黄河三角洲柽柳生理生态与抚育技术

第1章 绪论 1.1 柽柳低效林研究现状 1.1.1 柽柳低效林质效等级评价的研究概况 黄河三角洲是黄河百余年来冲积而成的新陆地，多种动力系统交融，陆地和海洋、淡水和海水、陆生与水生、天然与人工等多种生态系统交错分布，是典型的多重生态界面，生态系统较为特殊。柽柳（Tamarix chinensis）是黄河三角洲滨海盐碱地和退化湿地修复的主要植物材料，在维持滨海湿地生态系统平衡及基因库保存中起着重要作用（穆从如等，2000；Jiang et al.，2012）。柽柳作为优良的盐碱地水土保持林灌木树种，在黄河三角洲分布面积*广，对改善区域生态环境状况和维护海岸带生态系统稳定发挥着重要作用（Thomas et al.，2006；曾凡江等， 2009；朱成刚等， 2010）。位于黄河三角洲莱州湾南岸的“山东昌邑国家*海洋生态特别保护区”存在我国海岸带区域连片*大、结构典型的柽柳群落，是我国目前唯一的以保护柽柳为主体的湿地生态保护区，其规模和密度在全国滨海盐碱地区尚不多见，在黄河三角洲地区具有较强的代表性和典型性。近几十年来，受围垦改造盐田等人类活动干扰，以及海水入侵、海岸带盐渍化和风暴潮等自然因素的影响（Guan et al.，2011；汤爱坤等， 2011；刘衍君等， 2012），该区域柽柳灌丛生长发育衰退，林分结构失调，系统功能退化，呈现典型的低质低效状态。而柽柳种群空间分布格局及其影响因素的探讨，有利于阐明莱州湾滨海盐碱地柽柳灌丛退化过程及其原因，对掌握泥质海岸带柽柳灌丛的生长适应特性和生存策略意义重大。目前对黄河三角洲柽柳灌丛的研究，主要集中在不同水深环境梯度下柽柳种群空间分布格局的成因分析（贺强等， 2008a，2008b；刘富强等， 2009；赵欣胜等， 2009；汤爱坤等， 2011），柽柳物种的生态位、生态幅及其多度等数量特征（袁秀等， 2011），柽柳林湿地土壤养分空间异质性分析（凌敏等， 2010），柽柳群落对土壤养分环境的响应（凌敏等， 2010）、土壤微量营养元素的空间异质性（于君宝等， 2010）、土壤微生物分布特征（陈为峰和史衍玺， 2010）、生态位（贺强等， 2008a，2008b）及其改良土壤效应（夏江宝等，2011）等方面。 植被与生境之间存在一定的循环响应和反馈影响过程（Jin，2008；Tuchman et al.， 2009），植物分布状况是植物与环境相互作用的产物（Antonellini and Mollema，2010； Huckelbridge et al.，2010）。植物通过个体、种群和群落的数量变化特征来对周围的生境产生响应变化，同时，植物在生长过程中也对周围的环境产生一定的影响（贺强等， 2008a，2008b；张立杰等， 2008；凌敏等， 2010；Huckelbridge et al.，2010）。因此，不同生境下的植被数量特征及其对环境因素的响应过程是生态学研究的热点问题之一。种群的分布格局是植物种群生物学特性对生存环境长期适应和选择的结果，可较好地反映种群的个体生存与生长的影响以及群体的适应能力（宋创业等， 2008；刘富强等， 2009；汤爱坤等， 2011）。植物种群空间格局分布受自身生物学特性、生境条件及其相互作用的共同影响（宋创业等，2008；Antonellini and Mollema，2010；张殷波等， 2014）。植物种群空间分布格局及其主导因子的探讨，可反映和指示植物的生存策略及生态适应对策（Jin，2008；赵欣胜等， 2009；Antonellini and Mollema，2010），对退化生态系统中植被恢复模式及优良植物材料的选择具有重要的参考价值。针对泥质海岸带大面积柽柳种群的分布类型及其影响因素的探讨较少，致使对泥质海岸带盐碱生境下柽柳灌丛的分布格局特征及其生长环境尚不清晰，在一定程度上，限制了黄河三角洲柽柳低质低效林分的经营改造和植被恢复。 低效林的经营改造是林业生态建设的重要内容之一。有关改善现有林分结构、提高林分生态效能及低效林改造技术的研究中，首先需要明确哪些林分属于质量低劣、效益低下的林分，其次需要确定其低效程度。因此，低效林分类和评价体系的建立是因地（林）制宜进行低效林改造的必要前提和重要保障。在生产经营活动中，通常将显著低于立地生产力及功能效益正常水平的林分确定为低效林（邓东周等， 2010）。低效林改造技术规程中提出了生态型和经济型低效林的评判标准（周立江等， 2007），但缺少低效林等级划分或质效分类的依据。国内许多学者将林分生产力（欧阳君祥和曾思齐， 2003；林杰等， 2010）、林分结构和生态功能（张泱等， 2009）等指标作为界定与评价低效林的主要参数。国外相关研究表明，土壤和植物体内的 C、N、P化学计量特征（Sardans et al.，2012）、土壤水分利用（Wildy et al.，2004）、生物多样性特征（Breuge et al.，2007）及人为干扰程度（Filer et al.，2009）等都可作为反映植被退化及低效特征的指示因子。可见，因立地条件、树木种类、林分功能甚至林分起源等的不同，对低效林分的分类、界定及评价方法存在一定差异。近年来，我国低效林的分类与评价研究主要集中在长江中上游的冷杉林（欧阳君祥和曾思齐， 2003）、云杉林（曾思齐和佘济云， 2002）、次生栎林（欧阳君祥和曾思齐， 2002）、云南松（韩明跃等， 2009），苏南的低质、低效杉木林（林杰等， 2010），东北小兴安岭林区的低质林（杨学春等， 2009；张泱等，2009），福建省低质、低效红树林（张年达， 2010），以及黄河三角洲退化人工刺槐林（夏江宝等， 2012a，2012b）等林分，而涉及黄河三角洲柽柳低效林的质效等级评价研究较少。 1.1.2 林分密度影响林木生长及改良土壤的研究概况 1.1.2.1 林分密度对林分生长的影响 林分密度决定着林木个体生长发育空间的大小，是形成林木合理空间结构的基础，密度是否合适，直接影响林分生产力的高低和生态功能的有效发挥（Datta and Singh， 2007；Alcorn et al.，2007）。林分密度是仅次于立地质量的用于评价立地生产力的第 2个重要因子，这是因为林分密度是林业工作者能用来干预林分生长发育*易掌控的主要因子（吴承祯等， 2000；罗素梅等， 2010）。研究表明，林分密度不仅影响各生长时期林分的生长发育、林木材质及蓄积量，而且影响林内环境（光、热、水分等生态因子）、林分稳定性、林内生物多样性及其个体分布（Sprintsin et al.，2009；康冰等， 2009；张连金等，2011）。因此，在林分的整个生长过程中，通过人为干预，可使林木在*佳密度条件下生长，以便提供更多的木材或发挥*大的效益。林木个体大小、数量分布、径级分布能够反映林分的生长状况和林木之间的竞争关系，是林分结构特征的重要指标（Stankova and Shibuya，2003；Zhang et al.，2008）。目前有关林分密度的研究主要集中在林分密度与竞争关系（Stankova and Shibuya，2003；宝秋利等， 2011），以及林分密度对人工林群落结构与生态效应（Sprintsin et al.，2009；罗素梅等， 2010）、林分生长过程（任宝平， 2010）、林下植被多样性及土壤水分动态和理化性质的影响（莎仁图雅等，2006；康冰等，2009）等方面，但多涉及乔木人工林，而密度结构对柽柳灌木林生长动态的影响研究较少。不合理密度造林使黄河三角洲区域较多柽柳林生长过程有较大差异，特别是幼林初植密度过小易形成疏林，诱发土壤次生盐碱化，并且不能有效利用空间资源和水分资源，降低森林的稳定性和防护功能；或幼林初植密度过大、成林密度偏高使林木对水分、养分的竞争激烈，易超出林地承载力（莎仁图雅等， 2006； Zhang et al.，2008）。因此，合理调控密度结构已成为保证林分生长稳定和功能高效的关键技术。 1.1.2.2 林分密度对林地土壤调蓄水功能的影响 土壤水分物理性质不仅能够反映土壤中水、气、热和生物状况，而且影响土壤中植物营养元素的有效性和供应能力，因此常被作为评价土壤质量的重要指标（Bertolino et al.，2010；李辉等， 2010；Larisa et al.，2001）。湿地水文过程被认为是决定各种湿地类型形成与维持，以及湿地生态过程的*重要的因素，湿地土壤水分物理性质的变化对其水分转化、有效利用及调蓄降雨有重要影响（Lv et al.，2000；Traill et al.，2010）。湿地的生物类群对湿地水分运移过程及理化环境具有反馈控制机制，滨海湿地作为水陆交互作用的过渡地带，在土壤环境的形成、水的储存和处理及其他有水主导的生态过程中都具有过渡性特点，其特殊的土壤剖面结构使湿地水分物理特性体现出不同于陆地生态系统的储蓄水分调节功能。对湿地土壤水分生态特性的研究主要集中在吉林东部金川湿地（李辉等， 2010）及纳帕海湖滨草甸湿地（张昆等， 2009）等区域，但涉及渤海湾黄河三角洲滨海湿地不同密度柽柳林土壤调蓄水功能的研究报道较少。不合理造林及粗放管理经营使黄河三角洲区域内较多柽柳林开始出现生长衰退、生态功能降低的现象，特别是柽柳幼林初植密度过大、成林密度偏高容易超出林地承载力，可直接改变湿地环境的土壤理化性质。湿地土壤水分物理性质恶化严重，易造成水流输入与输出条件的变化，制约着湿地土壤调蓄水功能，对湿地生态系统结构和功能产生较大影响。 1.1.2.3 林分密度对林地土壤特征的影响 国内外很多学者开展了植被对土壤理化性质影响的研究，观测永久性松树林研究样地显示，松木生长密度对土壤理化性质有显著影响（Gil，2009）。昭惠大学林区天然林和人工林中的日本杉和柏树种植密度过低和过高均会导致土壤孔隙度降低、硬度上升，从而使土壤支撑植被生长能力消殆（Razafindrabe，2006）。随马尾松林分密度增大，土壤有机质、全钾和全磷均先增大后减小（孙千惠等， 2018），中密度松栎混交林的土壤理化特性优于其他密度（陈莉莉等， 2013）。从垂直方向看，土壤养分含量和孔隙度随土层加深而降低，而土壤盐碱含量逐渐升高（邵英男等， 2017）。滨海撂荒盐碱裸地，栽植柽柳林 3年后，其土壤-植物系统可有效提高土壤有机质含量（李晓光等，2017）。在盐碱生境下，柽柳降低土壤盐分主要通过三种方式（赵可夫， 2002）：一是柽柳吸收土壤盐分调节自身渗透压，以适应高盐生境；二是柽柳对地表的遮蔽和覆盖减少地表水分蒸失，抑制土壤盐分随水分迁移在地表积累；三是柽柳枯落物截留雨水，降低地表产流量，使土壤淋溶脱盐效果更加明显。在提升土壤养分方面，黄河三角洲沾化河北村重盐碱地柽柳林 0～20cm及 20～40cm深度土壤有机质含量比无林地分别高出 24.1%和16.1%（李必华， 1994）。采用 Horton模型拟合滨海湿地柽柳林的土壤入渗过程发现， 3 700株/hm2的林分密度有较好的土壤渗透性（夏江宝等，2012a）。 黄河三角洲是典型的海陆过渡带，泥质海岸带的区域生境特色鲜明，也是我国北方典型的滨海湿地分布区域。近年来受自然因素和人类活动的干扰，黄河三角洲滨海盐碱地和湿地表现出生态过程复杂、环境脆弱、物质循环和能量流动不稳定的特征。滨海盐碱地和湿地土壤受不同密度柽柳林遮蔽、有机质补充及根系与土壤间物质能量交换的影响，表现出复杂的理化分异特征（夏江宝等， 2012a；李晓光等， 2017）。柽柳林有富集盐分、降低土壤 pH的作用，成熟的柽柳林可涵养水源、防风固沙（何秀平， 2014）。但关于不同林分密度柽柳林对滨海盐碱地和湿地土壤理化性质影响的研究较少，致使利用柽柳恢复滨海退化湿地时的土壤理化性质变化过程尚不清晰，难以掌握何