錫林河流域退化草地植被恢復措施及水土保持效應研究

榮 浩，何京麗，珊 丹，劉艷萍，梁占岐

(水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

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錫林河流域退化草地植被恢復措施及水土保持效應研究

榮 浩，何京麗，珊 丹，劉艷萍，梁占岐

(水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

以內蒙古北部錫林河流域退化草地為研究對象，通過對圍欄封育、免耕補播、旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉飼料地5種措施作用下植物生長狀況、土壤水分保持作用、抗風蝕能力的試驗研究。結果表明：圍欄封育、免耕補播在恢復退化草地植被、提高生產力方面效果顯著，是退化草地生態修復的主要措施；適地實施旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉飼料地面積各1 hm2，可置換出退化草地面積分別為10 hm2，18 hm2和79 hm2；通過灰色關聯度進行效益評價，各種植被恢復措施之間的綜合效益差異不明顯，植被恢復措施實施后，綜合效益均達到較高水平。

錫林河流域；退化草地；植被恢復；水土保持；措施

我國天然草地多分布于自然條件差、生態環境脆弱的區域，因氣候和經營管理等問題，造成天然草地退化、水土流失嚴重和生產力下降，急需實施植被恢復技術措施，改良、恢復和保護天然草地植被和生態環境，促進草地生產力提高，促進社會經濟可持續發展[1]。近年來，我國在退化草地生態修復方面的研究取得了較大進展，張文軍等[2]分析了常用的農藝、化學和生物措施，如淺耕翻、松土、火燒、施肥、灌溉、補播、施枯草或秸稈、石膏改良等恢復退化草地的優缺點及適用范圍；張洪生等[3]研究了圍封、淺耕翻改良處理對退化天然羊草(Leymuschinensis)草地植被蓋度、高度、地上生物產量、生物多樣性的影響；張東杰等[4]對天然草原退牧還草示范工程實施3年后的退化草地進行觀測，研究禁牧封育對退化草地的改良作用；高天明等[5]研究發現，灌溉對于退化草地的生態恢復作用非常明顯，灌溉可以顯著提高草地植被的生產性能，并對群落生態結構無顯著影響。草地植被恢復技術是在不破壞草原原生植被條件下，用生態學基本原理和方法，通過各種農藝措施，改善天然草群賴以生存的環境條件，必要時可引入適宜當地生存的天然草種或馴化種，增加天然草群成分和植被密度，提高草地第一性生產力[6]。草地植被恢復技術具有綜合性、交叉性、邊緣性等特點。選取北方退化草地典型區域錫林河流域天然草地作為研究對象，根據退化草地特點、水土流失特征，從植物生長狀況、土壤水分保持作用、抗風蝕能力等方面分析了主要植被恢復措施的生態適應性及水土保持效應，為構建退化草地“恢復草地植被、提高生產力”為目標的水土保持生態修復技術綜合體系提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

研究區的主要植被恢復措施包括圍欄封育、草地改良(免耕補播)、旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉飼料地，各措施試驗區位于錫林浩特市南10 km處，試驗區主要土壤類型為沙質栗鈣土，植被類型屬典型草原植被，以克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草為主要建群種，植被蓋度35%～50%。按照李博[7]退化草地分級方法，表1列出了以長期放牧形成輕度退化和重度退化的天然草地作為對照樣地(CK1、CK2)，分別在輕度退化草地和重度退化草地設圍欄封育措施試驗樣地(Ⅰ、Ⅱ)，在輕度退化草地設草地改良(免耕補播)試驗樣地(Ⅲ)、旱作人工草地試驗樣地(Ⅳ)、灌溉人工草地試驗樣地(Ⅴ)、灌溉飼草料試驗樣地(Ⅵ)。

表1 試驗樣地基本狀況Table 1 Description on research sites

1.2 試驗方法

通過分析各試驗區植物生長狀況、土壤蓄水能力及抗風蝕能力，評價各措施對退化風蝕草地的水土保持效應。布設土壤風蝕量固定監測區，土壤風蝕量測定采用測釬法[8]，監測區內埋設15～20 cm測釬9根，垂直主風向布設3行，每行3支，間距為1 m×1 m，定期測定測釬距離地面高度變化，分析風蝕量，每3個月測試1次；土壤含水量采用烘干稱重法，各監測樣點按不同深度(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm)分層抽取土樣烘干，土壤含水量以土壤中所含水分重量占烘干土重的百分數表示，30 d測試1次，3次重復；植被蓋度每月觀測記錄1次，測定采用自制的1 m2鋁合金框(平均分割成100個1 cm2的小格)，在各個樣區內隨機選取5個樣地，并分別做3個重復，同時調查植物生長高度；植物頻度每月觀測記錄1次，測定方法用直徑為30 cm的圓圈在草地上隨意放置10次，確定圈內的植物名稱，并計算其頻率；植被地上生物量采用刈割法，每年生長旺季在樣地和對照區隨機選取3個0.5 m×0.5 m的樣方，齊地面剪割所有植物，自然風干稱重后取平均值。

1.3 研究方法

采用層次分析法和灰色關聯度確定植被恢復措施綜合效益評價指標體系，進行效益評價及適應性評價[9]。層次分析法可按4個步驟進行：①建立遞階層次結構模型；②構造出各層次中的所有判斷矩陣；③層次單排序及一致性檢驗；④層次總排序及一致性檢驗[10]。

灰色關聯度方法是定量化比較分析方法，是根據數列的可比性和相近性，分析系統內部主要因素之間的相關程度，確定相關程度最大的因素[11]。其基本原理為根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密，如果一組幾何曲線形狀越相似，則關聯度越大，反之則越小，由此從考察的復雜系統中找出主次因素，為系統綜合決策及提高綜合效益提供信息參考[12]。

2 結果與分析

2.1 不同措施對植被恢復的影響

退化草地圍欄封育措施實施后，草地植被恢復效果明顯(表2)，輕度退化草地圍欄封育后多年生牧草種類較未實施封育的天然草地(CK1)明顯增多，植被蓋度平均增加了45%，草群高度增加60%，地上生物量增加了69%，增長幅度較大；重度退化草地實施圍欄封育后，植被蓋度增加了66%，草群高度增加63%，地上生物量增長幅度較小，僅增加了26%，并且植物種類組成未發生明顯變化。

免耕補播實施結果表明(表3)，與未采取任何措施的輕度退化草地(CK1)相比，免耕補播措施實施后，地表植被高度比輕度退化草地(CK1)增加56%，蓋度增加110%，地上生物量增加396 kg/hm2，增幅達66%。

對旱作人工草地試驗樣地(Ⅳ)、灌溉人工草地試驗樣地(Ⅴ)、灌溉飼草料地試驗樣地(Ⅵ)牧草產量進

表2 不同退化程度圍欄封育植被恢復生態指標值Table 2 Vegetation restoration of grassland in different degradation degrees under enclosure treatment

行統計，結果表明，樣地Ⅳ、樣地Ⅴ、樣地Ⅵ牧草產量分別為5 950，11 010和51600 kg/hm2，試驗測定CK1可食牧草產量為607 kg/hm2，將樣地Ⅳ、樣地Ⅴ、樣地Ⅵ與CK1進行面積置換，置換面積比例分別為Ⅳ∶CK1=1∶10、Ⅴ∶CK1=1∶18、Ⅵ∶CK1=1∶79，即樣地Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ各1 hm2，可置換出退化草地面積分別為10 hm2，18 hm2和79 hm2，置換出的退化草地可進行全年圍欄封育，促進自然生態系統恢復。

2.2 各種措施防治土壤風蝕的水土保持效應

輕度退化草地樣地表層(0～40 cm)土壤含水量均低于有植被恢復措施的試驗樣地，有植被恢復措施的土壤含水量平均值的變化規律是，樣地Ⅴ>樣地Ⅳ>樣地Ⅲ>樣地Ⅵ>樣地Ⅰ。樣地Ⅵ土壤含水量較低的主要原因是3月和4月測定土壤含水量時，灌溉飼草料地試驗樣地地表無植被覆蓋，基本裸露，土壤水分難

表3 草地改良免耕補播生態指標值Table 3 Effect of no-tillage reseeding on grassland restoration

注：草地改良為封育條件下的措施，樣地Ⅲ主要植被種類為披堿草、紫花苜蓿、羊草、克氏針茅、冷蒿(Artemisiafrigida)等；樣地CK1主要植被種類為羊草、克氏針茅、線葉菊(Filifoliumsibiricum)、冷蒿、裂葉蒿(A.tanacetifolia)等

以保持，因此，土壤含水量偏低，而種植飼草料并進行灌溉后，樣地內土壤含水量明顯增加。

不同植被恢復措施的抗風蝕能力有一定差異，根據試驗測定結果(表4)，各樣地之間的年均土壤風蝕厚度有較大差別，各種措施按年風蝕量大小排列，依次為樣地CK1>樣地Ⅵ>樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅴ>樣地Ⅳ，經方差分析，樣地CK1年風蝕量與樣地Ⅲ、樣地Ⅴ、樣地Ⅳ之間的變化差異達到顯著水平(P<0.05)，不同植被恢復措施處理之間抗風蝕能力也有一定差異，樣地Ⅵ的年土壤風蝕量樣地Ⅳ之間的變化差異也達到顯著水平(P<0.05)。

表4 不同植被恢復措施下退化草地風蝕指標Table 4 Wind erosion index under different treatments

注：指標于2013年3月下旬～2015年11月下旬進行觀測

2.3 不同措施水土保持效益分析

2.3.1 水土保持綜合效益計算 依據國家標準《水土保持治理效益計算方法》，通過調查、實測，確定不同措施效益指標值，包括植被蓋度、風蝕量、生物量等8個指標，應用層次分析法建立評價體系權重和計算模型，利用升半梯形分布的隸屬函數與降半梯形的隸屬函數分別對5種不同措施的實測值進行指標標準化，標準化值見表5。

圖1 不同措施下土壤含水量(0～40 cm)Fig.1 Variation of soil water contents under different treatments(0 to 40cm)

采用灰色關聯度方法進行效益評價，并通過計算得到不同措施各指標的相關系數，并確定出綜合效益關聯度(表6)。

表5 評價指標標準化值Table 5 Standardized evaluation index

表6 不同治理措施綜合關聯度Table 6 Comprehensive correlation degree under different treatments

2.3.2 效益評價及適應性分析 灌溉飼料地與灌溉人工草地措施的經濟效益較高，其效益值均在0.7，雖然這兩種措施的經濟效益較高，能為當地群眾收入的提高提供較大貢獻，但是這兩種措施對土壤、水源等立地條件要求嚴格，因此，中、強度退化草地采取此種措施需合理選擇實施地點。在生態效益方面，5種措施均能有效防治水土流失，產生較好的生態效益，最好的旱作人工草地措施，其值達到0.78。根據調查，圍欄封育、補播與旱作人工草地措施主要應用于適合進行生態自然恢復的中度及以下的侵蝕區域[14-15]，并且能取得較好的生態效益，這3種措施基本以生態恢復為主，其在生態效益上比開發性治理措施有一定優勢。在退化草地生態修復過程中，由于恢復周期長，為了保證牲畜飼草料供給，在當地自然條件允許的情況下，可配置灌溉飼料地與灌溉人工草地措施，補充飼草料用量，以獲得更好的生態效益和經濟效益。5種治理措施的社會效益都達到一個較高的值，并且相差不大，其中最大的為旱作人工草地措施，達到0.71，最小的灌溉飼料地措施也達到0.65，說明草地水土流失成為制約當地社會發展的重要因素，進行有效的水土流失的治理，可推動當地社會經濟發展[16]。

3 討論

圍欄封育措施以自然的力量恢復草原植被、提高生產力，是草地管理的重要手段。圍封通過排除家畜的踐踏、采食及排便等干擾，從而使其群落向著一定方向演替。崔國盈等[17]研究證明，圍欄封育3年后的天然草地植物量明顯高于圍欄外草地，植物群落組成基本穩定。閆玉春等[18]認為，由于圍封后種群的消長、某些種群的消失及新種的進入導致草地在圍封后的植物多樣性發生變化，圍封對草地的作用具有兩面性。因此對圍封作用要有全面的科學認識，把握好圍封的時間尺度，以充分發揮其在退化草地恢復中的作用，避免由于利用不當而對草地產生負面影響。圍欄封育既經濟又效果顯著，是輕度退化草地風蝕區植被恢復的主要措施之一，但對于重度退化草地，圍欄封育后植物群落中的植物組成未發生明顯變化，地上生物量增長也較小，主要原因是由于草地原生植被基礎較差，自然更新能力較低，即使在封育狀態下，短期內亦不可能大幅度恢復為原生植被，不可能提高可食牧草產量[19]，因此，重度退化草地需通過人工草地、草地改良等措施進行綜合治理。

補播是直接向草地輸入有價值的、適應草地生境的植物種類，以促使草地生態系統轉向良性化的有效措施[20]，補播對促進退化草地植物生長、提高草地產量效果明顯。王吉云等[21]在退化草地上補播紅豆草(Onobrychisvicifolia)，明顯提高了天山北坡中山帶退化草地的生產力水平；陳子萱等[22]在高寒沙化草地上補播禾草，增加了高寒沙化草地草群高度和植被蓋度；王慶華等[23]利用不同禾草混播改良治理退化草地，明顯提高了草群高度、植被蓋度和地上生物量，草地的經濟價值提高。試驗在典型草原的輕度退化草地補播披堿草和紫花苜蓿，植物群落高度、蓋度、地上生物量都有明顯提高，退化草地裸露地表面積減少，但另一方面人工補播是否會改變群落優勢種，外來物種的加入是否會影響原生植被種間競爭關系等問題還需進一步的研究探討。

旱作人工草地、灌溉人工草地及灌溉飼料地對恢復草地植被、提高生產力的作用主要表現為通過人工草地、飼料地建設，大幅度提高其生產力水平，用以置換嚴重退化的草地，使之休養生息、自然恢復，形成人工草地建設與天然草地植被恢復的耦合效應[24]，任繼周等[25]、張新時等[26]等提出在水分條件較好的地方建設人工草地農業生態系統的建議，通過利用較少土地獲得高產優質牧草，緩解家畜對天然草地的壓力，使退化草地得以恢復。

4 結論

(1)圍欄封育、免耕補播在恢復退化草地植被、提高生產力等方面效果顯著，是退化草地生態修復的主要措施；研究區建設旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉飼料地與退化草地具有耦合效應，利用建設的人工草地置換退化草地，對退化草地可進行全年封育，既加快了生態系統的自然恢復，又解決了草畜平衡問題；通過各類措施防治退化草地土壤風蝕研究表明，灌草結合的旱作人工草地措施抗土壤風蝕能力較強，在退化草地土壤風力侵蝕的防治中，旱作人工草地建設可采用灌草結合的方式。

(2)通過灰色關聯度進行效益評價，各種措施的綜合效益相差不大，說明各種治理措施實施后，區域的綜合治理效益均能達到較好程度，同時也說明采用的5種措施對恢復草地植被、提高生產力均有較好的適應性。

(3)由于不同治理措施的立地條件有一定差異，以及不同的適用范圍，產生的效益也有一定差異。圍欄封育措施、補播主要是以植被自然恢復為主，適合于草地退化風蝕侵蝕程度較低的區域，生態效益較高；人工草地等措施主要是以開發性治理為主，適合于中度侵蝕程度以上的區域，且經濟效益較高；退化草地生態修復過程中，綜合治理應盡量利用其生態學特性進行自然恢復，并對各措施進行合理配置，具體配置方式應根據當地自然條件確定。

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Effects of vegetation restoration methods on soil and water conservation of degraded grassland in Xilinhe River watershed

RONG Hao,HE Jing-li,SHAN Dan,LIU Yan-ping,LIANG Zhan-qi

(InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResourcesofChina,Hohhot010020,China)

The degraded grassland in Xilin River watershed in the north of Inner Mongolia was selected as the research site to study the effects of restoration treatments(enclosure,reseeding,rain-fed artificial grassland,irrigated artificial grassland and irrigated fodder cropping) on plant growth,soil water conservation function and the ability of anti-wind erosion.The result showed that the enclosure and reseeding significantly improved the productivity of the degraded grassland.1 ha of rain-fed artificial grassland/irrigated artificial grassland/irrigated artificial fodder field could replace 10 ha/18 ha/79 ha of degenerated grassland.The difference of comprehensive benefits(through grey correlation evaluation) among restoration treatments was not significant and the comprehensive benefits from all tested treatment were quite high.

grassland;vegetation restoration;soil and water conservation

2016-05-30；

2016-06-24

水利部公益性行業科研專項經費項目“退化草地恢復重建水土保持關鍵技術研究”(201301049)；內蒙古自治區科技計劃項目“草原礦區生態修復重建關鍵技術研究與示范”(20140713)項目資助

榮浩(1969-)，男，內蒙古呼和浩特市人，碩士，高級工程師，主要研究方向為草地水土保持與生態用水。

E-mail：mksrh@126.com

S 157.2

A

1009-5500(2016)05-0052-06