不同治理模式對瑪曲沙化草原生態恢復過程中土壤水分和植被凈初級生產力的影響

張國平 王紅麗 張緒成 宋婷 楊林平 張化生

摘要：為了給高寒區沙化草原生態恢復提供科學依據，在瑪曲高原草原選取補播改良、圍欄封育和灌草結合3種植被恢復模式，通過測定土壤含水量、田間持水量、地上干物質累積和植被凈初級生產力（NPP）等指標，分析不同治理模式對草原生態恢復過程中土壤水分、干物質累積和NPP變化并明確其影響。結果表明，沙化草原生態恢復過程中，土壤田間持水量10月較4月補播改良模式提高50%，灌草結合模式提高31%，圍欄封育提高12%;在植被生長季，補播改良和圍欄封育土壤模式的含水量均不同程度高于灌草結合，地上干物質量較圍欄封育提高57.65%，較灌草結合模式提高230.10%。各恢復模式對NPP有顯著影響，影響力補播改良 > 圍欄封育 > 灌草結合，均差異顯著，補播改良和圍欄封育NPP分別較灌草結合提高66.05%和29.22%。可見，補播改良可提高土壤保水能力，為植被生長提高較好的水分環境，同時顯著提高地上干物質累積和NPP，沙化草原生態恢復效果較好。

關鍵詞：沙化草原;治理模式;生態恢復;土壤水分;植被凈初級生產力

中圖分類號：S728.3 ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001-1463（2022）04-0058-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.04.013

Effects of Different Governance Modes on Soil Moisture and Vegetation Net Primary Productivity During the Ecological Restoration of Desertified

Grassland in Maqu County

ZHANG Guoping 1， 2， WANG Hongli 1， 2， ZHANG Xucheng 1， 2， SONG Ting 3， YANG Linping 4， ZHANG Huasheng 5

（1. Institute of Dryland Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Key Laboratory of Water Resources Efficient Utilization in Dry Farming Areas of Gansu Province， Lanzhou Gansu 730070， China; 3. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou Gansu 730070， China; 4. Gansu Grassland Workstation， Maqu County， Maqu Gansu 747300， China; 5. Institute of Vegetable， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：The Maqu alpine grassland is the main water conservation area and natural ecological barrier in the upper reaches of the Yellow River. However， the increasingly serious desertification of the grassland has threatened the ecological security of this area and even the Qinghai-Tibet Plateau and the Yellow River Basin. At present， the desertification control effect in this area is remarkable， but the influence of soil moisture and vegetation net primary productivity in the ecological restoration process needs further research. In this experiment， three types of vegetation restoration modes， including reseeding improvement， enclosure ?and shrub-grass combination， were selected to measure soil water content， soil field water capacity， aboveground dry matter accumulation and vegetation net primary productivity（NPP）. Changes in soil moisture， dry matter accumulation and NPP in the process of grassland ecological restoration and clarifying their effects provide a theoretical basis for ecological management and restoration of desertified grasslands. The results showed that in the process of ecological restoration of desertified grassland， the field water holding capacity of the reseeding improvement model increased by 50%， the shrub-grass combination model increased by 31%， and the fence enclosure increased by 12%; in the vegetation growing season， the reseeding improvement and fence enclosure soil content increased by 50%. The amount of water was higher than the combination of shrub and grass to varying degrees， so the aboveground dry matter quality was increased by 57.65% compared with the enclosure and 230.10% compared with the combination of shrub and grass. Compared with the combination of shrub and grass， the difference was significant. The NPP of supplementary seeding improvement and enclosure was increased by 66% and 29.22%， respectively， compared with the combination of shrub and grass. It can be seen that reseeding and improvement can improve soil water retention capacity， improve a better water environment for vegetation growth， and significantly improve aboveground dry matter accumulation and NPP， and the ecological restoration effect of desertified grassland is better.

Key words：Sandy grassland;Governance model;Ecologica restoration;Soil water;NPP

草原作為生態系統的重要組成部分，不僅可以為草食動物提供飼料，同時在涵養水源、固定流沙、調節氣候等方面也具有重要的影響價值[1 ]。瑪曲縣位于甘肅省甘南藏族自治州西南部，青藏高原東端，甘、青、川三省交界處，黃河第一彎曲部。瑪曲高寒草原是青藏高原的重要組成部分，是黃河上游的巨大生態屏障，由于人口增長、超載過牧、不合理的畜牧結構和開墾使得草原出現了沙化、退化的現象[2 - 5 ]。近年來，瑪曲縣采用人工增雨增加植被覆蓋度、改變畜牧結構、圍欄封育、補播改良、方格固沙、植樹造林等諸多方式治理草原沙化，以恢復草原原有生態功能，取得了較好的效果[6 - 8 ]。

不同的治理模式下，受植被地上地下生長的影響，土壤容重、田間持水量、草地植被生物量、土壤有機質含量、土壤含水量和貯水量都有所不同[9 - 10 ]。沙化草原生態恢復過程中土壤水分持續性和牧草生物量都發生動態變化[11 ]，研究不同治理模式下土壤水分持續性及有關的土壤物理特性變化、植被凈初級生產力變化等指標，明確降水對不同治理模式的土壤水分和草地植被動態響應特征，這將有助于客觀評價沙化草原生態恢復效果，并為沙化草原生態治理及恢復提供科學依據，為瑪曲縣草原健康、可持續發展尋求高效、合理的途徑。

我們以不同治理模式恢復沙化草原生態為研究對象，基于土壤水分的動態觀測，研究草地生態恢復過程中土壤水分的剖面分布和季節變化，明確土壤水分對草地植被動態的響應特征，以期為高寒區沙化草原生態恢復提供科學依據。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 試驗區概況

試驗區位于瑪曲縣東南部河曲馬場草場（102° 7′ 58″ E，33° 55′ 33″ N），距黃河直線距離6.8 km，該區域主要是集中連片全沙化和流動沙丘，土壤表層部分或全部被沙土覆蓋，沙層厚度1～5 m，植物稀疏。試驗區屬明顯的高原大陸性高寒濕潤區，高寒多風雨（雪），無四季之分，僅有冷暖之別。冷季長達314 d，漫長而寒冷;暖季51 d，短暫而溫和。雨水集中，日照充足，輻射強烈，無絕對無霜期。海拔高度3 480 m，年均降水量611.9 mm，年平均氣溫1.2 ℃，牧草生長期190 d。試驗地為亞高山草甸土、褐鈣土，土壤中沙粒和粉粒含量較高，草地0～20 cm土層土壤含有機質15.4 g/kg、全氮0.86 g/kg、全磷0.7 g/kg、全鉀19.5 g/kg、速效氮96.5 mg/kg、速效磷13.5 mg/kg、速效鉀172.5 mg/kg，容重1.29 g/cm3，pH 8.5。根據氣象資料統計（圖1）可知，試驗區2020年降水變幅較大，且季節分配不均，主要集中在6、7、8月，占全年降水量的61.5%。試驗區全年降水793.6 mm，4 — 10月降水751.4 mm，為豐水年。2020年4— 10月最低日均溫為-3.4 ℃，出現在4月3日;最高日均溫為14.7 ℃，出現在7月7日、15日，平均為7.9 ℃。

1.2 ? 試驗設計

研究設置了3種不同的治理模式， A為補播改良，B為圍欄封育，C為灌草結合，沙化草地不同治理模式具體操作見表1。

1.3 ? 測定項目和方法

1.3.1 ? ?土壤含水量 ? ?采用烘干法測定0～200 cm土壤含水量，測定間隔20 cm，3 — 10月每隔30 d測定1次。

1.3.2 ? ?土壤田間持水量 ? ?分別于4、10月利用環刀采集樣點0～10、10～20、20～40 cm原狀土，經風干、稱重、浸泡、下滲、稱重、烘干等步 ? 驟[12 ]。

X=（m1-m2）/（m2-m0）×100%

式中，X為土壤田間持水量（%）;m0為烘干空鋁盒質量（g）;m1為烘干前鋁盒+濕土樣質量（g）;m2為烘干后鋁盒+干土樣質量（g）;

1.3.3 ? ?牧草生物量及植被凈初級生產力（NPP） ? ?植被凈初級生產力為凋落物生成量（Litterfall production，L）與生物量凈增量（net biomass increment，B）之和。草地一般均為一年生植被，其總生物量即為當年的NPP值。地上生物量采用收割法，于每年土壤解凍至土壤封凍前每月測量1次。各樣地隨機選取2個100 cm×100 cm的樣方，對地上部分進行齊地刈割，收割活體生物量，烘干至恒重;地下根系生物量現存量采用根鉆法，在樣方內隨機取樣，每樣方內用直徑7 cm的根鉆按0～10、10～20、20～30、30～40 cm分層采集取樣，重復5次，然后風干土壤樣品，過1 mm土壤篩，再用流水沖洗，去掉凋落物和死根，最后將收集到的根系在80 ℃ 恒溫下烘干至恒重，稱取質量，計算樣方內根系生物量，單位取g/m2。該區草地植被在冬季會死亡，到次年春夏季再次發芽，所以草地的總生物量（地上生物量與地下生物量之和）即為當年的NPP值，取碳轉化效率0.475，計算NPP值。

NPP=L+ΔB

式中，L為凋落物生成量（gC/m2），ΔB為生物量凈增量（gC/m2）。

1.4 ? 數據處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0 統計分析軟件處理數據并繪圖，采用 Ducan法檢驗處理間的差異顯著性，顯著性水平設定為α=0.05，結果以平均值±SD表示。

2 ? 結果與分析

2.1 ? 不同治理模式對土壤持水量的影響

不同治理模式下土壤持水量10月比4月明顯提高，其中，補播改良草地提高最大，達50%;其次為灌草結合模式，提高31%;圍欄封育提高12%（表2）。圖2顯示，在0～10 cm土層中，土壤田間持水量由大到小依次為補播改良、灌草結合、圍欄封育草地，且均在0.05水平達到顯著差異;在10～20 cm土層中，補播改良草地低于灌草結合草地，差異顯著，與圍欄封育差異不顯著;在20～40 cm土層中，補播改良草地田間持水量與灌草結合差異不顯著，二者顯著高于圍欄封育。在0～40 cm土層的土體中，3個樣地的田間持水量均在0.05水平差異不顯著，從大到小依次為補播改良、灌草結合、圍欄封育。

2.2 ? 不同治理模式對土壤含水量的影響

不同草地治理模式對0～200 cm土壤含水量有顯著影響（圖3）。0～40 cm土層各治理模式沙化草地的土壤水分與降水呈現相應季節性變化，降水量越大，土壤水分含量越高，但不同治理模式之間土壤水分并無顯著差異。造成這一現象的主要原因在于該層次受降水補充作用明顯，土壤水分波動較大[12 ]。40～100 cm 土層土壤水分含量不同模式之間存在差異顯著（P < 0.05），且在降水影響下不同時間段含水量變化較大，其中4月和8月補播改良土壤含水量最高，6月和10月圍欄封育最高。120～200 cm 土層含水量主要受植被的影響，由于灌木的根系較長，大量消耗這一層次的土壤水分，草木生長期（5 — 10月）灌草結合模式土壤含水量最低，補播改良最高。受沙層深度和不規則壤土層穿插影響，200 cm剖面的土壤含水量波動較大。

植被整個生長階段中灌草結合模式土壤含水率始終低于其余2種模式，即便是在較大的降水事件發生之后也沒有改觀，這可能是由于冠層截流作用和根系吸水造成的，且改良初期冠幅生長量有限，地表牧草覆蓋較少，蒸發量相對較高[13 ]。

2.3 ? 不同治理模式對地上和地下干物質累積的影響

地上和地下干物質累積與植被多少和土壤含水量密切相關[14 ]，不同治理模式對干物質積累有顯著影響（圖4）。3種治理模式中，補播改良在整個植被生長期地上和地下干物質累積量均顯著高于其他處理，圍欄封育次之（8月除外），灌草結合最低（8月除外），均差異顯著。其中補播改良模式地上干物質量在各時期均最高，生長旺盛期地上干物質量達到304.52 g/m2，較圍欄封育模式增加57.65%，較灌草結合模式增加230.10%，可能的原因是補播改良模式植被最多，且相對穩定，同時其土壤含水率最高，土壤水分和植被處于良好的相互作用關系，地上和地下部分生長均較為旺盛。出于保護治理成果的目的，本試驗灌草結合處理取樣時，地上部分只采集灌木凋落物和牧草植株，地下部分只采集牧草根部，因而灌草結合干物質累積最少。

2.4 ? 不同治理模式對植被凈初級生產力的影響

植被凈初級生產力（NPP）可反映植物固定和轉化光能為化合物的效率，能夠以統一的尺度標準衡量區域土地利用/直白變化過程對植被的影響程度[15 ]。本研究中，草原植被每年生長季地上生物量的最大值（一般在8月末左右）與返青期生物總量差值作為地上凈初級生產力，灌草結合模式下灌木正值生長旺盛期，凋落物極少，不做單獨計算。不同治理模式草地年平均NPP值如表3所示。受降水和沙層深度影響，不同治理模式下地表覆蓋度有所不同，其中補播改良NPP最高，為240.80 g C/m2;其次是圍欄封育，為187.40 g C/m2。分別較灌草結合NPP提高66.05%和29.22%。灌草結合NPP較低的可能原因是該地塊沙層較厚，且有流動沙丘的存在，地表層保水能力較弱，植被生長量減少。

3 ? 結論與討論

土壤田間持水量是土壤中所能保持懸著水的最大量，它是衡量田間土壤保持水分能力的重要指標，可以鑒定土壤水分供給狀況[16 ]。土壤水分含量降低和保水能力下降是草原沙化和生產力不斷下降的主要原因之一[17 ]。土壤田間持水量提高是沙化草原恢復效果的重要指標之一[18 ]。本試驗條件下，補播改良模式土壤田間持水量提高最大，達50%，其次為灌草結合模式，提高31%，圍欄封育提高12%。在植被生長季，補播改良和圍欄封育模式的含水量均不同程度高于灌草結合，地上干物質量較圍欄封育提高57.65%，較灌草結合模式提高230.10%。各恢復模式對NPP有顯著影響，影響力表現為補播改良>圍欄封育>灌草結合，均差異顯著，補播改良和圍欄封育NPP分別較灌草結合提高66%和29.22%。

土壤水分分布特征受氣候、土壤、植被等共同影響，是黃土高原植被恢復和生態建設的關鍵因子，對生態系統關鍵過程具有重要影響，且土壤含水率與植被蓋度之間的關系整體上呈正相關[19 - 24 ]。本研究得到了與已有研究一致的結果，補播改良模式在人工補播后地表植被覆蓋度最高，且相對穩定，同時其土壤含水率最高，因而地上和地下干物質累積量及NPP均顯著高于其他處理;圍欄封育雖禁止放牧，但只是利用草原自身恢復能力進行恢復，地表植被較補播改良少，因而地表蒸發較大，土壤含水量低于補播改良，因而干物質累積量和NPP均小于補播改良。灌草結合模式下，由于灌木耗水量大于牧草，因而土壤含水量最低，不利于牧草生長，地上和地下干物質累積量和NPP均最低。可見補播改良模式下土壤水分和植被處于一種良好的相互作用關系，在這種關系下該區較為豐富的降水既能保持較高的植被蓋度，又能使土壤水分相對穩定，植被NPP顯著提高。

綜上可見，補播改良可較大幅度提高土壤田間持水量和土壤含水量，地上和地下干物質量及草原植被凈初級生產力顯著提高，沙化草原恢復效果最好。

參考文獻：

[1] 焦付智. ?青海草原生態恢復與可持續發展存在的問題及對策分析[J]. ?經營管理，2020（4）：76-77.

[2] 呂子君，盧欣石，辛曉平. ?中國北方草原沙化現狀與趨勢[J]. ?草地學報，2005（S1）：24-27.

[3] 褚 ? 琳. ?黃河源瑪曲高寒濕地生態退化與修復適宜性評價研究[D]. ?武漢：華中農業大學，2012.

[4] 張有佳，李昌龍，金紅喜，等. ?甘肅瑪曲高寒草原沙化草地植物多樣性研究[J]. ?安徽農業科學，2013，41（18）：7929-7932.

[5] 韋惠蘭，祁應軍. ?瑪曲草地植被退化的時空分布及其人文因素分析[J]. ?中國草地學報，2017，39（3）：57-64.

[6] 王紅梅. ?瑪曲縣草原荒漠化現狀、成因及整治措施[J]. ?草業科學，2005，22（11）：20-24.

[7] 寶音陶格濤，陳 ? 敏. ?退化草原封育改良過程中植物種的多樣性變化的研究[J]. ?內蒙古大學學報（自然科學版），1997，28（1）：87-91.

[8] 陳子萱，田福平，時永杰，等. ?補播對瑪曲高寒沙化草地物種豐富度和生物量的影響[J]. ?南方農業學報，2011，42（6）：635-638.

[9] 何 ? 群，席 ? 歡，萬 ? 婷. ?不同植被恢復模式對紅原沙化草地土壤理化性質的影響[J]. ?四川環境，2017，

36（1）：35-40.

[10] 趙燕蘭，周青平，曾 ? 鸝，等. ?沙化草地植被恢復治理技術研究綜述[J]. ?草原與草業，2017，3（29）：7-11.

[11] 侯向陽，紀 ? 磊，王 ? 珍. ?荒漠草原與典型草原NPP、碳積累對不同降雨年份和利用方式的響應[J]. ?生態學報，2014，34（21）：6256-6264.

[12] 吳學棟，董 ? 俊，喬小林. ?沙打旺草地土壤水分動態及生產力研究[J]. ?甘肅農業科技，1990（8），26-29.

[13] 梁方暉，趙凌平，譚世圖，等. ?灌草立體配置對退化草地土壤水分和養分的影響[J]. ?西北農林科技大學學報（自然科學版），2020，48（12）：18-25.

[14] 武江燕，任 ? 亮，任穩江，等. ?適宜會寧縣山旱區休耕地地力培育的綠肥作物篩選[J]. ?甘肅農業科技，2021，52（3）：60-63.

[15] 宋 ? 藝，李小軍，江 ? 濤. ?2008 — 2014年植被覆蓋變化對黑河流域凈初級生產力的影響研究[J]. ?水土保持研究，2017，2（4）：205-218.

[16] 李鳳英，張 ? 露，何小武，等. ?鄱陽湖濱不同植被類型沙地土壤有效持水能力研究[J]. ?水土保持研究，2019，26（2）：107-111.

[17] 劉鳳嬋，李紅麗，董 ? 智. ?封育對退化草原植被恢復及土壤理化性質影響的研究進展[J]. ?中國水土保持科學，2012，10（5）：116-122.

[18] 高 ? 露，張圣微，趙鴻彬. ?退化草原土壤理化性質空間異質性及其對土壤水分的影響[J]. ?干旱區研究，2020，37（3）：607-617.

[19] 劉艷萍，榮 ? 浩，邢恩德. ?不同措施對退化草地土壤和植被的影響[J]. ?水土保持研究，2007，14（6）：364-366.

[20] 馮 ? 博，賈小旭，于冬雪，等. ?黃土高原北部草地土壤水分空間變異研究[J]. ?土壤通報，2019，50（5）：1124-1130.

[21] 賈俊鶴，劉會玉，林振山. ?中國西北地區植被NPP多時間尺度變化及其對氣候變化的響應[J]. ?生態學報，2019，39（14）：5058-5069.

[22] 劉洋洋，章釗穎，同琳靜. ?中國草地凈初級生產力時空格局及其影響因素[J]. ?生態學雜志，2020，39（2）：349-363.

[23] 劉雪佳，董 ? 璐，趙 ? 杰. ?我國荒漠植被生產力動態及其與水熱因子的關系[J]. ?干旱區研究，2019，

36（2）：459-466.

[24] 胡良軍，邵明安，楊文治. ? 黃土高原土壤水分的空間分異及其與林草布局的關系[J]. ?草業學報，2004，

13（6）：14-20.

收稿日期：2022 - 03 - 10

基金項目：甘肅省2020年草原生態修復治理科技支撐項目“甘南州瑪曲縣沙化草原生態恢復過程中土壤有機碳庫變化”;甘肅省科技計劃項目（20JR10RA464）。

作者簡介：張國平（1979 — ），男，甘肅天水人，副研究員，主要從事旱作農業栽培及作物養分研究工作。Email：zhanggp8210@163.com。

通信作者：王紅麗（1980— ），女，山西定襄人，研究員，博士，主要從事作物栽培與生理生態方面的研究工作。Email：zhswhl@163.com。