生態(tài)毯對川西北流動(dòng)沙地生態(tài)恢復(fù)的影響

張 利， 羅 麟， 朱欣偉， 唐小強(qiáng)， 康 英， 任君芳， 何建社， 劉千里*

(1. 阿壩州林業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所， 四川 汶川 623000； 2. 若爾蓋縣環(huán)境保護(hù)和林業(yè)局， 四川 若爾蓋 624500)

生態(tài)毯也叫生態(tài)植被毯，生態(tài)墊[1]等。生態(tài)毯最早在德國開始使用，目前在歐美得到廣泛應(yīng)用，具有施工快、保水固土、防塵、生態(tài)可降解等特點(diǎn)。國內(nèi)生態(tài)毯研究與應(yīng)用起步于20世紀(jì)80年代末，主要集中于生態(tài)毯對土壤侵蝕的防護(hù)作用，而對其有效控制擊濺侵蝕、促進(jìn)植被恢復(fù)和改良土壤方面的研究則相對有限[2]。

川西北高寒草地地處青藏高原東部邊緣半濕潤地區(qū)，屬我國長江、黃河兩大水系的源頭，是長江、黃河流域重要的生態(tài)安全屏障[3]。近年來由于自然和人為因素，川西北高寒草地退化及沙化日趨嚴(yán)重，截止到2010年，該地區(qū)沙化面積占四川全省沙化土地面積的89.9%[4]，直接影響長江流域和西部地區(qū)生態(tài)安全，制約了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，草地沙化治理仍迫在眉睫。目前對高寒沙化草地治理的研究多集中在沙化機(jī)理、治理模式、植被特征、土壤特征等方面[5-6]。因此本研究選取川西北流動(dòng)沙地為研究對象，采用生態(tài)毯覆蓋、種植紅柳等植被恢復(fù)措施，探討生態(tài)毯覆蓋后對沙化草地植被恢復(fù)和土壤改良效果。以期為川西北沙地植被恢復(fù)模式篩選提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩州若爾蓋縣(32°20′～34°05′ N，102°00′～103°30′ E)，屬于大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候，長冬無夏、霜凍期長、干雨季分明。年平均氣溫0.7～1.1℃，1月氣溫-10.5～-7.9℃，7月氣溫10.9～11.4℃，年平均降水量為650～750 mm，濕潤系數(shù)1.26～1.93[7]。研究地點(diǎn)位于若爾蓋縣阿西鄉(xiāng)阿西村，距離縣城約14公里，該地土壤以流沙為主，砂礫含量在95%以上，有機(jī)質(zhì)含量低于2 g·kg-1，且僅有少量的莎草科、薔薇科等植物生長，蓋度低于10%。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

2014年4-5月在流動(dòng)沙地上施撒牛羊糞(15 000 kg·hm-2)和混合草種(120 kg·hm-2)，混合草種為一年生燕麥和多年生老芒麥，混合比例為3∶7。然后實(shí)施鋪設(shè)生態(tài)毯(稻草)、栽植柳樹、鋪遮陽網(wǎng)3種治理措施，在附近設(shè)置對照，試驗(yàn)地均設(shè)置網(wǎng)圍欄。生態(tài)毯及遮陽網(wǎng)的規(guī)格均為1 m×1 m。 2年后，每種治理措施分別設(shè)置3塊樣地進(jìn)行調(diào)查，大小為10 m×10 m，每個(gè)樣地內(nèi)選取3個(gè)大小為1 m×1 m的樣方，記錄樣方內(nèi)的物種數(shù)和植被蓋度，在樣方沿對角線方向選3個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測定，每個(gè)樣點(diǎn)按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 3個(gè)土層采集樣品，一次性取到60 cm的深度，每層數(shù)據(jù)為3個(gè)點(diǎn)的平均值，并用環(huán)刀在對角線上3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，每個(gè)點(diǎn)采集2個(gè)，分別用于測定土壤容重、土壤含水率。

2.2 測定方法

2.2.1土壤理化性質(zhì)的測定 土壤容重和土壤含水率采用環(huán)刀法，土壤理化性質(zhì)分析采用常規(guī)方法測定[8]，測定內(nèi)容包括：有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和pH值。

2.2.2物種多樣性的測定 物種多樣性主要采用群落物種豐富度、Shannon-Wiener信息指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))等，物種的優(yōu)勢度由其重要值表示，計(jì)算方法[9]如下：

(1)重要值(IV)=(相對多度+相對蓋度+相對頻度)/3

相對多度(RA)=(A/∑A)×100%

相對蓋度(RD)=(D/∑D)×100%

相對頻度(RF)=(F/∑F)×100%

上式中：A-某物種的多度，F(xiàn)-某物種的頻度，D-表示某物種的蓋度。

(2)群落的物種豐富度

Margalef 指數(shù)： R=(S-1)/lnN

(3)物種多樣性

(4)物種均勻度

上式中，Ni為第i種的個(gè)體數(shù)，N為所有種的個(gè)體總數(shù)，Pi為物種i的個(gè)體數(shù)Ni占所有個(gè)體總數(shù)N的比例，即Pi=Ni/N，i=1,2,3……S，S為物種總數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與制圖，采用SPSS 17.0軟件對不同治理措施進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，Levene方差齊性檢驗(yàn)后，符合方差齊性的用LSD 法進(jìn)行多重比較，方差非齊性的用Tamhane′s T2法進(jìn)行多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)毯的保水效益

如表1所示，3種治理措施下，流動(dòng)沙地60 cm深度土壤的平均含水率均顯著高于對照組。較對照處理，鋪設(shè)生態(tài)毯的土壤平均含水率提高了39.77%，栽植植物樣地的土壤平均含水率提高了21.61%，鋪遮陽網(wǎng)的土壤提高了18.16%。

表1 不同治理措施下土壤含水率的變化Table 1 The change of mean soil moisture contents with different vegetation restoration measures

注：不同字母表示不同治理措施間差異顯著(P<0.05)

Note: Different letters indicate significant difference between control methods at the 0.05 level

3.2 生態(tài)毯對土壤的改良效果

由表2可知，土壤平均砂礫含量和平均容重均表現(xiàn)為鋪設(shè)生態(tài)毯<栽植植物<鋪設(shè)遮陽網(wǎng)<對照。鋪遮陽網(wǎng)、栽植植物、鋪設(shè)生態(tài)毯3種治理措施樣地土壤平均有機(jī)質(zhì)含量較對照組分別增加了4.66%，12.95%和27.98%，鋪設(shè)生態(tài)毯樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其余2種治理措施。鋪設(shè)生態(tài)毯樣地土壤的全N、全P 、全K含量與對照樣地相比，分別提高了50%，22.22%和2.76%，與其余2種治理措施相比，全N、全P 含量差異均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

表2 不同治理措施土壤理化性質(zhì)Table 2 The soil properties under different vegetation restoration measures

3.3 生態(tài)毯對植被恢復(fù)的影響

3種治理措施實(shí)施后，植被蓋度大小表現(xiàn)為鋪設(shè)生態(tài)毯>栽植植物>鋪遮陽網(wǎng)>CK(圖1)。鋪設(shè)生態(tài)毯樣地物種豐富度指數(shù)、物種多樣性指數(shù)較高，且均勻度指數(shù)最大(表3)。結(jié)果表明采取的3種治理措施均能促進(jìn)流動(dòng)沙地植被恢復(fù)，但鋪設(shè)生態(tài)毯的促進(jìn)效果最好。

圖1 不同治理措施植被蓋度的變化Fig.1 Change of vegetation covers under different vegetation restoration measures

表3 不同治理措施物種多樣性指數(shù)的變化Table 3 The change of diversity indexes under different vegetation restoration measures

治理措施Control measures豐富度指數(shù)Richness indexSimpson指數(shù)Simpson indexShannon-Wiener 指數(shù)Shannon-Wiener indexPielou均勻度指數(shù)Pielou index鋪生態(tài)毯With mat2.414±0.056a0.822±0.013a2.081±0.020a0.856±0.007a栽植植物Planting plants1.902±0.005b0.713±0.005b1.766±0.013b0.733±0.006b鋪遮陽網(wǎng)With shade net1.021±0.019c0.621±0.010c1.041±0.005c0.702±0.013b對照(CK)0.649±0.040d0.592±0.008d1.032±0.004d0.669±0.007b

4 討論與結(jié)論

有研究表明，植物纖維毯可以有效控制水土流失，平均土壤含水率可增加9.6%～25.4%[10]。本研究結(jié)果表明，覆蓋生態(tài)毯樣地土壤含水率增加幅度為39.77%，增幅最大。與其他研究結(jié)果相似[10]。但低于楊越等[11]對河北流動(dòng)沙地土壤溫濕度和養(yǎng)分的研究結(jié)果，這可能是由于研究區(qū)環(huán)境條件和植被類型存在差異。本研究只通過土壤含水率的變化來探索覆蓋生態(tài)毯的保水效益，在今后研究其水土保持效益時(shí)還應(yīng)增加徑流量、產(chǎn)沙量等指標(biāo)，綜合分析覆蓋生態(tài)毯的保水效益。

有研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋植物纖維毯后，土壤的理化性質(zhì)也趨于有利成土作用的方向發(fā)展[11-12]。本研究表明，覆蓋生態(tài)毯后，土壤結(jié)構(gòu)得到有效改善，這與張科利等[12]對人工防蝕生草膜改良土壤作用的研究結(jié)果一致。但楊越等[11]對河北流動(dòng)沙地土壤溫濕度和養(yǎng)分的影響研究結(jié)果表明，鋪設(shè)生態(tài)墊后土壤有機(jī)質(zhì)、全N等化學(xué)指標(biāo)的含量變化不明顯，這可能與生態(tài)墊的材料和區(qū)域的環(huán)境因素有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)生態(tài)毯樣地與栽植植物樣地植被恢復(fù)效果明顯，且鋪設(shè)生態(tài)毯樣地物種多樣性顯著高于對照和其余2種治理措施，群落逐漸趨于穩(wěn)定。這主要是由于生態(tài)毯可通過接觸保護(hù)表土穩(wěn)定性，阻擋雨滴，減緩徑流，避免種子受到風(fēng)、雨滴打擊和徑流沖刷而被帶走，使植被得到順利恢復(fù)。