不同载畜率下荒漠草原非生长季植物群落特征对近地面风沙通量的影响

倪芳芳，吕世杰，屈志强，白璐，孟彪，张博涵，李治国

（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，内蒙古 呼和浩特 010019）

内蒙古荒漠草原的面积占内蒙古草地的10.7%，是内蒙古草原的重要组成之一。目前，内蒙古草原已出现严重退化、沙化、盐渍化等现象的草原面积达3.78×107hm2，占全区可利用草原总面积的56.3%。草产量也出现退化现象，其中荒漠草原草产量平均下降30.3%［1］。荒漠草原作为典型草原向荒漠过渡的草原类型，属于比较脆弱的生态系统［2］，其植被稀疏，生境恶劣，抗干扰能力弱［3］，易受到风蚀的影响。尤其在近3 年，内蒙古连续遭受了几十年未遇的干旱和沙尘暴等自然灾害［1］，进一步加剧了土壤风蚀。土壤风蚀是一种基于动力学与物理学的自然地理过程，是指在风力的作用下，沉积物被分离、搬运、沉积，它是土壤侵蚀的重要类型之一［4］。风蚀的发生伴随着土壤的运移以及土壤养分的流失，在草地沙化的过程中，首先是土壤的黏粉粒和极细沙等细颗粒在强风作用下发生运移，导致土壤粗粒化［5-6］，从而进一步引起土壤有机质、氮、碳、磷等营养物质含量的降低。土壤养分的流失致使土壤供给植被养分的能力下降，植被生长受限反过来又促进土壤风蚀的发生［6］，进而形成一种恶性循环，不断加剧土壤风蚀。植被覆盖在一定程度上可以抑制土壤风蚀的发生，赵永来等［7］和张春来等［8］研究指出，植被盖度的增加可以使风速显著降低，从而减少土壤风蚀量。慕青松等［9］研究认为，随着植被盖度的逐渐增大，其对应的临界侵蚀风速也不断增大。因此，植被特征对于风蚀的发生具有重要的影响。

放牧作为一种主要的草地利用方式，影响着草地生态系统的植被和土壤［10］，家畜会通过采食、践踏等行为，使得草地的地表状况发生变化［11］。放牧会影响植物群落组成，放牧强度的增加使物种数呈减少的趋势，此外家畜的过度踩踏会导致部分不耐践踏的植物数量和种类减少［12］。不同的放牧强度会使荒漠草原植物高度、盖度、多度等有显著差异［13］。长期过度放牧会严重破坏土壤结构及功能，植被稀疏低矮与表层土壤破坏使得土壤风蚀愈演愈烈［14-15］。因此，适当的载畜率对于草地的可持续性利用非常重要。然而，在我国已有的风蚀研究中，大多是以沙漠区为主，对于草原区，尤其是对长期放牧条件下的荒漠草原风蚀研究较少。

为此，本研究基于内蒙古长期梯度放牧试验和风蚀实验的平台，通过对风蚀物的收集和植物群落特征（高度、盖度、枯落物量）的调查，分析不同载畜率下植物群落特征对于风沙通量的影响。这些变化特点和规律的揭示以及相关关系的探讨，可为荒漠草原生态系统的可持续发展与保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验地点位于北纬41°47′17″，东经111°53′46″，乌兰察布市四子王旗王府一队的内蒙古农牧业科学院综合试验示范中心。本地区全年八级风日数50～70 d，沙尘暴日数15～20 d，春季是大风的主要季节。全旗历年平均降水量为313.8 mm，分布极不均匀，多集中在7-9 月，且蒸发量远远超过降水量。该试验区属于荒漠草原，群落建群种为旱生和强旱生丛生禾草。荒漠草原是内蒙古天然草地的重要组成部分，具有温带草原旱生性最强的植物种类组成。试验区的植物群落类型为短花针茅（Stipa breviflora）+冷蒿（Artemisia frigida）＋无芒隐子草（Cleistogenes songorica）。

1.2 试验设计

本研究是以2004 年建立的长期梯度放牧的试验平台为基础，样地总面积约50 hm2，采用完全随机区组设计，将12 个围栏放牧小区（每个小区占地面积4.4 hm2）划分为3 个区组，每个区组内随机排列4 个不同的载畜率水平：对照（control，CK）、轻度放牧（light grazing，LG）、中度放牧（moderate grazing，MG）和重度放牧（heavy grazing，HG）（图1）。在放牧季内（6 月1 日-11 月30 日）设定不同的载畜率值，分别为0（CK）、0.91（LG）、1.82（MG）和2.71（HG）羊单位·hm-2·半年-1，实际在轻度、中度和重度区分别放4、8 和12 只绵羊。

图1 试验小区和区组位置Fig.1 Locations of the experiment plot and block

在每个放牧小区的中间位置，选择能代表对应放牧强度的典型地段设置5 m×20 m 的开放小样区（开放样区用于保障放牧对于风蚀产生的作用），用于安装BSNE（big spring number eight）采样器。采样器与盛行风垂直，本地区非生长季盛行西风和西北风，且在此方向大于6 m·s-1的风频较高，输沙势较大。使用GPS 和地形图进行定位且保证各集沙装置所处高程及坡向一致。每个采样器集沙口宽2 cm，高5 cm。集沙装置可以捕获空气中的风蚀物，BSNE 的集沙效率为90%以上。本试验将3 个高度集沙盒（10、30、50 cm）安装在同一支撑杆上，用于收集风蚀物，每个放牧小区放置3 个集沙盒，12 个小区，共36 个集沙盒。

2018 年10 月中旬在每个放牧小区安装集沙盒，于2019 年4 月中旬将各个放牧小区内不同高度集沙盒的沙尘样品用蒸馏水冲刷收集，带回实验室进行烘干处理得到风蚀物样品，收集后用1/1000 的电子天平称重，测定土壤风蚀量（g）。

在2018 年9 月于每个放牧小区和对照区随机设置10 个1 m×1 m 的样方，记录植物群落的物种组成和不同植物的功能性状（盖度、高度），并收集样方内枯落物，于80 ℃烘箱烘干24 h 称重（精确至0.1 g），得到枯落物量（g·m-2）。

1.3 计算方法

风沙流水平通量（Q）可用每单位时间内垂直于风向的固定高度单位宽度的风沙质量表示。Q 是由距地表不同高度风沙流q（z）构成，q（z）有不同的拟合方程［16］，本试验参照李永强等［17］和Shao 等［18］研究中使用的方法进行拟合，不同高度单位面积水平通量q（z）满足下面的关系：

式中：a，b，c是拟合参数；z是集沙口的高度（m）。方程两边取对数，即：

通过SPSS 进行多项式拟合，不同垂直高度水平通量q与集沙高度z通过二次多项式函数建立关系；通过拟合的多项式方程，求得常数项a、b和c，所有参数已知，完成q（z）方程的建立。

需要进一步对q（z）方程进行从地表到1 m 高度的积分计算求得Q。根据积分方程（2）可以求得1 m 高度1 m宽度截面范围内的水平通量Q。

1.4 数据分析

本研究使用Excel 进行植物群落特征和风蚀物数据的初步处理分析，使用SAS 软件进行对应分析（CORRESP 过程）以及典型相关分析（CANCORR 过程）。不同集沙高度的风沙通量数据在SAS 软件中进行单因素方差分析（ANOVA 过程），并进行Duncan 多重比较，显著性水平为α=0.05，然后再用Sigmaplot 14.0 作图。采用AMOS 21.0 拟合构建不同载畜率下植物群落特征对风沙通量影响的结构方程模型。

2 结果与分析

2.1 不同载畜率下草地植物群落特征

植物群落盖度和高度都随载畜率增加而逐渐减小（图2），其中CK 区显著高于MG 和HG 区（P＜0.05）。LG、MG、HG 区的盖度之间没有显著性差异，而LG、MG 区高度显著高于HG 区。CK 和LG 区枯落物量显著高于HG 区（P＜0.05）。

图2 植物群落特征在不同载畜率下的差异Fig.2 Differences of the plant community characteristics under different stocking rates

2.2 不同载畜率下近地面集沙高度的风沙通量

对集沙高度10 cm 的风沙通量来说，MG 和HG 区的风沙通量显著高于CK 区（P＜0.05），且此高度的风沙通量在CK 区占比最低，而在LG、MG、HG 区均占比最高（图3 和图4）。而集沙高度30 和50 cm 的风沙通量在不同载畜率间均无显著差异，HG 区0～50 cm 显著高于CK 和LG 区（P＜0.05）。整体来看，LG 区与CK 区的风沙通量无显著差异，HG 与MG 相近，差异性不显著（图3）。总的风沙通量随着载畜率的增加呈上升趋势，CK 区最低，LG 和MG 区分别是CK 区的1.29 和1.81 倍，HG 区的风沙通量最高，是CK 区的2.20 倍（图4）。

图3 不同近地面集沙高度风沙通量在不同载畜率下的差异Fig.3 Differences of dust flux at different heights of near-surface under different stocking rates

近地面不同高度风沙通量在不同载畜率下所占的比例不尽相同（图4）。集沙高度30 cm，CK 区的风沙通量比10 cm 的占比 高，比50 cm 的少，而在LG 和HG 区均最低，在MG 区，集沙高度30 cm 比10 cm 的少，比50 cm的高。

图4 不同近地面集沙高度风沙通量在不同载畜率下所占比例Fig. 4 Percentage of dust flux at different heights of nearsurface under different stocking rates

2.3 不同载畜率下风沙通量与植物群落特征的关系

植物群落高度和盖度对集沙高度10、30 和50 cm的风沙通量影响较大，枯落物量对其影响相对较小（图中其与风沙通量距离较远）。HG 区对不同高度风沙通量的影响最大（图中其与风沙通量距离较近），其次是MG、LG 和CK 区，因此放牧强度对风沙通量有很大影响（图5A）。

风沙通量与植物群落特征的典型相关系数为0.9420，风沙通量与植物群落特征整体上呈显著相关关系（P＜0.05），且植物群落的高度、盖度和枯落物量在植物群落特征典型变量的载荷系数均为负值，因此其与风沙通量均呈负相关关系，其中植物高度对风沙通量的影响最大，且集沙高度10 cm 的风沙通量受植物群落特征的影响最大，即植物群落高度越高导致集沙高度10 cm 的风沙通量越小（图5B）。

图5 不同载畜率下风沙通量与植物群落特征的关系Fig.5 Relationship of dust flux and plant community characteristics under different stocking rates

不同载畜率下植物群落特征对不同近地面高度风沙通量都有影响，因此将这些可观测变量纳入模型，载畜率与集沙高度10 cm 风沙通量路径系数是0.30，即载畜率与10 cm 高度风沙通量呈正相关，植物群落的高度、盖度和枯落物量与10 cm 风沙通量呈负相关关系（图6A）。对于集沙高度30 cm 的风沙通量而言，不同载畜率对植物群落高度影响最大，路径系数是-0.94，呈负相关关系（图6B）。载畜率对距地表50 cm 高度风沙通量的直接影响不显著，因此可剔除此路径。植物群落高度与风沙通量路径系数是-0.96，说明植物群落高度对于土壤风蚀的发生起到一定的阻碍作用（图6C）。总的来说，植物群落高度对风蚀量的降低具有显著影响（P＜0.05）（图6D）。

图6 不同载畜率下风沙通量与植物群落特征结构方程Fig.6 Structural equation of dust flux and plant community characteristics under different stocking rates

3 讨论

放牧是人类对草原生态系统最主要的干扰［19］，长期放牧可减少植被覆盖并改变土壤的稳定性，使草地风蚀敏感性增加［3，20］，因此，随着放牧强度的增加，各集沙高度的风沙通量呈上升趋势。本研究中，随着载畜率的增加，各集沙高度的风沙通量均呈不同程度的上升趋势，其中10 cm 集沙高度的风沙通量在不同载畜率下有显著差异。有研究发现流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘的输沙量随着高度增加呈下降趋势［21-22］。边凯等［23］发现输沙量随着高度增加呈单一指数规律递减。余沛东等［24］研究表明，随着地表高度的增加，不同植被覆盖度下各风速的输沙率均呈不同程度的下降。本试验发现集沙高度10 cm（即距地表最近的高度）的风沙通量与其他高度的相比，其在LG、MG、HG 区均占比最大。地表上覆盖的植被可以降低风速，使土壤颗粒不易被分散，并且可以截留一部分风吹动的土壤颗粒［7］。植被有多种途径保护地表土壤，减少风蚀的输沙量，当风蚀发生时，气流在穿过植被时被削弱、阻挡，从而降低风速，阻止被蚀土壤的运动［25-26］。本研究中，载畜率与集沙高度10 cm 风沙通量呈正相关关系，但是与30 cm 高度的风沙通量呈负相关。这可能是由于受到植物群落高度的影响，2018 年9 月各处理下大部分植物高度在20 cm 以下（图7），其中CK 区86.7%、LG 区96.3%、MG 区93.3%、HG 区100%的植物高度都低于20 cm。由于植物可以阻挡一部分的沙尘，当达到起沙风速时，大部分植物高度在20 cm 以下，阻挡一部分沙尘的上扬，使其在近地表处移动，CK 区植物群落高度在10 cm 以下的占20.0%，LG 区占43.3%，MG 区占60.0%，HG 区占86.7%，因此风蚀物主要集中在距地表10 cm 高度处，30 cm 高度的风蚀量较少。载畜率与集沙高度50 cm 的风沙通量呈正相关关系，可能是由于风蚀物中粉粒占比较大，导致风蚀量增加，载畜率对距地表50 cm 高度的风沙通量影响较大。

图7 植物群落高度箱线图Fig.7 Box plot of community height

尚润阳等［27］研究发现林地的土壤风蚀与植被高度具有显著负相关关系，本研究与之相同，但是通过单因素方差分析中得到植被高度没有植被盖度对土壤风蚀的影响显著，而本研究中得到的结论有所不同，在研究植物群落特征（盖度、高度、枯落物量）对土壤风蚀的影响中，植物群落高度比植物盖度对风蚀的影响更大，造成这一结果的主要原因是研究地植被状况不同。并且本试验是研究不同载畜率下非生长季的风沙通量，植被状况和风沙通量都存在季节差异［17］，冬季的植物枯萎，相对于生长季节来说，植物群落盖度在不同载畜率间的差异较小，且对于风蚀的影响减弱，而植物立枯物高度对于风蚀仍然起到一定的阻碍作用，可阻挡被风吹蚀起来的土壤颗粒。因此植物群落高度比盖度对风蚀的影响更加显著。

孙世贤等［28］研究表明，集沙量与枯落物量存在指数负相关关系，枯落物可通过降低地表风速从而降低草地的输沙量，荒漠草原冬春季节枯落物保持量高于32.93 g·m-2，有利于降低草地风蚀量。此外，秋季重度放牧会因降低枯落物量等因素而加重草地风蚀，北方的沙尘暴等主要发生在冬春季节，因此，探究不同载畜率下荒漠草原非生长季植被特征对草地风蚀的影响具有重要意义。

4 结论

载畜率的增加会加剧土壤风蚀，尤其显著增加集沙高度10 cm 的风沙通量和0～50 cm 的总风沙通量。集沙高度30 和50 cm 的风沙通量在不同载畜率间的差异均未达到显著性水平。不同载畜率下，植物群落特征对风沙通量有显著影响。风沙通量与植物群落高度、盖度和枯落物量均呈负相关关系，其中主要通过植物群落高度影响风沙通量，植物越高，土壤风蚀量越小。荒漠草原随着载畜率增加，植物种的数量减少，且MG、HG 区与CK、LG区植物群落特征（高度、盖度、枯落物量）状况相比较差，因此当载畜率达到一定程度就会破坏植物的生长，进而增加草地风蚀量。