刈割留茬高度對大針茅草原生產(chǎn)力及可持續(xù)利用的影響

張 峰, 趙天啟, 喬薺瑢, 趙萌莉*, 張心玥, 吳建新

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019;3.中建二局第一工程有限公司成都分公司, 四川 成都 610000; 4. 內(nèi)蒙古自治區(qū)退耕還林和外援項(xiàng)目管理中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020)

刈割是草地主要利用方式之一[1-3]，但在刈割過程中，一些不合理的操作會對草地造成不同程度的退化或沙化[4-6]，降低草地生產(chǎn)力[7-8]。近年來，較多學(xué)者已經(jīng)對草地群落特征[9]、物種多樣性[10-11]、牧草品質(zhì)[12]、地上-地下生物量[2]、土壤呼吸[13]、溫室氣體通量[14]、群落穩(wěn)定性[3,15]、空間異質(zhì)性[16]及土壤微生物[17]等方面進(jìn)行了研究，雖然對刈割干擾下草地群落研究較全面，但較多研究并未結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)與草地生態(tài)功能。此外，對草地進(jìn)行不同的刈割強(qiáng)度對草地群落影響不同，刈割強(qiáng)度包括不同的刈割高度及頻次；由于群落中物種處于不同的層面，不同的刈割高度對物種的影響不同，張峰等[2]對大針茅(Stipagrandis)草原群落生物量的研究表明，隨著留茬高度降低、強(qiáng)度增大，地上及地下生物量均呈下降趨勢。而生物量能體現(xiàn)植物生長、發(fā)育過程變化，且能評價(jià)群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)功能[18]。

此外，在對群落生物量等生態(tài)系統(tǒng)功能及牧草產(chǎn)量等生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行分析時，更應(yīng)該考慮草地的可持續(xù)利用；當(dāng)年牧草產(chǎn)量較高可能會影響次年牧草產(chǎn)量，而MRPI可有效對其進(jìn)行評價(jià)，其定義為收獲單位重量牧草造成下一個收獲期群落刈割可收獲生物量或群落地上總生物量減少量的比率(損失量比)[1]；試圖量化刈割對草地產(chǎn)量的動態(tài)影響。本研究以大針茅草原為研究對象，將群落中物種劃分為禾草與非禾草，并對短期刈割后(2014年始)的群落、禾草與非禾草的地上生物量、牧草產(chǎn)量、牧草利用率及刈割生產(chǎn)力衰減指數(shù)進(jìn)行分析，通過2014—2019年的野外調(diào)查，擬研究不同刈割留茬高度對群落、禾草與非禾草地上生物量及產(chǎn)量的影響；不同留茬高度對牧草利用率及MRPI的影響，為草地利用過程中確定植物群落的刈割留茬高度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古錫林浩特市毛登牧場(116°25′29″E，44°25′29″N)，海拔約1 000 m，為溫帶半干旱大陸性氣候。年均溫約﹣0.3℃，年降水量約300 mm，無霜期90—115 d，≥10℃的年積溫約為1 588℃。本試驗(yàn)期間年降水量為168.6～412.8 mm(2014—2019年降水量分別為255.9 mm，412.8 mm，309.0 mm，168.6 mm，277.6 mm，293.4 mm和389.4 mm)，降水集中在5—9月。草地類型為大針茅典型草原，優(yōu)勢種為大針茅(Stipagrandis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)及羊草(Leymuschinensis)，常見物種有豬毛菜(Salsolacollina)和刺穗藜(Chenopodiumaristatum)等；土壤主要以栗鈣土、栗褐土為主，有機(jī)質(zhì)含量較高，但沙粒性較重，含水量低。

1.2 樣地選擇及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)樣地于2014年5月圍建，總面積為0.24 hm2(60 m×40 m)；試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置對照及3個刈割留茬高度，分別為CK：對照(不刈割)，R8：留茬8 cm，R5：留茬5 cm，R2：留茬2 cm；各9次重復(fù)，共36個小區(qū)，各小區(qū)面積均為15 m2(5 m×3 m)，間隔1.5 m。

在2014—2019年期間，于每年8月中旬生物量高峰期時(15—18日間)進(jìn)行取樣，在各小區(qū)分別設(shè)置1個1.0 m×1.0 m的樣方(在小區(qū)西北角開始逐年由西向東設(shè)置樣方)，記錄樣方中所有物種高度、密度，并將各物種分別按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)高度(留茬8 cm，5 cm和2 cm)剪取植株，為各物種產(chǎn)量(Yield)；然后齊地面剪取各物種殘茬(Residue)，將其分別裝入信封中于65℃烘箱中48 h烘至恒重，各物種產(chǎn)量與殘茬之和為該物種的地上生物量(Aboveground biomass，AGB)，樣方中所有物種地上生物量之和為群落地上生物量(Community AGB)，所有物種產(chǎn)量為群落產(chǎn)量(Community yield)。每年在8月高峰期取樣之后，將小區(qū)未取樣部分按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)高度進(jìn)行處理，每年僅刈割1次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在Excel 2010對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)整理并根據(jù)內(nèi)蒙古植物志進(jìn)行禾草與非禾草的劃分，在SPSS 19.0中對群落、禾草及非禾草的地上生物量、產(chǎn)量、利用率、相對地上生物量、相對產(chǎn)量及刈割生產(chǎn)力衰減指數(shù)進(jìn)行刈割留茬高度處理(Mowing)及年度(Year)的雙因素方差分析并進(jìn)行Duncan比較，顯著性水平為0.05，圖片均使用SigmaPlot 14.0軟件處理。此外，利用率(Utilization rate，UR)、相對地上生物量(Relative aboveground biomass，RAGB)、相對產(chǎn)量(Relative yield，RY)、刈割生產(chǎn)力衰減指數(shù)(MRPI)[1]及其變異系數(shù)(Coefficient of variation，CV)的公式如下：

UR=Y/AGB

(1)

RAGB=AGBi/AGBcom

(2)

RY=Yi/Ycom

(3)

MRPI=(CKi-Ri)/Ri-1

(4)

CV=STD/Mean×100%

(5)

式中：Y為各處理群落/禾草/非禾草的產(chǎn)量(Yield)，AGB為各處理群落/禾草/非禾草的地上生物量；AGBi為禾草/非禾草的地上生物量，AGBcom為群落的地上生物量；Yi為禾草/非禾草的產(chǎn)量，Ycom為群落的產(chǎn)量；CKi為刈割對照處理地上現(xiàn)存生物量或可收獲生物量(地上生物量)，Ri為刈割處理實(shí)際收獲量(產(chǎn)量)，Ri-1為刈割處理上一次刈割收獲牧草量(由于本試驗(yàn)每年僅刈割1次，并在2015-2019年間進(jìn)行產(chǎn)量測定，故按照公式分析后僅有2016-2019年4組數(shù)據(jù)值，并對此4組數(shù)據(jù)值進(jìn)行變異系數(shù)分析)；STD為標(biāo)準(zhǔn)差，Mean為均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 刈割留茬高度對群落結(jié)構(gòu)組成及種群特征的影響

對群落結(jié)構(gòu)組成分析可知，群落共出現(xiàn)26種植物，禾草為4種，非禾草為22種；其中，優(yōu)勢種大針茅、糙隱子草和羊草均為禾草，出現(xiàn)頻率分別為100%，89.72%和68.69%，另一優(yōu)勢種知母為非禾草，出現(xiàn)頻率為92.99%。此外，出現(xiàn)頻率高于50%的物種還有豬毛菜和刺穗藜，其他物種出現(xiàn)頻率均較低。再者，植株高度<15 cm的物種有糙隱子草、刺穗藜和蟲實(shí)(Corispermumdeclinatum)等，處于群落底層；15 cm<植株高度<30 cm的物種有羊草、冰草(Agropyroncristatum)和知母等，處于群落中層；植株高度>30 cm的物種有大針茅和細(xì)葉鳶尾(Iristenuifolia)，處于群落上層，但細(xì)葉鳶尾出現(xiàn)頻率極低(表1)。

表1 群落結(jié)構(gòu)組成及其種群特征

2.2 刈割留茬高度對地上生物量及產(chǎn)量的影響

對群落、禾草和非禾草的地上生物量進(jìn)行分析可知，僅在2015年時，R5和R2的群落地上生物量顯著低于CK(P<0.05)；在2014和2017年，與CK相比，R2的禾草地上生物量顯著降低(P<0.05)，在2015年，R5和R2的禾草地上生物量顯著降低(P<0.05)。在2019年，與CK相比，R2的非禾草地上生物量顯著降低(P<0.05)(圖1)。對群落、禾草和非禾草產(chǎn)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，僅在2016年時，R2的群落產(chǎn)量顯著高于R5(P<0.05)；僅在2019年，R2的禾草產(chǎn)量顯著高于R5(P<0.05)；在2015和2018年，R2的非禾草產(chǎn)量顯著高于R8和R5(P<0.05)(圖2)。

圖1 不同刈割留茬高度對群落、禾草及非禾草地上生物量的影響

圖2 不同刈割留茬高度對群落、禾草及非禾草產(chǎn)量的影響

2.3 刈割留茬高度對相對地上生物量及相對產(chǎn)量的影響

不同刈割留茬高度處理對禾草和非禾草的相對地上生物量及相對產(chǎn)量無顯著影響；但隨著留茬高度逐漸降低、利用強(qiáng)度逐漸增大時，禾草的相對地上生物量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，非禾草呈增加的趨勢；對于相對產(chǎn)量同樣如此，隨著留茬高度降低，禾草的相對產(chǎn)量呈降低的趨勢，而非禾草呈增加的趨勢(圖3)。

圖3 不同刈割留茬高度對禾草、非禾草相對地上生物量及相對產(chǎn)量的影響

2.4 刈割留茬高度對牧草利用率的影響

對年度間與處理間牧草利用率進(jìn)行雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，年度間群落、禾草及非禾草的利用率無顯著差異，而處理間差異顯著(P<0.05)(表2)。對群落、禾草及非禾草的利用率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在2015—2019年試驗(yàn)期間，不同刈割留茬處理間群落、禾草及非禾草的利用率均存在顯著差異(P<0.05)?？傮w而言，R8，R5和R2處理的利用率呈現(xiàn)出梯度增加的趨勢；在2015—2019年，對于群落而言，R8，R5和R2處理的平均利用率為61.71%，66.56%和87.04%；對于禾草而言，R8，R5和R2處理的平均利用率為64.36%，68.72%和88.13%；對于非禾草而言，R8，R5和R2處理的平均利用率為47.86%，61.15%和79.20%(圖4)。

表2 年度與放牧處理間牧草利用率的雙因素方差分析

圖4 不同刈割留茬高度對群落、禾草及非禾草利用率的影響

2.5 刈割留茬高度對刈割生產(chǎn)力衰減指數(shù)的影響

對群落、禾草及非禾草的MRPI進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，R2的群落MRPI顯著低于R8(P<0.05)，但不同刈割留茬處理間的禾草MRPI無顯著差異；而R2的非禾草MRPI顯著低于R8(P<0.05)；表明R2的群落MRPI低于R8，主要是由于非禾草的作用，并非禾草的影響。此外，群落MRPI的變異系數(shù)(CV)在刈割留茬處理間無較大差異，但對于禾草MRPI，R2的變異系數(shù)為76.74%，遠(yuǎn)高于R8和R5；對于非禾草MRPI同樣如此，R2的變異系數(shù)為147.83%，遠(yuǎn)高于R8和R5。

圖5 不同刈割留茬高度對群落、禾草及非禾草刈割生產(chǎn)力衰減指數(shù)的影響

3 討論

本研究基于2014—2019年不同刈割留茬高度處理的結(jié)果表明，群落地上生物量僅在2015年存在差異，而2015年降水較多；在2015年，與CK相比，R2和R5的群落及禾草的地上生物量降低，但非禾草地上生物量無變化，總體而言，刈割留茬處理對地上生物量無較大影響。在草地刈割過程中，草地牧草產(chǎn)量直接受刈割強(qiáng)度影響[19]，合適的刈割強(qiáng)度可能會增加牧草產(chǎn)量[20-21]。但本研究發(fā)現(xiàn)，僅在2016年，R2的產(chǎn)量高于R5，表明留茬過低(2 cm時)不能增加產(chǎn)量；但總體而言，刈割留茬處理對群落產(chǎn)量無較大影響。植株被刈割后，大量葉片損失會影響剩余葉片的光合作用[22]，尤其是刈割留茬高度過低時，雖然相比于留茬較高處理會增加一部分殘茬產(chǎn)量，但會影響其分蘗，進(jìn)而影響其整體產(chǎn)量[22]；此外，刈割過程中養(yǎng)分移出系統(tǒng)會降低土壤養(yǎng)分。在2015年和2018年，群落與禾草的產(chǎn)量無變化，但R2的非禾草產(chǎn)量高于R5和R8。包青海等[23]的研究結(jié)果也表明，刈割會降低優(yōu)質(zhì)牧草的比例，而增加低質(zhì)牧草比例；本研究中，由于留茬高度不一樣，植株高度也不一樣，由于非禾草整體植株高度較低，當(dāng)刈割留茬高度較低時，對非禾草的利用較高，導(dǎo)致其產(chǎn)量較高；而留茬高度較高時，對其影響較小，收獲部分較少，造成產(chǎn)量低。王開麗等[24]對不同留茬高度下草甸草原生產(chǎn)力的研究表明，適宜的刈割留茬高度可以提高草地植物群落生產(chǎn)力，留茬8 cm時較適宜。綜合而言，連續(xù)進(jìn)行刈割6年后，各刈割處理對地上生物量與牧草產(chǎn)量整體影響較小，受降水波動等環(huán)境干擾影響較大。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同刈割留茬高度對禾草與非禾草的相對地上生物量及相對產(chǎn)量無顯著影響，但隨著留茬高度越低、利用強(qiáng)度越大，禾草的地上生物量與產(chǎn)量整體呈現(xiàn)出降低的趨勢，而非禾草則相反。相關(guān)研究也表明，草地出現(xiàn)退化后原生植物種等禾草優(yōu)勢度或地上生物量降低，而非禾草則增加[25-26]。在本研究中，當(dāng)刈割留茬高度較低時，對大針茅、糙隱子草和羊草的損害較大，其在群落中的優(yōu)勢降低，而刺穗藜和豬毛菜等一、二年生植物則由于植株矮小，受刈割干擾較小，并且由于研究區(qū)雨熱同期，一、二年生植物生長迅速，由于刈割釋放大量空間及養(yǎng)分資源，所以種群密度增大、植株高度增加，造成產(chǎn)量增加[27]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，雖然年度間降水差異較大，但年度間牧草利用率無顯著差異，而不同留茬處理下的牧草利用率隨留茬高度降低呈增加的趨勢，但整體而言，R5與R8的群落與禾草的利用率相差較小，而R2的群落與禾草的利用率較高。通過對群落、禾草和非禾草的地上生物量、產(chǎn)量、相對地上生物量、相對產(chǎn)量、牧草利用率及MRPI分析發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)刈割6年后，不同刈割留茬高度對地上生物量及產(chǎn)量影響較小，但從禾草及非禾草的比例可以看出，刈割留茬高度過低時，會降低禾草的地上生物量及產(chǎn)量；此外，雖然留茬高度低(2 cm時)會降低MRPI，但主要是降低非禾草的MRPI，但會增加禾草及非禾草MRPI的變異性。

4 結(jié)論

總體而言，不同刈割留茬高度對群落地上生物量與產(chǎn)量影響較?。涣舨? cm處理下牧草利用率顯著高于留茬5 cm和8 cm，但年度間(2015—2019年)牧草利用率無顯著差異；隨著留茬高度降低，禾草的相對地上生物量及相對產(chǎn)量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢；留茬2 cm會降低群落MRPI，但主要降低非禾草MRPI而禾草MRPI未變化，并且會增加禾草及非禾草MRPI的變異性。綜合而言，刈割留茬8 cm較適宜。