天山北坡前山带区域中国沙棘造林技术

王 凯,程 平,玛纳甫·赛依提,张 森,安玉光,李 宏

(1.新疆农业大学林学与风景园林学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆维吾尔自治区天山东部国有林管理局玛纳斯南山分局,新疆玛纳斯 832200;3.新疆林业科学院,乌鲁木齐 830092)

0 引 言

【研究意义】前山带是主体山脉与平原地区的过渡带,前山带的存在可以维持绿洲的稳定发展,阻止山区洪水、泥石流对平原地区的侵袭,同时对周围生态环境起重要保护作用[1]。天山北坡前山带是天山区域重要的牧场,但其生态系统脆弱,水资源有限,植物易受干旱影响,不合理的放牧活动导致天然灌木林退化严重,自我更新能力差[2];而该区域特殊的自然环境和地形地貌,坡度一般在5～30°,进行有灌溉造林的难度大、成本高,有必要结合该区域的自然降雨量在200～300 mm的特点[3],开展集雨保墒造林技术(即无灌溉造林)的研究,增加植被覆盖率,促进天山北坡前山带区域植被快速恢复。【前人研究进展】中国沙棘(HippophaerhamnoidesL.)为胡颓子科(Elaeagnaceaa)沙棘属(Hippophae)的落叶灌木或是小乔木,广泛分布于我国河北、内蒙古、山西、陕西、甘肃等地[4],具有极强的抗旱适应能力[5],果实和叶片富含多种营养成分,是良好的生态经济兼用树种[6],也是在天山北坡前山带区域开展集雨保墒造林的首选树种。关于集雨保墒造林技术的相关研究报道较多,王月海等[7]采用蓄水保墒、截流效率高的水平沟整地,提高了刺槐、侧柏等树种的成活率,胡兴宜等[8]在高效收集雨水的基础上,通过覆膜增强对土壤水分的保持,减轻土壤水分蒸发,保证刺槐在生长过程中的水分供给,贾殿坤[9]在辽西地区通过施用保水剂来提高杨树的成活率。【本研究切入点】目前关于沙棘光合生理特性研究多基于不同品种间[10-11],针对中国沙棘不同造林配套模式下的生理光合特性研究鲜有报道。干旱、半干旱区的造林成活率在70%(含)以上为合格[12],需研究影响中国沙棘生长的关键光合指标、生理指标及土壤含水量。【拟解决的关键问题】以中国沙棘研究对象,在天山北坡前山带区域开展不同整地方式和保水措施对中国沙棘造林后苗木生长和生理生化指标的影响,综合评价不同造林技术措施,筛选出适宜中国沙棘最优的造林配套技术措施,为天山北坡前山带区域人工造林提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于新疆天东国有林管理局玛纳斯南山林场境内的天山北坡前山带区域,试验地点位于石门子管护所二象台子坡地(E86°14′,N43°52′),属典型的温带大陆性干旱气候,年均气温为8.7℃,1月平均气温为-24.7℃,7月平均气温为17.7℃,最高气温35℃左右,年降水量为324.62 mm,全年无霜期165～172 d,最长达190 d,平均海拔1 320 m左右。土壤类型为栗钙土,有机质(26.80±2.30) g/kg,速效钾(253.75±21.65) mg/kg,有效磷(4.67±1.26) mg/kg,土壤pH值(7.85±0.12),电导率(0.29±0.02) ms/cm。

苗木为2年生中国沙棘土球苗,购买于玛纳斯县苗圃,苗高大于80 cm,地径大于1 cm,土球大小为15～20 cm。天然钠基膨润土购买于新疆奇台县国平膨润土矿。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

2019年10月20日进行秋季造林试验,株行距设置为1.5 m×5 m,造林后全部采用围栏保护。整地方式设置为2种,即穴状整地和水平沟整地,种植穴规格为长×宽×深:50 cm×50 cm×20 cm,水平沟规格为沟深30 cm、宽80 cm,沿等高线开沟。保水措施设置3个处理1个对照,穴状整地:覆膜(M1)、膨润土(M2)、覆膜-膨润土(M3)、CK1;水平沟整地:覆膜(M4)、膨润土(M5)、覆膜-膨润土(M6)、CK2。每个处理20株苗,重复3次。覆膜处理,即:栽植苗木灌冬水后,采用黑色塑料膜(膜宽80 cm)覆盖种植穴或水平沟表面,然后覆土压实;膨润土处理,即:每个种植坑底部洒0.5 kg膨润土,与种植土搅拌均匀后定植苗木;覆膜-膨润土处理,即:采用覆黑膜与膨润土共同处理的方式;对照(CK),不采用覆膜或膨润土处理。

定植前,苗木全部平茬,保留株高50 cm;定植后,用洒水车浇冬水,每株20 L,水中放ABT生根粉1号;生根粉先用酒精溶入小瓶中,倒入洒水车内。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 生长指标

2020年9月20日,用钢卷尺和游标卡尺测定苗木的新梢高(精确到0.1 cm)、梢径(精确到0.01 cm),测定苗木成活率、新梢干鲜重。

1.2.2.2 生理生化

2020年9月15日,采集不同处理的苗木叶片,均取自植株上部的功能叶,每处理取样5株,保存于液氮罐中备用。叶绿素含量:采用乙醇提取比色法[13];可溶性蛋白含量:采用考马斯亮蓝G-250法[14];超氧化物歧化酶活性:采用NBT光化学还原法[15];脯氨酸含量;采用磺基水杨酸提取法;丙二醛含量:采用硫代巴比妥酸显色法[13]。

1.2.2.3 叶片光合

2020年7月16日11:00～13:00期间测定中国沙棘光合指标,选取植株中上部功能叶片,利用Li-6400XT便携式光合仪测定苗木的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率,每处理选取3株苗木,每株选取3片功能叶测定。

1.2.2.4 土壤含水量

2020年5月1日开始测定土壤体积含水量,以土壤体积含水量作为实际土壤含水量的分析依据。在距离苗木20 cm两侧深30 cm处分别埋设EC-5土壤水分传感器1个,每处理重复3次,每3 d测定1次。

1.3 数据处理

以生长指标中最直观的指标成活率(Y1)和新梢生长量(Y2)作为因变量,(1)选择生理指标可溶性蛋白(X1)、叶绿素含量(X2)、丙二醛含量(X3)、脯氨酸含量(X4)、超氧化物歧化酶含量(X5)作为自变量,进行多元逐步回归分析,筛选出主要生理指标影响因子;(2)选择光合指标净光合速率(X6)、气孔导度(X7)、细胞间CO2浓度(X8)、蒸腾速率(X9),进行多元逐步回归分析,筛选出主要光合指标影响因子;(3)选择5月平均土壤含水量(X10)、6月平均土壤含水量(X11)、7月平均土壤含水量(X12)、8月平均土壤含水量(X13),进行多元逐步回归分析,筛选出主要土壤含水量影响因子。

应用模糊数学的隶属函数法,结合权重,对成活率(S1)、新梢高(S2)、可溶性蛋白含量(S3)、超氧化物歧化酶含量(S4)、气孔导度(S5)、蒸腾速率(S6)、5月平均体积含水量(S7)、8月平均体积含水量(S8)共计8指标进行评分排序,最终计算出中国沙棘造林配套技术的综合评分,数值越大,该模式保水保墒性能越强,中国沙棘苗木生长表现越好。

采用Excel 2010软件整理数据、绘制图表,运用SPSS17.0软件进行统计分析,综合评价采用模糊数学模型的隶属函数[16]、结合权重进行评价。

隶属函数的基本计算方法为:

X(Zj) = (Zj-Zmin)/(Zmax-Zmin).

如果指标与抗旱性呈负相关,则:

X(Zj) = 1-(Zj-Zmin)/(Zmax-Zmin).

式中,X为隶属函数值(下同);Zj为指标测定值,Zmax、Zmin,为某一指标的最大值和最小值。将各处理隶属函数值进行累加,并求其平均值。

权重计算方法为:

式中,Wj为第j个指标在所有评价指标中的权重;Pj为经主成分分析所得到第j个指标的贡献率。

与此前部分银行设立的资产管理公司相比，理财子公司的业务范围更加广泛，除了投向债券、存款、货币市场工具等标准化资产，也允许投向非标准化债权类资产，同时还可进行权益投资，把握一级市场，承接银行的表外业务。在业内看来，这无异于拥有一张“超级牌照”。

式中,D为中国沙棘造林技术综合评分。

2 结果与分析

2.1 不同造林技术对中国沙棘生长指标的影响

研究表明,不同保水处理下的中国沙棘幼苗成活率和生长状况均存在显著差异(P<0.05)。穴状整地方式下,覆膜-膨润土保水处理的中国沙棘成活率、新梢高、新梢径粗、新梢鲜重、新梢干重均表现最优,表现最差的均为CK1,水平沟整地方式下,与穴状整地表现出相同的规律,即覆膜-膨润土保水处理的中国沙棘成活率、新梢高、新梢径粗、新梢鲜重、新梢干重均表现最优,显著高于其他保水处理,而CK2表现最差。水平沟整地方式优于穴状整地;保水处理覆膜-膨润土>覆膜>膨润土>CK。

相同整地方式下,中国沙棘成活率较CK分别提高:13.9%、5.6%、21.7%; 19.9%、6.3%、28.2%;相同保水处理下,中国沙棘成活率分别提高:17.6%、23.6%、18.3%、24.2%。达到合格标准的配套措施为水平沟-覆膜-膨润土、水平沟-覆膜。表1

表1 不同保水处理的中国沙棘生长指标比较Table 1 Comparison of growth indexes of H.rhamnoideswith different water-retaining treatments

2.2 不同造林技术对中国沙棘叶片生理指标的影响

研究表明,不同保水处理下的中国沙棘幼苗生理指标均存在显著差异(P<0.05)。穴状整地的生理指标(可溶性蛋白、丙二醛含量、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶)显著高于水平沟处理(P<0.05),穴状整地方式整体受到胁迫的程度高于水平沟整地,与中国沙棘苗木生长指标相一致。在保水措施方面,两种整地方式下均表现为CK的生理指标为最高,覆膜-膨润土保水处理含量最低,水平沟整地-覆膜-膨润土保水处理下的中国沙棘受到外界环境干旱胁迫程度最轻,适应干旱环境能力优于其他保水处理。表2

表2 不同保水处理的中国沙棘生理指标比较Table 2 Comparison of physiological indexes of H.rhamnoideswith different water-retaining treatments

2.3 不同造林技术对中国沙棘苗木光合指标的影响

研究表明,不同保水处理下的中国沙棘幼苗光合指标均有显著差异(P<0.05)。水平沟整地的光合指标(净光合速率、气孔导度、细胞间CO2浓度、蒸腾速率)显著高于穴状整地方式(P<0.05),水平沟整地中国沙棘幼苗生长状况优于穴状整地方式,与中国沙棘苗木生长指标表现相一致。覆膜-膨润土处理下中国沙棘的净光合速率、气孔导度、细胞间CO2浓度、蒸腾速率明显优于其他保水处理(P<0.05),覆膜-膨润土>覆膜>膨润土>CK。水平沟-覆膜-膨润土处理下中国沙棘的光合作用优于其他处理。表3

2.4 不同造林技术对土壤含水量的影响

研究表明,穴状整地方式下,M1、M2、M3保水处理土壤含水量均高于CK1对照;水平沟整地方式下,M4、M5、M6保水处理土壤含水量均高于CK2对照。两种整地方式下,水平沟土壤含水量均大于穴状整地;对不同处理5～8月土壤含水量的均值进行排序,M6>M4>M5>M3>M2>M1>CK2>CK1。图1

图1 不同保水处理的中国沙棘月平均土壤含水量变化

两种整地方式下,水平沟土壤含水量优于穴状整地,6月27日、8月9日出现较大规模的降雨,降雨量分别为7.3、12.4 mm,导致土壤含水量急剧上升。在同一整地方式下,中国沙棘土壤含水量均表现出膨润土-覆膜>覆膜>膨润土>CK。水平沟整地和覆膜-膨润土处理的保水效果最好,与中国沙棘的生长、生理、光合指标的表现相一致。图2

图2 不同保水处理的中国沙棘土壤含水量变化

2.5 影响中国沙棘苗木生长的关键因子变化

研究表明,生理指标中影响中国沙棘生长的关键因子为可溶性蛋白(X1)、超氧化物歧化酶(X5);光合指标中影响中国沙棘生长的关键因子为蒸腾速率(X9)、气孔导度(X7);土壤含水量指标中影响中国沙棘生长的关键因子为5月土壤含水量(X10)、8月土壤含水量(X13)。表4

2.6 中国沙棘造林配套技术的综合评价

2.6.1 主成分分析

研究表明,主要影响因子共同度均高于0.8,提取的因子已经反映了原变量80%以上的信息,对原始变量的解释度高。成活率、可溶性蛋白、超氧化物歧化酶含量、蒸腾速率、8月平均土壤含水量权重大于0.125,以上指标对造林质量影响较大;新梢生长量、气孔导度、5月平均土壤含水量权重低于0.125,以上指标对造林质量影响较小。表5

表4 影响中国沙棘生长量的 多元逐步回归方程Table 4 Linear regression equation of growth

2.6.2 综合评价

研究表明,保水能力最强的是水平沟整地(覆膜-膨润土),水平沟整地(覆膜)次之,保水能力最差的是穴状整地(CK1)、水平沟整地(CK2)。表6

表5 主成分因子负荷系数和权重Table 5 Principal component factor load coefficients and weights

表6 不同保水处理的中国沙棘综合评价值Table 6 Comprehensive evaluation value of different water conservation Treatment H.rhamnoides

3 讨 论

3.1 不同造林方式下中国沙棘光合、生理特性差异性变化

在干旱区、半干旱区,如何保持造林地土壤的水分是提高造林成活率的重要措施,保水的根本途径就是有效降低土壤的水分蒸发,使有限的水分能够被植物吸收和利用,最大程度减少水分浪费[17]。覆盖黑膜是保持土壤水分的一项重要措施,能够有效降低土壤水分的蒸发,在蒸发较为强烈地区保水效果尤为明显[18]。苏凤梅等[19]在渭北旱塬区土壤水分的研究发现,地膜覆盖能减少水分蒸发,水分保持效果优于裸地。另一方面,整地方式不同,造林地土壤蒸发不同、拦截径流的效果也不同[20]。程积民等[21]、韩志伟等[22]研究表明,水平沟整地的集水能力、土壤含水量、中国沙棘苗木生长量均显著高于对照组(无任何整地措施)(P<0.05)。在研究中,保水措施相同的条件下,水平沟整地的土壤含水量均显著高于穴状整地(P<0.05),平均增加9.39%,中国沙棘生长量均显著高于穴状整地,平均增加81.2%;在整地方式相同条件下,覆膜处理的土壤含水量均显著高于未覆膜处理,平均增加9.9%,中国沙棘生长量均显著高于穴状整地,平均增加14.7%;研究关于水平沟整地方式和覆膜处理的研究结果与前人研究成果一致。

超氧化物歧化酶作为植物抗氧化的第一道防线,能通过歧化反应清除因干旱产生的活性氧自由基,降低干旱对自身的危害[23-25]。可溶性蛋白是一种重要的渗透调节物质,植物在干旱的环境下,会产生更多的可溶性蛋白从而提高细胞的亲水性,最终达到抵御逆境的目的[26]。研究结果表明,在不同造林技术下中国沙棘的可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶活性存在显著差异(P<0.05),经逐步回归分析得出可溶性蛋白含量与超氧化物歧化酶活性是影响中国沙棘生理的关键因子,可溶性蛋白、超氧化物歧化酶与干旱具有显著的相关性,与吴永波等[27],郭盈添等[28]研究结果一致;而水平沟整地-覆膜-膨润土处理下中国沙棘的可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶活性最低,表明该处理能够显著减低中国沙棘受到的干旱胁迫。

蒸腾速率与气孔导度是影响植物净光合速率的重要因素,当两者同时下降且净光合速率也下降,植物在干旱缺水时,叶片气孔关闭、蒸腾作用降低,阻碍了光合作用的进行,最终表现为生物累积量减少[29]。研究中,在不同造林技术下中国沙棘的净光合速率存在显著差异(P<0.05),且以水平沟整地-覆膜-膨润土处理下中国沙棘的净光合速率为最高;经逐步回归分析得出,影响中国沙棘成活率和生长量的关键光合指标为气孔导度与蒸腾速率,净光合速率受到蒸腾速率与气孔导度双重因素的影响,与高国日等[30]土壤干旱对沙棘光合指标的影响结果相一致。

在干旱、半干旱地区,植物群落对土壤水分十分敏感,苏嫄等[31]在黄土丘陵区地上生物量季节变化与土壤含水量关系中指出,生物量季节性变化与土壤水分密切相关,在降雨较少的月份,生物量应呈现下降趋势。试验中,8月降水少,平均土壤含水量全年最低,但覆膜、膨润土等措施保证了中国沙棘生长所需水分,导致各处理间中国沙棘生长量存在显著性差异(P<0.05),8月土壤含水量成为影响中国沙棘生长的关键因子与研究结果一致。同时研究发现5月土壤含水量成为影响中国沙棘成活率的关键因子,可能是由于在中国沙棘生长初期,水分充足,提供了良好的生长环境,增加了中国沙棘的抗逆性。

3.2 中国沙棘造林配套技术综合评价

王韡烨[32]通过隶属函数法对不同蓄水保墒处理进行综合评价,最终得出覆膜处理效果最好,提高苗木质量幅度最大,且增加的造林成本最低,是比较理想的蓄水保墒处理措施。袁信昌等[33]将9中处理下的木荷等植物进行隶属函数综合评价,得出在木荷在施用保水剂处理下,综合效益最高。李丽锋等[34]对辽西地区4种整地方式进行综合排序后得出,水平沟整地综合得分>穴状整地。试验中,相同保水处理下,中国沙棘成活率可以提高17.6%～28.2%,且水平沟整地综合得分均高于穴状整地,在造林过程中应优先考虑水平沟整地;相同整地方式下,覆膜处理的中国沙棘成活率较CK可以提高13.9%、19.9%;膨润土处理下的中国沙棘成活率可以提高5.6%、6.3%,在今后造林过程中单项措施应优先考虑覆膜。根据隶属函数综合评分的出,水平沟-覆膜-膨润土综合配套技术得分最高,单一穴状整地(CK1)得分最低,与研究结果相一致。

4 结 论

4.1选择水平沟整地方式;保水措施优先选择覆膜-膨润土的措施,其次是覆膜单项技术。

4.2天山北坡前山带中国沙棘造林的综合配套技术为:水平沟整地-覆膜-膨润土综合造林技术、水平沟整地-覆膜综合造林技术。