不同載畜率下荒漠草原非生長季植物群落特征對近地面風(fēng)沙通量的影響

倪芳芳，呂世杰，屈志強(qiáng)，白璐，孟彪，張博涵，李治國

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

內(nèi)蒙古荒漠草原的面積占內(nèi)蒙古草地的10.7%，是內(nèi)蒙古草原的重要組成之一。目前，內(nèi)蒙古草原已出現(xiàn)嚴(yán)重退化、沙化、鹽漬化等現(xiàn)象的草原面積達(dá)3.78×107hm2，占全區(qū)可利用草原總面積的56.3%。草產(chǎn)量也出現(xiàn)退化現(xiàn)象，其中荒漠草原草產(chǎn)量平均下降30.3%［1］?；哪菰鳛榈湫筒菰蚧哪^渡的草原類型，屬于比較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)［2］，其植被稀疏，生境惡劣，抗干擾能力弱［3］，易受到風(fēng)蝕的影響。尤其在近3 年，內(nèi)蒙古連續(xù)遭受了幾十年未遇的干旱和沙塵暴等自然災(zāi)害［1］，進(jìn)一步加劇了土壤風(fēng)蝕。土壤風(fēng)蝕是一種基于動力學(xué)與物理學(xué)的自然地理過程，是指在風(fēng)力的作用下，沉積物被分離、搬運(yùn)、沉積，它是土壤侵蝕的重要類型之一［4］。風(fēng)蝕的發(fā)生伴隨著土壤的運(yùn)移以及土壤養(yǎng)分的流失，在草地沙化的過程中，首先是土壤的黏粉粒和極細(xì)沙等細(xì)顆粒在強(qiáng)風(fēng)作用下發(fā)生運(yùn)移，導(dǎo)致土壤粗粒化［5-6］，從而進(jìn)一步引起土壤有機(jī)質(zhì)、氮、碳、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量的降低。土壤養(yǎng)分的流失致使土壤供給植被養(yǎng)分的能力下降，植被生長受限反過來又促進(jìn)土壤風(fēng)蝕的發(fā)生［6］，進(jìn)而形成一種惡性循環(huán)，不斷加劇土壤風(fēng)蝕。植被覆蓋在一定程度上可以抑制土壤風(fēng)蝕的發(fā)生，趙永來等［7］和張春來等［8］研究指出，植被蓋度的增加可以使風(fēng)速顯著降低，從而減少土壤風(fēng)蝕量。慕青松等［9］研究認(rèn)為，隨著植被蓋度的逐漸增大，其對應(yīng)的臨界侵蝕風(fēng)速也不斷增大。因此，植被特征對于風(fēng)蝕的發(fā)生具有重要的影響。

放牧作為一種主要的草地利用方式，影響著草地生態(tài)系統(tǒng)的植被和土壤［10］，家畜會通過采食、踐踏等行為，使得草地的地表狀況發(fā)生變化［11］。放牧?xí)绊懼参锶郝浣M成，放牧強(qiáng)度的增加使物種數(shù)呈減少的趨勢，此外家畜的過度踩踏會導(dǎo)致部分不耐踐踏的植物數(shù)量和種類減少［12］。不同的放牧強(qiáng)度會使荒漠草原植物高度、蓋度、多度等有顯著差異［13］。長期過度放牧?xí)?yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)及功能，植被稀疏低矮與表層土壤破壞使得土壤風(fēng)蝕愈演愈烈［14-15］。因此，適當(dāng)?shù)妮d畜率對于草地的可持續(xù)性利用非常重要。然而，在我國已有的風(fēng)蝕研究中，大多是以沙漠區(qū)為主，對于草原區(qū)，尤其是對長期放牧條件下的荒漠草原風(fēng)蝕研究較少。

為此，本研究基于內(nèi)蒙古長期梯度放牧試驗(yàn)和風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)的平臺，通過對風(fēng)蝕物的收集和植物群落特征（高度、蓋度、枯落物量）的調(diào)查，分析不同載畜率下植物群落特征對于風(fēng)沙通量的影響。這些變化特點(diǎn)和規(guī)律的揭示以及相關(guān)關(guān)系的探討，可為荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展與保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)位于北緯41°47′17″，東經(jīng)111°53′46″，烏蘭察布市四子王旗王府一隊(duì)的內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院綜合試驗(yàn)示范中心。本地區(qū)全年八級風(fēng)日數(shù)50～70 d，沙塵暴日數(shù)15～20 d，春季是大風(fēng)的主要季節(jié)。全旗歷年平均降水量為313.8 mm，分布極不均勻，多集中在7-9 月，且蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降水量。該試驗(yàn)區(qū)屬于荒漠草原，群落建群種為旱生和強(qiáng)旱生叢生禾草?；哪菰莾?nèi)蒙古天然草地的重要組成部分，具有溫帶草原旱生性最強(qiáng)的植物種類組成。試驗(yàn)區(qū)的植物群落類型為短花針茅（Stipa breviflora）+冷蒿（Artemisia frigida）＋無芒隱子草（Cleistogenes songorica）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究是以2004 年建立的長期梯度放牧的試驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，樣地總面積約50 hm2，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，將12 個圍欄放牧小區(qū)（每個小區(qū)占地面積4.4 hm2）劃分為3 個區(qū)組，每個區(qū)組內(nèi)隨機(jī)排列4 個不同的載畜率水平：對照（control，CK）、輕度放牧（light grazing，LG）、中度放牧（moderate grazing，MG）和重度放牧（heavy grazing，HG）（圖1）。在放牧季內(nèi)（6 月1 日-11 月30 日）設(shè)定不同的載畜率值，分別為0（CK）、0.91（LG）、1.82（MG）和2.71（HG）羊單位·hm-2·半年-1，實(shí)際在輕度、中度和重度區(qū)分別放4、8 和12 只綿羊。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)和區(qū)組位置Fig.1 Locations of the experiment plot and block

在每個放牧小區(qū)的中間位置，選擇能代表對應(yīng)放牧強(qiáng)度的典型地段設(shè)置5 m×20 m 的開放小樣區(qū)（開放樣區(qū)用于保障放牧對于風(fēng)蝕產(chǎn)生的作用），用于安裝BSNE（big spring number eight）采樣器。采樣器與盛行風(fēng)垂直，本地區(qū)非生長季盛行西風(fēng)和西北風(fēng)，且在此方向大于6 m·s-1的風(fēng)頻較高，輸沙勢較大。使用GPS 和地形圖進(jìn)行定位且保證各集沙裝置所處高程及坡向一致。每個采樣器集沙口寬2 cm，高5 cm。集沙裝置可以捕獲空氣中的風(fēng)蝕物，BSNE 的集沙效率為90%以上。本試驗(yàn)將3 個高度集沙盒（10、30、50 cm）安裝在同一支撐桿上，用于收集風(fēng)蝕物，每個放牧小區(qū)放置3 個集沙盒，12 個小區(qū)，共36 個集沙盒。

2018 年10 月中旬在每個放牧小區(qū)安裝集沙盒，于2019 年4 月中旬將各個放牧小區(qū)內(nèi)不同高度集沙盒的沙塵樣品用蒸餾水沖刷收集，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干處理得到風(fēng)蝕物樣品，收集后用1/1000 的電子天平稱重，測定土壤風(fēng)蝕量（g）。

在2018 年9 月于每個放牧小區(qū)和對照區(qū)隨機(jī)設(shè)置10 個1 m×1 m 的樣方，記錄植物群落的物種組成和不同植物的功能性狀（蓋度、高度），并收集樣方內(nèi)枯落物，于80 ℃烘箱烘干24 h 稱重（精確至0.1 g），得到枯落物量（g·m-2）。

1.3 計(jì)算方法

風(fēng)沙流水平通量（Q）可用每單位時間內(nèi)垂直于風(fēng)向的固定高度單位寬度的風(fēng)沙質(zhì)量表示。Q 是由距地表不同高度風(fēng)沙流q（z）構(gòu)成，q（z）有不同的擬合方程［16］，本試驗(yàn)參照李永強(qiáng)等［17］和Shao 等［18］研究中使用的方法進(jìn)行擬合，不同高度單位面積水平通量q（z）滿足下面的關(guān)系：

式中：a，b，c是擬合參數(shù)；z是集沙口的高度（m）。方程兩邊取對數(shù)，即：

通過SPSS 進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，不同垂直高度水平通量q與集沙高度z通過二次多項(xiàng)式函數(shù)建立關(guān)系；通過擬合的多項(xiàng)式方程，求得常數(shù)項(xiàng)a、b和c，所有參數(shù)已知，完成q（z）方程的建立。

需要進(jìn)一步對q（z）方程進(jìn)行從地表到1 m 高度的積分計(jì)算求得Q。根據(jù)積分方程（2）可以求得1 m 高度1 m寬度截面范圍內(nèi)的水平通量Q。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究使用Excel 進(jìn)行植物群落特征和風(fēng)蝕物數(shù)據(jù)的初步處理分析，使用SAS 軟件進(jìn)行對應(yīng)分析（CORRESP 過程）以及典型相關(guān)分析（CANCORR 過程）。不同集沙高度的風(fēng)沙通量數(shù)據(jù)在SAS 軟件中進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA 過程），并進(jìn)行Duncan 多重比較，顯著性水平為α=0.05，然后再用Sigmaplot 14.0 作圖。采用AMOS 21.0 擬合構(gòu)建不同載畜率下植物群落特征對風(fēng)沙通量影響的結(jié)構(gòu)方程模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同載畜率下草地植物群落特征

植物群落蓋度和高度都隨載畜率增加而逐漸減小（圖2），其中CK 區(qū)顯著高于MG 和HG 區(qū)（P＜0.05）。LG、MG、HG 區(qū)的蓋度之間沒有顯著性差異，而LG、MG 區(qū)高度顯著高于HG 區(qū)。CK 和LG 區(qū)枯落物量顯著高于HG 區(qū)（P＜0.05）。

圖2 植物群落特征在不同載畜率下的差異Fig.2 Differences of the plant community characteristics under different stocking rates

2.2 不同載畜率下近地面集沙高度的風(fēng)沙通量

對集沙高度10 cm 的風(fēng)沙通量來說，MG 和HG 區(qū)的風(fēng)沙通量顯著高于CK 區(qū)（P＜0.05），且此高度的風(fēng)沙通量在CK 區(qū)占比最低，而在LG、MG、HG 區(qū)均占比最高（圖3 和圖4）。而集沙高度30 和50 cm 的風(fēng)沙通量在不同載畜率間均無顯著差異，HG 區(qū)0～50 cm 顯著高于CK 和LG 區(qū)（P＜0.05）。整體來看，LG 區(qū)與CK 區(qū)的風(fēng)沙通量無顯著差異，HG 與MG 相近，差異性不顯著（圖3）?？偟娘L(fēng)沙通量隨著載畜率的增加呈上升趨勢，CK 區(qū)最低，LG 和MG 區(qū)分別是CK 區(qū)的1.29 和1.81 倍，HG 區(qū)的風(fēng)沙通量最高，是CK 區(qū)的2.20 倍（圖4）。

圖3 不同近地面集沙高度風(fēng)沙通量在不同載畜率下的差異Fig.3 Differences of dust flux at different heights of near-surface under different stocking rates

近地面不同高度風(fēng)沙通量在不同載畜率下所占的比例不盡相同（圖4）。集沙高度30 cm，CK 區(qū)的風(fēng)沙通量比10 cm 的占比 高，比50 cm 的少，而在LG 和HG 區(qū)均最低，在MG 區(qū)，集沙高度30 cm 比10 cm 的少，比50 cm的高。

圖4 不同近地面集沙高度風(fēng)沙通量在不同載畜率下所占比例Fig. 4 Percentage of dust flux at different heights of nearsurface under different stocking rates

2.3 不同載畜率下風(fēng)沙通量與植物群落特征的關(guān)系

植物群落高度和蓋度對集沙高度10、30 和50 cm的風(fēng)沙通量影響較大，枯落物量對其影響相對較小（圖中其與風(fēng)沙通量距離較遠(yuǎn)）。HG 區(qū)對不同高度風(fēng)沙通量的影響最大（圖中其與風(fēng)沙通量距離較近），其次是MG、LG 和CK 區(qū)，因此放牧強(qiáng)度對風(fēng)沙通量有很大影響（圖5A）。

風(fēng)沙通量與植物群落特征的典型相關(guān)系數(shù)為0.9420，風(fēng)沙通量與植物群落特征整體上呈顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），且植物群落的高度、蓋度和枯落物量在植物群落特征典型變量的載荷系數(shù)均為負(fù)值，因此其與風(fēng)沙通量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中植物高度對風(fēng)沙通量的影響最大，且集沙高度10 cm 的風(fēng)沙通量受植物群落特征的影響最大，即植物群落高度越高導(dǎo)致集沙高度10 cm 的風(fēng)沙通量越?。▓D5B）。

圖5 不同載畜率下風(fēng)沙通量與植物群落特征的關(guān)系Fig.5 Relationship of dust flux and plant community characteristics under different stocking rates

不同載畜率下植物群落特征對不同近地面高度風(fēng)沙通量都有影響，因此將這些可觀測變量納入模型，載畜率與集沙高度10 cm 風(fēng)沙通量路徑系數(shù)是0.30，即載畜率與10 cm 高度風(fēng)沙通量呈正相關(guān)，植物群落的高度、蓋度和枯落物量與10 cm 風(fēng)沙通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6A）。對于集沙高度30 cm 的風(fēng)沙通量而言，不同載畜率對植物群落高度影響最大，路徑系數(shù)是-0.94，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6B）。載畜率對距地表50 cm 高度風(fēng)沙通量的直接影響不顯著，因此可剔除此路徑。植物群落高度與風(fēng)沙通量路徑系數(shù)是-0.96，說明植物群落高度對于土壤風(fēng)蝕的發(fā)生起到一定的阻礙作用（圖6C）?？偟膩碚f，植物群落高度對風(fēng)蝕量的降低具有顯著影響（P＜0.05）（圖6D）。

圖6 不同載畜率下風(fēng)沙通量與植物群落特征結(jié)構(gòu)方程Fig.6 Structural equation of dust flux and plant community characteristics under different stocking rates

3 討論

放牧是人類對草原生態(tài)系統(tǒng)最主要的干擾［19］，長期放牧可減少植被覆蓋并改變土壤的穩(wěn)定性，使草地風(fēng)蝕敏感性增加［3，20］，因此，隨著放牧強(qiáng)度的增加，各集沙高度的風(fēng)沙通量呈上升趨勢。本研究中，隨著載畜率的增加，各集沙高度的風(fēng)沙通量均呈不同程度的上升趨勢，其中10 cm 集沙高度的風(fēng)沙通量在不同載畜率下有顯著差異。有研究發(fā)現(xiàn)流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘的輸沙量隨著高度增加呈下降趨勢［21-22］。邊凱等［23］發(fā)現(xiàn)輸沙量隨著高度增加呈單一指數(shù)規(guī)律遞減。余沛東等［24］研究表明，隨著地表高度的增加，不同植被覆蓋度下各風(fēng)速的輸沙率均呈不同程度的下降。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)集沙高度10 cm（即距地表最近的高度）的風(fēng)沙通量與其他高度的相比，其在LG、MG、HG 區(qū)均占比最大。地表上覆蓋的植被可以降低風(fēng)速，使土壤顆粒不易被分散，并且可以截留一部分風(fēng)吹動的土壤顆粒［7］。植被有多種途徑保護(hù)地表土壤，減少風(fēng)蝕的輸沙量，當(dāng)風(fēng)蝕發(fā)生時，氣流在穿過植被時被削弱、阻擋，從而降低風(fēng)速，阻止被蝕土壤的運(yùn)動［25-26］。本研究中，載畜率與集沙高度10 cm 風(fēng)沙通量呈正相關(guān)關(guān)系，但是與30 cm 高度的風(fēng)沙通量呈負(fù)相關(guān)。這可能是由于受到植物群落高度的影響，2018 年9 月各處理下大部分植物高度在20 cm 以下（圖7），其中CK 區(qū)86.7%、LG 區(qū)96.3%、MG 區(qū)93.3%、HG 區(qū)100%的植物高度都低于20 cm。由于植物可以阻擋一部分的沙塵，當(dāng)達(dá)到起沙風(fēng)速時，大部分植物高度在20 cm 以下，阻擋一部分沙塵的上揚(yáng)，使其在近地表處移動，CK 區(qū)植物群落高度在10 cm 以下的占20.0%，LG 區(qū)占43.3%，MG 區(qū)占60.0%，HG 區(qū)占86.7%，因此風(fēng)蝕物主要集中在距地表10 cm 高度處，30 cm 高度的風(fēng)蝕量較少。載畜率與集沙高度50 cm 的風(fēng)沙通量呈正相關(guān)關(guān)系，可能是由于風(fēng)蝕物中粉粒占比較大，導(dǎo)致風(fēng)蝕量增加，載畜率對距地表50 cm 高度的風(fēng)沙通量影響較大。

圖7 植物群落高度箱線圖Fig.7 Box plot of community height

尚潤陽等［27］研究發(fā)現(xiàn)林地的土壤風(fēng)蝕與植被高度具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，本研究與之相同，但是通過單因素方差分析中得到植被高度沒有植被蓋度對土壤風(fēng)蝕的影響顯著，而本研究中得到的結(jié)論有所不同，在研究植物群落特征（蓋度、高度、枯落物量）對土壤風(fēng)蝕的影響中，植物群落高度比植物蓋度對風(fēng)蝕的影響更大，造成這一結(jié)果的主要原因是研究地植被狀況不同。并且本試驗(yàn)是研究不同載畜率下非生長季的風(fēng)沙通量，植被狀況和風(fēng)沙通量都存在季節(jié)差異［17］，冬季的植物枯萎，相對于生長季節(jié)來說，植物群落蓋度在不同載畜率間的差異較小，且對于風(fēng)蝕的影響減弱，而植物立枯物高度對于風(fēng)蝕仍然起到一定的阻礙作用，可阻擋被風(fēng)吹蝕起來的土壤顆粒。因此植物群落高度比蓋度對風(fēng)蝕的影響更加顯著。

孫世賢等［28］研究表明，集沙量與枯落物量存在指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，枯落物可通過降低地表風(fēng)速從而降低草地的輸沙量，荒漠草原冬春季節(jié)枯落物保持量高于32.93 g·m-2，有利于降低草地風(fēng)蝕量。此外，秋季重度放牧?xí)蚪档涂萋湮锪康纫蛩囟又夭莸仫L(fēng)蝕，北方的沙塵暴等主要發(fā)生在冬春季節(jié)，因此，探究不同載畜率下荒漠草原非生長季植被特征對草地風(fēng)蝕的影響具有重要意義。

4 結(jié)論

載畜率的增加會加劇土壤風(fēng)蝕，尤其顯著增加集沙高度10 cm 的風(fēng)沙通量和0～50 cm 的總風(fēng)沙通量。集沙高度30 和50 cm 的風(fēng)沙通量在不同載畜率間的差異均未達(dá)到顯著性水平。不同載畜率下，植物群落特征對風(fēng)沙通量有顯著影響。風(fēng)沙通量與植物群落高度、蓋度和枯落物量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中主要通過植物群落高度影響風(fēng)沙通量，植物越高，土壤風(fēng)蝕量越小?；哪菰S著載畜率增加，植物種的數(shù)量減少，且MG、HG 區(qū)與CK、LG區(qū)植物群落特征（高度、蓋度、枯落物量）狀況相比較差，因此當(dāng)載畜率達(dá)到一定程度就會破壞植物的生長，進(jìn)而增加草地風(fēng)蝕量。