不同刈割強度對封育沙地植被生長狀況的影響

張 亮， 馬維偉， 田 青， 李 廣， 曹 雪

(甘肅農業大學林學院， 甘肅 蘭州 730070)

圍欄封育是當前退化草地主要的植被恢復和重建措施之一。也是治理和控制土地沙漠化的一項行之有效的措施。圍封能使植物群落組成和主要群落類型發生明顯變化，從而提高植物群落的生物量和生產力、增加生態系統的物種多樣性和促進沙質草地生態系統的恢復[1-4]。但由于封育沙質草地分布的廣泛性和復雜性，關于封育管理措施和植被特征之間的關系尚無統一的定論。但從近幾年的研究[5-10]可以得出：采取圍封措施后，植被的建立改變了原來沙質草地的水循環，大范圍沙地植被甚至會導致已有相鄰的濕地萎縮或草地退化，因此圍封不應是無限期的，封育期過長，不但不利于植被的正常生長和發育，反而枯萎會抑制植物的再生和幼苗的生長形成，不利于植被的繁殖更新[11-12]。刈割是人為利用對草地群落結構和功能產生影響的重要因素之一，近年來一些學者開始關注不同刈割強度(留茬高度)對草地生態系統等產生不同程度的影響[13]，但是關于不同刈割強度對封育沙地植被再生性能的影響研究較少。本試驗研究了在不同刈割強度下封育沙地植被的株高、生物量的變化等，旨在探討不同刈割強度對沙地植被系統的影響，為進一步認識刈割在退化生態系統恢復過程中的作用提供科學依據，也為封育沙地的合理利用和管理提供的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區位于騰格里沙漠南緣，地屬甘肅省景泰縣，地理位置在103°33′～104°43′ E，36°43′～37°38′ N之間，地處季風區與非季風區過渡地帶，屬于溫帶干旱荒漠氣候區。主要氣候特征為:光熱資源豐富，日照充足，降水稀少，蒸發強烈，風沙活動頻繁；年平均氣溫8.2℃，極端最高氣溫36.6℃，極端最低氣溫-27.3℃，日照時數2 725.7 h，無霜期192 d，年均降水量184 mm，且主要集中在7～9月，年蒸發量3 038.5 mm，為降水的16倍多，年均風速3.5 m·s-1，最大風速21.7 m·s-1，年8級以上大風27.9 d，年沙塵暴21.9 d，地下水位80 m。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土[14-17]。

在研究區北部分布有相對連片的流動沙地，地表沙丘密集，土壤疏松。主要植物種有沙蒿、冰草等，呈零星狀分布，植被蓋度<5%。為促進沙區植被恢復，防治風沙危害，自上世紀九十年代起，該縣開始對北部沙地實施封育措施。主要采用天然次生植被圍欄封育法(自然恢復14年)、人工種植+圍欄封育法(人工恢復6年+自然恢復8年)。其中天然次生植被圍欄封育法是指在流動沙丘區采用鐵絲網圍欄，完全排除家畜的采食以及人為干擾，以促進沙區自然植被的恢復；人工種植+圍欄封育法則是在流動沙丘區先鋪設1 m×1 m的麥草方格沙障，待沙面初步穩定后，再定植旱生灌木檸條(CaraganakorshinskiiKom.)、沙蒿、花棒等，并進行圍欄封育，以保護和促進人工灌木林的存活和生長繁育，具體見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 General condition of the plots

1.2 研究方法

在立地條件基本一致的天然植被圍欄封育地和人工種植+圍欄封育地，在立地條件、土壤條件和植被蓋度基本一致的天然植被圍欄封育區和人工種植+圍欄封育區，各設置3塊樣地(大小為50 m×50 m)，在每塊樣地中隨機布設4 m×4 m的灌木樣方8個、1 m×1 m的草本樣方8個。實驗第一年的8月份在各樣地的8小樣方中隨機選取4個進行重度刈割處理(留茬5 cm)，剩下的4個小樣方進行中度刈割(草本留茬10 cm，灌木留茬15 cm)處理。同時，另選塊樣地設置對照樣方(不刈割處理)。于次年的5月、7月和9月間用測量法調查各灌木和草本小樣方優勢植物種類組成、株高、冠幅等特征值，在9月生長季末調查其生物量。生物量用直接收割法，即每個處理齊地面剪取樣方內植株的地上部分，在65℃下烘干48 h至恒重，分種稱重。統計每個處理小區樣方內物種數，根據下列公式對每個處理進行物種多樣性分析。

物種豐富度采用Margalef指數(R)：R=(S-1)/lnN

物種均勻度指數采用Pielou指數(J):J=D/3.3219{lgN-[α(s-β)lgα+β(α+1)lg(α+1)]/N}

式中，S為樣方中的物種數；N為所有物種的個體數之和；ni為第i個種的個體數;β為N被S整除以外的余數(0≤β≤N)；α=(N-β)/S。

1.3 數據分析

試驗數據采用SPSS 19.0和EXCEL 2013軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同刈割強度對封育沙地群落植被特征的影響

由表2可知，沙地植被演替是內因與外因長期共同作用的結果，全面衡量沙地物種多樣性需從物種豐富度、均勻度和生態優勢度等幾個個方面進行比較，它們從不同的角度反映了群落物種組成的結構水平，且三者具有一定的聯系。用重要值計算的多樣性指數表明，在自然恢復區沙地植物群落通過刈割處理后物種多樣性指數和豐富度指數差異不顯著，物種均勻度指數和生態優勢度指數在重度和中度刈割處理下差異顯著，物種數在中度刈割和對照處理下差異顯著；人工種植+自然恢復封育區的植物群落經過刈割處理后，變化趨勢與自然恢復區沙地植物群落基本相同。與自然恢復區植物群落相比，人工種植+圍欄封育區植物群落的多樣性指數和均勻度仍明顯較低，這說明人工種植+圍欄封育區植物群落的穩定性遠遠不及自然恢復區。

表2 不同刈割強度對封育沙地群落植被特征的影響Table 2 Effects of different cutting intensities on vegetation characteristics of fencing sandy land

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同

Note:Different capital letters represent significant different at the 0.05 level. The same as blow

2.2 不同刈割強度對封育沙地植物株高和再生能力的影響

2.2.1灌木株高和再生能力 在天然植被圍欄封育地和人工種植+圍欄封育地，由于天人封育年限相等各自的3種處理在刈割前不存在土壤肥力與其他環境要素差異和管理上的差異，在天然植被圍欄封育地，刈割后第二年(5月中旬)，3種處理灌木柱高大約在23～25 cm，且差異都不顯著，但隨著刈割后第二年生長季生長季結束，3種處理的灌木平均高度逐漸表現出顯著性差異(表3)。從不同刈割處理下灌木植株平均高度的發展動態來看，重度刈割處理在5-7月生長較慢，僅增加了1.19 cm，7-9月份生長較快，高度增加了6.07 cm；重度刈割處理在5-7月為一個較快生長過程，增加了6.07，到9月份灌木生長高度達到了40.85 cm；而對照處理呈現出均勻增加，5-7月和7-9月增加的高度相差不大，差值僅為1.05 cm。在人工種植+圍欄封育地，刈割后第二年(5月中旬)，重度刈割處理和對照的灌木平均高度存在顯著差異，但隨著生長季開始，到7月份和9月份，3種處理開始產生較大差異，說明隨著時間延長，刈割處理能夠促進灌木高度的生長。從灌木植株生長的發展動態來看，重度刈割處理在5-7月生長較塊，增加了20.03 cm，7-9月份生長較慢,僅增加了3.73 cm；中度刈割處理在5-7月也為快速生長過程，增加30.32 cm，到9月份灌木生長高度達到了70.39 cm；而對照和重度與中度刈割處理增長趨勢相同。

天然植被圍欄封育地的灌木在不同刈割處理后(第一年8月底刈割)，灌木在第二年開始重新長出新芽(新梢)，并迅速生長，中度刈割灌木的新芽再生速度較快，重度刈割處理的再生速度則相對較慢，二者呈顯著差異，到9月，中度刈割的灌木株高增長到約48.85 cm，重度新梢增到31.72 cm，對照增長到36.61 cm。說明刈割對天然植被圍欄封育地的灌木再生能力產生一定的影響。

人工種植+圍欄封育地的灌木在不同刈割處理后，灌木的生長高度在5-9月出現了不同的變化，中度刈割處理的灌木的生長速度較快，重度刈割、對照處理的生長速度則相對較慢，三者呈顯出不同差異，到9月，中度刈割增長到70.39 cm，而重度刈割處理相對較低。

表3 灌木刈割后株高的動態變化Table 3 The dynamic changes of shrub after cutting

2.2.2草本株高和再生能力 在自然恢復模式下沙地植被經過刈割處理后(第一年8月底刈割)，3種處理在第二年五月中旬草本的生長高度總量差異顯著，到7月后，由于植被的生長，各個處理間差異逐漸變得不顯著。由表2可已看出植被的生長高度總體變化呈現趨勢減小，但總體表現為中度刈割處理和對照處理均高于重度刈割處理。

表4 草本刈割后株高的動態變化Table 4 The dynamic changes of plant height after cutting

人工+自然恢復模式的不同刈割處理后，3種處理在五月中旬草本的生長高度總量差異不顯著。到9月份出現一定差異，刈割處理后，從5-9月，草本的基本呈現增加趨勢，總體表現為中度刈割>對照>重度刈割，而且草本高度隨雨季的到來，高度有一定的增加。

2.3 不同刈割強度對恢復沙地植被地上生物量的影響

兩種恢復模式的不同處理在9月份生長結束后，它們的地上累計生物量見圖1。在自然恢復模式下，3種刈割處理間的生物量有明顯差異，表現為中度刈割(17.70 kg·m-2)>對照(15.84 kg·m-2)﹥重度刈割(5.56 kg·m-2)，中度刈割地上生物量的鮮重為17.70kg·m-2，是重度刈割處理的3倍多。說明自然恢復模式下，中度刈割能增加沙漠植被的地上生物量，能促進植被的再生長。而在第二種模式下，兩種刈割處理間在9月份生長結束后，地上生物量的鮮重基本相同，但與對照相比，存在顯著差異，生物量依次為對照18.87 kg·m-2、重度刈割13.87 kg·m-2、重度刈割11.34 kg·m-2，說明人工+自然恢復模式下，對照處理對植被的鮮重生物量最有效。

圖1 不同刈割強度的封育沙地在生長季地上累計生物量Fig.1 Accumulation aboveground biomass of the cultivated land with different cutting intensities during growing season

3 討論

有研究表明，不同刈割強度對牧草的再生能力和生物量有一定的影響。合理的刈割能促進牧草的分蘗和再生，從而提高地上部分的生物量和質量，但過度刈割反而抑制牧草地上部分和根系的生長[18]。本研究選擇不同刈割強度對兩種恢復模式下沙地植被特征進行研究，在人工種植+自然恢復區的植物群落在中度刈割處理下群落多樣性指數和均勻度指數在增長，說明中度刈割在一定程度上可以促進植物地上部分再生生長，即表現為補償或補償生長現象，這與孫顯濤[19]、盛亦兵[20]、張榮[21]等的研究結果一致。由此說明人工種植+圍欄封育區群落在發育過程中，群落結構逐趨復雜，系統抵御外界不良干擾的能力和穩定性在逐漸增強；但同時可以看出，與自然恢復區植物群落相比，人工種植+圍欄封育區植物群落的多樣性指數和均勻度仍明顯較低，這說明人工種植+圍欄封育區植物群落的穩定性遠遠不及自然恢復區。隨著人工種植+圍欄封育區植被發育程度的提高和沙結皮的形成，由綴塊狀分布的人工灌木植被所造成的土壤資源分布的空間異質性程度在逐漸減弱，逐步演變和恢復至鄰近自然植被的外貌特征。

刈割直接影響草原植被的生物量，減少了植物光合作用的面積，降低了碳和營養物質的積累[22]，從而影響生物量的形成，適度的刈割對植被生長能力有促進作用，刈割強度過大反而不利于提高封育沙地灌木的再生能力，刈割雖然改變了地上現存量，但是不同刈割處理對在生長季內單峰式的變化并沒有影響，都在9月中旬達到最大值，刈割后期，由于地上部植株的逐步恢復，地下部根系形態指標與活力又恢復到與不刈割處理相比更高的水平，說明地下部根系也表現出一定的超補償生長效應[23]。因此，保持適度的刈割強度十分必要。不同刈割處理對現存量的影響是明顯的，以不處理的現存量最大，隨著植被的增長，自然恢復狀態下植被生物量也隨之增加，這與劉穎[24]等的研究一致。

4 結論

通過研究不同刈割強度對這兩種恢復模式之下植被的群落特征、株高、再生能力和地上生物量的測定，得出以下結論：自然恢復模式下，選擇中度刈割對植被恢復有促進作用；重度刈割均未使兩種模式的株高和再生能力提高，重度刈割對這兩種模式的沙地植被的再生能力均無明顯促進作用。