腾格里沙漠南缘花棒（Hedysarum scoparium）人工固沙林演替规律与机制

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00055

摘要/Abstract

摘要：

人工固沙林演替决定着固沙造林的成效。在腾格里沙漠南缘，应用空间代替时间的方法，选择造林封育5、15、25年花棒（Hedysarum scoparium）人工固沙林，对照流动沙丘和地带性植被样地，从生态水文、土壤种子库、土壤-植被相互关系等方面研究了人工固沙林演替的生态学机制，为区域人工固沙植被建设、保护和修复提供理论依据。结果表明：腾格里沙漠南缘花棒人工固沙林演替过程中，花棒、沙米（Agriophyllum squarrosum）和沙蒿（Artemisia rtemisia sphaerocephala）逐渐退出，自然优势种由一年生草本植物向半灌木、半灌木与多年生草本植物演替，25年后形成相对稳定的近自然固沙植被，呈现向草原化荒漠演替的趋势，但与地带性植被相似性只达到50%。表层土壤持水力持续增强，25年后达到流动沙丘的3.4倍，引起土壤水分浅层化和深层土壤干旱，驱动了深根系植物的衰亡和浅根性草本植物的发展。土壤种子库中沙米和沙蒿快速减少，并在造林25年后消失；油蒿(Artemisia ordosica)持续增加，短花针茅(Stipa breviflora)在25年后出现；土壤种子库与地上植被组成的相似性超过50%，驱动人工固沙林向油蒿+多年生草本植被演替。伴随人工固沙林植被演替，土壤容重持续降低，黏粒、粉粒、有机质和全氮含量持续增大，与人工固沙林群落、物种组成形成密切的对应关系，决定了固沙林演替阶段和物种组成。固沙造林启动并加速了自然植被的恢复演替，是干旱区沙化土地生态恢复的必要措施，但要充分考虑地带性植被和生境条件，以快速建立稳定的近自然植被。

关键词: 花棒, 固沙林, 土壤水分含量, 土壤种子库, 腾格里沙漠

Abstract:

The succession of sand-binding forest impacts the construction effect of sand fixation forest. With the method of substituting time with space, the artificial sand-binding forests afforested for 5, 15 and 25 years at the southern edge of Tengger Desert were selected as a success stage series, and the adjacent mobile sand dune and native vegetation habitat were took as the reference sites to reveal the ecological mechanism of the succession of artificial sand-binding forests from the aspects of ecological hydrology, soil seed bank and soil-vegetation corresponding relationship, which provided theoretical basis for the construction, protection and restoration of regional artificial sand-binding vegetation. The results showed that during the successional process of artificial sand-binding forest of Hedysarum scoparium in the southern edge of Tengger Desert, the artificial population of H. scoparium, pioneer plants Agriophyllum squarrosum and Artemisia sphaerocephala declined gradually, and the natural dominant species changed from annual herbs to semi shrubs, then to semi shrubs and perennial herbs. After 25 years, a relatively stable near natural sand-binding vegetation similar to the zonal vegetation up to 50% was formed, which showed a trend of grassland desertification succession. During the successional process of artificial sand-binding forest, the topsoil water holding capacity increased continually, reaching 3.4 times of that of the mobile sand dunes after 25 years, which resulted in the shallow distribution of soil moisture and the drought of the deep soil, driving the decline of the deep root plants and the development of the shallow root herbs. A. squarrosum and A. sphaerocephala in the soil seed bank decreased rapidly and disappeared after 25 years; A. ordosica continued to increase and Stipa breviflora appeared after 25 years, which was more than 50% similar to the aboveground vegetation composition, driving the artificial sand-binding forest to A. ordosica vegetation with perennial herbs. With the succession of artificial sand-binding forest, soil bulk density continued to decrease, clay, silt, organic matter and total nitrogen continued to increase, which was closely related to the community and species composition of artificial sand-binding forest, and determined the succession stage and species composition of sand-binding forest. Obviously, sand fixation and afforestation is a necessary measure for ecological restoration of the desertified land in arid areas, which starts and accelerates the restoration and succession of natural vegetation. However, the zonal vegetation and soil habitat conditions should be fully considered in sand fixation and afforestation, so as to establish stable near natural vegetation quickly.

Key words: Hedysarum scoparium, sand-binding forest, soil water content, soil seed bank, Tengger Desert

中图分类号:

Q948.15

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图/表 9

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植被特征	流动沙丘MS	5年	15年	25年	地带性植被NV
物种数	3	9	10	10	15
优势物种及其重要值	沙米49.33、沙蒿40.67	花棒27.00、油蒿19.0、沙蒿13.33、沙米13.33	油蒿36.67、禾草47.67	油蒿40.33、刺蓬26.27、禾草19.33	银灰旋花38.33、短花针茅20.67
植被总盖度/%	6.14±1.50^c	18.11±2.44^b	40.23±2.47^a	36.44±1.86^a	35.48±2.24^a
草本盖度/%	1.26±0.34^c	5.22±1.55^bc	8.02±1.27^b	8.96±1.85^b	29.86±2.05^a
灌木盖度/%	4.89±1.51^c	14.40±2.24^b	32.57±2.38^a	29.90±2.04^a	7.73±2.11^c
地上生物量/(kg·hm^-2)	91.9±78.7^c	2095.0±668.9^b	3790.4±645.3^a	2305.2±275.6^b	1484.4±426.5^b
地下生物量/(kg·hm^-2)	401.9±315.0^b	1667.8±804.7^a	1944.0±602.4^a	1720.0±299.8^a	1711.3±417.4^a
物种多样性指数（Shannon-wiener）	0.40±0.05^c	0.85±0.06^b	0.42±0.04^c	0.82±0.06^b	1.17±0.06^a
与地带性植被的相似性	0.00	0.20	0.28	0.50	1

植被特征	流动沙丘MS	5年	15年	25年	地带性植被NV
物种数	3	9	10	10	15
优势物种及其重要值	沙米49.33、沙蒿40.67	花棒27.00、油蒿19.0、沙蒿13.33、沙米13.33	油蒿36.67、禾草47.67	油蒿40.33、刺蓬26.27、禾草19.33	银灰旋花38.33、短花针茅20.67
植被总盖度/%	6.14±1.50^c	18.11±2.44^b	40.23±2.47^a	36.44±1.86^a	35.48±2.24^a
草本盖度/%	1.26±0.34^c	5.22±1.55^bc	8.02±1.27^b	8.96±1.85^b	29.86±2.05^a
灌木盖度/%	4.89±1.51^c	14.40±2.24^b	32.57±2.38^a	29.90±2.04^a	7.73±2.11^c
地上生物量/(kg·hm^-2)	91.9±78.7^c	2095.0±668.9^b	3790.4±645.3^a	2305.2±275.6^b	1484.4±426.5^b
地下生物量/(kg·hm^-2)	401.9±315.0^b	1667.8±804.7^a	1944.0±602.4^a	1720.0±299.8^a	1711.3±417.4^a
物种多样性指数（Shannon-wiener）	0.40±0.05^c	0.85±0.06^b	0.42±0.04^c	0.82±0.06^b	1.17±0.06^a
与地带性植被的相似性	0.00	0.20	0.28	0.50	1

剖面深度/cm	样地	平均值	标准误	变异系数/%	最小值	最大值	偏度	峰度	分布类型
0~20	流动沙丘MS	1.77^de	0.05	20.7	0.700	2.45	-0.68	0.40	正态
	5年	1.52^f	0.05	24.8	0.54	2.28	-0.40	-0.32	正态
	15年	1.05^g	0.05	33.7	0.37	2.04	0.48	-0.23	正态
	25年	1.21^g	0.03	19.4	0.9	1.89	1.14	1.12	对数正态
	地带性植被NV	3.38^b	0.09	19.2	2.26	5.22	1.04	1.38	对数正态
20~40	流动沙丘MS	3.01^b	0.10	23.5	1.1	4.44	-0.34	-0.08	正态
	5年	2.11^c	0.10	33.1	0.9	4.11	0.43	-0.19	正态
	15年	1.48^f	0.07	32.9	0.76	2.65	0.25	-0.93	正态
	25年	1.54^f	0.04	18.2	1.16	2.13	0.55	-0.75	正态
	地带性植被NV	5.68^a	0.07	9.5	4.29	6.94	0.02	1.29	对数正态
40~60	流动沙丘MS	2.97^b	0.11	26.0	1.3	4.71	0.16	-0.44	正态
	5年	1.87^d	0.08	28.6	1.05	3.19	0.43	-0.47	正态
	15年	1.43^f	0.07	33.3	0.67	2.69	0.61	0.2	正态
	25年	1.59^ef	0.05	21.9	1.03	2.58	0.8	0.63	正态
	地带性植被NV	5.59^a	0.08	8.2	3.38	6.48	-1.28	4.80	对数正态

剖面深度/cm	样地	平均值	标准误	变异系数/%	最小值	最大值	偏度	峰度	分布类型
0~20	流动沙丘MS	1.77^de	0.05	20.7	0.700	2.45	-0.68	0.40	正态
	5年	1.52^f	0.05	24.8	0.54	2.28	-0.40	-0.32	正态
	15年	1.05^g	0.05	33.7	0.37	2.04	0.48	-0.23	正态
	25年	1.21^g	0.03	19.4	0.9	1.89	1.14	1.12	对数正态
	地带性植被NV	3.38^b	0.09	19.2	2.26	5.22	1.04	1.38	对数正态
20~40	流动沙丘MS	3.01^b	0.10	23.5	1.1	4.44	-0.34	-0.08	正态
	5年	2.11^c	0.10	33.1	0.9	4.11	0.43	-0.19	正态
	15年	1.48^f	0.07	32.9	0.76	2.65	0.25	-0.93	正态
	25年	1.54^f	0.04	18.2	1.16	2.13	0.55	-0.75	正态
	地带性植被NV	5.68^a	0.07	9.5	4.29	6.94	0.02	1.29	对数正态
40~60	流动沙丘MS	2.97^b	0.11	26.0	1.3	4.71	0.16	-0.44	正态
	5年	1.87^d	0.08	28.6	1.05	3.19	0.43	-0.47	正态
	15年	1.43^f	0.07	33.3	0.67	2.69	0.61	0.2	正态
	25年	1.59^ef	0.05	21.9	1.03	2.58	0.8	0.63	正态
	地带性植被NV	5.59^a	0.08	8.2	3.38	6.48	-1.28	4.80	对数正态

植物种	科	流动沙丘MS	5年	15年	25年	地带性植被NV
一年生草本
沙米（Agriophyllum squarrosum）	藜科	56.2±16.2	12.5±6.7	6.3±4.1	—	3.1±3.1
刺蓬（Salsola ruthenica）	藜科	—	—	—	59.4±59.4	50±34.1
盐生草（Halogeton arachnoideus）	藜科	—	—	—	—	6.3±4.1
五星蒿（Bassia dasyphylla）	藜科	—	3.1±3.1	6.3±4.1	—	53.1±29.7
画眉草（Eragrostis poaeoides）	禾本科	3.1±3.1	12.5±8.2	484.4±110.1	21.9±7.4	46.9±21.9
狗尾草（Setaria viridis）	禾本科	6.3±4.1	81.3±64.6	284.4±141.5	9.4±6.6	15.6±9.3
虎尾草（Chloris virgata）	禾本科	—	3.1±3.1	18.8±13.2	—	3.1±3.1
地锦（Euphorbia humifusa）	大戟科				6.3±4.1
黄蒿（Artemisia scoparia）	菊科				9.4±6.6	37.5±15.7
虫实（Corispermum patelliforme）	藜科		12.5±12.5	56.3±29.0	3.1±3.1
多年生草本
短花针茅（Stipa breviflora）	禾本科	—	—	—	6.3±4.1	31.3±7.8
无芒隐子草（Cleistogenes squarrosa）	禾本科	—	—	—	—	131.3±117.3
草木樨（Melilotus Offcinalia）	豆科	—	—	—	—	15.6±9.4
苦豆子（Sophora alopecuroides）	豆科	—	—	—	—	3.1±3.1
半灌木
油蒿（Artemisia ordosica）	菊科	—	65.6±36.6	190.6±51.5	221.9±67.7	—
沙蒿（Artemisia sphaerocephala）	菊科	75.0±36.2	84.4±48.2