高寒草原不同種草方式對流動沙丘植被恢復(fù)的影響

李銀科, 唐進(jìn)年, 王 祺, 袁宏波, 楊雪梅, 何芳蘭

(甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗室/省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗室培育基地,甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅省治沙研究所, 甘肅 蘭州 730070)

瑪曲高寒草原是黃河上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和補(bǔ)給區(qū)。近幾十年來，受全球氣候變暖和人為活動的影響，草地退化嚴(yán)重，沙化土地面積不斷擴(kuò)大，已成為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。高寒區(qū)草地沙化成因[4-6]及治理技術(shù)研究得到了眾多學(xué)者的關(guān)注，但高寒沙化土地治理技術(shù)研究起步晚，基礎(chǔ)理論研究相對薄弱，目前尚未形成適宜當(dāng)?shù)氐南到y(tǒng)、成熟的治理技術(shù)和模式[7]。關(guān)于高寒沙化土地治理，已開展了封育、補(bǔ)播、施肥[8-9]、植物種選擇[10]、設(shè)置沙障[11-12]及綜合治理等[13]方面的研究，取得了一些初步成效，如位于海拔較低的青海共和盆地的沙珠玉治沙站(海拔2 871 m)采取“沙障+灌木”模式進(jìn)行流動沙丘治理[14]。但對于高海拔的若爾蓋草原(海拔3 300 m以上)，“沙障+灌木”模式治理流動沙丘并不成功。相對于干旱半干旱地區(qū)，高寒區(qū)水分充足，更有利于沙丘植被恢復(fù)，所以流動沙丘治理應(yīng)以生物措施為主，工程措施為輔。已有高寒沙化土地治理研究以防治思路[15]、防治途徑探討[16-17]和沙障固沙[18]居多，生物措施以栽植灌木[19-20]為主，對以植被恢復(fù)為目的、種植牧草治理沙化土地的技術(shù)研究鮮為報道。

高寒草地生態(tài)系統(tǒng)脆弱，抗干擾能力差，極易受到人為等因素的干擾，造成草地退化，植被一旦遭受破壞，依靠自然恢復(fù)不僅周期長，而且非常困難[21]。人工輔助措施是退化土地植被快速恢復(fù)的重要途徑[22]，合理有效的人工輔助措施尤為重要。人們在甘肅省瑪曲縣曾使用“沙障+灌木”治理流動沙丘，效果不好。該區(qū)原生植被為草本植物，通過種植牧草來進(jìn)行沙化土地植被恢復(fù)是最切實(shí)可行的治理手段。流動沙丘表面覆蓋牛羊糞既可以固沙、保持水土，又能為植物生長提供養(yǎng)分。本研究結(jié)合鋪施牛羊糞種植牧草，在瑪曲縣開展流動沙丘植被恢復(fù)試驗，以期為高寒區(qū)沙化土地治理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于青藏高原東南緣的甘肅省瑪曲縣，年平均氣溫1.1 ℃-2.7 ℃，極端最低氣溫-29.6 ℃，最高氣溫23.6 ℃，無絕對無霜期，年平均降水量501.6～615.5 mm，主要集中于5—9月，年平均蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，年平均風(fēng)速2.5 m/s，最大風(fēng)速36 m/s，8級以上大風(fēng)日數(shù)77.1 d，最多日數(shù)達(dá)121 d，每年12月至翌年5月為大風(fēng)季節(jié)，氣候高寒陰濕，屬半濕潤草原區(qū)。地帶性土壤為草甸土，土層沙源豐富，地表部分被沙土覆蓋，有不連續(xù)的流動沙丘分布。植被以藏嵩草(Kobresiatibetica)、垂穗披堿草、疏花針茅(Stipapenicillata)、高羊茅(Festucaelata)、草地早熟禾(Poapratensis)等為主，沙化草地以褐鱗苔草(Carexbrunnescens)、賴草(Leymussecalinus)等為主。

1.2 試驗設(shè)計

本研究試驗在一個小型流動沙丘(102°09′06″E， 33°55′00″N，H 3 433 m)上進(jìn)行，該沙丘長55 m，寬40 m，高5 m，分為牛羊糞+無沙障、牛羊糞+沙障、無牛羊糞+沙障和無牛羊糞+無沙障4種種草模式。牛羊糞+無沙障模式采用撒播和條播兩種播種方式，牛羊糞+沙障用5種草種分別播種。試驗草種包括垂穗披堿草、無芒雀麥(Bromusinermis)、中華羊茅(Festucasinensis)、燕麥(Avenasativa)，均為青海同德高寒牧草良種繁育基地生產(chǎn)。牛羊糞來源于試驗沙丘旁牧民家，沙障設(shè)置為1 m×1 m植物纖維網(wǎng)方格，植物纖維網(wǎng)為甘肅匯投治沙科技股份有限公司生產(chǎn)，其性能指標(biāo)：透氣性5 000～7 000 mm/s，減風(fēng)速效率≥60%，透風(fēng)率60%±5%。從迎風(fēng)坡底部沿主風(fēng)向方向劃出30 m，垂直于主風(fēng)向劃出48 m的范圍作為迎風(fēng)坡試驗區(qū)，沿垂直于主風(fēng)向方向?qū)⒂L(fēng)坡試驗區(qū)分為8個30 m×6 m的樣地，依次布置牛羊糞+無沙障模式的撒播和條播試驗、牛羊糞+沙障模式的5種草種試驗和無牛羊糞+沙障種草模式。從背風(fēng)坡底部開始、縱向劃出3 m，橫向劃出20 m的范圍布置無牛羊糞+無沙障模式試驗。草種選擇適應(yīng)高寒區(qū)生長的多年生植物種垂穗披堿草、無芒雀麥、中華羊茅。所有試驗樣地均播種一年生牧草燕麥，為幫助試驗草種破土出苗和遮陰避免強(qiáng)光灼傷幼苗。2018年6月初布置試驗，用圍欄圍封試驗區(qū)，試驗布置具體情況見表1。

表1 不同種草方式試驗設(shè)置情況

分別于2018年8月底和2019年9月初調(diào)查牧草生長情況。在每個試驗樣地隨機(jī)選取5個1 m×1 m的樣方調(diào)查物種高度、密度、蓋度、地上生物量等指標(biāo)。2018年調(diào)查時混播的3種牧草，由于幼苗小，難以分辨；2019年調(diào)查時發(fā)現(xiàn)混播的3種牧草群落垂穗披堿草比例占絕對優(yōu)勢，無芒雀麥和中華羊茅的數(shù)量不及3種牧草總數(shù)量的3%，所以統(tǒng)計時都按垂穗披堿草計。由于新侵入的物種種類和數(shù)量很少，所以以人工播種草種的高度和密度代表所有物種的高度和密度，蓋度和地上生物量為植被總蓋度和總生物量。高度取10株的平均值，蓋度用目測法，地上生物量用刈割法。2019年調(diào)查時，在每個調(diào)查樣方內(nèi)取0—5 cm土層土樣1個，測定土壤有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀氧化—外加熱法)、全氮(半微量凱氏法)、速效磷(碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法)、pH值(電極法)、電導(dǎo)率(電導(dǎo)儀法)、機(jī)械組成(粒度儀法)和田間持水量(環(huán)刀法)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件，分別以播種方式、不同草種和種草模式為變量因素對牧草生長指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，用最小顯著性差異LSD(p<0.05)法進(jìn)行處理間差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 播種方式和草種對牧草生長的影響

在牛羊糞+無沙障種草模式下，比較撒播和條播對牧草生長的影響。2018年，兩種播種方式下牧草高度、密度、蓋度均無顯著差異；2019年，兩種播種方式下牧草高度、密度、蓋度、地上生物量鮮重和干重均無顯著差異(表2)，表明播種方式對牧草生長沒有影響。

表2 高寒草原不同播種方式下牧草生長狀況

在牛羊糞+沙障種草模式下，比較不同草種對牧草生長的影響。如表3所示，2018年，5種草種之間高度、密度和蓋度均無顯著差異。2019年，垂穗披堿草、混播和包衣垂穗披堿草高度分別顯著高于無芒雀麥和中華羊茅，中華羊茅密度顯著大于其他草種、無芒雀麥密度最小且顯著小于中華羊茅和垂穗披堿草，無芒雀麥蓋度顯著高于其他草種，地上生物量鮮重和干重5種草種之間均無顯著差異。無芒雀麥蓋度和生物量較大，與該樣地原生有少量賴草有關(guān)。與種植其他草種相比，單種無芒雀麥雖然蓋度最大，但密度最低；單種中華羊茅雖然密度較大，但蓋度和地上生物量和其他草種相當(dāng)；再者，無芒雀麥和中華羊茅高度都不占優(yōu)勢，地上生物量和其他3種草種無顯著差異。因此認(rèn)為，5種試驗草種的生長狀況差異不大，對植被恢復(fù)的作用相當(dāng)。與2018年相比，所有草種2019年高度、密度和蓋度均大幅增加，這是由于多年生牧草種植當(dāng)年生長量小、無分蘗、無抽穗，第2年有分蘗、而且植株生長更高更大，中華羊茅和垂穗披堿草有抽穗。

表3 高寒草原種植不同草種下牧草生長狀況

2.2 種草模式對牧草生長的影響

在牛羊糞+無沙障種草模式中用撒播、牛羊糞+沙障種草模式中用混播、與無牛羊糞+沙障、無牛羊糞+無沙障進(jìn)行種草模式間的差異性比較。由表4可知，2018年，無牛羊糞+沙障模式牧草高度、密度和蓋度均最小，而且密度和蓋度均顯著小于其他種草模式。無牛羊糞+無沙障模式牧草高度、密度和蓋度均顯著大于其他模式。牛羊糞+無沙障模式和牛羊糞+沙障模式之間牧草高度、密度和蓋度均無顯著差異。

表4 高寒草原不同種草模式下牧草生長狀況

2019年，與沒有施牛羊糞的種草模式相比，鋪施牛羊糞種草模式下牧草高度、密度、蓋度、地上生物量鮮重和干重均顯著增加，而且大幅增加(表4)，由于鋪施牛羊糞較多，牛羊糞+無沙障模式(牛羊糞厚度約2 cm)下牧草高度和蓋度顯著地高于牛羊糞+沙障模式(牛羊糞厚度約1 cm)。同樣不施牛羊糞的情況下，背風(fēng)坡的無牛羊糞+無沙障模式可能由于較少受大風(fēng)的直接吹蝕，水熱條件較好，牧草生長狀況明顯優(yōu)于迎風(fēng)坡的無牛羊糞+沙障模式。

無牛羊糞+無沙障模式下，牧草種植當(dāng)年生長情況比其他3種模式優(yōu)勢非常明顯，但經(jīng)過一個冬春風(fēng)季以后，第二年的生長情況遠(yuǎn)不及鋪施牛羊糞模式，這說明鋪施牛羊糞對牧草的安全越冬具有非常重要的作用。

與2018年相比，2019年鋪施牛羊糞的種草模式下牧草高度、密度和蓋度均大幅增加，而在沒有施牛羊糞的種草模式下牧草高度、密度和蓋度增加幅度較小，甚至密度有減小的情況(無牛羊糞+無沙障模式)。2019年牧草密度增大是因為有分蘗，密度減小是由于部分根系被風(fēng)蝕裸露而死亡的原因。

2.3 種草模式對土壤性質(zhì)的影響及其與牧草生長的關(guān)系

與沒有施牛羊糞的種草模式相比，鋪施牛羊糞使得土壤養(yǎng)分和保持水分狀況明顯改善(表5)，其中，牛羊糞+無沙障模式施牛羊糞較多，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和田間持水量顯著增加；牛羊糞+沙障模式土壤速效磷和田間持水量顯著增加。由于無牛羊糞+無沙障模式在沙丘背風(fēng)坡實(shí)施，土壤砂粒含量相對較高。鋪施牛羊糞也有利于土壤粉粒和黏粒含量的增加。

表5 高寒草原不同種草模式下0-5 cm土層土壤理化性質(zhì)

由表6可知，除密度、干重與土壤有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系不顯著外，牧草高度、密度、蓋度、地上生物量鮮重和干重分別與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和田間持水量呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系。高度、密度和蓋度分別與砂粒含量呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，分別與粉粒含量呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系。這進(jìn)一步說明良好的土壤養(yǎng)分條件和持水能力對牧草生長的具有重要促進(jìn)作用。

表6 高寒草原牧草生長狀況與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

3 討 論

本試驗經(jīng)過2個生長季的結(jié)果表明，鋪施牛羊糞情況下，牧草整體生長情況良好，能安全越冬，流動沙丘植被快速恢復(fù)，效果非常明顯。撒播和條播兩種播種方式對牧草生長基本沒有影響，不同草種的影響也不大。從混播樣地來看，垂穗披堿草比例從播種時的50%到2 a后植株占絕對優(yōu)勢，而無芒雀麥和中華羊茅兩者總和從播種時的50%到2 a多后植株占比不足3%，足以說明垂穗披堿草競爭力很強(qiáng)。種植當(dāng)年的2018年，各個草種均無抽穗，2019年調(diào)查發(fā)現(xiàn)垂穗披堿草抽穗率很高，而且種子成熟很好，中華羊茅抽穗很少，無芒雀麥無抽穗植株，反映了無芒雀麥和中華羊茅種子成熟周期長，繁殖力差。2019年，在混播樣地同時調(diào)查了3種試驗草種的根系，垂穗披堿草、無芒雀麥和中華羊茅的根冠比分別為2.7，2.1，1.2，最長根長分別為18，13，12 cm，垂穗披堿草發(fā)達(dá)的根系支撐了其強(qiáng)大的競爭力和繁殖力。再考慮到種植第2年(2019年)，垂穗披堿草高度比無芒雀麥和中華羊茅均高出一倍左右，防風(fēng)固沙優(yōu)勢明顯。所以，3種試驗草種只需播種垂穗披堿草就可以滿足研究區(qū)沙化土地植被恢復(fù)的需要。試驗同時播種一年生牧草燕麥，其出苗生長快、當(dāng)年生長量大，具有幫助多年生草種破土出苗、遮陰降低地表極端高溫，改善局部小氣候的作用[23]，也有一定的防風(fēng)固沙的作用，為其他牧草的生長提供有利條件，促進(jìn)地表植被恢復(fù)。試驗中包衣垂穗披堿草比不包衣的生長狀況相對更好，但種子價格較高，可根據(jù)成本靈活選擇。

研究區(qū)風(fēng)大沙多，流動沙丘植被恢復(fù)首先要考慮固沙問題[24]，只有沙丘被固定，牧草生長才能有穩(wěn)定的土壤環(huán)境，才能安全越過冬春風(fēng)季。風(fēng)季土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，干沙層增厚，會引起根系缺水，如果沙面固定不好，在大風(fēng)的吹蝕下根系露出沙面，導(dǎo)致根系死亡。本試驗中沙丘表面覆蓋牛羊糞的一個重要的作用就是阻止風(fēng)季牧草根系周圍沙粒被風(fēng)吹蝕，保護(hù)根系、固定沙丘，相當(dāng)于沙障的作用，只要鋪施牛羊糞達(dá)到一定的量，就可以不用另外設(shè)置其他沙障，鋪施較多牛羊糞情況下(厚度約2 cm)，網(wǎng)格沙障已無必要。高寒草原沙化土地治理過程中，恢復(fù)植被應(yīng)該充分考慮土壤水分和養(yǎng)分含量對植物生長的影響[25]，本研究2019的相關(guān)分析也表明，牧草生長狀況與土壤養(yǎng)分和持水能力呈顯著正相關(guān)關(guān)系。腐熟牛羊糞養(yǎng)分含量高，而且覆蓋在沙丘表面雨水可以下滲，又能減少沙丘水分蒸發(fā)，鋪施牛羊糞顯著并大幅增加了沙丘土壤養(yǎng)分和土壤持水能力，種植第2年牧草生長狀況明顯優(yōu)于不施牛羊糞情況。無牛羊糞+沙障種草模式下，雖然網(wǎng)格沙障固定了沙丘，但沙丘土壤養(yǎng)分瘠薄，不能提供牧草正常生長所需的養(yǎng)分；再者，沙面裸露土壤持水能力很差，連續(xù)大風(fēng)干旱天氣會引起土壤干旱，導(dǎo)致牧草缺水不能正常生長。無牛羊糞+無沙障種草模式下，由于位于背風(fēng)坡，小地形使得植物生長的環(huán)境略好于迎風(fēng)坡，再者，播種深度很深(12 cm)，根系能夠利用較深沙層水分，當(dāng)年生長很好，第2年調(diào)查時條播行間有風(fēng)蝕溝，部分根系外露，越冬差，加上土壤養(yǎng)分不足，生長情況明顯差于鋪施牛羊糞模式。兩種都鋪施牛羊糞的種草模式相比，牛羊糞+無沙障模式施牛羊糞多(厚度約2 cm)，土壤養(yǎng)分充足，牧草生長相對更好，尤其是種植第2年高度、蓋度和地上生物量均顯著大于牛羊糞+沙障模式(牛羊糞厚度約1 cm)。

高寒沙地植被恢復(fù)過程中，植物多樣性逐步增加[26]。2019年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，4種種草模式下均出現(xiàn)了少量試驗草種以外的植物種，牛羊糞+無沙障模式中有：灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、褐鱗苔草、賴草、臭蒿(Artemisiahedinii)；牛羊糞+沙障有：阿拉善馬先蒿(Pedicularisalaschanica)、露蕊烏頭(Aconitumgymnandrum)、臭草(Melicascabrosa)、黃耆(Astragalusmembranaceus)、灰綠藜、臭蒿、花苜蓿(Medicagoruthenica)、早熟禾(Poaannua)、褐鱗苔草、草莓(Fragariaananassa)；無牛羊糞+沙障：賴草、臭蒿；無牛羊糞+無沙障：灰綠藜。除沙丘原有的賴草外，其他為新的侵入種，來源于草地種子風(fēng)媒傳播和牛羊糞。從種類數(shù)量來看，施牛羊糞模式下新的侵入種明顯多于不施牛羊糞模式，牛羊糞改善了土壤條件，有利于種子定居，植物多樣性逐步增加。牛羊糞+沙障模式入侵種類最多，該模式網(wǎng)格沙障高15 cm，有利于攔截種子，使其定植。

4 結(jié) 論

高寒流動沙丘人工播種牧草后鋪施牛羊糞，植被能夠很快恢復(fù)，第2年本地植物種開始入侵，植物多樣性開始增加。利用牧草進(jìn)行高寒草原流動沙丘植被恢復(fù)過程中，鋪施牛羊糞具有防沙固沙、改善土壤養(yǎng)分和增加土壤持水能力的多重作用，牛羊糞還具有就地取材的便捷性、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是研究區(qū)流動沙丘進(jìn)行人工植被恢復(fù)的優(yōu)質(zhì)材料。本研究中，鋪施牛羊糞厚度達(dá)到2 cm，牧草生長狀況最好、已無必要設(shè)置其他沙障進(jìn)行固沙。牛羊糞+無沙障種草模式是研究區(qū)流動沙丘植被恢復(fù)最優(yōu)的種草模式。

為保障種植牧草安全越冬，提高流動沙丘植被恢復(fù)效果，在種植牧草時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①播種時間宜早不宜遲，最早可以在5月初播種。高寒區(qū)植物生長季短，適度早播可以增加牧草生長時間，牧草根系生長更發(fā)達(dá)，提高牧草越冬能力；②播種深度適度加深，這樣根系能夠吸收較深層土壤水分，提高牧草抵御不良天氣的能力，但加深播種深度的同時要加大播種量，以避免出苗率低的現(xiàn)象。