沙棘

在黄土高原地区，长期以来杨树(Populus simonii)一直作为一种丰产、速生的用材树种进行大面积种植，但是经过多年生长后地力衰退明显，杨树生长受到抑制，容易形成低产、结构脆弱的“小老树”林(吴钦孝等，1998)。沙棘(Hippophae rhamnoides)是一种固氮能力很强的树种，适应力强，自我繁殖能力高，抗旱能力也极强，在黄土高原地区作为一种旱地造林的先锋树种有大面积分布(王俊峰等，1999)。大量的研究表明，将沙棘、杨树按一定比例和方式进行混交，可以促进林木生长，提高林分生产力。这不仅具有重要的经济意义，而且对于治理黄土高原地区的生态环境和水土流失问题具有极重要的生态学意义。

本研究在黄土高原地形、土质比较典型的陕西省安塞县高桥试区选择同龄杨树纯林作为对照，对沙棘-杨树混交林中的杨树生长、林地土壤特性及根系分布特征进行研究，以期为黄土高原地区人工营造提供理论依据和指导。

高桥试验区地处黄土高原丘陵沟壑区，属中温带半干旱大陆性季风气候，多年平均气温8.8 ℃，极端最高气温36.8℃，极端最低气温-23.6℃；年平均日照时数2 397.3 h，总辐射量492.95 kJ·cm-2，≥0℃的活动积温3 824.1℃，≥10℃有效积温3 524.1℃，无霜期在4月上旬至10月下旬，平均157 d；多年平均降雨量513 mm，因受季风影响大，年际、月际变化较大，每年的降雨多集中在7、8、9三个月；年蒸发量490 mm；土壤类型主要为黄绵土，部分区域为黑垆土和灰褐土。区内地形复杂多变，梁峁起伏，地形支离破碎，沟壑密度2.44 km·km-2，水土流失严重，生态环境恶化，自然灾害频繁，主要有干旱、霜冻、冰雹、暴雨、连阴雨及干热风等。植被类型主要为人工林和天然草地。

实验所选杨树纯林和混交林均为26 a的人工林，远离村庄，人为干扰很小。林分调查采用常规方法。两样地海拔均为550 m，坡向西南，土质均为黄绵土。混交林样地内主要林下植物为胡枝子(Lespedeza sp.)和沙棘。纯林样地内主要林下植物为扁蓄(Polygomum aviculare)，莎草(Cyrerus rotundus)，早熟禾(Poa pratensis)和胡枝子。各样地其它基本情况见表 1。

表 1 样地基本概况

Tab.1 Information of experimental sampling field

在林分典型的两样地内各自按梅花形机械设置5个1 m×1 m样方，调查林下植被，收集样方内凋落物。称重且取样测其含水率(申卫军等，2001)。同时在林地内设置5块20 m×20 m的标准地后进行每木检尺，然后计算出每块样地中杨树的平均树高和平均胸径。选取5株平均木伐倒，对每株地上部的各部分进行鲜重和干重的测定。

在两样地内用环刀法对0~10，10~20，20~30，30~45 cm深的土壤的容重和孔隙度分别进行调查，重复5次。所用环刀内径为5 cm(南京农业大学，1986)。

在两样地内用内径为4 cm的土钻对0~300 cm深的土壤水分状况分别进行调查，每20 cm取样1次，每样地重复3次，称其鲜重后105℃烘干，计算各层土壤含水量。每月1次。

在杨树生长旺期7月和生长后期10月，采取杨树纯林地和混交林地表层0~20，20~45 cm深的土样，带回室内自然风干。测其总N，总P及速效P(南京农业大学，1986)。

标准木伐倒后，从伐桩由内向外用土柱法(李振问等，1993)调查两林地根量。根系垂直分布调查的土柱设置从伐桩起，规格为长150 cm×宽50 cm，并按0~10，10~20，20~30，30 ~45，45~65，65~85，85~105，105~125 cm层次分掘出土壤。根据根的颜色将杨树根、沙棘根和草根分开。将各层所有根全部拣净，并按层次分别装袋带回实验室内，在孔径0.1 mm筛中仔细把根上所附着的泥土冲洗干净，再按直径分为三级：＜3.5 mm，3.5~10 mm，＞10 mm，风干后称其重量。对各林分各级根系分别测含水量，计算单位体积内各级根的干重。用土柱根量推算该林地中杨树单株平均根量。根系水平分布调查与根系垂直分布调查同时进行，土柱设置从伐桩起，依次连续设置宽为50 cm，距离伐桩分别为0~50，50~100，100~150 cm，深为150 cm，具体方法同上。每样地取土柱5个。

林分生物量高低，在一定程度上体现该树种的生产力大小(蒋宗垲，2000)。26 a生混交林生物量比同龄杨树纯林要高139.76%。在林分生物量组成中，混交林中的地下部分占其总林分的14.58%，小于纯林的36.83%，但混交林的整个林分生物量分布格局要比纯林的更为合理和均匀，这样就为林分的生长提供了一个相对较为稳定的小环境(表 2)。混交林中的草本层生物量为0.092 t·hm-2，比纯林的要小71.2%，这是由于混交林的林分郁闭度大，太阳辐射的光能被乔木层和沙棘层截获和反射后，到达地表的光能极少，从而使草本层生长受到抑制的缘故。这个现象与何兴元(1996)等人的结果一致。此外，混交林的乔木层和灌木层高的生物量造成其枯落物量比纯林要高159.24%。

表 2 沙棘-杨树混交林、纯林林分生物量组成

Tab.2 Biomass component of seabuckthorn-poplar mixed and pure poplar stand

乔木层是森林群落的主体，占整个群落生物量的绝大部分。光合作用产物除了呼吸消耗外，其积累的有机物质是按一定比例分配到各个器官和组织去的。26 a混交林中的杨树平均株高比纯林的高44.8%，平均胸径高32.7%。这与刘世荣(2000)在辽宁省建平县的试验结果一致。相比之下，混交林地上部各部分生物量都要明显高于杨树纯林(表 3)。混交林乔木层各器官生物量分配顺序为：树干(38.57%)＞多年生鲜枝(30.83%)＞树桩(14.87%)＞树皮(10.11%)＞枯枝(2.22%)＞叶(2.17%)＞2 a生枝(0.71%)＞1 a生枝(0.5%)，而杨树纯林的为：多年生鲜枝(35.62%)＞树干(33.35%)＞树桩(12.81)＞树皮(7.78%)＞叶(6.26%)＞枯枝(3.33%)＞2 a生枝(0.48%)＞1 a生枝(0.36%)，有一定的差异。这说明在相同的自然抚育措施和相同的立地条件下，由于沙棘的栽入，使杨树的地上部各部分生物量分配格局发生了明显的变化。

表 3 沙棘-杨树混交林、纯林乔木层生物量组成

Tab.3 Comparison of aboveground biomass of tree layer in the pure and mixed forest stands

土壤物理性质如土壤孔隙度、容重、毛管孔度和非毛管孔度等决定了土壤的结构、透气性等，也是土壤肥力的重要指标之一(徐凤兰等，2000)。

沙棘-杨树混交林地与杨树纯林地相比，土壤表层各层容重都减小(图 1)，而各层孔隙度也相应增大(图 2)，两者之间差异显著(P＜0.05)。混交林与纯林相比，是因林分结构、枯枝落叶的数量及组成、特别是根系分布状况的差异而引起土壤物理性状的改变(苏秀城，2000)，为林木的快速生长创造了一个相对较好的土壤微环境。

土壤水分直接参与土壤养分的转化及运输，是植物生长不可缺少的条件之一(徐凤兰等，2000)。沙棘-杨树混交林地与杨树纯林地相比，除8月份接近(分别为8.05%和8.04%)外，其他月份都要高，经统计分析，在土壤深度为0~140 cm的范围内，两者含水量差异显著(P＜0.05)(图 3)。造成8月份土壤含水量接近是因为在7—8月测定时，气候干旱没有降雨而使林地表层土壤水大部分被植物吸收和地表蒸发。对两种林地降雨前和降雨后的实测结果表明，无论是在降雨前还是降雨后，混交林地的表层含水量总是高于纯林地(图 4)。这与胡建忠(1994)等人的结果一致。通过测定后发现，混交林的枯枝落叶层最大持水量比杨树纯林的要高9.6%。混交林中，由于有厚的枯枝落叶层，高的郁闭度，杨树、沙棘根系分布以及林地土壤物理性质改良等因素共同作用，减少了径流，为杨树的生长提供了一个良好的水分环境，使杨树可以吸收更多的有效水，从而使其生产力提高(崔浪军等，2002)。

混交林地表层0~20 cm和20~45 cm深的土壤中，无论是在杨树的生长旺期的7月还是生长后期的10月，土壤全N都要高于杨树纯林地，7月0~20 cm深的土壤中高41.7%，20~45 cm中高50.0%；10月0~20 cm深的土壤中高69.0%，20~45 cm的高5%，与刘世荣(1999)的结果基本一致。此外，两林地土壤的全P含量没有明显差别，但其中的速效P却呈现出与全N含量相同的趋势：7月0~20 cm深的土壤中混交林地比杨树纯林地高78.4%，20~45 cm中高50.0%，10月0~20 cm深的土壤中高233.3%，20~45 cm的高24.4%，与孙翠玲(1995)等人的结果基本一致。混交林地中土壤全N增加，是由于沙棘根瘤固N作用所致(何兴元等，1996)，而速效P含量的提高可能是主要由于沙棘的栽入，使杨树的某些生理作用和其所处的微环境发生了改变的缘故。

根系对于树木来说主要起着两个作用：支持作用，主要由粗根完成；吸收水分和养分的作用，主要由细根和根毛来完成。根据吴擢溪(1991)等人的理论，根径＞10 mm的根系称为骨骼根，主要起着支持作用，而吸收水分和养分的作用主要由根径＜10 mm的根来完成。尤其是细根，它处在不断的变化之中，它虽然只占林分根系总生物量的3%~30%，但它生长和周转迅速，对树木碳分配和养分循环起着重要的作用(张小全等，2001)。目前，对于细根的概念尚未得到统一，通常为直径小于2~5 mm的根。但WcClaugherty(1982)等人认为，细根一般为尚未木质化的根。我们通过切片染色发现，杨树的根径＞3.5 mm时开始木质化。杨树纯林的根径＜3.5 mm的根系主要集中分布在表层0~30 cm，占总量的90.74%，而混交林杨树的根系在0~105 cm内，分布相对更深、更均匀(图 5)。同样，根径为3.5~10 mm的根系，杨树纯林的主要分布在0~30 cm，占总量的89.51%，而混交林除在0~10 cm内分布较少外，20 cm以下分布也逐渐减少(图 6)。相反，根径＞10 mm的根系杨树纯林的分布比混-杨树相对更深、更均匀(图 7)。

由于沙棘的栽入，使林地的土壤理化性质发生了改变，从而进一步使混交林中杨树根系的垂直分布状况发生了明显的变化，其总根量比纯林要高32.1%。这样，由于起吸收水分和养分作用的根系，尤其是根径＜3.5 mm的根系比杨树纯林分布相对更深、更均匀，而使得混交林中的杨树可以更多地吸收土壤不同层次的养分和水分，最终提高林木生产力。

混交林的根径＜3.5 mm的水平分布比例在距根桩100~150 cm的范围内比杨树纯林的要多55%，而在0~50，50~100 cm的范围内要分别少11.7%和43.4%。相反，根径在3.5~10 mm的水平分布比例在距根桩100~150 cm的范围内混-杨树的比杨树纯林的要多，而在0~50, 50~100 cm的范围内要分别少。根径大于10 mm的根系在混交林主要集中分布在距根桩0~50 cm的范围内，占总量的83.5%，而杨树纯林的在0~50，50~100, 100~150 cm的范围内分布更为均匀。这就初步说明，混交林中的杨树细根分布范围相比杨树纯林的要更大，而起支持作用的骨骼根分布范围要小(图 8)。

沙棘的栽入，使沙棘-杨树混交林与其在相同条件下的杨树纯林相比，群落和林分结构、生物量分布格局都发生了改变，林分生物量明显提高，林地土壤物理性质、水分和养分状况得到改良。

26 a生沙棘-杨树混交林中的杨树平均高比纯林的高44.8%，平均胸径高32.7%，林分生物量比同龄杨树纯林高139.76%。混交林的整个林分生物量分布格局要比纯林的更为合理和均匀。同时，混交林中杨树地上各部分生物量都要明显高于杨树纯林。混交林乔木层各器官生物量分配顺序为：树干＞多年生鲜枝＞树桩＞树皮＞枯枝＞叶＞2 a生枝＞1 a生枝，而杨树纯林的为：多年生鲜枝＞树干＞树桩＞树皮＞叶＞枯枝＞2 a生枝＞1 a生枝。

与杨树纯林地相比，沙棘-杨树混交林土壤表层各层容重都减小，而各层孔隙度也相应增大。土壤含水量除8月份接近(分别为8.05%和8.04%)外，其他月份混交林地都要高，经统计分析，在土壤深度为0~140 cm的范围内，两者含水量差异显著，P＜0.05。试验区所在的黄土高原地区多年平均降雨量为513 mm，但由于该地区被物相对较少，地表径流量大，从而造成了植物可利用的有效水分就低(蒋定生等，1997)。混交林枯枝落叶层厚，持水量大，同时乔灌层可以层层截留降水，加之杨树、沙棘根系分布以及林地土壤物理性质改良等因素共同作用，减少了地表径流，为杨树的快速生长提供了一个良好的水分环境。无论是在杨树的生长旺期7月还是生长后期10月，土壤全N都要高于杨树纯林地，高5%~69.0%。此外，两林地土壤的全P含量没有明显的差别，但其中的速效P却呈现出与全N含量相同的趋势：混交林地比杨树纯林地高22.4%~233.3%。一方面，土壤中全N含量的增加，使得杨树可以获得更多的氮素参与到物质循环中去；另一方面混交林地中速效P含量的增加，对于极度缺P的黄土高原具有极大的意义，同时P素可提高固氮树种固氮活性已为人所共知，由于P素增加，沙棘固氮力增强，可使混交林地上有更多的可利用的N素出现，从而使得整个混交林内有更多的矿质元素参与到整个生物循环中去，最终使得混交林中主要树种杨树的生产力提高(崔浪军等，2000)。

根径＜3.5 mm和3.5~10 mm的根系杨树纯林的主要集中分布在表层0~30 cm，占总量的90%左右，而混交林的在0~105 cm内，逐渐减少，分布相对更深、更均匀，这样，使得混交林中的杨树可以更多地吸收土壤更深层次的养分和水分参与到物质循环中去，最终促使林木生产力得以提高。相反，根径＞10 mm的根系杨树纯林的分布比混-杨树相对更深、更均匀。混交林中根径为＜3.5 mm和3.5~10 mm的根系分布范围大体相同，而根径＞10 mm的根系混交林的分布范围要小。

研究结果表明，混交林地与杨树纯林地相比，混交林平均株高、胸径和林分生物量分别比杨树纯林的高44.8%、32.7%和139.76%；林地土壤表层各层容重均减少，各层孔隙度增大，土壤含水量除8月份接近外，其他月份混交林地都要高；无论是在杨树的生长旺期7月还是生长后期10月，土壤全N、速效P比杨树纯林地高5%~69.0%、22.4%~233.3%，但土壤全P含量没有明显的差别。根系分布特点是：杨树纯林中根径＜3.5 mm和3.5~10 mm的根系主要集中分布在林地表层0~30 cm，而混交林的分布在0~105 cm的范围内，分布相对更深、更均匀。而杨树纯林中根径＞10 mm的根系分布比混-杨树相对更深、更均匀。混-杨树的根径为＜3.5 mm和3.5~10 mm的根系分布范围大体相同，根径＞10 mm根系混交林的分布范围要小。

本试验结果表明，沙棘-杨树混交造林模式在黄土高原地区可以推广。