陰山北麓淺耕翻季節(jié)對(duì)草地植被和土壤的影響

高天明，張瑞強(qiáng)，劉鐵軍，郭建英

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

我國(guó)草地面積約4億hm2，大部于集中于北方邊陲。由于人為和自然因素的影響，出現(xiàn)了不同程度的退化，嚴(yán)重影響了牧區(qū)人民的生產(chǎn)生活，同時(shí)，退化草地成為沙塵暴的沙源地，嚴(yán)重威脅我國(guó)北方地區(qū)的生態(tài)安全。因此，防治草地退化迫在眉睫。草地圍封后進(jìn)行淺耕翻處理是一項(xiàng)操作簡(jiǎn)單、成本小、見(jiàn)效快的改良措施，目前已為世界各國(guó)廣泛采用[1-5]。

陰山北麓地區(qū)包括內(nèi)蒙古自西向東11個(gè)旗縣，面積6萬(wàn)km2，是我國(guó)北方重要的生態(tài)安全屏障。陰山北麓中部的希拉穆仁草原克氏針茅(Stipakrylovii)群落在地理位置和植被類型方面具有較強(qiáng)的代表性。本研究從不同季節(jié)淺耕翻處理后草地植被物種組成、植被地上生產(chǎn)力和物種多樣性以及土壤風(fēng)蝕量、土壤有機(jī)質(zhì)和機(jī)械組成等方面的變化來(lái)探析淺耕翻改良措施對(duì)長(zhǎng)期過(guò)度放牧而導(dǎo)致退化的希拉穆仁草原地上植被恢復(fù)的影響，類似研究鮮有報(bào)道。本研究旨在探求該地區(qū)退化草地適宜的恢復(fù)和利用模式，同時(shí)為同類地區(qū)退化草地的植被恢復(fù)技術(shù)提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況 希拉穆仁草原地處內(nèi)蒙古包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗。中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春秋季干旱多風(fēng)，夏季雨量較充沛，冬季干燥寒冷。年均降水量284 mm，年蒸發(fā)量2 305 mm，降水主要集中在7-9月；年均氣溫2.5 ℃，≥10 ℃年有效積溫1 985～2 800 ℃·d；年均日照時(shí)數(shù)3 100～3 300 h；無(wú)霜期83 d；年均風(fēng)速4.5 m·s，冬春以北風(fēng)和西北風(fēng)為主，年大風(fēng)日數(shù)為63 d。地帶性土壤為栗鈣土，質(zhì)地粗糙。地帶性植被建群植物種為克氏針茅。草地類型為典型草原，植被蓋度35%～45%，高度40～50 cm，干物質(zhì)產(chǎn)量70～130 g·m-2，植物8～15種·m-2。

1.2樣地設(shè)置 選取地勢(shì)平坦的1 hm2草地(2008年圍封至今)，2010年4月20日對(duì)其中1/3面積的草地(3 333 m2)進(jìn)行深度10 cm的淺耕翻處理。2010年7月2日，對(duì)另外的2/3面積的草地(6 667 m2)進(jìn)行同樣的處理，在此以前，樣地可稱為未淺耕翻樣地。

1.3研究方法

風(fēng)蝕量測(cè)定：2010年4月20日淺耕翻處理后，在兩塊樣地下風(fēng)向處安裝自制簡(jiǎn)易集沙儀，分別監(jiān)測(cè)10、20、30、50和100 cm的風(fēng)蝕量，2010年5月20日稱量各集沙盒中的沙子質(zhì)量。集沙儀為長(zhǎng)25 cm、寬5 cm、高5 cm由鍍鋅鋼板制作的長(zhǎng)方體，前端為進(jìn)沙口(面積5 cm×5 cm)，末端上設(shè)5 cm×5 cm的100目濾沙網(wǎng)排風(fēng)口以減少空氣對(duì)流對(duì)集沙效果的影響。該集沙儀的集沙量度量單位為g·cm-2·月-1。

植被調(diào)查：2010年春季淺耕翻處理后，不定期的對(duì)兩塊樣地以對(duì)角線方式選取1 m×1 m的樣方15個(gè)，進(jìn)行植被蓋度(目測(cè)法)和高度的測(cè)量。同年8月25日分別在兩塊樣內(nèi)以對(duì)角線方式設(shè)1 m×1 m的樣方15個(gè)，記錄植被蓋度(目測(cè)法)、建群種高度(盒尺測(cè)量)、物種組成及多度(以地上株叢數(shù)為記數(shù)單位進(jìn)行手工統(tǒng)計(jì))、各物種地上生物量干質(zhì)量(烘干稱量法)，并計(jì)算各物種的重要值。重要值=(相對(duì)質(zhì)量+相對(duì)多度+相對(duì)蓋度)/3。生物多樣性指數(shù)(H′)采用Shannon-Wiener公式進(jìn)行計(jì)算。

H′=∑PilnPi。

式中，Pi為樣地中各植物物種的相對(duì)重要值[3-5]。2011年春季，不定期對(duì)兩塊樣地以相同取樣方式選取相同數(shù)目的樣方進(jìn)行植被蓋度和高度的測(cè)量。

土壤機(jī)械組成及有機(jī)質(zhì)測(cè)定：2010年5月25日，在兩塊樣地以對(duì)角線方式選取樣點(diǎn)10個(gè)，取0～5 cm土壤用于測(cè)定機(jī)械組成。2010年4月15日和10月25日，在兩塊樣地以對(duì)角線方式選取樣點(diǎn)10個(gè)，取0～30 cm土壤用于測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。測(cè)定工作由內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院完成。

2 結(jié)果與分析

2.1淺耕翻對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響 當(dāng)?shù)囟憾?級(jí)以上大風(fēng)。春季淺耕翻樣地不同高度集沙儀的集沙量顯著大于未淺耕翻樣地(P<0.01)，說(shuō)明春季淺耕翻引起了強(qiáng)烈的風(fēng)蝕。

春季淺耕翻樣地表層0～5 cm土壤與未淺耕翻樣地相比(表1)，粘粒和粉砂粒含量顯著減少而沙粒含量顯著增加(P<0.05)；礫石含量春季淺耕翻樣地略高于未淺耕翻樣地，且差異不顯著。說(shuō)明由于風(fēng)蝕嚴(yán)重，春季淺耕翻造成了表層土壤的粗質(zhì)化。

表1 春季淺耕翻樣地和未淺耕翻樣地土壤風(fēng)蝕量和表層土壤機(jī)械組成

2.2淺耕翻對(duì)植被的影響 2010年春季樣地淺耕翻處理后，土壤完全裸露，植物根莖被翻出地面，或被風(fēng)吹走，或干枯死亡，已長(zhǎng)出的許多幼苗也由于根系外露而相繼干枯死亡，植被蓋度在夏季以前一直低于10%，群落高度平均5 cm，其防風(fēng)固沙能力較低。未淺耕翻樣地春季時(shí)枯草蓋度近20%，隨著溫度上升，牧草返青，植被蓋度也隨著牧草的生長(zhǎng)而逐漸增加，夏季以前活體和枯草的總蓋度約為30%，群落高度15～20 cm，具有較強(qiáng)的防風(fēng)固沙能力。

2010年7月2日，對(duì)另外的2/3面積的草地進(jìn)行深度10 cm的淺耕翻處理。由于夏季風(fēng)力減小，降水增多，溫度升高，加之疏松了土壤，改善了通氣狀況，這為植物生長(zhǎng)提供了優(yōu)越的條件。

春季淺耕翻樣地主要以豬毛菜、刺藜、黃花蒿、繩蟲(chóng)實(shí)等一年生劣質(zhì)牧草為主，克氏針茅、羊草(Leymuschinensis)和冰草(Agropyroncristatum)等優(yōu)良牧草重要值低于0.1，偶見(jiàn)其他草本植物，草地植被蓋度30%，干草產(chǎn)量65 g·m-2，高度40 cm，物種組成較豐富，Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)為1.67(表2)。

夏季淺耕翻樣地，植被蓋度62%，產(chǎn)量143 g·m-2，高度35 cm，羊草占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，克氏針茅和冰草為伴生種，偶見(jiàn)一生年植物及其他草本植物，種類組成較少，Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)為1.21，顯著低于春季淺耕翻樣地。相比而言，夏季淺耕翻樣地的生產(chǎn)性能明顯優(yōu)于春季淺耕翻樣地。

2.3淺耕翻季節(jié)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響 2010年4月15日0～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)，兩塊樣地均為2.5%。2010年10月25日0～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)，春季淺耕翻樣地為1.7%，下降了近1/3，夏季淺耕翻樣地為2.7%，增加了8%。

2.4淺耕翻季節(jié)對(duì)翌年牧草返青的影響 2011年4-5月，不定期對(duì)兩塊樣地牧草返青狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，春季淺耕翻樣地牧草返青較早，一般在4月20-25日返青，但成活率較低，許多幼苗相繼干枯死亡，植被蓋度不超過(guò)15%，群落高度低于20 cm。夏季淺耕翻樣地返青時(shí)間比春季晚7～16 d，但成活率較高，許多幼苗由于有枯草的保護(hù)而免于被大風(fēng)吹折，植被蓋度(活體和枯草總蓋度)在30%左右，高度在8 cm左右。總體說(shuō)來(lái)，夏季淺耕翻樣地返青情況優(yōu)于春季淺耕翻樣地。

表2 兩塊樣地群落數(shù)量特征及主要物種重要值

3 討論

淺耕翻的作用主要體現(xiàn)在：1)將地表植被完全破壞，使一部分活體和枯落物翻入土中，加快營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)；2)使表層土壤疏松，改善通氣狀況，同時(shí)抑制毛細(xì)管作用，降低土壤蒸發(fā)速率，有利于土壤水分的保存；3)將一部分深層土壤中的種子帶到地表，同時(shí)也給表層的植物種子覆土，改變了土壤種子庫(kù)密度和結(jié)構(gòu)。

希拉穆仁草原地區(qū)冬春季多5級(jí)以上大風(fēng)，以西北風(fēng)為主。裸露的土壤，特別是土壤中的細(xì)粒物質(zhì)很容易被風(fēng)力侵蝕，本研究證實(shí)了這一點(diǎn)。

多年生草本植物主要以營(yíng)養(yǎng)繁殖的方式進(jìn)行更新，淺耕翻將許多植物根莖翻出地面，或被大風(fēng)吹走，或干枯死亡。由種子發(fā)芽長(zhǎng)出的幼苗也因風(fēng)折和沙打等原因而死亡。因此春季淺耕翻不利于多年生植物的生長(zhǎng)。而一年生植物只有在夏季遇降水以后才開(kāi)始發(fā)芽并迅速生長(zhǎng)，且由于多年生植物的大量死亡，降低了對(duì)一年生植物的競(jìng)爭(zhēng)作用，夏季以后，樣地內(nèi)一年生植物大量生長(zhǎng)，占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，并很快進(jìn)入生殖期，結(jié)出大量顆粒較小的種子，其壽命僅2～3個(gè)月。一年生植物適口性差，屬劣等牧草，干枯后莖基部斷裂，地上干枯部分冬春季節(jié)被風(fēng)吹走，地面重新裸露，因此其對(duì)防風(fēng)固沙的作用幾乎為零。

羊草為根莖型禾草，在近地表處具有大量的橫向生長(zhǎng)的根莖，這些根莖通過(guò)無(wú)性繁殖生長(zhǎng)出大量幼苗，因此羊草的擴(kuò)張性極強(qiáng)，特別是在疏松的土壤中，當(dāng)土壤水分充足時(shí)，其根莖生長(zhǎng)更為迅速。草地淺耕翻切斷了羊草的地下根莖，疏松了表層土壤，從而刺激了羊草的無(wú)性繁殖和羊草地下根莖在土壤中的伸展，加速了羊草的恢復(fù)性生長(zhǎng)[4-8]。夏季風(fēng)力減小而降水和溫度增加，因此夏季淺耕翻對(duì)羊草的生長(zhǎng)非常有利。

克氏針茅和冰草為叢生禾草，其更新方式主要以根莖處萌發(fā)幼苗的無(wú)性繁殖方式為主，其擴(kuò)張性不強(qiáng)。春季淺耕翻后其根莖或被風(fēng)吹走或干枯死亡。夏季淺耕翻后由于羊草的競(jìng)爭(zhēng)能力大幅增強(qiáng)而間接抑制了克氏針茅和冰草的生長(zhǎng)，因此在兩塊樣地，它們均不占優(yōu)勢(shì)。

從草地生產(chǎn)性能看，春季淺耕翻降低了草地的品質(zhì)和產(chǎn)量，生產(chǎn)性能明顯不及夏季淺耕翻樣地。

土壤呼吸作用對(duì)土壤通氣狀況非常敏感。在適宜的水熱條件下，隨著土壤通氣的改善，土壤有機(jī)質(zhì)被土壤呼吸作用大量消耗，分解轉(zhuǎn)化為CO2并排放到大氣中，一方面降低了土壤肥力，另一方面使溫室效應(yīng)進(jìn)一步惡化[9-10]。植物的光合作用是將大氣中的CO2固定為生物量，因而植物生長(zhǎng)的固碳作用可以抵消土壤呼吸釋放碳作用。當(dāng)草地固定碳量大于土壤釋放碳量，草地成為“碳匯”；當(dāng)植被產(chǎn)量小時(shí)，草地固定碳量小于土壤釋放碳量，草地成為“碳源”。因此，草地產(chǎn)量的大小可以看作草地固定碳能力的重要指標(biāo)。

本研究中，春季淺耕翻樣地生長(zhǎng)季末土壤有機(jī)質(zhì)下降了近1/3，而夏季淺耕翻樣地土壤有機(jī)質(zhì)增加了8%。應(yīng)當(dāng)指出的是：夏季淺耕翻樣地土壤疏松的時(shí)間相對(duì)較短，因而高強(qiáng)度土壤呼吸作用的時(shí)間也短于春季淺耕翻樣地，土壤釋放CO2的量必然小于春季淺耕翻樣地；其次，夏季淺耕翻樣地產(chǎn)量遠(yuǎn)大于春季淺耕翻樣地，其植物生長(zhǎng)對(duì)土壤呼吸釋放碳的抵消作用也大于春季淺耕翻樣地。因此夏季淺耕翻樣地土壤CO2釋放量小于春季淺耕翻，而CO2固定量又大于春季淺耕翻樣地。說(shuō)明春季淺耕翻樣地成為了“碳源”，而夏季淺耕翻樣地成為了“碳匯”。

4 結(jié)論

春季淺耕翻使土壤裸露，土壤中細(xì)粒物質(zhì)被大風(fēng)吹走，造成嚴(yán)重的風(fēng)蝕和土壤粗質(zhì)化。夏季風(fēng)力減弱，淺耕翻不會(huì)造成風(fēng)蝕和土壤的粗質(zhì)化。

草地淺耕翻改變了草地植物的種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。春季淺耕翻使一年生劣等牧草占優(yōu)勢(shì)，夏季淺耕翻使優(yōu)質(zhì)牧草羊草占優(yōu)勢(shì)。從生產(chǎn)性能角度考慮，夏季淺耕翻優(yōu)于春季淺耕翻。但希拉穆仁天然草地牧草以克氏針茅為主，因此二者都不是穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，今后必然發(fā)生群落演替，這也是今后的主要研究?jī)?nèi)容之一。

春季淺耕翻使草地成為了“碳源”，釋放CO2，一方面降低土壤肥力，另一方面使溫室效應(yīng)進(jìn)一步惡化[11]。夏季淺耕翻使草地成為了“碳匯”，但其固定CO2的能力和天然草地的比較還需要今后進(jìn)一步深入研究。

綜合看來(lái)，草地夏季淺耕翻在短期內(nèi)在植被生長(zhǎng)、土壤風(fēng)蝕和固碳能力方面均優(yōu)于春季淺耕翻。

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