林业科学  2016, Vol. 52 Issue (5): 9-16   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160502
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文章信息

陈文思, 朱清科, 刘蕾蕾, 马欢, 赵维军, 王瑜
Chen Wensi, Zhu Qingke, Liu Leilei, Ma Huan, Zhao Weijun, Wang Yu
陕北半干旱黄土区沙棘人工林的死亡率及适宜地形因子
Mortality and Appropriate Topographical Conditions of Seabuckthorn Plantation in Semi-Arid Region of Loess Plateau in North Shaanxi, China
林业科学, 2016, 52(5): 9-16
Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(5): 9-16.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160502

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收稿日期：2015-04-17
修回日期：2016-03-29

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陈文思
朱清科
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马欢
赵维军
王瑜

引用本文
陈文思, 朱清科, 刘蕾蕾, 马欢, 赵维军, 王瑜. 2016. 陕北半干旱黄土区沙棘人工林的死亡率及适宜地形因子[J]. 林业科学, 52(5): 9-16.
Chen Wensi, Zhu Qingke, Liu Leilei, Ma Huan, Zhao Weijun, Wang Yu. 2016. Mortality and Appropriate Topographical Conditions of Seabuckthorn Plantation in Semi-Arid Region of Loess Plateau in North Shaanxi, China. Scientia Silvae Sinicae, 52(5): 9-16.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160502
陕北半干旱黄土区沙棘人工林的死亡率及适宜地形因子
陈文思1, 朱清科1, 刘蕾蕾1, 马欢1, 赵维军2, 王瑜1    
1. 北京林业大学水土保持学院 北京 100083;
2. 泰山学院旅游与资源环境重点实验室 泰安 271021
收稿日期：2015-04-17; 修回日期：2016-03-29
基金项目：国家"十三五"科技支撑计划课题"困难立地植被恢复技术研究与示范"(2015BAD07B02)。
摘要： 【目的】 确定沙棘人工林在陕北半干旱黄土区适宜的地形条件,为该区人工林的稳定性建设及其可持续经营提供参考。 【方法】 通过样方法对陕西省延安市吴旗县的13年生沙棘人工林进行调查,采用相关分析和单因素方差分析,从坡位、坡向和坡度3个方面,比较不同地形条件下沙棘人工林的死亡率差异。 【结果】 随坡位降低,沙棘人工林的死亡率先增大后减小,上坡、中坡和下坡的平均死亡率分别为38%,47%和31%,不同坡位间的差异均不显著; 在不同坡向中,沙棘人工林死亡率最轻的是阴坡,最大值仅21%,平均为4%,死亡率最高的是阳坡,最小值为33%,平均值为63%,半阴坡和半阳坡的死亡率介于阴坡和阳坡之间,其中半阴坡的平均死亡率稍低于半阳坡,阴坡与半阴坡、半阳坡、阳坡的死亡率均差异显著(P＜0.05); 在不同坡向中,沙棘人工林的死亡率均随坡度升高而增大,阴坡死亡率增大趋势不明显,半阴坡呈对数型增大,半阳坡呈直线型,阳坡呈指数型; 沙棘人工林死亡率与坡位相关不显著,与坡向和坡度相关均极显著(P＜0.01),其中,坡度比坡向对沙棘人工林衰退死亡的影响更大; 阴坡沙棘人工林均属于轻度衰退(死亡率0%~30%),半阴坡和半阳坡的平缓坡(5°~15°)和缓坡(15°~25°)属于轻度衰退,陡坡(25°~35°)和极陡坡(35°~45°)属于中度衰退(死亡率30%~70%),阳坡的平缓坡、缓坡和陡坡均属于中度衰退,极陡坡属于重度衰退(死亡率70%~100%)。 【结论】 在年均降水量小于500 mm的陕北半干旱黄土区,沙棘人工林衰退死亡的主要原因是水分不足,其适宜的地形条件是阴坡、半阴坡平缓坡、半阴坡缓坡、半阳坡平缓坡和半阳坡缓坡。
关键词: 沙棘人工林     衰退     坡位     坡向     坡度     半干旱区    
Mortality and Appropriate Topographical Conditions of Seabuckthorn Plantation in Semi-Arid Region of Loess Plateau in North Shaanxi, China
Chen Wensi1, Zhu Qingke1, Liu Leilei1, Ma Huan1, Zhao Weijun2, Wang Yu1    
1. College of Conservation of Soil and Water, Beijing Forestry University Beijing 100083 ;
 2. Key Laboratory of Tourism and Resources Environment, Taishan University Tai'an 271021
Abstract: [Objective] Determining the appropriate topographical conditions of seabuckthorn (Hippophae rhamnoides) plantations in semi-arid region of Loess Plateau in north Shaanxi could provide a basis for the stable construction and sustainable management of the plantation forest in this area. [Method] Seabuckthorn plantations with different topographical conditions were surveyed in Wuqi County, Yan'an City, Shaanxi Province using the method of sampling plots. The mortality of seabuckthorn plantations in different topographical conditions were analyzed by correlation analysis and single factor variance analysis from slope position, slope direction, and gradients. [Result] The mortality of seabuckthorn plantations increased firstly and then decreased from the top to the bottom of slopes. Non-significant differences of mortality were showed among the slope positions, although it is 38% at the top, 47% at the middle and 31% at the bottom of slopes. The mortality of seabuckthorn plantation at shady slope was the lowest among all the slope directions, with the maximum value of 21% and the average of 4%. The highest mortality occurred on sunny slope, with the minimum of 33% and the average of 63%. The mortalities of semi-shady and semi-sunny slopes were between those of shady and sunny slopes, and the average mortality of seabuckthorn plantations was lower on semi-shady slope than on semi-sunny slope. There were significant differences (P < 0.05) between the shady slope and semi-shady slope, semi-sunny slope and sunny slope. The mortality of seabuckthorn plantations on different slopes rose with increasing gradients. On shady slope, the growth was not obvious. The variation of mortality with gradients was logarithmic on semi-shady slope, linear on semi-sunny slope and exponential on sunny slope. The morality of seabuckthorn plantations had non-significant correlation with the slope position, but significant (P < 0.01) with the slope direction and the gradient. Moreover, the effect of gradient to the mortality was stronger than that of slope aspect. Seabuckthorn forests on shady slope presented a slight degradation (mortality 0%-30%). Seabuckthorn plantations on semi-shady slope and semi-sunny slope were the same, of which the flat slope (5°-15°) and the gentle slope (15°-25°) displayed slight degradations, the steep slope (25°-35°) and the extremely steep slope (35°-45°) showed moderate degradations (morality 30%-70%). Seabuckthorn plantations of the extremely steep slope on sunny slope showed a severe degradation, and other three gradient sections had moderate degradations (morality 70%-100%). [Conclusion] In the semi-arid region of Loess Plateau in north Shaanxi where the average annual precipitation is less than 500 mm, the main cause for death of seabuckthorn plantations was lack of water. Suitable topographical conditions were shady slopes, semi-shady and gentle slopes, semi-shady gentle slope, semi-sunny flat slopes, and semi-sunny gentle slopes.
Key words: seabuckthorn plantation     degradation     slope position     slope aspect     gradient     semi-arid region    

沙棘(Hippophae rhamnoides)为胡颓子科(Elaeagnaceae)沙棘属的乔木或灌木，其生长和繁殖具有明显的克隆特征，凭其极强的根蘖繁殖能力，能够独木成林，是典型的克隆植物(Jean et al.，2002; Bawa et al.，2002)。沙棘依托“克隆整合”和“形态整合”，可通过分株实现资源共享和资源储藏，使基株的死亡风险降低，还可通过林隙更新和自然稀疏来实现种群的自我调节，从而维持其种群的稳定(李根前等，2004)。沙棘以其独特的优势作为一种多功能植物被广泛应用于“三北”防护林、退耕还林还草等林业生态建设工程。然而，近年来沙棘人工林主栽区却相继出现大面积衰退死亡现象。例如2002年仅辽宁建平县就有33 000 hm2沙棘人工林死亡(宫海志等，2003)； 内蒙古鄂尔多斯市仅准格尔旗8年以上林龄的沙棘人工林死亡率超过85%(周章义，2002)； 2010年以来，陕北吴旗县沙棘人工林也出现衰退死亡现象(刘蕾蕾等，2014)。“三北”部分地区沙棘人工林大面积死亡，不仅破坏了生态环境，还引起了人们对沙棘的适应区域及其人工林稳定性的质疑。

目前，关于沙棘林衰退死亡成因的研究(陈云明等，2002； 李秀寨等，2005； 周章义等，2007； 唐翠平等，2013)主要分3个方面： 林分老化、病虫危害、水分胁迫，这3个因素不仅自身影响沙棘林衰退死亡，而且相互之间还存在交叉效应。在连续干旱条件下水分不能满足需求时，沙棘林长势会逐渐衰退，易诱发病虫害(李秀寨等，2005)； 周章义等(2007)通过养虫试验研究了不同立地条件下沙棘的抗沙棘木蠹蛾(Holcocerus hippophaecolus)性能，结果是坝上、山坡及沟坡沙棘林的有虫率比河滩、沟底及水库边的增加几倍甚至十几倍。但是，关于地形条件对沙棘人工林衰退死亡的影响，还没有相应研究。因此，本研究在陕北吴旗县研究了坡位、坡向、坡度与沙棘人工林死亡率的关系，以揭示地形因子对其衰退死亡的影响机制和确定沙棘人工林在年均降水量500 mm以下的陕北黄土区所适宜的地形条件，以期为该区沙棘人工林的稳定及可持续经营提供参考。

1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市吴旗县，地处毛乌素沙漠南缘(107°38′57″—108°32′49″E，36°33′33″—37°24′27″N)，海拔1 233～1 809 m，属于黄土高原丘陵沟壑区。此地属于暖温带半湿润半干旱季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干旱，日照充足、昼夜温差大。年均降水量478.3 mm，集中在7—9月，多以暴雨形式出现，其他季节均属无效降水，年际变化大； 多年平均陆地蒸发量400～450 mm，年均气温7～8 ℃，全年无霜期96～146天。土壤类型主要为黄绵土，植被类型表现为森林草原的过渡特征。由于人类长期的经济活动，原生植被几乎不复存在，目前主要是退耕还林工程实施以来栽植的人工林，主要乔木树种有刺槐(Robinia pseudoacia)、小叶杨(Populus simonii)和河北杨(Populus hopeiensis)等，主要亚乔木有山杏(Prunus armeniaca)，主要灌木有沙棘和柠条(Caragana korshinskii)等，主要草本植物有针茅(Stipa capillata)、早熟禾(Poa annua)、茭蒿(Artemisia giraldii)和冷蒿(A. frigida)等。目前，该县是中国沙棘人工林面积最大的县，面积达8万hm2，占土地面积的21.1%以上，且以纯林为主。

2 研究方法 2.1 野外调查

吴旗县沙棘人工林是1999年统一规划设计栽植的，所以该区均是13年生同龄林，初植密度为1万株·hm-2。前期根据吴旗县2009年的快鸟影像，确定了吴旗县及其周边的沙棘人工林主要分布区域，包括合沟流域、柴沟流域、袁沟流域、金佛坪流域及杨青川流域。2012年7月中旬进行了野外调查，在对以上流域全面踏查的基础上，根据不同地形条件下沙棘人工林衰退死亡状况，采用随机抽样法选择5 m×5 m样方，共50个(表 1)。用GPS确定样方的经纬度、海拔，用罗盘仪确定样方的坡向、坡度，并记录样方内沙棘的保存株数和死亡株数。由此计算沙棘林的保存密度和死亡密度，即保存(死亡)密度为保存(死亡)株数与样方面积的商，以株·hm-2为单位。由于80%样方的保存密度小于初植密度，且阴坡平缓坡的保存密度最大、死亡率最低。因此，采用阴坡平缓坡保存密度的均值作为基数计算所有样方沙棘人工林死亡率，即某一样方的死亡率为该样方的死亡密度与阴坡平缓坡保存密度均值的百分比。

表 1 沙棘人工林样方基本情况① Tab. 1 Basic situation of seabuckthorn plantation sample plots
2.2 地形因子划分

50个样方的海拔为1 400～1 545 m，坡向包括阴坡、半阴坡、半阳坡和阳坡，坡度为5°～45°。由采样点距离坡顶的高差与所在坡面最高和最低海拔差的比值，判断其坡位为上坡(0~0.3)、中坡(0.3~0.7)和下坡(0.7~1);将坡向划为阴坡(337.5°～360°N]或(0°～67.5°N]、半阴坡(67.5°～ 112.5°N]或(292.5°～337.5°N]、半阳坡(112.5°～157.5°N]或(247.5°～292.5°N]和阳坡(157.5°～247.5°N](朱岩等，2011)。将坡度划分为平缓坡(5°～15°)、缓坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)和极陡坡(35°～45°](赵荟等，2012)。并在进行沙棘人工林的死亡率与地形因子的相关分析时，将坡位和坡向均分级量化，坡位赋值为： 下坡1，中坡2和上坡3；坡向赋值为：阴坡1，半阴坡2，半阳坡3和阳坡4(王晶等，2012)。

2.3 数据分析

利用Spss18.0和Excel2003处理数据并作图。通过SPSS18.0软件中单因素方差分析功能，研究各地形因子之间沙棘人工林死亡率差异的显著性，从而评价不同地形因子对沙棘人工林死亡率的影响。通过SPSS18.0软件中相关分析功能，研究坡位、坡向、坡度等地形因子与沙棘人工林死亡率的相关性，从而确定沙棘人工林适宜的地形条件。

3 结果与分析 3.1 不同坡位沙棘死亡率

50个样方内沙棘死亡率的总体均值为39%。坡位与沙棘死亡率的关系如表 2所示，上坡和中坡的死亡率均为0%～100%，均值分别为38%和47%； 下坡死亡率为0%～67%，均值为31%。中坡高于总体均值8%，上坡和下坡分别低于总体均值1%和8%。随坡位下降，沙棘死亡率先增大后减小，且下坡沙棘衰退程度最小，所以沙棘比较适宜生长在较低坡位。从上坡至下坡，死亡率的变异系数减小，说明随坡位上升，沙棘死亡率差异性增大。但单因素方差分析表明，上坡、中坡和下坡间的死亡率差异并不显著。

表 2 坡位与沙棘死亡率关系① Tab. 2 Relation of slope positions and the mortality of Hippophae rhamnoides
3.2 不同坡向沙棘死亡率

由表 3所示，不同坡向沙棘平均死亡率表现为阳坡>半阳坡>半阴坡>阴坡。阳坡死亡率为33%～100%，均值为63%，高于总体均值24%。差异较小的半阳坡和半阴坡均值分别为43%和41%，分别高于总体均值4%和2%。仅阴坡低于总体均值，平均死亡率为4%，死亡率为0%～21%。可见，阳坡沙棘死亡率高于其他坡向，而阴坡衰退程度小于其他坡向，半阴坡和半阳坡处于中间水平。从变异系数来看，阴坡死亡率的差异性最大，其次是半阳坡和半阴坡，阳坡的最小。由单因素方差分析可知，阴坡与半阴坡、半阳坡、阳坡之间的死亡率差异均显著(P<0.05)，其余坡向间差异则不显著。

表 3 坡向与沙棘死亡率的关系 Tab. 3 Relation of slope aspect and the mortality of Hippophae rhamnoides
3.3 不同坡度沙棘死亡率

死亡率与坡度的关系见图 1，阴坡坡度小于20°内无死亡，大于20°后随坡度升高呈不明显增大趋势。半阴坡、半阳坡和阳坡死亡率均随坡度升高而逐渐增大，但增大趋势不同： 半阴坡随坡度升高呈对数型增大，半阳坡呈直线型，阳坡呈指数型。各趋势线的斜率表明死亡率随坡度升高而增大的速率，表明在同一坡向条件下坡度对死亡率的影响程度。半阴坡死亡率随坡度增大逐渐减小，半阳坡不变，阳坡逐渐增大，而阴坡随坡度变化不明显。因此说，阳坡沙棘人工林衰退程度受坡度影响最大，其次是半阳坡和半阴坡，阴坡最小。

图 1 坡度与沙棘死亡率的关系 Fig. 1 Relation of gradients and the mortality of Hippophae rhamnoides
3.4 沙棘人工林适宜地形条件

表 4显示，沙棘死亡率与坡位相关性不显著，与坡向、坡度极显著相关(P<0.01)，说明沙棘死亡受坡位影响较小，受坡度和坡向影响很大。所以，坡向和坡度是主要地形因子。其中，坡向、坡度与死亡率的相关系数分别为0.624和0.753，表明沙棘死亡率随坡度升高或从阴坡到阳坡的坡向转变而增大，且坡度与沙棘死亡关系更密切。因此，沙棘人工林适宜的地形条件可主要根据坡向和坡度来确定。

表 4 地形因子与沙棘死亡率的相关分析① Tab. 4 Correlation analysis of topographical factors and the mortality of Hippophae rhamnoides

刘蕾蕾等(2014)以死亡率为指标将陕北黄土区沙棘人工林划分为轻度衰退(0%～30%)、中度衰退(30%～70%)和重度衰退(70%～100%)3个等级。不同坡向和坡度的沙棘人工林平均死亡率如表 5所示，阴坡沙棘人工林平均死亡率都小于30%，属轻度衰退； 半阴坡与半阳坡的平缓坡和缓坡属轻度衰退，陡坡和极陡坡类型属中度衰退； 阳坡平缓坡、缓坡、陡坡均属中度衰退，极陡坡属重度衰退。利用单因素方差分析方法，评价了平缓坡、缓坡、陡坡和极陡坡间的沙棘死亡率差异，得出平缓坡和陡坡、极陡坡之间，缓坡与极陡坡间的差异均显著(P<0.05)，平缓坡与缓坡、陡坡与极陡坡间的死亡率差异则不显著。如果将轻度衰退的林地视为沙棘的适宜地形条件，则阴坡、半阴坡平缓坡和缓坡、半阳坡平缓坡和缓坡是陕北半干旱黄土区沙棘林适宜地形条件。

表 5 沙棘人工林的适宜地形条件 Tab. 5 Suitable topographical condition of seabuckthorn plantations
4 讨论

沙棘适宜生长的年降水量为500～600 mm(李更前等，2000)，而陕北黄土区多年平均降水量为478.5 mm，降水不足且比较集中。沙棘人工林短期内的群落生产力超过“土壤水分承载力”，使具有克隆特性的沙棘通过“自然稀疏”来降低种群的死亡风险。所以，出现沙棘林衰退死亡现象。立地类型优劣(主要是土壤水分)是影响同龄狼牙刺(Sophora viciifolia)生长好坏的主导因子(卜崇峰等，2004)，这与本研究不同地形条件下沙棘人工林衰退程度不同的研究结果相符。

沙棘林衰退情况的坡位差异与胡伟等(2006)的土壤水分分布结果相符，黄土区梁峁坡一般呈凸形，接近坡顶的地方坡度较缓，利于土壤入渗而减少径流，所以土壤水分分布表现为下坡>上坡>中坡。不同坡向沙棘林的衰退死亡状况与魏宇昆(2002)不同立地类型沙棘林水分生理生态适宜性的研究结果相符，沙棘林地1 m内土壤全年平均含水率和沙棘植物体相对含水量表现为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡。莫保儒等(2014)指出成熟柠条林地浅层土壤水分差异主要受地形条件影响，土壤含水量表现为北坡>东坡>南坡，随坡度升高而降低。前人研究(Qiu et al.，2001a；2001b； 徐学选等，2003； 胡良军等，2004； 刘鑫等，2007； 赵磊磊等，2012)表明黄土区土壤含水量表现为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡，随坡度增大而降低。李萍等(2012)特别指出，阳坡土壤含水量在坡度小于25°时变化不大，坡度大于25°后下降幅度变大，这可解释阳坡沙棘死亡率随坡度升高而增大的变化。从不同坡向沙棘死亡率随坡度的变化趋势来看，阴坡不明显，半阴坡呈对数型，半阳坡呈直线型，阳坡呈指数型，说明坡向和坡度对沙棘死亡率都有一定的影响，且地形因子与沙棘死亡率相关分析的结果也证实了这一点。

所以，水分不足是陕北半干旱黄土区沙棘人工林衰退死亡的主要原因，水分条件越差的地形条件下衰退程度越严重。

5 结论

在陕西省吴旗县进行的13年生沙棘人工林调查结果表明，其死亡率与坡位相关不显著，与坡向、坡度极显著正相关(P<0.01)，其中，坡度比坡向影响更大。不同坡向沙棘人工林衰退程度表现为阳坡>半阳坡>半阴坡>阴坡，阴坡和半阳坡、半阴坡、阳坡死亡率的差异均显著(P<0.05)。在任何坡向，沙棘死亡率都随坡度增大而升高： 阴坡沙棘人工林死亡率均小于21%，衰退程度较小，随坡度升高的增大趋势不明显； 半阴坡呈对数型，半阳坡呈直线型，阳坡呈指数型。

基于沙棘死亡率得出的陕北半干旱黄土区的沙棘人工林适宜地形条件是阴坡、半阴坡的平缓坡和缓坡、半阳坡的平缓坡和缓坡。在这些适宜地形上，可通过调整林分密度、平茬更新等人工干预，平衡沙棘种群的生物量分配，以满足剩余沙棘生长的水分要求，使其种群保持稳定(肖志勇等，2011)。至于不同地形条件下的沙棘人工林合理密度，今后还需加强研究。

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