北方农牧交错带草地建植模式及效益比较研究——以宁夏盐池县马儿庄为例

刘孝勇，宋乃平，何秀珍，李 勇

(1.西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏 银川 750021; 2.宁夏大学资源与环境学院,宁夏 银川 750021;3.宁夏大学西部生态研究中心，宁夏 银川 750021)

北方农牧交错带位于我国东部季风区向西北干旱区的过渡带[1]，属半干旱气候区，是我国长期农业活动所形成的传统农业和传统牧业分界线两侧的农牧镶嵌结合区域[2]，是我国典型的生态脆弱带，同时也是我国东部重要的生态屏障[3]。草地是北方农牧交错带重要的生态系统，对于保护和恢复该地带生态平衡、防止水土流失有重要作用；也是该地带的一种重要资源，是其发展畜牧业的重要物质基础。目前，我国北方农牧交错带生态环境的现状不容乐观，正在以空前的速度和规模发生着农牧交错带资源衰竭的逆向演替：草丛稀疏，杂草毒草增多，荒漠化进程加剧，自然灾害频繁等[4]。对此，近10年来各地通过退耕还林、退牧还草、封育禁牧、天然草地改良、栽培草地建植等方式恢复生态，草地植被的恢复与重建对于该地带的生态与经济均有着举足轻重的作用[5]。栽培草地建设是加速该地带植被恢复与重建的重要途径，同时也是调整土地利用结构、弥补天然草地之不足以促进畜牧业发展的重要举措[6-7]。关于北方农牧交错带(栽培)草地的生态功能[8-9]、草地退化的涵义[10]、退化的表现[11]、退化的原因[12-14]的研究以及草地恢复的研究[15-17]已多有报道，对于栽培草地水盐动态[18-20]、灌溉制度[21]、水分与生物量的关系[20-22]、生态环境效应等的研究及退耕还林还草等效益评价[23]、畜牧业负外部经济效应的分析[24]等也有一些研究报道。但对于草地不同建植模式差异比较鲜有报道。本研究以宁夏盐池县马儿庄节水灌溉优质牧草种植示范项目区为对象，比较项目区内不同建植模式草地的经济效益、草地土壤水分状况和养分状况，以期为该地带退化生态系统的恢复提供一些可借鉴的资料。

1 研究区概况

宁夏农业综合开发项目——盐池县马儿庄节水灌溉优质牧草种植示范项目区，位于盐池县中部，北部与毛乌素沙地相连,东南部与黄土高原相连，地理坐标为106°37′30″～106°56′15″ E，37°27′30″～37°37′30″ N，海拔1 400 m。盐池县属典型中温带大陆性气候,年均气温8.1℃，年降水量272 mm,7-9月较集中，蒸发量2 710 mm，干燥度3.1，无霜期140 d (绝对无霜期120 d)，≥10℃积温2 945℃·d。该县具有明显的过渡性特点，即自南向北，地形是从黄土丘陵向鄂尔多斯缓坡丘陵过渡，气候是从半干旱区向干旱区过渡，植被类型是从干草原向荒漠草原过渡，荒漠化的形式是从水蚀向风蚀过渡，人类活动方式是从农业向牧业过渡。这种空间上的过渡地带性决定了该地区人类活动的多样性和生态的脆弱性[25]。

为缓解草原退化、沙化造成的草畜之间的矛盾，恢复草原植被，跟踪研究了宁夏回族自治区农业发展办公室与盐池县农业发展办公室于2006年在马儿庄建立的优质牧草种植试验区。为便于管理，把试验区划分为3个区。灌溉方式为喷灌，2006年喷灌6次，第1次喷灌水量为550 m3/hm2，其余5次均为400 m3/hm2；2007年喷灌4次，灌水量分别为500、450、250、250 m3/hm2；2008年Ⅰ、Ⅱ区没有灌溉，Ⅲ区喷灌了2次，灌水量均为250 m3/hm2；2009年均未喷灌。种植的草种主要是紫花苜蓿(Medicagosativa)和甘草(Glycyrrhizauralensis)，其中Ⅰ、Ⅱ区草地为甘草苜蓿混播建植模式，Ⅲ区为甘草单独播种、苜蓿单独播种和甘草、牛心朴子(Cynanchumkomarovii)等为主的天然草地3种模式。

2 数据测定与处理

2.1数据测定

2.1.1土壤水分 2006年5月-2009年10月,每月逢1、15日定期监测4种建植模式草地生长季内的土壤水分,在0～100 cm的土层中每20 cm为一层分别在距地表10、30、50、70及90 cm采样。土样用烘干法在(105±5)℃下烘至质量不变,计算其土壤含水量,用质量百分比(干质量%)表示。

2.1.2土壤养分 用2006年5月1日，2009年10 月15日取得的土样进行土壤养分测定。采用系统分析法(ASI)对4种草地土壤养分状况进行分析，为了与历史资料对比，主要测定有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾。

2.1.3产草量 于2009年6月30日在苜蓿草地上随机取3个样方，用刈割法得到苜蓿草地第1茬的鲜草质量。于8月15日，在4种建植草地上用同样的方法，得到每种草地的鲜草质量。每一样方鲜草在65℃下烘至质量不变后称干质量，得到每种草地产草量的干物质产量(苜蓿草地的产草量为1、2两茬之和)。为简便起见，把混播甘草地所采集的地上生物量均当成苜蓿计算。2006年甘草、苜蓿种植较晚，饲草产量很低，可利用量忽略不计。栽培草地建植初期年饲草产量少，随时间推移，逐渐增多，故其年均饲草产量估算为2009年的2/3。天然草地以2009年的产量代表其年平均值。

2.1.4甘草地下部分产量 甘草苜蓿混播区、甘草单独播种区随机各取3个样方，大小为1 m ×1 m，每个样方各挖1 m深的剖面[26]。有研究表明[25]，甘草80%的地下根茎分布于0～30 cm的土层，为较精确地了解甘草地下根茎的分布又避免其被破坏和产量减少，按0～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm的深度分层采取根样, 取样后清洗晾干,用1/100天平称取鲜质量，经烘干至质量不变后称取干质量。因甘草地下根茎产量于2009年一次性收获，故其年均地下产量为总产量除以4。

2.1.5饲草、甘草价格 甘草、甘草籽实及苜蓿价格以2009年7、8月份当地收购的市场价为准，即干甘草价格为12元/kg ,苜蓿价格1.5元/kg,甘草茎叶价格参照2008年玉米秸秆的价格为0.3元/kg，天然草地饲草价格参照甘草茎叶价格为0.3元/kg。

2.2数据处理

2.2.1草地经济收益的计算

年平均收益=年平均地下产量×甘草价格+年平均干草产量×饲草价格+年平均种子产量×种子价格。

其中，种子的产量较少，其收益忽略；苜蓿、天然草地地下部分没有经济价值，其收益也忽略。

具体算法：将甘草和甘草-苜蓿混播草地1 m2的地下部分产量、地上部分产草量折算成1 hm2的产量；甘草地下根茎产量除以生长年限再乘以价格得到对应草地的年均地下收益；产草量乘以价格得到对应草地当年饲草收益；各草地当年饲草收益乘以2/3得对应草地年均饲草收益；年均地下收益与年均饲草收益相加得到各建植草地的年均收益。

2.2.2灰色综合评判法 利用灰色关联度分析的灰色综合评判法对不同建植模式草地土壤水分和养分的状况进行评价。具体来说，根据各指标与相应最优指标之间的关联度大小对被评价对象进行比较与排序，评判出各草地土壤水分、养分状况的优劣。具体步骤如下：

1)确定最优集作为参考序列；

2)原始数据变换；

3)求差序列；

4)计算关联系数；

5)求关联度，确定评判结果。

(2)

式中，ri为子序列与母序列的关联度,n为比较序列的长度(即数据个数)[27]。通过ri的大小确定不同建植模式草地土壤水分、养分状况的优劣，及其变化好坏。

3 结果与分析

3.1不同建植草地土壤水分状况比较 按照灰色关联度分析的灰色综合评判法，以4种建植模式草地2006-2009年各年水分值(表1)组成比较序列，4年中每年水分的最大值组成参考序列。将原始数据进行无量纲化后，得到新的数据列，进而求出差序列，最后根据公式(1)、(2)得出不同建植模式草地土壤水分的关联系数和关联度(表2)。

4种不同建植草地水分状况由高到低依次为：甘草-苜蓿混播草地>苜蓿草地>甘草草地>天然草地。土壤水分状况取决于气候状况、地下水状况、地形特点、植被盖度等[28-29]。项目区内气候条件可以看作相同，地下水位很深，其对草地土壤水分的影响也可以认为相同，各草地土质状况相似，地势都较平坦。因此，植被覆盖状况是对各草地的水分影响重要因素。首先，6月中旬之前，甘草草地、天然草地覆盖度很低(甘草草地低于天然草地)，而苜蓿草地、甘草-苜蓿混播草地盖度则较高，这段时间，项目区晴天多，风大，蒸发旺盛，覆盖度很低的甘草草地、天然草地水分蒸散较大；及至7月上旬，第1茬苜蓿已经刈割，此时苜蓿草地覆盖度低，而其他3种草地的植被长势已成，盖度一般都在40%以上(天然草地是最低的)。其中，甘草-苜蓿混播草地由于苜蓿的刈割，减少了植物的耗水，而随着甘草的生长使之具有了较大的盖度，因而减少了水分的蒸散，有利于混播草地水分保持较高的水平。综观各草地的生长期内，混播草地盖度从6月初就相对其他草地大，直至生长季结束，苜蓿草地虽在6月初具有了较大的盖度，但在高温的7月因刈割而造成的低盖度时期(10～15 d)，甘草草地盖度高主要在7-9月，时间较短，天然草地生长季内盖度较小，并且变化不大。另外，草种的类型不同，耗水也不同，但在全年降水仅有270 mm左右且又季节分配不均的情况下，植物大部分时间是在水分胁迫下生长。因此，各草地植物生长耗水差别不大。总之，不同建植模式草地的覆盖度差异，是草地水分差异的重要原因。

表1 2006-2009年不同草地土壤水分 %

表2 2006-2009年不同草地土壤水分关联系数和关联度

2006-2009年，4种草地水分的变化趋势(表1)为天然、苜蓿草地水分基本是逐年下降，且苜蓿草地水分下降趋势大于天然草地；甘草草地水分在2006年最低，然后升高，下降，再升高；混播草地水分在2006年最大，然后下降，2009年又上升。因此，就水分的变化趋势看，甘草草地最好，其次是混播草地、天然草地，最差的是苜蓿草地。

有研究表明[30]，苜蓿草地在3年后易出现干层，从而造成土壤水分的利用难以为继。虽然苜蓿草地水分状况较好，但其水分变化趋势最差。因此，不宜在相似气候条件的地区发展；甘草-苜蓿混播草地2008年没有喷灌，但水分条件最好，从水分的角度看，宜大力发展；甘草草地水分仅好于天然草地，但其水分变化趋势最好，甘草又是本地植物，具有较高经济价值，可通过与一些浅根性草类混种扩大种植面积。

3.2不同建植草地土壤养分状况的灰色关联度分析 按灰色关联度分析的灰色综合评判法，以4种建植模式草地2006-2009年主要养分指标(表3)为比较序列，4年中相应指标的最大值组成参考序列。原始数据进行无量纲化后，得到新的数据序列，进而求出差序列，最后根据公式(1)、(2)得出不同建植模式草地土壤养分的关联系数(表4)和关联度(表5)。

表3 2006-2009年不同草地土壤主要养分灰色关联分析指标值及参考序列

由4种草地4年的养分平均关联度比较来看(表5)，X1>X2>X4>X3，即苜蓿草地>甘草草地>天然草地>甘草-苜蓿草地。其中，苜蓿草地、甘草草地养分状况差别较小，天然草地比二者差较多，而甘草-苜蓿草地最差，与天然草地相比也差较多。但是，不同年份的气候状况不同，不同生长年限的草类对土壤养分的影响也不同。

为消除这种平均化的做法对气候状况、植物生长年限的影响的忽略，为此对上述比较序列对参考序列的关联度再利用灰色关联方法进行评比，以4种草地每一年最大关联度组成参考序列，4种草地的关联度为比较序列，经计算得到以下结果(表6)。

表4 2006-2009年4种草地土壤养分灰色分析的关联系数

表5 2006-2009年4种草地土壤主要养分的灰色关联度及平均值

表6 2006-2009年4种草地土壤主要养分的灰色关联度的关联系数及关联度

X2>X1>X4>X3，即养分状况最好的是甘草草地，其次是苜蓿草地，然后是天然草地，最差的是甘草-苜蓿草地。甘草-苜蓿草地的土壤养分状况逐年下降，并且每年都较低；其他3种草地养分状况变化趋势相似，都是先升高，再降低，又升高；其中，天然草地和苜蓿草地变化波动较大，而甘草草地的波动较小，并且甘草草地与苜蓿草地差别不大。甘草-苜蓿草地养分状况最差，其养分的变化趋势又是逐年下降的(表5)。因此，甘草-苜蓿混播草地不宜大面积推广。

3.3不同建植草地经济效益比较 不同建植类型草地在地下产量、年均地下收益、产草量、当年饲草收益、年均饲草收益及草地年均收益等方面都存在差异(表7)。甘草草地、苜蓿-甘草混播草地的地下产量和年均地下收益差异都较大。各建植草地的地上部分的产草量及收益差异也较大：产草量由大到小依次为苜蓿草地、苜蓿-甘草混播草地、甘草草地、天然草地，最大的苜蓿草地产草量为5 845.88 kg/hm2，是天然草地产草量(1 192.40 kg/hm2)的近5倍；当年饲草收益由大到小依次为苜蓿草地>甘草-苜蓿混播草地>甘草草地>天然草地，年均饲草收益由大到小依次为苜蓿草地>甘草-苜蓿混播草地>天然草地>甘草草地；年均饲草收益也以苜蓿草地为最大，甘草草地的饲草收益最小，二者相差近5 600元/hm2。从草地年均收益看，4种草地由高到低的排序为甘草草地>甘草-苜蓿混播草地>苜蓿草地>天然草地。建植甘草草地、甘草-苜蓿混播草地、苜蓿草地时，施用化肥、机耕等投入相同，苜蓿和甘草种子的价格相差无几，而天然草地没有投入，其收益也是最低的。这样看来，4种草地的经济效益的大小与草地收益大小顺序相同，即甘草草地>甘草-苜蓿混播草地>苜蓿草地>天然草地。因此，从经济效益考虑，甘草草地是当地草地模式的最优选择，天然草地则显然不能作为当地退化生态系统恢复的主要方式。

表7 不同建植草地收益

4 结论

从水分的高低状况看，4种草地由大到小依次为甘草-苜蓿混播草地>苜蓿草地>甘草草地>天然草地；从水分的变化趋势的优劣看，甘草草地最好，其次是甘草-苜蓿混播草地，天然草地，最差的是苜蓿草地。

从草地土壤的养分状况看，养分状况最好的是甘草草地，其次是苜蓿草地、天然草地，最差的是甘草-苜蓿草地。

从经济效益看，4种草地由大到小依次为甘草草地>甘草-苜蓿混播草地>苜蓿草地>天然草地。

从综合效益考虑，甘草草地是4种草地模式中最佳的，但其水分状况仅好于天然草地，如与一些浅根性草类混种，其综合效益将更为显著。

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