基于種子庫激活的沙化草地生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

田美榮，劉志強，高吉喜①，向昌林

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100872；3.賽罕烏拉國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，內(nèi)蒙古 赤峰 025150)

基于種子庫激活的沙化草地生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

田美榮1，劉志強2，高吉喜1①，向昌林3

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100872；3.賽罕烏拉國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，內(nèi)蒙古 赤峰 025150)

種子庫在草原退化植被恢復(fù)重建中發(fā)揮著重要作用，針對科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)草地沙化問題，研發(fā)出沙化草地種子庫激活技術(shù)。該技術(shù)通過圍封樣地，在樣地上施加由有機肥與保水劑混合配制的鎖水保肥劑，實現(xiàn)沙化草地的快速鎖水保肥。結(jié)果表明，通過激活沙化草地種子庫，修復(fù)樣地植被蓋度較對照樣地提高66.43%，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)提高8.90%，0～30 cm沙地土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀和全磷總量分別增加23.47%、14.82%、2.90%和403.56%。因此，該技術(shù)有利于土壤肥力增強，短期內(nèi)有助于提高群落的物種多樣性，促進(jìn)沙地植被的修復(fù)，起到防沙和固沙作用。

沙化草地；生態(tài)修復(fù)；種子庫

干旱、半干旱地區(qū)草原由于干旱少雨,生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱,加之長期以來不合理的土地利用方式和過度放牧導(dǎo)致草地沙化問題凸顯[1],因此,改善和恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)功能已成為當(dāng)務(wù)之急。圍欄封育草地是促進(jìn)沙地植被恢復(fù)、緩解草地沙化的有效方式之一[2-3],被世界廣泛采用[4-5],但封育主要是針對具有一定恢復(fù)能力的固定和半固定沙地天然植被的保護(hù)和恢復(fù),對于植被蓋度過小的沙地,單純封育效果不明顯[6-7],種源的缺乏是影響植被恢復(fù)的關(guān)鍵因素[8],因此土壤種子庫的研究受到重視,成為植物生態(tài)學(xué)和恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究熱點之一[9]。

土壤種子庫是指土壤及土壤表面的落葉層中所有具有生命力的種子總和[10],分為持久種子庫和短暫土壤種子庫,土壤中的植物種子具有長期或短期休眠的特殊性[11],這使得種子在強度干擾下具有較植株更強的脅迫忍耐能力。近些年來,圍繞種子庫的時空格局、形成機制和生態(tài)功能,種子的休眠、萌發(fā)、遺傳和進(jìn)化,以及種子庫與植被恢復(fù)關(guān)系等方面做了大量研究[12-20],研究范圍已從海岸沙丘擴展到內(nèi)陸沙丘,研究方法包括野外調(diào)查、室內(nèi)試驗和野外控制試驗等。種子庫研究成果被廣泛應(yīng)用到許多領(lǐng)域,如植物群落和物種的保護(hù)、管理和恢復(fù),以及預(yù)測由環(huán)境變化所導(dǎo)致的植被潛在變化等[21]。

科爾沁沙地西部地區(qū)未沙化前是豐茂的大草原,種子庫較豐富,但高強度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加速了草地沙化,對草地種子庫有明顯的負(fù)面影響[22],致使自然演替過程緩慢,亟需加快植被恢復(fù)進(jìn)程以遏制生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化。目前,對科爾沁沙地植被恢復(fù)相關(guān)機制的研究較多,包括土壤種子庫在草原退化植被恢復(fù)重建中的作用與潛力探討等[23-24],但在植被恢復(fù)工程實踐中,如何利用種子庫的優(yōu)勢進(jìn)行快速激活修復(fù)研究甚少。筆者依據(jù)種子庫中的種子在自然環(huán)境條件得到恢復(fù)情況下會迅速萌發(fā)的特性,采用減少人為干擾與鎖水保肥相結(jié)合的手段,快速激發(fā)土壤種子庫,在延續(xù)種群的同時,發(fā)揮地上植被在生態(tài)系統(tǒng)中的功能和作用,為區(qū)域性植被恢復(fù)和重建奠定技術(shù)基礎(chǔ)。該方法的應(yīng)用不僅可大大提高生態(tài)修復(fù)效率,同時可降低沙化草地生態(tài)修復(fù)成本,而且見效較快。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于科爾沁沙地西緣的巴林右旗境內(nèi),平均海拔1 000 m,屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),主要特點是冬季漫長干旱寒冷,夏季短促炎熱,年日平均日照時數(shù)為8.5 h,年總輻射量為5 700 MJ·m-2·a-1。該地年均氣溫為2 ℃,最高氣溫為29 ℃,最低氣溫為-32 ℃,≥0 ℃積溫為3 489.6 ℃,≥10 ℃ 積溫為2 960 ℃,平均無霜期為133 d。年平均降水量為400 mm,土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土,經(jīng)破壞后則退化為流動風(fēng)沙土,常見植物有差巴嘎篙(Artmisiahalodendron)、鐵稈篙(Artmisiagmelinii)、冷篙(Artmisiafrigida)、羊柴(Hedysarumfruticosum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)和羊草(Leymuschinensis)等。

1.2 試驗技術(shù)方法

科爾沁沙地在沙化前是豐茂的草原,因此具有相對發(fā)達(dá)的種子庫條件,為快速激活沙化草地種子庫,于2015年4月底種子萌發(fā)前開展試驗。選取沙地源頭巴林右旗的中度沙化草地0.33 hm2作為樣地,為防止人為干擾,對樣地進(jìn)行圍封，并劃分為對照樣地和修復(fù)樣地。

1.2.1 鎖水保肥劑的制備

由有機肥與保水劑混合配制鎖水保肥劑。有機肥料來自當(dāng)?shù)氐纳蠹S便發(fā)酵,成本較低;保水劑采用聚丙烯酰胺,聚丙烯酰胺呈白色顆粒晶體狀,主要成分為:w(丙烯酰胺)=65.8%,w(丙烯酸鉀)=23.9%,w(水)=9.4%,w(交聯(lián)劑)=0.9%,保水劑能夠減少沙地的水分流失,增加水分利用率;有機肥需要土壤保持一定的含水量才能被土壤吸收,為了使保水劑和有機肥相互作用,使各自最大效率地發(fā)揮作用,保水劑和有機肥的質(zhì)量比優(yōu)選為99∶1～97∶3,該試驗保水劑與有機肥的質(zhì)量比為98∶2。

1.2.2 黏合劑的制備

黏合劑與保水劑的混合使用能夠較好地抑制沙化土地水分蒸發(fā)和阻止?jié)B漏,大大提高水分利用率,緩解由于降水不足而對其造成的影響。黏合劑為豆胚乳和軟化水按照1∶1質(zhì)量比混合,然后進(jìn)行粗碎搓碾,經(jīng)氣流干燥、粉碎機粉碎制成。

1.2.3 實施步驟

開設(shè)多個相互平行、方向與春季主風(fēng)向垂直的土壤溝,土壤溝行距為40 cm,深度為7 cm,保證鎖水保肥劑能夠在土壤溝周圍均勻擴散并覆蓋整個沙地,同時要避免由于土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致的鎖水保肥劑流失。

將鎖水保肥劑沿著土壤溝開設(shè)方向均勻地灑入溝內(nèi),采用人工釘耙方法覆蓋土壤溝并壓實。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃疅釛l件、土層厚度與肥力、風(fēng)速風(fēng)向等條件,鎖水保肥劑灑入量優(yōu)選為4 875～6 000 kg·hm-2,該試驗鎖水保肥劑灑入量為5 250 kg·hm-2。

將黏合劑與水溶解后,采用農(nóng)用噴霧器噴灑在土壤表層。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃疅釛l件、風(fēng)速風(fēng)向等條件,黏合劑施加量優(yōu)選為46.5～61.5 kg·hm-2,該試驗黏合劑施加量為54 kg·hm-2。

1.3 樣地設(shè)置與取樣

2015年8月初,在圍封的0.33 hm2樣地內(nèi),依據(jù)典型性原則選擇能夠代表整個樣地植被、地形及土壤等特征的地段按一定方向設(shè)置150 m長樣線,每隔20 m布設(shè)1個1 m×1 m樣方,重復(fù)3次,進(jìn)行地上植物群落學(xué)的基本調(diào)查,記錄樣方內(nèi)物種的種類、多度和蓋度等;每個樣方內(nèi)采集土樣,采用土鉆多點混合取樣方法,取樣深度分別為0～5、>5～10、>10～20和>20～30 cm,將不同深度土樣裝袋封口,做好標(biāo)簽,帶回實驗室進(jìn)行分析。在修復(fù)樣地外設(shè)置對照樣線,與樣線平行按每隔20 m布設(shè)對照樣方,重復(fù)3次,分別進(jìn)行地上植物群落調(diào)查與土壤采樣。所用數(shù)據(jù)均取其平均值。

在實驗室進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析,土樣風(fēng)干后磨碎、過篩,供土壤分析。選取土壤有機質(zhì)含量、全氮含量、全鉀含量、全磷含量和土壤含水量指標(biāo)。各項指標(biāo)測定方法[25]如下:土壤有機質(zhì)含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法測定;土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定;土壤全磷(以P2O5計)含量采用氫氟酸-高氯酸酸溶鉬銻抗比色法測定;土壤全鉀(以K2O計)含量采用氫氟酸-高氯酸酸溶火焰光度法測定;以上測定工作均在中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室完成。測定土壤含水量時,將取出的土樣用密封袋裝封,用烘箱烘干前測定土壤濕重,烘箱溫度調(diào)至105 ℃,烘干時間為12 h,烘干后測定土壤干重,用土壤水分干基公式計算土壤水分變化。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過對樣地的調(diào)查,計算物種重要值(IV,VI),表示不同物種在群落中的重要性。重要值越大的種群,在群落結(jié)構(gòu)中的重要性越大,對群落生態(tài)環(huán)境、發(fā)展方向及演變趨勢的影響力也越大;計算Simpson多樣性指數(shù)(D)和Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)(H′)來描述群落物種的多樣性。

重要值(VI)計算公式如下:

VI=Dr+Hr+Cr/3。

(1)

式(1)中,Dr為相對密度;Hr為相對高度;Cr為相對蓋度。

Simpson多樣性指數(shù)(D)計算公式如下:

(2)

Shannon-Weiner多樣性指數(shù)(H′)計算公式如下:

(3)

Pi=ni/N。

(4)

式(2)～(4)中,S為樣方內(nèi)物種數(shù);Pi為樣方內(nèi)第i個物種個體數(shù)占所有物種個體數(shù)的比例;ni為樣方內(nèi)第i個物種個體數(shù);N為樣方內(nèi)所有物種個體數(shù)。

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 17.0 和Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行分析;主要采用的統(tǒng)計分析方法為方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被群落特征

由表1可知,種子庫激活技術(shù)對植物的蓋度和密度具有顯著促進(jìn)作用,修復(fù)樣地和對照樣地主要植物種數(shù)為10和8種,其中,羊草作為干旱草原上的重要建群種之一,其重要值在對照樣地與修復(fù)樣地分別為0.10和0.32,修復(fù)樣地明顯高于對照樣地。種子庫激活技術(shù)對植物密度和蓋度具有顯著促進(jìn)作用(P<0.05),修復(fù)樣地植物密度較對照樣地提高104.90%;修復(fù)樣地植被蓋度較對照樣地提高66.43%。與對照樣地相比,修復(fù)樣地Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)明顯增加,表明鎖水保肥在短期內(nèi)有助于提高群落的物種多樣性。

表1 對照樣地與修復(fù)樣地的植被群落特征

Table 1 Vegetations and plant communities in the managed and unmanaged sample plots

樣地物種數(shù)建群種羊草重要值植株密度/(株·m-2)植被蓋度/%Shannon?Wiener多樣性指數(shù)Simpson多樣性指數(shù)對照8±15010±0033064±2043038±179146±005068±002修復(fù)10±15 032±0046278±4235056±108159±006072±003

2.2 土壤理化性質(zhì)變化

根據(jù)全國第2次土壤普查土壤肥力狀況分級標(biāo)準(zhǔn)(表2),通過對種子庫激活技術(shù)修復(fù)的樣地與對照樣地的獨立分析,除全鉀含量在15～20 g·kg-1之間,肥力屬于中上水平以外,各層土壤有機質(zhì)含量均小于6 g·kg-1,全氮含量均小于0.50 g·kg-1,全磷含量均小于0.2 g·kg-1,可以看出,土壤肥力均屬于很低水平。從修復(fù)樣地與對照樣地土壤理化性質(zhì)的比較分析可以看出,除>5～10和>10～20 cm土層全鉀含量以外,修復(fù)樣地土壤養(yǎng)分(有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀)含量均較對照樣地有所提高,0～30 cm沙地土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀和全磷總量分別增加23.47%、14.82%、2.90%和403.56%,土壤含水量增加明顯。

修復(fù)樣地各層土壤有機質(zhì)含量均較對照樣地高,>5～10 cm土層有機質(zhì)含量增加2.6倍,增加最顯著,隨著土壤深度的增加,有機質(zhì)含量增加減少,>20～30 cm土層僅增加1.6%。>5～10 cm土層有機質(zhì)含量顯著增加,主要是由于施加鎖水保肥劑的土壤溝深度為7 cm,從而造成有機質(zhì)含量較其他土層增加顯著(圖1)。

修復(fù)樣地各層土壤全氮含量較對照樣地高,其中,0～5 cm土層全氮含量均較其他土層高,通過該技術(shù)修復(fù)后,0～5、>5～10、>10～20和>20～30 cm土層全氮含量分別增加10.4%、2.5%、25.2%和32.1%(圖1)。

修復(fù)樣地各層土壤全鉀含量在0～5和>20～30 cm土層比對照樣地分別高16.2%和8.4%,在>5～10和>10～20 cm土層較對照樣地分別降低0.8%和10.5%,主要是由于修復(fù)樣地植物生長根系數(shù)量在>5～10和>10～20 cm土層增多,對鉀的需求增多,導(dǎo)致土壤全鉀含量降低。由于土壤表層有機質(zhì)含量增加,有機質(zhì)中交換性鉀釋放出來補充水溶性鉀的損失,使鉀含量增加(圖1)。

修復(fù)樣地各層土壤全磷含量遠(yuǎn)高于對照樣地,通過該技術(shù)修復(fù)后,0～5、>5～10和>10～20和>20～30 cm土層全磷含量分別增加335.3%、454.8%、387.1%和454.1%,說明保水增肥對土壤磷元素影響最大(圖1)。

表2 土壤肥力狀況分級標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Criteria for grading of soil fertility

級別w(有機質(zhì))/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)w(全磷)/(g·kg-1)w(全鉀)/(g·kg-1)1>40>200>10>252>30～40>150～200>08～10>20～253>20～30>100～150>06～08>15～204>10～20>075～100>04～06>10～1556～10050～07502～045～106<6<050<02<5

數(shù)據(jù)來源于1998年全國第2次土壤普查；等級1～6分別表示土壤肥力很高、高、中上、中下、低和很低。

圖1 對照樣地與修復(fù)樣地土壤養(yǎng)分含量對比Fig.1 Soil nutrient contents in the managed and unmanaged sample plots

由表3可知,修復(fù)前土壤水分分層明顯,>20～30 cm土層含水量最高,表層(0～5 cm)土壤含水量最低,>5～20 cm土層含水量相對穩(wěn)定。實施修復(fù)后,土壤各層含水量明顯增加,表層增加率為600.0%,增加最顯著,其后依次是>10～20、>5～10和>20～30 cm土層。這表明用沙化草地種子激活方法來修復(fù)沙化草地具有明顯效果,保水劑和黏合劑復(fù)合使用后表層土壤含水量明顯增加。

表3 對照樣地與修復(fù)樣地土壤水分變化對比

Table 3 Soil moisture contents in the managed and unmanaged sample plots

土壤深度/cm土壤含水量/(g·kg-1)對照樣地修復(fù)樣地增加率/%0～512±3084±326000>5～1034±38100±211941>10～2031±32110±432548>20～3051±3575±26471

3 討論

種子庫激活技術(shù)主要適用于具有豐富種子庫的草地發(fā)生中度退化形成的固定沙地,充分利用沙化草原的地理特點,依據(jù)當(dāng)?shù)氐乃疅釛l件、土層厚度與肥力、風(fēng)速風(fēng)向等立地條件,并采取土壤鎖水保肥技術(shù)手段,將沙化前相對較發(fā)達(dá)的種子庫激活,提高中度沙化草地恢復(fù)速度與效果,同時結(jié)合圍封禁牧措施,保證中度沙化草地修復(fù)成功。該技術(shù)與研究區(qū)已有的圍封、飛播種草、機械沙障與灌草混播等沙地治理措施相比有一定優(yōu)勢。首先,使用該技術(shù)可有效鎖住土壤表層水分,在降水不充足的情況下,其他措施無法保證植被生長所需的充足水分而使其生長受限,因此該技術(shù)修復(fù)成效受自然條件影響較小;其次,通過該技術(shù)的保肥作用,土壤肥力可在短時間內(nèi)得到提高,而其他措施實施過程中土壤養(yǎng)分只能隨著修復(fù)年限的增加而逐漸增加,因此該技術(shù)可使植被短時間內(nèi)獲得相對充足的養(yǎng)分供給,生態(tài)修復(fù)見效快。

沙化草地治理需要長期不斷的野外觀測、遙感監(jiān)測篩選出適宜的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。種子庫激活技術(shù)通過1 a的測試,達(dá)到了生態(tài)修復(fù)預(yù)期目標(biāo),但仍需對樣地進(jìn)行長期觀測。在未來的工作中,在植被特征與土壤理化性質(zhì)、生態(tài)修復(fù)成本和維護(hù)難易程度等方面,將加強該技術(shù)與其他生態(tài)修復(fù)技術(shù)的對比分析,并不斷地改進(jìn)和完善種子庫激活技術(shù),使其在取得生態(tài)效益的同時使生態(tài)修復(fù)成本達(dá)到最低。

4 結(jié)論

該研究從沙地種子庫激活技術(shù)角度出發(fā),以期通過人工干預(yù)在短時間內(nèi)提高沙地的植被蓋度和物種數(shù)量,進(jìn)而提高沙地生態(tài)修復(fù)效率。為說明使用沙地種子庫激活技術(shù)的效果，在圍欄封育情況下，將樣地劃分為使用該技術(shù)的修復(fù)樣地和不使用該技術(shù)的對照樣地。在修復(fù)樣地，通過開設(shè)土壤溝,由有機肥與保水劑混合配制鎖水保肥劑,將其灑入土壤溝并覆土壓實,將黏合劑與水溶解后噴灑在樣地表層,實現(xiàn)沙化草地的快速鎖水保肥作用。對使用該技術(shù)的修復(fù)樣地與不使用該技術(shù)的對照樣地的群落植被特征、土壤理化性質(zhì)及土壤水分狀況等進(jìn)行對比研究,可知對沙化草地實施種子庫激活措施明顯提高了地上植被蓋度、密度和物種豐富度,對照樣地與修復(fù)樣地地上建群種羊草的重要值分別為0.10和0.32,增加顯著,草地質(zhì)量得到很大改善;同時,通過對修復(fù)樣地和對照樣地土壤養(yǎng)分的分析可知,除>5～10和>10～20 cm土層全鉀含量以外,修復(fù)樣地土壤養(yǎng)分(有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀)含量均較對照樣地有所提高,土壤含水量增加明顯,表層增加率為600.0%,增加最顯著,其后依次是>10～20、>5～10和>20～30 cm土層,分別增加194.1%、254.8%和47.1%,為沙化草地的種子庫激活創(chuàng)造了良好的土壤條件。因此，通過野外試驗觀測對比，可知在同樣圍欄封育情況下使用沙地種子庫激活技術(shù)的樣地生態(tài)修復(fù)效果明顯,進(jìn)一步表明利用沙化草地種子庫激活方法可治理因草地沙化形成的沙地,對抑制草原沙漠化、促進(jìn)退沙還草的生態(tài)建設(shè)具有重要意義。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Application of the Seed-Bank-Reactivation-Based Ecological Remediation Technologies to Sandy Grassland.

TIAN Mei-rong1, LIU Zhi-qiang2, GAO Ji-xi1, XIANG Chang-lin3

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.School of Environmental and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China;3.The Administration Bureau of Saihanwula Nature Reserve, Chifeng 025150, China)

Seed bank plays an important role in remedying degraded grasslands and restoring vegetation therein. A seed bank reactivation technology was developed for sandy grasslands to address the problem of desertification of the grassland ecological function zone of the well-known Horqin Steppe. The technology begins with enclosing a tract of grassland as seed bank and then applies a kind of water-retaining fertilizer, a mixture of organic manure and water retention agent, into the tract of grassland, rapidly making the soil moist and fertile. Results show that application of the technology to the degraded grassland, increased its vegetation coverage by 66.43%, Shannon-Wiener diversity index by 8.90%; soil organic matter, total nitrogen, total potassium and total phosphorus in the 0-30 cm soil layer by 23.47%, 14.82%, 2.90% and 403.56%, respectively. Therefore, it can be concluded that the technology is conducive to improvement of soil fertility and species diversity of the plant community in a short period of time, restoration of the vegetation and control and fixation of mobile sand.

grassland desertification; ecological restoration; seed bank

2016-09-28

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201409055)

Q94;Q14

A

1673-4831(2017)01-0032-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.01.005

田美榮(1981—),女,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,副研究員,博士,研究方向為區(qū)域生態(tài)保護(hù)。E-mail: tianmeirong007@163.com

① 通信作者E-mail: gaojx168@163.com