退化草原恢复中草原植物群落特征的变化

吴 润，张勇娟，曹 娟，安沙舟，崔国盈，闫瑞瑞

(1.国家林业和草原局调查规划设计院，北京 100017；2.乌鲁木齐市林业和草原局，乌鲁木齐 830000；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；4.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆“三山夹两盆”的自然地貌特征，孕育了丰富的草地资源，全疆天然草地面积约5 726×104hm2，约占全国天然草原总面积的1/5，面积仅次于西藏和内蒙古[1]。新疆是全国5大牧区之一，天然草地资源是发展畜牧业最基本和最主要的生产资料，担负着全疆70%的牲畜饲养量和畜产品产量。同时，丰富的草地资源在涵养水源、保持水土和气候调节以及维护生物多样性方面也发挥着重要的作用[2-4]，是我国西北部地区重要的生态屏障。近年来，由于“超载过牧”和不合理的开发利用草地资源，新疆约占80%的草地资源出现不同程度的退化，它不仅影响到草原畜牧业发展，更使原本脆弱的生态严重受损[5]。2011年起，国家开始实施草原生态保护补助奖励政策，对严重退化区实施禁牧、轻度退化区实施草畜平衡，对草原生态系统的保护起到了较大作用[6]。研究退化草原生态环境和植物群落特征，对退化草地的恢复重建有重要意义。【前人研究进展】植物群落动态变化是评价退化草地恢复的重要指标。围栏封育或禁牧是退化草原自我修复、维护草原生态系统平衡最经济有效、简单易行的恢复措施，对退化草原生境的改善创造了条件，消除了放牧家畜和人类活动的影响，为草原植物群落物种组成和群落结构起到了重要作用[7-8]。近些年来，国内外学者对退化草地植被恢复进行了大量的研究，Mengistu等[9]、安耕等[10]、孙宗玖等[11]、都耀庭等[12]、扎西文毛等[13]分别对荒漠化草地、荒漠草地、高寒草甸草地和嵩草草地实施围栏封育后群落特征的变化进行了研究，结果表明围栏促进草地群落的恢复，植被密度、总盖度、地上产草量均有所增加[14]。但依据草地生态系统可持续理论和相关研究结果表明，草地封育时间不应是无限期的，封育时间过长会抑制植物的再生和幼苗的形成，影响草地的繁殖更新及其正常生长发育[8，11-13]。【本研究切入点】而杨合龙等[8]、苗弘福等[15]研究表明，荒漠草地、高寒草甸草地封育后随着封育年限的增加，植被的总盖度、群落的密度以及生物量则分别呈先降低后升高再降低的趋势，确定荒漠草地封育5 a和高寒草甸草地封育4 a为最适围封时间。研究退化草原恢复中草原植物群落特征的变化。【拟解决的关键问题】分析禁牧区和草畜平衡区植被群落的恢复状态，以及禁牧区草原生态系统生产力及其植物群落随着封育年限的变化规律，为退化草原的恢复提供依据，为完善新疆草原生态保护补助奖励政策提供科学理论指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

乌鲁木齐市地处亚欧大陆腹地，天山北麓、准噶尔盆地南缘，地理位置为E 86°37'33"～88°58'24"，N 42°45'32"～45°08'00"。地势起伏悬殊，山地面积广大，南部、东北部高，中部、北部低，海拔490.6～5 445 m。属中温带大陆干旱气候，春秋季较短，多大风，冬夏季较长，昼夜温差大。最热月7月，平均气温23.5℃；最冷月1月，平均气温-14.6℃；年平均温度5.9℃；无霜期147 d；年均降水量280 mm，年均蒸发量2 000 mm。

乌鲁木齐市草地按水平地带性与垂直带性划分为平原草地和山地草地两大部分。全市草地共划分为12个草地类，21个亚类，59个组，201个草地型。草原生态保护补助奖励政策实施后，将生存环境非常恶劣、草场严重退化、不宜放牧的天然草地实施禁牧，禁牧区域以外的天然草地实施草畜平衡，合理轮牧。

1.2 方 法

1.2.1 地面数据采集

乌鲁木齐市畜牧水产草原技术推广中心于2011年(恢复1 a)，2015年(恢复5 a)、和2018年(恢复8 a)的每年7月20日～8月31日在禁牧区和草畜平衡区的高寒草甸类(Alpine meadow，AM)、山地草甸类(Mountain meadows，MM)、草甸草原类(Meadow steppe，MS)、温性草原类(Temperate steppe，TS)、温性荒漠草原类(Temperate desert steppe，TDS)、温性荒漠类(Temperate desert，TD)、低地草甸类(Lowland meadows，LM)等不同草地类定点监测，共计6个样地，一个样地重复3个样方，草本及矮小灌木的样方1 m×1 m，半灌木的样方10 m×10 m。调查内容包括群落平均高度、植被盖度和生物量等。

1.2.2 遥感数据获取

根据地面样点实测产草量的时间在2011～2018年7月下旬，选用2011～2018年该段时期少云(云覆盖率<20%)Landsat系列影像，数据集的时间分辨率为16 d，空间分辨率分别为30 m。对Landsat系列数据进行辐射定标、大气纠正、镶嵌、裁剪等预处理后，从中提取红光波段和近红外波段的反射率数据，利用这2个波段的数据计算归一化植被指数(NDVI)。

根据NDVI值大小，将草原植被长势指数差值分为5个等级，差：G<-15%，较差：-15%≤G<-5%，持平：-5%≤G<5%，较好：5%≤G<15%，好：15%≤G。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2010进行数据前期整理，绘制图表。用SPSS统计软件对相关数据进行单因素方差分析，采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 退化草原恢复中植被长势的变化

2.1.1 禁牧区植被长势的变化

研究表明，乌鲁木齐市禁牧区植被恢复5 a较恢复1 a草地长势差和较差占草地面积的25.99%和10.95%，持平的占草地面积12.36%，主要分布在乌鲁木齐市北部米东区温性荒漠草地和农田及居民区周边；等级较好和好的草地占总面积50.70%，主要分布在南部的乌鲁木齐县和达坂城区。

禁牧区植被恢复8 a比恢复1 a草地长势差和较差仅占草地面积的24.71%和14.48%，持平的占16.59%，等级较好和好的草地占总面积44.22%，差和较差的草地向南推移，北部地区草地逐渐转好。

植被恢复8 a较恢复5 a，北部米东区温性荒漠草地植被长势变好，长势等级为好和较好的草地占总面积的32.53%，总体而言，长势较好的草地向北偏移，主要是因为北部草地基本属于禁牧区；长势等级差和较差的草地占52.81%，主要分布中部和南部，主要是此区域人均草地面积少，实施生态保护补助奖励政策前草地严重超载，实施政策后实施草地植被恢复慢，草地质量仍然较差。

实施草原补奖政策以来，草地植被恢复5 a较恢复1 a，恢复8 a较恢复5 a长势明显变好，等级较好、好和持平的草地占总面积63.06%和60.81%，并总体向北偏移，主要是因为北部草地基本属于禁牧区。图1

注：(a) 2015年较2011年 (b) 2018年较2011年 (c) 2018年较2015年
Note:(a) The comparison of changes between 2015 and 2011; (b) The comparison of changes between 2018 and 2011; (c)The comparison of changes between 2018 and 2015

图1 禁牧区植被长势对比
Fig.1 The changes of vegetation growth in exclosure zone

2.1.2 草畜平衡区植被长势的变化

研究表明，乌鲁木齐市草畜平衡区植被恢复5 a较恢复1 a草地长势差和较差占草地面积的30.17%和11.38%，持平的占草地面积12.91%，主要分布在乌鲁木齐县南部山地草甸草地和农田及居民区周边；等级较好和好的草地占总面积45.54%，主要分布在南部的乌鲁木齐县和达坂城区。

草畜平衡区恢复8 a比恢复1 a草地长势差和较差仅占草地面积的27.26%和13.89%，持平的占15.84%，等级较好和好的草地占总面积43.81%，差和较差的草地向东北推移。

恢复8 a较恢复5 a，长势等级为好和较好的草地占总面积的43.27%；长势等级差和较差的草地占50.35%，主要分布中部和南部，主要是此区域人均草地面积少，实施前草地严重超载，草地植被恢复慢，草地质量仍然较差。

草畜平衡区开始实施草原补奖政策以来，恢复5 a较恢复1 a，恢复8 a较恢复1 a草地长势变化不大，等级较好、好和持平的草地占总面积58.45%和59.65%。图2

2.2 不同恢复年限草原植物群落数量特征变化

2.2.1 禁牧区草原植物群落数量特征变化

研究表明，禁牧区温性荒漠草地、低地草甸草地盖度、高度和生物量鲜重随恢复时间的延长呈现波动式上升趋势，差异不显著(P>0.05)。温性荒漠草地主要建群种为半灌木，高度和盖度变化不大，但生物量恢复8 a出现最大值，达1 432.06 kg/hm2；低地草甸草地盖度增长幅度不大，生物量恢复5 a出现最大值，达2 471.54 kg/hm2；高度变化较大，恢复5 a处于最高值。

注：(a)2015年较2011年 (b)2018年较2011年 (c)2018年较2015年
Note:(a) The comparison of changes between 2015 and 2011; (b) The comparison of changes between 2018 and 2011; (c) The comparison of changes between 2018 and 2015

图2 放牧区植被长势对比
Fig.2 The changes of vegetation growth in grazing zone

温性荒漠草原草地盖度随恢复时间的持续呈现降低趋势，盖度在恢复8 a较恢复5 a、恢复1 a有显著性差异(P<0.05)，而高度出现先升高后降低的趋势，恢复5 a草群高度明显升高，达26.84 cm且有显著性差异(P<0.05)；生物量在恢复5 a较恢复1 a、恢复8 a有显著性差异(P<0.05)，恢复8 a比恢复5 a生物量增加10.45%。

温性草原草地盖度和高度随恢复时间的延长呈现先上升后下降的趋势。高度和盖度在恢复5 a出现最大值；生物量恢复8 a、恢复5 a与恢复1 a均有显著性差异(P<0.05)，生物量在恢复1 a处于最大值，为1 515.33 kg/hm2。图3

图3 不同恢复年限禁牧区草原植物群落的数量特征
Fig.3 Quantitative characteristics of plant community in exclosure grassland during different years of recovery

2.2.2 草畜平衡区植物群落数量特征变化

研究表明，草畜平衡区植被平均盖度在恢复1 a、恢复5 a和恢复8 a基本处于在55%～66%，总体呈先升高后降低趋势，但变化幅度不大；不同草地类年际间变化不明显，只有温性荒漠草原草地恢复8 a、恢复5 a分别比恢复1 a提高了30.5%和36.25%，变化幅度较大。

草畜平衡区山地草甸草地、温性荒漠草地和高寒草甸草地总体草群平均高度呈现上升趋势，高寒草甸草地变化幅度小，山地草甸草地恢复8 a比恢复5 a增加了6.25 cm，恢复8 a比恢复1 a增加了20.71 cm，恢复8 a、恢复5 a比恢复1 a存在显著性差异(P<0.05)；温性荒漠草地恢复5 a比恢复8 a增加了16.17 cm，恢复8 a比恢复1 a增加了7.31 cm，恢复8 a、恢复5 a、恢复1 a存在显著性差异(P<0.05)；草畜平衡随着牲畜数量的减少，草地植被高度在增加。温性草原草地恢复5 a草群平均高度处于最高值，为25.67 cm；但都在恢复8 a间出现下降趋势，这可能与降雨量有很大关系。草甸草原草地、温性荒漠草地、高寒草甸草地恢复年际间均无显著差异(P>0.05)。

草畜平衡区草地平均生物量鲜重随年际变化逐年升高，恢复5 a为3 227.39 kg/hm2，比恢复1 a提高了63%；恢复8 a为2 783.92 kg/hm2，比恢复1 a提高了40%；但恢复8 a比恢复5 a生物量有所降低，分别降低了14%，这可能是2018年(恢复8 a)全年天气干旱，降水量较低所致。不同草地类随恢复时间的变化出现先升高后降低，但是峰值出现的恢复年度不同，与高度变化一致。山地草甸草地生物量的变化年际间无显著性差异(P>0.05)，但恢复8 a、恢复5 a比恢复1 a分别增加了3 429.44、7 050.71 kg/hm2；而恢复8 a比恢复5 a减少了3 621.27 kg/hm2；草甸草原草地和温性荒漠草地年际间无显著差异(P>0.05)，而温性草原草地恢复8 a与恢复1 a、恢复5 a、恢复6 a、恢复8 a无显著差异(P>0.05)；温性荒漠草原草地在恢复5 a处于最高值，为733.42 kg/hm2，测定年份均无显著差异(P>0.05)。高寒草甸草地随恢复年份延长逐年增高，恢复8 a达1 495.00 kg/hm2。图4

图4 不同恢复年限草畜平衡区草原植物群落的数量特征
Fig.4 Quantitative characteristics of plant community in forage-animal balance grassland during different years of recovery

3 讨 论

3.1 实施禁牧和草畜平衡对植物长势的影响

近些年来，利用遥感技术对我国草地资源的研究已经取得了大量的成果，尤其在草地生物量动态监测、载畜量估算以及草畜平衡分析方面的研究为实时分析与评估草地变化和草地资源合理利用提供了较及时的决策依据[16]。草地植被长势能更好地反映草地植被的总体生长状况与趋势[17]，而草地植被长势通常用植被指数来衡量，由于植被指数是由卫星不同波段数据组合而成，且包含90%以上的植被信息，且植被指数与植物生物量等很多植被要素之间存在强相关性[18]，因此，植被指数能较好地反映草地生长状况。徐斌等[17]分别利用Landsat TM数据和MODIS NDVI数据及实测地面产草量数据，对研究区的产草量和分布进行了估测。李刚勇等[19]、刘旭升等[20]都利用植被指数NDVI差值法分析草原植被长势变化，于海达等[21]基于MODIS/NDVI数据，对锡林郭勒盟草原2001～2010年10 a的植被长势进行了变化监测，并分析了植被长势与气温、降水的相关性。赵根庄等[22]对河北坝上草原植被覆盖度时空变化特征进行了分析，结果表明,植被覆盖度在时间序列上呈现波动变化，其中2009年植被退化最严重，2009～2013年植被得到改善。孙晓东[23]对2000～2015年苏尼特草原植被覆盖度时空变化特征进行了研究，结果表明,近16 a苏尼特草原植被覆盖呈降低趋势，植被生长状况向差的方向发展；不同年际春季和夏季NDVI呈增加趋势，而秋季呈降低趋势。候勇等[24]利用遥感技术对内蒙古植被覆盖度时空变化进行了研究，结果表明,2001～2015年内蒙古植被覆盖度总体为增长趋势，2001～2010年研究区植被覆盖度的突变与降水量的关系密切，2011～2015年植被覆盖度的增长主要受国家政策和人类活动的影响。研究利用遥感技术对禁牧区(围栏封育)和草畜平衡区植被长势进行研究，结果表明,禁牧区草地植被恢复5 a较恢复1 a，恢复8 a较恢复5 a草地长势明显变好，等级较好、好和持平的草地占总面积63.06%和60.81%，并总体向北偏移，主要是因为北部草地基本属于禁牧区，因此,政策的实施对防止草地继续退化起到关键性的作用。草畜平衡区恢复5 a较恢复1 a，恢复8 a较恢复5 a草地长势变化不大，等级较好、好和持平的草地占总面积58.45%和59.65%，主要原因是在草畜平衡区控制牲畜数量上存在问题，草地面积大，监管不到位的现象依然存在。研究结果还表明，实施草原生态保护补助奖励政策后，草地退化的现象得到一定程度的遏制，草地植被得到了一定的改善，这与侯勇等[24]的研究结果一致。

3.2 实施禁牧和草畜平衡对植物群落的影响

围栏封育或禁牧可以影响草地植物群落特征、改善土壤结构、提高退化草地生产力[7]。过度放牧会显著降低群落的高度、盖度、和地上生物量[25]，而适当的放牧，也能够改善群落结构，使草原生态系统的能量流动和物质循环保持良性状态，进而保持草原生态系统的平衡和系统稳定性[26-27]。群落数量特征(高度、盖度和生物量)能够较为直观地反映不同年限草原恢复效果和草地健康状况[28]。

Guo等[29]研究表明,温性草原类实施禁牧10 a后，植物群落盖度和生物量呈上升趋势。研究表明，除温性荒漠草原草地外，温性荒漠草地、温性草原草地和低地草甸草地禁牧区盖度和生物量随着恢复时间的延长而增加，但是出现峰值的节点不同，与陶利波等[30]随封育年限的延长，草群高度和生物量呈先上升后下降趋势结果相同，而与别尔达吾列提·希哈依等[28]、刘慧敏等[31]研究结果相反。目前，禁牧是一种退化草地恢复既简便又低成本的有效措施，它可以减少放牧压力以及人为干扰，使草地得到休养生息的机会，恢复草地植被结构，改善草地生态环境，但是过长时间的禁牧不但不利于群落恢复和牧草的正常生长，反而累积过多的凋落物对植物再生、幼苗的萌发和生长产生抑制作用，导致草原生态更新缓慢[32]。研究表明，禁牧区随着恢复时间的延长，高度、盖度和生物量出现先升高后降低的趋势，除与降水量有关外，也与禁牧恢复时间有关，但是确定最佳的禁牧恢复年限使其各草地类达到一个相对稳定的状态，有待进一步研究。

张鲜花等[33]对于新疆草甸草原的研究结果表明，随着放牧时间的增长，群落的高度、盖度、密度和地上生物量均表现出下降的趋势，但各放牧强度间均表现为差异不显著。殷国梅等[34]的研究则表明，季节调控放牧处理中，夏季适度放牧、秋季重度放牧的植物高度、密度和盖度明显高于其他处理区，植被群落特征表现相对较好。同时，大量研究结果表明，适当的放牧不仅可以维持或优化草地植物群落的多样性，还可以保持良好的草地功能多样性[35]。实施草原补奖政策后，研究区植被群落平均盖度在恢复1 a、恢复5 a和恢复8 a基本处于在55%～66%，总体呈先升高后降低趋势，但变化幅度不大；山地草甸草地、温性荒漠草地和高寒草甸草地总体草群平均高度呈现上升趋势；草畜平衡区草地平均生物量鲜重随年际变化逐年升高，恢复5 a为3 227.39 kg/hm2，比恢复1 a提高了63%；恢复8 a为2 783.92 kg/hm2，比恢复1 a提高了40%；但恢复8 a比恢复5 a生物量有所降低，分别降低了14%，这可能是2018年(恢复8 a)全年天气干旱，降水量较低所致。

4 结 论

4.1 2011年草原生态补奖政策后，乌鲁木齐市将天然草地划分出禁牧区和草畜平衡区，分区施策，合理利用。乌鲁木齐市天然草地2015年较2011年，2018年较2015年草地长势明显变好，等级较好、好和持平的草地占总面积63.06%和60.81%，并总体向北偏移。

4.2 禁牧区温性荒漠草地、低地草甸草地盖度、高度和生物量随恢复时间的延长呈现波动式上升趋势，差异不显著(P>0.05)。而温性草原草地盖度、高度和生物量随恢复时间的延长呈现上升趋势，生物量恢复年际间均有显著性差异(P<0.05)，恢复8 a比恢复5 a生物量增加10.45%，表明随着禁牧时间的延长对温性草原草地生物量的影响较大。

4.3 草畜平衡区不同草地类草群高度和生物量随恢复时间的持续出现先升高后降低的趋势，只是出现峰值的时间存在差异，但都在恢复8 a间出现下降趋势，这可能与降水量有关。温性草原草地和温性荒漠草原草地高度恢复5 a、恢复8 a与恢复1 a均存在显著差异(P<0.05)。

通过实施禁牧和草畜平衡，在实施8 a后草地植物群落数量发生变化，草地生态环境得到一定程度的改善。