艷 秀，占布拉，王明玖，包 翔，吳 朝，王 燕

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/草地資源教育部重點實驗室，呼和浩特 010018)

科爾沁草原是典型的農(nóng)牧交錯區(qū)，隨著經(jīng)濟發(fā)展對生活質(zhì)量的需求日益強烈，過墾草地和超載放牧現(xiàn)象普遍發(fā)生，從而導(dǎo)致草原植被大量被破壞，以草地退化、沙化、鹽漬化等為主的各類草地退化現(xiàn)象日益加劇，使草地的生態(tài)系統(tǒng)功能喪失，服務(wù)能力減弱，成為嚴重阻礙著地區(qū)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題[1，2]。由于鹽堿草地植被稀疏，土壤pH較高，再加上半干旱地區(qū)客觀條件制約，使得鹽堿草地的自然恢復(fù)難、所需周期長、見效慢。因此，有必要對鹽堿化草地采取人工干預(yù)治理措施進行修復(fù)，以遏制草地的進一步鹽堿化，促進草地生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。草地的植被修復(fù)過程，是通過一些人為措施使植物群落向著最大程度利用環(huán)境的方向演替，構(gòu)成最復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)和功能[3，4]。對于鹽堿化草地，通過種植一些耐鹽堿植物和利用土壤改良劑或肥料中的化學(xué)性質(zhì)中和鹽堿土壤中的鹽分，調(diào)節(jié)土壤酸堿度，改善鹽堿土壤的根際微環(huán)境，實現(xiàn)植物正常生長的目的。目前，國內(nèi)外在鹽堿地改良方面的技術(shù)主要有物理、化學(xué)、生物和水利工程等措施[4，5]?；瘜W(xué)措施在鹽堿土壤改良的應(yīng)用中較為廣泛，其中施入脫硫石膏改良鹽堿土不僅能實現(xiàn)脫硫石膏的資源化利用，同時能大大改善土壤的理化性質(zhì)，具有良好的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益[6～8]。脫硫石膏是燃煤電廠煙氣脫硫產(chǎn)生的廢棄物，主要成分是CaSO4·2H2O。大量試驗研究[9]證明，脫硫石膏能夠降低鹽堿土壤中的堿化度、pH和含鹽量，而且對植物生長、發(fā)育均有明顯的促進作用。脫硫石膏改良蘇打堿化土壤的試驗研究結(jié)果表明，脫硫石膏可大幅度降低土壤pH和交換性，并提高作物的產(chǎn)量，如施用脫硫石膏改良堿化土壤后種植玉米，玉米的出苗率和產(chǎn)量明顯提高，特別是重度堿化土壤施用脫硫石膏后玉米籽粒產(chǎn)量(7300.75kg/hm2)比未施用脫硫石膏的產(chǎn)量提高6679.5kg/hm2[10]。目前，更多的研究集中于改良鹽堿化農(nóng)用地和作物，而對于鹽堿化草地和牧草的研究較少。因此，選擇科爾沁鹽堿化草地開展了植被修復(fù)的研究，主要探討修復(fù)措施對鹽堿化草地群落特征、植物功能群和物種多樣性的影響，為科爾沁地區(qū)及類似地區(qū)鹽堿化草地的恢復(fù)和合理利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市扎魯特旗魯北鎮(zhèn)南40km304國道的東側(cè)(121°12′23.151″E、44°33′139.007″，海拔265m),該地屬于中溫帶大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，全年降雨量約382.5mm，最高、最低氣溫分別集中在7月和1月，年均氣溫6.6℃，無霜期102～147d。土壤類型主要為堿土和沙土，土壤鹽堿化較嚴重，pH8.9～10.55。植被類型為以旱生和中旱生植物為主的草甸草原亞型。依據(jù)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB193377-2003)[11]，將研究區(qū)鹽堿草地分為中度鹽堿化草地和重度鹽堿化草地，中度鹽堿化草地常見植物有羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenesspuarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、百里香(Thymusmongolicus)和銀灰旋花(Convolvulusammannii)等；重度鹽堿化草地種類貧乏，有堿地膚(Kochiaesieversianae)、堿蓬(Suaedasalsa)和狗尾草(Setariavirides)。

1.2 樣地設(shè)置

2017年8月對鹽堿化草地進行圍封，2018年6月在重度鹽堿化草地設(shè)置36m2(6m×6m)的處理小區(qū)，重復(fù)3次，采取T+B(T代表脫硫石膏，B代表補播)試驗處理。脫硫石膏用量1.5萬～1.8萬kg/hm2。在施入脫硫石膏和補播之前，對土壤進行一次疏松，采用機引鏵式犁耙對鹽堿化草地實施一次作業(yè)，耙深為10cm。主要補播的牧草有披堿草(Elymusdahuricus)、紫羊茅(Festucarubra)、中間偃麥草(Elytrigiaintermedia)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)、中苜1號苜蓿(Medicagosativa)、草木樨(Melilotusofficinalis)、一年生黑麥草(Loliummultiflorum)、敖漢苜蓿(Medicagosativa)、野大麥(Hordeumbrevisubulatum)，按照0.5∶0.2∶0.2∶0.3∶0.1∶0.2∶0.1∶0.1∶0.02(kg)比例混合后人工撒播，播量為60kg/hm2。

1.3 野外取樣

2017年8月，在實施圍封修復(fù)前對研究區(qū)進行一次本底調(diào)查；2018年、2019年8月，在每個小區(qū)內(nèi)的草地和圍欄外的自由放牧區(qū)草地上，同步選擇植物生長均勻的區(qū)域進行隨機采樣，樣方大小為1m2(1m×1m)，重復(fù)3次，樣方調(diào)查記錄群落高度、蓋度、密度，并且分種齊地面刈割樣方內(nèi)所有植物，于65℃烘箱內(nèi)烘至恒重后用電子天平稱取其干重，為小區(qū)內(nèi)植物群落地上生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

重要值按(1)式計算；群落物種多樣性指數(shù)，Margalef豐富指數(shù)按(2)式計算；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)按(3)式計算；Pielou均勻度指數(shù)按(4)式計算。

重要值(Ⅳ)=(相對密度+相對高度+相對蓋度+相對生物量)/4

(1)

Margalef豐富指數(shù)Ma=(S-1)/lnN

(2)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)

H′=-∑PilnPi

(3)

Pielou均勻度指數(shù)E=H′/lnS

(4)

上式中：S代表樣地內(nèi)物種總數(shù)；N代表所有物種個體數(shù)總和；Pi代表第i個種數(shù)量占群落總個體數(shù)量的比例。

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和表格繪制，用SAS 9.0軟件進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對群落特征的影響

試驗結(jié)果(表1)表明，修復(fù)后的第二年(2018年)T+B處理區(qū)的群落蓋度顯著高于CK自由放牧區(qū)(P<0.01)，比自由放牧區(qū)提高了108%；群落高度和地上生物量均顯著(P<0.05)高于自由放牧區(qū)，分別比自由放牧區(qū)提高了284%和197%；群路密度則無顯著差異(P>0.05)。修復(fù)后的第三年(2019年)，T+B處理區(qū)的群落蓋度、群落高度、群落密度和地上生物量均顯著高于自由放牧區(qū)(P<0.001)，分別比自由放牧區(qū)增加了112%、638%、604%和763%。

由表2可知，經(jīng)修復(fù)措施后，隨著修復(fù)年限的增加群落蓋度、高度、密度和地上生物量均程增加趨勢，修復(fù)后的第二年和第三年群落蓋度、群落高度、群落密度和地上生物量均顯著(P<0.001)高于修復(fù)前(2017年)，分別提高了133%、169%和277%、845%和74%、650%及108%、918%。

2.2 對群落各功能群重要值的影響

修復(fù)后第二年(2018年)，與自由放牧區(qū)(CK)相比T+B處理區(qū)群落降低藜科植物重要值136%，提高禾本科植物重要值207%，同時出現(xiàn)了豆科植物(重要值為9.89)。到修復(fù)后第三年(2019年)，與自由放牧區(qū)相比T+B處理區(qū)群落藜科植物重要值降低了396%，禾本科植物重要值提高了606%，同時出現(xiàn)了豆科、菊科和其他科植物，重要值分別為10.88、12.68和1.21(表3)。由此可見，T+B處理有利于鹽堿化草地禾本科和豆科植物的恢復(fù)，可使群落組成結(jié)構(gòu)由單一和不穩(wěn)定趨向于復(fù)雜和穩(wěn)定。

表1 修復(fù)措施對鹽堿化草地群落特征的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；NS為差異不顯著。

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

表3 修復(fù)措施對鹽堿化草地群落各功能群重要值的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；NS為差異不顯著。

與修復(fù)前(2017年)相比，修復(fù)后第二年(2018年)降低群落藜科植物重要值161%，提高禾本科植物重要值494%，豆科植物重要值達到9.89；到修復(fù)后第三年(2019年)，群落禾本科植物重要值提高了509%，藜科植物降低了389%，同時群落中豆科、菊科和其他科植物的重要值分別達到10.88、12.68和1.21(表4)，群落組成更加復(fù)雜化和多樣化。

表4 不同修復(fù)年限群落各功能群重要值的比較

2.3 對群落物種多樣性的影響

從表5可看出，修復(fù)后第二年(2018年)T+B處理區(qū)的豐富度指數(shù)顯著(p<0.001)高于CK自由放牧區(qū)，比自由放牧區(qū)提高了74%；多樣性指數(shù)地顯著(p<0.05)高于自由放牧區(qū)(CK)，比自由放牧區(qū)提高了12.5%；而均勻度指數(shù)差異不顯著(p>0.05)。修復(fù)后第三年(2019年)，T+B處理區(qū)的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)顯著高CK自由放牧區(qū)(p<0.001)，分別比自由放牧區(qū)提高了169%和253%；均勻度指數(shù)T+B處理區(qū)顯著高于CK自由放牧區(qū)(p<0.01)，比自由放牧區(qū)提高了38.7%。

表5 修復(fù)措施對鹽堿化草地群落物種多樣性的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；NS為差異不顯著。

由表6可知，修復(fù)后第二年和第三年豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)均顯著(P<0.001)高于修復(fù)前(2017年)，分別比修復(fù)前提高了97%、10%和213%、204%；均勻度指數(shù)在修復(fù)后第二年和第三年顯著高于修復(fù)前(P<0.01)，分別比修復(fù)前提高了84%和177%，且隨著修復(fù)年限的增加群落的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈增加趨勢。

表6 不同修復(fù)年限群落物種多樣性的比較

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

3 討論

本研究修復(fù)后的第二年(2018年)和第三年(2019年)，與自由放牧區(qū)(CK)和修復(fù)前(2017年)相比，明顯提高了鹽堿化草地的群落蓋度、群落高度和群落密度，主要原因可能是采取修復(fù)措施后為植物生長創(chuàng)造了更為有利的環(huán)境，增加了一些新的植被，填補了原有鹽堿化草地空缺的生態(tài)位，從而提高了群落特征。修復(fù)后的地上生物量顯著提高，這與前人[12]的研究結(jié)果相似。本研究中，修復(fù)后第二年和第三年處理區(qū)的群落地上生物量，與自由放牧區(qū)相比分別提高了197%和763%，與修復(fù)前相比分別提高了108%和918%。這一方面是因為禁止牲畜采食和補播牧草提高了鹽堿化草地的地上生物量，另一方面是因為群落高度、蓋度和密度的增加使裸露地面植被繁茂，減少了土壤風(fēng)蝕，從而進一步提高草地的初級生產(chǎn)力[13]。修復(fù)后在提高群落禾本科植物重要值的同時出現(xiàn)了豆科、菊科和其他科植物，表明修復(fù)措施有利于鹽堿化草地植被的恢復(fù)，可使群落組成從結(jié)構(gòu)單一、不穩(wěn)定趨向于復(fù)雜和穩(wěn)定。因為施入脫硫石膏后為植物的定居提供了穩(wěn)定的土壤環(huán)境，有利于植物定居和生長，并且可以改善土壤的通透性，促進植物的生長發(fā)育[14，15]。群落的物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)是群落的重要特征，草地修復(fù)后的第二年，處理區(qū)群落的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均比自由放牧區(qū)顯著提高，均勻度指數(shù)有所提高但差異不顯著，在修復(fù)后第三年才開始對群落均勻度指數(shù)的影響表現(xiàn)出來。這與Foster和Tilman[16]的研究結(jié)果類似，可能是由于該實驗在修復(fù)后第二年補播的物種還未在該生境中完全定居，很多種子還處于未萌發(fā)狀態(tài)，修復(fù)效應(yīng)還沒有完全顯示出來；另一種可能是由于修復(fù)后第二年的效應(yīng)僅表現(xiàn)在新添加的物種對原有退化草地空缺的生態(tài)位填充，而隨著年限的增長植被修復(fù)帶來的新添加物種在群落中的競爭優(yōu)勢可能才會得到體現(xiàn)[17～19]。

4 結(jié)論

修復(fù)后的第三年(2019年)與自由放牧區(qū)(CK)和修復(fù)前(2017年)相比，草地群落蓋度、高度、密度和地上生物量均顯著提高，群落的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均達到顯著(P<0.001)差異，均勻度指數(shù)達到顯著(P<0.01)差異。隨著修復(fù)年限的推移，禾本科牧草和豆科牧草重要值達到56.67和10.88，說明修復(fù)措施改善了草地的生境條件，提高了草地的多樣性、生物量和質(zhì)量，是修復(fù)鹽堿化草地的一種經(jīng)濟有效的手段。