科尔沁盐碱化草地植被修复效果分析

艳 秀，占布拉，王明玖，包 翔，吴 朝，王 燕

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室，呼和浩特 010018)

科尔沁草原是典型的农牧交错区，随着经济发展对生活质量的需求日益强烈，过垦草地和超载放牧现象普遍发生，从而导致草原植被大量被破坏，以草地退化、沙化、盐渍化等为主的各类草地退化现象日益加剧，使草地的生态系统功能丧失，服务能力减弱，成为严重阻碍着地区草地畜牧业可持续发展的主要问题[1，2]。由于盐碱草地植被稀疏，土壤pH较高，再加上半干旱地区客观条件制约，使得盐碱草地的自然恢复难、所需周期长、见效慢。因此，有必要对盐碱化草地采取人工干预治理措施进行修复，以遏制草地的进一步盐碱化，促进草地生态系统良性循环。草地的植被修复过程，是通过一些人为措施使植物群落向着最大程度利用环境的方向演替，构成最复杂的群落结构和功能[3，4]。对于盐碱化草地，通过种植一些耐盐碱植物和利用土壤改良剂或肥料中的化学性质中和盐碱土壤中的盐分，调节土壤酸碱度，改善盐碱土壤的根际微环境，实现植物正常生长的目的。目前，国内外在盐碱地改良方面的技术主要有物理、化学、生物和水利工程等措施[4，5]。化学措施在盐碱土壤改良的应用中较为广泛，其中施入脱硫石膏改良盐碱土不仅能实现脱硫石膏的资源化利用，同时能大大改善土壤的理化性质，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益[6～8]。脱硫石膏是燃煤电厂烟气脱硫产生的废弃物，主要成分是CaSO4·2H2O。大量试验研究[9]证明，脱硫石膏能够降低盐碱土壤中的碱化度、pH和含盐量，而且对植物生长、发育均有明显的促进作用。脱硫石膏改良苏打碱化土壤的试验研究结果表明，脱硫石膏可大幅度降低土壤pH和交换性，并提高作物的产量，如施用脱硫石膏改良碱化土壤后种植玉米，玉米的出苗率和产量明显提高，特别是重度碱化土壤施用脱硫石膏后玉米籽粒产量(7300.75kg/hm2)比未施用脱硫石膏的产量提高6679.5kg/hm2[10]。目前，更多的研究集中于改良盐碱化农用地和作物，而对于盐碱化草地和牧草的研究较少。因此，选择科尔沁盐碱化草地开展了植被修复的研究，主要探讨修复措施对盐碱化草地群落特征、植物功能群和物种多样性的影响，为科尔沁地区及类似地区盐碱化草地的恢复和合理利用提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区通辽市扎鲁特旗鲁北镇南40km304国道的东侧(121°12′23.151″E、44°33′139.007″，海拔265m),该地属于中温带大陆性气候，春季干旱多风，全年降雨量约382.5mm，最高、最低气温分别集中在7月和1月，年均气温6.6℃，无霜期102～147d。土壤类型主要为碱土和沙土，土壤盐碱化较严重，pH8.9～10.55。植被类型为以旱生和中旱生植物为主的草甸草原亚型。依据《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级标准》(GB193377-2003)[11]，将研究区盐碱草地分为中度盐碱化草地和重度盐碱化草地，中度盐碱化草地常见植物有羊草(Leymuschinensis)、糙隐子草(Cleistogenesspuarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、百里香(Thymusmongolicus)和银灰旋花(Convolvulusammannii)等；重度盐碱化草地种类贫乏，有碱地肤(Kochiaesieversianae)、碱蓬(Suaedasalsa)和狗尾草(Setariavirides)。

1.2 样地设置

2017年8月对盐碱化草地进行围封，2018年6月在重度盐碱化草地设置36m2(6m×6m)的处理小区，重复3次，采取T+B(T代表脱硫石膏，B代表补播)试验处理。脱硫石膏用量1.5万～1.8万kg/hm2。在施入脱硫石膏和补播之前，对土壤进行一次疏松，采用机引铧式犁耙对盐碱化草地实施一次作业，耙深为10cm。主要补播的牧草有披碱草(Elymusdahuricus)、紫羊茅(Festucarubra)、中间偃麦草(Elytrigiaintermedia)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)、中苜1号苜蓿(Medicagosativa)、草木樨(Melilotusofficinalis)、一年生黑麦草(Loliummultiflorum)、敖汉苜蓿(Medicagosativa)、野大麦(Hordeumbrevisubulatum)，按照0.5∶0.2∶0.2∶0.3∶0.1∶0.2∶0.1∶0.1∶0.02(kg)比例混合后人工撒播，播量为60kg/hm2。

1.3 野外取样

2017年8月，在实施围封修复前对研究区进行一次本底调查；2018年、2019年8月，在每个小区内的草地和围栏外的自由放牧区草地上，同步选择植物生长均匀的区域进行随机采样，样方大小为1m2(1m×1m)，重复3次，样方调查记录群落高度、盖度、密度，并且分种齐地面刈割样方内所有植物，于65℃烘箱内烘至恒重后用电子天平称取其干重，为小区内植物群落地上生物量。

1.4 数据处理及分析

重要值按(1)式计算；群落物种多样性指数，Margalef丰富指数按(2)式计算；Shannon-Wiener多样性指数按(3)式计算；Pielou均匀度指数按(4)式计算。

重要值(Ⅳ)=(相对密度+相对高度+相对盖度+相对生物量)/4

(1)

Margalef丰富指数Ma=(S-1)/lnN

(2)

Shannon-Wiener多样性指数

H′=-∑PilnPi

(3)

Pielou均匀度指数E=H′/lnS

(4)

上式中：S代表样地内物种总数；N代表所有物种个体数总和；Pi代表第i个种数量占群落总个体数量的比例。

采用Excel 2016进行数据处理和表格绘制，用SAS 9.0软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 对群落特征的影响

试验结果(表1)表明，修复后的第二年(2018年)T+B处理区的群落盖度显著高于CK自由放牧区(P<0.01)，比自由放牧区提高了108%；群落高度和地上生物量均显著(P<0.05)高于自由放牧区，分别比自由放牧区提高了284%和197%；群路密度则无显著差异(P>0.05)。修复后的第三年(2019年)，T+B处理区的群落盖度、群落高度、群落密度和地上生物量均显著高于自由放牧区(P<0.001)，分别比自由放牧区增加了112%、638%、604%和763%。

由表2可知，经修复措施后，随着修复年限的增加群落盖度、高度、密度和地上生物量均程增加趋势，修复后的第二年和第三年群落盖度、群落高度、群落密度和地上生物量均显著(P<0.001)高于修复前(2017年)，分别提高了133%、169%和277%、845%和74%、650%及108%、918%。

2.2 对群落各功能群重要值的影响

修复后第二年(2018年)，与自由放牧区(CK)相比T+B处理区群落降低藜科植物重要值136%，提高禾本科植物重要值207%，同时出现了豆科植物(重要值为9.89)。到修复后第三年(2019年)，与自由放牧区相比T+B处理区群落藜科植物重要值降低了396%，禾本科植物重要值提高了606%，同时出现了豆科、菊科和其他科植物，重要值分别为10.88、12.68和1.21(表3)。由此可见，T+B处理有利于盐碱化草地禾本科和豆科植物的恢复，可使群落组成结构由单一和不稳定趋向于复杂和稳定。

表1 修复措施对盐碱化草地群落特征的影响

注：表中数据为均值±标准误；NS为差异不显著。

注：表中数据为均值±标准误。

表3 修复措施对盐碱化草地群落各功能群重要值的影响

注：表中数据为均值±标准误；NS为差异不显著。

与修复前(2017年)相比，修复后第二年(2018年)降低群落藜科植物重要值161%，提高禾本科植物重要值494%，豆科植物重要值达到9.89；到修复后第三年(2019年)，群落禾本科植物重要值提高了509%，藜科植物降低了389%，同时群落中豆科、菊科和其他科植物的重要值分别达到10.88、12.68和1.21(表4)，群落组成更加复杂化和多样化。

表4 不同修复年限群落各功能群重要值的比较

2.3 对群落物种多样性的影响

从表5可看出，修复后第二年(2018年)T+B处理区的丰富度指数显著(p<0.001)高于CK自由放牧区，比自由放牧区提高了74%；多样性指数地显著(p<0.05)高于自由放牧区(CK)，比自由放牧区提高了12.5%；而均匀度指数差异不显著(p>0.05)。修复后第三年(2019年)，T+B处理区的丰富度指数和多样性指数显著高CK自由放牧区(p<0.001)，分别比自由放牧区提高了169%和253%；均匀度指数T+B处理区显著高于CK自由放牧区(p<0.01)，比自由放牧区提高了38.7%。

表5 修复措施对盐碱化草地群落物种多样性的影响

注：表中数据为均值±标准误；NS为差异不显著。

由表6可知，修复后第二年和第三年丰富度指数、多样性指数均显著(P<0.001)高于修复前(2017年)，分别比修复前提高了97%、10%和213%、204%；均匀度指数在修复后第二年和第三年显著高于修复前(P<0.01)，分别比修复前提高了84%和177%，且随着修复年限的增加群落的丰富度指数、多样性指数和均匀度指数均呈增加趋势。

表6 不同修复年限群落物种多样性的比较

注：表中数据为均值±标准误。

3 讨论

本研究修复后的第二年(2018年)和第三年(2019年)，与自由放牧区(CK)和修复前(2017年)相比，明显提高了盐碱化草地的群落盖度、群落高度和群落密度，主要原因可能是采取修复措施后为植物生长创造了更为有利的环境，增加了一些新的植被，填补了原有盐碱化草地空缺的生态位，从而提高了群落特征。修复后的地上生物量显著提高，这与前人[12]的研究结果相似。本研究中，修复后第二年和第三年处理区的群落地上生物量，与自由放牧区相比分别提高了197%和763%，与修复前相比分别提高了108%和918%。这一方面是因为禁止牲畜采食和补播牧草提高了盐碱化草地的地上生物量，另一方面是因为群落高度、盖度和密度的增加使裸露地面植被繁茂，减少了土壤风蚀，从而进一步提高草地的初级生产力[13]。修复后在提高群落禾本科植物重要值的同时出现了豆科、菊科和其他科植物，表明修复措施有利于盐碱化草地植被的恢复，可使群落组成从结构单一、不稳定趋向于复杂和稳定。因为施入脱硫石膏后为植物的定居提供了稳定的土壤环境，有利于植物定居和生长，并且可以改善土壤的通透性，促进植物的生长发育[14，15]。群落的物种丰富度指数、多样性指数、均匀度指数是群落的重要特征，草地修复后的第二年，处理区群落的丰富度指数和多样性指数均比自由放牧区显著提高，均匀度指数有所提高但差异不显著，在修复后第三年才开始对群落均匀度指数的影响表现出来。这与Foster和Tilman[16]的研究结果类似，可能是由于该实验在修复后第二年补播的物种还未在该生境中完全定居，很多种子还处于未萌发状态，修复效应还没有完全显示出来；另一种可能是由于修复后第二年的效应仅表现在新添加的物种对原有退化草地空缺的生态位填充，而随着年限的增长植被修复带来的新添加物种在群落中的竞争优势可能才会得到体现[17～19]。

4 结论

修复后的第三年(2019年)与自由放牧区(CK)和修复前(2017年)相比，草地群落盖度、高度、密度和地上生物量均显著提高，群落的丰富度指数和多样性指数均达到显著(P<0.001)差异，均匀度指数达到显著(P<0.01)差异。随着修复年限的推移，禾本科牧草和豆科牧草重要值达到56.67和10.88，说明修复措施改善了草地的生境条件，提高了草地的多样性、生物量和质量，是修复盐碱化草地的一种经济有效的手段。