張梅花

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在干旱、半干旱地區(qū)，有限的大氣降水是沙丘水分的直接補(bǔ)給來源，也是天然植被賴以生存的主要水源之一[1- 3]。水分虧缺極大地限制了植物的生長、養(yǎng)分循環(huán)以及群落生產(chǎn)力和更新，水分成為制約荒漠灌木生存、生長和發(fā)育的關(guān)鍵性因子[4- 6]。因此采取積極有效的措施，充分利用有限的降水，提高土壤含水量，為植被的成活與生長創(chuàng)造良好的條件，對(duì)流動(dòng)沙丘生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建具有重要意義[7]。

生態(tài)墊(eco-mat)是由棕櫚樹果殼纖維制造的一種網(wǎng)狀覆蓋物，是一種新型生物覆蓋材料。有關(guān)生態(tài)墊方面的研究報(bào)道較少，且主要集中在河灘地造林和改變沙地土壤溫濕度方面，初步研究表明生態(tài)墊可改善土壤溫濕度及土壤養(yǎng)分，抑制雜草生長，提高造林成活率[8- 13]。截至目前，有關(guān)生態(tài)墊在防沙治沙和對(duì)荒漠灌木生長的影響方面的研究還較為少見。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于張掖市甘州區(qū)西北郊，地處河西走廊中部，是典型的大陸性草原荒漠氣候，氣候干燥，溫差大，降水少而集中。年平均降水量130.4mm，主要集中在7—9月，年均蒸發(fā)量2002.5mm，是降水量的15.4倍。多年平均氣溫7.3℃，近三十年最高氣溫39.8℃，最低氣溫-28.2℃。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分布有固定沙丘、半固定沙丘和流動(dòng)沙丘，土壤主要為灰棕漠土。

1.2 試驗(yàn)材料

生態(tài)墊(eco-mat)是由棕櫚樹果殼纖維制造的一種生物覆蓋材料。厚約3～5cm、規(guī)格為1m×10m，疏松多孔，較易分解。

1.3 供試灌木

試驗(yàn)灌木為一年生梭梭(Haloxylon ammodendron)和花棒(Hedysarum scoparium)。栽植時(shí)選擇灌木整齊一致，梭梭平均地徑為3.5mm、高43.3cm，花棒平均地徑為3.2mm、高45.1cm。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地設(shè)置4個(gè)處理：覆蓋生態(tài)墊的流動(dòng)沙丘栽植梭梭(M1)、未覆蓋生態(tài)墊的流動(dòng)沙丘栽植梭梭(M01)、覆蓋生態(tài)墊的流動(dòng)沙丘栽植花棒(M02)和未覆蓋生態(tài)墊的流動(dòng)沙丘栽植花棒(M02)，每個(gè)處理重復(fù)3次。2015年4月在每個(gè)重復(fù)內(nèi)種植梭梭、花棒各24株，株行距為1m。生態(tài)墊鋪設(shè)方式：將生態(tài)墊沿等高線鋪設(shè)于流動(dòng)沙丘上部，覆蓋間距為1m，梭梭、花棒栽植于生態(tài)墊旁，各處理均在栽植初期灌一次定根水，之后不再灌水。

1.5 研究方法

1.5.1土壤含水量測(cè)定

土壤含水量用烘干法測(cè)定。植苗后，從2016年4月到11月，每月對(duì)0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm六個(gè)層次的土壤含水量進(jìn)行測(cè)定。

1.5.2灌木主要生長指標(biāo)測(cè)定

(1)灌木高和地徑的測(cè)定

在第一個(gè)生長季末，每個(gè)處理采用機(jī)械抽樣法選取5株，用鋼卷尺測(cè)定灌木高、游標(biāo)卡尺測(cè)定地徑，取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

(2)細(xì)根密度調(diào)查

在各處理內(nèi)挑選5株平均木，分別在距灌木主干20cm和40cm處，分0～20cm、20～40cm和40～60cm三個(gè)土層用土鉆取樣，然后將土樣用網(wǎng)篩(0.25mm)沖洗，收集細(xì)根，風(fēng)干后用電子天平稱取干重，換算成單位體積根系質(zhì)量。

(3)冠幅測(cè)定

分別量取灌木東、南、西、北四個(gè)方向冠幅長度，再求其平均值作為灌木的冠幅長度，其計(jì)算公為：

W=(W東+W南+W西+W北)/4

(1)

式中，W東、W南、W西、W北—分別代表樹木東、南、西、北四個(gè)方向的冠幅長度。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0軟件完成，利用EXCEL軟件做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理土壤含水量月變化情況

地表覆蓋后有改變土壤水分狀況和改善根系微生態(tài)環(huán)境的作用[14- 15]。從2016年4—10月對(duì)土壤含水量的連續(xù)測(cè)定(如圖1所示)可以看出，各處理土壤含水量月變化趨勢(shì)相同，但無論哪個(gè)層次，覆蓋后的土壤含水量均大于未覆蓋的，20～40cm和40～60cm兩個(gè)層次最為明顯。由圖1看出，4月M1和M2各層的土壤含水量均高于M01、M02，土壤含水量高低依次為M1>M2>M01>M02。其中0～20cm處，M1比M01的含水量提高了0.43%(相對(duì)增長率42%)，M2比M02的含水量提高了0.2%(相對(duì)增長率25%)；20～40cm處，M1比M01的含水量提高了1.07%(相對(duì)增長率100%)，M2比M02的含水量提高了0.17%(相對(duì)增長率12%)；40～60cm處，M1比M01的含水量提高了0.89%(相對(duì)增長率63%)，M2比M02的含水量提高了0.34%(相對(duì)增長率21%)。5—6月氣溫繼續(xù)升高，但降雨稀少，土壤含水量開始下降，6月，各處理0～20cm處土壤含水量達(dá)到全年最低值，且相差不大，但20～40cm和40～60cm處覆蓋后土壤含水量均高于對(duì)照。這一階段是林木根系生長的旺盛期，而所選用的灌木根系主要集中在20～60cm之間，覆蓋后土壤含水量的提高為根系的生長創(chuàng)造了良好的條件。

各處理20～40cm和40～60cm處土壤含水量最小值出現(xiàn)在7月，而7—9月是試驗(yàn)區(qū)降雨量最多的時(shí)期，因此各處理土壤含水量開始明顯增加，處理M1含水量的增加尤為明顯，在20～40cm和40～60cm處墊下含水量比M01分別提高了0.24%～0.97%(相對(duì)增長率20%～92%)和0.27%～1.23%(相對(duì)增長率32%～103%)。10月，各處理0～20cm以及20～40cm處土壤含水量達(dá)到最高，但是40～60cm處，處理M1和M2的最高值出現(xiàn)在10月，而處理M01和M02的最大值卻出現(xiàn)在9月，說明深層土壤水分受到生態(tài)墊的阻隔，土壤水分增加延緩。

從10月開始?xì)鉁亟档?，降雨稀少，土壤含水量開始下降，但20～60cm處土壤含水量依然是M1>M2>M02>M01。水在降溫過程中釋放的熱量可以提高地溫，冬季低溫時(shí)期林木不會(huì)因?yàn)闅鉁剡^低而凍死，因此深層含水量的提高為林木的安全越冬提供了保障。同時(shí)由于冬季蒸發(fā)減少，水分損失變小，生態(tài)墊下保存的水分可以促進(jìn)來年初春干旱期林木的生長。這對(duì)北方干旱區(qū)提高造林成活率具有非常重要的意義。

圖1 各處理土壤含水量月變化對(duì)比

2.2 各處理不同深度土壤含水量年變化情況

通過對(duì)各處理不同深度土壤年平均含水量進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，各處理4—11月各層土壤平均含水量有明顯的峰值，表層土壤含水量最低，處理M1和M2，60cm處土壤含水量最高，60cm以下呈降低的趨勢(shì)；處理M01和M02，0～100cm之間土壤含水量呈遞增趨勢(shì)，100cm處達(dá)到最大，之后開始減小。各層土壤平均含水量在4—11月間高低依次為M1>M2>M02>M01。由于裸露的沙丘質(zhì)地疏松，土壤水分在下滲運(yùn)動(dòng)和向上的蒸發(fā)、蒸騰作用的支配下，水分垂直運(yùn)動(dòng)較快，不穩(wěn)定層和中間過渡層的水分極易被蒸發(fā)。

圖2 不同深度土壤年平均含水量

2.3 生態(tài)墊覆蓋對(duì)林木生長的影響

2.3.1覆蓋對(duì)梭梭和花棒生長指標(biāo)的影響

植物的生長狀況是其重要的生物學(xué)特性。生長季末對(duì)不同處理下梭梭和花棒的地徑、高生長、冠幅以及一級(jí)分枝數(shù)進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果見表1?？梢钥闯龈采w生態(tài)墊后梭梭和花棒的地徑、高生長、冠幅以及一級(jí)分枝數(shù)均大于未覆蓋。對(duì)各處理下灌木生長指標(biāo)進(jìn)行方差分析，M1的地徑、高生長以及冠幅與M01和M02差異極顯著(P<0.01)；地徑和一級(jí)分枝數(shù)，M1與M2差異顯著(P<0.05)，但高生長和冠幅差異不顯著。M01和M02的地徑和一級(jí)分枝數(shù)差異顯著(P<0.05)，但兩處理間的高生長和冠幅差異不顯著。M2的高生長和冠幅均顯著高于M01和M02(P<0.05)，其地徑與M01差異不顯著，與M02差異顯著，一級(jí)分枝數(shù)與M01和M02差異均不顯著。綜合比較分析認(rèn)為鋪設(shè)生態(tài)墊可以明顯促進(jìn)灌木生長，對(duì)梭梭的促進(jìn)作用更為顯著。

2.3.2覆蓋對(duì)林木細(xì)根密度的影響

通過對(duì)梭梭和花棒細(xì)根密度的調(diào)查分析，由表2可以看出幾個(gè)處理中細(xì)根的分布具有相同的規(guī)律，都主要集中在水平距灌木主干20cm、垂直40cm深的土壤，此處處理M1的細(xì)根密度為71.85g/m3，比M01高55.33g/m3，處理M2的細(xì)根密度為275.48g/m3，比M02高168g/m3。在距林木主干40cm處，細(xì)根密度相對(duì)較小，有的地方甚至為零。

根系是植物吸收、轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)藏養(yǎng)分的器官，其生長發(fā)育狀況直接影響著地上植物量[16]。根系的生長與土壤中的水、肥、氣、熱等因素有關(guān)，覆蓋后避免了陽光直射，降低了土壤蒸發(fā)，提高了表層土壤的含水量，創(chuàng)造了相對(duì)穩(wěn)定的土溫環(huán)境，生態(tài)墊中的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)雨水淋溶進(jìn)入土壤，增加了土壤肥力，且本項(xiàng)研究試驗(yàn)地土壤為砂土，通氣狀況良好，因此生態(tài)墊下土壤環(huán)境更利于細(xì)根生長。從上面幾組數(shù)據(jù)的比較來看，在同等條件下花棒的細(xì)根密度要大于梭梭，這是由于花棒根系較為發(fā)達(dá)，是由樹種間的差異造成的。

2.3.3覆蓋對(duì)灌木成活率的影響

通過對(duì)各處理成活率調(diào)查，結(jié)果顯示M1、M2、M01和M02的成活率分別為83.3%、79.17%、54.17%和45.83%?？梢钥闯龈采w后提高了造林成活率，其中，覆蓋后梭梭成活率提高了29.13%，花棒成活率提高了33.34%。

干旱區(qū)造林的制約因素是水分，生態(tài)墊覆蓋后提高了土壤含水量，降低了土壤溫度日較差，為灌木生長創(chuàng)造了適宜的土壤環(huán)境，因此覆蓋后灌木成活率大于未覆蓋的。灌木成活率是衡量造林成敗的關(guān)鍵性指標(biāo)，覆蓋后林木成活率的提高充分說明了生態(tài)墊適宜灌木生長。

3 討論與結(jié)論

流動(dòng)沙地鋪設(shè)生態(tài)墊后，抑制了風(fēng)沙的劇烈活動(dòng)，起到了固定沙丘的作用，同時(shí)對(duì)流動(dòng)沙丘的土壤水分以及灌木的生長產(chǎn)生了一定的影響。

(1)由于生態(tài)墊的物理阻隔作用，改變了土壤-植物-大氣構(gòu)成的水循環(huán)體系，切斷了土壤水分與大氣間的交換，抑制了土壤水分蒸發(fā)，使較多的水分保留到土壤中，進(jìn)而提高了20～60cm處土壤含水量，起到了保墑作用；同時(shí)覆蓋生態(tài)墊后改變了土壤含水量在垂直剖面上的分布，將土壤年平均含水量的最大值由100cm處提升到60cm處。這是由于裸露的沙丘質(zhì)地疏松，土壤水分受下滲運(yùn)動(dòng)和向上的蒸發(fā)、蒸騰作用的支配，水分垂直運(yùn)動(dòng)較快，不穩(wěn)定層和中間過渡層的水分極易被蒸發(fā)，因此其土壤年平均含水量的最大值出現(xiàn)在水分相對(duì)穩(wěn)定層100cm處，而覆蓋生態(tài)墊后，蒸發(fā)的水分會(huì)在墊下凝結(jié)最終回歸到土壤中，在提高土壤水分的同時(shí)將土壤年平均含水量的最大值提升到60cm處。而供試灌木根系主要集中在20～60cm處，因此生態(tài)墊覆蓋后土壤含水量的提高為灌木的生長創(chuàng)造了良好的條件。

(2)覆蓋生態(tài)墊后，梭梭和花棒的地徑、高生長以及冠幅均顯著高于未覆蓋狀態(tài)，這是由于覆蓋生態(tài)墊后提高了土壤含水量，土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)通過根系輸送到地上部分，促進(jìn)了灌木的生長。但灌木間的個(gè)體差異導(dǎo)致距灌木主干20cm和40cm處相同環(huán)境下的花棒細(xì)根密度大于梭梭的細(xì)根密度。

(3)從土壤含水量和灌木生長指標(biāo)來看，生態(tài)墊覆蓋于流動(dòng)沙丘易于灌木生長，提高成活率，且梭梭生長狀況優(yōu)于花棒。

本試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)周期較短，生態(tài)墊對(duì)土壤水分和灌木生長的影響雖較為明顯，但土壤含水量和灌木的生長是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，隨著生態(tài)墊的逐步分化降解，土壤理化特性以及灌木生理生化指標(biāo)又將產(chǎn)生怎樣的變化還需進(jìn)一步深入研究。