包雪源，楊振奇，郭建英，秦富倉，劉鐵軍

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原工作總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2.中國水利水電科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 100038； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

在干旱與半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，天然植被稀疏，為了短期內(nèi)提高地表覆蓋度，常會(huì)進(jìn)行大規(guī)模的水土保持植被建設(shè)，如此以來對(duì)于該區(qū)原有的生態(tài)環(huán)境和生物適應(yīng)策略都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[1-2]。人工林的生長(zhǎng)發(fā)育過程極易受多種外界環(huán)境的干擾，相關(guān)研究表明，不同的研究尺度上制約植被生長(zhǎng)的環(huán)境因子有所區(qū)別，大尺度的研究認(rèn)為氣候和地形因素是決定植被生長(zhǎng)發(fā)育的主導(dǎo)因素，中小尺度的研究則將影響因素歸結(jié)為地形和土壤因素兩方面[3-5]。植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程隨生物棲息環(huán)境的梯度變化而表現(xiàn)出一定差異規(guī)律，研究自然和人為綜合因素影響下水土保持植被的生長(zhǎng)規(guī)律，以及水土保持植被與區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的耦合機(jī)制，一直是生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)[6-7]。但目前，運(yùn)用單一的描述統(tǒng)計(jì)方法和簡(jiǎn)單的線性數(shù)學(xué)方法在探討植被物種隨環(huán)境梯度變化上還存在著較大的局限性。研究水土保持植被的生長(zhǎng)發(fā)育特征，建立生長(zhǎng)特征與環(huán)境因子的聯(lián)系，對(duì)于深入解讀生態(tài)恢復(fù)過程有重要意義。

黃河流域的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，是我國新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。砒砂巖區(qū)是黃河流域上中游地帶的粗泥沙集中來源區(qū)，該區(qū)基巖成巖程度低，裸露基巖極易風(fēng)化潰散，引發(fā)嚴(yán)重水土流失作用[8-9]，砒砂巖區(qū)土壤養(yǎng)分物質(zhì)來源匱乏，土壤肥力貧瘠，基巖松散，在水力、風(fēng)力和重力的作用下極易坍塌滑坡，生態(tài)修復(fù)難度極大[10]。裸露砒砂巖區(qū)自20世紀(jì)80年代起，以小流域?yàn)橹卫韱卧_展了一系統(tǒng)的水土流失治理工作，營(yíng)造了大面積的水土保持植被，區(qū)域水土流失趨勢(shì)得到了有效控制。而現(xiàn)階段砒砂巖區(qū)典型流域水土保持植被生長(zhǎng)現(xiàn)狀如何，人工林的生長(zhǎng)限制性因素有哪些，等等問題尚不明確。為此，本研究選取內(nèi)蒙古砒砂巖區(qū)鮑家溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以該區(qū)域典型水土保持植被為對(duì)象，研究小流域水土保持植被的生長(zhǎng)發(fā)育特征，探究水土保持植被的生長(zhǎng)限制性因子，以期為砒砂巖區(qū)的生態(tài)修復(fù)工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)的鮑家溝流域(110°31′-110°35′E，39°46′-39°48′N)，小流域面積為12.67 km2，海拔1 110～1 300 m，地形北高南低；溫帶大陸性氣候，冬季漫長(zhǎng)干燥，夏季短暫溫?zé)幔昃鶜鉁?.2 ℃，年降水量400 mm；土壤類型以粗骨栗鈣土為主，土壤侵蝕類型有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕以及重力侵蝕等。流域內(nèi)實(shí)施生態(tài)移民搬遷政策，人類活動(dòng)干擾少，耕地全部退耕還林，土地利用類型以林地和草地為主，其余大部分為未利用地(裸露砒砂巖地)流域植被覆蓋度約為56%，流域內(nèi)土壤侵蝕治理措施以營(yíng)造水土保持植被和封育禁牧措施為主，主要水土保持植被有：油松(Pinustabuliformis)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等；草本植物主要有羊草(Leymuschinensis)、豬毛菜(Salsolanitraria)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

通過無人機(jī)和地面調(diào)查相結(jié)合的手段，對(duì)砒砂巖典型小流域內(nèi)氣候、土壤、植被等自然條件進(jìn)行全面調(diào)查，依據(jù)該區(qū)地形特征和植被配置特點(diǎn)，選取該區(qū)最為常見的油松、沙棘、山杏、檸條4種純林和油松×沙棘、油松×山杏2種混交林作為研究對(duì)象。表1為研究流域內(nèi)人工林的結(jié)構(gòu)組成情況，主要造林樹種為油松、沙棘、檸條和山杏4個(gè)，林齡一致均為10 a。灌木林林分密度一致，喬木林和經(jīng)濟(jì)林林分密度一致，混交林林分密度一致。

2.2 植被調(diào)查

在小流域內(nèi)布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)樣地20個(gè)，其中喬木30 m×30 m、灌木15 m×15 m、分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)林木的樹高和冠幅等林分因子，在林分中，不同高度林木的分配狀態(tài)稱為林分的樹高結(jié)構(gòu)，也稱林分樹高分布。經(jīng)過林分調(diào)查，鮑家溝流域樹種的種類相對(duì)較少，本身生長(zhǎng)特點(diǎn)也有很大的不同，各樹種受立地條件和生物學(xué)特性等因素的影響，樹高存在明顯的差異，按照50 cm劃分1個(gè)徑級(jí)。同時(shí)在樣地四角及中心布設(shè)1 m×1 m樣本5個(gè)，詳細(xì)記錄樹種、林齡、郁閉度/蓋度、密度、土層厚度、坡度、坡向、坡位、樹種組成、地理位置等。

2.3 土壤理化性質(zhì)分析

在研究區(qū)樣地內(nèi)開挖土壤剖面，按照0～20、20～40、40～60 cm分層取土，帶回室內(nèi)風(fēng)干備用。室內(nèi)試驗(yàn)：土壤含水量采用烘干法；土壤容重采用環(huán)刀法；有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法；全N測(cè)定采用半微量開氏蒸餾法；有效P采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法；速效K測(cè)定采用乙酸氨浸提火焰光度法。

表1 人工林結(jié)構(gòu)組成

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域人工林地分布及生長(zhǎng)現(xiàn)狀

圖1為流域林地空間分布圖，流域造林樹種主要有沙棘、檸條、山杏和油松4種，其中沙棘面積最大為1.72 km2，占林地總面積的34.13%，其次為檸條林地，面積為1.34 km2，占林地總面積的26.59%。油松林面積為1.11 km2，占林地總面積的22.02%，山杏林面積最小為0.58 km2，占林地總面積的11.51%。其余為2類喬灌混交林，油松×山杏混交林面積為0.18 km2，占林地總面積的3.57%，油松×沙棘混交林面積為0.064 km2，占林地總面積的1.27%，而全流域中的裸露砒砂巖區(qū)的面積高達(dá)4.41 km2，占流域總面積的34.81%。

圖1 流域林地空間分布

圖2為流域植被覆蓋度分級(jí)圖，可以看出高覆蓋度面積3.80 km2，占流域面積的30%。中覆蓋度面積3.00 km2，占流域面積的23.68%，中低覆蓋度面積2.94 km2，占流域面積的23.20%，低覆蓋度和裸地是裸露砒砂巖的集中分布地帶，占流域面積的23.12%。

由圖3、圖4可知，同齡純林中林木株數(shù)按樹高分布也具有明顯的結(jié)構(gòu)規(guī)律，在檸條純林中，林分最大樹高2 m，最小樹高0.47 m，有39%的樹高分布在1～1.5 m范圍，有34.5%的樹高分布在1.5～2 m范圍，有26%的樹高分布在0.5～1 m范圍，僅有0.5%的樹高分布在<0.5 m的區(qū)間，此部分檸條分布在道路兩側(cè)，可能與植被建設(shè)過程中車輛碾壓導(dǎo)致的生長(zhǎng)緩慢有關(guān)；沙棘林的樹高分布只在1～1.5 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的分布區(qū)，占總株數(shù)的49%，其次在1.5～2 m和0.5～1 m的分布分別為20%和18%，在>2 m和<0.5 m的兩極區(qū)間分布較少，分別為6%和7%；山杏的樹高分布在2.35～3.5 m，一部分分布在<2.5 m處，株數(shù)占總株數(shù)40%、另一個(gè)是分布在3～3.5 m，株數(shù)占總株數(shù)37%，其余分布在2.5～3 m，株數(shù)占總株數(shù)的23%；油松林的樹高分布在2.2～3.8 m，其中有31%的樹高分布在<2.5 m區(qū)間，有18%的樹高分布在2.5～3 m，有22%的樹高分布在3～3.5 m，有29%的樹高分布在>3.5 m區(qū)間。

圖2 流域植被覆蓋度

圖3 檸條、沙棘純林樹高分布

圖4 山杏、油松純林樹高分布

由圖5和圖6可知，油松×山杏混交林中油松樹高在1.5～2.65 m，其中有70.9%的樹高分布在2～2.5 m，有27.27%的樹高分布在<2 m區(qū)間，有1.81%的樹高分布在>2.5 m區(qū)間。山杏樹高在1.65～3 m，其中有35%的樹高分布在2～2.5 m，有45%的樹高分布在<2 m區(qū)間，有20%的樹高分布在>2.5 m的區(qū)間。油松×沙棘混交林中，油松樹高在1.5～2.6 m，20%的樹高分布在2～2.5 m，有40%的樹高分布在<2 m的區(qū)間，有40%的樹高分布在>2.5 m的區(qū)間。沙棘樹高在1.4～1.7 m，38%的樹高分布在1.5～2.2 m，有62%的樹高分布在<1.5 m的區(qū)間。

3.2 人工林地土壤理化性狀

圖7為研究區(qū)典型流域不同人工林地土壤的理化特征，從各林地土壤養(yǎng)分特征來看，土壤速效P含量在0.27～2.04 mg·kg-1，土壤速效K含量在34.26～48.60 mg·kg-1，土壤速效N含量在1.11～6.05 mg·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)在2.45～6.23 g·kg-1，按照全國第2次土壤普查的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別屬于4～6級(jí)、5級(jí)、6級(jí)、6級(jí)，土壤養(yǎng)分整體較低，土壤肥力條件較差。其中油松×山杏混交林下土壤速效P含量(2.04 mg·kg-1)高于其他林地土壤，其次為檸條林(1.78 mg·kg-1)、山杏林(1.57 mg·kg-1)，沙棘林與油松林下土壤速效P含量差異不顯著，油松×沙棘混交林下土壤速效P含量(0.28 mg·kg-1)低于其他人工林；各林地土壤速效氮呈油松×沙棘>沙棘>油松×山杏>山杏>檸條>油松的趨勢(shì)；各林地土壤有機(jī)質(zhì)含量呈油松×山杏>沙棘>檸條>油松×沙棘>山杏>油松的趨勢(shì)。

圖5 油松、山杏混交林樹高分布

圖6 油松、沙棘混交林樹高分布

從各林地土壤水文物理性狀來看，各林地土壤容重在1.51～1.71 g·cm-3，土壤含水率在10%～18%，按照全國第2次土壤普查的土壤容重分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤相對(duì)緊實(shí)，土壤顆粒較粗。各林地土壤總孔隙度呈油松>山杏>檸條>油松×沙棘>沙棘>油松×山杏；土壤含水率以油松×山杏混交林下最高；土層厚度呈檸條>山杏>油松>油松×沙棘>油松×山杏>沙棘的趨勢(shì)。

3.3 小流域人工林地生長(zhǎng)限制因素

選取坡度和坡向2個(gè)地形因子，選取土壤有機(jī)質(zhì)、速效P、速效N、速效K這4種與植被生長(zhǎng)密切相關(guān)的養(yǎng)分指標(biāo)，以及土壤容重、含水和土層厚度3種物理性質(zhì)指標(biāo)，共9項(xiàng)環(huán)境因子，采用皮爾遜相關(guān)性分析方法，分析人工林樹高指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性。由表2可知，養(yǎng)分指標(biāo)中土壤有機(jī)質(zhì)和速效N含量與人工林樹高呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)與樹高的相關(guān)性最強(qiáng)，為0.817，土壤物理指標(biāo)中容重與樹高分別呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而坡向因子和坡度因子與樹高的相關(guān)性較差，反而與土壤養(yǎng)分指標(biāo)和物理性狀指標(biāo)的關(guān)系密切，坡向與速效磷和含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，坡度與容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與速效K、土壤含水呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與速效N、有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖7 人工林下土壤理化性狀

為了進(jìn)一步定量化研究土壤因素對(duì)水土保持植被生長(zhǎng)發(fā)育的直接影響作用，以及地形因子的間接影響作用，結(jié)合各因子間相關(guān)關(guān)系，分別以各因子為因變量，以其他有直接連接關(guān)系的因子為自變量，如以速效氮為因變量，則以有機(jī)質(zhì)和坡度因子為自變量，依次類推，分別進(jìn)行回歸分析，確定間接影響系數(shù)。

表3為各因子對(duì)樹高因子的直接影響作用和間接影響系數(shù)，按照影響關(guān)系路徑可以分為4級(jí)，一級(jí)路徑為直接影響關(guān)系，可以看出土壤因子對(duì)樹高的直接影響作用依次為有機(jī)質(zhì)(0.955)>速效P(0.555)>速效N(0.202)>容重(0.284)>含水率(0.270)=土層厚度(0.270)>速效K(0.196)。

二級(jí)路徑，為通過2個(gè)因子的路徑關(guān)系，主要有坡度→速效N→樹高、坡度→速效P→樹高、坡度→有機(jī)質(zhì)→樹高、坡度→容重→樹高、坡度→土層厚度→樹高、坡向→有機(jī)質(zhì)→樹高、坡向→含水率→樹高、有機(jī)質(zhì)→速效N→樹高、有機(jī)質(zhì)→速效P→樹高、有機(jī)質(zhì)→速效K→樹高、有機(jī)質(zhì)→孔隙度→樹高，其中綜合影響作用最大的路徑為坡向→有機(jī)質(zhì)→樹高，綜合影響系數(shù)為0.548。

三級(jí)路徑，有坡度→有機(jī)質(zhì)→速效P→樹高、坡度→有機(jī)質(zhì)→速效K→樹高、坡度→有機(jī)質(zhì)→速效N→樹高、坡度→有機(jī)質(zhì)→含水率→樹高、坡向→有機(jī)質(zhì)→速效N→樹高、坡向→有機(jī)質(zhì)→速效P→樹高、坡向→有機(jī)質(zhì)→速效K→樹高，其中的綜合影響作用最大的路徑為坡向→有機(jī)質(zhì)→速效N→樹高，綜合影響系數(shù)為0.053。

通過將直接影響因子與樹高因子建立回歸關(guān)系，回歸模型可以寫成

y=2.949-0.479x1+0.014x2-0.076x3+0.329x4+4.416x5-0.003x6-1.438x7

(1)

式中：y為樹高；x1～x7分別為速效P、速效K、速效N、有機(jī)質(zhì)、含水率、土層厚度和容重；模型匯總R2=0.735，模型可解釋性的變異度較高。人工林樹高與環(huán)境因子的路徑關(guān)系見圖8，圖8中的箭頭表示某一因子對(duì)其他因子的直接影響作用，土壤速效P、速效K、速效N和有機(jī)質(zhì)4個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)，土壤容重、土層厚度和含水率3個(gè)土壤物理性質(zhì)指標(biāo)，能直接作用于人工林的樹高生長(zhǎng)，因此其與樹高有直接連線。坡向因子和坡度因子需要通過影響土壤養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)間接影響植被生長(zhǎng)，因此其不能與樹高直接連線，需先鏈接土壤養(yǎng)分或土壤物理性質(zhì)。坡度因子通過改變地表徑流的沖刷影響土壤顆粒的搬運(yùn)和土壤養(yǎng)分的遷移，進(jìn)而改變土壤結(jié)構(gòu)和水肥特征，因此其與速效N、速效P、速效K、有機(jī)質(zhì)、土壤容重、土層厚度和含水率有直接連接關(guān)系，而坡向通過改變太陽輻射能量影響有機(jī)質(zhì)的積累和土壤水分的蒸發(fā)，因而只與含水率和土壤有機(jī)質(zhì)有直接聯(lián)系作用；土壤有機(jī)質(zhì)的分解會(huì)增加土壤速效養(yǎng)分，并改變土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤通氣透水性能，因此土壤有機(jī)質(zhì)與速效N、速效P、速效K和容重有直接連接關(guān)系；土壤水分主要存在于土壤孔隙中，土壤孔隙結(jié)構(gòu)受土壤質(zhì)地和土壤有機(jī)質(zhì)的影響，因此含水率與容重存在直接連接關(guān)系。

表2 人工林樹高與環(huán)境因子的相關(guān)性

表3 人工林樹高與環(huán)境因子的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

砒砂巖區(qū)典型小流域的水土保持植被措施樹種結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，沙棘和檸條林生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，油松，山杏林的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)受立地條件影響較大，采取喬灌混交的配置形式可促進(jìn)植被生長(zhǎng)發(fā)育。

土壤有機(jī)質(zhì)為限制砒砂巖區(qū)人工林生長(zhǎng)發(fā)育的直接限制性因子，坡度和坡向因子為間接限制性因子。坡向等地形因素主要通過改變區(qū)域水熱資源分配，影響土壤有機(jī)質(zhì)含量變化進(jìn)而影響人工林的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖8 人工林樹高與環(huán)境因子的路徑關(guān)系

植物生長(zhǎng)發(fā)育的差異是環(huán)境、生物等因子多方面協(xié)同影響下的結(jié)果，研究尺度的不同，其影響因素也有所區(qū)別[11]。顧錫羚等[12]認(rèn)為在空間大尺度水平上，氣候是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育差異的首要因素。王子婷等[13]認(rèn)為地形是導(dǎo)致中等空間尺度植物生長(zhǎng)變異的關(guān)鍵因素。郭建斌等[14]認(rèn)為造林密度差異是引起小尺度范圍內(nèi)植物種生長(zhǎng)差異的主要因素。與前人研究有所不同的是，砒砂巖區(qū)典型小流域氣候條件基本一致，其地形屬性有著典型黃土丘陵溝壑區(qū)的破碎化地形特征，同時(shí)又獨(dú)有砒砂巖裸露，土層淺薄的地域特點(diǎn)，與其他研究區(qū)域不同的是[15]，土壤和地形因子并非主導(dǎo)小尺度生境的唯一因子。鮑家溝小流域相對(duì)高差不足200 m，海拔作用對(duì)水土保持植被的影響可以忽略，同時(shí)流域面積較小，東西長(zhǎng)約5 km，南北跨度3 km，流域內(nèi)降雨、溫度等氣候因素基本一致。與黃土地區(qū)不同的是，研究區(qū)基巖裸露，水土流失劇烈，長(zhǎng)期的土壤侵蝕作用改變了地表土壤結(jié)構(gòu)，加劇了養(yǎng)分的流失，間接影響著砒砂巖區(qū)水土保持植被的生長(zhǎng)發(fā)育過程[16]，這與趙維軍等[16]的研究結(jié)論相近。此外，值得強(qiáng)調(diào)的是，土層厚度是砒砂巖區(qū)土壤性質(zhì)中較為獨(dú)特的指標(biāo)，在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該區(qū)部分區(qū)域土層厚度<5 cm，甚至部分地區(qū)地表砒砂巖風(fēng)化物裸露，砒砂巖的存在對(duì)于土壤持水能力有著較大影響[17]，間接影響著植被的生長(zhǎng)發(fā)育。

結(jié)合本研究路徑分析的結(jié)果來看，砒砂巖小流域尺度下，土壤水肥指標(biāo)能夠直接影響人工林的生長(zhǎng)發(fā)育過程，土壤因素屬直接影響因素。而坡度、坡向等地形因子則是通過改變局部區(qū)域的水熱條件和地表蝕積作用，間接影響土壤的物理性質(zhì)和養(yǎng)分條件，進(jìn)而間接影響植被的生長(zhǎng)發(fā)育，因此地形因子屬間接影響因素[18-19]。實(shí)際情況也是如此，在砒砂巖區(qū)的調(diào)研過程中也發(fā)現(xiàn)陡坡地帶、基巖裸露地帶以及溝坡地帶，往往土層淺薄養(yǎng)分貧瘠，植被長(zhǎng)勢(shì)稀疏，而溝谷、緩坡和階地帶，土壤的水肥條件相對(duì)較好，植被長(zhǎng)勢(shì)良好。因此在當(dāng)前黃河流域生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)的大背景下，裸露基巖仍是流域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)景觀，在地形因素的限制下是無法通過植被建設(shè)達(dá)到完全消除裸露基巖的目的，因而無節(jié)制地增加水土保持植被的面積，對(duì)于侵蝕的控制作用收效甚微，甚至將面臨水資源枯竭和水土保持植被退化的嚴(yán)重問題[20]。