高天明，張瑞強，劉鐵軍，郭建英

(水利部牧區(qū)水利科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

我國草地面積約4億hm2，大部于集中于北方邊陲。由于人為和自然因素的影響，出現(xiàn)了不同程度的退化，嚴重影響了牧區(qū)人民的生產(chǎn)生活，同時，退化草地成為沙塵暴的沙源地，嚴重威脅我國北方地區(qū)的生態(tài)安全。因此，防治草地退化迫在眉睫。草地圍封后進行淺耕翻處理是一項操作簡單、成本小、見效快的改良措施，目前已為世界各國廣泛采用[1-5]。

陰山北麓地區(qū)包括內(nèi)蒙古自西向東11個旗縣，面積6萬km2，是我國北方重要的生態(tài)安全屏障。陰山北麓中部的希拉穆仁草原克氏針茅(Stipakrylovii)群落在地理位置和植被類型方面具有較強的代表性。本研究從不同季節(jié)淺耕翻處理后草地植被物種組成、植被地上生產(chǎn)力和物種多樣性以及土壤風蝕量、土壤有機質(zhì)和機械組成等方面的變化來探析淺耕翻改良措施對長期過度放牧而導致退化的希拉穆仁草原地上植被恢復的影響，類似研究鮮有報道。本研究旨在探求該地區(qū)退化草地適宜的恢復和利用模式，同時為同類地區(qū)退化草地的植被恢復技術(shù)提供相關科學依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況 希拉穆仁草原地處內(nèi)蒙古包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗。中溫帶半干旱大陸性季風氣候，春秋季干旱多風，夏季雨量較充沛，冬季干燥寒冷。年均降水量284 mm，年蒸發(fā)量2 305 mm，降水主要集中在7-9月；年均氣溫2.5 ℃，≥10 ℃年有效積溫1 985～2 800 ℃·d；年均日照時數(shù)3 100～3 300 h；無霜期83 d；年均風速4.5 m·s，冬春以北風和西北風為主，年大風日數(shù)為63 d。地帶性土壤為栗鈣土，質(zhì)地粗糙。地帶性植被建群植物種為克氏針茅。草地類型為典型草原，植被蓋度35%～45%，高度40～50 cm，干物質(zhì)產(chǎn)量70～130 g·m-2，植物8～15種·m-2。

1.2樣地設置 選取地勢平坦的1 hm2草地(2008年圍封至今)，2010年4月20日對其中1/3面積的草地(3 333 m2)進行深度10 cm的淺耕翻處理。2010年7月2日，對另外的2/3面積的草地(6 667 m2)進行同樣的處理，在此以前，樣地可稱為未淺耕翻樣地。

1.3研究方法

風蝕量測定：2010年4月20日淺耕翻處理后，在兩塊樣地下風向處安裝自制簡易集沙儀，分別監(jiān)測10、20、30、50和100 cm的風蝕量，2010年5月20日稱量各集沙盒中的沙子質(zhì)量。集沙儀為長25 cm、寬5 cm、高5 cm由鍍鋅鋼板制作的長方體，前端為進沙口(面積5 cm×5 cm)，末端上設5 cm×5 cm的100目濾沙網(wǎng)排風口以減少空氣對流對集沙效果的影響。該集沙儀的集沙量度量單位為g·cm-2·月-1。

植被調(diào)查：2010年春季淺耕翻處理后，不定期的對兩塊樣地以對角線方式選取1 m×1 m的樣方15個，進行植被蓋度(目測法)和高度的測量。同年8月25日分別在兩塊樣內(nèi)以對角線方式設1 m×1 m的樣方15個，記錄植被蓋度(目測法)、建群種高度(盒尺測量)、物種組成及多度(以地上株叢數(shù)為記數(shù)單位進行手工統(tǒng)計)、各物種地上生物量干質(zhì)量(烘干稱量法)，并計算各物種的重要值。重要值=(相對質(zhì)量+相對多度+相對蓋度)/3。生物多樣性指數(shù)(H′)采用Shannon-Wiener公式進行計算。

H′=∑PilnPi。

式中，Pi為樣地中各植物物種的相對重要值[3-5]。2011年春季，不定期對兩塊樣地以相同取樣方式選取相同數(shù)目的樣方進行植被蓋度和高度的測量。

土壤機械組成及有機質(zhì)測定：2010年5月25日，在兩塊樣地以對角線方式選取樣點10個，取0～5 cm土壤用于測定機械組成。2010年4月15日和10月25日，在兩塊樣地以對角線方式選取樣點10個，取0～30 cm土壤用于測定有機質(zhì)含量。測定工作由內(nèi)蒙古林業(yè)科學研究院完成。

2 結(jié)果與分析

2.1淺耕翻對土壤風蝕的影響 當?shù)囟憾?級以上大風。春季淺耕翻樣地不同高度集沙儀的集沙量顯著大于未淺耕翻樣地(P<0.01)，說明春季淺耕翻引起了強烈的風蝕。

春季淺耕翻樣地表層0～5 cm土壤與未淺耕翻樣地相比(表1)，粘粒和粉砂粒含量顯著減少而沙粒含量顯著增加(P<0.05)；礫石含量春季淺耕翻樣地略高于未淺耕翻樣地，且差異不顯著。說明由于風蝕嚴重，春季淺耕翻造成了表層土壤的粗質(zhì)化。

表1 春季淺耕翻樣地和未淺耕翻樣地土壤風蝕量和表層土壤機械組成

2.2淺耕翻對植被的影響 2010年春季樣地淺耕翻處理后，土壤完全裸露，植物根莖被翻出地面，或被風吹走，或干枯死亡，已長出的許多幼苗也由于根系外露而相繼干枯死亡，植被蓋度在夏季以前一直低于10%，群落高度平均5 cm，其防風固沙能力較低。未淺耕翻樣地春季時枯草蓋度近20%，隨著溫度上升，牧草返青，植被蓋度也隨著牧草的生長而逐漸增加，夏季以前活體和枯草的總蓋度約為30%，群落高度15～20 cm，具有較強的防風固沙能力。

2010年7月2日，對另外的2/3面積的草地進行深度10 cm的淺耕翻處理。由于夏季風力減小，降水增多，溫度升高，加之疏松了土壤，改善了通氣狀況，這為植物生長提供了優(yōu)越的條件。

春季淺耕翻樣地主要以豬毛菜、刺藜、黃花蒿、繩蟲實等一年生劣質(zhì)牧草為主，克氏針茅、羊草(Leymuschinensis)和冰草(Agropyroncristatum)等優(yōu)良牧草重要值低于0.1，偶見其他草本植物，草地植被蓋度30%，干草產(chǎn)量65 g·m-2，高度40 cm，物種組成較豐富，Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)為1.67(表2)。

夏季淺耕翻樣地，植被蓋度62%，產(chǎn)量143 g·m-2，高度35 cm，羊草占絕對優(yōu)勢，克氏針茅和冰草為伴生種，偶見一生年植物及其他草本植物，種類組成較少，Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)為1.21，顯著低于春季淺耕翻樣地。相比而言，夏季淺耕翻樣地的生產(chǎn)性能明顯優(yōu)于春季淺耕翻樣地。

2.3淺耕翻季節(jié)對土壤有機質(zhì)的影響 2010年4月15日0～30 cm土壤有機質(zhì)，兩塊樣地均為2.5%。2010年10月25日0～30 cm土壤有機質(zhì)，春季淺耕翻樣地為1.7%，下降了近1/3，夏季淺耕翻樣地為2.7%，增加了8%。

2.4淺耕翻季節(jié)對翌年牧草返青的影響 2011年4-5月，不定期對兩塊樣地牧草返青狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，春季淺耕翻樣地牧草返青較早，一般在4月20-25日返青，但成活率較低，許多幼苗相繼干枯死亡，植被蓋度不超過15%，群落高度低于20 cm。夏季淺耕翻樣地返青時間比春季晚7～16 d，但成活率較高，許多幼苗由于有枯草的保護而免于被大風吹折，植被蓋度(活體和枯草總蓋度)在30%左右，高度在8 cm左右?？傮w說來，夏季淺耕翻樣地返青情況優(yōu)于春季淺耕翻樣地。

表2 兩塊樣地群落數(shù)量特征及主要物種重要值

3 討論

淺耕翻的作用主要體現(xiàn)在：1)將地表植被完全破壞，使一部分活體和枯落物翻入土中，加快營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)；2)使表層土壤疏松，改善通氣狀況，同時抑制毛細管作用，降低土壤蒸發(fā)速率，有利于土壤水分的保存；3)將一部分深層土壤中的種子帶到地表，同時也給表層的植物種子覆土，改變了土壤種子庫密度和結(jié)構(gòu)。

希拉穆仁草原地區(qū)冬春季多5級以上大風，以西北風為主。裸露的土壤，特別是土壤中的細粒物質(zhì)很容易被風力侵蝕，本研究證實了這一點。

多年生草本植物主要以營養(yǎng)繁殖的方式進行更新，淺耕翻將許多植物根莖翻出地面，或被大風吹走，或干枯死亡。由種子發(fā)芽長出的幼苗也因風折和沙打等原因而死亡。因此春季淺耕翻不利于多年生植物的生長。而一年生植物只有在夏季遇降水以后才開始發(fā)芽并迅速生長，且由于多年生植物的大量死亡，降低了對一年生植物的競爭作用，夏季以后，樣地內(nèi)一年生植物大量生長，占據(jù)優(yōu)勢地位，并很快進入生殖期，結(jié)出大量顆粒較小的種子，其壽命僅2～3個月。一年生植物適口性差，屬劣等牧草，干枯后莖基部斷裂，地上干枯部分冬春季節(jié)被風吹走，地面重新裸露，因此其對防風固沙的作用幾乎為零。

羊草為根莖型禾草，在近地表處具有大量的橫向生長的根莖，這些根莖通過無性繁殖生長出大量幼苗，因此羊草的擴張性極強，特別是在疏松的土壤中，當土壤水分充足時，其根莖生長更為迅速。草地淺耕翻切斷了羊草的地下根莖，疏松了表層土壤，從而刺激了羊草的無性繁殖和羊草地下根莖在土壤中的伸展，加速了羊草的恢復性生長[4-8]。夏季風力減小而降水和溫度增加，因此夏季淺耕翻對羊草的生長非常有利。

克氏針茅和冰草為叢生禾草，其更新方式主要以根莖處萌發(fā)幼苗的無性繁殖方式為主，其擴張性不強。春季淺耕翻后其根莖或被風吹走或干枯死亡。夏季淺耕翻后由于羊草的競爭能力大幅增強而間接抑制了克氏針茅和冰草的生長，因此在兩塊樣地，它們均不占優(yōu)勢。

從草地生產(chǎn)性能看，春季淺耕翻降低了草地的品質(zhì)和產(chǎn)量，生產(chǎn)性能明顯不及夏季淺耕翻樣地。

土壤呼吸作用對土壤通氣狀況非常敏感。在適宜的水熱條件下，隨著土壤通氣的改善，土壤有機質(zhì)被土壤呼吸作用大量消耗，分解轉(zhuǎn)化為CO2并排放到大氣中，一方面降低了土壤肥力，另一方面使溫室效應進一步惡化[9-10]。植物的光合作用是將大氣中的CO2固定為生物量，因而植物生長的固碳作用可以抵消土壤呼吸釋放碳作用。當草地固定碳量大于土壤釋放碳量，草地成為“碳匯”；當植被產(chǎn)量小時，草地固定碳量小于土壤釋放碳量，草地成為“碳源”。因此，草地產(chǎn)量的大小可以看作草地固定碳能力的重要指標。

本研究中，春季淺耕翻樣地生長季末土壤有機質(zhì)下降了近1/3，而夏季淺耕翻樣地土壤有機質(zhì)增加了8%。應當指出的是：夏季淺耕翻樣地土壤疏松的時間相對較短，因而高強度土壤呼吸作用的時間也短于春季淺耕翻樣地，土壤釋放CO2的量必然小于春季淺耕翻樣地；其次，夏季淺耕翻樣地產(chǎn)量遠大于春季淺耕翻樣地，其植物生長對土壤呼吸釋放碳的抵消作用也大于春季淺耕翻樣地。因此夏季淺耕翻樣地土壤CO2釋放量小于春季淺耕翻，而CO2固定量又大于春季淺耕翻樣地。說明春季淺耕翻樣地成為了“碳源”，而夏季淺耕翻樣地成為了“碳匯”。

4 結(jié)論

春季淺耕翻使土壤裸露，土壤中細粒物質(zhì)被大風吹走，造成嚴重的風蝕和土壤粗質(zhì)化。夏季風力減弱，淺耕翻不會造成風蝕和土壤的粗質(zhì)化。

草地淺耕翻改變了草地植物的種間競爭關系。春季淺耕翻使一年生劣等牧草占優(yōu)勢，夏季淺耕翻使優(yōu)質(zhì)牧草羊草占優(yōu)勢。從生產(chǎn)性能角度考慮，夏季淺耕翻優(yōu)于春季淺耕翻。但希拉穆仁天然草地牧草以克氏針茅為主，因此二者都不是穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，今后必然發(fā)生群落演替，這也是今后的主要研究內(nèi)容之一。

春季淺耕翻使草地成為了“碳源”，釋放CO2，一方面降低土壤肥力，另一方面使溫室效應進一步惡化[11]。夏季淺耕翻使草地成為了“碳匯”，但其固定CO2的能力和天然草地的比較還需要今后進一步深入研究。

綜合看來，草地夏季淺耕翻在短期內(nèi)在植被生長、土壤風蝕和固碳能力方面均優(yōu)于春季淺耕翻。

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