遁耕對輕中度退化草原植被的影響

楊志敏，劉建成，李峰，劉曉婕，通文海，黃金山，王文濤，李廣有，溫樹芳，董曉峰，王偉娟，劉尚金，王運濤

（1.張家口市農業科學院，河北 張家口075000；2.張家口市崇禮區農業農村局，河北 張家口076350；3.尚義縣農業農村局，河北 尚義076750；4.張家口市林木良種場，河北 張家口075000；5.張家口學院，河北 張家口075000）

我國草原面積有近4億hm2，約占國土總面積的 2/5。由于不合理利用及自然災害頻繁，中度和重度退化草原面積占草原總面積的1/3以上[1]。冀西北地區是京津冀重要的生態屏障。近年來在國家、省、市各級政府的大力支持下，草原生態環境惡化的勢頭得到了初步控制，局部得到改善。但也必須看到，張家口和承德地區草原生態建設和保護仍存在一些問題，如，草原生態系統整體仍較脆弱，沙化、退化、鹽堿化草原面積占39.6%，部分草原尚存在退化風險；草原生態建設和保護資金投入不足，草原基礎設施建設薄弱，改良修復措施有待創新。

國外草地機械化改良技術起步較早，主要包括松土、施肥、補播及灌溉等。Phil等[2]研制的牽引式施肥機可用于向土壤表層施加黏性肥料，如脫水的生物固體顆粒等，能一次性完成切割草皮、松土和施肥作業。Te Boekhorst[3]發明的草地施肥機，工作時先通過圓盤割裂草地土壤形成勾縫，然后通過液態肥噴頭或液態肥注射器將液態肥料注入勾縫中，有利于植被吸收養分，減少土壤養分流失，促進牧草生長。美國AerWay公司生產的AWMP-100-AG-4型草地打孔機，由拖拉機牽引，通過橡膠輪限深，打孔齒依靠自重入土，耕作寬度為3 m，每個齒盤上有4個齒，打孔時形成不連續的矩形孔，最大打孔深度20 cm。約翰迪爾的CS1360型播種機可實現草地打孔播種功能，其采用直接打孔播種的方式，通過地輪驅動釘齒滾筒開種孔，然后進行播種，并碎土鎮壓，一次性完成打孔、播種、覆土鎮壓等作業工序。

我國天然草地改良技術研究起步較晚。目前，我國草地改良主要是集中在草地土壤改良及地表植被恢復上，主要改良機械包括牧草破土切根機械、補播施肥機械、松土機械和雜草去除機械。尤泳等[4]發明的9QP-830型草地破土切根機，利用拖拉機輸出軸的動力驅動破土切根刀正向旋轉，以沖擊、貫入的形式切割板結土壤，切根刀以主動轉動的方式切斷牧草地下橫走根系，翻垡效果接近于0。王德成等[5]設計了一種集切根、施肥和補播功能于一體的主動傳動式切根施肥補播復式作業機，可用于羊草草地改良。董向前等[6]研發的9ST-460型草地振動式間隔松土機，先由前導圓盤切根形成條狀土垡，然后經振動松土鏟進行松土，完成土壤強制疏松后鋪放于原來的位置，在土垡鋪放后由鎮壓裝置進行鎮壓，實現了堅實度高草地土壤條件下的虛實耕作和原地放壟。徐萬寶[7]在設計草地多功能改良機械時提出了羊草地切根松土機械化改良工藝技術，該技術主要是用來更新復壯羊草草地。由于我國草地類型多樣化，導致國內對退化草地改良措施、改良機械等研究具有局限性[8]。

受廣西省農業科學院韋本輝等[9]研發的粉壟技術啟發，張家口市農業科學院與山東弛象科技有限公司合作開展遁耕機械的研發、改進與使用，并首次提出草地遁耕的概念，即倒“T”型平板犁地下行走，對耕作層土壤一次性振動疏松，不翻土，對地表植被微創，且不改變土層結構，耕層深度可調。遁耕機械的構造設計是在架體的頂部設置種肥倉，在架體底部設置開溝刀和深耕刀，在深耕刀后側設置豎向管和橫管與儲肥槽連接，用外部驅動裝置牽引驅動，遁耕的同時還可實現一體化播種和施肥。遁耕對草地的改良效果達到了預期目標，可作為草地改良技術進行推廣使用。

為創新草地改良措施與方法，以河北省壩上地區輕中度退化草地為改良對象，采用遁耕深松土施肥播種一體化改良技術對退化草地進行修復，研究遁耕對草地植物群落的影響，以期探明遁耕措施對草地改良的效果，明確退化草地改良的有效途徑，為科學開展退化草地恢復提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于張家口市察北管理區沙溝鎮吉家村（北緯44°10′、東經116°28′），屬溫帶草原半干旱氣候。該區年平均溫度-0.4℃，最冷月（1月）平均溫度-22.5℃，最熱月（7月）平均溫度18.8℃；年降水量300～400 mm，年際間差異較大，豐水年、干旱年的降水量分別為500和160 mm，全年約70%的降水量集中在6～8月；年蒸發量約1 700 mm。

1.2 試驗材料

在河北省壩上地區，選擇輕中度退化草地作為改良對象。遁耕施肥播種一體機由山東弛象科技有限公司研發（專利號：CN 209572364U）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計2018年5月26日使用遁耕施肥播種一體機，采用振松底層耕（遁耕）法，即：利用動力牽引遁耕施肥播種一體機，其薄型平板犁入土深30～35 cm，將草原植被30～35 cm耕作層土壤在耕切的過程中振松土壤，且進行施肥和保水劑樣地處理。試驗遁耕草地改良措施設遁耕（D1）、遁耕+施肥（D2）、遁耕+保水劑（D3）、遁耕+施肥+保水劑（D4）4個處理；以相鄰地塊未進行遁耕處理作為對照（CK）。小區面積15 m×30 m，隔離帶面積5 m×30 m。每處理均3次重復。

1.3.2 測定項目與方法2019年7月中旬草原植被生長旺盛期，每小區均隨機選取5個1 m×1 m的樣方，記錄植物名稱；每種植物均隨機選取5株，用卷尺測量其自然高度；目測植被蓋度，記錄各物種數量（物種密度）；將樣方內所有植物齊地面刈割后，先121℃殺青60 min，后65℃下烘干至恒重，稱量地上部生物量。根據公式，計算物種重要值（IV）以及多樣性指標Shannon-Wiener多樣性指數（H）、Margalef豐富度指數（Ma）、Pielou均勻度指數（J）和Simpson優勢度指數（D）：

式（1）中，A為第i種物種的相對高度（第i種物種的高度/各植物高度之和×100），B為第i種物種的相對密度（第i種物種的個體數/全部物種的個體數×100），E為第i種物種的相對蓋度（第i種物種的蓋度/各物種的蓋度之和×100）；式（2）～（5）中，Pi=IV/∑IV，S為物種數，N為物種總個體數，Nmax為占優勢種的個體數。

1.3.3 數據處理與分析利用Excel 2010軟件對試驗數據進行統計并繪圖；利用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 遁耕對草地生長量的影響

不同遁耕措施處理的牧草株高和地上部生物量差異均不顯著，但指標值均顯著＞CK，其中株高提高了54.75%～73.50%，地上部生物量增加了178.95%～357.89%（表1）。表明不同的遁耕措施均可明顯促進牧草株高生長和地上部生物量增大，但遁耕后是否施入肥料和保水劑效果差異不顯著。

表1 不同遁耕措施對草地生長量的影響Table 1 Effect of different grass-friendly tillage on the growth capacity of degraded grassland

不同遁耕措施處理的草地蓋度差異較大，其中D3處理的指標值顯著＞其他處理，較CK提高了45.69%；而其他處理之間差異均不顯著。表明不同的遁耕措施對草地蓋度的影響也不一樣，其中遁耕+保水劑（D3）處理可明顯提高草地蓋度。

不同遁耕措施處理的草地密度差異較大，且均＞CK，其中D2處理的指標值最高、D1處理次之，二者差異不顯著，但均顯著＞其他處理，指標值分別較CK提高了266.99%和244.66%；而其他處理之間差異均不顯著。表明不同的遁耕措施均可提高草地密度，其中遁耕（D1）和遁耕+施肥（D2）處理效果明顯。

綜上分析可以看出，不同的遁耕措施均可明顯促進牧草生長，改善退化草地的生長狀況，其中只進行遁耕（D1）較為經濟。

2.2 遁耕對草地多樣性的影響

不同遁耕措施處理的草地D、H和Ma差異均不顯著，但D和H均＞CK，Ma均顯著＜CK，其中D1、D3和D4處理的D與CK差異達到了顯著水平，D1和D3處理的H與CK差異達到了顯著水平；草地J差異較大，且指標值均＞CK，其中D3和D4處理與其他處理差異均達到了顯著水平（表2）。表明不同的遁耕措施均可提高草地的Simpson優勢度指數、Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數，明顯降低退化草地的Margalef豐富度指數，但各遁耕措施之間僅Pielou均勻度指數差異較大，其中D3和D4處理的Pielou均勻度指數明顯較高。

表2 不同遁耕措施對草地多樣性的影響Table 2 Effect of different grass-friendly tillage on the diversity of degraded grassland

綜上分析可以看出，不同的遁耕措施均可提高退化草地的多樣性指數，其中遁耕+保水劑（D3）處理效果最好，可明顯提高草地的Simpson優勢度指數、Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數。

2.3 遁耕對草地優勢度的影響

不同遁耕措施處理的草地植物群落優勢度差異較大，其中羊草和冰草的指標值均顯著＞CK，分別較CK提高了20.15%和32.08%；糙隱子草和冷蒿的指標值均顯著＜CK，分別較CK降低了63.37%和54.15%（表3）。表明不同的遁耕措施均可顯著提升草地優質牧草的比重，明顯提高草地的生產力。

表3 不同遁耕措施對草地植物群落優勢度的影響Table 3 Effects of different grass-friendly tillage on dominance of degraded grassland plant Community（%）

3 結論與討論

植物群落的物種組成是決定草原群落性質、結構和功能的重要指標。草地植被蓋度是植物群落覆蓋地表狀況和植被生長態勢的重要指標[10，11]，可以反映草地的類型、植物同化面積、生物量積累情況等。本研究條件下，不同的遁耕措施均可明顯促進牧草生長，株高、地上部生物量分別提高了54.75%～73.50%和178.95%～357.89%，與謝金玉等[12]在桂中地區的草地改良效果基本相當；遁耕+保水劑處理的草地蓋度顯著高于其他處理，較CK提高了45.69%，與衛智軍等[13]解板機對呼倫貝爾退化羊草草地的改良效果大體一致；遁耕、遁耕+施肥處理的草地密度明顯增大，分別較CK提高了244.66%和266.99%。遁耕顯著影響草地的植物群落優勢度，其中羊草和冰草的優勢度明顯提高，糙隱子草和冷蒿的優勢度明顯下降，與聶素梅等[14]和劉樹強等[15]的研究結果類似；提高草地的多樣性指數，其中Simpson優勢度指數、Shannon-Wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數均有不同程度的提高，Pielou均勻度指數明顯降低，與張英等[16]在新疆塔額墾區退化山地草甸類草地改良前后群落特征變化的研究結果相似。

本研究結果表明，在冀西北輕中度退化草地改良中，遁耕可有效促進牧草生長，明顯提高草地的多樣性和生產力。遁耕后草地的Margalef豐富度指數下降、蓋度出現不同程度的變化，可能與草地改良后牧草種類優勢度轉化過程有關，且遁耕機械不完善導致在耕作過程中草地犁痕面稍大，也影響其蓋度和豐富度。遁耕措施適宜在輕中度草地改良中推廣使用。