不同刈割強(qiáng)度對(duì)封育沙地植被生長(zhǎng)狀況的影響

張 亮， 馬維偉， 田 青， 李 廣， 曹 雪

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

圍欄封育是當(dāng)前退化草地主要的植被恢復(fù)和重建措施之一。也是治理和控制土地沙漠化的一項(xiàng)行之有效的措施。圍封能使植物群落組成和主要群落類型發(fā)生明顯變化，從而提高植物群落的生物量和生產(chǎn)力、增加生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和促進(jìn)沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[1-4]。但由于封育沙質(zhì)草地分布的廣泛性和復(fù)雜性，關(guān)于封育管理措施和植被特征之間的關(guān)系尚無(wú)統(tǒng)一的定論。但從近幾年的研究[5-10]可以得出：采取圍封措施后，植被的建立改變了原來(lái)沙質(zhì)草地的水循環(huán)，大范圍沙地植被甚至?xí)?dǎo)致已有相鄰的濕地萎縮或草地退化，因此圍封不應(yīng)是無(wú)限期的，封育期過(guò)長(zhǎng)，不但不利于植被的正常生長(zhǎng)和發(fā)育，反而枯萎會(huì)抑制植物的再生和幼苗的生長(zhǎng)形成，不利于植被的繁殖更新[11-12]。刈割是人為利用對(duì)草地群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響的重要因素之一，近年來(lái)一些學(xué)者開始關(guān)注不同刈割強(qiáng)度(留茬高度)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生不同程度的影響[13]，但是關(guān)于不同刈割強(qiáng)度對(duì)封育沙地植被再生性能的影響研究較少。本試驗(yàn)研究了在不同刈割強(qiáng)度下封育沙地植被的株高、生物量的變化等，旨在探討不同刈割強(qiáng)度對(duì)沙地植被系統(tǒng)的影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)刈割在退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中的作用提供科學(xué)依據(jù)，也為封育沙地的合理利用和管理提供的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)位于騰格里沙漠南緣，地屬甘肅省景泰縣，地理位置在103°33′～104°43′ E，36°43′～37°38′ N之間，地處季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)過(guò)渡地帶，屬于溫帶干旱荒漠氣候區(qū)。主要?dú)夂蛱卣鳛?光熱資源豐富，日照充足，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁；年平均氣溫8.2℃，極端最高氣溫36.6℃，極端最低氣溫-27.3℃，日照時(shí)數(shù)2 725.7 h，無(wú)霜期192 d，年均降水量184 mm，且主要集中在7～9月，年蒸發(fā)量3 038.5 mm，為降水的16倍多，年均風(fēng)速3.5 m·s-1，最大風(fēng)速21.7 m·s-1，年8級(jí)以上大風(fēng)27.9 d，年沙塵暴21.9 d，地下水位80 m。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土[14-17]。

在研究區(qū)北部分布有相對(duì)連片的流動(dòng)沙地，地表沙丘密集，土壤疏松。主要植物種有沙蒿、冰草等，呈零星狀分布，植被蓋度<5%。為促進(jìn)沙區(qū)植被恢復(fù)，防治風(fēng)沙危害，自上世紀(jì)九十年代起，該縣開始對(duì)北部沙地實(shí)施封育措施。主要采用天然次生植被圍欄封育法(自然恢復(fù)14年)、人工種植+圍欄封育法(人工恢復(fù)6年+自然恢復(fù)8年)。其中天然次生植被圍欄封育法是指在流動(dòng)沙丘區(qū)采用鐵絲網(wǎng)圍欄，完全排除家畜的采食以及人為干擾，以促進(jìn)沙區(qū)自然植被的恢復(fù)；人工種植+圍欄封育法則是在流動(dòng)沙丘區(qū)先鋪設(shè)1 m×1 m的麥草方格沙障，待沙面初步穩(wěn)定后，再定植旱生灌木檸條(CaraganakorshinskiiKom.)、沙蒿、花棒等，并進(jìn)行圍欄封育，以保護(hù)和促進(jìn)人工灌木林的存活和生長(zhǎng)繁育，具體見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況Table 1 General condition of the plots

1.2 研究方法

在立地條件基本一致的天然植被圍欄封育地和人工種植+圍欄封育地，在立地條件、土壤條件和植被蓋度基本一致的天然植被圍欄封育區(qū)和人工種植+圍欄封育區(qū)，各設(shè)置3塊樣地(大小為50 m×50 m)，在每塊樣地中隨機(jī)布設(shè)4 m×4 m的灌木樣方8個(gè)、1 m×1 m的草本樣方8個(gè)。實(shí)驗(yàn)第一年的8月份在各樣地的8小樣方中隨機(jī)選取4個(gè)進(jìn)行重度刈割處理(留茬5 cm)，剩下的4個(gè)小樣方進(jìn)行中度刈割(草本留茬10 cm，灌木留茬15 cm)處理。同時(shí)，另選塊樣地設(shè)置對(duì)照樣方(不刈割處理)。于次年的5月、7月和9月間用測(cè)量法調(diào)查各灌木和草本小樣方優(yōu)勢(shì)植物種類組成、株高、冠幅等特征值，在9月生長(zhǎng)季末調(diào)查其生物量。生物量用直接收割法，即每個(gè)處理齊地面剪取樣方內(nèi)植株的地上部分，在65℃下烘干48 h至恒重，分種稱重。統(tǒng)計(jì)每個(gè)處理小區(qū)樣方內(nèi)物種數(shù)，根據(jù)下列公式對(duì)每個(gè)處理進(jìn)行物種多樣性分析。

物種豐富度采用Margalef指數(shù)(R)：R=(S-1)/lnN

物種均勻度指數(shù)采用Pielou指數(shù)(J):J=D/3.3219{lgN-[α(s-β)lgα+β(α+1)lg(α+1)]/N}

式中，S為樣方中的物種數(shù)；N為所有物種的個(gè)體數(shù)之和；ni為第i個(gè)種的個(gè)體數(shù);β為N被S整除以外的余數(shù)(0≤β≤N)；α=(N-β)/S。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0和EXCEL 2013軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同刈割強(qiáng)度對(duì)封育沙地群落植被特征的影響

由表2可知，沙地植被演替是內(nèi)因與外因長(zhǎng)期共同作用的結(jié)果，全面衡量沙地物種多樣性需從物種豐富度、均勻度和生態(tài)優(yōu)勢(shì)度等幾個(gè)個(gè)方面進(jìn)行比較，它們從不同的角度反映了群落物種組成的結(jié)構(gòu)水平，且三者具有一定的聯(lián)系。用重要值計(jì)算的多樣性指數(shù)表明，在自然恢復(fù)區(qū)沙地植物群落通過(guò)刈割處理后物種多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)差異不顯著，物種均勻度指數(shù)和生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)在重度和中度刈割處理下差異顯著，物種數(shù)在中度刈割和對(duì)照處理下差異顯著；人工種植+自然恢復(fù)封育區(qū)的植物群落經(jīng)過(guò)刈割處理后，變化趨勢(shì)與自然恢復(fù)區(qū)沙地植物群落基本相同。與自然恢復(fù)區(qū)植物群落相比，人工種植+圍欄封育區(qū)植物群落的多樣性指數(shù)和均勻度仍明顯較低，這說(shuō)明人工種植+圍欄封育區(qū)植物群落的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及自然恢復(fù)區(qū)。

表2 不同刈割強(qiáng)度對(duì)封育沙地群落植被特征的影響Table 2 Effects of different cutting intensities on vegetation characteristics of fencing sandy land

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同

Note:Different capital letters represent significant different at the 0.05 level. The same as blow

2.2 不同刈割強(qiáng)度對(duì)封育沙地植物株高和再生能力的影響

2.2.1灌木株高和再生能力 在天然植被圍欄封育地和人工種植+圍欄封育地，由于天人封育年限相等各自的3種處理在刈割前不存在土壤肥力與其他環(huán)境要素差異和管理上的差異，在天然植被圍欄封育地，刈割后第二年(5月中旬)，3種處理灌木柱高大約在23～25 cm，且差異都不顯著，但隨著刈割后第二年生長(zhǎng)季生長(zhǎng)季結(jié)束，3種處理的灌木平均高度逐漸表現(xiàn)出顯著性差異(表3)。從不同刈割處理下灌木植株平均高度的發(fā)展動(dòng)態(tài)來(lái)看，重度刈割處理在5-7月生長(zhǎng)較慢，僅增加了1.19 cm，7-9月份生長(zhǎng)較快，高度增加了6.07 cm；重度刈割處理在5-7月為一個(gè)較快生長(zhǎng)過(guò)程，增加了6.07，到9月份灌木生長(zhǎng)高度達(dá)到了40.85 cm；而對(duì)照處理呈現(xiàn)出均勻增加，5-7月和7-9月增加的高度相差不大，差值僅為1.05 cm。在人工種植+圍欄封育地，刈割后第二年(5月中旬)，重度刈割處理和對(duì)照的灌木平均高度存在顯著差異，但隨著生長(zhǎng)季開始，到7月份和9月份，3種處理開始產(chǎn)生較大差異，說(shuō)明隨著時(shí)間延長(zhǎng)，刈割處理能夠促進(jìn)灌木高度的生長(zhǎng)。從灌木植株生長(zhǎng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)來(lái)看，重度刈割處理在5-7月生長(zhǎng)較塊，增加了20.03 cm，7-9月份生長(zhǎng)較慢,僅增加了3.73 cm；中度刈割處理在5-7月也為快速生長(zhǎng)過(guò)程，增加30.32 cm，到9月份灌木生長(zhǎng)高度達(dá)到了70.39 cm；而對(duì)照和重度與中度刈割處理增長(zhǎng)趨勢(shì)相同。

天然植被圍欄封育地的灌木在不同刈割處理后(第一年8月底刈割)，灌木在第二年開始重新長(zhǎng)出新芽(新梢)，并迅速生長(zhǎng)，中度刈割灌木的新芽再生速度較快，重度刈割處理的再生速度則相對(duì)較慢，二者呈顯著差異，到9月，中度刈割的灌木株高增長(zhǎng)到約48.85 cm，重度新梢增到31.72 cm，對(duì)照增長(zhǎng)到36.61 cm。說(shuō)明刈割對(duì)天然植被圍欄封育地的灌木再生能力產(chǎn)生一定的影響。

人工種植+圍欄封育地的灌木在不同刈割處理后，灌木的生長(zhǎng)高度在5-9月出現(xiàn)了不同的變化，中度刈割處理的灌木的生長(zhǎng)速度較快，重度刈割、對(duì)照處理的生長(zhǎng)速度則相對(duì)較慢，三者呈顯出不同差異，到9月，中度刈割增長(zhǎng)到70.39 cm，而重度刈割處理相對(duì)較低。

表3 灌木刈割后株高的動(dòng)態(tài)變化Table 3 The dynamic changes of shrub after cutting

2.2.2草本株高和再生能力 在自然恢復(fù)模式下沙地植被經(jīng)過(guò)刈割處理后(第一年8月底刈割)，3種處理在第二年五月中旬草本的生長(zhǎng)高度總量差異顯著，到7月后，由于植被的生長(zhǎng)，各個(gè)處理間差異逐漸變得不顯著。由表2可已看出植被的生長(zhǎng)高度總體變化呈現(xiàn)趨勢(shì)減小，但總體表現(xiàn)為中度刈割處理和對(duì)照處理均高于重度刈割處理。

表4 草本刈割后株高的動(dòng)態(tài)變化Table 4 The dynamic changes of plant height after cutting

人工+自然恢復(fù)模式的不同刈割處理后，3種處理在五月中旬草本的生長(zhǎng)高度總量差異不顯著。到9月份出現(xiàn)一定差異，刈割處理后，從5-9月，草本的基本呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為中度刈割>對(duì)照>重度刈割，而且草本高度隨雨季的到來(lái)，高度有一定的增加。

2.3 不同刈割強(qiáng)度對(duì)恢復(fù)沙地植被地上生物量的影響

兩種恢復(fù)模式的不同處理在9月份生長(zhǎng)結(jié)束后，它們的地上累計(jì)生物量見(jiàn)圖1。在自然恢復(fù)模式下，3種刈割處理間的生物量有明顯差異，表現(xiàn)為中度刈割(17.70 kg·m-2)>對(duì)照(15.84 kg·m-2)﹥重度刈割(5.56 kg·m-2)，中度刈割地上生物量的鮮重為17.70kg·m-2，是重度刈割處理的3倍多。說(shuō)明自然恢復(fù)模式下，中度刈割能增加沙漠植被的地上生物量，能促進(jìn)植被的再生長(zhǎng)。而在第二種模式下，兩種刈割處理間在9月份生長(zhǎng)結(jié)束后，地上生物量的鮮重基本相同，但與對(duì)照相比，存在顯著差異，生物量依次為對(duì)照18.87 kg·m-2、重度刈割13.87 kg·m-2、重度刈割11.34 kg·m-2，說(shuō)明人工+自然恢復(fù)模式下，對(duì)照處理對(duì)植被的鮮重生物量最有效。

圖1 不同刈割強(qiáng)度的封育沙地在生長(zhǎng)季地上累計(jì)生物量Fig.1 Accumulation aboveground biomass of the cultivated land with different cutting intensities during growing season

3 討論

有研究表明，不同刈割強(qiáng)度對(duì)牧草的再生能力和生物量有一定的影響。合理的刈割能促進(jìn)牧草的分蘗和再生，從而提高地上部分的生物量和質(zhì)量，但過(guò)度刈割反而抑制牧草地上部分和根系的生長(zhǎng)[18]。本研究選擇不同刈割強(qiáng)度對(duì)兩種恢復(fù)模式下沙地植被特征進(jìn)行研究，在人工種植+自然恢復(fù)區(qū)的植物群落在中度刈割處理下群落多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)在增長(zhǎng)，說(shuō)明中度刈割在一定程度上可以促進(jìn)植物地上部分再生生長(zhǎng)，即表現(xiàn)為補(bǔ)償或補(bǔ)償生長(zhǎng)現(xiàn)象，這與孫顯濤[19]、盛亦兵[20]、張榮[21]等的研究結(jié)果一致。由此說(shuō)明人工種植+圍欄封育區(qū)群落在發(fā)育過(guò)程中，群落結(jié)構(gòu)逐趨復(fù)雜，系統(tǒng)抵御外界不良干擾的能力和穩(wěn)定性在逐漸增強(qiáng)；但同時(shí)可以看出，與自然恢復(fù)區(qū)植物群落相比，人工種植+圍欄封育區(qū)植物群落的多樣性指數(shù)和均勻度仍明顯較低，這說(shuō)明人工種植+圍欄封育區(qū)植物群落的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及自然恢復(fù)區(qū)。隨著人工種植+圍欄封育區(qū)植被發(fā)育程度的提高和沙結(jié)皮的形成，由綴塊狀分布的人工灌木植被所造成的土壤資源分布的空間異質(zhì)性程度在逐漸減弱，逐步演變和恢復(fù)至鄰近自然植被的外貌特征。

刈割直接影響草原植被的生物量，減少了植物光合作用的面積，降低了碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累[22]，從而影響生物量的形成，適度的刈割對(duì)植被生長(zhǎng)能力有促進(jìn)作用，刈割強(qiáng)度過(guò)大反而不利于提高封育沙地灌木的再生能力，刈割雖然改變了地上現(xiàn)存量，但是不同刈割處理對(duì)在生長(zhǎng)季內(nèi)單峰式的變化并沒(méi)有影響，都在9月中旬達(dá)到最大值，刈割后期，由于地上部植株的逐步恢復(fù)，地下部根系形態(tài)指標(biāo)與活力又恢復(fù)到與不刈割處理相比更高的水平，說(shuō)明地下部根系也表現(xiàn)出一定的超補(bǔ)償生長(zhǎng)效應(yīng)[23]。因此，保持適度的刈割強(qiáng)度十分必要。不同刈割處理對(duì)現(xiàn)存量的影響是明顯的，以不處理的現(xiàn)存量最大，隨著植被的增長(zhǎng)，自然恢復(fù)狀態(tài)下植被生物量也隨之增加，這與劉穎[24]等的研究一致。

4 結(jié)論

通過(guò)研究不同刈割強(qiáng)度對(duì)這兩種恢復(fù)模式之下植被的群落特征、株高、再生能力和地上生物量的測(cè)定，得出以下結(jié)論：自然恢復(fù)模式下，選擇中度刈割對(duì)植被恢復(fù)有促進(jìn)作用；重度刈割均未使兩種模式的株高和再生能力提高，重度刈割對(duì)這兩種模式的沙地植被的再生能力均無(wú)明顯促進(jìn)作用。