锡林河流域退化草地植被恢复措施及水土保持效应研究

荣 浩，何京丽，珊 丹，刘艳萍，梁占岐

(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)



锡林河流域退化草地植被恢复措施及水土保持效应研究

荣 浩，何京丽，珊 丹，刘艳萍，梁占岐

(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

以内蒙古北部锡林河流域退化草地为研究对象，通过对围栏封育、免耕补播、旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉饲料地5种措施作用下植物生长状况、土壤水分保持作用、抗风蚀能力的试验研究。结果表明：围栏封育、免耕补播在恢复退化草地植被、提高生产力方面效果显著，是退化草地生态修复的主要措施；适地实施旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉饲料地面积各1 hm2，可置换出退化草地面积分别为10 hm2，18 hm2和79 hm2；通过灰色关联度进行效益评价，各种植被恢复措施之间的综合效益差异不明显，植被恢复措施实施后，综合效益均达到较高水平。

锡林河流域；退化草地；植被恢复；水土保持；措施

我国天然草地多分布于自然条件差、生态环境脆弱的区域，因气候和经营管理等问题，造成天然草地退化、水土流失严重和生产力下降，急需实施植被恢复技术措施，改良、恢复和保护天然草地植被和生态环境，促进草地生产力提高，促进社会经济可持续发展[1]。近年来，我国在退化草地生态修复方面的研究取得了较大进展，张文军等[2]分析了常用的农艺、化学和生物措施，如浅耕翻、松土、火烧、施肥、灌溉、补播、施枯草或秸秆、石膏改良等恢复退化草地的优缺点及适用范围；张洪生等[3]研究了围封、浅耕翻改良处理对退化天然羊草(Leymuschinensis)草地植被盖度、高度、地上生物产量、生物多样性的影响；张东杰等[4]对天然草原退牧还草示范工程实施3年后的退化草地进行观测，研究禁牧封育对退化草地的改良作用；高天明等[5]研究发现，灌溉对于退化草地的生态恢复作用非常明显，灌溉可以显著提高草地植被的生产性能，并对群落生态结构无显著影响。草地植被恢复技术是在不破坏草原原生植被条件下，用生态学基本原理和方法，通过各种农艺措施，改善天然草群赖以生存的环境条件，必要时可引入适宜当地生存的天然草种或驯化种，增加天然草群成分和植被密度，提高草地第一性生产力[6]。草地植被恢复技术具有综合性、交叉性、边缘性等特点。选取北方退化草地典型区域锡林河流域天然草地作为研究对象，根据退化草地特点、水土流失特征，从植物生长状况、土壤水分保持作用、抗风蚀能力等方面分析了主要植被恢复措施的生态适应性及水土保持效应，为构建退化草地“恢复草地植被、提高生产力”为目标的水土保持生态修复技术综合体系提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

研究区的主要植被恢复措施包括围栏封育、草地改良(免耕补播)、旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉饲料地，各措施试验区位于锡林浩特市南10 km处，试验区主要土壤类型为沙质栗钙土，植被类型属典型草原植被，以克氏针茅(Stipakrylovii)、羊草为主要建群种，植被盖度35%～50%。按照李博[7]退化草地分级方法，表1列出了以长期放牧形成轻度退化和重度退化的天然草地作为对照样地(CK1、CK2)，分别在轻度退化草地和重度退化草地设围栏封育措施试验样地(Ⅰ、Ⅱ)，在轻度退化草地设草地改良(免耕补播)试验样地(Ⅲ)、旱作人工草地试验样地(Ⅳ)、灌溉人工草地试验样地(Ⅴ)、灌溉饲草料试验样地(Ⅵ)。

表1 试验样地基本状况Table 1 Description on research sites

1.2 试验方法

通过分析各试验区植物生长状况、土壤蓄水能力及抗风蚀能力，评价各措施对退化风蚀草地的水土保持效应。布设土壤风蚀量固定监测区，土壤风蚀量测定采用测钎法[8]，监测区内埋设15～20 cm测钎9根，垂直主风向布设3行，每行3支，间距为1 m×1 m，定期测定测钎距离地面高度变化，分析风蚀量，每3个月测试1次；土壤含水量采用烘干称重法，各监测样点按不同深度(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm)分层抽取土样烘干，土壤含水量以土壤中所含水分重量占烘干土重的百分数表示，30 d测试1次，3次重复；植被盖度每月观测记录1次，测定采用自制的1 m2铝合金框(平均分割成100个1 cm2的小格)，在各个样区内随机选取5个样地，并分别做3个重复，同时调查植物生长高度；植物频度每月观测记录1次，测定方法用直径为30 cm的圆圈在草地上随意放置10次，确定圈内的植物名称，并计算其频率；植被地上生物量采用刈割法，每年生长旺季在样地和对照区随机选取3个0.5 m×0.5 m的样方，齐地面剪割所有植物，自然风干称重后取平均值。

1.3 研究方法

采用层次分析法和灰色关联度确定植被恢复措施综合效益评价指标体系，进行效益评价及适应性评价[9]。层次分析法可按4个步骤进行：①建立递阶层次结构模型；②构造出各层次中的所有判断矩阵；③层次单排序及一致性检验；④层次总排序及一致性检验[10]。

灰色关联度方法是定量化比较分析方法，是根据数列的可比性和相近性，分析系统内部主要因素之间的相关程度，确定相关程度最大的因素[11]。其基本原理为根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密，如果一组几何曲线形状越相似，则关联度越大，反之则越小，由此从考察的复杂系统中找出主次因素，为系统综合决策及提高综合效益提供信息参考[12]。

2 结果与分析

2.1 不同措施对植被恢复的影响

退化草地围栏封育措施实施后，草地植被恢复效果明显(表2)，轻度退化草地围栏封育后多年生牧草种类较未实施封育的天然草地(CK1)明显增多，植被盖度平均增加了45%，草群高度增加60%，地上生物量增加了69%，增长幅度较大；重度退化草地实施围栏封育后，植被盖度增加了66%，草群高度增加63%，地上生物量增长幅度较小，仅增加了26%，并且植物种类组成未发生明显变化。

免耕补播实施结果表明(表3)，与未采取任何措施的轻度退化草地(CK1)相比，免耕补播措施实施后，地表植被高度比轻度退化草地(CK1)增加56%，盖度增加110%，地上生物量增加396 kg/hm2，增幅达66%。

对旱作人工草地试验样地(Ⅳ)、灌溉人工草地试验样地(Ⅴ)、灌溉饲草料地试验样地(Ⅵ)牧草产量进

表2 不同退化程度围栏封育植被恢复生态指标值Table 2 Vegetation restoration of grassland in different degradation degrees under enclosure treatment

行统计，结果表明，样地Ⅳ、样地Ⅴ、样地Ⅵ牧草产量分别为5 950，11 010和51600 kg/hm2，试验测定CK1可食牧草产量为607 kg/hm2，将样地Ⅳ、样地Ⅴ、样地Ⅵ与CK1进行面积置换，置换面积比例分别为Ⅳ∶CK1=1∶10、Ⅴ∶CK1=1∶18、Ⅵ∶CK1=1∶79，即样地Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ各1 hm2，可置换出退化草地面积分别为10 hm2，18 hm2和79 hm2，置换出的退化草地可进行全年围栏封育，促进自然生态系统恢复。

2.2 各种措施防治土壤风蚀的水土保持效应

轻度退化草地样地表层(0～40 cm)土壤含水量均低于有植被恢复措施的试验样地，有植被恢复措施的土壤含水量平均值的变化规律是，样地Ⅴ>样地Ⅳ>样地Ⅲ>样地Ⅵ>样地Ⅰ。样地Ⅵ土壤含水量较低的主要原因是3月和4月测定土壤含水量时，灌溉饲草料地试验样地地表无植被覆盖，基本裸露，土壤水分难

表3 草地改良免耕补播生态指标值Table 3 Effect of no-tillage reseeding on grassland restoration

注：草地改良为封育条件下的措施，样地Ⅲ主要植被种类为披碱草、紫花苜蓿、羊草、克氏针茅、冷蒿(Artemisiafrigida)等；样地CK1主要植被种类为羊草、克氏针茅、线叶菊(Filifoliumsibiricum)、冷蒿、裂叶蒿(A.tanacetifolia)等

以保持，因此，土壤含水量偏低，而种植饲草料并进行灌溉后，样地内土壤含水量明显增加。

不同植被恢复措施的抗风蚀能力有一定差异，根据试验测定结果(表4)，各样地之间的年均土壤风蚀厚度有较大差别，各种措施按年风蚀量大小排列，依次为样地CK1>样地Ⅵ>样地Ⅰ>样地Ⅲ>样地Ⅴ>样地Ⅳ，经方差分析，样地CK1年风蚀量与样地Ⅲ、样地Ⅴ、样地Ⅳ之间的变化差异达到显著水平(P<0.05)，不同植被恢复措施处理之间抗风蚀能力也有一定差异，样地Ⅵ的年土壤风蚀量样地Ⅳ之间的变化差异也达到显著水平(P<0.05)。

表4 不同植被恢复措施下退化草地风蚀指标Table 4 Wind erosion index under different treatments

注：指标于2013年3月下旬～2015年11月下旬进行观测

2.3 不同措施水土保持效益分析

2.3.1 水土保持综合效益计算 依据国家标准《水土保持治理效益计算方法》，通过调查、实测，确定不同措施效益指标值，包括植被盖度、风蚀量、生物量等8个指标，应用层次分析法建立评价体系权重和计算模型，利用升半梯形分布的隶属函数与降半梯形的隶属函数分别对5种不同措施的实测值进行指标标准化，标准化值见表5。

图1 不同措施下土壤含水量(0～40 cm)Fig.1 Variation of soil water contents under different treatments(0 to 40cm)

采用灰色关联度方法进行效益评价，并通过计算得到不同措施各指标的相关系数，并确定出综合效益关联度(表6)。

表5 评价指标标准化值Table 5 Standardized evaluation index

表6 不同治理措施综合关联度Table 6 Comprehensive correlation degree under different treatments

2.3.2 效益评价及适应性分析 灌溉饲料地与灌溉人工草地措施的经济效益较高，其效益值均在0.7，虽然这两种措施的经济效益较高，能为当地群众收入的提高提供较大贡献，但是这两种措施对土壤、水源等立地条件要求严格，因此，中、强度退化草地采取此种措施需合理选择实施地点。在生态效益方面，5种措施均能有效防治水土流失，产生较好的生态效益，最好的旱作人工草地措施，其值达到0.78。根据调查，围栏封育、补播与旱作人工草地措施主要应用于适合进行生态自然恢复的中度及以下的侵蚀区域[14-15]，并且能取得较好的生态效益，这3种措施基本以生态恢复为主，其在生态效益上比开发性治理措施有一定优势。在退化草地生态修复过程中，由于恢复周期长，为了保证牲畜饲草料供给，在当地自然条件允许的情况下，可配置灌溉饲料地与灌溉人工草地措施，补充饲草料用量，以获得更好的生态效益和经济效益。5种治理措施的社会效益都达到一个较高的值，并且相差不大，其中最大的为旱作人工草地措施，达到0.71，最小的灌溉饲料地措施也达到0.65，说明草地水土流失成为制约当地社会发展的重要因素，进行有效的水土流失的治理，可推动当地社会经济发展[16]。

3 讨论

围栏封育措施以自然的力量恢复草原植被、提高生产力，是草地管理的重要手段。围封通过排除家畜的践踏、采食及排便等干扰，从而使其群落向着一定方向演替。崔国盈等[17]研究证明，围栏封育3年后的天然草地植物量明显高于围栏外草地，植物群落组成基本稳定。闫玉春等[18]认为，由于围封后种群的消长、某些种群的消失及新种的进入导致草地在围封后的植物多样性发生变化，围封对草地的作用具有两面性。因此对围封作用要有全面的科学认识，把握好围封的时间尺度，以充分发挥其在退化草地恢复中的作用，避免由于利用不当而对草地产生负面影响。围栏封育既经济又效果显著，是轻度退化草地风蚀区植被恢复的主要措施之一，但对于重度退化草地，围栏封育后植物群落中的植物组成未发生明显变化，地上生物量增长也较小，主要原因是由于草地原生植被基础较差，自然更新能力较低，即使在封育状态下，短期内亦不可能大幅度恢复为原生植被，不可能提高可食牧草产量[19]，因此，重度退化草地需通过人工草地、草地改良等措施进行综合治理。

补播是直接向草地输入有价值的、适应草地生境的植物种类，以促使草地生态系统转向良性化的有效措施[20]，补播对促进退化草地植物生长、提高草地产量效果明显。王吉云等[21]在退化草地上补播红豆草(Onobrychisvicifolia)，明显提高了天山北坡中山带退化草地的生产力水平；陈子萱等[22]在高寒沙化草地上补播禾草，增加了高寒沙化草地草群高度和植被盖度；王庆华等[23]利用不同禾草混播改良治理退化草地，明显提高了草群高度、植被盖度和地上生物量，草地的经济价值提高。试验在典型草原的轻度退化草地补播披碱草和紫花苜蓿，植物群落高度、盖度、地上生物量都有明显提高，退化草地裸露地表面积减少，但另一方面人工补播是否会改变群落优势种，外来物种的加入是否会影响原生植被种间竞争关系等问题还需进一步的研究探讨。

旱作人工草地、灌溉人工草地及灌溉饲料地对恢复草地植被、提高生产力的作用主要表现为通过人工草地、饲料地建设，大幅度提高其生产力水平，用以置换严重退化的草地，使之休养生息、自然恢复，形成人工草地建设与天然草地植被恢复的耦合效应[24]，任继周等[25]、张新时等[26]等提出在水分条件较好的地方建设人工草地农业生态系统的建议，通过利用较少土地获得高产优质牧草，缓解家畜对天然草地的压力，使退化草地得以恢复。

4 结论

(1)围栏封育、免耕补播在恢复退化草地植被、提高生产力等方面效果显著，是退化草地生态修复的主要措施；研究区建设旱作人工草地、灌溉人工草地和灌溉饲料地与退化草地具有耦合效应，利用建设的人工草地置换退化草地，对退化草地可进行全年封育，既加快了生态系统的自然恢复，又解决了草畜平衡问题；通过各类措施防治退化草地土壤风蚀研究表明，灌草结合的旱作人工草地措施抗土壤风蚀能力较强，在退化草地土壤风力侵蚀的防治中，旱作人工草地建设可采用灌草结合的方式。

(2)通过灰色关联度进行效益评价，各种措施的综合效益相差不大，说明各种治理措施实施后，区域的综合治理效益均能达到较好程度，同时也说明采用的5种措施对恢复草地植被、提高生产力均有较好的适应性。

(3)由于不同治理措施的立地条件有一定差异，以及不同的适用范围，产生的效益也有一定差异。围栏封育措施、补播主要是以植被自然恢复为主，适合于草地退化风蚀侵蚀程度较低的区域，生态效益较高；人工草地等措施主要是以开发性治理为主，适合于中度侵蚀程度以上的区域，且经济效益较高；退化草地生态修复过程中，综合治理应尽量利用其生态学特性进行自然恢复，并对各措施进行合理配置，具体配置方式应根据当地自然条件确定。

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Effects of vegetation restoration methods on soil and water conservation of degraded grassland in Xilinhe River watershed

RONG Hao,HE Jing-li,SHAN Dan,LIU Yan-ping,LIANG Zhan-qi

(InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResourcesofChina,Hohhot010020,China)

The degraded grassland in Xilin River watershed in the north of Inner Mongolia was selected as the research site to study the effects of restoration treatments(enclosure,reseeding,rain-fed artificial grassland,irrigated artificial grassland and irrigated fodder cropping) on plant growth,soil water conservation function and the ability of anti-wind erosion.The result showed that the enclosure and reseeding significantly improved the productivity of the degraded grassland.1 ha of rain-fed artificial grassland/irrigated artificial grassland/irrigated artificial fodder field could replace 10 ha/18 ha/79 ha of degenerated grassland.The difference of comprehensive benefits(through grey correlation evaluation) among restoration treatments was not significant and the comprehensive benefits from all tested treatment were quite high.

grassland;vegetation restoration;soil and water conservation

2016-05-30；

2016-06-24

水利部公益性行业科研专项经费项目“退化草地恢复重建水土保持关键技术研究”(201301049)；内蒙古自治区科技计划项目“草原矿区生态修复重建关键技术研究与示范”(20140713)项目资助

荣浩(1969-)，男，内蒙古呼和浩特市人，硕士，高级工程师，主要研究方向为草地水土保持与生态用水。

E-mail：mksrh@126.com

S 157.2

A

1009-5500(2016)05-0052-06