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(guó)分布范圍最廣的陸地植被類型[1],也是我國(guó)主要畜牧業(yè)生產(chǎn)基地和國(guó)家生態(tài)安全的綠色屏障。長(zhǎng)期以來(lái)由于人們盲目追求牲畜數(shù)量，實(shí)行掠奪式經(jīng)營(yíng)，草原大面積超載過(guò)牧，水、草、畜失衡。以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，近30年草原明顯退化，退化面積由1980年的18.08×104km2增加到2010年的22.47×104km2[2]。水分是制約干旱半干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素[3-4]，土壤水分的空間異質(zhì)性對(duì)植被生產(chǎn)力的空間分布格局具有一定影響，許多研究表明，天然草原地上生物量與土壤含水量之間存在顯著相關(guān)關(guān)系[5-7]。干旱半干旱地區(qū)的天然草原在無(wú)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(zhǎng)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]。圍欄封育是目前廣泛應(yīng)用的促進(jìn)退化草地生態(tài)恢復(fù)的重要措施，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]；施肥、補(bǔ)播等措施對(duì)改善土壤條件、提高草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也具有積極作用[13-15]?；哪菰歉珊瞪儆?、土壤養(yǎng)分極為貧乏的草地類型，由于生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)酷性和氣候的波動(dòng)性，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，具有發(fā)生荒漠化的潛在危險(xiǎn)[16]。試驗(yàn)從加強(qiáng)牧區(qū)生態(tài)建設(shè)與草地管理角度出發(fā)，選取短花針茅荒漠草原不同植被恢復(fù)模式的天然草地進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)查，分析不同植被恢復(fù)模式對(duì)草地土壤水分及地上生物量的影響，為測(cè)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)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

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%；多年平均氣溫3.4℃，≥10℃的年積溫為2 200～2 500℃，無(wú)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)層厚度為15～45 cm，土壤氮、磷較低，鉀較高。

試驗(yàn)區(qū)地帶性植被為短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原，短花針茅草原是草原區(qū)向荒漠區(qū)過(guò)渡的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)類型，該類型草地占到我國(guó)溫性荒漠草原類總面積的11.2%，對(duì)荒漠草原的生態(tài)系統(tǒng)的整體功能有很大的影響[16]。試驗(yàn)區(qū)原生植被草層低矮，植物種類組成較少，主要建群種為短花針茅，優(yōu)勢(shì)種為冷蒿(Artemisiafrigida)、無(wú)芒隱子草(Cleistogenessongorica)，主要伴生種有櫛葉蒿(Neopallasiapectinata)、狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)、木地膚(Kochiaprostrata)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)等，植被蓋度為21%～26%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇地勢(shì)較為平坦、植被蓋度相近的區(qū)域依次布設(shè)3種植被恢復(fù)模式試驗(yàn)樣地，以長(zhǎng)期放牧形成退化的天然草地作為對(duì)照樣(CK)，植被恢復(fù)模式分別為圍欄封育試驗(yàn)樣地(Ⅰ)、“圍欄封育+灌木條帶+施肥復(fù)壯”試驗(yàn)樣地(Ⅱ)、“圍欄封育+松土補(bǔ)播+草種包衣”試驗(yàn)樣地(Ⅲ)(表1)。

表1 試驗(yàn)樣地2015年基本狀況

1.2.2 試驗(yàn)方法 分別于2017年植物生長(zhǎng)初期(6月初)、生長(zhǎng)旺盛期(8月初)和生長(zhǎng)末期(9月底)進(jìn)行地上部分生物量和土壤水分測(cè)定。在各個(gè)試驗(yàn)樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3條100 m樣帶，樣帶間隔100 m，沿樣帶每隔10 m布設(shè)1個(gè)1 m×1 m樣方，地上生物量采用收割法測(cè)定，將樣方內(nèi)植物地面以上的所有綠色部分齊地刈割(樣方內(nèi)灌木屬矮小灌木，與草本植物一并刈割收獲)，不分植物種按樣方分別裝進(jìn)紙袋，65℃恒溫下烘至恒重，稱其干質(zhì)量，測(cè)定植物群落地上生物量；測(cè)定生物量的同時(shí)，采用TRIME-PICO TDR便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x結(jié)合烘干稱重法測(cè)定0～20，20～40和40～60 cm土層土壤含水量。

對(duì)試驗(yàn)區(qū)的降水進(jìn)行觀測(cè)記錄，降水過(guò)程和降雨量利用2臺(tái)反斗式自記雨量筒記錄逐次降水的起始時(shí)間，每1 min記錄1次降水量，降水量精確至0.1 mm，降水強(qiáng)度mm/min。觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)試驗(yàn)區(qū)各月降水量值(表2)。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 17.0軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用平均值表示測(cè)定結(jié)果，采用Excel 2010制圖。

表2 2017年試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)期內(nèi)各月降水量

2 結(jié)果與分析

2.1 地上生物量變化

草地植被的生物量是草地生態(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]。試驗(yàn)區(qū)荒漠草原植物5月初返青，10月初枯黃，整個(gè)生長(zhǎng)季中生物量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)。生長(zhǎng)初期不同植被恢復(fù)模式植物群落的地上生物量均顯著低于生長(zhǎng)旺盛期和末期，“圍欄封育+灌木條帶+施肥復(fù)壯”試驗(yàn)樣地在生長(zhǎng)初期、旺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)，生長(zhǎng)末期植物地上生物量達(dá)到最大，植物季節(jié)生長(zhǎng)規(guī)律明顯(表3)。對(duì)比不同生長(zhǎng)時(shí)期、不同恢復(fù)模式的地上生物量發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)初期各試驗(yàn)樣地的地上生物量之間雖有差異，但未達(dá)到顯著水平。旺盛期“圍欄封育+灌木條帶+施肥復(fù)壯”試驗(yàn)樣地地上生物量最高，其次為“圍欄封育+松土補(bǔ)播+草種包衣”試驗(yàn)樣地，2個(gè)試驗(yàn)樣地的地上生物量分別比放牧天然草地(CK)地上生物量提高18.17、14.08 g/m2，變化差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；生長(zhǎng)旺盛期，“圍欄封育+灌木條帶+施肥復(fù)壯”、“圍欄封育+松土補(bǔ)播+草種包衣”、圍欄封育3個(gè)試驗(yàn)樣地的地上生物量之間變化差異未達(dá)到顯著水平；生長(zhǎng)末期，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)、試驗(yàn)樣地(Ⅲ)、試驗(yàn)樣地(Ⅰ)分別比放牧利用的天然草地(CK)地上生物量增加31.30 g/m2，24.57 g/m2和7.02 g/m2，經(jīng)方差分析，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)、試驗(yàn)樣地(Ⅲ)地上生物量顯著高于試驗(yàn)樣地(Ⅰ)和放牧天然草地(CK)(P<0.05)，說(shuō)明“圍欄封育+灌木條帶+施肥復(fù)壯”、“圍欄封育+松土補(bǔ)播+草種包衣”這2種植被恢復(fù)模式的草地地上部分生物量增加明顯。

表3 不同植被恢復(fù)模式地上生物量的含量

注：不同小寫字母表示同列不同處理差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同行不同處理差異顯著(P<0.05)

2.2 土壤水分變化

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(cè)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)。測(cè)定植物不同生育期、3種植被恢復(fù)模式和放牧天然草地土壤含水量的變化發(fā)現(xiàn)(圖1)，植物生長(zhǎng)初期由于自然降水較少，水分蒸發(fā)量大，土壤表層(0～20 cm)含水量偏低，隨著6～8月降雨對(duì)土壤有效注入量的增加，植物生長(zhǎng)旺盛期各個(gè)樣地的土壤水分均達(dá)到最大，生長(zhǎng)末期隨著降水量的減少，土壤含水量逐漸降低。3種植被恢復(fù)模式及放牧樣地均表現(xiàn)出表層(0～20 cm)土壤含水量較低，隨著深度增加，土壤含水量增大的變化規(guī)律。

分析不同生育期、不同土層土壤含水量變化(圖1)，試驗(yàn)樣地(Ⅰ) 0～20 cm土層平均土壤含水量最低(8.3%)，其次為放牧天然草地(9.0%)，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)0～20 cm土層平均土壤含水量最高(9.3%)。20～40 cm土層平均土壤含水量由大到小依次為試驗(yàn)樣地(Ⅱ)(12.8%)>試驗(yàn)樣地(Ⅲ)(10.7%)>放牧天然草地(9.2%)>試驗(yàn)樣地(Ⅰ)(8.9%)，生長(zhǎng)末期，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)20～40 cm土層土壤含水量顯著高于其他試驗(yàn)樣地(P<0.05)。不同植被恢復(fù)模式40～60 cm土層土壤含水量變化中，試驗(yàn)樣地(Ⅲ)40～60 cm土層平均土壤含水量最大(14.0%)，試驗(yàn)樣地(Ⅰ)土壤含水量最低(10.5%)，各個(gè)試驗(yàn)樣地之間40～60 cm土層土壤含水量雖有變化，但差異不顯著。

圖1 不同植被恢復(fù)模式土壤的含水量Fig.1 Variation of soil water content in different restoration models

2.3 不同植被恢復(fù)模式地上生物量與土壤水分關(guān)系

短花針茅荒漠草原不同植被恢復(fù)模式地上生物量與不同土層土壤水分之間的關(guān)系(表4)，荒漠草原地上生物量隨著土壤含水量的增加而提高，二者呈正相關(guān)關(guān)系，其中，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)、試驗(yàn)樣地(Ⅲ)、放牧天然草地(CK)的地上生物量與0～20 cm土壤含水量均呈顯著相關(guān)(P<0.05)，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)的地上生物量與20～40 cm土壤含水量達(dá)極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說(shuō)明短花針茅荒漠草原地上生物量與表層土壤含水量之間有著密切關(guān)系，彼此相互影響和相互聯(lián)系，土壤水分的增加有利于荒漠草原生產(chǎn)力提高。

表4 不同植被恢復(fù)模式地上生物量與土壤 水分相關(guān)性分析

3 討論

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。孫棟元等[19]研究報(bào)道，荒漠區(qū)封育沙地土壤水分變化過(guò)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。不同植被恢復(fù)模式土壤含水量均表現(xiàn)出層次性變化特征，即表層(0～20 cm)土壤含水量偏低，隨著土壤深度的增加，土壤水分含量逐漸增大，這與方楷等[7]對(duì)荒漠草原地區(qū)土壤水分垂直分布規(guī)律的研究結(jié)論基本一致。分析荒漠草原不同植被恢復(fù)模式的土壤水分變化，圍欄封育2年試驗(yàn)樣地(Ⅰ)生長(zhǎng)初期、旺盛期0～20 cm、20～40 cm土壤含水量均低于放牧天然草地(CK)，圍欄禁牧區(qū)的表層土壤水分比自由放牧區(qū)土壤水分低主要是由于家畜對(duì)草地踐踏作用使表層土壤顆粒間隙變小，通氣透水性變差，降水集中在土壤表層不能向下滲透，所以放牧草地表層土壤含水量增加[20-22]。由于土壤系統(tǒng)和環(huán)境的復(fù)雜性，圍封和放牧對(duì)群落土壤水分的影響尚未有一致的結(jié)論，也有研究表明圍封有利于土壤保水、持水性能力的提高和土壤有機(jī)質(zhì)的增加[23,24]。

圍欄封育短期內(nèi)能夠顯著提高植被高度、蓋度、生物量，改善植物群落結(jié)構(gòu)，但是改良退化草地土壤理化性質(zhì)，提升土壤肥力需要較長(zhǎng)時(shí)間[25]，單純的圍欄封育措施對(duì)退化草地植物學(xué)組成的影響也十分有限[26]。試驗(yàn)結(jié)果表明，短花針茅荒漠草原生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中采取“圍欄封育+灌木條帶+施肥復(fù)壯”和“圍欄封育+松土補(bǔ)播+草種包衣”的植被恢復(fù)模式地上生物量比單純的圍欄封育措施有明顯增加，這2種植被恢復(fù)模式是在利用圍欄封育進(jìn)行草地生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)恢復(fù)同時(shí)，通過(guò)栽植灌木、補(bǔ)播種草、增施肥料等人工措施進(jìn)而增加地上生物量，豐富植物群落組成，加快受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。劉樹強(qiáng)等[27]在羊草+雜類草草地上通過(guò)實(shí)施松土改良培育措施不僅使增加了土壤含水量，提高了產(chǎn)草量，植物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，羊草在群落中所占比重明顯增加。榮浩等[28]對(duì)內(nèi)蒙古錫林河流域退化草地植被恢復(fù)研究中發(fā)現(xiàn)，圍欄封育、免耕補(bǔ)播在恢復(fù)退化草地植被、提高生產(chǎn)力等方面效果顯著。王猛等[26]報(bào)道，退化草地實(shí)施封育的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合除雜、補(bǔ)播等措施，有利于更好地改善草地飼用價(jià)值，提高草地生產(chǎn)力。天然草原在實(shí)施圍欄封育措施的同時(shí)，可通過(guò)增加防護(hù)灌木帶、施肥、補(bǔ)播、除雜等人工措施改善植物群落組成、提高草地生產(chǎn)力，促進(jìn)草原的可持續(xù)利用。

研究表明不同植被恢復(fù)模式的地上部分生物量與土壤水分之間呈正相關(guān)關(guān)系，焦淑英[29]研究發(fā)現(xiàn)，短花針茅荒漠草原地下生物量基本集中在表層(0～10 cm)，0～30cm的根量占總根量的82.23%～89.83%，植被地上與地下部分是個(gè)協(xié)同變化的過(guò)程，增加的地上生物量豐富了表層地下生物量的積累，植物生長(zhǎng)的水分需求主要是由表層土壤水分來(lái)供給。短花針茅荒漠草原地上部分生物量和降水量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)[30]，在干旱與半干旱草原地區(qū)，天然草地的植被類型及其生產(chǎn)力主要受大氣降水的制約，而這種制約作用在很大程度上是通過(guò)土壤對(duì)水分的再分配實(shí)現(xiàn)的，降水量及其分配是土壤水分狀況的決定因素[31-32]，因此，試驗(yàn)區(qū)土壤含水量不僅有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，并且與地上生物量之間存在正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)生長(zhǎng)季末，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)、試驗(yàn)樣地(Ⅲ)地上生物量顯著高于試驗(yàn)樣地(Ⅰ)和放牧天然草地(CK)，表明“圍欄封育+灌木條帶+施肥復(fù)壯”和“圍欄封育+松土補(bǔ)播+草種包衣”措施能顯著提高地上生物量；而在單純的圍欄封育措施下，地上生物量提高的并不十分顯著。

(2)試驗(yàn)區(qū)各試驗(yàn)樣地均表現(xiàn)出表層(0～20 cm)土壤含水量較低，隨著深度增加，土壤含水量增大的變化規(guī)律；生長(zhǎng)末期，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)20～40 cm土層土壤含水量顯著高于其他試驗(yàn)樣地(P<0.05)。

(3)短花針茅荒漠草原地上生物量與土壤含水量之間呈正相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)樣地(Ⅱ)、試驗(yàn)樣地(Ⅲ)、放牧天然草地的地上生物量與0～20 cm土壤含水量顯著正相關(guān)(P<0.05)。