高寒草原不同種草方式對流動沙丘植被恢復的影響

李銀科, 唐進年, 王 祺, 袁宏波, 楊雪梅, 何芳蘭

(甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室/省部共建國家重點實驗室培育基地,甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站, 甘肅省治沙研究所, 甘肅 蘭州 730070)

瑪曲高寒草原是黃河上游重要的水源涵養區和補給區。近幾十年來，受全球氣候變暖和人為活動的影響，草地退化嚴重，沙化土地面積不斷擴大，已成為嚴重的生態環境問題[1-3]。高寒區草地沙化成因[4-6]及治理技術研究得到了眾多學者的關注，但高寒沙化土地治理技術研究起步晚，基礎理論研究相對薄弱，目前尚未形成適宜當地的系統、成熟的治理技術和模式[7]。關于高寒沙化土地治理，已開展了封育、補播、施肥[8-9]、植物種選擇[10]、設置沙障[11-12]及綜合治理等[13]方面的研究，取得了一些初步成效，如位于海拔較低的青海共和盆地的沙珠玉治沙站(海拔2 871 m)采取“沙障+灌木”模式進行流動沙丘治理[14]。但對于高海拔的若爾蓋草原(海拔3 300 m以上)，“沙障+灌木”模式治理流動沙丘并不成功。相對于干旱半干旱地區，高寒區水分充足，更有利于沙丘植被恢復，所以流動沙丘治理應以生物措施為主，工程措施為輔。已有高寒沙化土地治理研究以防治思路[15]、防治途徑探討[16-17]和沙障固沙[18]居多，生物措施以栽植灌木[19-20]為主，對以植被恢復為目的、種植牧草治理沙化土地的技術研究鮮為報道。

高寒草地生態系統脆弱，抗干擾能力差，極易受到人為等因素的干擾，造成草地退化，植被一旦遭受破壞，依靠自然恢復不僅周期長，而且非常困難[21]。人工輔助措施是退化土地植被快速恢復的重要途徑[22]，合理有效的人工輔助措施尤為重要。人們在甘肅省瑪曲縣曾使用“沙障+灌木”治理流動沙丘，效果不好。該區原生植被為草本植物，通過種植牧草來進行沙化土地植被恢復是最切實可行的治理手段。流動沙丘表面覆蓋牛羊糞既可以固沙、保持水土，又能為植物生長提供養分。本研究結合鋪施牛羊糞種植牧草，在瑪曲縣開展流動沙丘植被恢復試驗，以期為高寒區沙化土地治理提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于青藏高原東南緣的甘肅省瑪曲縣，年平均氣溫1.1 ℃-2.7 ℃，極端最低氣溫-29.6 ℃，最高氣溫23.6 ℃，無絕對無霜期，年平均降水量501.6～615.5 mm，主要集中于5—9月，年平均蒸發量1 000～1 500 mm，年平均風速2.5 m/s，最大風速36 m/s，8級以上大風日數77.1 d，最多日數達121 d，每年12月至翌年5月為大風季節，氣候高寒陰濕，屬半濕潤草原區。地帶性土壤為草甸土，土層沙源豐富，地表部分被沙土覆蓋，有不連續的流動沙丘分布。植被以藏嵩草(Kobresiatibetica)、垂穗披堿草、疏花針茅(Stipapenicillata)、高羊茅(Festucaelata)、草地早熟禾(Poapratensis)等為主，沙化草地以褐鱗苔草(Carexbrunnescens)、賴草(Leymussecalinus)等為主。

1.2 試驗設計

本研究試驗在一個小型流動沙丘(102°09′06″E， 33°55′00″N，H 3 433 m)上進行，該沙丘長55 m，寬40 m，高5 m，分為牛羊糞+無沙障、牛羊糞+沙障、無牛羊糞+沙障和無牛羊糞+無沙障4種種草模式。牛羊糞+無沙障模式采用撒播和條播兩種播種方式，牛羊糞+沙障用5種草種分別播種。試驗草種包括垂穗披堿草、無芒雀麥(Bromusinermis)、中華羊茅(Festucasinensis)、燕麥(Avenasativa)，均為青海同德高寒牧草良種繁育基地生產。牛羊糞來源于試驗沙丘旁牧民家，沙障設置為1 m×1 m植物纖維網方格，植物纖維網為甘肅匯投治沙科技股份有限公司生產，其性能指標：透氣性5 000～7 000 mm/s，減風速效率≥60%，透風率60%±5%。從迎風坡底部沿主風向方向劃出30 m，垂直于主風向劃出48 m的范圍作為迎風坡試驗區，沿垂直于主風向方向將迎風坡試驗區分為8個30 m×6 m的樣地，依次布置牛羊糞+無沙障模式的撒播和條播試驗、牛羊糞+沙障模式的5種草種試驗和無牛羊糞+沙障種草模式。從背風坡底部開始、縱向劃出3 m，橫向劃出20 m的范圍布置無牛羊糞+無沙障模式試驗。草種選擇適應高寒區生長的多年生植物種垂穗披堿草、無芒雀麥、中華羊茅。所有試驗樣地均播種一年生牧草燕麥，為幫助試驗草種破土出苗和遮陰避免強光灼傷幼苗。2018年6月初布置試驗，用圍欄圍封試驗區，試驗布置具體情況見表1。

表1 不同種草方式試驗設置情況

分別于2018年8月底和2019年9月初調查牧草生長情況。在每個試驗樣地隨機選取5個1 m×1 m的樣方調查物種高度、密度、蓋度、地上生物量等指標。2018年調查時混播的3種牧草，由于幼苗小，難以分辨；2019年調查時發現混播的3種牧草群落垂穗披堿草比例占絕對優勢，無芒雀麥和中華羊茅的數量不及3種牧草總數量的3%，所以統計時都按垂穗披堿草計。由于新侵入的物種種類和數量很少，所以以人工播種草種的高度和密度代表所有物種的高度和密度，蓋度和地上生物量為植被總蓋度和總生物量。高度取10株的平均值，蓋度用目測法，地上生物量用刈割法。2019年調查時，在每個調查樣方內取0—5 cm土層土樣1個，測定土壤有機質(重鉻酸鉀氧化—外加熱法)、全氮(半微量凱氏法)、速效磷(碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法)、pH值(電極法)、電導率(電導儀法)、機械組成(粒度儀法)和田間持水量(環刀法)。

1.3 數據分析

數據分析采用SPSS 13.0統計軟件，分別以播種方式、不同草種和種草模式為變量因素對牧草生長指標進行單因素方差分析，用最小顯著性差異LSD(p<0.05)法進行處理間差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 播種方式和草種對牧草生長的影響

在牛羊糞+無沙障種草模式下，比較撒播和條播對牧草生長的影響。2018年，兩種播種方式下牧草高度、密度、蓋度均無顯著差異；2019年，兩種播種方式下牧草高度、密度、蓋度、地上生物量鮮重和干重均無顯著差異(表2)，表明播種方式對牧草生長沒有影響。

表2 高寒草原不同播種方式下牧草生長狀況

在牛羊糞+沙障種草模式下，比較不同草種對牧草生長的影響。如表3所示，2018年，5種草種之間高度、密度和蓋度均無顯著差異。2019年，垂穗披堿草、混播和包衣垂穗披堿草高度分別顯著高于無芒雀麥和中華羊茅，中華羊茅密度顯著大于其他草種、無芒雀麥密度最小且顯著小于中華羊茅和垂穗披堿草，無芒雀麥蓋度顯著高于其他草種，地上生物量鮮重和干重5種草種之間均無顯著差異。無芒雀麥蓋度和生物量較大，與該樣地原生有少量賴草有關。與種植其他草種相比，單種無芒雀麥雖然蓋度最大，但密度最低；單種中華羊茅雖然密度較大，但蓋度和地上生物量和其他草種相當；再者，無芒雀麥和中華羊茅高度都不占優勢，地上生物量和其他3種草種無顯著差異。因此認為，5種試驗草種的生長狀況差異不大，對植被恢復的作用相當。與2018年相比，所有草種2019年高度、密度和蓋度均大幅增加，這是由于多年生牧草種植當年生長量小、無分蘗、無抽穗，第2年有分蘗、而且植株生長更高更大，中華羊茅和垂穗披堿草有抽穗。

表3 高寒草原種植不同草種下牧草生長狀況

2.2 種草模式對牧草生長的影響

在牛羊糞+無沙障種草模式中用撒播、牛羊糞+沙障種草模式中用混播、與無牛羊糞+沙障、無牛羊糞+無沙障進行種草模式間的差異性比較。由表4可知，2018年，無牛羊糞+沙障模式牧草高度、密度和蓋度均最小，而且密度和蓋度均顯著小于其他種草模式。無牛羊糞+無沙障模式牧草高度、密度和蓋度均顯著大于其他模式。牛羊糞+無沙障模式和牛羊糞+沙障模式之間牧草高度、密度和蓋度均無顯著差異。

表4 高寒草原不同種草模式下牧草生長狀況

2019年，與沒有施牛羊糞的種草模式相比，鋪施牛羊糞種草模式下牧草高度、密度、蓋度、地上生物量鮮重和干重均顯著增加，而且大幅增加(表4)，由于鋪施牛羊糞較多，牛羊糞+無沙障模式(牛羊糞厚度約2 cm)下牧草高度和蓋度顯著地高于牛羊糞+沙障模式(牛羊糞厚度約1 cm)。同樣不施牛羊糞的情況下，背風坡的無牛羊糞+無沙障模式可能由于較少受大風的直接吹蝕，水熱條件較好，牧草生長狀況明顯優于迎風坡的無牛羊糞+沙障模式。

無牛羊糞+無沙障模式下，牧草種植當年生長情況比其他3種模式優勢非常明顯，但經過一個冬春風季以后，第二年的生長情況遠不及鋪施牛羊糞模式，這說明鋪施牛羊糞對牧草的安全越冬具有非常重要的作用。

與2018年相比，2019年鋪施牛羊糞的種草模式下牧草高度、密度和蓋度均大幅增加，而在沒有施牛羊糞的種草模式下牧草高度、密度和蓋度增加幅度較小，甚至密度有減小的情況(無牛羊糞+無沙障模式)。2019年牧草密度增大是因為有分蘗，密度減小是由于部分根系被風蝕裸露而死亡的原因。

2.3 種草模式對土壤性質的影響及其與牧草生長的關系

與沒有施牛羊糞的種草模式相比，鋪施牛羊糞使得土壤養分和保持水分狀況明顯改善(表5)，其中，牛羊糞+無沙障模式施牛羊糞較多，土壤有機質、全氮、速效磷和田間持水量顯著增加；牛羊糞+沙障模式土壤速效磷和田間持水量顯著增加。由于無牛羊糞+無沙障模式在沙丘背風坡實施，土壤砂粒含量相對較高。鋪施牛羊糞也有利于土壤粉粒和黏粒含量的增加。

表5 高寒草原不同種草模式下0-5 cm土層土壤理化性質

由表6可知，除密度、干重與土壤有機質之間的相關關系不顯著外，牧草高度、密度、蓋度、地上生物量鮮重和干重分別與土壤有機質、全氮、速效磷和田間持水量呈顯著或極顯著的正相關關系。高度、密度和蓋度分別與砂粒含量呈顯著或極顯著的負相關關系，分別與粉粒含量呈顯著或極顯著的正相關關系。這進一步說明良好的土壤養分條件和持水能力對牧草生長的具有重要促進作用。

表6 高寒草原牧草生長狀況與土壤理化性質的相關關系

3 討 論

本試驗經過2個生長季的結果表明，鋪施牛羊糞情況下，牧草整體生長情況良好，能安全越冬，流動沙丘植被快速恢復，效果非常明顯。撒播和條播兩種播種方式對牧草生長基本沒有影響，不同草種的影響也不大。從混播樣地來看，垂穗披堿草比例從播種時的50%到2 a后植株占絕對優勢，而無芒雀麥和中華羊茅兩者總和從播種時的50%到2 a多后植株占比不足3%，足以說明垂穗披堿草競爭力很強。種植當年的2018年，各個草種均無抽穗，2019年調查發現垂穗披堿草抽穗率很高，而且種子成熟很好，中華羊茅抽穗很少，無芒雀麥無抽穗植株，反映了無芒雀麥和中華羊茅種子成熟周期長，繁殖力差。2019年，在混播樣地同時調查了3種試驗草種的根系，垂穗披堿草、無芒雀麥和中華羊茅的根冠比分別為2.7，2.1，1.2，最長根長分別為18，13，12 cm，垂穗披堿草發達的根系支撐了其強大的競爭力和繁殖力。再考慮到種植第2年(2019年)，垂穗披堿草高度比無芒雀麥和中華羊茅均高出一倍左右，防風固沙優勢明顯。所以，3種試驗草種只需播種垂穗披堿草就可以滿足研究區沙化土地植被恢復的需要。試驗同時播種一年生牧草燕麥，其出苗生長快、當年生長量大，具有幫助多年生草種破土出苗、遮陰降低地表極端高溫，改善局部小氣候的作用[23]，也有一定的防風固沙的作用，為其他牧草的生長提供有利條件，促進地表植被恢復。試驗中包衣垂穗披堿草比不包衣的生長狀況相對更好，但種子價格較高，可根據成本靈活選擇。

研究區風大沙多，流動沙丘植被恢復首先要考慮固沙問題[24]，只有沙丘被固定，牧草生長才能有穩定的土壤環境，才能安全越過冬春風季。風季土壤蒸發強烈，干沙層增厚，會引起根系缺水，如果沙面固定不好，在大風的吹蝕下根系露出沙面，導致根系死亡。本試驗中沙丘表面覆蓋牛羊糞的一個重要的作用就是阻止風季牧草根系周圍沙粒被風吹蝕，保護根系、固定沙丘，相當于沙障的作用，只要鋪施牛羊糞達到一定的量，就可以不用另外設置其他沙障，鋪施較多牛羊糞情況下(厚度約2 cm)，網格沙障已無必要。高寒草原沙化土地治理過程中，恢復植被應該充分考慮土壤水分和養分含量對植物生長的影響[25]，本研究2019的相關分析也表明，牧草生長狀況與土壤養分和持水能力呈顯著正相關關系。腐熟牛羊糞養分含量高，而且覆蓋在沙丘表面雨水可以下滲，又能減少沙丘水分蒸發，鋪施牛羊糞顯著并大幅增加了沙丘土壤養分和土壤持水能力，種植第2年牧草生長狀況明顯優于不施牛羊糞情況。無牛羊糞+沙障種草模式下，雖然網格沙障固定了沙丘，但沙丘土壤養分瘠薄，不能提供牧草正常生長所需的養分；再者，沙面裸露土壤持水能力很差，連續大風干旱天氣會引起土壤干旱，導致牧草缺水不能正常生長。無牛羊糞+無沙障種草模式下，由于位于背風坡，小地形使得植物生長的環境略好于迎風坡，再者，播種深度很深(12 cm)，根系能夠利用較深沙層水分，當年生長很好，第2年調查時條播行間有風蝕溝，部分根系外露，越冬差，加上土壤養分不足，生長情況明顯差于鋪施牛羊糞模式。兩種都鋪施牛羊糞的種草模式相比，牛羊糞+無沙障模式施牛羊糞多(厚度約2 cm)，土壤養分充足，牧草生長相對更好，尤其是種植第2年高度、蓋度和地上生物量均顯著大于牛羊糞+沙障模式(牛羊糞厚度約1 cm)。

高寒沙地植被恢復過程中，植物多樣性逐步增加[26]。2019年調查發現，4種種草模式下均出現了少量試驗草種以外的植物種，牛羊糞+無沙障模式中有：灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、褐鱗苔草、賴草、臭蒿(Artemisiahedinii)；牛羊糞+沙障有：阿拉善馬先蒿(Pedicularisalaschanica)、露蕊烏頭(Aconitumgymnandrum)、臭草(Melicascabrosa)、黃耆(Astragalusmembranaceus)、灰綠藜、臭蒿、花苜蓿(Medicagoruthenica)、早熟禾(Poaannua)、褐鱗苔草、草莓(Fragariaananassa)；無牛羊糞+沙障：賴草、臭蒿；無牛羊糞+無沙障：灰綠藜。除沙丘原有的賴草外，其他為新的侵入種，來源于草地種子風媒傳播和牛羊糞。從種類數量來看，施牛羊糞模式下新的侵入種明顯多于不施牛羊糞模式，牛羊糞改善了土壤條件，有利于種子定居，植物多樣性逐步增加。牛羊糞+沙障模式入侵種類最多，該模式網格沙障高15 cm，有利于攔截種子，使其定植。

4 結 論

高寒流動沙丘人工播種牧草后鋪施牛羊糞，植被能夠很快恢復，第2年本地植物種開始入侵，植物多樣性開始增加。利用牧草進行高寒草原流動沙丘植被恢復過程中，鋪施牛羊糞具有防沙固沙、改善土壤養分和增加土壤持水能力的多重作用，牛羊糞還具有就地取材的便捷性、成本低、無污染等優點，是研究區流動沙丘進行人工植被恢復的優質材料。本研究中，鋪施牛羊糞厚度達到2 cm，牧草生長狀況最好、已無必要設置其他沙障進行固沙。牛羊糞+無沙障種草模式是研究區流動沙丘植被恢復最優的種草模式。

為保障種植牧草安全越冬，提高流動沙丘植被恢復效果，在種植牧草時應注意以下幾點：①播種時間宜早不宜遲，最早可以在5月初播種。高寒區植物生長季短，適度早播可以增加牧草生長時間，牧草根系生長更發達，提高牧草越冬能力；②播種深度適度加深，這樣根系能夠吸收較深層土壤水分，提高牧草抵御不良天氣的能力，但加深播種深度的同時要加大播種量，以避免出苗率低的現象。