雷聲坤，王玉寶，王懷彪，常海軍，劉 洋，白文慧，高樹軍，高占英

(榆林市榆陽區(qū)林業(yè)工作站，陜西 榆林 719000)

榆林沙地位于毛烏素沙地南緣，是我國北方的生態(tài)屏障。榆林市榆陽區(qū)沙地礦產(chǎn)資源富集，近年來大規(guī)模開發(fā)利用帶來全區(qū)GDP不斷增長，但開發(fā)的同時使許多采礦區(qū)出現(xiàn)地面塌陷、水資源與植被破壞、水土流失與土地荒漠化加劇，生態(tài)破壞日益嚴(yán)重，生態(tài)恢復(fù)迫在眉睫。有關(guān)專家學(xué)者在沙漠治理優(yōu)良樹種選擇及其空間配置和管理技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究，也取得了許多重要成果[1-3]。榆林市榆陽區(qū)林業(yè)工作站2015年引進(jìn)陜西省治沙研究所和西北農(nóng)林科技大學(xué)于2013年共同完成的“陜北沙地礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建技術(shù)研究”成果(成果編號14030101),2015年春用該技術(shù)在榆林沙地礦區(qū)示范推廣66.7 hm2，同時在比鄰選擇立地條件一致的0.22 hm2地塊，用傳統(tǒng)造林技術(shù)造林作為對照，并對兩種造林技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)測，分析評估其生態(tài)效益，為陜北沙地礦區(qū)植被恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于榆林市榆陽區(qū)巴拉素鎮(zhèn)，為陜西延長石油新廟灘礦區(qū)，屬毛烏素沙地南緣風(fēng)沙草灘區(qū)，地勢平緩，大多為波狀起伏固定、半固定沙地，土壤為風(fēng)沙土。氣候?qū)侔敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，日照充足，生長季較短，干旱、冰雹和霜凍等氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生，冬春漫長寒冷，少雨多風(fēng)沙，年平均氣溫8.1 ℃，極端最高、最低氣溫分別為-32.7 ℃和38.6 ℃，年均降水量為414.4 mm，且集中在7-9月，年均蒸發(fā)量為1 508～2 502 mm，無霜期156 d，主要樹種有楊樹(Populus)、沙柳(Salixcheilophila)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙竹(Psammochloavillosa)等。

2 研究方法

2.1 沙地礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建技術(shù)要點

示范推廣區(qū)采用引進(jìn)造林技術(shù)，技術(shù)要點為選擇樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、沙地柏(Sabinavulgaris)、長柄扁桃(Amygdaluspcdunculata)進(jìn)行喬灌混交，樹種混交模式為隔行混交，即樟子松、長柄扁桃、沙地柏等行比為1∶1∶1,按行間隔栽植，行距2 m，株距樟子松4 m、長柄扁桃2 m、沙地柏2 m;樟子松采用“壯苗保濕、帶土大苗、合理稀植、適當(dāng)深栽、濕沙填坑、適時澆水”六位一體技術(shù)栽植，長柄扁桃采用“良種壯苗、蘸漿保濕、截干深栽”無水栽植技術(shù)，沙地柏采用“營養(yǎng)袋壯苗、苗木保濕、匍匐栽植、適時澆水”擬態(tài)栽植技術(shù)。

對照區(qū)采用傳統(tǒng)造林技術(shù)，與示范推廣區(qū)造林技術(shù)相比，差異主要表現(xiàn)在樟子松栽植深度同苗圃起苗深度，未刻意濕沙填坑，長柄扁桃栽植未蘸漿，栽植深度較淺，沙地柏直立栽植。

2.2 技術(shù)示范效果監(jiān)測

從植物群落結(jié)構(gòu)與地上生物量、土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分含量、林地生態(tài)效能等三方面對沙地礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建技術(shù)效果進(jìn)行監(jiān)測。

2.2.1 群落結(jié)構(gòu)與地上生物量

(1)灌草層群落結(jié)構(gòu)和地上生物量

采取樣地、樣方法調(diào)查、測定，選擇新技術(shù)示范樣地和對照樣地(不采用該技術(shù))各3個，樣地面積為20 m×20 m，在每個樣地對角各設(shè)置5 m×5 m灌木樣方2個，再在每個灌木樣方中心位置設(shè)置1個1 m×1 m草本樣方，調(diào)查、測定每個樣方內(nèi)的植物種類，每種植物的蓋度、高度、數(shù)量、地上生物量；技術(shù)示范前后分別都測定。

(2)喬木層生物量

樟子松選擇1個有代表性的樣地，在樣地中依次選擇未受破壞、生長正常的植株35個，每木檢尺，再用西北地區(qū)樟子松單木異速生長方程計算單株地上生物量[4]；長柄扁桃、沙地柏生物量測定方法為，在3個樣地中分別選定5株標(biāo)準(zhǔn)株，采用完全收獲法測定，測定時將從標(biāo)準(zhǔn)株上采集的所有側(cè)枝、主干、葉片清洗后進(jìn)行分裝；然后，采用挖掘法，將該標(biāo)準(zhǔn)株的地下根系全部挖出，洗掉泥土封裝，將樣品帶回試驗室，在65 ℃持續(xù)干燥24 h，再分別稱重。

2.2.2 土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分含量 在各樣地內(nèi)分別選擇5個有代表性的地段挖土壤剖面，深度為60 cm，分3層(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)分別測定土壤容重和采土樣測定土壤養(yǎng)分含量。土壤容重測定用環(huán)刀法，土壤養(yǎng)分含量有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法，全氮用半微量開氏法，速效磷用碳酸氫鈉法，速效鉀用乙酸銨提取法。

2.2.3 林地生態(tài)效能 主要測定植被上空風(fēng)速和植被碳儲量的變化，風(fēng)速采用便攜式手持風(fēng)速儀測定，植被碳儲量采用折算法折算；林地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量包括喬灌草生物量碳儲量和土壤碳儲量[4]，由于土壤碳庫相對穩(wěn)定且不易測定[5]，故本研究不對土壤碳庫進(jìn)行測定，主要對樟子松、沙地柏、長柄扁桃等林木固碳效益進(jìn)行分析。

2.3 指標(biāo)選取及其計算方法

2.3.1 重要值 是以綜合數(shù)量指標(biāo)表明某個物種在群落中的地位和作用，其大小是確定群落優(yōu)勢種和建群種的重要依據(jù)，采用經(jīng)典方法計算[7]。

2.3.2 物種多樣性 是反映植物群落組成結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[8]，采用Shannon-Weiner多樣性指數(shù)(H)、優(yōu)勢度指數(shù)(Simpson指數(shù))、均勻度指數(shù)(Pielou’s指數(shù))等3個指標(biāo)反映和比較群落的結(jié)構(gòu)特征和物種的多樣性，分別按經(jīng)典公式進(jìn)行計算方法[8]。

2.3.3 土壤容重與土壤孔隙度 反映土壤堅實程度與貯水能力，按照常規(guī)方法進(jìn)行計算[7]。

2.3.4 粗糙度與防風(fēng)效能 粗糙度反映對途經(jīng)氣流摩擦阻力的大小，粗糙度越大，表明其對途經(jīng)氣流摩擦阻力越大，降低風(fēng)速效果越明顯，計算公式為：

logZ0=(logZ2-AlogZ1)/(1-A)

A=u2/u1

其中：Z0為該地表的粗糙度，Z1、Z2為同一觀測點的兩個高度，u2、u1分別為同一時刻Z1、Z2高度的風(fēng)速。本研究中風(fēng)速觀測的兩個高度分別為50 cm和200 cm[9]。

防風(fēng)效能反映消減氣流能量、降低風(fēng)速的能力，計算公式為：

Ex=(Vx1-Vx2)/Vx1

其中，Ex為xm高處防風(fēng)效能，Vx1為對照地xm高處的風(fēng)速，Vx2為xm高處的植被恢復(fù)林內(nèi)風(fēng)速[10]。

2.3.5 碳儲量 反映陸地生態(tài)系統(tǒng)固定和儲存CO2的能力，植被碳儲量由其生物量乘以各器官的含碳率獲得[11]，樟子松各器官含碳率采用賈煒瑋測定的結(jié)果[4]，灌木各器官含碳率較接近，長柄扁桃、沙地柏各器官含碳率采用高藝農(nóng)[12]測定的結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)整理與分析

本研究利用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差分析。

3 新技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)效果分析

3.1 新技術(shù)改善植被群落結(jié)構(gòu)的效果

3.1.1 植被外貌 植被蓋度的增加有利于保護地表，減輕風(fēng)蝕沙埋危害。由表1知，傳統(tǒng)造林區(qū)及示范推廣區(qū)造林均能提高沙地礦區(qū)植被蓋度，尤其是喬木層植被覆蓋度提高較明顯，示范推廣區(qū)喬木層提高植被蓋度1.51%，傳統(tǒng)造林區(qū)喬木層提高植被蓋度1.36%，主要原因為樟子松冠幅較大；而沙地柏、長柄扁桃本身冠幅較小，且栽植時間較短，故在提高植被蓋度方面效果略差。示范推廣區(qū)與傳統(tǒng)造林區(qū)進(jìn)行對比，喬、灌、草層植被蓋度均表現(xiàn)為示范推廣區(qū)更高。

3.1.2 植物群落的組成和物種多樣性 由表1知，植被恢復(fù)前，沙地礦區(qū)喬木有1種，灌木有3種；植被恢復(fù)后，喬木增加1種，灌木增加2種，喬灌層植物種類數(shù)量增加。植被恢復(fù)第3年，隨著新植物種的出現(xiàn)，原植物種重要值降低，群落的優(yōu)勢種發(fā)生變化，傳統(tǒng)造林區(qū)與示范推廣區(qū)喬木層均由單一的楊樹變?yōu)橐哉磷铀蔀閮?yōu)勢種的群落，灌木層沙地柏、長柄扁桃的優(yōu)勢明顯得到顯現(xiàn)；通過人工造林改變物種重要值方面，傳統(tǒng)造林與示范推廣造林效果相似。

植被恢復(fù)前，沙地礦區(qū)喬木層只有一個樹種，故喬木層Shannon-Weiner、Simpson指數(shù)均為0，不存在Pielou’s指數(shù)。植被恢復(fù)后，Shannon-Weiner、Simpson、Pielou’s指數(shù)均得到明顯提高，主要是因為新植物種的出現(xiàn)，提高了植物種豐富度，植物群落復(fù)雜程度增高，多樣性指數(shù)提高。但示范推廣區(qū)、傳統(tǒng)造林區(qū)這三項指數(shù)相近。

3.1.3 生物量 由表1知，植被恢復(fù)后，喬、灌層生物量均能明顯得到提升，尤其以喬木層生物量提高最為明顯，草本層生物量提高不明顯。在提高喬、灌、草各層生物量方面，均表現(xiàn)為示范推廣區(qū)提高效果更明顯，示范推廣區(qū)相對傳統(tǒng)造林區(qū)綜合提高喬、灌、草層生物量25 g·m-2。

3.2 新技術(shù)改善土壤結(jié)構(gòu)的效果

3.2.1 土壤容重 土壤容重反映了土壤疏松狀況。由表2可看出，在0～20 cm土層深度，常規(guī)造林及示范推廣區(qū)土壤容重雖然有所降低，但較植被恢復(fù)前沒有顯著變化(P>0.05)。隨著土層深度增加，植被恢復(fù)區(qū)土壤容重顯著降低(P<0.05)，出現(xiàn)這種情況的原因是新栽灌木(沙地柏、長柄扁桃)根系主要集中在20 cm以下。在0～60 cm土層范圍內(nèi)，示范推廣區(qū)和傳統(tǒng)造林區(qū)土壤容重較植被恢復(fù)前分別降低0.09 g·cm-3、0.06 g·cm-3。

3.2.2 土壤孔隙度 土壤孔隙度是反映土壤疏松狀況的另一個重要指標(biāo)，同時也可以反映不同植物群落土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)狀況， 土壤孔隙度越大，其持水和通氣能力越強[13-15]。由表2知，在0～60 cm土層范圍內(nèi)，植被恢復(fù)后可明顯提高土壤總孔隙度，總體來看示范推廣區(qū)提高總孔隙度作用更明顯，原因可能是示范推廣區(qū)造林技術(shù)更科學(xué)、養(yǎng)護更到位，喬灌成活率及長勢略好，從而改良土壤效益更加顯著。在0～60 cm范圍內(nèi)，示范推廣區(qū)土壤孔隙度較傳統(tǒng)造林區(qū)高出1.46百分點。

表1 植物群落結(jié)構(gòu)與生物量

3.2.3 土壤養(yǎng)分含量 由表2可知，在0～60 cm深度，土壤中速效鉀、速效磷、全氮、有機質(zhì)含量在植被恢復(fù)后均可得到顯著提高(P<0.05)，但在傳統(tǒng)造林區(qū)和示范推廣區(qū)之間無顯著差異(P>0.05)。主要原因為沙地礦區(qū)新造林后，植被得以較好的恢復(fù)，根系的增加改善了土壤的蓄水、通氣性，進(jìn)一步促進(jìn)更多的枯落物以及死亡的根系得以分解，釋放養(yǎng)分。土壤有機質(zhì)的增加，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤持水能力，提高土壤肥力，增強林地保土防蝕能力，沙地植被重建的時間越長，土壤條件改善效益也越明顯[16]。

3.3 新技術(shù)增強植被生態(tài)功能的效果

3.3.1 降低風(fēng)速 植被主要通過提高地表粗糙度來降低風(fēng)速。提高地表粗糙度有利于減弱起沙風(fēng)速，緩減土壤風(fēng)蝕，減輕風(fēng)沙危害，由表3知，植被恢復(fù)前地表粗糙度為0.20 cm，植被恢復(fù)后傳統(tǒng)造林區(qū)及示范推廣區(qū)地表粗糙度都得到了明顯提高，分別為0.95 cm和1.06 cm，示范推廣區(qū)提高地表粗糙度更加明顯。植被恢復(fù)后提高地表粗糙度的途徑一是通過枝葉直接阻擋途經(jīng)氣流，摩擦消能；二是使經(jīng)過樹枝樹葉的氣流形成紊流，各個方面的紊流互相作用消減能量。即提高地表粗糙度的過程就是消減氣流動能、降低風(fēng)速、提高地表抗蝕性能的過程。

表2 土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分含量

注：相同土層深度同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表3 植被生態(tài)效能

以植被恢復(fù)前為參考，傳統(tǒng)造林區(qū)及示范推廣區(qū)在200 cm高度處防風(fēng)效能分別可達(dá)6.64%、12.24%，在50 cm高度處防風(fēng)效能分別可達(dá)15.25%、21.8%，均表現(xiàn)為50 cm處防風(fēng)效能優(yōu)于200 cm處，原因是樟子松高度普遍介于90～130 cm之間，沙地柏、長柄扁桃均為低矮灌木，故表現(xiàn)為越靠近地表防風(fēng)效能越明顯，距地面130 cm以上，離地面越遠(yuǎn)防風(fēng)效能越弱。

3.3.2 碳儲量 因植被恢復(fù)區(qū)新栽的長柄扁桃、沙地柏、樟子松均為幼樹，且栽植密度較小，各樹種之間未形成競爭關(guān)系，故測算出這三種樹種的碳儲量，即可初步判斷植被恢復(fù)對提高林地碳儲量的效果。由表3知，植被恢復(fù)后可明顯提高林地碳儲量，示范推廣區(qū)和傳統(tǒng)造林區(qū)碳儲量分別可提高664.35、633.75 kg·hm-2，示范推廣區(qū)提高碳儲量效果更好。樟子松提高林地碳儲量效果最明顯，在傳統(tǒng)造林區(qū)和示范推廣區(qū)新增碳儲量的60.22%和59.17%由樟子松提供，主要是因為在新栽三種樹種里，樟子松生物量明顯高于另外兩種樹種。

4 結(jié)論

(1)沙地礦區(qū)植被人工恢復(fù)后，通過增加新植物種，降低原植物種重要值，提高生物多樣性及豐富度，建立起更加復(fù)雜、穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。喬木層由單一樹種楊樹變成以樟子松為優(yōu)勢種的群落，灌木層長柄扁桃、沙地柏的優(yōu)勢得到明顯體現(xiàn)。喬、灌層Shannon-Weiner、Simpson、Pielou’s指數(shù)均得到提高。在提高喬、灌、草層生物量方面，均表現(xiàn)為示范推廣區(qū)提高效果更明顯，示范推廣區(qū)相對傳統(tǒng)造林區(qū)綜合提高喬、灌、草層生物量25 g·m-2。

(2)植被恢復(fù)后可顯著提高0～60 cm范圍內(nèi)土壤容重、孔隙度以及速效鉀、速效磷、全氮、有機質(zhì)含量，從而改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤涵養(yǎng)水源功能，提高地表抗風(fēng)蝕能力。示范推廣區(qū)與傳統(tǒng)造林區(qū)在改良土壤理化性質(zhì)方面顯著不差異。沙地礦區(qū)植被恢復(fù)后可有效提高植被蓋度，降低地表風(fēng)速，提高地表粗糙度，傳統(tǒng)造林區(qū)和示范推廣區(qū)可將地表粗糙度由植被恢復(fù)前的0.20 cm分別提高到0.95 cm、1.06 cm，從而起到緩減風(fēng)蝕、沙埋的效果。植被恢復(fù)后，50 cm高度處防風(fēng)效能明顯高于200 cm高度處防風(fēng)效能，主要是因為新栽樹種高度均低于200 cm。造林第3年，示范推廣區(qū)和傳統(tǒng)造林區(qū)分別可增加碳儲量664.35、633.75 kg·hm-2，其中增加的碳儲量60.22%、59.17%由樟子松提供。

(3)在榆林沙地礦區(qū)人工植被恢復(fù)中，引進(jìn)的造林技術(shù)與傳統(tǒng)造林技術(shù)相比，改善植被結(jié)構(gòu)、改良土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況以及降低風(fēng)速、提高土壤碳儲量等效果更明顯，值得在生態(tài)環(huán)境相同或相近地區(qū)推廣應(yīng)用。

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