严重沙化草地治理效果分析

乌日拉嘎，刘慧洁，萨如拉，郝巴雅斯胡良，乌亚罕，特木尔布和

（1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.鄂尔多斯市鄂托克前旗现代农牧业新技术推广办公室，内蒙古 鄂托克前旗 016100）

毛乌素沙地是中国四大沙地之一， 地理位置独特，处于干旱—半干旱气候区，水热条件较我国其他沙漠优越［1-5］。 沙化草地治理和植被恢复对提升草地畜牧业生产和生态效益具有重要作用。 长期以来， 对自然资源掠夺性利用导致了草地生态环境的严重恶化。 20 世纪70 年代开始，人们对鄂尔多斯市毛乌素沙地进行了大范围的生态治理，成效显著，给当地带来了巨大的生态、经济和社会效益。 近年来，毛乌素沙地生态状况好转。 统计数据表明，鄂尔多斯市毛乌素沙地治理率已达七成。但是曾经的治理重点偏向生态修复， 轻视了草地改良后的再利用。 草地的利用价值取决于其生产功能，即草地的优良牧草须占一定比例，并生产出满足畜牧业发展需求的优良牧草［6-10］。 严重沙化草地（流沙草地）的改良至关重要，毛乌素沙地地下水位较高，种植多年生优良牧草易存活［11］。 通过种植多年生优良牧草并加以灌溉，可以把流动沙丘变成优良半人工草地，大幅度提高畜牧业生产水平。

该研究采用牧草混播和草地灌溉技术， 对严重沙化草地进行治理，大幅度提高牧草产量、品质和草地生态功能， 以期为严重沙化草地有效改良提供技术支撑。

1 试验设计与方法

1.1 研究区概况

毛乌素沙地位于内蒙古自治区鄂尔多斯市南部、 陕西省榆林市北部以及宁夏回族自治区盐池县东北部， 占地面积4.22 万hm2， 流沙面积达1.38 万hm2（占总面积的32.70%）。 该试验研究区地处内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克前旗哈日色日嘎查，107°40′22.1″E，37°59′16.2″N，海拔1 360 m，属于严重沙化区，按照《天然草原等级评定技术规范》（NY/T 1579—2007）定为五等八级（Ⅴ8）以下沙化草地。 毛乌素沙地属于典型的温带大陆性季风气候，日照丰富，四季分明，年平均气温7.1 ℃，极端最低温-31.6 ℃，极端最高温36.6 ℃，≥0 ℃积温3 458.8 ℃，年平均无霜期122 d；年平均降水量247 mm，年平均蒸发量2 514.8 mm；土壤大部分属于风沙土。鄂托克前旗高等牧草资源有303 种，饲用牧草有280 种［12］。

1.2 试验方法

严重沙化治理区总面积为124 hm2，以治理区外的自由放牧区作为对照区。 2015—2017 年，对严重沙化治理区在不破坏原有植被的原则下，将高低不平的流动沙丘适当平整后松土， 混播紫花苜 蓿（Medicago sativa）、沙 打 旺（Astragalus adsurgens）、 草 木 樨 （Melilotus officinalis）、 羊 柴（Hedysarum laeve）、披 碱 草（Elymus dahuricus）和老芒麦（Elymus sibiricus）等6 种优良牧草，采用同行条播方式，播种行距为25 cm。 灌溉设备采用维蒙特时针式喷灌机。 在严重沙化治理区和自由放牧区选择代表性的地段，随机取1 m2样方，3 个重复。 全年人工灌溉量计算公式为生长季（d）×牧草全年生长季需水强度（mm/d），补播生长季需水强度按3～4 mm/d 计算，生长期为130 d，则全年人工灌溉量为（130×3）mm～（130×4）mm。

混合播种组合：a.紫花苜蓿+草木樨+老芒麦+披碱草+沙打旺；b.沙打旺+羊柴+老芒麦+披碱草+草木樨。 混播量计算公式：K=HT/X。 式中，K 为每种混播牧草的播种量（kg/hm2），H 为该种牧草种子利用价值为100%时的单播量（kg/hm2），T 为该种牧草混播中的比例 （%），X 为该种牧草种子的实际利用价值（纯净度×发芽率，%）。

1.3 试验方法

1.3.1 植物种类调查2018—2020 年在严重沙化治理区，采用棋盘式法进行植物种类调查。

1.3.2 植物“四度一量”测定多度：表示一个种在群落中的个体数目；频度：某个物种在调查范围内出现的频率， 频度＝某种出现的样方数／样方总数×100%；盖度：指牧草地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比；高度：测量植物体长的一个指标；产量：单位面积土地上获取的不包括根系的作物干物质的总量。

1.3.3 植物光合作用的测定利用FS-3080D 光合速率仪对植物CO2吸收率、 光合速率、 蒸腾速率、气孔导度进行测定。

1.3.4 植物Shannon-Wiener多样性指数测定Shannon-Wiener 多样性指数计算公式：H′值＝-∑Pi×lg（Pi）。

式中：Pi=ni/N，表示第i 个物种的相对多度，其中，ni为第i 个物种的个体数目，N 为样方中所有个体总数。

1.3.5 土壤养分测定用pH 值测定法测定土壤pH 值； 用日本产SUMIGRAPHNC-900 仪测定全氮含量；采用重铬酸钾容量法测定有机质含量；采用NaOH 熔融—钼锑抗比色法测定速效磷含量；采用NH4AC 浸提—火焰光度法测定速效钾含量；用DDS-307 型电导率仪测定土壤电导率。

1.4 数据处理及分析

应用Excel 2010 制表绘图经SAS 9.0 软件处理试验数据， 采用t 检验对试验数据进行统计学分析。采用SPSS 20.0 软件进行多元和直线回归与相关分析。

2 结果与分析

2.1 严重沙化草地治理对植物种类数的影响

由图1 可知， 严重沙化草地治理后植物种类变化明显，由治理前（2015 年）的14 种，分别上 升 到2018 年、2019 年 和2020 年 的72、83 和97 种。

图1 严重沙化草地治理前后植物种数变化

2.2 严重沙化草地治理对植物“四度一量”的影响

由t 检验结果可知， 严重沙化治理区和自由放牧区比较， 严重沙化治理区牧草平均高度、盖度、多度、频度及产量等指标均有显著（P＜0.05）差异， 由大到小顺序均为严重沙化治理区＞对照区（自由放牧区）（见表1）。

表1 严重沙化治理对牧草“四度一量”的影响

2.3 严重沙化草地治理对植物光合特性的影响

t 检验、多元和直线回归与相关分析结果表明，严重沙化治理区的牧草产量、CO2吸收量、光合速率、蒸腾速率及气孔导度均显著（P＜0.05）高于自由放牧区（见表2）。 对以上指标进一步进行多元相关分析可知，蒸腾速率与光合速率、气孔导度与蒸腾速率、 牧草产量与光合速率和蒸腾速率具有正相关关系。 牧草产量与光合速率的拟合方程为Y1=-72.17+99.26X1，相关系数为：r1=0.837，牧草产量与蒸腾速率的拟合方程为Y2=-47.98+416.87X2，相关系数为：r2=0.964（见表3、图2、图3）。

图2 牧草产量与光合速率的相关关系

图3 牧草产量与蒸腾速率的关系

表2 严重沙化治理区和自由放牧区牧草产量构成要素统计表

表3 严重沙化治理区和自由放牧区牧草产量构成要素与产量的关系

2.4 严重沙化草地治理对主要牧草Shannon-Wiener 多样性指数的影响

t 检验结果表明，严重沙化治理区和自由放牧区主要牧草Shannon-Wiener 多样性指数具有明显差异，紫花苜蓿、披碱草、沙打旺、乳苣在严重沙化治理区和自由放牧区Shannon-Wiener 多样性指数具有显著差异（P＜0.05），大小顺序为严重沙化治理区＞自由放牧区；乳苣在严重沙化治理区和自由放牧区Shannon-Wiener 多样性指数具有显著差异（P＜0.05），大小顺序相反，自由放牧区＞严重沙化治理区； 猪毛菜在严重沙化治理区和自由放牧区Shannon-Wiener 多样性指数具有显著差异（P＜0.05），大小顺序为自由放牧区＞严重沙化治理区（见表4）。

表4 严重沙化治理对主要牧草Shannon-Wiener 多样性指数的影响

2.5 严重沙化草地的治理对土壤养分和电导率的影响

由t 检验结果可知， 严重沙化治理区与自由放牧区土壤全氮含量无显著（P＞0.05）差异；严重沙化治理区土壤有机质、速效磷、速效钾含量显著（P＜0.05）高于自由放牧区；严重沙化治理区和自由放牧区土壤pH 值无显著（P＞0.05）差异；严重沙化治理区土壤电导率显著（P＜0.05）高于自由放牧区（见表5）。

表5 严重沙化治理对土壤养分和电导率的影响

3 讨论

严重沙化草地治理很大程度上影响植物种类的增加和草地生态功能的复苏，提高草地生态系统的服务功能［13］。 严重沙化草地经过3 年治理植物种类治理之前（2015 年）有14 种，2018 年、2019 年和2020 年时，分别增加到72、83 和97种，且增加了原来未有的紫花苜蓿、沙打旺、草木樨、羊柴、披碱草和老芒麦等新的优良牧草，这一结果证明沙化严重的草地经过治理更好地发挥作用。

植物“四度一量”是评价草地生产力水平和生态功能的最基本指标之一， 产量和盖度是重要指标［14］。 该研究对毛乌素沙地严重沙化草地进行多年治理后发现牧草产量大幅度提升， 严重沙化治理区和自由放牧区牧草产量比较可知， 严重沙化治理区牧草产量和盖度比自由放牧区分别提高269%和97%， 随着优良牧草数量大幅度增加，改善了草地牧草产量及质量， 同时发现自由放牧区植物大部分属于砂引草（Messerschmidia sibirica）、猪毛蒿 （Artemisia scoparia） 和苦豆子（Sophoraalopecuroides）等一年生或多年生劣等牧草，家畜几乎不采食。

草地是陆地生态系统的主要组成部分， 也是通过光合作用吸收CO2的主要场所，CO2的吸收取决于绿色植物的覆盖度和产量［15］。 在测定不同治理草地植物种类、生物量的基础上，进一步测定了牧草产量、CO2吸收量、光合速率、蒸腾速率及气孔导度， 发现严重沙化治理区的这些指标显著（P＜0.05）高于自由放牧区。 草地植物的光合能力直接关系到整个群落的生产力水平， 而这种能力与植物群落的物种组成密切相关。 光合速率在严重沙化治理区、 自由放牧区之间有显著差异（P＜0.05）， 大小顺序为严重沙化治理区 ［5.70 pn/（μmol·m2·s）］＞自由放牧区 ［4.33 pn/（μmol·m2·s）］，该结果与侯扶江［16］研究结果一致；植物通过蒸腾作用为大气提供水蒸气， 使当地的空气保持湿润，气温降低，让当地的雨水充沛，形成良性循环。光合作用越强烈蒸腾速率越快，蒸腾速率在严重沙化治理区、自由放牧区有显著差异（P＜0.05），大小顺序为：严重沙化治理区［2.64 g/（m2·h）］＞自由放牧区［0.24 g/（m2·h）］，严重沙化治理区的蒸腾作用比自由放牧区高出11 倍， 这一结果与Parsons 等［17］研究结果相符。 对以上指标进一步进行相关分析得知， 牧草产量与光合速率和蒸腾速率呈正相关关系， 相关系数分别为r1=0.837 和r2=0.964， 牧草产量与光合速率的拟合方程为：Y1=-72.17+99.26X1， 牧草产量与蒸腾速率的拟合方程为：Y2=-47.98+416.87X2。

Shannon-Wiener 多样性指数表明， 群落中植物种类增加代表群落的复杂程度增加，即H′值越大，物种在群落所含的信息量越大［18］。该试验研究中， 选择严重沙化治理区和自由放牧区的主要牧草紫花苜蓿、披碱草、沙打旺、乳苣和猪毛菜的植物Shannon-Wiener 多样性指数具有显著（P＜0.05）差异，紫花苜蓿、披碱草和沙打旺是人工补播的多年生主要优良牧草， 严重沙化治理区内这些优良牧草的Shannon-Wiener 多样性指数显著（P＜0.05）高于自由放牧区；乳苣、猪毛菜是多年生和一年生低等牧草， 这些低等牧草在自由放牧区的Shannon-Wiener 多样性指数显著（P＜0.05）高于严重沙化治理区。

严重沙化草地的治理对土壤具有改良作用。该试验结果表明，随着植物种类增加，土壤中有机质和养分也表现大幅度增加趋势。 植物生长发育过程中氮、磷、钾是最主要的营养元素。 土壤有机质和全氮含量是土壤肥力的重要指标。 在自由放牧区有机质等化学物质人工投入极少，通过牧羊、牧牛等有机物质不断地人为输出， 造成返还土壤的物质减少， 土壤养分消耗过度， 土壤有机质减小，活性有机质变少，活性降低，肥力下降。土壤中的盐分、水分、有机质含量，土壤质地结构不同程度地影响土壤的电导率［19-20］。 该试验结果也表明，严重沙化治理区的氮和pH 值与自由放牧区相比无显著（P＞0.05）差异，有机质、速效磷、速效钾含量和电导率等指标显著（P＜0.05）高于自由放牧区。

4 结论

严重沙化草地经过3 年治理植物种类由治理前（2015 年）的14 种，到2018 年、2019 年和2020年时，分别增加到72、83 和97 种。 严重沙化草地治理区牧草的“四度一量”显著（P＜0.05）高于自由放牧区； 严重沙化草地牧草CO2吸收量、 光合速率、蒸腾速率和气孔导度均显著（P＜0.05）高于自由放牧区。严重沙化草地治理区的紫花苜蓿、披碱草和沙打旺等多年生优良牧草的Shannon-Wiener多样性指数显著（P＜0.05）高于自由放牧区。 严重沙化草地治理区和自由放牧区土壤有机质、 速效磷、速效钾和电导率等指标显著（P＜0.05）高于自由放牧区。 严重沙化草地经过治理， 植物种类剧增，牧草生产水平和草地生态效益大幅度提升，土壤养分显著改善。