荒漠草原不同植被恢復模式地上生物量與 土壤水分的關系

榮 浩，何京麗，張 欣，張 林，楊紅艷

(1.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020； 2.內蒙古蒙草生態環境(集團) 股份有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

草原是我國分布范圍最廣的陸地植被類型[1],也是我國主要畜牧業生產基地和國家生態安全的綠色屏障。長期以來由于人們盲目追求牲畜數量，實行掠奪式經營，草原大面積超載過牧，水、草、畜失衡。以內蒙古自治區為例，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植物生長發育的關鍵因素[3-4]，土壤水分的空間異質性對植被生產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關系[5-7]。干旱半干旱地區的天然草原在無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給，土壤水分在降水補給作用下與植物生長需水期耦合，降水量的增加能顯著提高干旱半干旱草原的地上初級生產力[8]。圍欄封育是目前廣泛應用的促進退化草地生態恢復的重要措施，草地封育后可以減少牲畜對土壤、植被的影響，使植物得以休養生息，還有利于改善土壤的理化性質和生物活性[9-12]；施肥、補播等措施對改善土壤條件、提高草地生態系統穩定性也具有積極作用[13-15]?；哪菰歉珊瞪儆?、土壤養分極為貧乏的草地類型，由于生態環境的嚴酷性和氣候的波動性，生態系統十分脆弱，具有發生荒漠化的潛在危險[16]。試驗從加強牧區生態建設與草地管理角度出發，選取短花針茅荒漠草原不同植被恢復模式的天然草地進行試驗調查，分析不同植被恢復模式對草地土壤水分及地上生物量的影響，為測算天然草地生產力水平，合理利用水草資源、修復草原生態提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古四子王旗查干補力格蘇木境內，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℃，無霜期175 d。試驗區主要土壤為淡栗鈣土，土壤較瘠薄，土壤有機質含量平均為1.56%，腐殖質層厚度為15～45 cm，土壤氮、磷較低，鉀較高。

試驗區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向荒漠區過渡的荒漠草原生態系統類型，該類型草地占到我國溫性荒漠草原類總面積的11.2%，對荒漠草原的生態系統的整體功能有很大的影響[16]。試驗區原生植被草層低矮，植物種類組成較少，主要建群種為短花針茅，優勢種為冷蒿(Artemisiafrigida)、無芒隱子草(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 試驗區內選擇地勢較為平坦、植被蓋度相近的區域依次布設3種植被恢復模式試驗樣地，以長期放牧形成退化的天然草地作為對照樣(CK)，植被恢復模式分別為圍欄封育試驗樣地(Ⅰ)、“圍欄封育+灌木條帶+施肥復壯”試驗樣地(Ⅱ)、“圍欄封育+松土補播+草種包衣”試驗樣地(Ⅲ)(表1)。

表1 試驗樣地2015年基本狀況

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

對試驗區的降水進行觀測記錄，降水過程和降雨量利用2臺反斗式自記雨量筒記錄逐次降水的起始時間，每1 min記錄1次降水量，降水量精確至0.1 mm，降水強度mm/min。觀測時間段內試驗區各月降水量值(表2)。

1.2.3 數據分析 采用SPSS 17.0軟件對所測數據進行統計分析，用平均值表示測定結果，采用Excel 2010制圖。

表2 2017年試驗區觀測期內各月降水量

2 結果與分析

2.1 地上生物量變化

草地植被的生物量是草地生態系統結構和功能的綜合體現，是植物生物生態學特性和外界環境條件共同作用的產物[17-18]。試驗區荒漠草原植物5月初返青，10月初枯黃，整個生長季中生物量表現出明顯的季節動態。生長初期不同植被恢復模式植物群落的地上生物量均顯著低于生長旺盛期和末期，“圍欄封育+灌木條帶+施肥復壯”試驗樣地在生長初期、旺盛期和末期植物群落地上生物量之間的變化差異均達到顯著水平(P<0.05)，生長末期植物地上生物量達到最大，植物季節生長規律明顯(表3)。對比不同生長時期、不同恢復模式的地上生物量發現，生長初期各試驗樣地的地上生物量之間雖有差異，但未達到顯著水平。旺盛期“圍欄封育+灌木條帶+施肥復壯”試驗樣地地上生物量最高，其次為“圍欄封育+松土補播+草種包衣”試驗樣地，2個試驗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，變化差異達到顯著水平(P<0.05)；生長旺盛期，“圍欄封育+灌木條帶+施肥復壯”、“圍欄封育+松土補播+草種包衣”、圍欄封育3個試驗樣地的地上生物量之間變化差異未達到顯著水平；生長末期，試驗樣地(Ⅱ)、試驗樣地(Ⅲ)、試驗樣地(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，經方差分析，試驗樣地(Ⅱ)、試驗樣地(Ⅲ)地上生物量顯著高于試驗樣地(Ⅰ)和放牧天然草地(CK)(P<0.05)，說明“圍欄封育+灌木條帶+施肥復壯”、“圍欄封育+松土補播+草種包衣”這2種植被恢復模式的草地地上部分生物量增加明顯。

表3 不同植被恢復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，試驗區降水量為236.9 mm，降水主要集中在6～8月，占測定時間段內總降水量的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)。測定植物不同生育期、3種植被恢復模式和放牧天然草地土壤含水量的變化發現(圖1)，植物生長初期由于自然降水較少，水分蒸發量大，土壤表層(0～20 cm)含水量偏低，隨著6～8月降雨對土壤有效注入量的增加，植物生長旺盛期各個樣地的土壤水分均達到最大，生長末期隨著降水量的減少，土壤含水量逐漸降低。3種植被恢復模式及放牧樣地均表現出表層(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律。

分析不同生育期、不同土層土壤含水量變化(圖1)，試驗樣地(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樣地(Ⅱ)(12.8%)>試驗樣地(Ⅲ)(10.7%)>放牧天然草地(9.2%)>試驗樣地(Ⅰ)(8.9%)，生長末期，試驗樣地(Ⅱ)20～40 cm土層土壤含水量顯著高于其他試驗樣地(P<0.05)。不同植被恢復模式40～60 cm土層土壤含水量變化中，試驗樣地(Ⅲ)40～60 cm土層平均土壤含水量最大(14.0%)，試驗樣地(Ⅰ)土壤含水量最低(10.5%)，各個試驗樣地之間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 不同植被恢復模式地上生物量與土壤水分關系

短花針茅荒漠草原不同植被恢復模式地上生物量與不同土層土壤水分之間的關系(表4)，荒漠草原地上生物量隨著土壤含水量的增加而提高，二者呈正相關關系，其中，試驗樣地(Ⅱ)、試驗樣地(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(P<0.05)，試驗樣地(Ⅱ)的地上生物量與20～40 cm土壤含水量達極顯著相關關系(P<0.01)，說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系，彼此相互影響和相互聯系，土壤水分的增加有利于荒漠草原生產力提高。

表4 不同植被恢復模式地上生物量與土壤 水分相關性分析

3 討論

水分是影響草原初級生產力的重要因素，植被與水分之間存在密切聯系。孫棟元等[19]研究報道，荒漠區封育沙地土壤水分變化過程中，不同的恢復年限、不同的植被類型、不同的恢復方式等都對土壤水分含量產生深刻的影響。不同植被恢復模式土壤含水量均表現出層次性變化特征，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]對荒漠草原地區土壤水分垂直分布規律的研究結論基本一致。分析荒漠草原不同植被恢復模式的土壤水分變化，圍欄封育2年試驗樣地(Ⅰ)生長初期、旺盛期0～20 cm、20～40 cm土壤含水量均低于放牧天然草地(CK)，圍欄禁牧區的表層土壤水分比自由放牧區土壤水分低主要是由于家畜對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]。由于土壤系統和環境的復雜性，圍封和放牧對群落土壤水分的影響尚未有一致的結論，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質的增加[23,24]。

圍欄封育短期內能夠顯著提高植被高度、蓋度、生物量，改善植物群落結構，但是改良退化草地土壤理化性質，提升土壤肥力需要較長時間[25]，單純的圍欄封育措施對退化草地植物學組成的影響也十分有限[26]。試驗結果表明，短花針茅荒漠草原生態恢復過程中采取“圍欄封育+灌木條帶+施肥復壯”和“圍欄封育+松土補播+草種包衣”的植被恢復模式地上生物量比單純的圍欄封育措施有明顯增加，這2種植被恢復模式是在利用圍欄封育進行草地生態系統自我恢復恢復同時，通過栽植灌木、補播種草、增施肥料等人工措施進而增加地上生物量，豐富植物群落組成，加快受損生態系統的恢復。劉樹強等[27]在羊草+雜類草草地上通過實施松土改良培育措施不僅使增加了土壤含水量，提高了產草量，植物群落結構也發生了變化，羊草在群落中所占比重明顯增加。榮浩等[28]對內蒙古錫林河流域退化草地植被恢復研究中發現，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。王猛等[26]報道，退化草地實施封育的同時，應結合除雜、補播等措施，有利于更好地改善草地飼用價值，提高草地生產力。天然草原在實施圍欄封育措施的同時，可通過增加防護灌木帶、施肥、補播、除雜等人工措施改善植物群落組成、提高草地生產力，促進草原的可持續利用。

研究表明不同植被恢復模式的地上部分生物量與土壤水分之間呈正相關關系，焦淑英[29]研究發現，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協同變化的過程，增加的地上生物量豐富了表層地下生物量的積累，植物生長的水分需求主要是由表層土壤水分來供給。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關系(P<0.05)[30]，在干旱與半干旱草原地區，天然草地的植被類型及其生產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土壤對水分的再分配實現的，降水量及其分配是土壤水分狀況的決定因素[31-32]，因此，試驗區土壤含水量不僅有明顯的季節變化規律，并且與地上生物量之間存在正相關關系。

4 結論

(1)生長季末，試驗樣地(Ⅱ)、試驗樣地(Ⅲ)地上生物量顯著高于試驗樣地(Ⅰ)和放牧天然草地(CK)，表明“圍欄封育+灌木條帶+施肥復壯”和“圍欄封育+松土補播+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)試驗區各試驗樣地均表現出表層(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律；生長末期，試驗樣地(Ⅱ)20～40 cm土層土壤含水量顯著高于其他試驗樣地(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關系，試驗樣地(Ⅱ)、試驗樣地(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(P<0.05)。