退化高寒草甸關(guān)鍵生態(tài)屬性對(duì)多途徑恢復(fù)措施的響應(yīng)特征

張光茹,李文清,張法偉,崔驍勇,賀慧丹,楊永勝,祝景彬,王春雨,羅方林,李英年,*

1 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所, 西寧 810008 2 洛陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院, 洛陽(yáng) 471934 3 棗莊學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院, 棗莊 277100 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

青藏高原在水源涵養(yǎng)、碳素固持、生物多樣性維持等方面具有戰(zhàn)略性作用,是中國(guó)“兩屏三帶”生態(tài)格局中“青藏高原生態(tài)屏障”的空間載體[1]。高寒草甸是青藏高原的主要植被類(lèi)型,但生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱,近幾十年來(lái),由于全球氣候變化和不合理的人類(lèi)活動(dòng),草地退化十分嚴(yán)重,極度退化的“黑土灘”廣泛分布,限制其生態(tài)功能的發(fā)揮,直接威脅到青藏高原乃至中國(guó)東部地區(qū)的生態(tài)安全[2-3]。中國(guó)政府先后在2005年和2013年實(shí)施了《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃》和《青海三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)二期工程規(guī)劃》,高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的退化趨勢(shì)得到初步遏制,區(qū)域生態(tài)功能有所提升和恢復(fù),但內(nèi)在關(guān)鍵生態(tài)要素的響應(yīng)特征及生態(tài)功能的恢復(fù)過(guò)程仍有待深入研究[4-5]。

高寒草甸退化是氣候波動(dòng)、超載放牧及其他不合理人類(lèi)活動(dòng)等多種因素共同作用的綜合結(jié)果,呈現(xiàn)出了“多途徑、多穩(wěn)態(tài)、重危害”的空間格局[6-7],有關(guān)退化機(jī)理及恢復(fù)措施的研究也較多[8-9],而恢復(fù)認(rèn)知也由復(fù)原到初始階段轉(zhuǎn)變至恢復(fù)到氣候情景下的穩(wěn)定狀態(tài)[10]。多途徑恢復(fù)是依據(jù)退化程度、恢復(fù)目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益等綜合因素采取的生態(tài)修復(fù)措施[11]。退化高寒草甸恢復(fù)措施主要包括春季休牧[12]、秋季休牧[13-14]、畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]、減畜輪牧[15]、圍欄封育[3]等放牧管理和施肥松耙補(bǔ)播[16]、翻耕改建[17]等工程措施[18]。放牧管理主要通過(guò)改變放牧?xí)r間、牧壓強(qiáng)度(家畜種類(lèi)),保護(hù)生理敏感期的植被系統(tǒng),借助生態(tài)系統(tǒng)自身恢復(fù)力,以達(dá)到生態(tài)功能的提升和恢復(fù)[19]。極度退化的“黑土灘”是高寒草地的退化穩(wěn)態(tài)之一[6,18],原生植被幾乎消失,系統(tǒng)恢復(fù)力喪失殆盡,多采用工程措施進(jìn)行干預(yù)恢復(fù)[5,19-20]。由于高寒草甸強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性,加之恢復(fù)措施時(shí)效性的差異[21],有關(guān)退化高寒草甸生態(tài)功能對(duì)恢復(fù)措施響應(yīng)過(guò)程的研究仍顯不足,限制了恢復(fù)措施的科學(xué)認(rèn)知和治理成效的整體評(píng)估。

由于恢復(fù)措施的關(guān)注目標(biāo)不同,有的聚焦植被特征,有的針對(duì)土壤性狀,有的關(guān)注固碳持水能力,但均以恢復(fù)生態(tài)學(xué)為理論依據(jù),借助或重建生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力,改善植被-土壤系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而達(dá)到生態(tài)功能恢復(fù)的最終目標(biāo)[2,18]。本文以青藏高原多種典型恢復(fù)途徑下的退化高寒草甸為對(duì)象(表1),調(diào)查植被特征和土壤性狀等生態(tài)要素,以期理解關(guān)鍵生態(tài)功能的響應(yīng)特征、內(nèi)在過(guò)程及適宜恢復(fù)年限,探討恢復(fù)措施的治理成效,為退化高寒草甸生態(tài)功能復(fù)健以及提升及區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

本研究在西藏自治區(qū)的那曲地區(qū)、青海省果洛州、玉樹(shù)州、黃南州、海北州等青藏高原高寒草甸的集中分布區(qū),調(diào)查春季返青期休牧(春季休牧)、秋季成熟期休牧(秋季休牧)、畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減畜輪牧、圍欄封育及翻耕改建等典型恢復(fù)措施下的土壤性狀(土壤容重、土壤有機(jī)碳和全氮、土壤飽和含水量)、植被生產(chǎn)力和群落特征及種子庫(kù)等生態(tài)要素。同時(shí),將春季休牧、秋季休牧、畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減畜輪牧、圍欄封育等歸為放牧管理措施。樣點(diǎn)位置、植被概況、退化程度和恢復(fù)措施及關(guān)注指標(biāo)等內(nèi)容詳見(jiàn)表1。

表1 退化高寒草甸多途徑恢復(fù)措施的野外觀測(cè)樣點(diǎn)概況

1.2 方法

本研究于2014—2019年植被生長(zhǎng)季的7—9月,在不同恢復(fù)措施的高寒草甸樣地內(nèi),隨機(jī)選擇3—5個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行植被特征和土壤性狀等生態(tài)參數(shù)的調(diào)查。其中植被群落結(jié)構(gòu)利用50 cm×50 cm的樣方框(均分100格)進(jìn)行分物種蓋度的針刺法調(diào)查,并計(jì)算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[19]。植被地上生產(chǎn)力用50 cm×50 cm的樣方框收獲獲取,地下根系生產(chǎn)力則用內(nèi)徑6 cm的根鉆對(duì)0—10、10—20、20—40 cm深度進(jìn)行分層取樣[22]。土壤容重、土壤有機(jī)碳、土壤全氮和土壤飽和持水量均按照同樣深度進(jìn)行取樣,分別用環(huán)刀法、重鉻酸鉀法、凱氏定氮法和環(huán)刀浸泡法[6]進(jìn)行測(cè)定。土壤種子庫(kù)的取樣體積為10 cm×10 cm×5 cm,在植被枯黃期采集并在室內(nèi)依據(jù)種子標(biāo)本進(jìn)行分種鑒定和計(jì)數(shù)[14,23]。

典型恢復(fù)措施下的關(guān)鍵生態(tài)參數(shù)差異顯著性比較采用單因素方差分析法,主效應(yīng)的多重比較采用最小顯著差法(LSD),基于最小二乘法進(jìn)行線性回歸和非線性回歸的參數(shù)估計(jì),利用OriginLab 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和畫(huà)圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春季返青期休牧

春季返青期休牧是指在冬春草場(chǎng)春季植物萌動(dòng)發(fā)芽到返青展葉期開(kāi)展休牧行為。在2019年8月份對(duì)青海省祁連縣默勒鎮(zhèn)春季休牧試驗(yàn)區(qū)(表1)進(jìn)行植被特征的調(diào)查(5個(gè)重復(fù))。結(jié)果表明相對(duì)自由放牧區(qū),春季休牧區(qū)內(nèi)植被平均高度和蓋度分別為(37.4±3.9)cm和93.4%±6.3%(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,下同),極顯著(P<0.01)提高了50.0%和29.8%(圖1)。地上生物量為(325.67±63.21)g/m2,也極顯著增加了33.3%,其中禾草類(lèi)和莎草類(lèi)等可食牧草生物量分別為(162.31±19.32)g/m2和(77.79±12.94)g/m2,極顯著(P<0.01)提高了100.0%和34.4%;雜草類(lèi)生物量為(85.57±14.44)g/m2,則顯著下降了19.0%(P=0.02)。春季休牧區(qū)0—40 cm地下生物量和土壤含水量分別為2016.41 g/m2和26.74 cm3/cm3,極顯著(P<0.01)提高了87.3%和23.4%。其中春季休牧區(qū)的0—10 cm、10—20 cm地下生物量分別升高100.7%和87.3%,但20—40 cm的地下生物量則略下降了6.4%,但差異不顯著(P=0.48)。因此,春季返青期休牧對(duì)高寒草甸地上、地下植被生產(chǎn)力具有明顯的提升效果,還可提高表層土壤的水分含量。

圖1 春季休牧和自由放牧對(duì)高寒草甸植被高度、蓋度、地上生物量、地下生物量和表層土壤水分的影響

2.2 秋季成熟期休牧

秋季成熟期休牧是指在冬春牧場(chǎng)牧草種子成熟期開(kāi)展的休牧行為。2017年在青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(海北站)設(shè)計(jì)了上年度秋季正常放牧(9月10日進(jìn)入冬春放牧草場(chǎng))和家畜遷入冬春草場(chǎng)滯后40天(約10月20日)的秋季成熟期休牧的對(duì)比試驗(yàn),研究土壤種子庫(kù)的變化特征(表1)。2018年9月份的調(diào)查結(jié)果表明秋季成熟期休牧樣地內(nèi)土壤種子庫(kù)的種子數(shù)為(15286±646)個(gè)/m2,比自由放牧區(qū)顯著升高22.6%(P<0.05),其中禾本科和莎草科等可食牧草種子數(shù)分別為(2626±111)個(gè)/m2和(940±40)個(gè)/m2,極顯著(P<0.01)提高了99.4%和48.7%;毛茛科、豆科、龍膽科等分別為5132±217)、3277±139)、1741±74)個(gè)/m2,顯著(P<0.05)升高了25.4%、10.0%和34.9%,其他科屬(包括未鑒定出的)則顯著下降了27.4%(圖2)。因此,秋季成熟期休牧能提升土壤種子庫(kù)數(shù)量和質(zhì)量,尤其是禾本科和莎草科等可食牧草的種子數(shù)量。

圖2 秋季休牧和自由放牧對(duì)高寒草甸土壤種子庫(kù)的影響

2.3 畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高寒草甸的放牧家畜主要為牦牛和藏系綿羊,畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要通過(guò)改變牦牛與綿羊的種群比例及密度以維持和提升草地生態(tài)功能。2018年9月初對(duì)海北站周邊純牧綿羊和純牧牦牛的牧戶調(diào)查發(fā)現(xiàn)(放牧強(qiáng)度基本相當(dāng)且畜群結(jié)構(gòu)多年穩(wěn)定,5個(gè)重復(fù)),前者0—10 cm表層土壤地下生物量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮含量、土壤飽和持水量分別較后者顯著(P<0.05)提高4.0%、8.7%、16.3%和15.4%,表層土壤容重顯著下降5.5%,但隨著土壤層次增加,兩者差異降低且差異不顯著。在純牧羊區(qū),地上生物量提高4.0%,0—40 cm平均土壤容重下降4.7%,但與純牧牛區(qū)的差異不顯著(表2)。0—40 cm平均土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量、飽和持水量則分別顯著升高5.9%、16.9%和8.6%,表明純牧羊區(qū)比純牧牛區(qū)的高寒草甸具有較高的土壤碳、氮、水固持功能。

表2 純牧羊區(qū)、純牧牛區(qū)植被-土壤相關(guān)生態(tài)參數(shù)比較

2.4 圍欄封育

圍欄封育是三江源退化草甸恢復(fù)治理的重要工程措施之一。2014—2018年,選擇青藏高原高寒草甸的代表地區(qū)(三江源、藏北、甘南、川西、祁連山、那曲等,表1),采集封育0—56年的340余個(gè)樣點(diǎn)(極少數(shù)樣點(diǎn)為連續(xù)年份取樣,每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù))0—40 cm土壤樣品,分析土壤固碳持水等生態(tài)功能隨封育年限的變化狀況。結(jié)果表明土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤飽和持水量隨封育年限均呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)飽和性,且土壤有機(jī)碳的恢復(fù)速率相對(duì)較快,土壤持水量恢復(fù)速率居中,而土壤容重的恢復(fù)速率最慢且遠(yuǎn)小于前者速率(圖3)。如果以封育56年的土壤有機(jī)質(zhì)含量和飽和持水量的95%為恢復(fù)參照系,則土壤有機(jī)質(zhì)和飽和持水量分別需要5.4年和12.4年。值得說(shuō)明的是,由于長(zhǎng)期封育樣地的初始退化狀態(tài)無(wú)法準(zhǔn)確判斷,研究結(jié)果是在沒(méi)有準(zhǔn)確區(qū)分退化狀態(tài)(中度、重度)的一致性結(jié)論,暗示長(zhǎng)期(>10年)封育對(duì)高寒草甸碳水功能的影響與退化狀態(tài)的關(guān)系較弱,而封育6—10年是土壤碳素固持和水源涵養(yǎng)功能的適宜恢復(fù)年限。

圖3 高寒草甸0—40cm平均土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量和飽和持水量隨封育年限的變化

2.5 減畜輪牧

減畜輪牧是在嚴(yán)格控制草地載畜量的前提下,根據(jù)牧草生長(zhǎng)的周期性差異,充分利用夏秋草場(chǎng),保護(hù)冬春草場(chǎng)的措施。青海省黃南州澤庫(kù)縣自2005年開(kāi)始大規(guī)模實(shí)施減畜輪牧(表1)。2019年在澤庫(kù)縣選擇不同實(shí)施年限的減畜輪牧管理區(qū),參照高寒草甸退化等級(jí)的植被群落特征[19,24],設(shè)置極度退化、恢復(fù)初期、恢復(fù)中期、恢復(fù)后期、恢復(fù)末期等5個(gè)自然恢復(fù)梯度(表3),進(jìn)行植被特征和土壤性狀的研究(土壤、植被采樣3個(gè)重復(fù))。調(diào)查結(jié)果表明,植被多樣性指數(shù)、生產(chǎn)力及土壤理化性狀和持水性能均隨著恢復(fù)年限而逐漸升高(表3)。其中,地上生物量、0—10 cm土壤全氮含量則在恢復(fù)中期(12—15年)顯著改善,而后隨恢復(fù)年限略微升高,但基本呈現(xiàn)出飽和狀態(tài)。但0—40 cm地下生物量、0—10 cm土壤有機(jī)碳和土壤飽和持水量則在恢復(fù)后期(15—20年)相對(duì)極度退化分別顯著升高約150.4%、77.3%和16.2%,除地下生物量繼續(xù)顯著增加為外,后兩個(gè)指標(biāo)也基本穩(wěn)定飽和(表3)。Shannon-Wiener指數(shù)僅在恢復(fù)末期(>20年)顯著高于極度退化期約47.7%。因此,退化高寒草甸經(jīng)過(guò)10年的減畜輪牧,植被地上部分先恢復(fù),植被地下部分和土壤固碳持水性狀開(kāi)始依次改善,群落多樣性最后恢復(fù)且可能耗時(shí)較長(zhǎng)。

表3 減畜輪牧下退化高寒草甸不同恢復(fù)階段的生態(tài)參數(shù)變化特征

2.6 翻耕改建

翻耕改建是指在“黑土灘”等雜毒草叢生或近似裸露的極度退化草地,通過(guò)翻耕改建人工草地以達(dá)到生態(tài)功能的快速提升和恢復(fù)的措施。2015年8月,在三江源高寒草甸極度退化樣地(黑土灘,CK)與人工建植2齡、4齡、6齡、12齡等恢復(fù)序列樣地采集土壤樣品(3個(gè)重復(fù)),分析其土壤性狀和持水能力的響應(yīng)特征。單因素方差分析的結(jié)果表明不同建植年齡間0—40 cm土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.01),相對(duì)CK均有所增加(圖4),但僅有建植12齡的壤有機(jī)碳密度極顯著升高約53.8%(P<0.001)。土壤全氮密度雖然有所增加,但增加幅度最大不超過(guò)11%,相對(duì)CK差異均不顯著(P>0.12),不同建植年齡間0—40 cm土壤全氮密度差異不顯著(P=0.43)。不同建植年齡間0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm及0—40 cm土壤飽和含水量差異均顯著(P<0.05)。其中翻耕改建的人工草地分層和整體的土壤飽和持水量相對(duì)CK均顯著增加,表現(xiàn)出隨封育年限增加的趨勢(shì)。0—10 cm和10—20 cm土壤飽和持水量表現(xiàn)為2齡<6齡<4齡<12齡,其中0—10cm土壤飽和持水量?jī)H2齡與12齡之間差異顯著(P=0.05)。20—40 cm及0—40 cm的土壤飽和持水量表現(xiàn)為2齡<4齡<12齡<6齡趨勢(shì),但建植6齡與12齡無(wú)顯著差異(P=0.62)。因此,翻耕改建下的土壤固碳持水能力的適宜恢復(fù)年限應(yīng)該在6齡左右。

圖4 翻耕建植人工草地土壤有機(jī)碳與全氮、土壤持水性能隨建植齡的變化

3 討論

普遍認(rèn)為長(zhǎng)期不合理放牧行為是高寒草甸退化的主要誘因[3,9,18],具體表現(xiàn)為植被生長(zhǎng)敏感期放牧和超載放牧,導(dǎo)致草地生態(tài)過(guò)程紊亂、功能失衡及系統(tǒng)退化[3,25]。但中度干擾理論和放牧管理都表明適度放牧能夠增加牧草產(chǎn)量,利于草場(chǎng)植被的多樣性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性的維持[26]。實(shí)施放牧?xí)r間和放牧強(qiáng)度的優(yōu)化管理,是輕度乃至重度退化草甸植被恢復(fù)的合理途徑。至于極度退化高寒草甸,系統(tǒng)恢復(fù)力喪失殆盡,即使50—100年植被也難以自我復(fù)健,通過(guò)翻耕改建人工草地以達(dá)到退化系統(tǒng)生態(tài)功能的快速提升和恢復(fù),還可緩解乃至解決草畜矛盾[17,27]。

3.1 放牧?xí)r間管理措施

春季返青期休牧和秋季成熟期休牧是退化草甸放牧?xí)r間管理的重要恢復(fù)措施。牧草返青期是“忌牧期”但也是超載過(guò)牧最嚴(yán)重的時(shí)期之一[12,28]。而返青期休牧可以顯著提高牧草高度、蓋度和植被地上、地下生產(chǎn)力。因?yàn)榉登嗥谥脖簧L(zhǎng)主要依靠根部營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備,此時(shí)家畜連續(xù)過(guò)度采食導(dǎo)致植物光合能力降低及根系營(yíng)養(yǎng)的快速消耗[29-30]。而休牧后植被得到了充分的生長(zhǎng)發(fā)育,特別是返青期較早的禾本科、莎草科等優(yōu)良牧草迅速生長(zhǎng),群落高度、蓋度和生物量快速提高,同時(shí)削弱了低矮雜類(lèi)草光照、養(yǎng)分等資源的獲取能力而擬制其生長(zhǎng),草地產(chǎn)量和質(zhì)量及生態(tài)功能得以改善[28,31],已成為緩解天然草地放牧壓力和退化高寒草甸的重要恢復(fù)措施之一[12,32]。

成熟期休牧能提高種子庫(kù)密度,特別是禾草植物等優(yōu)良牧草的種子數(shù)量,表明秋季休牧可顯著提高土壤種子庫(kù)的數(shù)量及質(zhì)量[33-34]。這主要由于家畜喜食禾草類(lèi)種子,成熟期休牧削弱了家畜的選擇性采食效應(yīng),更利于種子的成熟和散落[35]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)植被的生理調(diào)節(jié)相比種子庫(kù)對(duì)延遲放牧的響應(yīng)更加直觀,例如秋季成熟期休牧更利于植被地上營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至地下根系部分,便于植物來(lái)年的萌發(fā)和生長(zhǎng)[36]。因此,秋季成熟期休牧利于高寒草甸植被的更新繁殖和群落維持能力[34,37]。但是土壤種子庫(kù)的大部分種子因休眠儲(chǔ)藏在土壤中,短時(shí)間改變對(duì)土壤有效種子庫(kù)及植被群落的影響微弱[38],且高寒植物多以無(wú)性營(yíng)養(yǎng)繁殖為主,加之土壤種子的野外萌發(fā)率僅為3%左右[23],土壤種子庫(kù)對(duì)退化草甸的恢復(fù)作用尚待進(jìn)一步評(píng)估[14]。但秋季是家畜抓膘增重的關(guān)鍵時(shí)期[2],同時(shí)春季休牧措施提高植被生產(chǎn)力效果略?xún)?yōu)于于秋季休牧措施[12],綜合經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益,本研究建議春季返青期休牧是輕度和中度退化高寒草甸較為適宜的放牧?xí)r間管理的恢復(fù)措施。

3.2 放牧強(qiáng)度管理措施

草場(chǎng)載畜量劇增是草地退化的一個(gè)主要原因[2,39],畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減畜輪牧和圍欄封育等放牧強(qiáng)度調(diào)控方法是退化草地恢復(fù)的重要措施。畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化下的高寒草甸具有相對(duì)較高的碳水生態(tài)功能,這主要與家畜的采食習(xí)性有關(guān)。雖然牦牛便于粗放管理,但其用舌頭“卷食”的覓食習(xí)性卻將植被地上部分“舔凈”,地表近似裸露,易受風(fēng)蝕、水蝕和凍融侵蝕的影響,土壤碳氮水的固持能力下降,草地更易退化[2]。盡管綿羊的管理相對(duì)耗時(shí)耗力,但其牙齒“啃食”的采食方式可留存一定的“草茬”,利于土壤系統(tǒng)熱量和水分的保持及植被次年的萌發(fā)和生長(zhǎng),加之同等牧壓下對(duì)土壤踐踏作用相對(duì)較弱,可緩解乃至逆轉(zhuǎn)草地退化態(tài)勢(shì)[32]。但牦牛和綿羊的管理成本、經(jīng)濟(jì)收益差別較大,后續(xù)研究需要從時(shí)間效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益上綜合評(píng)價(jià)畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化的恢復(fù)效果。值得說(shuō)明的是,優(yōu)化調(diào)節(jié)畜群結(jié)構(gòu)的恢復(fù)措施的先決條件之一是放牧強(qiáng)度科學(xué)合理。

圍欄封育使牧草在禁牧期能有足夠的物質(zhì)積累進(jìn)行生長(zhǎng)和繁育,從而恢復(fù)草地的生產(chǎn)、生態(tài)功能,是退化高寒草甸恢復(fù)的最為廣泛的途徑之一[2,40-41]。本研究發(fā)現(xiàn)圍欄封育下退化高寒草甸的土壤有機(jī)碳和持水量的適宜恢復(fù)年限分別為5.4年和12.4年,這與封育6—10年后土壤固碳持水等功能屬性變化平穩(wěn)的結(jié)論基本一致[21,40]。這主要由于圍封封育消除了家畜踐踏和選擇性采食效應(yīng)[42],改變了植物的生長(zhǎng)策略及種間關(guān)系,影響了植物地上群落結(jié)構(gòu)和地下根系特征及土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,從而降低土壤容重和提高土壤碳水功能[40]。這樣的恢復(fù)過(guò)程也可能是土壤固碳功能恢復(fù)年限比持水功能短的原因,因?yàn)榍罢吆椭脖桓迪嚓P(guān),而后者則主要受土壤結(jié)構(gòu)調(diào)控,植被根系生長(zhǎng)策略的改變是土壤結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)[20]。

減畜輪牧也是國(guó)家三江源生態(tài)治理工程的重要恢復(fù)措施之一[2]。本研究發(fā)現(xiàn)減畜輪牧下,其生態(tài)恢復(fù)過(guò)程與圍欄封育較為相似,牧草產(chǎn)量、土壤理化性狀和土壤持水性能及植被多樣性指數(shù)依次恢復(fù),這與內(nèi)蒙古典型草原[43]和其他高寒草甸[24,32]的研究結(jié)果基本一致。盡管相對(duì)圍欄封育,其土壤碳水恢復(fù)年限較長(zhǎng)(>20年),但有利于牧民生活維持和游牧文化傳承。因此,中度乃至重度退化高寒草甸的放牧強(qiáng)度管理的適宜恢復(fù)方式可以首先進(jìn)行圍欄封育至6—10年,再結(jié)合畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行減畜輪牧,以保障高寒草甸良性發(fā)展,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生態(tài)功能的雙贏。

3.3 翻耕改建恢復(fù)措施

翻耕改建是“黑土灘”的廣泛治理措施[2]。隨著翻耕改建的人工草地建植年齡延長(zhǎng),下界面微氣候環(huán)境及植被生理活動(dòng)改善,土壤有機(jī)碳和全氮得到一定程度提高,持水能力顯著增加,特別是建植6齡后土壤持水能力基本恢復(fù),這與研究組早期的研究結(jié)果一致[20-21]。由于人工草地植物種類(lèi)單一,群落穩(wěn)定性較差,在3年左右會(huì)迅速退化,引起“黑土灘”的二次發(fā)生[5],但人工草地植被-土壤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生態(tài)功能逐漸增強(qiáng)[44],且長(zhǎng)期封育(>10年)的人工草地可出現(xiàn)斑塊化嵩草草甸,具有演替為原生植被禾草-莎草群落的可能[24]。雖然翻耕改建人工草地前期成本較高,但可極大減輕天然草地放牧壓力,還可為集約化生態(tài)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的提供重要物質(zhì)基礎(chǔ)[2,5]。

4 結(jié)論與展望

放牧(時(shí)間和強(qiáng)度)管理的恢復(fù)措施,多針對(duì)輕度退化至重度退化的高寒草甸,如圍欄封育、季節(jié)(春季、秋季)休牧、減畜輪牧和畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施對(duì)提高植被生產(chǎn)力、改善系統(tǒng)固碳持水生態(tài)功能及植物多樣性具有明顯的效果。所需恢復(fù)年限和放牧壓力削減程度密切相關(guān),如圍欄封育一般需要6—10年,而減畜輪牧則需要20年左右。翻耕改建則是極度退化草甸(“黑土灘”)的適宜恢復(fù)措施,而6年左右則是適宜建植年限,土壤固碳和持水等生態(tài)功能快速提高。

退化高寒草甸治理因氣候環(huán)境、退化程度不同可采用多種措施,雖然恢復(fù)措施所關(guān)注的生態(tài)功能略有差異,但應(yīng)遵循“分區(qū)-分類(lèi)-分級(jí)-分段”的恢復(fù)策略[5]。因此,綜合時(shí)間效益和生態(tài)效益,在區(qū)域退化高寒草甸恢復(fù)治理時(shí),針對(duì)極度退化地區(qū)應(yīng)采取翻耕改建人工草地以快速恢復(fù)生態(tài)功能,而重度至輕度退化地區(qū)可先采用圍欄封育,再進(jìn)行畜群結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減畜輪牧及春季休牧等恢復(fù)措施以保護(hù)天然草地,且翻耕改建的人工草地和恢復(fù)保護(hù)的天然草地在時(shí)間和空間上相輔相成,緩解畜牧業(yè)發(fā)展的飼草瓶頸,從而保障區(qū)域生態(tài)和生產(chǎn)、生活功能的均衡[2]。今后的研究中應(yīng)該綜合恢復(fù)成本和恢復(fù)時(shí)效,應(yīng)用綜合評(píng)價(jià)方法(如專(zhuān)家評(píng)估法)進(jìn)行恢復(fù)措施的生態(tài)、生產(chǎn)、生活效益的全面評(píng)估,選擇適宜恢復(fù)措施乃至多種恢復(fù)措施的科學(xué)組合,以破解退化高寒草甸的復(fù)健難題。