祁连山东端北麓不同降水区对退化草原飞播修复成效的影响

赵雅丽

(甘肃省天祝县草原工作站,甘肃 天祝 733299)

草原是绿色的象征,被称为大地的底色,我国草原面积约占国土面积的40%。草原是重要的生态系统和自然资源,在维护国家生态安全、促进经济社会可持续发展、农牧民增收致富等方面具有基础性和战略性地位[1]。然而,受自然因素干旱、病虫害,人为因素过度放牧、采挖等的影响,我国90%的天然草原出现不同程度的退化,重度和中度退化面积占30%以上[2]。加强草原保护修复已刻不容缓,2021年国务院办公厅发布了《关于加强草原保护修复的若干意见》,标志着我国草原保护修复进入新的发展阶段[3]。

天然草原的退化是由量变到质变的累积过程,其成因、机理和结果非常复杂,修复也是一个复杂的系统工程[4]。修复技术大体可以分为两类,一类是自然修复,包括封育、禁牧、休牧和轮牧等措施;另一类是人工修复,包括浅耕翻、切根、施肥、补播等措施[5]。马凤江等研究表明,退化草地修复技术有明显的地域特征[6]。草种飞播可增加土壤种子含量,是退化草原人工修复重要措施之一,其修复成效受播种量、播种季节、播种地自然条件和后期管护水平的影响。

开展草原修复项目成效评估和评价是加快和促进修复进程的重要手段,对修复项目可行性报告、作业设计编制、工程实施和技术改进等方面具有导向作用。尤其在草原由单一生产型向双重生态+生产型转变的新时代背景下,引入生态评价指标显得尤为必要和重要。本试验在祁连山东端北麓浅山区通过对退化草原实施飞播修复,研究了不同降水区对地上植物群落总生物量、高度、盖度、密度、丰富度、多样性和均匀性指标的影响,旨在为退化草原精准修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省天祝县境内,该地位于祁连山东端北麓浅山区,土地面积7 149 km2,根据第三次国土调查主要数据公报,草地面积3 154.6 km2,占全县土地总面积的44.13%。该地海拔2 500～3 300 m,属大陆性高原季风气候,冬长夏短、春寒秋凉,年均气温0.8 ℃,无霜期90～120 d,年降水量300～500 mm,60%集中在7-9月,同一海拔降水量自东向西依次递减。土壤为山地栗钙土。试验地草原为温性草原,主要为甘青针茅(StipaprzewalskyiRoshev.)和扁穗冰草(Agropyroncristatum(L.) Gaertn),受长期人为活动和不利自然因素的影响,该地草原中度退化,部分裸露地植被稀疏,仅丛生芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin.) Nevski)受风蚀侵害,表现出沙化和荒漠化。2022年天祝县实施了祁连山北麓退化草原修复治理项目,主要通过草种飞播来提高草地质量,在全县19个乡镇43个行政村退化草原飞播草种400 km2。

1.2 试验材料

试验用草种为垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)、草地早熟禾(PoapratensisL.)和扁穗冰草,按质量比8∶1∶1均匀混合,每666.7 m2飞播量3 kg。

1.3 试验方法

2022年5月上旬在海拔2 600 m草原地带自东向西选取地势相对平坦的不同降水量飞播地为不同处理,处理1为500 mm降水区,处理2为450 mm降水区,处理3为400 mm降水区,处理4为350 mm降水区,处理5为300 mm降水区,并将相应处理附近没有飞播草种地设为对照(CK),若降水量达不到,可人工辅助灌溉。不同处理面积15 hm2,重复3次。飞播地选定后,选择晴朗无风天气,采用无人机撒播草种。无人机由专业人员操控,飞行高度20～30 m,采用北斗导航系统导航,飞行路线不重叠,撒播均匀。

1.4 测定内容

2022年9月底每个样地沿对角线(X形)均匀选取面积1 m×1 m样方9个(重复9次),测定和统计样方内草种萌发率、不同植物高度(RH)、盖度(RC)、密度(RD)、物种数目(N)、物种个体数目(S)和地上群落总生物量(DW)。盖度用目测法,不同物种i枝叶投影面积占样方总面积的比例,用0～1表示。以上指标测定完成后将样方内地上植物用剪刀沿地表剪下装入布袋内带回实验室,在105 ℃条件下烘至恒重,用电子天平称其重量。并计算物种i重要值(Pi)、丰富度指数(Ma)、多样性指数(H)和均匀度指数(JP),计算公式如下。

草种萌发率(%)=萌发草种数/播种数×100%

(1)

Pi=(RH+RC+RD)/3

(2)

Ma=(S-1)/InN

(3)

H=∑Pi InPi

(4)

JP=H/InS

(5)

式中Pi为样方中物种i重要值;RH为高度;RC为盖度;RD为密度;式中S为样方中的物种数目;N为样方中所有物种个体数目。

1.5 数据处理

所有试验数据求平均值,利用Excel 2007和DPS 6.01进行统计新复极差显著分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对飞播草原植物数量的研究

从表1可以看出,祁连山东端北麓不同处理草种飞播后总生物量有很大不同。其中,处理1的总生物量最多,为384.36 g/m2,比对照增加18.12%。与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理2,总生物量为342.51 g/m2,比对照增加24.26%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。总生物量最少的是处理5,为125.28 g/m2,比相应的对照(CK)增加13.58%,比处理1减少,且与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。从表1还可以看出,随着不同处理降水量的增加总生物量迅速增多。

表1 不同处理的草原地上总生物量和草种萌发率

祁连山东端北麓不同处理草种萌发率也有很大不同。其中,处理2的草种萌发率最高,为72.16%,比对照增加10.81%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理3,萌发率为52.54%,比对照增加5.14%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。草种萌发率最低的是处理5,为21.09%,比相应的对照(CK)增加13.14%,比处理1减少52.21%,且与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。从表1还可以看出,随着不同处理降水量的增加草种萌发率先升高后降低。

2.2 不同处理对飞播草原植物质量的研究

从表2可以看出,祁连山东端北麓不同处理草种飞播后植物高度有很大不同。其中,处理1的高度最高,为52.24 cm,比对照增加15.83%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理2,高度为40.08 cm,比对照增加27.36%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。高度最低的是处理5,为18.61 cm,比相应的对照(CK)增加14.24%,且与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。从表1还可以看出,随着不同处理降水量的增加植物高度迅速增高。

表2 不同处理的草原植物高度、盖度和密度

祁连山东端北麓不同处理植物盖度也有很大不同。其中,处理1的盖度最高,为0.88,比对照增加7.32%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理2,盖度为0.81,比对照增加15.71%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。盖度最低的是处理5,为0.52,比相应的对照(CK)增加4.00%,且与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。从表2还可以看出,随着不同处理降水量的增加草盖度迅速提高。

祁连山东端北麓不同处理植物密度也有很大不同。其中,处理1的密度最高,为415株/m2,比对照增加7.51%。与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理2,密度为354株/m2,比对照增加75.25%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。密度最低的是处理5,为58株/m2,比相应的对照(CK)增加52.63%,比处理1减少86.02%,且与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。从表2还可以看出,随着不同处理降水量的增加密度迅速提高。

2.3 不同处理对飞播草原群落多样性的研究

从表3可以看出,祁连山东端北麓不同处理草种飞播后植物丰富度指数有很大不同。其中,处理1的丰富度指数最高,为0.35,比对照增加9.38%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理2,丰富度指数为0.22,比对照增加22.22%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。丰富度指数最低的是处理5,为0.10,虽比相应的对照(CK)增加11.11%,却比处理1减少71.43%。从表3还可以看出,随着不同处理降水量的增加丰富度指数迅速增高。

表3 不同处理的草原地上植物丰富度、多样性和均匀性指数

祁连山东端北麓不同处理植物多样性指数也有很大不同。其中,处理1的多样性指数最高,为0.94,比对照增加2.17%。其次是处理2,多样性指数为0.90,比对照增加4.65%。多样性指数最低的是处理5,为0.40,比相应的对照(CK)增加2.56%,比处理1减少57.45%,且与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。从表3还可以看出,随着不同处理降水量的增加多样性指数迅速提高。

祁连山东端北麓不同处理植物均匀度指数也有很大不同。其中,处理1的均匀度指数最高,为0.92,比对照增加6.98%。与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理2,均匀度指数为0.82,比对照增加12.33%,与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。均匀度指数最低的是处理5,为0.42,比相应的对照(CK)增加5.00%,比处理1减少54.35%,且与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。从表3还可以看出,随着不同处理降水量的增加均匀度指数迅速提高。

3 结论与讨论

试验结果表明,祁连山东端北麓浅山区退化草原飞播修复后,均提高了地上植物数量、质量和多样性。海拔2 600 m地带不同降水区地上植物总生物量、高度、盖度、密度和丰富度指数、多样性指数、均匀度指数均随着降水量的增多而增加。除草种萌发率和多样性指数外,降水量450 mm区域的各项指标增长率均最高,建议该区域优先采用飞播措施来修复退化草原。

在干旱半干旱区降水量直接影响草原的生长量和草种的萌发率[7]。在相同海拔条件下影响因子比较单一,可能仅仅为降水量不同,在不同海拔条件下影响因子可能除将水量不同外,还涉及气温。焦润安等[8]研究表明海拔每提高100 m,温度降低0.6 ℃。乔琴等[9]研究表明祁连山乌鞘岭地区降水量具有明显的垂直带谱特征,山顶受气温和峰面对流的影响,降水量较多。

在相同草种数量飞播条件下,不同降水区飞播地植物数量、质量和多样性指数增加值受降水量和草种萌发率的双重影响[10]。降水量450 mm区域的地上群落总生物量、草种萌发率、高度、盖度、密度和丰富度指数、多样性指数和均匀度指数的增加值最高,可能是在这一区域天然群落稀疏度适合飞播草种的着陆,且降水量能满足草种的萌发,萌发率较高。降水量400 mm、350 mm和300 mm区域的天然群落稀疏度依次增加,稀疏度虽适合飞播草种的着陆,但降水量依次减少,干旱程度增加,草种着陆后萌发率较低。降水量500 mm区域的天然群落较稠密,飞播草种可能受地上群落茎叶的阻隔,很难着陆,发芽率也降低。

根据《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021-2035)》中对退化草原不同区域应采取不同的修复措施的思路[11],试验地不同降水区也应采取不同的修复措施以提高修复成效,降水量较高的500 mm区域可采用围栏封育修复,在自然修复作用下节约草种,可降低修复成本,降水量450 mm区域可直接采用飞播修复,降水量≤400 mm区域可采用浅耕翻播种修复来提高草种在干旱条件下的萌发率。因此,今后编制退化草原修复项目可行性报告、作业设计等文件时应立足实际自然条件,差别化对待不同图斑,采取差别化修复措施。