溝, 畦寬3~10 m, 溝距4~5 m, 10月份畦漫灌1 000~1 400 m3×hm-2, 溝灌750~900 m3×hm-2; 翌年3月按2 500株×hm-2進(jìn)行造林, 造林后前4 a(1984—1987年)每年秋季補(bǔ)水一次, 灌溉量約為1 500 m3×hm-2, 后至今, 共計(jì)29 a無人工灌溉[14](圖1)。

2 研究方法

2.1 觀測樣地設(shè)置

2016年4月, 在積雪-客沙造林地長期土壤水分觀測點(diǎn)周圍, 選擇林地長勢相近、林分密度相似的區(qū)域, 分別設(shè)置4個(gè)10 m×10 m的調(diào)查樣地, 編號(hào)為A1、A2、A3和A4, 樣方間距保持在50 m以上。以同樣方式, 在秋灌造林地長期土壤水分觀測點(diǎn)周圍, 選擇4個(gè)10 m×10 m灌木調(diào)查樣地, 分別編號(hào)為B1、B2、B3和B4。對(duì)樣地中梭梭植株進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)(2016年當(dāng)年生梭梭植株除外), 按照對(duì)角線法設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的林下草本植物調(diào)查小樣方, 分別調(diào)查林下草本植被狀況(圖2)。

2.2 梭梭種群特征觀測

2.2.1 長勢

2016年5月, 記錄樣地內(nèi)梭梭種群的現(xiàn)存活梭梭株數(shù), 與初始造林株數(shù)(根據(jù)造林密度計(jì)算)之比, 得到梭梭種群的存活率。4—10月, 在每塊樣地人工種植梭梭種群(根據(jù)行列、株高和地徑判斷)中選擇17株標(biāo)準(zhǔn)木(掛牌), 用鋼卷尺定期測量株高(cm)、冠幅直徑(cm); 每株固定(掛牌)測量15個(gè)新生枝條, 測量其生長量。4個(gè)樣方測值取平均值。

2.2.2 種群齡級(jí)結(jié)構(gòu)

前人研究表明, 無論在哪種生境下, 在株高、冠幅和地徑3個(gè)指標(biāo)中, 梭梭種群內(nèi)植株個(gè)體間的株高變異系數(shù)都最小, 能較好地反映梭梭的年齡[15-17]。故本文以株高為齡級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。2016年7月, 測量樣地中梭梭種群內(nèi)所有梭梭植株的株高。依據(jù)梭梭株高, 以40 cm作級(jí)差, 將調(diào)查樣地內(nèi)梭梭劃分成Ⅰ~Ⅵ個(gè)齡級(jí), 統(tǒng)計(jì)梭梭種群內(nèi)各齡級(jí)株數(shù)所占比例。同時(shí), 于2016年4—11月, 定期記錄樣地梭梭種群內(nèi)新生梭梭幼苗的株數(shù), 計(jì)算幼苗的存活率和死亡率。

2.3 林下植被調(diào)查

2016年4—6月, 調(diào)查記錄樣方中林下草本植物的種類、株數(shù), 并測量每株植物的株高和冠幅。用數(shù)碼相機(jī)對(duì)草本樣方垂直拍照, 用軟件Image Pro Plus獲得照片中植物地上部分地面垂直投影面積百分?jǐn)?shù), 計(jì)算出各樣方的植被蓋度(%), 多個(gè)樣方取平均值。

2.4 土壤含水量測定

2009—2016年, 每年4—10月, 每月中旬采用土鉆取樣, 取樣深度0~120 cm, 按10 cm分層; 樣品帶回實(shí)驗(yàn)室, 用1/1 000電子天平稱鮮重, 在烘箱內(nèi)(105 ℃)烘8 h后, 測定土壤含水量。

2.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

用Origin 8.0軟件繪圖, 用SPSS 20.0數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析(非參數(shù)檢驗(yàn))和Pearson相關(guān)分析。植物物種多樣性指標(biāo)包括重要值、物種豐富度指數(shù)和多樣性[Shannon-Wiener指數(shù)(′)、Simpson指數(shù)()、Pielou均勻度指數(shù)(sw和si)], 計(jì)算方法參考陳生云等[18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 人工梭梭林的種群特征

3.1.1 人工種植梭梭保存率

根據(jù)樣地梭梭種群中正常生長齡級(jí)最大的梭梭植株數(shù)量的調(diào)查, 參考最初造林密度, 發(fā)現(xiàn)目前積雪-客沙造林梭梭植株保存率僅為40%, 而秋灌造林地保存率較大, 平均可達(dá)63%。

3.1.2 人工種植梭梭長勢和當(dāng)年新枝生長量

由圖3可知, 兩種造林技術(shù)下梭梭株高4—10月均呈逐漸增高的趨勢, 說明目前梭梭仍能生長。2016年積雪-客沙造林和秋灌造林梭梭平均株高分別為2.43 m和2.35 m, 積雪-客沙造林8月份株高顯著降低, 主要是因?yàn)閮芍旮哌_(dá)3.2 m的梭梭因大風(fēng)上部折斷。積雪-客沙造林和秋灌造林梭梭的平均冠幅分別為2.46 m2和2.70 m2, 冠幅各月間生長波動(dòng)性較大(受測量誤差、沙鼠啃食等影響), 但總體呈增加趨勢(圖3)。

梭梭當(dāng)年新枝生長量逐漸增加(圖4), 各月均為積雪-客沙造林顯著大于秋灌造林(4月和5月除外)(<0.05); 在生長季末期, 達(dá)到最大值, 其中積雪-客沙造林9月達(dá)到39.08 cm, 秋灌造林8月份達(dá)到28.49 cm(9月因白粉病降低至24.31 cm)。

3.1.3 人工梭梭林種群的齡級(jí)結(jié)構(gòu)

植物種群結(jié)構(gòu)是種群內(nèi)不同大小、年齡個(gè)體數(shù)量的分布[19]。調(diào)查結(jié)果顯示, 積雪-客沙造林地的梭梭種群密度為825株×hm-2, 秋灌造林為3 600株×hm-2, 均高于初始造林密度。根據(jù)株高對(duì)林地梭梭種群內(nèi)植株進(jìn)行了齡級(jí)劃分, 各齡級(jí)植株占比如圖5所示。低齡級(jí)梭梭(Ⅰ~Ⅳ齡級(jí))是自然更新形成的, 用低齡級(jí)與高齡級(jí)梭梭(Ⅴ、Ⅵ齡級(jí))之比可以表示種群的自然更新能力, 積雪-客沙造林地和秋灌造林地的比值分別為0.8∶1和1.13∶1, 可見, 這兩種梭梭林地均已具備較好的自然更新能力, 而秋灌造林地的自然更新能力相對(duì)更強(qiáng)。

齡級(jí)按株高劃分, Ⅰ齡級(jí)為≤40 cm, Ⅱ齡級(jí)為40~80 cm, Ⅲ齡級(jí)為80~120 cm, Ⅳ齡級(jí)為120~160 cm, Ⅴ齡級(jí)為160~200 cm, Ⅵ齡級(jí)為>200 cm。Age class is divided by plant height. The plant heights of age classⅠ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ and Ⅵ are ≤40 cm, 40-80 cm, 80-120 cm, 120-160 cm, 160-200 cm, and >200 cm, respectively.

在低齡級(jí)梭梭中, 各齡級(jí)所占比例不同, 尤以Ⅱ齡級(jí)梭梭所占比例最高, 積雪-客沙造林和秋灌造林分別達(dá)到47%和59%。這表明研究區(qū)梭梭種群的各年份自然更新植株數(shù)量不同, 在個(gè)別豐水年實(shí)生苗能夠持續(xù)存活生長, 形成較強(qiáng)的競爭能力, 同時(shí)種群內(nèi)不同齡級(jí)植株均有分布, 形成健康的種群結(jié)構(gòu)。

3.1.4 當(dāng)年自然更新梭梭幼苗存活率

2016年對(duì)兩種造林地梭梭種群新發(fā)生梭梭幼苗的存活變化過程繪制了存活率曲線(圖6), 發(fā)現(xiàn)夏季幼苗存活率較低, 只有少部分能存活至生長季末; 至11月中旬, 積雪-客沙造林梭梭存活率為41.0%, 秋灌造林為53.4%。

3.2 林下草本植物多樣性

林下植被對(duì)保持沙漠穩(wěn)定、防風(fēng)固沙有重要作用[20], 是調(diào)整林分結(jié)構(gòu)和恢復(fù)地力的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子[21]。兩種林地的林下植被均以藜科植物為主, 且短命植物分布較多, 物種豐富度表現(xiàn)為積雪-客沙造林高于秋灌造林。積雪-客沙造林地林下植被春季以彎曲四齒芥()、刺沙蓬()和狹果鶴虱()為優(yōu)勢種, 各優(yōu)勢種重要值基本一致; 秋季以沙蓬()為優(yōu)勢種。秋灌造林地林下植被春季以蟲實(shí)()、濱藜()和卷果澀薺()為優(yōu)勢種,蟲實(shí)為絕對(duì)優(yōu)勢種; 而秋季以角果藜()為絕對(duì)優(yōu)勢種。積雪-客沙造林和秋灌造林地林下草本植被蓋度分別為25.12%和32.23%, 超過沙面穩(wěn)定臨界植被蓋度14%[22], 能夠有效地穩(wěn)定沙面。兩個(gè)林地草本植被α多樣性不同, Simpson指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)差別不大, 而秋灌造林地的Shannon-Wiener指數(shù)低于積雪-客沙造林(表1)。

表1 莫索灣地區(qū)積雪-客沙造林和秋灌造林的33年生梭梭林地林下草本物種多樣性

3.3 土壤水分狀況

3.3.1 土壤水分垂直分布

圖7為兩林地8 a土壤平均含水量的垂直分布圖, 可見兩種林地土壤的水分垂直變化明顯不同。積雪-客沙造林土壤水分隨土壤深度的增加先增大后趨于穩(wěn)定, 而秋灌造林則呈波動(dòng)變化, 在30 cm、50 cm和70 cm土層出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。比較兩個(gè)林地各層土壤含水量發(fā)現(xiàn), 0~30 cm和70~100 cm土層秋灌造林土壤含水量較積雪-客沙造林高, 兩個(gè)土層土壤含水量積雪-客沙造林分別僅為1.57%和2.63%, 秋灌造林則分別為2.00%和2.99%。

積雪-客沙造林和秋灌造林土壤水分變化范圍分別為1.05%~2.82%和1.66%~3.24%, 平均含水量二者基本相同, 積雪-客沙造林為2.29%, 秋灌造林為2.30%。從變異性來看, 積雪-客沙造林大于秋灌造林, 土壤水分平均變異系數(shù)分別為0.49和0.22, 表明秋灌造林土壤水分更穩(wěn)定。

3.3.2 土壤水分時(shí)間變化

圖8a是兩個(gè)林地2009—2016年的土壤平均含水量變化, 積雪-客沙造林地土壤水分含量受天然降水影響很大, 秋灌造林0~70 cm土層年平均土壤含水量和積雪-客沙造林0~120 cm土層平均土壤含水量與年降雨量呈顯著正相關(guān)。積雪-客沙造林和秋灌造林年平均土壤水分變化分別為1.04%~3.92%和1.68%~3.00%, 可見積雪-客沙造林年際波動(dòng)幅度大于秋灌造林地。積雪-客沙造林平均含水量略大于秋灌造林, 多年平均含水量分別為2.18%和2.30%。

由圖8b 可知, 兩個(gè)林地月平均土壤含水量與月平均降雨量之間相關(guān)性不顯著; 積雪-客沙造林和秋灌造林土壤水分4—9月逐漸降低, 10月略有回升; 在降水較多、蒸發(fā)較小的4—6月, 積雪-客沙造林土壤含水量高于秋灌造林, 而至蒸發(fā)較大的7—10月, 積雪-客沙造林土壤含水量則略低于秋灌造林。兩個(gè)林地最低含水量一致, 均為1.94%, 月最高土壤含水量和平均含水量不同, 積雪-客沙造林為3.95%和2.61%, 秋灌造林分別為2.78和2.42%。

2015年為干旱年, 年降水量(81.65 mm)低于多年平均降水量(114.89 mm), 積雪-客沙造林最低含水量僅為0.45%, 月變異系數(shù)為0.58, 而秋灌造林最低含水量為1.41%, 月變異系數(shù)為0.14。因此, 從土壤水分時(shí)間變化來看, 當(dāng)年降雨量(2013—2015年)和月降雨量(7—10月)較低時(shí), 秋灌造林土壤含水量略高于積雪-客沙造林, 表明秋灌造林對(duì)干旱的抵抗能力強(qiáng)于積雪-客沙造林。

4 討論

4.1 兩種人工林地生態(tài)差異的原因分析

兩種人工林地的生態(tài)特征差異很明顯, 顯然與造林技術(shù)的差異有關(guān)。秋灌造林經(jīng)過造林初期4 a的人工灌溉, 灌溉水?dāng)y帶的細(xì)粒物質(zhì)加入沙土中, 使土壤黏粒平均含量可增加到3.95%, 土壤保水性能得到改善; 林地地形平整, 降水分布較均勻, 地表生物結(jié)皮發(fā)育較好, 其蓋度可達(dá)60%, 減小了土壤水分蒸發(fā); 由于林地梭梭種植密度較大, 植物遮蔭也能有效減弱土壤水分蒸發(fā)[23], 使0~30 cm土壤水分含量顯著增加, 為草本植物的恢復(fù)和梭梭幼苗的發(fā)生提供了有利條件, 新萌發(fā)梭梭幼苗的死亡率相對(duì)較低。當(dāng)受到干旱氣候時(shí), 秋灌造林土壤水分下降較小, 抵御干旱的能力較強(qiáng)。由于秋灌造林地梭梭林郁閉度大, 且林下草本植被層蓋度較高, 導(dǎo)致林內(nèi)光照不足, 因此植物種較單一, 草本植物多樣性指數(shù)較低[24]。

積雪-客沙造林地在原有流沙地上直接造林, 考慮到沙地地形相對(duì)起伏不平, 沙地土壤保水能力弱, 造林后完全依賴有限的天然降水, 為了防止土壤水分與植物生態(tài)需水失衡, 因而梭梭按照較低的種植密度種植。由于土壤受蒸發(fā)影響大, 水分含量低, 梭梭存活率較低, 新萌發(fā)梭梭幼苗的死亡率較高, 林下草本層蓋度同樣較低, 但物種豐富度相對(duì)較高。

目前秋灌造林梭梭長勢不如積雪-客沙造林, 可能與植物密度過大, 植株間存在強(qiáng)烈的水分競爭有關(guān)。并且, 秋灌造林部分梭梭出現(xiàn)白粉病, 是否與密度有關(guān), 還需進(jìn)一步研究確定。后期的經(jīng)營管理, 需要考慮秋灌造林梭梭的密度調(diào)整, 可通過適當(dāng)?shù)娜斯らg伐, 提高梭梭的生長質(zhì)量和林地物種多樣性。

4.2 流沙地免灌溉人工梭梭林的生長適應(yīng)性

林木成活僅是判斷人工造林成功的基本條件[25], 而林木能夠持續(xù)生長發(fā)育并具有良好的生態(tài)作用則是造林成功的必要條件, 因而判斷造林成功的關(guān)鍵是確定人工林的功能可持續(xù)性和對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)性。如我國甘肅、內(nèi)蒙等地的部分人工梭梭林建成后出現(xiàn)了土壤水分明顯下降、林木正常生長受阻甚至死亡的現(xiàn)象, 嚴(yán)重影響了人工林的功能發(fā)揮和可持續(xù)發(fā)展[26-28]。自然更新是影響人工林物種組成、結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化的重要因素, 對(duì)種群的發(fā)展和群落穩(wěn)定及演替具有重要作用[29], 是判定人工林可持續(xù)性的重要方面。

1983年, 為了恢復(fù)沙漠邊緣退化植被和防止綠洲風(fēng)沙危害, 在古爾班通古特沙漠南緣莫索灣地區(qū)流沙地上成功建植了梭梭林。經(jīng)過33 a的生長, 目前該人工林仍保持了較高的存活率, 形成了較大的冠幅, 當(dāng)年新生枝生長良好, 株高呈增加趨勢, 林內(nèi)伴生有不同林齡的自然更新苗木, 林下草本植物和生物結(jié)皮發(fā)育良好, 林地發(fā)揮了良好的防風(fēng)固沙作用。

土壤水分含量是影響干旱和半干旱區(qū)防風(fēng)固沙植被的決定性因素。雖然梭梭具有超強(qiáng)的耐旱能力, 但干旱也同樣影響其生長。馬全林等[30]發(fā)現(xiàn), 當(dāng)風(fēng)沙土含水量>1.30%, 梭梭能夠生長正常; 當(dāng)含水量<0.82%, 梭梭即死亡; 含水量介于0.82%~1.30%時(shí), 梭梭生長量極低, 僅能維持存活。本文兩種流沙地人工梭梭林在長期免灌溉的條件下, 土壤剖面平均含水量均可保持在2%以上, 能夠保證梭梭正常生長、結(jié)實(shí)乃至種子萌發(fā)生長。林木自然更新是林地對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境適應(yīng)的重要表征, 而林地水分狀況也是林地更新的先決條件。由于相對(duì)較好的土壤水分條件, 兩種林地中已經(jīng)生長有不同林齡的自然更新梭梭苗木, 使林地梭梭密度較種植初期有所提高, 表明這兩種人工梭梭林地已具備較好的自然更新能力, 林分已形成異齡復(fù)層混交林[31-32], 有利于人工林的長期適應(yīng)性。

研究區(qū)天然降水也存在較大年際和年內(nèi)波動(dòng)變化, 降水量年際和年內(nèi)變異系數(shù)分別為0.35和0.32, 受此影響, 林地土壤水分也存在明顯的年際和年內(nèi)變化, 其中積雪-客沙造林地土壤水分年際和年內(nèi)變異系數(shù)分別為0.48和0.29, 而秋灌造林地分別為0.17和0.12?？梢? 造林技術(shù)不同, 林地土壤水分對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力不同, 其中積雪-客沙造林由于植被蓋度低、土壤水分蒸發(fā)損失比率大, 土壤水分波動(dòng)大于天然降水; 而秋灌造林地由于擁有較高的植被蓋度、土壤水分蒸發(fā)損失比率小, 對(duì)干旱氣候的適應(yīng)能力強(qiáng), 土壤水分波動(dòng)小于降水。因此, 從林地對(duì)極端干旱年適應(yīng)角度來看, 秋灌造林地對(duì)該區(qū)生態(tài)條件適應(yīng)性更強(qiáng)。

5 結(jié)論

1983年古爾班通古特沙漠南緣莫索灣地區(qū)流沙地生態(tài)恢復(fù)重建時(shí)采用當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土灌木梭梭, 經(jīng)過33年的生長, 目前梭梭林均已具備較好的自然更新能力, 與造林初期相比, 現(xiàn)有密度有所提高, 初始造林梭梭存活率較高, 林下草本覆蓋度均大于20%, 發(fā)揮了很好的固沙作用。秋灌造林在干旱期土壤水分條件較積雪-客沙造林好, 對(duì)干旱的抵抗能力強(qiáng)于積雪-客沙造林, 并且能夠承受的植被容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于積雪-客沙造林, 但梭梭株高增長量和新枝生長量不如積雪-客沙造林。從林地的梭梭存活率、林木自然更新、梭梭生長狀況、林下植被恢復(fù)情況和土壤水分條件來看, 兩種造林技術(shù)下梭梭林生長均能夠滿足功能的可持續(xù)性。

梭梭林目前生長良好, 這得益于造林時(shí)對(duì)樹種、立地條件、種植密度等的科學(xué)選擇。古爾班通古特沙漠是我國梭梭荒漠的典型區(qū)域之一, 梭梭是主要的建群種, 對(duì)地帶性的生態(tài)條件有極強(qiáng)的適應(yīng)性, 繁殖更新能力強(qiáng), 生態(tài)恢復(fù)重建選用梭梭作為造林樹種易于成功; 此外, 古爾班通古特沙漠地區(qū)冬季有穩(wěn)定的積雪, 春季融化后提高了土壤水分, 而此時(shí)正是植物萌發(fā)、生長的季節(jié), 利于人工林的存活和自然更新; 同時(shí), 雖然該區(qū)降雨量小, 但3—5月降水較頻繁, 為春季人工造林提供較好的水分條件。

兩種造林技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn), 秋灌造林在造林初期進(jìn)行人工灌溉能夠有效改善沙土的含水量和土壤質(zhì)地, 提高梭梭的成活率, 植被容量更高, 但成本也高, 耗工費(fèi)力, 后期需考慮植被密度問題。積雪-客沙造林是一種因地制宜節(jié)省投資的造林方式, 但梭梭存活率較低, 自然更新能力相對(duì)較弱。

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Ecological characteristics of cultivatedcommunities in Gurbantunggut Desert*

DING Gaigai1,2, JIANG Jin1**, SONG Chunwu1, LI Shengyu1, WANG Haifeng1, ZHOU Jie1,2,3, LI Yaping1,2

(1. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Cele National Station of Observation and Research for Desert-Grassland Ecosystems, Cele 848300, China)

The ecological characteristics ofcommunities cultivated under rainfed conditions for 33 years in Mosuowan of Southern Gurbantunggut Desert were analyzed under two afforestation techniques ― snow-sand dressing afforestation and autumn-irrigated afforestation. The growth potential, understory vegetation and soil water content were monitored and recorded. Results showed that: 1)had strong growth with an average plant height and canopy spread under both cultivation techniques exceeding 2 m and 2 m2, respectively. The average length of new branches was more than 20 cm, with a survival rate of afforestation of 40% under snow-sand dressing and 63% under autumn irrigation. The density was enhanced and uneven-aged mixed forest was formed due to natural regeneration. There were different kinds of dominant species herbs in the forest. The average soil water content under the two forest treatments both exceeded 2.00%, which was enough to supportgrowth. 2) There were obvious differences between the two forests cultivation techniques in terms of vegetation cover and species diversity and natural regeneration ofdue to the differences in the treatments, site conditions and initial water supply. 3) The two communities were highly adaptable to the local ecological conditions. Compared with autumn irrigated afforestation, the density, vegetation cover and number of natural regeneration were lower in snow-sand dressing afforestation. The cost also was lower, but grew slowly under autumn irrigated afforestation after irrigated was stopped. There was the need for effective artificial measures to reduce the density of. In conclusion,growth under snow-sand dressing and autumn irrigated afforestation was both stable with the latter well-adapted to the local ecological conditions.

Snow-sand dressing afforestation; Autumn-irrigated afforestation;forest; Natural regeneration; Species diversity; Soil water content; Gurbantunggut Desert

Feb. 9, 2017; accepted May 23, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170111

S72

A

1671-3990(2017)10-1423-10

2017-02-09

2017-05-23

* 國家科技部對(duì)發(fā)展中國家科技援助項(xiàng)目(KY201502003)資助

* The study was supported by the Scientific & Technology Program of Developing Countries Assisted by the Ministry of Scientific and Technology of the People’s Republic of China (KY201502003).

** Corresponding author, E-mail: jiangjin@ms.xjb.ac.cn

**通訊作者:蔣進(jìn), 主要研究方向?yàn)榛哪h(huán)境治理與綠洲生態(tài)建設(shè)。E-mail: jiangjin@ms.xjb.ac.cn 丁改改, 主要從事荒漠區(qū)土壤水分及植物多樣性研究。E-mail: gai_gaiding@163.com