馬扎雅泰 趙晨光 李慧瑛 張斌武 謝宗才 李慶恩 趙承華

摘 要 結(jié)合2014—2017年阿拉善干旱沙區(qū)梭梭人工林群落野外調(diào)查和GIS技術(shù)，研究了立地類型對梭梭人工林群落特征的影響。結(jié)果表明：（1） 梭梭人工林立地類型質(zhì)量等級排序為半固定沙丘>流動沙丘>石質(zhì)土緩丘陵>石質(zhì)土低山>礫石質(zhì)戈壁荒漠。（2） 不同立地類型的梭梭人工林成活率和蓋度存在顯著差異，半固定沙丘顯著高于石質(zhì)低山和石質(zhì)土緩丘陵，但保存率差異不顯著;不同立地類型人工林的成活率、保存率和蓋度變化與立地類型質(zhì)量等級排序一致。（3） 梭梭人工林建設(shè)增加了半固定沙丘和流動沙丘草本層的植物種數(shù)量，但是對石質(zhì)土緩丘陵、石質(zhì)土低山和礫石質(zhì)戈壁荒漠的植物種數(shù)量無顯著影響。

關(guān)鍵詞 梭梭人工林;干旱沙區(qū);立地類型;群落特征

文章編號：1005-5215（2022）01-0035-06

中圖分類號：S728.4 文獻標(biāo)識碼：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）是藜科梭梭屬植物，小喬木，為國家三級瀕危珍稀保護植物，也是古地中海區(qū)系的孑遺種，是亞洲荒漠區(qū)中分布最廣泛的荒漠植被類型。我國天然梭梭主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、青海等地，成為西北荒漠、半荒漠區(qū)的珍貴植物資源。但是，近半個世紀(jì)以來，受人類活動和氣候變化影響，梭梭荒漠植被出現(xiàn)嚴(yán)重退化，20世紀(jì)90年代末橫貫阿拉善荒漠東西長約800 km的梭梭林，已淪為植被稀疏的53萬hm2的殘林，有156.5萬hm2梭梭由建群種變成次優(yōu)勢種、伴生種和偶見種，部分地段變成寸草不生的沙漠和礫石戈壁[1-3]。阿拉善梭梭人工林建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，截至2019年底，阿拉善梭梭人工林面積已達46.9萬hm2。隨著梭梭人工林面積的持續(xù)增加，適宜于梭梭人工種植的宜林地面積逐年減少，未來梭梭人工林建設(shè)對區(qū)位選擇的依賴性將越來越大，如何選擇適宜的區(qū)域開展梭梭人工林建設(shè)成為迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

目前，針對梭梭的研究主要集中在其生理和生態(tài)方面，包括梭梭的分布特征、生理生態(tài)特性、造林密度與水分平衡研究、更新復(fù)壯技術(shù)及其效益等[4-7]。但是，針對不同立地類型下梭梭人工林的適宜性（即如何選擇適宜的造林地）研究相對較少。為了提高荒漠區(qū)造林成活率和進一步擴大梭梭人工林的面積，研究阿拉善荒漠梭梭人工林在不同立地條件下的適宜性、生長狀況及群落變化特征對指導(dǎo)人工林建設(shè)中具有重要意義。本研究選擇不同立地類型的梭梭人工林群落，基于野外樣方法和GIS技術(shù)開展群落特征調(diào)查，揭示不同立地類型梭梭人工林群落特征和生物多樣性變化規(guī)律，旨在為干旱沙區(qū)人工造林適宜區(qū)選擇和后期撫育提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阿拉善左旗，屬干旱荒漠區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏，冬季干冷，夏季酷熱，降水稀少，風(fēng)大沙多。據(jù)阿拉善左旗氣象站1958—2017年資料統(tǒng)計，年均降水量212.3±55.6 mm，年均氣溫8.4±0.9 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，最低氣溫-28.5 ℃，無霜期192 d，年均風(fēng)速2.7±0.5 ms-1，最大風(fēng)速13.8 ms-1，地域性風(fēng)向為東南風(fēng)。土壤屬典型的荒漠土類。其中，灰漠土、灰棕漠土為地帶性土壤;風(fēng)沙土、石質(zhì)土、粗骨土、潮土、鹽土均為非地帶性土壤。

2 研究方法

2.1 立地類型劃分

根據(jù)中國森林立地分類系統(tǒng)，采用立地類型組和立地類型兩級分類系統(tǒng)[8，9]。同時，結(jié)合研究區(qū)的自然特性、植被、土壤、地形等分布特點，采用標(biāo)準(zhǔn)地樣方調(diào)查與GIS方法，在森林資源二類調(diào)查和阿拉善左旗林地保護利用規(guī)劃成果[10]基礎(chǔ)上，將研究區(qū)立地類型劃分為半固定沙丘、流動沙丘、礫石質(zhì)戈壁荒漠、石質(zhì)土低山和石質(zhì)土緩丘陵5類。不同立地類型的土壤類型和天然分布植物種詳見表1。

2.2 樣地布設(shè)與樣方調(diào)查

2.2.1 樣地布設(shè)

根據(jù)研究區(qū)2014—2017年梭梭人工林分布和面積，分別于阿拉善左旗宗別立鎮(zhèn)、吉蘭泰鎮(zhèn)、巴彥諾爾公蘇木、銀根蘇木等地根據(jù)造林年限布設(shè)調(diào)查樣地20個。每個樣地根據(jù)立地類型沿西南—東北方向布設(shè)20 m × 20 m調(diào)查樣方3個。同時，為每一個樣地設(shè)置相應(yīng)的對照區(qū)，對照區(qū)緊鄰與之相對應(yīng)的調(diào)查樣地，其土壤條件、水文條件及地表微環(huán)境與其相應(yīng)的造林區(qū)基本一致。地表植被為未經(jīng)人類干擾的原生植被，總計布設(shè)調(diào)查樣方120個。在20個樣地的造林區(qū)及對照區(qū)，按照五點法在每個樣地的造林區(qū)和對照區(qū)分別設(shè)置5個1 m × 1 m草本樣方，以調(diào)查草本層植物組成與生物學(xué)特征參數(shù)。

2.2.2 生物學(xué)特性調(diào)查

于設(shè)置的20 m×20 m樣方內(nèi)調(diào)查每株梭梭的高度、冠幅、地徑及地上部分生物量。為了不影響梭梭的生長，生物量采用標(biāo)準(zhǔn)枝法估算，即首先選擇生長狀況良好、枝徑長度適中的枝條作為標(biāo)準(zhǔn)枝，通過對10個標(biāo)準(zhǔn)枝鮮質(zhì)量稱量確定標(biāo)準(zhǔn)枝質(zhì)量（Bs），之后通過目測法估計每一株梭梭地上部分枝條與標(biāo)準(zhǔn)枝的比值（S），用以計算梭梭地上部分生物量（Babove）[11，12]，公式如下：

2.2.3 成活率與保存率調(diào)查

采用隨機不重復(fù)抽樣法對樹種進行調(diào)查，以不同種植年限、不同立地類型下人工種植的梭梭為研究對象，每塊樣地隨機抽取當(dāng)年種植的梭梭5行，每組100棵，利用計數(shù)法進行成活率的統(tǒng)計調(diào)查，取平均值為成活率（%）。梭梭人工林保存率于造林后第2年和第3年秋季測定，方法同成活率調(diào)查，2年的平均值為梭梭人工林最終的保存率。

2.2.4 植被蓋度

采用無人機（inspire2，大疆，中國）攝影技術(shù)對樣地進行垂直拍攝，每個樣方拍攝一張照片，拍攝高度設(shè)為25 m。獲得的樣方影像通過影像處理軟件Pix4Dmapper拼接及正射校正后導(dǎo)入ArcGIS軟件進行矢量化處理，提取樣方范圍內(nèi)的區(qū)域，并判讀植被垂直投影面積（Ap），樣方面積為Aq，則樣方植被蓋度Cv為：

樣地植被蓋度取3個樣方的平均值。

2.3 立地質(zhì)量評價

立地質(zhì)量評價采用地位指數(shù)表法[13]。采用單株生物量V作為衡量立地質(zhì)量的指標(biāo)，取灌叢高度H和灌叢平均直徑D為影響生物量的林分因子，計算不同立地類型的梭梭單株生物量，模型表達式為：

根據(jù)梭梭人工林調(diào)查的20個樣地數(shù)據(jù)，擬合函數(shù)獲得梭梭單株生物量模型：

模型中6個參數(shù)估計標(biāo)準(zhǔn)誤在0.52～11.172之間，模型決定系數(shù)R2=0.93，擬合精度較高。X2檢驗： df=16，X2=24.830<X20.05=26.296，檢驗合格。

由此，利用上述公式計算結(jié)果評價造林地梭梭造林立地質(zhì)量，并將其劃分為差（1～3）、中（4～6）和優(yōu)（7～10）。

2.4 物種多樣性評價

生物多樣性在物種水平上的表現(xiàn)形式即為物種多樣性。物種多樣性測度指數(shù)按性質(zhì)劃分為以下4類：物種豐富度指數(shù)、物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)及優(yōu)勢度[14]。

（1）Margalef 指數(shù)（S）：

（2）香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)（Shannon-Weiner index，H′）：

（3）辛普森指數(shù)（Simpson’s index，D）：

（4）Pielou均勻度指數(shù)（Pielou evenness index，J′）

（5）穩(wěn)定性指數(shù)（ICV）：

式中：N為樣方總體個數(shù)，S為樣地植物種數(shù)，ni為第i個物種的個數(shù)，Pi = ni/N，Ni為種i的重要值，σ（N）為樣方內(nèi)物種數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 立地類型的質(zhì)量評價

研究區(qū)梭梭人工林立地類型質(zhì)量等級在半固定沙丘（S1）、流動沙丘（S2）、礫石質(zhì)戈壁荒漠（S3）和石質(zhì)土緩丘陵（S5）中以優(yōu)為主，占比>40%，尤其是半固定沙丘和流動沙丘占比>70%;礫石質(zhì)戈壁荒漠質(zhì)量為優(yōu)的占50%，質(zhì)量為中和差的合計占50%。而石質(zhì)土低山（S4）、石質(zhì)土緩丘陵（S5）質(zhì)量為差的比例為33%（圖1）。綜合來看，梭梭人工林立地類型質(zhì)量等級排序：半固定沙丘（S1）>流動沙丘（S2）>礫石質(zhì)戈壁荒漠（S3）>石質(zhì)土緩丘陵（S5）>石質(zhì)土低山（S4）。

3.2 不同立地類型梭梭成活率、保存率及生長狀況

梭梭人工林種植當(dāng)年的平均成活率約為77.9%。其中：半固定沙丘最高，可達84.2%，石質(zhì)土低山最低，為73.7%。根據(jù)單因素ANOVA分析，不同立地類型梭梭人工林的成活率存在顯著差異?；贚SD方法兩兩對比發(fā)現(xiàn)，半固定沙丘（S1）與石質(zhì)土低山（S4）和石質(zhì)土緩丘陵（S5）梭梭人工林的成活率存在顯著差異，其他立地類型梭梭人工林的成活率差異不顯著（表2）。

梭梭人工林種植后期的平均保存率約為71.6%。其中：半固定沙丘梭梭人工林保存率最高，為74.8%;石質(zhì)土低山梭梭人工林保存率最低，為68.1%。不同立地類型下梭梭人工林成活率順序和保存率一致。根據(jù)單因素ANOVA分析，不同立地類型梭梭人工林的存活率差異不顯著（表2）。不同種植年份間，梭梭人工林的存活率存在顯著差異，2017年的存活率顯著高于2015和2016年，但與2014年無顯著差異（圖2a）。2014年、2015年和2016年種植的梭梭保存率差異不顯著，但明顯低于2017年（圖2b）。造成這一現(xiàn)象的原因是梭梭人工林管護期為3年，本研究調(diào)查時間在2017年造林區(qū)的管護期內(nèi)，管護期內(nèi)每株梭梭人工澆水2次，每次15 L，管護期后，梭梭的水分補給主要依靠天然降水，因此2017年梭梭人工林的保存率明顯高于2014—2016年。

Pearson相關(guān)分析表明，梭梭人工林的蓋度與株高、冠幅、地徑、生物量均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明蓋度變化可以反映植物的生長狀況。梭梭人工林蓋度均值為27.1%，其中：半固定沙丘梭梭人工林蓋度最高，石質(zhì)土低山最低。不同立地類型的梭梭蓋度順序與成活率和保存率一致。根據(jù)單因素ANOVA分析，不同立地類型梭梭人工林的蓋度差異顯著，基于LSD方法兩兩對比發(fā)現(xiàn)，半固定沙丘（S1） 與石質(zhì)土低山（S4）、石質(zhì)土緩丘陵（S5）梭梭人工林的蓋度存在顯著差異，其他立地類型梭梭人工林的蓋度差異不顯著（表2）。不同種植年份間，梭梭人工林的蓋度差異不顯著，但2017年顯著低于2014年（圖2c）。

3.3 不同生活型物種分布及物種多樣性狀況

生活型是植物對環(huán)境條件適應(yīng)后在其生理、結(jié)構(gòu)，尤其是在外部形態(tài)上的一種具體反映。梭梭人工林群落內(nèi)主要植物種的生活型多為耐旱能力較強的灌木、半灌木。半固定沙丘、石質(zhì)土低山立地類型下，1年生和多年生草本占植物種總數(shù)比例>60%;礫石質(zhì)戈壁荒漠、石質(zhì)土緩丘陵立地類型下，1年生與多年生草本占植物種總數(shù)比例≤60%;流動沙丘灌木和草本植被基本占比為50%（圖3）。總體而言，半固定沙丘和石質(zhì)土低山立地類型以1年生和多年生草本為主，礫石質(zhì)戈壁荒漠、石質(zhì)土緩丘陵立地類型以灌木與多年生草本為主，而流動沙丘灌木植物種和草本植物種所占比例基本相同。

不同立地類型下物種多樣性指數(shù)變化見圖4。種植區(qū)與對照區(qū)相比較，半固定沙丘、石質(zhì)低山、石質(zhì)土緩丘陵及礫石質(zhì)戈壁荒漠的Margalef指數(shù)（S）、Shannon-Wiener指數(shù)（H′）、Simpson指數(shù)（D）、Pielous指數(shù)（J′）及穩(wěn)定性指數(shù)（ICV）均無顯著性差異，即立地類型對植物種的豐富度、多樣性、優(yōu)勢度及穩(wěn)定性沒有顯著影響。然而，對流動沙丘（S2）各個指數(shù)都顯現(xiàn)出極顯著的差異，說明梭梭的種植使得流動沙丘的植物種數(shù)量明顯增多，種群的多樣性增加，植物種在區(qū)域內(nèi)分布更加均勻。同時，優(yōu)勢植物種顯著增加，這一系列的變化表明了在流動沙丘梭梭人工林內(nèi)的地表微環(huán)境得到了極為明顯的改善。造成這一變化的原因除了梭梭種植增大了區(qū)域植被蓋度，改善了地表土壤微環(huán)境外，還與梭梭種植灌溉使土壤水分增加有關(guān)。另外，在流動沙丘梭梭種植的同時設(shè)置了人工沙障，使沙丘得到固定，這有利于草本植物種子萌發(fā)與保存，使得物種數(shù)量和生物多樣性明顯增加。

4 討論

梭梭荒漠群系是亞洲荒漠區(qū)分布最廣的荒漠植被類型，其分布區(qū)與較松散的基質(zhì)密切相關(guān)。一般而言，梭梭在沙質(zhì)荒漠生長最好，被沙埋后生長旺盛[15]。阿拉善地區(qū)的梭梭荒漠群系包含5個群叢組，其中在半固定和固定沙地上分布的沙質(zhì)梭梭荒漠群叢組面積最廣，生長最好。由此可見，立地類型是影響我國梭梭天然分布的重要因子。本研究表明，梭梭人工林立地類型質(zhì)量等級排序：半固定沙丘>流動沙丘>礫石質(zhì)戈壁荒漠>石質(zhì)土緩丘陵>石質(zhì)土低山。這一結(jié)論與前人關(guān)于不同立地條件下梭梭生長狀況的研究結(jié)果基本一致[16]，但是需要明確的是經(jīng)過物理固沙措施（如沙障）后的流動沙丘才表現(xiàn)出適宜種植梭梭的表型，未采取物理固沙措施的流動沙丘仍不適宜作為人工造林地?？梢姡笏蟾m宜于生長在固定或半固定沙地上，這主要與梭梭根系的分布有關(guān)。研究表明，烏蘭布和沙漠東北緣的梭梭人工林根系垂直分布隨著年齡的增加具有下移趨勢[17]，這意味著沙質(zhì)土壤更適宜于梭梭根系的向下生長，以利更好的呼吸并獲取更多的水分，根系呼吸速率與耗水成正比有利于梭梭生長[18]。

就不同立地類型的梭梭人工林成活率、保存率、生長狀況及多樣性指標(biāo)方面，種植在流動沙丘中的梭梭的生長狀況、存活率等指標(biāo)都優(yōu)于低山丘陵地區(qū)。這一點有別于紀(jì)永福等[19]的研究成果，區(qū)別在于前人研究成果強調(diào)經(jīng)過生態(tài)環(huán)境的變化，梭梭在流動沙丘表現(xiàn)出生長良好的特征。但是本研究表明，采取物理固沙措施干預(yù)后的流動沙丘，為梭梭種植提供了較好的生存條件，使其在造林初期就已表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。造成這一結(jié)果的主要原因是：研究中在流動沙丘上的梭梭人工林都布設(shè)了沙障，這一措施改變了流動沙丘立地條件下土壤環(huán)境穩(wěn)定性差的狀態(tài)，進而降低了梭梭根系遭風(fēng)蝕裸露干化、樹干倒伏和沙埋的風(fēng)險，提高了成活率和保存率;其次，考慮到自然條件限制，在流動沙丘造林時往往選擇靠近路邊、湖邊等自然條件相對較好的地域，可以保證水分的供給，使得流動沙丘上梭梭生長和存活優(yōu)于其他立地類型。

梭梭人工林的物種多樣性低于梭梭天然林[20]，其物種相對單一，優(yōu)勢度明顯，豐富度不足，多樣性指數(shù)偏低。這可能與梭梭人工造林引起土壤鹽分增加有關(guān)[21，22]。隨著造林時間的增加，物種豐富度和優(yōu)勢度基本無變化，多樣性指數(shù)呈增加趨勢。梭梭人工林對草本層的植物種變化有著明顯的作用，其作用大小排序依次為：流動沙丘>石質(zhì)土緩丘陵>半固定沙丘>石質(zhì)土低山>礫石質(zhì)戈壁荒漠。這一結(jié)果與巴丹吉林沙漠東南緣梭梭人工林建設(shè)30～40年后草本層逐漸增加并最終成為優(yōu)勢群落的結(jié)論一致[23]，造成這一結(jié)果的主要原因是流動沙丘作為原始地貌類型，基本無原生草本植被，通過物理固沙措施和梭梭種植的結(jié)合，穩(wěn)定了植物生長的微土壤環(huán)境，為草本植被侵入和定居提供了條件。同樣，在騰格里沙漠東南緣沙坡頭人工固沙植被區(qū)也存在草本的大量侵入和定居[24]。

5 結(jié)論

本研究從立地類型質(zhì)量評價、梭梭生長狀況、生物多樣性變化等多方面綜合評估了立地類型對梭梭群落特征的影響，結(jié)果表明，梭梭更適宜于半固定沙丘或采取物理固沙措施的流動沙丘立地類型。因此，今后在梭梭人工林建設(shè)中應(yīng)盡可能選擇立地類型為半固定或經(jīng)過人工固沙措施的流動沙丘作為造林區(qū)。選擇流動沙丘開展人工林建設(shè)時應(yīng)選擇靠近路邊、湖邊等水分條件較好的地域。隨著人工造林面積的不斷增加，適宜人工造林的區(qū)域必將減少，在制定后期規(guī)劃時，應(yīng)考慮實際情況，根據(jù)造林區(qū)立地條件，調(diào)整人工林造林模式（如物理固沙+人工造林），以保證預(yù)期的造林成效。

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