榮 浩 ，何京麗*，張 欣 ，張 林 ，楊紅艷

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古蒙草生態(tài)環(huán)境（集團(tuán)）股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

草原是我國分布范圍最廣的陸地植被類型[1]，也是我國主要畜牧業(yè)生產(chǎn)基地和國家生態(tài)安全的綠色屏障。長期以來由于人們盲目追求牲畜數(shù)量，實(shí)行掠奪式經(jīng)營，我國草原大面積超載過牧，水、草、畜失衡，目前我國有95.1%的可利用天然草原存在不同程度的退化，并以每年200萬公頃的速度遞增[2]。我國草原大部分處于干旱半干旱地區(qū)，水分是制約干旱半干旱地區(qū)植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素[3-4]，諸多研究表明，天然草原初級(jí)生產(chǎn)力與土壤水分之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[5-7]，天然草原在無灌溉和地下水位較低的情況下，土壤水主要靠大氣降水有效注入補(bǔ)給，土壤水分在降水補(bǔ)給作用下與植物生長需水期耦合，降水量的增加能顯著提高干旱半干旱草原的地上初級(jí)生產(chǎn)力[8]。天然草地封育是目前廣泛應(yīng)用的促進(jìn)退化草地生態(tài)恢復(fù)的主要措施，草地封育后可以減少牲畜對(duì)土壤、植被的影響，使植物得以休養(yǎng)生息，還有利于改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性[9-12]。本項(xiàng)研究從加強(qiáng)牧區(qū)生態(tài)建設(shè)與草地管理角度出發(fā)，選取荒漠草原典型區(qū)域不同封禁年限的天然草地進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)查，分析土壤水分、草地生態(tài)耗水與初級(jí)生產(chǎn)力之間的關(guān)系，為測算天然草地生產(chǎn)力水平，合理利用水草資源、修復(fù)草原生態(tài)，促使草原畜牧業(yè)向集約化、半集約化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古四子王旗查干補(bǔ)力格蘇木境內(nèi)，屬于典型的中溫帶大陸性氣候，多年平均降水量為298 mm，降水量主要集中在6～9月，占全年降水總量的70%以上；多年平均氣溫3.4℃，≥10℃的年積溫為2200～2500℃，無霜期175 d。試驗(yàn)區(qū)主要土壤為淡栗鈣土，土壤較瘠薄，土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為1.56%，腐殖質(zhì)層厚度一般為15～45 cm，土壤氮、磷較低，鉀較高。草地生產(chǎn)力水平較低，單位面積干草產(chǎn)量為450 kg/hm2～750 kg/hm2，地表水資源貧乏，多為季節(jié)性內(nèi)陸河流，主要供給水源以地下水為主。試驗(yàn)區(qū)屬荒漠草原，主要建群種為短花針茅（Stipa breviflora），優(yōu)勢種為冷蒿（Artemisia frigida）、無芒隱子草（Cleistogenes songorica）。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

選擇恢復(fù)年限分別為1年（1 a）、3年（3 a）、5年（5 a）的天然草地，以放牧草地作為對(duì)照（CK），恢復(fù)草地連續(xù)封育期間不進(jìn)行放牧或刈割，植物種以短花針茅、冷蒿為主，枯落物較多；放牧草地為自然放牧狀態(tài)，放牧強(qiáng)度為中度放牧（4.3羊單位/hm2），放牧草地植物種以雜類草、一二年植物為主，植物群落結(jié)構(gòu)簡單，草層低矮，有裸露地表。

1.2.2 試驗(yàn)方法

植物生長初期（6月初）、生長盛期（7月底）和生長末期（9月初）在恢復(fù)1 a草地、恢復(fù)3 a草地、恢復(fù)5 a草地、放牧草地（對(duì)照）內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3條100 m樣帶，沿樣帶每隔10 m布設(shè)1個(gè)1 m×1 m樣方，地上初級(jí)生產(chǎn)力采用收割法從地上部生物量取樣測定，即將樣方內(nèi)植物地面以上的所有綠色部分齊地刈割，不分植物種按樣方分別裝進(jìn)紙袋，65℃恒溫下烘至恒重，稱其干重，測定植物群落地上生物量；測定生物量的同時(shí)，采用土鉆法采集0～20 cm土壤樣品，裝入鋁盒，隨后用電子秤測定濕土加盒重，帶回實(shí)驗(yàn)室在105℃下烘至恒重，測定其土壤含水量。

耗水量反映了草原植物群落水分的收支情況，試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)降水過程少，地勢較平坦，地下水位深，植物群落低矮稀疏，土層相對(duì)較薄，徑流、深層滲漏和補(bǔ)給及植物截流等對(duì)0～50 cm土層的土壤儲(chǔ)水量影響不大，故可利用簡化的水分平衡公式來計(jì)算草地耗水量[13-14]，即：

式中：Wi、Wi-1分別為時(shí)段末和時(shí)段初土壤水分儲(chǔ)量，Ri為時(shí)段內(nèi)降水量，Eti為時(shí)段內(nèi)耗水量，單位均為mm。

水分利用效率用以描述植物產(chǎn)量與消耗水量之間關(guān)系，在群體水平上，考慮全生育期WUE可表示為下式[15-16]：

式中：WUE 為水分利用效率，kg/（hm2·mm）；Yd為時(shí)段內(nèi)地上生物量，kg/hm2；ET為時(shí)段內(nèi)蒸散量，即耗水量，mm。

對(duì)試驗(yàn)區(qū)的降雨進(jìn)行觀測記錄，降雨過程和降雨量利用2臺(tái)反斗式自記雨量筒記錄逐次降雨的起始時(shí)間，每1 min記錄一次降雨量，降雨量精確至0.1 mm，降雨強(qiáng)度，mm/min。觀測時(shí)間段內(nèi)試驗(yàn)區(qū)各月降水量值見表1。

表1 2017年試驗(yàn)區(qū)觀測期內(nèi)各月降水量（mm）

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用平均值表示測定結(jié)果，分別對(duì)各個(gè)施肥處理及對(duì)照進(jìn)行單因素方差分析，采用Excel2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地初級(jí)生產(chǎn)力變化

草地植被的初級(jí)生產(chǎn)力是草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的綜合體現(xiàn)，是植物生物生態(tài)學(xué)特性和外界環(huán)境條件共同作用的產(chǎn)物[17-18]。荒漠草原植物一般是4月份末返青，10月份枯黃，整個(gè)生長季中生物量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)。不同恢復(fù)時(shí)限的天然草地地上生物量的變化基本相似，植物從返青到枯落是一個(gè)物質(zhì)積累過程，隨著植物的生長發(fā)育，地上生物量不斷增加，8月下旬至9月上旬達(dá)到高峰。從表2可以看出，生長初期不同恢復(fù)時(shí)限植物群落的地上生物量均顯著低于生長盛期和末期，并且，恢復(fù)第3年、第5年草地在生長初期、盛期和末期植物群落地上生物量之間的變化差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），植物季節(jié)生長規(guī)律明顯。放牧利用后的天然草地隨著封育年限的延長，植物生長不同時(shí)期的地上生物量均明顯增加，生長末期植物地上生物量達(dá)到最大，恢復(fù)1a草地、恢復(fù)3 a草地、恢復(fù)5 a草地比同一時(shí)期的放牧草地地上生物量分別提高13.02 g/m2、38.25 g/m243.76 g/m2，變化差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；生長末期恢復(fù)3 a和恢復(fù)5 a的地上生物量顯著高于恢復(fù)1 a草地（P＜0.05），說明荒漠草原恢復(fù)3年以上草地初級(jí)生產(chǎn)力有明顯提高。

2.2 土壤表層水分變化

2017年5～9月，試驗(yàn)區(qū)降水量為236.9 mm降水主要集中在6～8月，占測定時(shí)間段內(nèi)總降水量的92.1%，其中7月最大為79.1 mm，5月降水量最低只有7.1 mm（表1）。天然草地土壤水分主要靠大氣降水補(bǔ)給，由于受到下墊面條件、土層滲透性、氣流風(fēng)速以及水分蒸散等多因素的制約，大氣降水不能全量注入，根據(jù)牧區(qū)草地降水量和有效利用率研究，降水有效利用率約占降水量的60～70%[19]。測定不同恢復(fù)時(shí)限草地和放牧草地不同植物生育期土壤含水量的變化發(fā)現(xiàn)（圖1），植物生長初期由于自然降水較少，水分蒸發(fā)量大，天然草地土壤含水量偏低，恢復(fù)1 a草地土壤含水量最低，為4.3%，不同恢復(fù)草地之間、恢復(fù)草地與放牧草地之間土壤含水量變化差異均未達(dá)到顯著水平。隨著6～8月降雨對(duì)土壤有效注入量的增加，植物生長盛期各個(gè)樣地的土壤水分均達(dá)到最大，生長盛期土壤水分滿足天然狀態(tài)下植物生長耗水要求，后期隨著降水量的減少和植物成熟，土壤含水量逐漸降低。圍欄封育直接減少家畜采食與踐踏，促進(jìn)地上生物量的積累，植被及凋落物的增加減少了地表水分蒸發(fā)，植物生長盛期恢復(fù)5a草地0～20 cm土層土壤含水量為11.3%，顯著高于恢復(fù)1 a草地、恢復(fù)3 a草地和放牧草地（P＜0.05），生長末期恢復(fù)5 a草地表層土層土壤含水量顯著高于放牧樣地（P＜0.05），恢復(fù)1 a與3 a草地的土壤含水量與放牧樣地之間變化差異不顯著。

表2 不同恢復(fù)時(shí)限草地地上生物量變化（g/m2）

圖1 不同恢復(fù)時(shí)限草地0～20 cm土層土壤含水量變化（%）

2.3 草地初級(jí)生產(chǎn)力與水分因子的相關(guān)性

試驗(yàn)區(qū)天然草地為荒漠草原，草地類型為短花針茅+冷蒿+無芒隱子草，在光熱、降水、土壤等常規(guī)自然條件下，天然草地受水分影響，生育期內(nèi)隨水分消耗的增加，飼草干物質(zhì)積累量亦在增加。分析荒漠草原封育草地地上生物量與土壤含水量、耗水量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)（圖2），地上生物量隨著表層土壤含水量的提高而增加，二者呈線性相關(guān)關(guān)系（y=10.282x-32.5，R2=0.8114）；地上生物量與耗水量之間呈二次曲線關(guān)系，即隨著地上生物量的增加植物耗水量出現(xiàn)先增加后減少的趨勢（y=-0.0029x2+1.24025x-71.791，R2=0.7655）；地上生物量與水分利用效率之間也呈二次曲線關(guān)系（y=-33.604x2+407.41x-346.78，R2=0.8772）。從地上生物量與表層土壤含水量、耗水量、水分利用效率的相關(guān)性來看，水分因子與草地初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)程度為，水分利用效率＞土壤含水量＞耗水量，說明在各項(xiàng)水分因子中，水分利用效率對(duì)封育草地初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)最大。

3 結(jié)論與討論

在退化草地的恢復(fù)措施中，天然草地封育恢復(fù)草地植被是最為常見的措施之一，研究表明封育初期植物地上生物量呈上升趨勢，在一定年限后上升速率逐漸下降，一般在8～10年時(shí)達(dá)到最大值，其后緩慢下降[20]，因此草地封育不應(yīng)是無期限的，封育恢復(fù)一段時(shí)間后，可進(jìn)行適當(dāng)利用，促使草地生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)保持良性狀態(tài)。本研究中，荒漠草原恢復(fù)第三年后草地地上生物量開始平穩(wěn)增加，恢復(fù)第五年地上生物量達(dá)到84.72 g/m2，閆玉春等[21]研究表明圍封7年左右的草地，已經(jīng)達(dá)到或接近其生產(chǎn)潛力的峰值，繼續(xù)圍封將不利于其維持較高的生產(chǎn)力。

水分是影響草原初級(jí)生產(chǎn)力的重要因素，植被與水分之間存在密切聯(lián)系，封育后的荒漠草原隨著初級(jí)生產(chǎn)力的提高，土壤水分發(fā)生不同程度的變化，同時(shí)水分的變化又反作用于植被。孫棟元等[22]研究認(rèn)為，荒漠區(qū)封育沙地土壤水分變化過程中，不同的恢復(fù)年限、不同的植被類型、不同的恢復(fù)方式等都對(duì)土壤水分含量產(chǎn)生深刻的影響。土壤水的動(dòng)態(tài)變異與草地植物耗水規(guī)律相耦合[23]，土壤水為草地植被生存和發(fā)育提供必需消耗的水量，自然狀態(tài)下土壤濕度越大，供應(yīng)水量越充足，植物生長越旺盛，耗水越多，反之亦然。目前對(duì)于土壤水分和耗水量等其他水分形式與生物量關(guān)系的研究在栽培牧草方面成果較多[24-26]，植被的耗水效率雖很少用于分析天然生態(tài)系統(tǒng)，但耗水效率基本上顯示出生產(chǎn)力與總蒸發(fā)量的關(guān)系，種群的生產(chǎn)力取決于它的遺傳特性和環(huán)境，而環(huán)境和種群又共同決定總蒸發(fā)量[27]。封育后荒漠草原初級(jí)生產(chǎn)力與水分利用效率相關(guān)性最好，其次為土壤含水量、耗水量，侯瓊等[28]的研究也表明與內(nèi)蒙古典型草原區(qū)牧草產(chǎn)量關(guān)系的密切程度是土壤水分＞耗水量＞降水量，土壤水分的有效性主要取決于土壤含水量以及釋水量，而土壤性狀和降水決定了土壤蓄調(diào)水的能力。較高的水分利用效率意味著可以利用有限的資源獲得更多的光合產(chǎn)物，提高生產(chǎn)能力[29]，因此可以從水分利用效率的角度來分析植被對(duì)降水的利用，利用水分利用效率與草地初級(jí)生產(chǎn)力之間的二次曲線關(guān)系，預(yù)測圍欄封育草地生產(chǎn)力水平，為合理利用水草資源、修復(fù)草原生態(tài)提供依據(jù)。

圖2 地上生物量與土壤含水量、耗水量、水分利用效率的關(guān)系