-
太行山是我国北方一个典型的干旱瘠薄山地,它以石质山地为主,主要特点是山峦起伏、沟谷纵横、降水分布不均、旱灾较多、土壤贫瘠、植被稀少[1]。自上世纪50年代开始,太行山植被恢复,森林覆盖率由13.1%提高到34.0%(http://www.forestry.gov.cn/main/419/content-818527.html),为京津冀生态安全提供了有力保障,但为了满足人民对美好生态环境的向往,太行山森林覆盖率亟待进一步提高。国家从“六五”到“十二五”时期,开展了一系列的太行山植被恢复技术研究,提出了一批太行山困难立地植被恢复技术[2-4],但对于土层厚度在15 cm以内的困难立地植被恢复技术还比较缺乏,且太行山区当前土层厚度小于15 cm的干瘠山地为水土流失关键区域,亟待攻克其植被恢复技术。
生境,即具体生物个体和群体生活地段上的环境,也是对生物起作用的生态因子的综合[5]。植物微生境改良就是对植物周围的小生境进行改良,使生境条件更适合植物的生长、发育和繁殖。前人对生境改良在困难立地植被恢复中的应用方面开展了大量的研究,并得出一些关键结论和实用技术。研究发现,有机物覆盖可以改善土壤的温湿度和肥力[6],石块覆盖[7]、塑料地膜[8]、液体地膜[9]及菌根[10]等会有效减少土壤水分蒸发,改善土壤温度、湿度、肥力,提高植物存活率,促进植物生长。
沙地柏(Sabina vulgaris Ant),又名臭柏、叉子圆柏等,属柏科圆柏属,常绿匍匐针叶灌木,少数为直立灌木或小乔木,是重要的针叶兼性克隆植物,主要分布于温带大陆性干旱、半干旱区的山地和沙地区[11-12]。沙地柏以其优良的生长繁殖特性[11],强大的抗旱固沙能力[13-14],对土壤适应性强[15]及显著的土壤改良能力[16-17],成为近年来植被恢复、环境绿化的重要植物种类之一。基于此,本研究采用人工模拟土层厚度15 cm条件下,结合不同微生境改良技术,研究微生境改良对沙地柏生长特性、叶绿素含量变化、露点水势及生物量的影响,筛选出适宜于太行山土层厚度15 cm干瘠山地的植被恢复技术,为太行山干瘠山地植被恢复提供技术支撑。
-
对不同微生境改良下的沙地柏株高和冠幅进行单因素方差分析和多重比较,图1表明:株高增长量中,ST、DM、YM,、JG、KL处理均显著高于CK,且分别比CK高385.75%、403.03%、1 330.00%、1 490.00%、1 533.00%,故ST、DM、YM、JG、KL均对沙地柏株高生长有显著影响,而各处理间并无显著差异。冠幅增长量中,ST、DM、JG、KL处理均显著高于CK处理,且分别比CK处理高185.03%、160.36%、239.80%、161.67%,YM与各处理及对照间无显著差异;故ST、DM、JG、KL这四种处理对沙地柏冠幅增长有显著影响,且各处理间增长量无显著差异。。
图 1 微生境改良对沙地柏株高和冠幅增长量影响
Figure 1. Effect of microhabitat improvement on plant height and crown growth of S. vulgaris
对不同微生境改良下的沙地柏主根长进行单因素方差分析和多重比较,图2表明:不同微生境改良处理对沙地柏主根长度产生影响,且影响程度随时间的变化而变化,具体表现为:2017年3、6、9月各处理间无显著差异。2016年7月ST处理下的沙地柏主根长显著高于JG处理,且比JG高345.28%,JG处理最短;2016年10月DM、KL处理显著高于JG处理,且比JG高108.58%、100%,JG处理仍最短。
-
对不同微生境改良下的沙地柏叶绿素含量进行单因素方差分析和多重比较,图3表明:不同微生境改良处理对沙地柏叶片的叶绿素含量产生影响,且影响程度随时间变化而变化,具体表现为,2016年10月、2017年3、9月各处理间无显著差异;2016年7月,YM、ST处理显著高于CK、DM处理,且分别比CK、DM处理高65.09%、49.79%和62.50%、47.44%;JG显著高于CK,且比CK高44.14%。2017年6月,DM、KL处理显著高于CK、ST处理,且分别比CK、ST处理高93.01%、219.68%和144.90%、305.62%;同时,YM、JG处理下的沙地柏叶片叶绿素含量分别显著高于ST处理175.93%、187.50%。
-
对不同微生境改良下的沙地柏露点水势进行单因素方差分析和多重比较,图4表明:不同微生境改良处理对沙地柏叶片露点水势产生影响,且影响程度随时间变化而变化,具体表现为,2017年4月各处理间沙地柏露点水势无显著差异;2016年9月CK处理下的沙地柏露点水势均显著低于其他处理,且分别比ST、DM、YM、JG、KL处理低73.03%、59.55%、66.85%、53.93%、80.89%;2016年12月CK处理下的沙地柏露点水势均显著低于DM、YM、JG处理,且分别比DM、YM、JG处理低71.22%、67.45%、75.94%;2017年7月CK处理下的沙地柏露点水势均显著低于DM、YM、JG、KL处理,且分别比DM、YM、JG、KL处理低60.35%、57.39%、82.84%、92.89%;ST处理下的沙地柏露点水势显著低于DM、JG、KL处理,且分别比DM、JG、KL处理下的低59.39%、82.42%、92.72%。
-
对不同微生境改良下的沙地柏干质量和鲜质量增量进行了单因素方差分析和多重比较,表1表明:不同微生境改良对沙地柏干、鲜质量增量分别有不同影响,且JG处理增量最显著。具体表现为,JG处理下的沙地柏地上干、鲜质量增量均显著高于CK、YM处理,分别比CK、YM处理高115.36%、110.12%、147.40%、144.78%;JG处理下的沙地柏地下干、鲜质量的增加量均显著高于CK、ST、DM、YM处理,且分别高126.38%、125.62%、149.77%、174.42%、122.59%、136.00%、158.25%、137.90%。
对不同微生境改良下的沙地柏地上干质量与地下干质量比值进行单因素方差分析和多重比较,表2表明:不同微生境改良处理对沙地柏地上干质量和地下干质量分配产生影响,且影响程度随时间变化而变化。具体表现为,2017年3、9月各处理间沙地柏地上干质量与地下干质量比值无显著性差异;2016年10月ST处理的地上/地下比显著高于YM、KL处理,且分别比YM、KL处理高40.90%、56.42%;同时,CK处理显著高于KL处理,且比KL处理高46.33%。2017年6月,KL处理下的沙地柏地上干质量与地下干质量比值显著高于CK、DM处理,且分别比CK、DM处理高45.42%、48.56%。
表 1 微生境改良对沙地柏生物量增量影响
Table 1. Effects of microhabitat improvement on biomass growth of S. vulgaris
处理
Treatments地上干质量增量/g
Increase in the quality of
dry matter on the ground地下干质量增量/g
Increase in the quality of
underground dry matter地上鲜质量增量/g
Increase in the quality of
fresh matter on the ground地下鲜质量增量/g
Increase in the quality of
underground fresh matterCK 14.13±3.67b 2.35±1.19b 34.60±8.79b 5.23±2.49b ST 15.80±5.43ab 2.13±0.57b 36.92±12.97ab 4.30±1.24b DM 21.83±2.65ab 2.39±0.12b 52.60±7.35ab 5.00±0.30b YM 12.30±0.15b 2.06±0.39b 29.70±0.73b 4.96±0.85b JG 30.43±9.59a 5.32±1.11a 72.70±23.69a 11.80±2.40a KL 26.03±0.12ab 3.37±0.67ab 65.50±1.90ab 7.53±1.49ab 注:表中数据为矫正均值±标准误,不同字母表示0.05水平上差异显著(下同)。
Notes: The data in the table is corrected mean ± standard error, different letters indicate significant difference at 0.05 level. (The same below).表 2 微生境改良对沙地柏生物量分配比值影响
Table 2. Effects of microhabitat improvement on biomass allocation ratio of S. vulgaris
处理Treatments 地上/地下(干)Ground dry matter weight divided by underground dry matter weight 2016-10 2017-03 2017-06 2017-09 CK 3.19±0.09ac 2.19±0.34a 2.84±0.01b 5.47±1.17a ST 3.41±0.51a 2.03±0.32a 3.12±0.11ab 5.97±0.70a DM 2.89±0.44ab 2.99±0.27a 2.78±0.32b 7.02±0.94a YM 2.42±0.06bc 2.29±0.16a 3.11±0.59ab 5.05±0.71a JG 2.71±0.18ab 2.35±0.14a 3.49±0.68ab 5.01±0.69a KL 2.18±0.25b 2.31±0.57a 4.13±0.13a 6.79±0.94a
微生境改良对太行山干瘠山地沙地柏生长的影响
Effects of Microhabitat Improvement on the Growth of Sabina vulgaris in the Arid and Barren Mountainous Area of Taihang Mountains
-
摘要:
目的 探究太行山干瘠山地植被恢复技术。 方法 采用人工模拟土层厚度15 cm条件下,以耐瘠薄植物沙地柏为研究对象,结合不同微生境改良技术,研究不同微生境改良措施下沙地柏生长、叶绿素含量、露点水势及生物量分配情况。 结果 株高增长量中,石块覆盖(ST)、塑料地膜覆盖(DM)、液态地膜覆盖(YM)、菌根处理(JG)、枯落物覆盖(KL)均显著高于对照(CK),且分别比CK高385.75%、403.03%、1 330.00%、1 490.00%、1 533.00%;冠幅增长量中,ST、DM、JG、KL处理均显著高于CK处理,且分别比CK处理高185.03%、160.36%、239.80%、161.67%;7月ST处理主根长度显著高于JG,10月DM、KL处理显著高于JG;不同微生境改良处理对沙地柏叶片叶绿素含量产生影响,且ST、YM、JG和DM、KL分别在2016年7月和2017年6月显著高于CK;相对于CK处理,除4月外,不同月份微生境改良会增加沙地柏叶片露点水势,且各处理间大部分不显著,仅7月份ST处理显著低于DM、JG、KL;不同处理对沙地柏地上、地下生物量积累产生的影响不同,且JG处理影响最显著;不同处理对沙地柏生物量分配的影响随时间变化,其中,10月ST处理下的地上/地下干质量比显著高于YM、KL,且CK显著高于KL,第二年6月KL显著高于CK、DM,其他月份各处理间无显著性差异。 结论 微生境改良技术可以在不同程度上显著提高太行山干瘠山地沙地柏株高、冠幅、叶片叶绿素含量、叶片露点水势、地上和地下生物量积累;通过对比不同微生境改良技术,发现菌根处理明显优于其他微生境改良技术;建议在太行山土壤厚度为15 cm的干瘠山地开展以沙地柏为植物材料的植被恢复时,应结合菌根处理微生境改良技术,可有效提高植被恢复的成效。 Abstract:Objective To explore the vegetation restoration technology in the arid mountainous area of Taihang Mountains. Method On the plot with artificially simulated soil layer of 15 cm in thickness, the growth, chlorophyll content, dew point water potential and biomass allocation of Sabina vulgaris, a barren tolerant plant, were studied in combination with different microhabitat improvement measures, i.e. stone mulching (ST), plastic film mulching (DM), liquid film mulching (YM), mycorrhizal fungi treatment (JG), litterfall mulching (KL) and the control (CK). Result The increment of tree height were 385.75%, 403.03%, 1 330.00%, 1 490.00%, and 1 533.00% higher than the CK under ST, DM, YM, JG, and KL respectively. The increment of crown growth under ST, DM, JG, and KL were 185.03%, 160.36%, 239.80%, and 161.67% higher than the CK. The length of main root under ST treated in July was longer than JG, and under DM and KL in October was longer than JG. Different microhabitat improvement treatments affected the chlorophyll content in S. vulgaris leaves, and the effect of DM, KL, YM, and ST treated in June and July were significantly higher than the CK. Compared with the CK, microhabitat improvement measures would increase the dew point water potential of S. vulgaris leaves all the year round except April, and no significant difference was found in effects among various treatments. But it was observed that the effect of ST treated in July was significantly lower than DM, JG, and KL. Various treatments differed in the effect on the accumulation of aboveground and underground biomass of S. vulgaris, among which the JG had the most significant impact. The effects of various treatments on the biomass distribution of S. vulgaris varied with time. Among them, the dry weight ratio of aboveground and underground biomass under ST in October was significantly higher than under YM and KL, and the CK was significantly higher than KL. In June of next year, the dry weight ratio of aboveground and underground biomass under KL was significantly higher than CK and DM, while no significant difference was found among treatments in other months. Conclusion Microhabitat improvement measures can significantly increase the height, canopy width, leaf chlorophyll content, leaf dew point water potential, and aboveground and underground biomass of S. vulgaris in the dry and barren mountainous area of the Taihang Mountains. By comparing various microhabitat improvement measures, it is found that the effect of mycorrhizal fungi treatment is significantly better than the others. It is suggested the mycorrhizal fungi treatment should be adopted when carrying out vegetation restoration using S. vulgaris in arid mountains with a soil thickness of 15 cm in the Taihang Mountains. -
表 1 微生境改良对沙地柏生物量增量影响
Table 1. Effects of microhabitat improvement on biomass growth of S. vulgaris
处理
Treatments地上干质量增量/g
Increase in the quality of
dry matter on the ground地下干质量增量/g
Increase in the quality of
underground dry matter地上鲜质量增量/g
Increase in the quality of
fresh matter on the ground地下鲜质量增量/g
Increase in the quality of
underground fresh matterCK 14.13±3.67b 2.35±1.19b 34.60±8.79b 5.23±2.49b ST 15.80±5.43ab 2.13±0.57b 36.92±12.97ab 4.30±1.24b DM 21.83±2.65ab 2.39±0.12b 52.60±7.35ab 5.00±0.30b YM 12.30±0.15b 2.06±0.39b 29.70±0.73b 4.96±0.85b JG 30.43±9.59a 5.32±1.11a 72.70±23.69a 11.80±2.40a KL 26.03±0.12ab 3.37±0.67ab 65.50±1.90ab 7.53±1.49ab 注:表中数据为矫正均值±标准误,不同字母表示0.05水平上差异显著(下同)。
Notes: The data in the table is corrected mean ± standard error, different letters indicate significant difference at 0.05 level. (The same below).表 2 微生境改良对沙地柏生物量分配比值影响
Table 2. Effects of microhabitat improvement on biomass allocation ratio of S. vulgaris
处理Treatments 地上/地下(干)Ground dry matter weight divided by underground dry matter weight 2016-10 2017-03 2017-06 2017-09 CK 3.19±0.09ac 2.19±0.34a 2.84±0.01b 5.47±1.17a ST 3.41±0.51a 2.03±0.32a 3.12±0.11ab 5.97±0.70a DM 2.89±0.44ab 2.99±0.27a 2.78±0.32b 7.02±0.94a YM 2.42±0.06bc 2.29±0.16a 3.11±0.59ab 5.05±0.71a JG 2.71±0.18ab 2.35±0.14a 3.49±0.68ab 5.01±0.69a KL 2.18±0.25b 2.31±0.57a 4.13±0.13a 6.79±0.94a -
[1] 中国林业科学研究院林业研究. 太行山适地适树与评价[C]. 北京: 中国林业出版社, 1993. [2] 张明如, 翟明普, 王学勇. 太行山低山丘陵区植被恢复构建的生态对策和途径[J]. 中国水土保持科学, 2006, 4(2):75-81. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2006.02.014 [3] 曾歆花, 张万军, 等. 河北太行山低山丘陵区植被恢复过程中物种多样性与土壤养分变化[J]. 生态学杂志, 2013, 32(4):852-858. [4] 程 达, 刘海翔, 王 锦, 等. 太行山片麻岩区4种立地类型物种多样性及植被恢复技术研究[J]. 河北林果研究, 2016(3):217-224. [5] 李俊清, 牛树奎, 刘艳红. 森林生态学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010. [6] 潘开文, 何 静, 吴 宁. 森林凋落物对林地微生境的影响[J]. 应用生态学报, 2004, 15(1):153-158. doi: 10.3321/j.issn:1001-9332.2004.01.035 [7] 包维楷, 陈庆恒, 陈克明. 岷江上游干旱河谷植被恢复环境优化调控技术研究[J]. 应用生态学报, 1999, 10(5):542-544. doi: 10.3321/j.issn:1001-9332.1999.05.008 [8] Karp K. Influence of foliar fertilization on the yield of arctic bramble (Rubus arcticus L.) in plantations with plastic mulch[J]. Agronomy, 2000: 52-55. [9] 赵爱琴, 李子忠, 龚元石. 生物降解地膜对玉米生长的影响及其田间降解状况[J]. 中国农业大学学报, 2005, 10(2):74-78. doi: 10.3321/j.issn:1007-4333.2005.02.017 [10] 王 瑾, 毕银丽, 邓穆彪, 等. 丛枝菌根对采煤沉陷区紫穗槐生长及土壤改良的影响[J]. 科技导报, 2014, 32(11):26-32. doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2014.11.003 [11] 张国盛, 董 智, 王林和. 臭柏生物生态学特性及生长繁殖研究综述[J]. 内蒙古林学院学报, 1997(2):69-75. [12] 何维明. 不同生境中沙地柏根面积分布特征[J]. 林业科学, 2000, 36(5):17-21. doi: 10.3321/j.issn:1001-7488.2000.05.003 [13] 苏世平, 席艳芸, 张继平, 等. 沙地柏抗旱性的研究[J]. 防护林科技, 2008(4):3-5. doi: 10.3969/j.issn.1005-5215.2008.04.002 [14] 温国胜, 张明如, 张国盛, 等. 干旱条件下臭柏的生理生态对策[J]. 生态学报, 2006, 26(12):4059-4065. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2006.12.019 [15] 刘怀德, 冯京华. 沙地柏繁殖与ABT生根粉[J]. 植物杂志, 1994(1):31-32. [16] 郭爱莲, 朱志诚. 臭柏林表土层微生物区系组成研究[J]. 西北大学学报:自然科学版, 1992, 22(4):445-450. [17] 红 雨, 王林和. 臭柏群落演替过程中土壤环境的变[J]. 干旱区资源与环境, 2008, 22(11):155-159. [18] 杜满义, 封焕英, 张连金, 等. 华北石质山区不同植被恢复类型土壤碳、氮特征[J]. 生态学杂志, 2018, 37(6):1849-1855. [19] 兰再平. 北京九龙山地区的植被及其对生境类型的指示意义[J]. 植物生态学与地植物学学报, 1989,13(3):64-75. [20] 王斌瑞, 罗彩霞, 王克勤. 国内外土壤蓄水保墒技术研究动态[J]. 世界林业研究, 1997(2):37-43. [21] 贺艳萍, 李新平, 郭晋平. 覆盖保墒技术的研究进展[J]. 山西林业科技, 2008(1):39-41,44. [22] 王桂君, Ohsowoski B, Klironomos J, 等. 菌根菌剂及土壤改良剂对退化生态系统的修复潜能分析[J]. 生态经济(中文版), 2014, 30(7):179-184. [23] 何维明. 水分因素对沙地柏实生苗水分和生长特征的影响[J]. 植物生态学报, 2001,25(1):11-16. [24] Gholamhoseini M, Ghalavand A, Dolatabadian A, et al. Effects of arbuscular mycorrhizal inoculation on growth, yield, nutrient uptake and irrigation water productivity of sunflowers grown under drought stress[J]. Agricultural Water Management, 2013, 117: 106-114. [25] Sieverding E. Influence of Soil Water Regimes on VA Mycorrhiza Ⅳ. Effect on Root Growth and Water Relations of Sorghum Bicolor[J]. Journal of Agronomy and Crop Science, 2008,157(1): 36-42. [26] 宋纯鹏, 王学路, 等译. 植物生理学[M]. 北京: 科学出版社, 2009. [27] Noomen M F, Smith K L, Colls J J, et al. Hyperspectral indices for detecting changes in canopy reflectance as a result of underground natural gas leakage[J]. International Journal of Remote Sensin, 2008, 29(20): 5987-6008. doi: 10.1080/01431160801961383 [28] Li Y L, Zhu F, Wang J G, et al. Seasonal changes of photosynthetic characteristics and pigment composition of Sabina vulgaris Ant. under water stress[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(8): 4346-4352. [29] 潘瑞炽. 植物生理学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012. [30] 张巨琼, 蔺海明, 林 楠. 覆盖对枸杞硬枝扦插苗生长势及叶绿素含量的影响[J]. 中药材, 2011, 34(7):7-10. [31] 郭 鑫, 卢立娜, 贺晓辉, 等. 毛乌素沙地人工固沙灌木林凋落物分解及改良土壤的研究[J]. 林业资源管理, 2014(5):74-78. [32] 李吉跃, 张建国. 北方主要造林树种耐旱机理及其分类模型的研究(Ⅰ)--苗木叶水势与土壤含水量的关系及分类[J]. 北京林业大学学报, 1993(3):1-11. doi: 10.3321/j.issn:1000-1522.1993.03.017 [33] 赵 娜, 古 松, 刘龙会, 等. 沙地柏(Sabina vulgaris Antoine)的研究进展[J]. 内蒙古农业大学学报:自然科学版, 2010,31(1):311-318. [34] 宋清华. 高寒退化草地西北针茅生物量分配和根系功能性状的环境适应性[D]. 甘肃兰州: 西北师范大学, 2016. [35] 马 坤, 杨建军, 李 璐, 等. 接种丛枝菌根真菌后干旱胁迫对木棉根区土壤和体内养分的影响[J]. 中南林业科技大学学报, 2017, 37(11):90-95. [36] 弓明钦, 陈应龙, 仲崇禄. 菌根研究及其应用[M]. 北京: 中国林业出版社, 1997. [37] Graham J H, Linderman R G, Menge J A. Development of external hyphae by different isolates of mycorrhizal Glomus spp. inrelationto root colonization and growth of troyer citrange[J]. New Phytologist, 1982, 91(2): 183-189. doi: 10.1111/j.1469-8137.1982.tb03304.x [38] Heidari M, Karami V. Effects of different mycorrhiza species on grain yield, nutrient uptake and oil content of sunflower under water stress[J]. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 2014, 13(1): 9-13. doi: 10.1016/j.jssas.2012.12.002 [39] 张 艳, 王冬梅, 王 国, 等. 丛枝菌根真菌对植被恢复的作用[J]. 湖南农业科学, 2010(24):36-37,39. doi: 10.3969/j.issn.1006-060X.2010.24.014 [40] 耿浩林, 王玉辉, 王风玉, 等. 恢复状态下羊草(Leymusch inensis)草原植被根冠比动态及影响因子[J]. 生态学报, 2008, 28(10):4629-4634. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2008.10.002 [41] Bloom AJ, Chapin FS, Mooney HA. Resource limitation in plants-an economic analogy[J]. Annual Review of Ecology and Systematics, 1985, 16: 363-392. doi: 10.1146/annurev.es.16.110185.002051 [42] 童 琳, 唐旭利, 张 静, 等. 菌根真菌侵染对植物生物量累积的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9):1520-1525. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2014.09.019