埃塞俄比亚旱地不同管理措施下基督刺枣（Ziziphus spina-christi）的存活与早期生长研究

本研究通过随机区组设计，系统评估了覆盖（珍珠粟秸秆与石块）与灌溉对基督刺枣（Ziziphus spina-christi）幼苗在埃塞俄比亚北部旱地生长的影响。结果表明，珍珠粟秸秆覆盖结合灌溉（PMI）处理能显著（p<0.05）提升植株高度、根颈直径（RCD）、叶面积指数（LAI）及土壤含水量（13.5% vs 对照7.7%），为干旱地区植被恢复提供了关键技术支持。

　　

引言

干旱地区的土地退化对生态系统完整性和生物多样性构成严重威胁，深刻影响幼苗存活和土地恢复工作的可行性。这种退化主要由土壤侵蚀、养分耗竭和荒漠化等因素驱动，这些因素共同削弱了土壤支持植物生命的能力。因此，这导致幼苗建成和生长速率降低。这些地区普遍的极端气候条件加剧了这种情况，使幼苗更容易受到干旱和入侵物种竞争的影响。因此，恢复退化土地的挑战加剧，特别是由于健康幼苗的稀缺，阻碍了重新造林和恢复行动。

干旱地区生态系统中幼苗的存活和生长受到多种因素的影响，这些因素有助于创造有利的微环境。值得注意的是，干旱和气候变化的影响因植物生命阶段而异，使幼苗特别容易受到非生物和生物胁迫的影响。在这些干旱易发地区，充足的灌溉对于幼苗的生长和存活至关重要。实施生态管理技术，如补充水分和覆盖，有助于建立有利于幼苗存活和生长的微气候。具体而言，水分减少了土壤温度的波动，而覆盖物则能保持水分并稳定土壤温度，这两者都是幼苗最佳发育所必需的。

覆盖，特别是通过最小化土壤蒸发、改善土壤温度和增加水分入渗来促进植物生长。它已被有效地用于森林恢复项目中以促进幼苗建成。在干旱条件下通常使用两种主要类型的覆盖物：有机和无机材料。覆盖的好处是广泛的，包括调节土壤水分、温度和养分有效性。此外，覆盖改善了土壤结构和孔隙度，同时减少了侵蚀和蒸发。干旱地区的一些研究强调了覆盖和灌溉在促进幼苗建成和生长方面的重要性。例如，萨赫勒地区的研究表明，覆盖显著降低了土壤水分蒸发，从而提高了幼株的可用水量。类似地，非洲之角的研究结果表明，适当的浇水技术可以缓解干旱期的胁迫，从而提高本地树种的存活率。

在埃塞俄比亚，特别是在提格雷和奥罗米亚地区，一些研究显示使用覆盖来改善土壤保水性和促进幼苗在长期干旱期生长取得了有希望的结果。然而，这些实践在瓦吉赫米拉的旱地地区仍未得到充分探索，该地区是最缺水的地区之一，经常受到气候变化和土地退化的影响。为了应对土地退化及其相关挑战，该地区已种植了数百万株幼苗。然而，由于土壤水分和养分有效性差，幼苗建成受到严重限制和挑战。此外，该地区的水分亏缺胁迫是限制植被生长和恢复的主要环境因素。进行彻底的研究以评估生长表现并找出限制因素是必要的，这将有助于基督刺枣在退化景观恢复中的有效应用。不同的覆盖和灌溉技术将提高存活率和生长表现，并导致基督刺枣幼苗冠层下的土壤含水量高于对照条件。因此，本研究的目标是（1）评估不同覆盖和灌溉处理对基督刺枣幼苗存活和生长表现的影响，以及（2）评估这些技术对基督刺枣幼苗冠层下土壤含水量的影响。

材料与方法

研究地点描述

研究在埃塞俄比亚阿姆哈拉地区瓦吉赫米拉区的齐夸拉区进行。地理上，该区位于北纬12°40′0″至13°0′0″，东经38°10′0″至39°0′0″之间。研究区域的海拔变化显著，范围从海拔1,027米到2,415米。该区域以严重的土地退化为特征，并经常受到干旱条件的影响，导致显著的水分亏缺胁迫。该地区的降雨模式为单峰型，平均年降水量为358.6毫米。降雨不稳定且分布不均，主要发生在6月至8月之间。在过去五年中，该地区的温度变化显著，记录的最低和最高温度平均分别约为15.5°C和36.3°C，反映了持续的季节性波动。

研究区域的主要土壤类型包括淋溶土（26.5%）、沙质土（25.8%）、石质土（24.3%）和雏形土（15.7%）。该地区以崎岖的地形为特征，包括山脉、丘陵和峡谷景观。该地区的自然植被主要由稀疏的灌木和灌丛组成。主要的本地乔木和灌木物种包括阿拉伯胶树（Acacia asak）、埃及姜果棕（Balanites aegyptiaca）、基督刺枣（Z. spina-christi）、猴面包树（Adansonia digitata）和纸皮乳香树（Boswellia papyrifera）。研究区域的农业实践主要是雨养农业，并涉及混合的作物-牲畜系统。该地区种植的主要作物包括高粱（Sorghum bicolor）、珍珠粟（Pennisetum glaucum）、芝麻（Sesamum indicum L.）和苔麸（Eragrostis tef）。

研究物种

刺枣属（Ziziphus）属于鼠李科（Rhamnaceae），主要分布在非洲、欧亚大陆、澳大利亚和热带南美洲的热带和亚热带地区。该属的物种通过提供众多好处和增加生态系统恢复力，对可持续土地管理做出重要贡献。在全球范围内，刺枣属有68个物种生长在干旱和半干旱的林地环境中。该属的一个著名成员是基督刺枣（Z. spina-christi Willd），一种多刺灌木，能够成熟为高达20米、直径达60厘米的大树。基督刺枣以其耐旱性和卓越的耐热性而闻名，生长在海拔0至1900米之间、年降雨量100至500毫米的金合欢-没药属林地中。与各种金合欢物种一起，这种树是干旱林地的重要组成部分，并服务于多种目的，例如提供食用果实、饲料树叶、燃料木材和药用资源。

实验设计

本研究中使用的基督刺枣幼苗来自实验区附近的一个苗圃，该苗圃条件良好，排水良好的土壤、充足的阳光照射和持续的灌溉确保了幼苗的健壮发育。幼苗生长在直径12厘米、高25厘米的聚乙烯管中。这些管子填充了由3份当地土壤、2份沙子和1份森林土壤组成的基质混合物。种植时，幼苗平均为七个月大，初始平均高度为48厘米。种植前，通过人工清理、平整和沿边界建立带刺植被进行保护来准备场地。

每个实验地块包含九株幼苗，分为六种不同的管理实践作为处理水平，每个处理重复三次。幼苗以1.5米的间隔种植，而地块之间的间距为2米，区组之间的间距为2.5米。在雨季，为了提高保水性和减少径流，在所有地块的每株幼苗周围建造了一个半径为50厘米的半圆形集水结构。这种技术被广泛推荐用于干旱地区，对于雨水收集和保持非常有效，有助于幼苗发育。覆盖和灌溉处理在雨季结束时的9月施用，标志着研究地点旱季的开始。覆盖材料布置在幼苗周围1平方米的区域内。选择深度为5厘米的珍珠粟覆盖物，因为它对于防止土壤蒸发是最佳的，这在旱季尤其重要。

对照处理（C）不包括灌溉或覆盖措施，但包括围栏以防止放牧损害。灌溉处理（Irr）涉及在9月至6月的干旱期间每周向幼苗施用3升水。对于珍珠粟秸秆覆盖加灌溉（PMI），这种方法将灌溉与一层5厘米厚的珍珠粟秸秆覆盖物相结合，铺在幼苗周围1平方米的区域内。类似地，石块覆盖加灌溉（SMI）包括浇水以及在幼苗附近1平方米区域内使用碎石作为覆盖物。在珍珠粟秸秆覆盖（PM）处理中，只有一层5厘米厚的小米秸秆覆盖1平方米的区域，而石块覆盖（SM）处理则在幼苗周围相同大小的半径内使用碎石作为覆盖材料。

数据收集和测量

在种植后立即记录幼苗的高度和根颈直径，以建立初始基线测量值。随后在整个实验期间每六个月观察一次株高、根颈直径和幼苗存活率。在研究结束时，评估了其他参数，包括主枝数、新梢数、冠层直径和LAI。对于LAI测定，从每个地块随机选择三株植物，总共采样四十五片完全发育的绿叶，并从不同的叶位（上、中、下）去除。使用方格纸量化LAI，然后按以下公式计算：LAI = 单株叶面积 / 植物覆盖的地面面积。

在每个地块中，从0-20厘米深度收集土壤样品。随后测量在105°C下干燥24小时获得的样品的烘干重量，以计算土壤水分百分比如下：土壤水分（%）= [（土壤鲜重（g） - 土壤干重（g）） / 土壤干重（g）] * 100。

统计分析

在进行方差分析（ANOVA）之前，使用Bartlett检验和Shapiro-Wilk检验分别评估数据的方差同质性和正态分布。违反ANOVA假设的数据经过转换以满足要求标准。使用Tukey HSD检验，在单因素ANOVA之后，分析处理间在株高、根颈直径、主枝数、新梢数、LAI和存活率方面的差异。显著性差异确定为0.05水平。为了评估幼苗生长表现（株高、RCD和存活率）以及土壤含水量的变化，使用了线性回归分析。株高、RCD和存活率用作因变量，而土壤含水量被视为自变量。使用R软件中的ggplot2和ggpubr包生成图形。所有统计分析均在RStudio中进行，这是R软件程序版本4.2的界面。

结果

覆盖和灌溉对幼苗高度的影响

基督刺枣幼苗的初始平均高度为48厘米。与对照组相比，不同管理技术的实施显著增加了这些幼苗的生长。经过六个月的监测，所有处理都导致幼苗生长改善，其中PMI方法相对于其他技术显示出最显著的增强。

结果显示处理间的株高生长存在显著差异（p < 0.05）。四年后，PMI组的幼苗表现出统计上显著的高度增加（2.38 ± 0.26米），而对照组（1.84 ± 0.24米）、Irr（2.06 ± 0.22米）和SM（2.12 ± 0.25米）处理。此外，SMI、SM和PM处理也显示出与对照处理相比显著的高度增长（p < 0.05）。

覆盖和灌溉技术对根颈直径的影响

基督刺枣在整个生长期间的RCD呈现。所有处理的RCD在整个生长月份都有所增加，PMI表现出与其他处理相比最佳的性能。

在本研究中，基督刺枣的RCD生长表现显示处理间存在显著差异（p < 0.05）。当幼苗用PMI处理时，我们观察到最高的根颈直径（2.87 ± 0.46厘米）。其根颈直径显著高于对照（2.18 ± 0.33厘米）和Irr（2.35 ± 0.39厘米）处理下的幼苗。然而，我们没有发现与SMI（2.79 ± 0.49厘米）、PM（2.53 ± 0.37厘米）和SM（2.37 ± 0.34厘米）有任何显著差异。

覆盖和灌溉技术对存活率的影响

在最初的六个月内，所有处理都导致100%的存活率。然而，从18个月到42个月，PMI、SMI和Irr记录的幼苗存活率下降到96.3%，而对照片段的平均存活率从96.3%下降到88.9%。

方差分析显示，不同覆盖和灌溉技术下基督刺枣幼苗对存活率的响应在处理间显示出统计学上的显著差异（p < 0.05）。PM（100%）的应用导致比对照（88.9%）更高的幼苗存活率。SM（100%）处理也显示出与对照处理相比存活率的显著差异。然而，其他处理之间没有显著差异。

覆盖和灌溉技术对不同生长参数的影响

方差分析显示，覆盖和灌溉技术显著提高了LAI。PMI和SMI导致比SM和对照更高的值（p < 0.05），而其他处理之间没有观察到显著差异。然而，主枝数、新出现的新梢数和冠层直径在处理间没有受到显著影响。PMI中的主枝数和新出现的新梢数分别略有增加，为22和6.3。SMI的冠层直径最大（146.5厘米），其次是SM（134.5厘米）、PMI和灌溉（123.9厘米）。

该研究通过测量主枝数、新出现的新梢数、冠层直径和LAI，评估了不同覆盖和灌溉处理对植物生长的影响。在所有处理中，PMI始终表现出最佳的整体性能，记录了最高的主枝数（22.0）和最高的新梢数之一（6.3）。然而，这些差异在统计上不显著（分别为p = 0.08和p = 0.47）。冠层直径在处理间也没有显著差异（p = 0.97），SMI的冠层最宽（146.4厘米），PM最小（113.9厘米）。在叶面积指数中观察到统计学上的显著差异（p = 0.0018），其中PMI和SMI处理产生的LAI值（分别为0.00051和0.00049）显著高于SM和对照（0.00032和0.00031）。LAI结果表明，覆盖结合灌溉，特别是PMI和SMI，比单独覆盖或灌溉更能有效促进叶片发育。总体而言，虽然大多数生长参数在处理间没有显示出显著变化，但但在联合覆盖和灌溉处理下LAI的显著增加表明在这些条件下植物活力和冠层发育得到改善。

覆盖和灌溉对土壤含水量的影响

在0-20厘米深度测量每个处理的土壤含水量。结果表明，在连续两年中，处理间的土壤含水量存在统计学上的显著差异（p < 0.05）。2022年，PMI处理的平均土壤含水量（15 ± 1.49%）显著高于PM（11.5 ± 0.56%）、SM（11.5 ± 0.52%）和对照组（8.71 ± 0.24%）。类似地，在2023年，除SMI外，PMI处理的平均土壤含水量（12.1 ± 0.06%）显著高于PM（9.67 ± 0.78%）、Irr（9.49 ± 0.67%）、SM（8.93 ± 0.48%）和对照组（6.75 ± 0.46%）。

土壤水分与幼苗生长的关系

土壤含水量与基督刺枣的三个植物参数（株高、RCD和存活率）之间的关系呈现。线性回归分析的结果表明，土壤含水量与每个变量之间存在弱正相关。虽然趋势表明土壤水分的增加与植物生长和存活的轻微改善相关，但这些相关性在统计上不显著（p > 0.05）。低R2值（范围从0.024到0.033）表明只有一小部分株高、RCD和存活率的变化可以由土壤含水量解释。

讨论

管理实践对幼苗高度的影响

我们的研究强调了有效管理在提高幼苗存活和生长方面的关键作用。用PMI、SMI、PM和SM处理的幼苗与对照组相比，基督刺枣树的高度生长显著增加。四年后，在PMI处理中观察到最高的树木，平均高度为2.4米。这强调适当的后期管理可以极大地促进基督刺枣的生长。此外，基督刺枣通过销售果实、动物饲料和建筑材料为农村社区提供众多好处，是收入的来源，同时还提供生态优势。类似的研究已经证实，覆盖和灌溉实践的结合显著影响了干旱地区黑荆树（Acacia decurrens）幼苗的生长和存活。这些实践不仅提高了土壤水分和养分有效性，还促进了植物健康和对环境胁迫的恢复力。另一项研究表明，覆盖，特别是有机覆盖，通过促进更好的根系建立来改善树木生长。其他研究也发现，覆盖和/或灌溉改善了旱季期间黑荆树（Acacia polyacantha）和银桦（Grevillea robusta）幼苗的早期生长表现。

管理实践对根颈直径的影响

用PMI、SMI、PM和SM处理的基督刺枣幼苗在四年后表现出比对照处理显著更大的RCD。这表明这些管理策略有助于增加树木直径，表明与对照组相比木材生物量更高。支持我们的研究，观察到的生长增强可能归因于有机覆盖提供的改善的养分可用性和土壤保水性，这促进了更好的根系发育和整体植物活力。此外，许多研究发现，与无覆盖相比，覆盖和灌溉处理显著影响树苗的茎直径。然而，先前的研究表明覆盖并未显著影响胸高直径，尽管覆盖显示出比裸土更大的值。关于RCD的研究表明覆盖并未显著影响RCD生长。

管理策略对幼苗存活率的影响

该研究证明，PM和SM处理与对照相比显著提高了幼苗存活率，达到100%。这些发现与先前的研究一致，这些研究报告说，适当的管理实践可以通过促进根系建立、保持土壤水分和减轻土壤温度波动来增强幼苗生长和存活，特别是在干旱环境中。然而，尽管观察到存活率的数值差异，统计分析显示，一些处理与对照相比并未产生显著效果。这可能归因于基督刺枣固有的耐旱性和生态适应性。该物种天然很好地适应干旱和半干旱条件，拥有生理机制使其在水分可用性最低和极端温度下也能生存甚至茁壮成长。这种恢复力表明，即使没有额外的干预措施，基督刺枣幼苗在挑战性条件下也能保持高存活率。此外，处理间有限的统计显著性也可能反映了特定地点环境因素的影响，例如现有的土壤水分、温度变异性和养分状况，这些都会影响管理实践的表现。例如，覆盖和灌溉的好处通常取决于具体环境，其有效性可能因干旱地生态系统中普遍存在的微气候和土壤条件而异。

不同管理实践对土壤含水量的响应

我们的研究强调了覆盖和灌溉技术对土壤含水量的显著影响。具体而言，涉及PMI和SMI的处理导致土壤水分水平显著高于对照。这一观察结果与先前的研究一致，这些研究报告说秸秆覆盖的最大土壤含水量为10%，而裸土仅记录到3.9%。此外，另一项研究发现秸秆覆盖达到了18%的含水量，而无覆盖为16%。这些发现强调了覆盖在改善土壤保水性方面的有效性，并得到各种研究的支持。这表明，在干旱期结合覆盖和灌溉显著改善了土壤水分保持，与裸土相比。观察到的益处可能归因于覆盖材料促进的改善的水分入渗和减少的蒸发。此外，珍珠粟秸秆和石块覆盖物中水分的保持可归因于土壤温度的降低，因为覆盖物保护土壤免受直接太阳辐射，从而最大限度地减少通过蒸发造成的水分损失。总体而言，虽然覆盖和灌溉处理增强了土壤保水性，但基督刺枣固有的恢复力在其适应恶劣条件方面起着关键作用。

基督刺枣对管理实践的生长响应

这项研究的结果表明，虽然测量的大多数营养生长参数，即主枝数、新出现的新梢数和冠层直径，在各种覆盖和灌溉处理间没有显示出统计学上的显著差异，但LAI受到处理组合的显著影响。这表明，虽然整体植物结构在短期内对这些处理的反应可能较差，但像LAI这样的生理指标对覆盖和灌溉提供的改善的土壤水分和微气候条件更为敏感。PMI和SMI处理在大多数参数上始终优于其他处理，特别是在LAI方面，它们记录的值显著高于单独覆盖或灌溉。这突出了覆盖与灌溉结合的协同效应，这可能改善土壤保水性、减少蒸发并调节土壤温度，这些是直接影响叶片扩张和冠层发育的因素。在PMI和SMI下观察到的较高LAI表明光合作用表面积增加，这可能转化为长期内改善的生物量积累和潜在更高的产量。LAI的显著差异尤其重要，因为它是植物活力和生产力的强有力指标。此外，某些生长性状在处理间的微小变异也可能反映了基督刺枣对干旱和半干旱环境固有的生理适应。该物种以其耐旱性、深根系以及调节气孔导度和叶片水势的能力而闻名，使其即使在有限的水分可用性下也能维持生长。

结论

管理实践的实施显著提高了基督刺枣幼苗的生长和存活率。灌溉和覆盖等方法有助于改善幼苗生长和存活。具体而言，珍珠粟覆盖、石块覆盖和灌溉的结合导致基督刺枣幼苗的株高、RCD、存活率和LAI显著提高。此外，通过这些实践，土壤水分水平显著增加，达到13.5%和12%，而对照中仅观察到7.7%。总之，这些发现强调了结合覆盖物与灌溉通过减轻蒸发和稳定土壤条件来促进幼苗存活和生长的有效性。

建议

基于本研究的结果，采用包括覆盖和补充灌溉在内的综合土壤水分保持策略，可以增强干旱和半干旱地区基督刺枣幼苗的生长和存活。这种方法显著改善了关键生长参数，如幼苗株高、根颈直径（RCD）、叶面积指数（LAI）以及旱季的存活率。因此，旱地造林项目应考虑这些实践，以促进埃塞俄比亚北部旱地缺水易旱地区基督刺枣及其他类似物种的幼苗补充、存活和早期生长。