基于Meta分析的新疆退化草地圍欄封育效果研究

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2025.09.025

中圖分類號：S283 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2025）09-3014-10

Study on the Enclosure Effects of Degraded Grassland in Xinjiang Based on Meta-analysis

ZHENG Yu，YAO Hui-fang，CHAO Kai-rui，MA Xiu-zhi，MA Ya-nan，WANGMin-yi （ForestryColegeof Inner Mongolia AgriculturalUniversity，Hohhot，InnerMongoliaOloolo，China）

Abstract：Enclosure is the main measure of natural restoration of degraded grassland in Xinjiang.To evaluate its restoration efect，in this study wecollcted 4O literatures on the restoration of degraded grassland in Xinjiang from 2000 to 2024，and used Meta-analysis to comprehensively analyze 655 sets of data.The results showed that the most significant changes was soil water content，totalcarbon，total phosphorus，height，coverage，rhi zome ratio，species richness，evenness index and Simpson dominance index were 23.73% ， 15.24% ， 23.48% ， 62.25% ， 32.23% ，101. 42% ，16. 96% ， 28.88% and 17.76% ，respectively，when the enclosure time was less than 2 years.During the period of 3-4 years of enclosure，the most significant changes Were available nitrogen，available phosphorus，available potassium，underground biomass and density，which increased by 29.43% ， 39.35% ， 32.61% ， 49.47% and 115.86% ，respectively. When the enclosure time was ?5 （204 years，the soil bulk density and pH decreased significantly by 11. 48% and 1.78% ，respectively. Soil organic carbon，total nitrogen，total potassium，total biomass，aboveground biomass，fresh grass and hay yield were significantly increased by 26.65% ， 22.59% ， 12.52% ， 68.24% ， 143.51% ， 123% and 111.31% ，respec tively.Fence enclosure measures have a positive effect on the restoration of degraded grassland in Xinjiang by increasing soil nutrient content，promoting vegetation growth and development and increasing production Key words：Xinjiang;Degraded grassland;Fence enclosure;Meta-analysis

草地占據全球陸地面積的 45% ，對維持畜牧業發展發揮著關鍵作用[1。我國草地是陸地生態系統的重要組成部分，面積約為2.65億公頃，具有重要的生產和生態價值[1。然而，近年來由于氣候變化和人為過度干擾等因素，草地生態系統發生嚴重退化，面積持續減少。草地破壞不僅影響了生態功能，威脅了生物多樣性，還引發了沙塵暴和荒漠化等環境問題，制約了畜牧業和經濟的發展[2]。

新疆地處我國干旱和半干旱地區，植被覆蓋度低，生態系統脆弱，受氣候變化及人類活動的雙重影響，新疆 80% 以上的天然草地出現不同程度的退化甚至沙化問題，其中 60% 的草地退化較為嚴重，導致草地生產力比20世紀80年代下降 50%～ 80%^13] 。新疆草地退化表現為生產性能減弱、植被覆蓋度減小、物種多樣性降低以及土壤有機質與養分保持力下降等多個方面4。這些現象加劇了新疆生態安全屏障所受威脅，對該地區的社會經濟的可持續發展形成了阻礙[5]。

為應對草地退化，新疆當地政府和學術組織開展了大量的退化草地修復工程和技術研發，提出了各種有效的改良手段，如圍欄封育、退牧還草、草種補播、水肥管理等，并取得了一系列積極的生態修復和保護成效。新疆草地管理多年來的實踐證明，圍封可有效提高植被蓋度、物種多樣性以及地上生物量6。圍欄封育通過建設圍欄對草地進行封閉，禁止割草和放牧，使得退化草地能自然恢復，是一種投資少，見效快且方便的草地恢復方法[7]。但圍封效果要視圍欄年限、圍封前的退化程度有所不同，長期封育則有可能會降低生物多樣性和生產力，削弱草地固碳能力，影響生態系統功能的恢復及可持續性[7-8]。退化草地圍欄封育后，土壤理化性質、地上和地下生物量、植被特征及多樣性和生產量有明顯的改善[10-13]。圍欄封育減少了外界擾動，進而使植被群落蓋度保持在較高的水平，有效防止了土壤養分和水分的流失[14]。另外，土壤結構得到改善，土壤孔隙度的增加，有利于水分的滲透和儲存，進而促進牧草的生長[15]。同時對草地生態環境有極大的幫助，有利于人與自然和諧，保證草地生態系統保持平衡[16]

以往的研究中，Ren等[1首次運用Meta分析評估草地恢復措施對生態多樣性和生態系統服務的影響，并根據地區、恢復類型和恢復時間進行了亞組分析，但未考慮恢復措施、草地類型和草地退化程度對恢復效果的影響。程雨婷18評估了圍欄封育對退化草地植被和土壤的恢復效果，但忽略草地退化程度的作用。蔣翔19等分析了恢復地區、措施、年限和退化程度對恢復效果的影響，但未進行交叉分析。晏和飄等20]運用Meta分析評估不同措施對青藏高原退化高寒草地的恢復措施進行了綜合分析，但未對具體指標進行分類處理。眾多學者針對新疆地區草地退化的現狀，進行了廣泛的研究，其主要聚焦于圍欄封育對新疆退化草地的具體影響[21-22]。盡管已有諸多關于新疆退化草地的研究，但由于采用的數據、方法各異，研究的草地類型及地理特征也各不相同，因此所得結論存在較大差異[23]。本研究運用Meta分析的方法，從土壤理化性質、草地植被特征及多樣性、生物量和生產量等方面分析了圍欄封育措施對新疆退化草地的恢復效果，旨在明確不同圍封時長對草地恢復效果的影響，為新疆退化草地的科學恢復提供數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

研究區位于中國西北部的新疆維吾爾自治區（34^°25^′～48^°10^′N，73^°40^′～96^°18^′E） ，該地深居內陸遠離海洋，屬于溫帶大陸性氣候，溫差較大，日照時間充足（年日照時間達 2500～3500h） ，降水量少，氣候干燥，年平均降水量為 150mm 左右。各地降水量相差很大，南疆的氣溫高于北疆，北疆的降水量高于南疆。最冷月（1月），氣溫在準噶爾盆地為-20^°C 以下，最熱月（7月），吐魯番氣溫為 33^°C 以上。地形特點是山脈與盆地相間排列，盆地被高山圍繞，草地類型主要是高寒草地和荒漠草地，分布在新疆的天山山脈及山脈北部。

1. 2 數據收集

本研究的數據來源于WebofScience、中國知網、百度學術和谷歌學術數據庫，通過關鍵詞（包括：圍欄封育，放牧，草地等）檢索2000年1月一2024年7月的相關文獻，共檢索了448篇文獻。檢索文獻后根據標題、摘要、關鍵詞和文獻內容找 到完全相關文獻40篇，文獻研究區位置如圖1。

Fig.1 The distribution of study points

為了保證收集的數據量足夠，需要對已收集的數據進行篩選，篩選標準如下：

（1）選取的文獻必須是研究恢復方式對新疆退化草地影響的研究，需要提供恢復方法、恢復時間以及對植被生產力、植被覆蓋率、群落結構、植物多樣性、生物量、土壤理化性質和生產量等相關變量的影響。

（2）文獻還需要提供研究區域的經緯度坐標、海拔、降水量、試驗時長和草地退化程度等信息。

（3）文獻中必須包含對照組（放牧）和試驗組（圍欄封育），并且對照組和試驗組必須要有樣本量、均值和標準差（Standarddeviation， SD ）或者標準誤（Standarderror， SE） 的可用數據。其中一些數據可以通過文獻中內容和表格直接提取，還有一部分數據需要通過GetData2.20（http：//getdatagraph-digitizer.com/）提取數據，對于僅提供標 SE 和樣本量 （n） 的數據，通過以下公式計算得到 SD 。

提取出數據后通過分類整理，并且排除各項研究中重復或不具備統計意義的數據后，創建了一個包含655組的數據庫。主要指標有土壤含水量（Soilwatercontent，SWC）、土壤容重（Soil bulk density，SBD）、pH、全碳（Totalcarbon，TC）、土壤有機碳（Soilorganiccarbon，SOC）、有機質（Soil organicmatter，SOM）、全氮（Totalnitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）、全鉀（Total potassium，TK）、堿解氮（Availablenitrogen，AN）、速效磷（Availablephosphorus，AP）、速效鉀（Availablepotassium，AK）、總生物量（Totalbiomass，TGB）地上生物量（Abovegroundbiomass，AGB）、地下生物量（Belowgroundbiomass，BGB）、植物群落高度（Plantcommunityheight，PCH）、植物群落蓋度（Plant communitycover，PCC）、植物群落密度（Plantcommunitydensity，PCD）、根莖比（Ratio ofrootandstem，RRS）植物種類（Plantspecies，PS）、物種數（Number of species，NOS）、物種豐富度（Speciesrichness，SR）香農-威納指數（Shannon-wienerindex，SWI）、均勻度指數（Pielou'sindex，P）辛普森指數（Simpson's index，S）、干草產量（Dryhayyield，DHY）鮮草產量（Freshhayyield，FHY）。

針對新疆退化草地，本文參考李建偉等[24]、閆成才等25和劉秀梅等26對新疆退化草地圍封實驗，最終將圍封時長劃分三個時段，分別為 ?2a，3～4 a和 ?5a ，并將土壤深度分為劃分三層，分別為 ?10cm 10～20cm 和 ?20cm 。

1.3 Meta分析

本文應用Hedges等27在1999年提出來自然對數的響應比 （RR） 去評估圍欄封育措施對新疆退化草地恢復的影響。響應比用來被定義為試驗組中指標的平均值 （X_e） 和對照組中的指標的平均值（X_c） 之比的自然對數，其計算公式如下：

響應比的方差 （υ） 計算公式如下：

式中， N_e 和 N_c 分別為試驗組和對照組的樣本量， SD_e 和 SD_c 分別是試驗組和對照組中指標的標準差。每個響應比的加權系數 （w） 為 v 的倒數，計算公式如下：

為了提高研究的準確性，還計算了各試驗組和對照組的平均加權響應比 （RR₊₊） ，精度越高的研究將被賦予越大的權重，其計算公式如下：

式中， 為第 i 組中第 j 個變量的加權系數， m 為組數， k 為第 i 組中指標成對數量（試驗組中指標的一個值與對照組中目標變量的一個值為一對）。

加權標準差的計算公式如下：

95% 置信區間 （CI） 用于檢測指標對試驗組處理的加權響應比是否顯著。若 95% 置信區間與0重疊，表示該指標的響應比不顯著；反之，則表示該指標的響應比顯著[28]。當 95% 置信區間的最大值小于0時，說明草地恢復對效應值有顯著的負效應，若 95% 置信區間的最小值大于0時，說明草地恢復對效應值有顯著的正效應，其計算公式為：

95%CI=RR₊₊±1.96SD（RR₊₊）

采用Meta分析隨機效應模型來研究圍欄封育對新疆草地恢復的影響，綜合分析了來自新疆不同地點和時間關于退化草地研究的文獻結果。由于這些文獻的研究背景存在差異，其結論可能存在一致性或分歧。因此，在Meta分析中，我們納入了所有高度相關的文獻研究結果，以構建一個數據庫，進而評估圍欄封育對新疆退化草地恢復的效果。這一評估主要反映新疆退化草地恢復的整體趨勢。本研究使用R語言4.4.2版本中“Metafor\"計算響應比和 95% 置信區間，并通過Origin2018軟件繪制森林圖和回歸分析圖，采用ArcGIS10.8繪制研究區位置分布圖。

2 結果與分析

2.1圍欄封育措施在新疆退化草地的恢復效果

2.1.1圍欄封育對新疆退化草地的綜合影響由圖2可知，各指標變量合并效應值后，圍欄封育有助于新疆退化草地的恢復，表現為土壤理化性質顯著改善，生物量和植物多樣性增加，草地生產量增強。圍封措施除對SBD（ -8.68% ，響應比的百分數，下同）和pH值 （-2.39% 有顯著負效應外，對SWC（增加23.78% ，TC（18. 44% ，sOC 26.09% ），SOM（20 （7.08%） ，TN（ 18.8%） ，TP （14.31%） ，TK（11. 82% ）， AN（14.21%） ，AP（15. 96% ）和AK（42. 01% ）有顯著正效應。

圖2新疆退化草地土壤理化性質和植被特征對圍封措施的響應比

Fig.2 Response ratio of soil physical and chemical proper tiesand vegetation characteristics of degraded grassland in Xinjiang to enclosure measures

草地恢復過程中，圍封措施對 TGB（33.1%） AGB（ 66.2%） ，BGB （55.25%） ， PCH（66.29%） ，PCC（32. 65% ，PCD（84. 57% 和 RRS（72.31%） PS（27. 75% ，NOS（16. 13% ，SR（13. 47%） ，SWI（12.24%） ，F （38.45%） ）， S（19.76%） ，DHY98.09% 和 FHY（104.75% 有顯著正效應。

2.1.2圍封時長對新疆退化草地土壤理化性質的影響圍封時長對土壤理化性質有顯著影響（圖3），在圍封時長 ?2 a中，圍封措施對 ?10cm 土層的SWC（23.73%） ！ TC（15.24%） 和 TP（23.48%） 有顯著正效應，對 10～20cm 土層的 TC（5.63%） ）， TN（20.9% 0和 TP（25.7%） 和 ?20cm 王層的 TC（23.4%） ，TN（23. 72% 和TP（16. 38% 有顯著正效應。

在圍封時長3～4a中，圍封措施對 ?10cm 土層的SOC（19. 52% ）， TP（36.94%） ， AN（29.43%） 、AP（39.35% ）和 AK（32.61% 有顯著正效應，對10～20cm 土層的 AN（39.68%） 和 AK（28.77%） 有顯著正效應和 ?20cm 土層的 AN（27.2%） 和AP（18. 92% ）有顯著正效應。

在圍封時長 ?5 a中，圍封措施對3個土層的pH 值都有顯著負效應，對 ?10cm 土層的SWC（ 24% ），sOC（ 26.65%） ，SOM 6.92%） ，TN（22. 59% ），TP（ 10.47%） ，TK（ 12.52% ），AN（14. 27% ）， AP（32.8% 和AK（61. 47% ）有顯著正效應，對 10～20cm 土層的SOC （24.29%） ，TN（ 18.92% ），TP（13. 84% ），AN（14. 27% ），AP（ 3.9% 和 AK（59.93% ）有顯著正效應和 ?20cm 土層的SOC （1.32%） ，SOM 7.69% ），TN（ 13.26%） ）， TK（10.64%） 和 AK（19.88%） 有顯著正效應。

2.1.3圍封時長對生物量的影響總生物量隨圍封年限的增加而增加（圖4），在圍封時長 ?2 a時，TGB、AGB和BGB分別增加 15.58% ， 64.4% 和44. 65% ，在圍封時長3～4a時，TGB、AGB和BGB分別增加 34.89%，58.44% 和 49.47% ；在圍封時長?5 a時，TGB和AGB分別增加 68.24% 和143.51% 。

2.1.4圍封時長對草地植被特征的恢復效果圍封措施對植被特征有顯著影響，并且植被特征對不同圍封時長有不同的響應（圖4）。在圍封時長 ?2a PCH，PCC和RRS分別增加62. 25% ， 32.23% 和101. 42% ；圍封時長3～4a，PCH，PCC，PCD和RRS分別增加 64.17% ，28. 47% ， 115.86% 和41. 96% ；圍封時長 ?5 a，PCH、PCC和PCD分別增加 77.76% ， 42.88% 和86. 7% 。

2.1.5圍封時長對多樣性指數的影響多樣性指數對圍封時長的響應如圖4，在圍封時長 ?2 a，PS，NOS，SR，SWI、P和S分別增加 25.51% 33.62% ，16. 96% ，10. 66% ，28. 88% 和22. 36% ；在圍封時長3～4a ，PS，SR，SWI和S分別增加 30.53% ，7.55% 10.13% 和11. 69% ；在圍封時長 ?5a ，PS，SWI和S分別增加 27.56% 18.65% 和 17.76% 。2.1.6圍封時長對草地生產量的影響圍欄封育對干草和鮮草產量有顯著的正效應，DHY和FHY隨圍封時長增加而增加（圖4），在圍封 ?2a，3～4 a和 ?5 a的時長中，DHY分別增加了 79.18% ，111. 31% 和 107.61% ;FHY分別增加了 79.59% ，123% 和121. 53% 。

2.2 圍封時長與各指標的擬合關系

Meta非線性回歸分析發現圍封時長對草地恢復有積極影響（圖5），土壤pH值隨圍封時間增加，其負效應緩慢上升后趨于穩定；而SOC，SOM，TP，TK，AN和AP的正效應則緩慢下降并穩定；AK的正效應緩慢上升后穩定；TN的正效應保持穩定。圍封初期能顯著提升各項指標，但隨時間增長，增幅減緩并趨于穩定。TGB和BGB短期圍封后正效應顯著上升，長期則保持穩定；AGB的正效應則隨圍封時長保持平穩。

如圖6，草地圍封期間，PCC，PCD和RRS隨圍封時長增加，短期內顯著增長，后趨于穩定；PCH正效應值一直保持穩定，SR和P的正效應值緩慢下降后穩定，而S正效應值在初期下降明顯后穩定；PS，NOS和SWI的正效應值緩慢上升并穩定；DHY和FHY在短期圍封中明顯增加，后增幅減小，最終保持平衡狀態。

3討論

3.1圍欄封育對土壤理化性質的影響

圍欄封育措施對退化草地的土壤理化性質有明顯的影響。本研究中，圍欄封育對SWC產生正效應，即SWC隨圍封時長增加而增加，這與劉建等29的研究結果一致，由于圍欄封育限制了人畜活動，減少了對土壤的干擾，使得土壤孔隙度增加，土壤結構得到改善，有利于水分的滲透和儲存，圍欄封育對SBD產生負效應，這與田青等[30的研究結果一致。圍欄封育措施促進植被生長，SOM含量增加，有機質分解產生酸性物質，因此pH值降低，本研究中，圍欄封育對SOM產生正效應，對土壤pH值產生負效應，這與張建鵬等[31]和李學斌等32]的研究結果一致。

圖5土壤理化性質、地上和地下生物量的響應值隨圍封時長的關系

Fig.5Therelationshipbetween theresponsevaluesofsoil physicalandchemicalpropertiesand biomasswiththedurationof enclosure

圍欄封育過程中人畜干擾較少，植被生長旺盛，并通過光合作用增加固碳能力，不斷把有機物輸入土壤中，以凋落物枯枝落葉和根系分泌物等形式影響著土壤的理化性質。本研究表明，圍封后TC，SOC，TN，TP和TK含量會增加，這與賈麗英等33的研究結果一致。該研究中AN、AP和AK的含量隨圍封時長增加而增加，這與黃蓉等[34]的研究結果一致，原因是在圍欄封育過程中，植被受外界干擾少，其枯枝落葉、根系分泌物等有機質含量在土壤中逐漸增加，為土壤微生物提供了豐富的能源，促進微生物的生長和繁殖，從而大量的有機氮轉化為AN，難溶性磷轉化為AP和礦物鉀轉化為AK。

3.2圍欄封育對生物量的影響

TGB，AGB和BGB都是反應圍欄封育措施對草地恢復效果的主要指標，隨著圍封時長增加，三者均呈現出上升趨勢，這與趙維等[35]的研究結果一致。圍欄封育措施使得地上植被不易受到牲畜的啃食和踩踏，加快恢復生長，通過光合作用，為地下提供更多的有機質，由于人畜干擾減少，土壤結構改善，有利于根系生長和發育，因此圍欄封育措施能夠顯著提升草地的TGB和BGB[36]，也有效增加AGB，經過長時間圍封內的草地結構和組成逐漸趨于穩定，在一定的空間內，AGB的增長趨于平緩，這與程積民等[37]的研究結果一致。

圖6草地植被特征、多樣性指數和草地生產量的響應值隨圍封時長的關系

Fig.6Therelationship betweentheresponsevaluesofgrasslandvegetationcharacteristics，diversity indexandgrassland production with the duration of enclosure

3.3圍欄封育對草地植被特征、多樣性指數和草地生產量的影響

本研究表明，在圍欄封育過程中，植物群落結構產生顯著變化，PCH，PCC，PCD和RRS都有顯著的正效應，這與苗仁輝等38的研究結果一致。圍欄封育措施提供一個穩定的環境，調落物隨著時間的增加而積累，因此PCC，PCD和RRS的效應值隨著圍封時長增加而增加，最終受空間環境的影響維持在一個平穩的狀態，這與桂建華等39的研究結果一致。PCH的正效應值維持在一個穩定狀態，其受植物之間的競爭和空間的限制，這與楊軍等4的研究結果一致。

多樣性指數是衡量生態系統、群落或其他生態體系中物種分布數量和生物多樣性的重要指標[41]研究中，圍封內的PS，NOS，SR，SWI，P和S均顯著高于圍欄外，圍欄封育措施對多樣性指數產生正效應，這與王益濤等42的研究結果一致。圍欄封育措施對群落結構產生影響，減弱群落內優勢種的優勢，改變種群的分布結構，故在圍封時長3～4a，P不顯著，這與殷國梅等43的研究結果一致。

采取圍欄封育措施后，草地生物數量有明顯的提高，圍封時長越長，生物數量增加越快，由圖6可知DHY和FHY隨圍封時長增加而上升，這與聶瑩瑩等44研究結果一致。DHY和FHY隨圍封時長增加，最終會維持一個相對平衡的狀態，因為受環境因素的限制，這與黃國柱45的研究結果一致。

4結論

本文通過檢索新疆草地的相關文獻，運用Meta分析的研究方法，從土壤理化性質、生物量、草地植被特征、多樣性指數和生產量五個方面分析了圍欄封育措施對新疆退化草地的恢復效果，得出以下結論：土壤含水量、全碳、土壤有機碳、土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀隨圍封時長增加呈上升趨勢，土壤容重和pH則為下降趨勢；圍欄封育措施對總生物量、植物群落高度、植物群落蓋度、植物群落密度和根莖比產生正效應，植物群落蓋度、植物群落密度和根莖比隨圍封時長的增加呈上升趨勢；圍欄封育措施對植物多樣性指數起到正效應，且有助于提高草地生產量。因此，圍欄封育措施能夠增加土壤養分含量、促進植被生長發育和提升草地生產量，對新疆退化草地恢復有積極作用。

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（責任編輯付宸）