趙存玉,姚正毅
(中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)
沙生植物是沙區(qū)重要的自然資源之一,在飼用、藥用、防風(fēng)固沙、觀賞等方面有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值。風(fēng)沙地區(qū)干旱、風(fēng)蝕、沙埋和高溫脅迫、日灼等惡劣生態(tài)條件是限制沙生植物生長與繁殖的不利因素,但是沙生植物也形成了特殊的適應(yīng)或響應(yīng)對(duì)策。早在20世紀(jì)50 年代,國內(nèi)外學(xué)者就相繼發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙生境對(duì)植物的自然選擇力,可以改變沙地植物群落的物種組成及其種群密度。不同植物耐受沙埋的能力不同,并提出了利用植物固沙必須要研究植被的演替和沙丘的固定過程[20]。
多年來,就沙生植物對(duì)風(fēng)沙生境的生態(tài)適應(yīng)或響應(yīng)對(duì)策方面已經(jīng)開展了大量野外觀測和試驗(yàn)研究,取得了一系列卓有成效的研究成果,主要集中在干旱、高溫、形態(tài)解剖、水分生理生態(tài)、沙生植物群落演替、種子庫、繁殖方面,但在對(duì)沙地基質(zhì)流動(dòng)性的響應(yīng)方面的系統(tǒng)研究還相對(duì)比較少,缺乏總結(jié)和凝練。本文回顧了沙生植物的生長對(duì)沙地基質(zhì)流動(dòng)性的生態(tài)適應(yīng)對(duì)策和響應(yīng)的主要研究進(jìn)展,進(jìn)行了歸納總結(jié),旨在為進(jìn)一步深入開展相關(guān)研究提供參考與借鑒,并為干旱半干旱沙區(qū)植被恢復(fù)與重建中防風(fēng)固沙植物種選擇、合理配置、沙區(qū)植物資源合理利用與管理提供科技支撐。
沙地基質(zhì)的流動(dòng)性,按沙丘固定程度劃分,一般可分為流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、半固定沙丘及固定沙丘4個(gè)等級(jí)。按風(fēng)沙對(duì)沙生植物的作用方式或者危害方式劃分,則可劃分為風(fēng)蝕、沙埋及沙割(指對(duì)植物地上部分的機(jī)械損傷和機(jī)械擺動(dòng))3種類型。沙生植物的生長對(duì)沙地基質(zhì)流動(dòng)性的生態(tài)適應(yīng)對(duì)策和響應(yīng)主要包括以下四個(gè)方面內(nèi)容:(1)沙生植物的生長對(duì)沙丘不同部位或微地形的響應(yīng);(2)沙生植物的生長對(duì)沙地固定程度的響應(yīng);(3)沙生植物的生長對(duì)沙埋、風(fēng)蝕響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究;(4)不同的沙生植物種對(duì)沙地基質(zhì)流動(dòng)性的適應(yīng)對(duì)策和響應(yīng)。
在沙丘不同部位,由于風(fēng)沙蝕積類型及強(qiáng)度不同,對(duì)植物生長的影響也不同。騰格里沙漠東南緣沙坡頭流動(dòng)沙丘上的栽植試驗(yàn)研究表明,一般沙生植物在流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡生長最差,丘頂居中,落沙坡腳最好,并指出,這是由于落沙坡腳和丘頂有沙埋條件,而迎風(fēng)坡不但沒有沙埋,如無沙障的保護(hù),還存在風(fēng)蝕?;ò?、油蒿、喬木狀沙拐棗在落沙坡腳的新枝生長比在迎風(fēng)坡大1.5~4倍,籽蒿、黃柳在落沙坡腳的新枝生長比在迎風(fēng)坡大8~9倍[1],可見,沙生植物適宜在風(fēng)積區(qū)生長,而不適宜在風(fēng)蝕區(qū)生長。對(duì)沙生先鋒植物沙米的生長與分布研究表明,沙米最適宜生長在流動(dòng)沙丘或半流動(dòng)沙丘上,呈現(xiàn)斑塊狀分布。但在對(duì)沙丘不同部位或微地形的響應(yīng)方面,研究結(jié)果不一致。在科爾沁沙地研究結(jié)果表明[2],流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡坡面上,頂部是沙米最適生境,底部次之,中部最差。并指出其主要原因是土壤緊實(shí)度的影響。土壤緊實(shí)度越大,沙米種群的地上生物量越小。土壤水分和有機(jī)質(zhì)對(duì)沙米種群生長的影響不顯著。而在石羊河中下游流動(dòng)沙丘的研究結(jié)果認(rèn)為[3],沙米在流動(dòng)沙丘多分布于迎風(fēng)坡腳―迎風(fēng)坡中部,沙丘兩翼也有較多分布,沙丘頂部和背風(fēng)坡分布最少。研究結(jié)果不一致的原因尚不清楚,可能是由于草原地帶與荒漠地帶風(fēng)環(huán)境或者沙源供給狀況、粒度等的差異所導(dǎo)致的,也許與所采用的植物生長狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)有關(guān),尚需進(jìn)一步研究。
以生長于渾善達(dá)克沙地上的特有種褐沙蒿種群為對(duì)象,對(duì)流動(dòng)沙地、半流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地生境的種群生長狀態(tài)觀測表明,褐沙蒿基株數(shù)、構(gòu)件的枝條數(shù)在各類型沙地間雖無顯著的差異,但隨土壤基質(zhì)的改變,其冠幅、生物量、生殖配額等特征在各樣地間卻有顯著差異,且表現(xiàn)出隨著沙地的固定而下降的趨勢(shì)[4]。在其他許多沙生植物生長的野外觀測研究中,也顯示出類似的研究結(jié)果。例如,在流動(dòng)沙地和固定沙地上半灌木差巴嘎篙種群生長季降雨期前后根系的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),降雨期前,差巴嘎篙細(xì)根分布比例在兩種不同類型沙地上存在差異,在表土層中,固定沙地極顯著高于流動(dòng)沙地,而在深土層中流動(dòng)沙地顯著高于固定沙地.這表明隨著流沙的固定, 差巴嘎篙細(xì)根分布趨于淺層化。而在降雨期后,不論固定沙地還是流動(dòng)沙地,細(xì)根多集中于表土層中,流動(dòng)沙地細(xì)根的生長比固定沙地活躍,能夠在生長季降雨期后迅速調(diào)整細(xì)根的分布比例,使細(xì)根分布適應(yīng)降雨期后淺層土壤含水量高的特點(diǎn)。固定沙地的細(xì)根分布難以迅速適應(yīng)土壤水分的變化[5]。
對(duì)分布于3 種不同沙地生境(半固定沙丘、固定沙丘、丘間低地)的人工栽植5-6a生黃柳灌叢的根系分布和冠層結(jié)構(gòu)特征的研究指出,半固定沙丘上的黃柳根系最發(fā)達(dá),固定沙丘的黃柳明顯不及前者,而丘間低地的黃柳根系最不發(fā)達(dá)。不同程度的根系發(fā)育導(dǎo)致地上部分的繁茂程度不同。丘間低地雖然有優(yōu)于半固定沙丘和固定沙丘的深層水分條件,但其根系發(fā)育程度卻最差,這表明水分條件并不是黃柳根系發(fā)育的限制因子,尤其對(duì)于<5 mm 的細(xì)根而言,其數(shù)量分布與土壤容重和土壤緊實(shí)度之間具有極顯著的相關(guān)性,即土壤容重和土壤緊實(shí)度對(duì)根系發(fā)育的影響才更為關(guān)鍵。即在一定范圍內(nèi)土壤越疏松,就越有利于黃柳根系的發(fā)育[6,7]。對(duì)科爾沁沙地流動(dòng)沙丘上沙米種群生長狀況的野外觀測也顯示,在不同部位土壤緊實(shí)度和沙米地上生物量存在顯著差異;土壤緊實(shí)度與沙米地上生物量在一定范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)[2]。
有學(xué)者研究了在野外自然條件下風(fēng)沙干擾對(duì)沙生檉柳群落的影響,認(rèn)為,在群落形成初期,風(fēng)蝕洼地為沙生檉柳種子發(fā)芽生根創(chuàng)造了適宜的生境,在群落發(fā)展期,沙埋促進(jìn)沙生檉柳生長,在群落衰落期,風(fēng)蝕或沙埋導(dǎo)致沙生檉柳灌叢消亡[8]。有人研究了荒漠綠洲外緣(荒漠與綠洲過渡帶) 戈壁與沙漠兩種生境下泡泡刺種群對(duì)風(fēng)沙干擾的響應(yīng)。結(jié)果表明,無論戈壁還是沙漠生境,沙埋深度與種群高度、種群大小、種群生物量明顯正相關(guān)。適度沙埋可以促進(jìn)泡泡刺種群的生長,但當(dāng)沙埋深度超過100 cm 時(shí),又會(huì)對(duì)泡泡刺種群的生長有所抑制[9]。對(duì)西藏高原沙地上沙生槐生長的研究表明,沙生槐新枝生長量、冠幅、蓋度隨沙埋程度不同而差異明顯。
在有一定積沙的階地、半固定沙地、半流動(dòng)沙地上的沙生槐生長量明顯增加。但各生境的增加量并不一樣。重度覆沙階地(積沙厚度20~ 60 cm ) 新枝生長最大,從半流動(dòng)沙丘到固定沙丘新枝生長量逐漸減小[10]。
沙埋和風(fēng)蝕對(duì)沙生植物的存活、生長有重要影響,所以相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究也有不少。沙埋對(duì)羊柴(Hedysarumlaeve)幼苗的影響實(shí)驗(yàn),經(jīng)過6周試驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)沙埋深度達(dá)到其株高時(shí),約有70%的幼苗死亡;沙埋深度達(dá)到其株高的133%時(shí),可使羊柴幼苗全部死亡;沙埋深度分別為株高的33%和67%時(shí),羊柴幼苗的整株、葉片、根系生物量以及相對(duì)生長率都相應(yīng)地高于非沙埋的對(duì)照(即:0%沙埋) 。與非沙埋的對(duì)照相比,羊柴幼苗在33%和67%沙埋條件下生物量分配格局未發(fā)生顯著改變;并且羊柴幼苗的葉數(shù)和株高與對(duì)照無明顯差異,但試驗(yàn)期內(nèi)的新生葉數(shù)是沙埋處理的幼苗明顯地高于非沙埋的對(duì)照[11]。也有學(xué)者研究了毛烏素沙地重要物種檸條(Caraganakorshinskii)與羊柴幼苗存活及生長對(duì)沙埋和供水的反應(yīng)。結(jié)果表明:適量的沙埋(0.25H-0.50H 沙埋,H為苗高)與供水(檸條50mm/月,羊柴75mm/月)可以促進(jìn)幼苗生長,過量的沙埋與供水則會(huì)抑制生長甚至導(dǎo)致幼苗死亡[12]。沙埋對(duì)沙生灌木中間錦雞兒(Caraganaintermedia)幼苗存活以及生長影響的控制實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明: 不同程度沙埋對(duì)中間錦雞兒幼苗的存活率、生物量積累、分配有不同程度的影響,沙埋幼苗地上部1/3和1/2情況下,沒有幼苗死亡,沙埋到幼苗近頂端時(shí),有20%的幼苗死亡。 與對(duì)照處理相比較,全部沙埋對(duì)幼苗產(chǎn)生了顯著影響。沙埋使得中間錦雞兒幼苗的生物量分配模式發(fā)生了改變,根冠比減小,生物量從地下向地上部轉(zhuǎn)移,而且沙埋程度越嚴(yán)重,轉(zhuǎn)移量越大。生物量在地上部的分配中,更多的物質(zhì)用于莖的生長[13]。但也有另外一些沙埋實(shí)驗(yàn)顯示出相反的研究結(jié)果,根冠比反而增大。由此可見,沙生植物的生長對(duì)沙埋的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究存在不一致的研究結(jié)果。其原因尚不清楚。可能與植物種類、幼苗年齡、沙埋時(shí)間尺度等實(shí)驗(yàn)研究方法、條件有關(guān),尚需進(jìn)一步研究,并且需要長期野外自然條件下的觀測結(jié)果加以檢驗(yàn)。對(duì)差巴嘎蒿的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究表明,隨著沙埋深度的增加,差巴嘎蒿幼苗存活率顯著下降,沙埋深度超過其株高100%后其幼苗全部死亡,而其株高在沙埋后雖然有所下降,但只有沙埋深度超過其株高75%后其下降幅度才達(dá)到顯著水平[20]。在風(fēng)蝕模擬方面,有學(xué)者通過在毛烏素沙地根莖型克隆植物沙鞭和賴草的種群中設(shè)置模擬風(fēng)蝕坑,研究了沙鞭和賴草對(duì)風(fēng)蝕坑的修復(fù)能力及其機(jī)理。實(shí)驗(yàn)表明: 沙鞭和賴草都能通過克隆在風(fēng)蝕坑中產(chǎn)生比自然條件下更多的分株,從而具有很強(qiáng)的風(fēng)蝕坑修復(fù)能力;但同時(shí)這些分株的生長也受到風(fēng)蝕坑中養(yǎng)分條件的制約,生長都不如自然條件下形成的分株[14]。
已有研究表明,不同的植物種對(duì)沙地基質(zhì)流動(dòng)性的生態(tài)適應(yīng)對(duì)策和響應(yīng)有所不同。對(duì)科爾沁沙地白草、賴草生長的觀察與測定表明: 白草無性系能夠以分株小而密度大為特點(diǎn)擴(kuò)展地上空間,同時(shí)生物量在地下大量分配以及根莖與不定芽在0~20 cm土層內(nèi)高度發(fā)育,而賴草無性系總生物量在地上和地下部分的分配較為均衡,而根莖與不定芽趨向于在土壤下層( 20~40 cm)得到更好的發(fā)育[15].沙蒿和油蒿都是菊科蒿屬沙生半灌木,但沙蒿主要分布在流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘上,而油蒿主要分布在半固定沙丘、固定沙丘。二者地上分支構(gòu)型特性也明顯不同。油蒿從地面處開始分枝,而沙蒿則從主干上逐級(jí)分枝,一般認(rèn)為油蒿植株結(jié)構(gòu)屬于緊密型,沙蒿植株結(jié)構(gòu)屬于疏散型[16]。天然白梭梭與天然梭梭在地上分支構(gòu)型特性也明顯不同。天然白梭梭植株呈鈍角“V”形構(gòu)型;而天然梭梭植株呈銳角“V”形構(gòu)型[17]。這是沙生植物長期在風(fēng)沙生境中受自然選擇、進(jìn)化適應(yīng)的產(chǎn)物。有研究發(fā)現(xiàn),有些沙生植物有克隆生長特性和克隆生理整合性,在克隆性沙生多年生草本植物沙鞭和賴草的種群中設(shè)置模擬風(fēng)蝕坑的野外觀測表明,不管是在風(fēng)蝕坑中還是在自然樣方中,賴草都產(chǎn)生了比沙鞭更多的新生分株,表現(xiàn)出比沙鞭更強(qiáng)的子代分株生產(chǎn)能力[14]。而克隆性沙生植物沙鞭可以利用克隆生理整合性實(shí)現(xiàn)相連分株間的物質(zhì)傳遞,顯著增強(qiáng)沙鞭在異質(zhì)風(fēng)沙生境中忍耐風(fēng)沙脅迫的能力。但在克隆性沙生植物賴草中卻尚未發(fā)現(xiàn)克隆生理整合性的存在,可見,克隆生理整合性也有種間差異[19]。
另外,一些在極端生境中生長的沙生植物也有特殊的形態(tài)適應(yīng)方式,例如,對(duì)塔克拉瑪干檉柳根系的形態(tài)分布的野外觀測表明,其分布與沙漠腹地的主導(dǎo)風(fēng)向有著密切的關(guān)系;根系生物量的分布表現(xiàn)出極度的不均勻性和重量集聚的非對(duì)稱性,植株迎風(fēng)面根系重量和長度的分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于背風(fēng)面. 與此同時(shí),檉柳背風(fēng)面根徑厚度相對(duì)于迎風(fēng)面有明顯增加[21]. 這種生長的非對(duì)稱模式是塔克拉瑪干檉柳對(duì)沙漠腹地風(fēng)沙流流向的特殊生態(tài)響應(yīng),也與力學(xué)穩(wěn)定性等有關(guān)。但對(duì)其形成機(jī)理的研究尚存在一些分歧和一些不確定性。
對(duì)塔克拉瑪干檉柳(Tamarixtaklamakanensis)、塔克拉瑪干沙拐棗(Calligonumroborovskii)和羅布麻(Apocynumvenetum)根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征進(jìn)行測定與分析表明:(1) 3種植物根系結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性不同,表現(xiàn)為兩種不同的根系分支模式,塔克拉瑪干檉柳根系為叉狀分支結(jié)構(gòu),羅布麻和沙拐棗根系趨向于魚尾形分支結(jié)構(gòu)。(2) 3種植物根系的連接長度都較大,通過增加連接長度來擴(kuò)大根系在土層中的分布范圍,這是根系對(duì)沙漠腹地貧瘠土壤環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)[18],也是固定植株地上部分、平衡風(fēng)沙阻力的生態(tài)適應(yīng)。由此可見,不同植物種間對(duì)沙地生境的資源利用及適應(yīng)對(duì)策上存在顯著差異。
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