吳 潤，張勇娟，曹 娟，安沙舟，崔國盈，閆瑞瑞

(1.國家林業(yè)和草原局調查規(guī)劃設計院，北京 100017；2.烏魯木齊市林業(yè)和草原局，烏魯木齊 830000；3.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；4.新疆農業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆“三山夾兩盆”的自然地貌特征，孕育了豐富的草地資源，全疆天然草地面積約5 726×104hm2，約占全國天然草原總面積的1/5，面積僅次于西藏和內蒙古[1]。新疆是全國5大牧區(qū)之一，天然草地資源是發(fā)展畜牧業(yè)最基本和最主要的生產資料，擔負著全疆70%的牲畜飼養(yǎng)量和畜產品產量。同時，豐富的草地資源在涵養(yǎng)水源、保持水土和氣候調節(jié)以及維護生物多樣性方面也發(fā)揮著重要的作用[2-4]，是我國西北部地區(qū)重要的生態(tài)屏障。近年來，由于“超載過牧”和不合理的開發(fā)利用草地資源，新疆約占80%的草地資源出現不同程度的退化，它不僅影響到草原畜牧業(yè)發(fā)展，更使原本脆弱的生態(tài)嚴重受損[5]。2011年起，國家開始實施草原生態(tài)保護補助獎勵政策，對嚴重退化區(qū)實施禁牧、輕度退化區(qū)實施草畜平衡，對草原生態(tài)系統(tǒng)的保護起到了較大作用[6]。研究退化草原生態(tài)環(huán)境和植物群落特征，對退化草地的恢復重建有重要意義。【前人研究進展】植物群落動態(tài)變化是評價退化草地恢復的重要指標。圍欄封育或禁牧是退化草原自我修復、維護草原生態(tài)系統(tǒng)平衡最經濟有效、簡單易行的恢復措施，對退化草原生境的改善創(chuàng)造了條件，消除了放牧家畜和人類活動的影響，為草原植物群落物種組成和群落結構起到了重要作用[7-8]。近些年來，國內外學者對退化草地植被恢復進行了大量的研究，Mengistu等[9]、安耕等[10]、孫宗玖等[11]、都耀庭等[12]、扎西文毛等[13]分別對荒漠化草地、荒漠草地、高寒草甸草地和嵩草草地實施圍欄封育后群落特征的變化進行了研究，結果表明圍欄促進草地群落的恢復，植被密度、總蓋度、地上產草量均有所增加[14]。但依據草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)理論和相關研究結果表明，草地封育時間不應是無限期的，封育時間過長會抑制植物的再生和幼苗的形成，影響草地的繁殖更新及其正常生長發(fā)育[8，11-13]?！颈狙芯壳腥朦c】而楊合龍等[8]、苗弘福等[15]研究表明，荒漠草地、高寒草甸草地封育后隨著封育年限的增加，植被的總蓋度、群落的密度以及生物量則分別呈先降低后升高再降低的趨勢，確定荒漠草地封育5 a和高寒草甸草地封育4 a為最適圍封時間。研究退化草原恢復中草原植物群落特征的變化。【擬解決的關鍵問題】分析禁牧區(qū)和草畜平衡區(qū)植被群落的恢復狀態(tài)，以及禁牧區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)生產力及其植物群落隨著封育年限的變化規(guī)律，為退化草原的恢復提供依據，為完善新疆草原生態(tài)保護補助獎勵政策提供科學理論指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

烏魯木齊市地處亞歐大陸腹地，天山北麓、準噶爾盆地南緣，地理位置為E 86°37'33"～88°58'24"，N 42°45'32"～45°08'00"。地勢起伏懸殊，山地面積廣大，南部、東北部高，中部、北部低，海拔490.6～5 445 m。屬中溫帶大陸干旱氣候，春秋季較短，多大風，冬夏季較長，晝夜溫差大。最熱月7月，平均氣溫23.5℃；最冷月1月，平均氣溫-14.6℃；年平均溫度5.9℃；無霜期147 d；年均降水量280 mm，年均蒸發(fā)量2 000 mm。

烏魯木齊市草地按水平地帶性與垂直帶性劃分為平原草地和山地草地兩大部分。全市草地共劃分為12個草地類，21個亞類，59個組，201個草地型。草原生態(tài)保護補助獎勵政策實施后，將生存環(huán)境非常惡劣、草場嚴重退化、不宜放牧的天然草地實施禁牧，禁牧區(qū)域以外的天然草地實施草畜平衡，合理輪牧。

1.2 方 法

1.2.1 地面數據采集

烏魯木齊市畜牧水產草原技術推廣中心于2011年(恢復1 a)，2015年(恢復5 a)、和2018年(恢復8 a)的每年7月20日～8月31日在禁牧區(qū)和草畜平衡區(qū)的高寒草甸類(Alpine meadow，AM)、山地草甸類(Mountain meadows，MM)、草甸草原類(Meadow steppe，MS)、溫性草原類(Temperate steppe，TS)、溫性荒漠草原類(Temperate desert steppe，TDS)、溫性荒漠類(Temperate desert，TD)、低地草甸類(Lowland meadows，LM)等不同草地類定點監(jiān)測，共計6個樣地，一個樣地重復3個樣方，草本及矮小灌木的樣方1 m×1 m，半灌木的樣方10 m×10 m。調查內容包括群落平均高度、植被蓋度和生物量等。

1.2.2 遙感數據獲取

根據地面樣點實測產草量的時間在2011～2018年7月下旬，選用2011～2018年該段時期少云(云覆蓋率<20%)Landsat系列影像，數據集的時間分辨率為16 d，空間分辨率分別為30 m。對Landsat系列數據進行輻射定標、大氣糾正、鑲嵌、裁剪等預處理后，從中提取紅光波段和近紅外波段的反射率數據，利用這2個波段的數據計算歸一化植被指數(NDVI)。

根據NDVI值大小，將草原植被長勢指數差值分為5個等級，差：G<-15%，較差：-15%≤G<-5%，持平：-5%≤G<5%，較好：5%≤G<15%，好：15%≤G。

1.3 數據處理

用Microsoft Excel 2010進行數據前期整理，繪制圖表。用SPSS統(tǒng)計軟件對相關數據進行單因素方差分析，采用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 退化草原恢復中植被長勢的變化

2.1.1 禁牧區(qū)植被長勢的變化

研究表明，烏魯木齊市禁牧區(qū)植被恢復5 a較恢復1 a草地長勢差和較差占草地面積的25.99%和10.95%，持平的占草地面積12.36%，主要分布在烏魯木齊市北部米東區(qū)溫性荒漠草地和農田及居民區(qū)周邊；等級較好和好的草地占總面積50.70%，主要分布在南部的烏魯木齊縣和達坂城區(qū)。

禁牧區(qū)植被恢復8 a比恢復1 a草地長勢差和較差僅占草地面積的24.71%和14.48%，持平的占16.59%，等級較好和好的草地占總面積44.22%，差和較差的草地向南推移，北部地區(qū)草地逐漸轉好。

植被恢復8 a較恢復5 a，北部米東區(qū)溫性荒漠草地植被長勢變好，長勢等級為好和較好的草地占總面積的32.53%，總體而言，長勢較好的草地向北偏移，主要是因為北部草地基本屬于禁牧區(qū)；長勢等級差和較差的草地占52.81%，主要分布中部和南部，主要是此區(qū)域人均草地面積少，實施生態(tài)保護補助獎勵政策前草地嚴重超載，實施政策后實施草地植被恢復慢，草地質量仍然較差。

實施草原補獎政策以來，草地植被恢復5 a較恢復1 a，恢復8 a較恢復5 a長勢明顯變好，等級較好、好和持平的草地占總面積63.06%和60.81%，并總體向北偏移，主要是因為北部草地基本屬于禁牧區(qū)。圖1

注：(a) 2015年較2011年 (b) 2018年較2011年 (c) 2018年較2015年
Note:(a) The comparison of changes between 2015 and 2011; (b) The comparison of changes between 2018 and 2011; (c)The comparison of changes between 2018 and 2015

圖1 禁牧區(qū)植被長勢對比
Fig.1 The changes of vegetation growth in exclosure zone

2.1.2 草畜平衡區(qū)植被長勢的變化

研究表明，烏魯木齊市草畜平衡區(qū)植被恢復5 a較恢復1 a草地長勢差和較差占草地面積的30.17%和11.38%，持平的占草地面積12.91%，主要分布在烏魯木齊縣南部山地草甸草地和農田及居民區(qū)周邊；等級較好和好的草地占總面積45.54%，主要分布在南部的烏魯木齊縣和達坂城區(qū)。

草畜平衡區(qū)恢復8 a比恢復1 a草地長勢差和較差僅占草地面積的27.26%和13.89%，持平的占15.84%，等級較好和好的草地占總面積43.81%，差和較差的草地向東北推移。

恢復8 a較恢復5 a，長勢等級為好和較好的草地占總面積的43.27%；長勢等級差和較差的草地占50.35%，主要分布中部和南部，主要是此區(qū)域人均草地面積少，實施前草地嚴重超載，草地植被恢復慢，草地質量仍然較差。

草畜平衡區(qū)開始實施草原補獎政策以來，恢復5 a較恢復1 a，恢復8 a較恢復1 a草地長勢變化不大，等級較好、好和持平的草地占總面積58.45%和59.65%。圖2

2.2 不同恢復年限草原植物群落數量特征變化

2.2.1 禁牧區(qū)草原植物群落數量特征變化

研究表明，禁牧區(qū)溫性荒漠草地、低地草甸草地蓋度、高度和生物量鮮重隨恢復時間的延長呈現波動式上升趨勢，差異不顯著(P>0.05)。溫性荒漠草地主要建群種為半灌木，高度和蓋度變化不大，但生物量恢復8 a出現最大值，達1 432.06 kg/hm2；低地草甸草地蓋度增長幅度不大，生物量恢復5 a出現最大值，達2 471.54 kg/hm2；高度變化較大，恢復5 a處于最高值。

注：(a)2015年較2011年 (b)2018年較2011年 (c)2018年較2015年
Note:(a) The comparison of changes between 2015 and 2011; (b) The comparison of changes between 2018 and 2011; (c) The comparison of changes between 2018 and 2015

圖2 放牧區(qū)植被長勢對比
Fig.2 The changes of vegetation growth in grazing zone

溫性荒漠草原草地蓋度隨恢復時間的持續(xù)呈現降低趨勢，蓋度在恢復8 a較恢復5 a、恢復1 a有顯著性差異(P<0.05)，而高度出現先升高后降低的趨勢，恢復5 a草群高度明顯升高，達26.84 cm且有顯著性差異(P<0.05)；生物量在恢復5 a較恢復1 a、恢復8 a有顯著性差異(P<0.05)，恢復8 a比恢復5 a生物量增加10.45%。

溫性草原草地蓋度和高度隨恢復時間的延長呈現先上升后下降的趨勢。高度和蓋度在恢復5 a出現最大值；生物量恢復8 a、恢復5 a與恢復1 a均有顯著性差異(P<0.05)，生物量在恢復1 a處于最大值，為1 515.33 kg/hm2。圖3

圖3 不同恢復年限禁牧區(qū)草原植物群落的數量特征
Fig.3 Quantitative characteristics of plant community in exclosure grassland during different years of recovery

2.2.2 草畜平衡區(qū)植物群落數量特征變化

研究表明，草畜平衡區(qū)植被平均蓋度在恢復1 a、恢復5 a和恢復8 a基本處于在55%～66%，總體呈先升高后降低趨勢，但變化幅度不大；不同草地類年際間變化不明顯，只有溫性荒漠草原草地恢復8 a、恢復5 a分別比恢復1 a提高了30.5%和36.25%，變化幅度較大。

草畜平衡區(qū)山地草甸草地、溫性荒漠草地和高寒草甸草地總體草群平均高度呈現上升趨勢，高寒草甸草地變化幅度小，山地草甸草地恢復8 a比恢復5 a增加了6.25 cm，恢復8 a比恢復1 a增加了20.71 cm，恢復8 a、恢復5 a比恢復1 a存在顯著性差異(P<0.05)；溫性荒漠草地恢復5 a比恢復8 a增加了16.17 cm，恢復8 a比恢復1 a增加了7.31 cm，恢復8 a、恢復5 a、恢復1 a存在顯著性差異(P<0.05)；草畜平衡隨著牲畜數量的減少，草地植被高度在增加。溫性草原草地恢復5 a草群平均高度處于最高值，為25.67 cm；但都在恢復8 a間出現下降趨勢，這可能與降雨量有很大關系。草甸草原草地、溫性荒漠草地、高寒草甸草地恢復年際間均無顯著差異(P>0.05)。

草畜平衡區(qū)草地平均生物量鮮重隨年際變化逐年升高，恢復5 a為3 227.39 kg/hm2，比恢復1 a提高了63%；恢復8 a為2 783.92 kg/hm2，比恢復1 a提高了40%；但恢復8 a比恢復5 a生物量有所降低，分別降低了14%，這可能是2018年(恢復8 a)全年天氣干旱，降水量較低所致。不同草地類隨恢復時間的變化出現先升高后降低，但是峰值出現的恢復年度不同，與高度變化一致。山地草甸草地生物量的變化年際間無顯著性差異(P>0.05)，但恢復8 a、恢復5 a比恢復1 a分別增加了3 429.44、7 050.71 kg/hm2；而恢復8 a比恢復5 a減少了3 621.27 kg/hm2；草甸草原草地和溫性荒漠草地年際間無顯著差異(P>0.05)，而溫性草原草地恢復8 a與恢復1 a、恢復5 a、恢復6 a、恢復8 a無顯著差異(P>0.05)；溫性荒漠草原草地在恢復5 a處于最高值，為733.42 kg/hm2，測定年份均無顯著差異(P>0.05)。高寒草甸草地隨恢復年份延長逐年增高，恢復8 a達1 495.00 kg/hm2。圖4

圖4 不同恢復年限草畜平衡區(qū)草原植物群落的數量特征
Fig.4 Quantitative characteristics of plant community in forage-animal balance grassland during different years of recovery

3 討 論

3.1 實施禁牧和草畜平衡對植物長勢的影響

近些年來，利用遙感技術對我國草地資源的研究已經取得了大量的成果，尤其在草地生物量動態(tài)監(jiān)測、載畜量估算以及草畜平衡分析方面的研究為實時分析與評估草地變化和草地資源合理利用提供了較及時的決策依據[16]。草地植被長勢能更好地反映草地植被的總體生長狀況與趨勢[17]，而草地植被長勢通常用植被指數來衡量，由于植被指數是由衛(wèi)星不同波段數據組合而成，且包含90%以上的植被信息，且植被指數與植物生物量等很多植被要素之間存在強相關性[18]，因此，植被指數能較好地反映草地生長狀況。徐斌等[17]分別利用Landsat TM數據和MODIS NDVI數據及實測地面產草量數據，對研究區(qū)的產草量和分布進行了估測。李剛勇等[19]、劉旭升等[20]都利用植被指數NDVI差值法分析草原植被長勢變化，于海達等[21]基于MODIS/NDVI數據，對錫林郭勒盟草原2001～2010年10 a的植被長勢進行了變化監(jiān)測，并分析了植被長勢與氣溫、降水的相關性。趙根莊等[22]對河北壩上草原植被覆蓋度時空變化特征進行了分析，結果表明,植被覆蓋度在時間序列上呈現波動變化，其中2009年植被退化最嚴重，2009～2013年植被得到改善。孫曉東[23]對2000～2015年蘇尼特草原植被覆蓋度時空變化特征進行了研究，結果表明,近16 a蘇尼特草原植被覆蓋呈降低趨勢，植被生長狀況向差的方向發(fā)展；不同年際春季和夏季NDVI呈增加趨勢，而秋季呈降低趨勢。候勇等[24]利用遙感技術對內蒙古植被覆蓋度時空變化進行了研究，結果表明,2001～2015年內蒙古植被覆蓋度總體為增長趨勢，2001～2010年研究區(qū)植被覆蓋度的突變與降水量的關系密切，2011～2015年植被覆蓋度的增長主要受國家政策和人類活動的影響。研究利用遙感技術對禁牧區(qū)(圍欄封育)和草畜平衡區(qū)植被長勢進行研究，結果表明,禁牧區(qū)草地植被恢復5 a較恢復1 a，恢復8 a較恢復5 a草地長勢明顯變好，等級較好、好和持平的草地占總面積63.06%和60.81%，并總體向北偏移，主要是因為北部草地基本屬于禁牧區(qū)，因此,政策的實施對防止草地繼續(xù)退化起到關鍵性的作用。草畜平衡區(qū)恢復5 a較恢復1 a，恢復8 a較恢復5 a草地長勢變化不大，等級較好、好和持平的草地占總面積58.45%和59.65%，主要原因是在草畜平衡區(qū)控制牲畜數量上存在問題，草地面積大，監(jiān)管不到位的現象依然存在。研究結果還表明，實施草原生態(tài)保護補助獎勵政策后，草地退化的現象得到一定程度的遏制，草地植被得到了一定的改善，這與侯勇等[24]的研究結果一致。

3.2 實施禁牧和草畜平衡對植物群落的影響

圍欄封育或禁牧可以影響草地植物群落特征、改善土壤結構、提高退化草地生產力[7]。過度放牧會顯著降低群落的高度、蓋度、和地上生物量[25]，而適當的放牧，也能夠改善群落結構，使草原生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質循環(huán)保持良性狀態(tài)，進而保持草原生態(tài)系統(tǒng)的平衡和系統(tǒng)穩(wěn)定性[26-27]。群落數量特征(高度、蓋度和生物量)能夠較為直觀地反映不同年限草原恢復效果和草地健康狀況[28]。

Guo等[29]研究表明,溫性草原類實施禁牧10 a后，植物群落蓋度和生物量呈上升趨勢。研究表明，除溫性荒漠草原草地外，溫性荒漠草地、溫性草原草地和低地草甸草地禁牧區(qū)蓋度和生物量隨著恢復時間的延長而增加，但是出現峰值的節(jié)點不同，與陶利波等[30]隨封育年限的延長，草群高度和生物量呈先上升后下降趨勢結果相同，而與別爾達吾列提·希哈依等[28]、劉慧敏等[31]研究結果相反。目前，禁牧是一種退化草地恢復既簡便又低成本的有效措施，它可以減少放牧壓力以及人為干擾，使草地得到休養(yǎng)生息的機會，恢復草地植被結構，改善草地生態(tài)環(huán)境，但是過長時間的禁牧不但不利于群落恢復和牧草的正常生長，反而累積過多的凋落物對植物再生、幼苗的萌發(fā)和生長產生抑制作用，導致草原生態(tài)更新緩慢[32]。研究表明，禁牧區(qū)隨著恢復時間的延長，高度、蓋度和生物量出現先升高后降低的趨勢，除與降水量有關外，也與禁牧恢復時間有關，但是確定最佳的禁牧恢復年限使其各草地類達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，有待進一步研究。

張鮮花等[33]對于新疆草甸草原的研究結果表明，隨著放牧時間的增長，群落的高度、蓋度、密度和地上生物量均表現出下降的趨勢，但各放牧強度間均表現為差異不顯著。殷國梅等[34]的研究則表明，季節(jié)調控放牧處理中，夏季適度放牧、秋季重度放牧的植物高度、密度和蓋度明顯高于其他處理區(qū)，植被群落特征表現相對較好。同時，大量研究結果表明，適當的放牧不僅可以維持或優(yōu)化草地植物群落的多樣性，還可以保持良好的草地功能多樣性[35]。實施草原補獎政策后，研究區(qū)植被群落平均蓋度在恢復1 a、恢復5 a和恢復8 a基本處于在55%～66%，總體呈先升高后降低趨勢，但變化幅度不大；山地草甸草地、溫性荒漠草地和高寒草甸草地總體草群平均高度呈現上升趨勢；草畜平衡區(qū)草地平均生物量鮮重隨年際變化逐年升高，恢復5 a為3 227.39 kg/hm2，比恢復1 a提高了63%；恢復8 a為2 783.92 kg/hm2，比恢復1 a提高了40%；但恢復8 a比恢復5 a生物量有所降低，分別降低了14%，這可能是2018年(恢復8 a)全年天氣干旱，降水量較低所致。

4 結 論

4.1 2011年草原生態(tài)補獎政策后，烏魯木齊市將天然草地劃分出禁牧區(qū)和草畜平衡區(qū)，分區(qū)施策，合理利用。烏魯木齊市天然草地2015年較2011年，2018年較2015年草地長勢明顯變好，等級較好、好和持平的草地占總面積63.06%和60.81%，并總體向北偏移。

4.2 禁牧區(qū)溫性荒漠草地、低地草甸草地蓋度、高度和生物量隨恢復時間的延長呈現波動式上升趨勢，差異不顯著(P>0.05)。而溫性草原草地蓋度、高度和生物量隨恢復時間的延長呈現上升趨勢，生物量恢復年際間均有顯著性差異(P<0.05)，恢復8 a比恢復5 a生物量增加10.45%，表明隨著禁牧時間的延長對溫性草原草地生物量的影響較大。

4.3 草畜平衡區(qū)不同草地類草群高度和生物量隨恢復時間的持續(xù)出現先升高后降低的趨勢，只是出現峰值的時間存在差異，但都在恢復8 a間出現下降趨勢，這可能與降水量有關。溫性草原草地和溫性荒漠草原草地高度恢復5 a、恢復8 a與恢復1 a均存在顯著差異(P<0.05)。

通過實施禁牧和草畜平衡，在實施8 a后草地植物群落數量發(fā)生變化，草地生態(tài)環(huán)境得到一定程度的改善。