禁牧對退化草地恢復(fù)的作用

肖金玉，蒲小鵬，徐長林

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

草地是一種重要的農(nóng)業(yè)自然資源。它既是綠色生態(tài)的屏障，又是草原畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。然而，草地退化已成為當(dāng)今世界面臨的一個極為嚴(yán)峻的問題［1］。世界上許多地區(qū)都存在由于超載過牧而導(dǎo)致的草地退化問題［2-3］。近年來，因氣候變暖、過牧、伐薪、亂墾、采礦、交通建設(shè)等多種因素造成我國草地退化，但超載過牧仍是導(dǎo)致草地退化的主要原因之一［4］。草地退化后牧草種類減少、植被稀疏、產(chǎn)量下降、草地畜牧業(yè)成本增加，生物多樣性降低、土壤肥力下降、侵蝕加重［5］，最終導(dǎo)致草地資源嚴(yán)重枯竭，經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重制約。

家畜在草地上放牧，是自古以來人類利用草地資源的一種主要方式。放牧對草地的影響持久，可刺激草本牧草分蘗和灌木分枝，移除老組織，增加幼嫩組織對光的吸收，提高光合作用，同時提高土壤水分含量和植物利用水的效率［6］;也可促進(jìn)地上和地下營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)進(jìn)而提高礦物質(zhì)利用率［7］，牧草再生產(chǎn)能力得以提高［8］。但過度放牧則會降低草地生產(chǎn)力，對草地帶來很大危害，由開始時的植被變化，逐漸發(fā)展到土壤特性發(fā)生改變，最終導(dǎo)致草地退化［9］。

于是，為恢復(fù)退化草地，人們開始采用一種有效而且簡便易行的恢復(fù)措施，即圍欄封育，簡稱圍封。通常，圍封是將退化草地封閉一定時期，禁止放牧和割草，給牧草以休養(yǎng)生息的機(jī)會，為其充分生長發(fā)育創(chuàng)造條件，從而使退化草地消除放牧壓力進(jìn)而自然恢復(fù)。它是人類有意識地參與調(diào)節(jié)草地生態(tài)系統(tǒng)中草食動物與牧草生長關(guān)系的干擾活動［5］。由于圍封具有成本低、見效快，且簡便易行等特點(diǎn)，已廣泛使用于國內(nèi)外退化草地的恢復(fù)與重建［10-11］。但在草地管理中，如果圍封禁牧措施利用不當(dāng)也會對草地產(chǎn)生一些負(fù)面影響［12］。

在我國甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、青海、西藏、新疆西部六省(區(qū))因各種因素造成的草地退化面積已超過草地總面積的60%，于是在21 世紀(jì)初，從全國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和西部大開發(fā)的戰(zhàn)略高度出發(fā)，國家啟動了退牧還草工程，其中圍封禁牧是草地生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的主要措施之一［13］。由于草地的退化既包括生物因素“草”的退化，也包括非生物因素“地”的退化［14］，為了在草地生態(tài)恢復(fù)建設(shè)工程實(shí)施中便于參考，本文僅關(guān)注草地植被和與其有密切關(guān)系的著生土壤，以及草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與改善。

1 圍封對草地植被生物量和多樣性的影響

在許多情況下，草地的恢復(fù)先是從殘存植被和種子庫的恢復(fù)開始［5］。但是在一些嚴(yán)重退化的半干旱地區(qū)，禁牧也不能使植被自行恢復(fù)，因?yàn)楫?dāng)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的動力學(xué)、生物地球化學(xué)循環(huán)、水文循環(huán)等遭到破壞后［15］，該類草地的退化超出了自我恢復(fù)閾值［16］，系統(tǒng)功能衰退，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)螺旋式下降［17］。因此，這種退化草地的恢復(fù)變得更為困難，其恢復(fù)方法另當(dāng)別論。

通常，退化草地圍封后，植被恢復(fù)較快［18］，圍封增加了凋落物的積累［19］，由于消除了放牧擾動，促進(jìn)了以前因過度放牧而被抑制和消弱的群落的生長，提高了地表植被蓋度與平均高度［20］，從而增加了草地地上生物量和地下生物量［21］。閆玉春等［22］研究發(fā)現(xiàn)，圍封后草地群落地上生產(chǎn)力可在短時間內(nèi)恢復(fù);圍封6 年草地的總地上生物量較圍封2 年和圍封2.6年的高，并且圍封6 年是圍封2.6 年草地的1.9 倍。不同封育年限的沙化草地群落［23］，圍欄封育可使植被蓋度、高度和草群密度以及地上和根系生物量大幅增加;隨封育年限增加，建群種及一些適口性較好的優(yōu)良牧草比例逐漸增加，草地退化指示植物比例逐漸降低;但圍封4 年后的測定數(shù)據(jù)顯示，各項指標(biāo)的增長速度變慢。由此可看出，并非草地圍封時間越長，生產(chǎn)力就越高。原因是圍封也會限制牧草超補(bǔ)償性生長機(jī)制的發(fā)揮，使大量枯落物聚集，降低了植物生產(chǎn)的周轉(zhuǎn)率，影響了資源利用效率［24］。Yang 等［25］研究封育半干旱沙地草地的結(jié)果表明，長期封育并不能顯著改善草地生產(chǎn)力，提高放牧利用率;而季節(jié)性封育或放牧，可有效地調(diào)節(jié)植被與放牧家畜間的平衡，提高草地利用效率。Altesor等［26］對位于烏拉圭的世界最大的溫帶半濕潤草地研究得知，中度放牧地的地上初級凈產(chǎn)量高于圍封地。在埃塞俄比亞北部退化半干旱草地圍封恢復(fù)研究中也發(fā)現(xiàn)，圍封草地超過8 年后，草本植物生物量下降或者不再增加。所以，通過圍封措施提高草地生物量以恢復(fù)退化草地，需要謹(jǐn)慎地確定圍封期限［27］。

雖然退化草地圍封后，由于外界干擾源的消除和生境的改善，為群落中減少的和一些已消退的物種再度“侵入”創(chuàng)造了條件，因過牧減少或消失了的牧草，在圍封時又增加或者出現(xiàn)［28］，對物種生物多樣性具有積極作用［29］。但長期封育并不一定有利于群落物種多樣性的增加。這是因?yàn)閲馀懦藙游锊墒车母蓴_，使生境趨于均一化而可能導(dǎo)致生物多樣性減弱［30］或降低［31］。例如，美國俄克拉荷馬州沙蒿(Artemisia filifolia)草地，因圍封增加多年生牧草植物的優(yōu)勢度，從而降低了草地植物多樣性和豐富度［32］;加利福尼亞西南部的莫哈韋沙地，圍封禁牧與中度放牧相比，因圍封減少了本地物種數(shù)量而降低了物種豐富度［33］。在烏拉圭的溫帶半濕潤草地，由于中度放牧導(dǎo)致暖季生長的植物取代了一些冷季生長的雜草，所以中度放牧地的植物多樣性反而顯著高于圍封9 年的草地［26］。Abebe 等［34］在埃塞俄比亞北部退化山地草原圍封恢復(fù)研究中也得出，隨著禁牧?xí)r間的延長，草地木本和草本植物物種多樣性和豐富度都表現(xiàn)出一種先上升后下降的趨勢，即禁牧?xí)r間中等時，物種多樣性達(dá)到最大值［35］，繼續(xù)延長禁牧?xí)r間物種多樣性逐漸降低。此現(xiàn)象可用目前被廣泛接受的“中等干擾理論”［36］解釋，即中等強(qiáng)度干擾下，群落物種多樣性最高。Ellis 和Swift［37］的研究表明，草地如果缺乏動物的采食，其群落生物多樣性和初級生產(chǎn)力往往會降低，因?yàn)閯游锏牟墒呈挂恍┻m口性好的物種生物量或蓋度下降，擴(kuò)大了其他物種生存的空間，所以草地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性得以提高。因此，被適度采食干擾的草地生態(tài)系統(tǒng)，雖然地上殘留生物量可能會減少，但是初級生產(chǎn)力和物種多樣性都會較高。相當(dāng)于中等干擾下的適度放牧對草地植被恢復(fù)是必需的，而采取長期禁牧以求保護(hù)草地植被的做法不可取。

2 圍封對草地土壤恢復(fù)的影響

許多研究表明，圍封對土壤肥力具有積極作用。其一，可降低土壤侵蝕。圍封后植被的恢復(fù)有效地防止了降雨所引起的濺蝕和徑流侵蝕，水分利用效率提高，土壤侵蝕降低［38］。其二，可減小土壤容重。圍封禁牧后，土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加和家畜踐踏作用的消除，使草地表層土壤非飽和水傳導(dǎo)率增加，土壤容重顯著減小［39］。其三，可提高土壤養(yǎng)分含量。因?yàn)橹脖坏幕謴?fù)增加了地上凋落物和根系轉(zhuǎn)向土壤的營養(yǎng)輸入，所以土壤養(yǎng)分含量顯著高于放牧地的土壤養(yǎng)分含量［20，40］。

也有研究顯示，長時間圍封對土壤肥力無影響，例如Raiesi 和Asadi［41］在伊朗中部半干旱草地放牧研究結(jié)果顯示，放牧與圍封17 年草地的土壤有機(jī)碳含量和碳氮比無差異。Gyami 和Peter［42］在美國懷俄明州曾調(diào)查研究了長期圍封對半干旱灌叢草地碳積累和貯存量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0 －15 cm 土層有機(jī)碳含量在放牧與長期禁牧40 多年的草地間無顯著差異。Greenwood 和MacLeod［43］在澳大利亞新南威爾士溫帶草原研究也發(fā)現(xiàn)，草地表層土壤非飽和導(dǎo)水率與容重在圍封25 與2.5 年的結(jié)果相近，并非圍封時間越長土壤物理特性越好。

但也有研究認(rèn)為，圍封禁牧不利于土壤肥力的恢復(fù)。在Prairie 混合禾草地，與禁牧40 年后再放牧12 年的草地相比，一直禁牧草地0 －30 cm 土層總碳和總氮的含量較低［40］。Reeder 和Schuman［12］也發(fā)現(xiàn)，在半干旱混合禾草地和矮禾草地，禁牧樣地土壤碳含量顯著低于12 年和56 年放牧地，因?yàn)閲馐沟蚵湮锓e累過多，群落中一年生牧草增加，從而使地上碳向地下轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)受到影響，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成和積累;其次，積累的凋落物也影響土壤溫度和濕度，使植物殘體和凋落物分解速率減緩，從而影響到養(yǎng)分循環(huán);再者，圍封地避免了家畜的踐踏，有機(jī)質(zhì)的物理破碎減弱，凋落物分解并融入土壤的速率以及植物地上部分碳和氮向土壤中的循環(huán)均受影響，所以放牧反而利于增加土壤肥力，如提高生物量碳、養(yǎng)分循環(huán)所需酶活性，以及土壤中的氮、磷、鉀含量［44］。在美國德克薩斯Prairie 高草草地，適度放牧較圍封和其他放牧強(qiáng)度使草地具有更高的土壤持水能力、養(yǎng)分利用率以及真菌與細(xì)菌比［45］。在青藏高原高寒草地，放牧可加快養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，而圍封卻降低了0 ―15 cm 土層土壤總碳、總氮及土壤酶活性等指標(biāo)［46］。馬爽等［47］在研究甘肅環(huán)縣土壤微生物數(shù)量季節(jié)動態(tài)變化與草地恢復(fù)演替之間關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，對于增加微生物數(shù)量，促進(jìn)土壤肥力恢復(fù)，改善土壤水分狀況，適度放牧較圍欄封育具有更明顯的作用。在呼倫貝爾草甸草原放牧試驗(yàn)結(jié)果中表明，放牧肉牛強(qiáng)度為0.23 牛單位·hm－2時(以500 kg 肉牛為一個標(biāo)準(zhǔn)家畜肉牛單位)，比圍封和其他強(qiáng)度的放牧地碳固持潛力高，該強(qiáng)度下放牧有利于提高草地有機(jī)碳密度和碳固持潛力［48］。因此，適度放牧促進(jìn)地上養(yǎng)分向地下轉(zhuǎn)移，可加速氮礦化和土壤有機(jī)碳分解，進(jìn)而增多微生物數(shù)量，增加土壤活性，有利于退化草地恢復(fù)。

若采取圍封措施恢復(fù)土壤肥力，需要考慮圍封年限、圍封地坡度及微環(huán)境、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)以及管理條件等各個方面［49］。只有適當(dāng)?shù)膰獯胧┎趴山档屯寥狼治g，降低土壤容重，保持土壤養(yǎng)分;同樣適度放牧則可加速養(yǎng)分循環(huán)，改變草地植被結(jié)構(gòu)，增加牧草養(yǎng)分含量，提高草地固碳能力，改善草地土壤肥力，利于提高草地生產(chǎn)力，在恢復(fù)退化草地的同時收獲畜產(chǎn)品。

3 圍封對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響

衡量恢復(fù)退化草地生態(tài)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括3個方面:生物多樣性的保持、植被結(jié)構(gòu)功能的穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)的良性自我持續(xù)發(fā)展［50］。就圍封和放牧與草地生物多樣性的關(guān)系而言，中等強(qiáng)度干擾下群落物種多樣性最高，強(qiáng)度適中的輪牧可以降低群落中優(yōu)勢種在競爭中的作用，給其他物種的發(fā)展創(chuàng)造了潛在的生態(tài)位，增加了草地植物群落水平的多樣性，而長期圍封則降低了草地物種多樣性。因此，根據(jù)草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性原理［51］和中等干擾理論，圍封草地時間過長，不但不利于牧草的正常生長發(fā)育，而且因牧草凋落物抑制幼苗形成和植物再生，影響草地植被繁殖和更新。有研究發(fā)現(xiàn)，封育使未退化矮嵩草(Kobresia humilis)草甸的矮嵩草生長處于冗余時期，對牧草的生長和再生起阻礙作用，抑制了群落生產(chǎn)潛力發(fā)揮，結(jié)果使優(yōu)良牧草比例下降，草地質(zhì)量明顯降低［52］。通過自然力的作用，圍封可使植被得以恢復(fù)，積累的凋落物增加了地表蓋度，有效保護(hù)土壤免遭侵蝕，土壤狀況得以改善，群落生產(chǎn)力明顯提高，對草地生態(tài)功能恢復(fù)具有積極的作用［53］。但利用不當(dāng)，圍封將會對草地產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，長期圍封退化草地可造成牧草資源大量浪費(fèi)，枯落物大量積累并覆蓋地表，降低土壤溫度與枯落物分解速率，進(jìn)而影響草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動。由于圍封時間的長短，影響著供給植物養(yǎng)分的狀況，在草地圍封一段時間后，進(jìn)行適當(dāng)利用，方可保持草地生態(tài)系統(tǒng)平衡，使其能量流動和物質(zhì)循環(huán)處于良性狀態(tài)［54］。適度放牧不但不會損害草地，反而能刺激牧草分蘗，促進(jìn)牧草再生，提高草地固碳能力，保持生物多樣性，利于草地優(yōu)化管理［55］。至于封育時間長短的確定，應(yīng)根據(jù)草地退化程度和草地恢復(fù)狀況而定。只有科學(xué)合理的管理方法，才可促進(jìn)草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，提高根系吸收轉(zhuǎn)運(yùn)營養(yǎng)物質(zhì)的效率，提高草地牧草生產(chǎn)力，保持草地生態(tài)系統(tǒng)的平衡和可持續(xù)發(fā)展［56］。所以，圍封作為一種草地管理的方式，它對草地生態(tài)系統(tǒng)的作用具有兩面性。

4 退化草地的恢復(fù)措施

21 世紀(jì)初，為恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，我國提出了草原生態(tài)建設(shè)工程，是以禁牧、休牧為主要手段，利用生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力來加快植被恢復(fù)的生態(tài)建設(shè)工程。于是，有些地方在草原生態(tài)建設(shè)具體實(shí)施過程中，將封山禁牧當(dāng)作草地恢復(fù)與重建的重要舉措，甚至是唯一舉措。但是，大范圍圍封禁牧，斬斷了草原和家畜的天然聯(lián)系，草原生產(chǎn)流程堰塞;絕對地“封山禁牧”，割斷了人居、草地和家畜的有機(jī)聯(lián)系，違背了草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的基本原理［57］，影響了生態(tài)文明的發(fā)展。并且，圍封會導(dǎo)致可放牧用地面積縮小，進(jìn)而影響草地畜牧業(yè)發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)效益，因此在實(shí)施圍封禁牧措施之前需慎重考慮［20］。尤其，在我國北方以放牧為主的廣大草原牧區(qū)，目前在該措施實(shí)施過程中亦出現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)相抵觸的經(jīng)濟(jì)問題，即封育后舍飼家畜帶來的經(jīng)濟(jì)效益低于放牧家畜［58］。這種“封山禁牧”的草原生態(tài)建設(shè)措施，是從一個極端走向了另一個極端。因此，圍欄封育并非恢復(fù)退化草地的萬全之計。

對于草地，過度利用與嚴(yán)禁利用都是極端的做法，物極必反，兩者均不可取。若將草地劃分成若干輪牧小區(qū)，按照一定次序逐區(qū)放牧和輪回利用的劃區(qū)輪牧方式，可為我國退化草地的恢復(fù)提供新思路。劃區(qū)輪牧不僅能提高家畜生產(chǎn)性能，而且能有效防止草地退化，兼顧了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與保護(hù)生態(tài)環(huán)境［59］。因此，劃區(qū)輪牧被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)草地持續(xù)利用的有效方法。19 世紀(jì)末，劃區(qū)輪牧制度在美國已被專門研究并廣泛應(yīng)用于草地改良，在理論與實(shí)踐中均已取得大量成果。它是運(yùn)用多種科學(xué)技術(shù)，對原始、粗放放牧方式的改造，所以劃區(qū)輪牧是現(xiàn)階段集約型放牧最高水平的體現(xiàn)［57］。在我國生產(chǎn)實(shí)踐中已有采用劃區(qū)輪牧措施來恢復(fù)草地植被的報道［60］。

表1 牧草生長季不同地區(qū)適宜劃區(qū)輪牧強(qiáng)度Table 1 Suitable rotational grazing intensity during growing season

禁牧工程所涉及的范圍和地區(qū)主要在甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、青海、西藏、新疆等西部的干草原、荒漠、半荒漠化草原區(qū)，也包括部分嚴(yán)重退化地區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)、經(jīng)濟(jì)十分落后和草地特殊因素重點(diǎn)保護(hù)區(qū)。建議這些地區(qū)的草地管理(利用)遵循如下原則:首先以草定畜，通過土－草－畜系統(tǒng)的綜合研究，確定適宜的載畜量，不足部分以栽培草地、營養(yǎng)舔塊及利用當(dāng)?shù)卦吓渲频呐浜巷暳系韧緩窖a(bǔ)給;其次實(shí)施劃區(qū)輪牧制度，根據(jù)草地狀況，適時調(diào)整放牧?xí)r間、區(qū)域，避免牲畜在一個區(qū)域逗留時間過長或過度放牧;在牧草返青期和結(jié)實(shí)期進(jìn)行休牧，以保護(hù)牧草的恢復(fù)生長和繁殖更新;在不同年度變換順序來輪換放牧，甚至根據(jù)草地狀況，適度調(diào)整放牧強(qiáng)度。本研究雖然列出了部分地區(qū)牧草生長季適宜的劃區(qū)輪牧強(qiáng)度(表1)，但這些資料具有時間和空間的局限性。生產(chǎn)實(shí)踐中參考時，需慎重對待;在敬畏自然、尊重草地、而非掠奪式占有草地的前提下，根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜。通過放牧對利用草地的時間與空間合理配置，依據(jù)退化程度，采取適度劃區(qū)輪牧的利用方式，與退化草地生態(tài)恢復(fù)的圍封措施靈活結(jié)合，方可達(dá)到既能恢復(fù)退化草地，又可收獲必要畜產(chǎn)品的折中雙贏目的，實(shí)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)平衡發(fā)展的目標(biāo)。

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