不同治理模式對瑪曲沙化草原生態(tài)恢復(fù)過程中土壤水分和植被凈初級生產(chǎn)力的影響

張國平 王紅麗 張緒成 宋婷 楊林平 張化生

摘要：為了給高寒區(qū)沙化草原生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，在瑪曲高原草原選取補(bǔ)播改良、圍欄封育和灌草結(jié)合3種植被恢復(fù)模式，通過測定土壤含水量、田間持水量、地上干物質(zhì)累積和植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）等指標(biāo)，分析不同治理模式對草原生態(tài)恢復(fù)過程中土壤水分、干物質(zhì)累積和NPP變化并明確其影響。結(jié)果表明，沙化草原生態(tài)恢復(fù)過程中，土壤田間持水量10月較4月補(bǔ)播改良模式提高50%，灌草結(jié)合模式提高31%，圍欄封育提高12%;在植被生長季，補(bǔ)播改良和圍欄封育土壤模式的含水量均不同程度高于灌草結(jié)合，地上干物質(zhì)量較圍欄封育提高57.65%，較灌草結(jié)合模式提高230.10%。各恢復(fù)模式對NPP有顯著影響，影響力補(bǔ)播改良 > 圍欄封育 > 灌草結(jié)合，均差異顯著，補(bǔ)播改良和圍欄封育NPP分別較灌草結(jié)合提高66.05%和29.22%?？梢?，補(bǔ)播改良可提高土壤保水能力，為植被生長提高較好的水分環(huán)境，同時顯著提高地上干物質(zhì)累積和NPP，沙化草原生態(tài)恢復(fù)效果較好。

關(guān)鍵詞：沙化草原;治理模式;生態(tài)恢復(fù);土壤水分;植被凈初級生產(chǎn)力

中圖分類號：S728.3 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001-1463（2022）04-0058-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.04.013

Effects of Different Governance Modes on Soil Moisture and Vegetation Net Primary Productivity During the Ecological Restoration of Desertified

Grassland in Maqu County

ZHANG Guoping 1， 2， WANG Hongli 1， 2， ZHANG Xucheng 1， 2， SONG Ting 3， YANG Linping 4， ZHANG Huasheng 5

（1. Institute of Dryland Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Key Laboratory of Water Resources Efficient Utilization in Dry Farming Areas of Gansu Province， Lanzhou Gansu 730070， China; 3. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou Gansu 730070， China; 4. Gansu Grassland Workstation， Maqu County， Maqu Gansu 747300， China; 5. Institute of Vegetable， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：The Maqu alpine grassland is the main water conservation area and natural ecological barrier in the upper reaches of the Yellow River. However， the increasingly serious desertification of the grassland has threatened the ecological security of this area and even the Qinghai-Tibet Plateau and the Yellow River Basin. At present， the desertification control effect in this area is remarkable， but the influence of soil moisture and vegetation net primary productivity in the ecological restoration process needs further research. In this experiment， three types of vegetation restoration modes， including reseeding improvement， enclosure ?and shrub-grass combination， were selected to measure soil water content， soil field water capacity， aboveground dry matter accumulation and vegetation net primary productivity（NPP）. Changes in soil moisture， dry matter accumulation and NPP in the process of grassland ecological restoration and clarifying their effects provide a theoretical basis for ecological management and restoration of desertified grasslands. The results showed that in the process of ecological restoration of desertified grassland， the field water holding capacity of the reseeding improvement model increased by 50%， the shrub-grass combination model increased by 31%， and the fence enclosure increased by 12%; in the vegetation growing season， the reseeding improvement and fence enclosure soil content increased by 50%. The amount of water was higher than the combination of shrub and grass to varying degrees， so the aboveground dry matter quality was increased by 57.65% compared with the enclosure and 230.10% compared with the combination of shrub and grass. Compared with the combination of shrub and grass， the difference was significant. The NPP of supplementary seeding improvement and enclosure was increased by 66% and 29.22%， respectively， compared with the combination of shrub and grass. It can be seen that reseeding and improvement can improve soil water retention capacity， improve a better water environment for vegetation growth， and significantly improve aboveground dry matter accumulation and NPP， and the ecological restoration effect of desertified grassland is better.

Key words：Sandy grassland;Governance model;Ecologica restoration;Soil water;NPP

草原作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅可以為草食動物提供飼料，同時在涵養(yǎng)水源、固定流沙、調(diào)節(jié)氣候等方面也具有重要的影響價值[1 ]?，斍h位于甘肅省甘南藏族自治州西南部，青藏高原東端，甘、青、川三省交界處，黃河第一彎曲部?，斍吆菰乔嗖馗咴闹匾M成部分，是黃河上游的巨大生態(tài)屏障，由于人口增長、超載過牧、不合理的畜牧結(jié)構(gòu)和開墾使得草原出現(xiàn)了沙化、退化的現(xiàn)象[2 - 5 ]。近年來，瑪曲縣采用人工增雨增加植被覆蓋度、改變畜牧結(jié)構(gòu)、圍欄封育、補(bǔ)播改良、方格固沙、植樹造林等諸多方式治理草原沙化，以恢復(fù)草原原有生態(tài)功能，取得了較好的效果[6 - 8 ]。

不同的治理模式下，受植被地上地下生長的影響，土壤容重、田間持水量、草地植被生物量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量和貯水量都有所不同[9 - 10 ]。沙化草原生態(tài)恢復(fù)過程中土壤水分持續(xù)性和牧草生物量都發(fā)生動態(tài)變化[11 ]，研究不同治理模式下土壤水分持續(xù)性及有關(guān)的土壤物理特性變化、植被凈初級生產(chǎn)力變化等指標(biāo)，明確降水對不同治理模式的土壤水分和草地植被動態(tài)響應(yīng)特征，這將有助于客觀評價沙化草原生態(tài)恢復(fù)效果，并為沙化草原生態(tài)治理及恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，為瑪曲縣草原健康、可持續(xù)發(fā)展尋求高效、合理的途徑。

我們以不同治理模式恢復(fù)沙化草原生態(tài)為研究對象，基于土壤水分的動態(tài)觀測，研究草地生態(tài)恢復(fù)過程中土壤水分的剖面分布和季節(jié)變化，明確土壤水分對草地植被動態(tài)的響應(yīng)特征，以期為高寒區(qū)沙化草原生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于瑪曲縣東南部河曲馬場草場（102° 7′ 58″ E，33° 55′ 33″ N），距黃河直線距離6.8 km，該區(qū)域主要是集中連片全沙化和流動沙丘，土壤表層部分或全部被沙土覆蓋，沙層厚度1～5 m，植物稀疏。試驗區(qū)屬明顯的高原大陸性高寒濕潤區(qū)，高寒多風(fēng)雨（雪），無四季之分，僅有冷暖之別。冷季長達(dá)314 d，漫長而寒冷;暖季51 d，短暫而溫和。雨水集中，日照充足，輻射強(qiáng)烈，無絕對無霜期。海拔高度3 480 m，年均降水量611.9 mm，年平均氣溫1.2 ℃，牧草生長期190 d。試驗地為亞高山草甸土、褐鈣土，土壤中沙粒和粉粒含量較高，草地0～20 cm土層土壤含有機(jī)質(zhì)15.4 g/kg、全氮0.86 g/kg、全磷0.7 g/kg、全鉀19.5 g/kg、速效氮96.5 mg/kg、速效磷13.5 mg/kg、速效鉀172.5 mg/kg，容重1.29 g/cm3，pH 8.5。根據(jù)氣象資料統(tǒng)計（圖1）可知，試驗區(qū)2020年降水變幅較大，且季節(jié)分配不均，主要集中在6、7、8月，占全年降水量的61.5%。試驗區(qū)全年降水793.6 mm，4 — 10月降水751.4 mm，為豐水年。2020年4— 10月最低日均溫為-3.4 ℃，出現(xiàn)在4月3日;最高日均溫為14.7 ℃，出現(xiàn)在7月7日、15日，平均為7.9 ℃。

1.2 ? 試驗設(shè)計

研究設(shè)置了3種不同的治理模式， A為補(bǔ)播改良，B為圍欄封育，C為灌草結(jié)合，沙化草地不同治理模式具體操作見表1。

1.3 ? 測定項目和方法

1.3.1 ? ?土壤含水量 ? ?采用烘干法測定0～200 cm土壤含水量，測定間隔20 cm，3 — 10月每隔30 d測定1次。

1.3.2 ? ?土壤田間持水量 ? ?分別于4、10月利用環(huán)刀采集樣點(diǎn)0～10、10～20、20～40 cm原狀土，經(jīng)風(fēng)干、稱重、浸泡、下滲、稱重、烘干等步 ? 驟[12 ]。

X=（m1-m2）/（m2-m0）×100%

式中，X為土壤田間持水量（%）;m0為烘干空鋁盒質(zhì)量（g）;m1為烘干前鋁盒+濕土樣質(zhì)量（g）;m2為烘干后鋁盒+干土樣質(zhì)量（g）;

1.3.3 ? ?牧草生物量及植被凈初級生產(chǎn)力（NPP） ? ?植被凈初級生產(chǎn)力為凋落物生成量（Litterfall production，L）與生物量凈增量（net biomass increment，B）之和。草地一般均為一年生植被，其總生物量即為當(dāng)年的NPP值。地上生物量采用收割法，于每年土壤解凍至土壤封凍前每月測量1次。各樣地隨機(jī)選取2個100 cm×100 cm的樣方，對地上部分進(jìn)行齊地刈割，收割活體生物量，烘干至恒重;地下根系生物量現(xiàn)存量采用根鉆法，在樣方內(nèi)隨機(jī)取樣，每樣方內(nèi)用直徑7 cm的根鉆按0～10、10～20、20～30、30～40 cm分層采集取樣，重復(fù)5次，然后風(fēng)干土壤樣品，過1 mm土壤篩，再用流水沖洗，去掉凋落物和死根，最后將收集到的根系在80 ℃ 恒溫下烘干至恒重，稱取質(zhì)量，計算樣方內(nèi)根系生物量，單位取g/m2。該區(qū)草地植被在冬季會死亡，到次年春夏季再次發(fā)芽，所以草地的總生物量（地上生物量與地下生物量之和）即為當(dāng)年的NPP值，取碳轉(zhuǎn)化效率0.475，計算NPP值。

NPP=L+ΔB

式中，L為凋落物生成量（gC/m2），ΔB為生物量凈增量（gC/m2）。

1.4 ? 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0 統(tǒng)計分析軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖，采用 Ducan法檢驗處理間的差異顯著性，顯著性水平設(shè)定為α=0.05，結(jié)果以平均值±SD表示。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 不同治理模式對土壤持水量的影響

不同治理模式下土壤持水量10月比4月明顯提高，其中，補(bǔ)播改良草地提高最大，達(dá)50%;其次為灌草結(jié)合模式，提高31%;圍欄封育提高12%（表2）。圖2顯示，在0～10 cm土層中，土壤田間持水量由大到小依次為補(bǔ)播改良、灌草結(jié)合、圍欄封育草地，且均在0.05水平達(dá)到顯著差異;在10～20 cm土層中，補(bǔ)播改良草地低于灌草結(jié)合草地，差異顯著，與圍欄封育差異不顯著;在20～40 cm土層中，補(bǔ)播改良草地田間持水量與灌草結(jié)合差異不顯著，二者顯著高于圍欄封育。在0～40 cm土層的土體中，3個樣地的田間持水量均在0.05水平差異不顯著，從大到小依次為補(bǔ)播改良、灌草結(jié)合、圍欄封育。

2.2 ? 不同治理模式對土壤含水量的影響

不同草地治理模式對0～200 cm土壤含水量有顯著影響（圖3）。0～40 cm土層各治理模式沙化草地的土壤水分與降水呈現(xiàn)相應(yīng)季節(jié)性變化，降水量越大，土壤水分含量越高，但不同治理模式之間土壤水分并無顯著差異。造成這一現(xiàn)象的主要原因在于該層次受降水補(bǔ)充作用明顯，土壤水分波動較大[12 ]。40～100 cm 土層土壤水分含量不同模式之間存在差異顯著（P < 0.05），且在降水影響下不同時間段含水量變化較大，其中4月和8月補(bǔ)播改良土壤含水量最高，6月和10月圍欄封育最高。120～200 cm 土層含水量主要受植被的影響，由于灌木的根系較長，大量消耗這一層次的土壤水分，草木生長期（5 — 10月）灌草結(jié)合模式土壤含水量最低，補(bǔ)播改良最高。受沙層深度和不規(guī)則壤土層穿插影響，200 cm剖面的土壤含水量波動較大。

植被整個生長階段中灌草結(jié)合模式土壤含水率始終低于其余2種模式，即便是在較大的降水事件發(fā)生之后也沒有改觀，這可能是由于冠層截流作用和根系吸水造成的，且改良初期冠幅生長量有限，地表牧草覆蓋較少，蒸發(fā)量相對較高[13 ]。

2.3 ? 不同治理模式對地上和地下干物質(zhì)累積的影響

地上和地下干物質(zhì)累積與植被多少和土壤含水量密切相關(guān)[14 ]，不同治理模式對干物質(zhì)積累有顯著影響（圖4）。3種治理模式中，補(bǔ)播改良在整個植被生長期地上和地下干物質(zhì)累積量均顯著高于其他處理，圍欄封育次之（8月除外），灌草結(jié)合最低（8月除外），均差異顯著。其中補(bǔ)播改良模式地上干物質(zhì)量在各時期均最高，生長旺盛期地上干物質(zhì)量達(dá)到304.52 g/m2，較圍欄封育模式增加57.65%，較灌草結(jié)合模式增加230.10%，可能的原因是補(bǔ)播改良模式植被最多，且相對穩(wěn)定，同時其土壤含水率最高，土壤水分和植被處于良好的相互作用關(guān)系，地上和地下部分生長均較為旺盛。出于保護(hù)治理成果的目的，本試驗灌草結(jié)合處理取樣時，地上部分只采集灌木凋落物和牧草植株，地下部分只采集牧草根部，因而灌草結(jié)合干物質(zhì)累積最少。

2.4 ? 不同治理模式對植被凈初級生產(chǎn)力的影響

植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）可反映植物固定和轉(zhuǎn)化光能為化合物的效率，能夠以統(tǒng)一的尺度標(biāo)準(zhǔn)衡量區(qū)域土地利用/直白變化過程對植被的影響程度[15 ]。本研究中，草原植被每年生長季地上生物量的最大值（一般在8月末左右）與返青期生物總量差值作為地上凈初級生產(chǎn)力，灌草結(jié)合模式下灌木正值生長旺盛期，凋落物極少，不做單獨(dú)計算。不同治理模式草地年平均NPP值如表3所示。受降水和沙層深度影響，不同治理模式下地表覆蓋度有所不同，其中補(bǔ)播改良NPP最高，為240.80 g C/m2;其次是圍欄封育，為187.40 g C/m2。分別較灌草結(jié)合NPP提高66.05%和29.22%。灌草結(jié)合NPP較低的可能原因是該地塊沙層較厚，且有流動沙丘的存在，地表層保水能力較弱，植被生長量減少。

3 ? 結(jié)論與討論

土壤田間持水量是土壤中所能保持懸著水的最大量，它是衡量田間土壤保持水分能力的重要指標(biāo)，可以鑒定土壤水分供給狀況[16 ]。土壤水分含量降低和保水能力下降是草原沙化和生產(chǎn)力不斷下降的主要原因之一[17 ]。土壤田間持水量提高是沙化草原恢復(fù)效果的重要指標(biāo)之一[18 ]。本試驗條件下，補(bǔ)播改良模式土壤田間持水量提高最大，達(dá)50%，其次為灌草結(jié)合模式，提高31%，圍欄封育提高12%。在植被生長季，補(bǔ)播改良和圍欄封育模式的含水量均不同程度高于灌草結(jié)合，地上干物質(zhì)量較圍欄封育提高57.65%，較灌草結(jié)合模式提高230.10%。各恢復(fù)模式對NPP有顯著影響，影響力表現(xiàn)為補(bǔ)播改良>圍欄封育>灌草結(jié)合，均差異顯著，補(bǔ)播改良和圍欄封育NPP分別較灌草結(jié)合提高66%和29.22%。

土壤水分分布特征受氣候、土壤、植被等共同影響，是黃土高原植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵因子，對生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵過程具有重要影響，且土壤含水率與植被蓋度之間的關(guān)系整體上呈正相關(guān)[19 - 24 ]。本研究得到了與已有研究一致的結(jié)果，補(bǔ)播改良模式在人工補(bǔ)播后地表植被覆蓋度最高，且相對穩(wěn)定，同時其土壤含水率最高，因而地上和地下干物質(zhì)累積量及NPP均顯著高于其他處理;圍欄封育雖禁止放牧，但只是利用草原自身恢復(fù)能力進(jìn)行恢復(fù)，地表植被較補(bǔ)播改良少，因而地表蒸發(fā)較大，土壤含水量低于補(bǔ)播改良，因而干物質(zhì)累積量和NPP均小于補(bǔ)播改良。灌草結(jié)合模式下，由于灌木耗水量大于牧草，因而土壤含水量最低，不利于牧草生長，地上和地下干物質(zhì)累積量和NPP均最低?？梢娧a(bǔ)播改良模式下土壤水分和植被處于一種良好的相互作用關(guān)系，在這種關(guān)系下該區(qū)較為豐富的降水既能保持較高的植被蓋度，又能使土壤水分相對穩(wěn)定，植被NPP顯著提高。

綜上可見，補(bǔ)播改良可較大幅度提高土壤田間持水量和土壤含水量，地上和地下干物質(zhì)量及草原植被凈初級生產(chǎn)力顯著提高，沙化草原恢復(fù)效果最好。

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收稿日期：2022 - 03 - 10

基金項目：甘肅省2020年草原生態(tài)修復(fù)治理科技支撐項目“甘南州瑪曲縣沙化草原生態(tài)恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳庫變化”;甘肅省科技計劃項目（20JR10RA464）。

作者簡介：張國平（1979 — ），男，甘肅天水人，副研究員，主要從事旱作農(nóng)業(yè)栽培及作物養(yǎng)分研究工作。Email：zhanggp8210@163.com。

通信作者：王紅麗（1980— ），女，山西定襄人，研究員，博士，主要從事作物栽培與生理生態(tài)方面的研究工作。Email：zhswhl@163.com。