荒漠草原不同植被恢復模式的水土保持生態效益

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〕

廣泛分布于內蒙古中部、陰山山脈以北烏蘭察布高原地區的荒漠草原是內蒙古草原的重要組成部分，荒漠草原以其獨特的種類組成、結構和功能，以及地理分布規律和自然景觀，成為亞洲中部一種特殊的、十分重要的生態系統類型［1］。近些年，環境因子的變化以及不合理的人類活動使荒漠草原的生態系統正在發生深刻變化，干旱頻發，導致沙漠化、鹽漬化急劇發展和植被退化［2］。

荒漠草原植物種類貧乏，草叢低矮，生態系統穩定性差，一旦退化很難恢復，它的良性循環和可持續發展與草地生態環境密切相關［3］。目前中國在退化草地生態恢復方面已經有很多的研究成果，主要恢復技術包括圍欄封育、補播、松土、淺耕翻、火燒、施肥、灌溉、施枯草或秸稈、除毒草、石膏改良等，這些草地植被恢復技術具有綜合性、交叉性、邊緣性等特點［4-10］；對于草地生態系統恢復的評價主要側重于植被覆蓋度、地上生物量、生物多樣性和土壤質量的恢復等方面［11-14］。

本研究通過分析內蒙古自治區四子王旗境內的退化荒漠草原不同植被恢復模式的水土保持生態效益，從植物生長狀況、土壤水分保持、抗水蝕能力等方面探討不同植被恢復模式對保持荒漠草原水土資源、恢復受損生態系統的適宜性，以期解決當前退化草原水土保持措施的優化配置問題提高生態恢復效果，加快修復進程，為退化草原的水土流失治理和生態建設提供理論和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區四子王旗查干補力格蘇木境內，屬于典型中溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫3.4℃，≥10℃的年積溫為2 200～2 500℃，多年平均降水量為298 mm，降水量集中在6—9月，占全年降水總量70%以上，無霜期175 d。試驗區主要以淡栗鈣土為主［15］。研究區地帶性植被為短花針茅荒漠草原，是一種草原區向荒漠區過渡的荒漠草原生態系統類型，短花針茅草原占到中國溫性荒漠草原總面積的11.2%，對荒漠草原的生態系統的整體功能有很大的影響［16］。試驗區為放牧的天然草地，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（Stipɑ breviflorɑ），優勢種為冷蒿（Artemisiɑfrigidɑ）、無芒隱子草（Cleistogenes songoricɑ），主要伴生種有櫛葉蒿（Neopɑllɑsiɑpectinɑtɑ）、狹葉錦雞兒（Cɑrɑgɑnɑstenophyllɑ）、木地膚（Kochiɑprostrɑtɑ）、銀灰旋花（Convolvulusɑmmɑnnii）等，植被蓋度為21%～26%。

1.2 試驗設計

于2015年選擇地勢較為平坦、植被蓋度相近的區域布設3種植被恢復模式試驗區，以長期放牧形成退化的天然草地作為對照樣地（CK），植被恢復模式分別設置為：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）。各試驗樣地基本情況見表1。

表1 試驗樣地2015年基本情況

1.3 試驗方法

于2017年生長旺盛期（8月初）調查植物群落特征并測定土壤含水量。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，記錄每個樣方內出現的植物種類、群落總蓋度，采用收割法測定地上生物量，即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，稱其干重，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—40，40—60 cm 土層土壤含水量。

2017年5月在每個植被恢復模式試驗區選取坡度基本一致的區域，分別布設1個自然坡面徑流小區（5 m×3 m），四周以鋁塑板進行圍擋，徑流小區底部設計集流桶，每次降雨后觀測徑流量和泥沙量，觀測時間為2017年6月至2017年9月。①徑流量觀測。每次降雨產流結束后測定集流桶內水位高度，乘以集流桶底面積，推算出一次降雨過程的徑流量。②泥沙量觀測。徑流測定后，將桶內水分充分攪渾，用鋁盒取水樣，每次取60 ml，3次重復，現場測定渾水重量，記錄渾水體積，靜置3 h，過濾掉清水，置于105 ℃下烘箱12 h，測定干土重量，換算成土壤侵蝕量。

1.4 數據分析

利用SPSS Statistics 17.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析LSD 法（least significant difference，LSD）比較不同植被模式下的差異（p＝0.05），采用主成分分析法［17-19］對不同植被恢復模式的水土保持生態效益進行評價。

2 結果與分析

2.1 不同植被恢復模式植物群落特征的變化

對比分析3種植被恢復模式和天然草地的植物群落特征，結果見表2。“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”（Ⅲ）試驗樣地出現的植物種類最多，共有15種多年生草本植物，3種1 a，2 a生植物。與之相比較，圍欄封育樣地（Ⅰ）的植物種類最少（12種多年生草本植物，2種1 a，2 a生植物）。但經方差分析，各試驗樣地之間植物種類組成變化差異未達到顯著水平（p＞0.05），說明荒漠草原實施不同植被恢復模式的初期階段對植物群落物種組成沒有明顯影響。“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”（Ⅱ）、“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”（Ⅲ）試驗樣地的植物群落總蓋度要顯著高于封育樣地（Ⅰ）和對照樣地（CK）（p＜0.05）。測定生長旺盛期（8月初）不同植被恢復模式的地上生物量，結果表明，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”（Ⅱ）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”（Ⅲ）；這兩種恢復模式的地上生物量分別比放牧的天然草地（CK）增加了18.17，14.08 g／m2，這2種恢復模式的地上生物量與天然草地之間的變化差異達到顯著水平（p＜0.05）；Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3種模式的地上生物量之間的變化差異不顯著（p＞0.05）。

表2 不同植被恢復模式植物群落特征的變化

2.2 不同植被恢復模式土壤含水量變化

植被生長旺盛期不同土層土壤含水量變化如表3所示。隨著土壤深度的增加試驗區土壤含水量隨之增加，3種植被恢復模式和天然放牧草地的0—20 cm土層土壤含水量變化在10.65%～12.65%之間，變化差異不明顯（p＞0.05）；20—40 cm 土層土壤含水量由大到小依次為：Ⅱ＞Ⅲ＞CK＞Ⅰ，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”試驗樣地（Ⅱ）20—40 cm 土層土壤含水量顯著高于圍欄封育（Ⅰ）和天然草地（CK）；不同植被恢復模式40—60 cm 土層土壤含水量變化中，對照樣地（CK）土壤含水量最大，圍欄封育試驗樣地（Ⅰ）土壤含水量最低，但差異不顯著（p＞0.05）。

表3 不同深度土壤含水量的變化 %

2.3 不同植被恢復模式徑流和侵蝕的變化

試驗觀測期間內共有天然降雨7次，累計降雨量為172.6 mm，產生地表徑流5次，6月份、7月份各1次，8月份3次，對比不同植被恢復模式下坡面徑流小區的累積徑流量和侵蝕量結果發現（見圖1），3種植被恢復模式中，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”（Ⅱ）、圍欄封育（Ⅰ）、“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”（Ⅲ）的地表徑流量分別比天然草地（CK）降低了35.9%，26.6%，20.3%，推算的3種植被恢復模式的土壤侵蝕量變化在9.64～10.65 t／km2之間，均低于天然草地侵蝕量，雖然不同植被恢復模式的徑流量和侵蝕量與天然草地之間的變化差異未達到顯著水平（p＞0.05），但也說明了實施植被恢復措施后植被蓋度和密度增加，地表粗糙率加大，進而使地表徑流減小，有效控制了土壤侵蝕。

圖1 不同植被恢復模式徑流量和侵蝕量比較

2.4 水土保持生態效益評價

采用SPSS Statistics 17.0軟件對不同植被恢復模式的植被特征（多年生植物種類1，2 a生植物種類、群落總蓋度、地上生物量）、土壤水分（0—20，20—40，40—60 cm 土層土壤含水量）、徑流量和侵蝕量的9個指標進行主成分分析，得到主成分特征值和貢獻率（見表4）。

表4 水土保持生態效益指標主成分特征值及貢獻率

根據主成分分析的主成分提取原則，當主成分累積貢獻率達到85%，可認為選取的主成分反映了原來因子足夠的信息。由表4可知，主成分分析在原有9個指標中提取出了保留原始變量信息、且彼此間互不相關的7個指標，主成分1和主成分2的累積貢獻率為92.784%，因此提取前2個主成分就能較好的涵蓋評價不同植被恢復模式的水土保持生態效益指標的信息。主成分載荷矩陣是變量和與之對應各個主成分間的相關系數，根據提取的2個主成分計算其載荷矩陣，由載荷計算各個主成分貢獻率占累積貢獻率的比率為權重（見表5）。

表5 水土保持生態效益指標主成分載荷

計算3種植被恢復模式水土保持生態效益評價各個主成分的單因子得分，根據各單因子得分與其特征值貢獻率確定主成分綜合得分模型，即把各主成分得分作為變量，同時將各主成分方差貢獻率占總方差貢獻率的百分比作為權重［18］，2 個主成分得分模型（Zi）如下：

根據主成分綜合得分模型（Z1，Z2）評價3種植被恢復模式的水土保持生態效益，各主成分得分排序見表6。主成分綜合得分值出現正負值現象，是由于所有數據都經過標準化處理，根據主成分分析法評價的意義，主成分綜合得分值并不代表評價對象的實際水平量值，而是代表其在評價對象整體中所處的相對位置［20］。因此，植被恢復模式綜合得分值越大，代表在所有評價對象中該種模式的水土保持生態效益越好。根據表6可知，“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”（Ⅲ）植被恢復模式的水土保持生態效益最好，其次為“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”（Ⅱ），相比其他兩種植被恢復模式，退化荒漠草原僅實施圍欄封育（Ⅰ）水土保持生態效益較低。

表6 水土保持生態效益指標主成分得分

3 討論

在草地生態系統管理中，圍欄封育、施肥、補播、翻耕、劃破、火燒、灌溉等措施是退化草地植被恢復的主要調控途徑，實施這些措施可以增加植物群落物種多樣性，提高初級生產力，改變植物種間競爭格局，改良土壤理化性質［4-6，9，21-24］。近年來，草地恢復逐步從單項技術改良轉向系統綜合治理，形成了以生物多樣性維持、群落結構優化配置、土壤及種子庫修復為主的恢復治理技術［25］。本研究在退化荒漠草原生態恢復過程中，在圍欄封育的基礎上，采取“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”、“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”相結合的植被恢復模式，對比兩種模式，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”模式灌木條帶的設置提高了退化草原抗風蝕能力［26］，施肥補充了土壤氮元素，提高土壤肥力進而促進植物生長，恢復草地生產力；“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”模式通過補播增加適生植物種，改善植物群落結構配置，松土措施能激活土壤種子庫，有助于提高群落豐富度。草地植被層的植株高度、密度是影響地表徑流的重要因子，地表徑流隨著植被高度、密度的增加而降低［27］，綜合植被恢復措施在恢復退化荒漠草原初級生產力和增加植物群落多樣性的同時，徑流量和侵蝕量均低于放牧天然草地，植被恢復措施對降低地表徑流、減少水土流失也有一定作用。王猛等［28］研究也表明，與單純封育相比，滇西北亞高山草甸退化草地實施封育的同時結合除雜、補播等措施，可更有效地改善草地質量和提高草地生產力。宋梅玲等［29］在不同草地管理措施對狼毒型退化草地群落結構和牧草品質的影響研究中也發現，與單獨實施禁牧措施相比，“禁牧＋防除狼毒”能明顯提高草產量，“禁牧＋刈割”處理能維持較高的群落多樣性。相比于單個措施，綜合措施的植被恢復效果較為明顯，但針對不同草地類型、退化程度、生境條件、恢復目標，如何因地制宜的選擇恢復管理措施、措施之間如何優化配置以期達到生態恢復最優策略還需進一步探討。

通過不同植被恢復模式的植被特征、土壤水分、徑流和侵蝕等主要指標的主成分分析結果，3種植被恢復模式中，“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”（Ⅲ）恢復模式在保持水土資源、增加群落穩定性、提高草地生產力等方面的生態效益最好，其次為“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”（Ⅱ）。受不同草地類型、氣候條件、土壤植被特征、退化程度以及恢復目標等因素的影響，每種單一的生態恢復措施都存在局限性，并且長期實施單一的恢復措施可能不會取得長期成效，相對于單一生態恢復措施，多種措施的綜合應用不僅有利于提高草地生產力，保持水土資源，同時也有利于減少某種單個措施所帶來的負面影響等缺點［30］，因此，綜合措施具有更好的生態恢復效果。劉延斌等［31］對甘肅省瑪曲退化高寒草甸實施2 a的圍封、劃破、施肥、補播和綜合措施等5種不同生態恢復措施的草地生態系統健康狀況評估結果表明，綜合措施在CVOR及VOR（C為草地基況，V 為活力，O 為組織力，R 為恢復力）生態系統健康評價模型的評價體系下均顯著優于各單一處理措施，退化嚴重亟需生態恢復的草地，可通過實施綜合生態恢復措施達到全面迅速恢復草地生態系統健康的目的。但另一方面，由于綜合措施實施的經濟成本往往較高，因此需要對綜合措施的經濟學和生態學雙重效益進行進一步評估，才能因地制宜篩選出適宜的退化草原植被恢復模式。

4 結論

內蒙古四子王旗境內的退化荒漠草原采取“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”、“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”植被恢復模式植物群落蓋度、地上生物量顯著增加，植被蓋度和生物量的增加使裸露地表面積較少，地表徑流量和侵蝕量降低，有效控制了土壤侵蝕。兩種植被恢復模式中，若以獲得較高生產力為目標則可采用“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復壯”模式，若要增加群落多樣性則以“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”模式為宜。

運用主成分分析方法對不同植被恢復模式的水土保持生態效益進行評價，“圍欄封育＋松土補播＋草種包衣”的植被恢復模式在增加群落穩定性、控制水土流失等方面生態效益最好，根據這一結果，荒漠草原水土流失治理與植被恢復應采取多種措施相結合的方式，提高退化草原的生態恢復效果，加快退化生態系統修復進程。