希拉穆仁修復(fù)退化草地水土流失水平觀測(cè)研究

張瑞強(qiáng),高天明,劉鐵軍

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特010020)

近年來,由于人為和自然因素的綜合影響,我國(guó)草地普遍退化、沙化,承載能力不斷降低,草原生態(tài)環(huán)境惡化呈加劇趨勢(shì),嚴(yán)重影響著牧區(qū)人民的生產(chǎn)生活,威脅著京、津及北方其他重要地區(qū)的生態(tài)安全。因此,防治草地退化,保護(hù)和修復(fù)草原生態(tài),改善牧民生產(chǎn)生活條件,促進(jìn)牧區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,任務(wù)十分緊迫。

通過長(zhǎng)期觀測(cè),積累大量第一手準(zhǔn)確數(shù)據(jù),估算草地水土流失水平(侵蝕模數(shù)),對(duì)于科學(xué)研究的不斷深入、生態(tài)修復(fù)建設(shè)實(shí)踐的科學(xué)指導(dǎo),均具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)基本情況

研究區(qū)為內(nèi)蒙古希拉穆仁草原區(qū),位于內(nèi)蒙古包頭市達(dá)茂旗東南部,為內(nèi)蒙古高原牧區(qū)腹地,地理位置北緯 41°12′～ 41°31′,東經(jīng) 111°00′～111°20′。該地區(qū)氣候?yàn)橹袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,其特點(diǎn)是春秋季干旱多風(fēng),夏季雨量較充沛,冬季干燥寒冷。多年平均降水量284.0 m,主要集中在7-9月,多年平均蒸發(fā)量2 305.0 mm,年濕潤(rùn)度0.31;中等年、中枯年、中濕年降水量分別為:286.4、224.8、330.1 mm。年平均氣溫 2.5℃,≥10 ℃年積溫1 985～2 800℃·d,多年平均日照時(shí)數(shù)3 100 h,無霜期83 d左右。多年平均風(fēng)速4.5 m/s,全年主要風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西北風(fēng),年大風(fēng)時(shí)間為63 d,沙塵暴20～25 d。

該地區(qū)地處陰山山地向內(nèi)蒙古高原的過渡帶,平均海拔 1 600 m。既有剝蝕地形,又有沖積、堆積地形。高處為太古界、元古界、古生界各類變質(zhì)巖和各期花崗巖,巖基裸露,由于長(zhǎng)期受風(fēng)蝕作用,丘陵多呈渾圓波狀;低處由第四系細(xì)中砂、粗礫砂組成,具有水平交錯(cuò)層理,在埋深3～20 m內(nèi)有較好的潛水儲(chǔ)藏條件,地勢(shì)平坦。土壤為各種基巖上發(fā)育的幼年土壤,高處除地表有微弱的腐殖質(zhì)外,土壤為石質(zhì)質(zhì)地,粗糙,分布面積較小;低洼處一般分布較大面積的草甸栗鈣土,質(zhì)地為輕壤質(zhì)或砂壤質(zhì),土壤水分和養(yǎng)分較豐富,有一定生產(chǎn)潛力[1]。

希拉穆仁草原地帶性植被群落主要建群種或優(yōu)勢(shì)種有克氏針茅Stipa krylovii、冷蒿Aritimisia frigida、羊草 Leymus chinensis等多年生、旱生草本植物,呈現(xiàn)典型草原特征。

由于降水稀少,氣候寒冷,自然條件差,加上多年超載過牧、旅游踐踏等原因,大面積草地已嚴(yán)重退化、沙化。草地生產(chǎn)力水平從20世紀(jì)50-70年代載畜量0.67羊單位/hm2,降到目前0.35羊單位/hm2。希拉穆仁草原30年前共有植物種類約129種,目前不足80種[2]。

當(dāng)?shù)厮亮魇攸c(diǎn):風(fēng)蝕十分常見,尤其在土地消融后植被完全返青前的3-5月更易于發(fā)生。又當(dāng)?shù)仉m為干旱區(qū),降水量偏少,但在每年7、8月降水往往集中發(fā)生,產(chǎn)生坡面徑流,水蝕在夏季也很普遍。因此具有水力、風(fēng)力復(fù)合侵蝕特點(diǎn)。

2 研究方法

2.1 草地植被調(diào)查診斷 2003—2008年近5年來,水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所承擔(dān)水利部“荒漠草地植被修復(fù)綜合技術(shù)”、“草地水土流失生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)成套技術(shù)”等科研項(xiàng)目,以研究退化草地植被修復(fù)過程與潛力和水土流失特性為主要目的之一。項(xiàng)目研究區(qū)選擇為內(nèi)蒙古達(dá)茂旗希拉穆仁鎮(zhèn)。項(xiàng)目實(shí)施首先對(duì)當(dāng)?shù)剡B年超載放牧草地退化情況進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查,并通過調(diào)查結(jié)果估計(jì)了水土流失水平。調(diào)查采用樣方法。

2.2 草地封育試驗(yàn) 一般認(rèn)為,草地封育是草地管理或者草地復(fù)壯的一種技術(shù)措施。實(shí)際上對(duì)于退化的草地,圍欄封育同樣是一種十分有效的生物技術(shù)措施,目前全國(guó)各地都大力提倡這種技術(shù)方式。

草地封育修復(fù)的原理,就是充分利用自然植被內(nèi)部的恢復(fù)力穩(wěn)定性。自然植被都具有這種特殊的能力,他們能夠從草地之外源源不斷地獲得能量和物質(zhì)的輸入,例如太陽輻射能、自然降水與固定氮素,經(jīng)過群落的結(jié)構(gòu)與功能整合,實(shí)現(xiàn)群落的自然更替,在此過程中草地的生產(chǎn)力也就得到了恢復(fù),達(dá)到了原來的水平[2-4,7-10]。

研究區(qū)草地經(jīng)歷了5年以上嚴(yán)重超載放牧,退化十分嚴(yán)重。盡管如此,草地還沒有遭到根本破壞,還未產(chǎn)生沙化、鹽堿化現(xiàn)象。所以選擇典型地帶,立即停止使用草地,于2005年底,完全封禁133 km2草地,令其自然修復(fù)。在草地修復(fù)過程中,每年定期對(duì)草地植被進(jìn)行樣方調(diào)查和土壤取樣分析,考查其修復(fù)效果。

2.3 坡面水土流失量觀測(cè) 對(duì)一個(gè)地區(qū)水土流失量(水土流失模數(shù))的估計(jì),一般采用模擬試驗(yàn)、修正某種模型推算的方法。本研究采用一種直接測(cè)量的方法觀測(cè)研究區(qū)水土流失水平,即坡面盆測(cè)法。

于研究區(qū)典型坡面,選100 m×100 m,放置直徑16 cm、深10 cm不銹鋼測(cè)盆30個(gè)。

坡面條件:退化草地經(jīng)2006、2007年自然修復(fù),地形較均一,坡度3.3°。坡面上有寬度 5 ～6 m廢棄大車路2條和過去遭某種原因破壞、接近裸露的草地。

放置程序及方法:時(shí)間為2007年9月底,先取野外地表原狀土適量,精細(xì)修整使其適應(yīng)盆內(nèi)容積,裝入盆中,原土面盡量與盆沿齊平。然后帶回實(shí)驗(yàn)室,去掉土面以上雜草,烘干,稱量(精度0.1 g),記錄數(shù)據(jù)后逐一將測(cè)盆放回野外原處,注意盆沿、盆土面和地面三者齊平。各盆位置用1 m精度GPS測(cè)定、記錄。盆土在室內(nèi)、室外搬運(yùn)過程中,注意加蓋以防盆土因各種人為原因丟失。2008年9月底,測(cè)盆野外放置已經(jīng)過1年,取回實(shí)驗(yàn)室,重復(fù)去雜草、烘干、稱量。

比較2次稱量差別,發(fā)現(xiàn)各盆土質(zhì)量均有損失。盆土質(zhì)量損失即為2007-2008年內(nèi)水力、風(fēng)力侵蝕總量。

3 結(jié)果分析

3.1 草地退化情況調(diào)查結(jié)果 2000-2006年,對(duì)研究區(qū)33.3 hm2樣地做了調(diào)查。該地平均每年放牧載畜量達(dá)到9頭黃牛、5匹馬及1峰駱駝,按下面折合比例[4]。

1峰駱駝=7綿羊單位;

1匹馬=6綿羊單位;

1頭黃牛=5綿羊單位。

計(jì)算實(shí)際載畜量為2.44羊單位/hm2。草地嚴(yán)重超載,達(dá)當(dāng)?shù)卣２莸乩碚撦d畜量3倍以上,所以導(dǎo)致草地的嚴(yán)重退化。

2006、2007年8月底進(jìn)行退化草地植被調(diào)查,結(jié)果如表1所示。

2006年全年降水量169.2 mm,2007年全年降水量231.4 mm,均屬十分干旱年份。2008年全年降水量372.7 mm,屬濕潤(rùn)年份。

表 1 2006、2007年退化天然草地植被調(diào)查

退化草地表層土壤(0～5 cm)有機(jī)質(zhì)含量不足2.5%,比正常草地低30%;土壤中粘粒、粉細(xì)顆粒占22%,沙粒占69%,礫石(＞2 mm)占9%。土壤硬結(jié),容重達(dá)1.6(正常草地為1.5左右)。根據(jù)國(guó)家《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)(GB 19377—2003)》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià),連年超載過牧,已使草地接近重度退化。

采用通用土壤流失方程(USLE)[1],結(jié)合實(shí)地調(diào)查資料,推導(dǎo)估算該地區(qū)現(xiàn)狀土壤侵蝕模數(shù)為6 000 t/(km2·a)左右,屬中強(qiáng)度侵蝕區(qū)。

3.2 草地封育試驗(yàn)結(jié)果 草地封禁修復(fù)過程中逐年植被、土壤變化情況見表2。土壤結(jié)構(gòu)由致密變疏松,有機(jī)質(zhì)含量增加40%以上,與其他研究者取得了相似的結(jié)果[6,10,13-14]。

表2 退化草地與修復(fù)草地植被、土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

“重要值”是反映草群中某種植物出現(xiàn)多少及相對(duì)生物量的一個(gè)綜合指標(biāo),類似于該種草在草群中所占比重的概念,是生態(tài)學(xué)上度量草群落結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)。其計(jì)算方法:

重要值=(相對(duì)多度+相對(duì)蓋度+相對(duì)質(zhì)量)/3[7,9,11,13]。

研究區(qū)草地植物主要品種有:克氏針茅、羊草、冷蒿、豬毛菜Salsolscollina和銀灰旋花Convolvulus ammannii、阿爾泰狗娃花 Heteropappus altaicus等。群落各植物種重要值的逐年變化,反映了草地群落物種組成的逐年變化,克氏針茅、羊草等禾本科類優(yōu)良牧草比例逐漸增加,退化指標(biāo)植物銀灰旋花、豬毛菜和阿爾泰狗娃花比例逐漸下降,群落結(jié)構(gòu)在修復(fù)過程中逐年改善,與許多研究者結(jié)果相似[7,11,15-16]。如圖1。

圖1 草地自然修復(fù)草群物種組成變化情況

3.3 坡面水土流失盆測(cè)結(jié)果 剔除丟失或人為損壞的無效盆,將有效測(cè)盆盆土質(zhì)量損失量換算為該點(diǎn)處的侵蝕模數(shù)值,繪制等值線圖,與地形等高線迭加,得圖2。

圖2 侵蝕模數(shù)等值線與地形迭加圖

以相臨測(cè)盆點(diǎn)連線垂直等分線分隔,計(jì)算各點(diǎn)代表面積。根據(jù)各點(diǎn)代表面積計(jì)算模數(shù)加權(quán)平均值,得此坡面侵蝕模數(shù)值為4 750 t/(km2·a),這是2007-2008年研究區(qū)坡面風(fēng)、水兩相侵蝕模數(shù)的總和。

4 討論與結(jié)論

1)草地在連年超載放牧壓力下,草地退化十分明顯,突出表現(xiàn)在群落高度下降,只有5 cm左右,草地產(chǎn)量大幅度下降,地表變得稀疏裸露,土壤質(zhì)地密結(jié),有機(jī)質(zhì)含量降低。極易遭受水力、風(fēng)力侵蝕。

2)退化草地當(dāng)時(shí)還沒有遭到更為嚴(yán)重的破壞,還未產(chǎn)生沙化、鹽堿化現(xiàn)象,實(shí)施封禁修復(fù),2～3年即可取得明顯效果。群落高度明顯提高,植被蓋度增加1倍,產(chǎn)量提高2倍。群落結(jié)構(gòu)明顯改善,由退化狀態(tài)下的冷蒿+豬毛菜+銀灰旋花群系轉(zhuǎn)變?yōu)榭耸厢樏?羊草群系,接近當(dāng)?shù)夭菰匀恢脖豁敿?jí)演替水平。土壤結(jié)構(gòu)由致密變疏松,有機(jī)質(zhì)含量增加40%以上。

3)根據(jù)坡面盆測(cè)結(jié)果得出侵蝕模數(shù)等值線圖。與地形等高線迭加后,發(fā)現(xiàn)2種等值線比較均一地成小角度相交,表明土壤侵蝕與地形有較密切的相關(guān)關(guān)系,但在人為活動(dòng)密集區(qū),這種規(guī)律遭到破壞。侵蝕模數(shù)向下坡方向增加,因?yàn)閺搅餮仄孪蛳铝鲃?dòng)過程中,水量、攜沙量增加會(huì)導(dǎo)致侵蝕強(qiáng)度增加。在過去由于人車踐踏的地方,草地被嚴(yán)重破壞,雖然同樣封禁修復(fù),但短時(shí)期內(nèi)植被仍然十分低矮稀疏,再加上地表硬結(jié),降水時(shí)往往形成徑流通道,因此這些地方受侵蝕程度顯著高于其他地方,試驗(yàn)結(jié)果表明,可高達(dá)4倍以上。

4)草地經(jīng)過2～3年封禁修復(fù),植被得到較好修復(fù),水土保持功能大大增強(qiáng),經(jīng)過初步實(shí)測(cè)知侵蝕模數(shù)為4 750 t/(km2·a),比中-重度退化狀態(tài)下減少20%。

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