科爾沁鹽堿化草地植被修復(fù)效果分析

艷 秀，占布拉，王明玖，包 翔，吳 朝，王 燕

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018)

科爾沁草原是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生活質(zhì)量的需求日益強(qiáng)烈，過(guò)墾草地和超載放牧現(xiàn)象普遍發(fā)生，從而導(dǎo)致草原植被大量被破壞，以草地退化、沙化、鹽漬化等為主的各類草地退化現(xiàn)象日益加劇，使草地的生態(tài)系統(tǒng)功能喪失，服務(wù)能力減弱，成為嚴(yán)重阻礙著地區(qū)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題[1，2]。由于鹽堿草地植被稀疏，土壤pH較高，再加上半干旱地區(qū)客觀條件制約，使得鹽堿草地的自然恢復(fù)難、所需周期長(zhǎng)、見(jiàn)效慢。因此，有必要對(duì)鹽堿化草地采取人工干預(yù)治理措施進(jìn)行修復(fù)，以遏制草地的進(jìn)一步鹽堿化，促進(jìn)草地生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。草地的植被修復(fù)過(guò)程，是通過(guò)一些人為措施使植物群落向著最大程度利用環(huán)境的方向演替，構(gòu)成最復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)和功能[3，4]。對(duì)于鹽堿化草地，通過(guò)種植一些耐鹽堿植物和利用土壤改良劑或肥料中的化學(xué)性質(zhì)中和鹽堿土壤中的鹽分，調(diào)節(jié)土壤酸堿度，改善鹽堿土壤的根際微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)植物正常生長(zhǎng)的目的。目前，國(guó)內(nèi)外在鹽堿地改良方面的技術(shù)主要有物理、化學(xué)、生物和水利工程等措施[4，5]?；瘜W(xué)措施在鹽堿土壤改良的應(yīng)用中較為廣泛，其中施入脫硫石膏改良鹽堿土不僅能實(shí)現(xiàn)脫硫石膏的資源化利用，同時(shí)能大大改善土壤的理化性質(zhì)，具有良好的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[6～8]。脫硫石膏是燃煤電廠煙氣脫硫產(chǎn)生的廢棄物，主要成分是CaSO4·2H2O。大量試驗(yàn)研究[9]證明，脫硫石膏能夠降低鹽堿土壤中的堿化度、pH和含鹽量，而且對(duì)植物生長(zhǎng)、發(fā)育均有明顯的促進(jìn)作用。脫硫石膏改良蘇打堿化土壤的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，脫硫石膏可大幅度降低土壤pH和交換性，并提高作物的產(chǎn)量，如施用脫硫石膏改良?jí)A化土壤后種植玉米，玉米的出苗率和產(chǎn)量明顯提高，特別是重度堿化土壤施用脫硫石膏后玉米籽粒產(chǎn)量(7300.75kg/hm2)比未施用脫硫石膏的產(chǎn)量提高6679.5kg/hm2[10]。目前，更多的研究集中于改良鹽堿化農(nóng)用地和作物，而對(duì)于鹽堿化草地和牧草的研究較少。因此，選擇科爾沁鹽堿化草地開(kāi)展了植被修復(fù)的研究，主要探討修復(fù)措施對(duì)鹽堿化草地群落特征、植物功能群和物種多樣性的影響，為科爾沁地區(qū)及類似地區(qū)鹽堿化草地的恢復(fù)和合理利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市扎魯特旗魯北鎮(zhèn)南40km304國(guó)道的東側(cè)(121°12′23.151″E、44°33′139.007″，海拔265m),該地屬于中溫帶大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，全年降雨量約382.5mm，最高、最低氣溫分別集中在7月和1月，年均氣溫6.6℃，無(wú)霜期102～147d。土壤類型主要為堿土和沙土，土壤鹽堿化較嚴(yán)重，pH8.9～10.55。植被類型為以旱生和中旱生植物為主的草甸草原亞型。依據(jù)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB193377-2003)[11]，將研究區(qū)鹽堿草地分為中度鹽堿化草地和重度鹽堿化草地，中度鹽堿化草地常見(jiàn)植物有羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenesspuarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、百里香(Thymusmongolicus)和銀灰旋花(Convolvulusammannii)等；重度鹽堿化草地種類貧乏，有堿地膚(Kochiaesieversianae)、堿蓬(Suaedasalsa)和狗尾草(Setariavirides)。

1.2 樣地設(shè)置

2017年8月對(duì)鹽堿化草地進(jìn)行圍封，2018年6月在重度鹽堿化草地設(shè)置36m2(6m×6m)的處理小區(qū)，重復(fù)3次，采取T+B(T代表脫硫石膏，B代表補(bǔ)播)試驗(yàn)處理。脫硫石膏用量1.5萬(wàn)～1.8萬(wàn)kg/hm2。在施入脫硫石膏和補(bǔ)播之前，對(duì)土壤進(jìn)行一次疏松，采用機(jī)引鏵式犁耙對(duì)鹽堿化草地實(shí)施一次作業(yè)，耙深為10cm。主要補(bǔ)播的牧草有披堿草(Elymusdahuricus)、紫羊茅(Festucarubra)、中間偃麥草(Elytrigiaintermedia)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)、中苜1號(hào)苜蓿(Medicagosativa)、草木樨(Melilotusofficinalis)、一年生黑麥草(Loliummultiflorum)、敖漢苜蓿(Medicagosativa)、野大麥(Hordeumbrevisubulatum)，按照0.5∶0.2∶0.2∶0.3∶0.1∶0.2∶0.1∶0.1∶0.02(kg)比例混合后人工撒播，播量為60kg/hm2。

1.3 野外取樣

2017年8月，在實(shí)施圍封修復(fù)前對(duì)研究區(qū)進(jìn)行一次本底調(diào)查；2018年、2019年8月，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)的草地和圍欄外的自由放牧區(qū)草地上，同步選擇植物生長(zhǎng)均勻的區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)采樣，樣方大小為1m2(1m×1m)，重復(fù)3次，樣方調(diào)查記錄群落高度、蓋度、密度，并且分種齊地面刈割樣方內(nèi)所有植物，于65℃烘箱內(nèi)烘至恒重后用電子天平稱取其干重，為小區(qū)內(nèi)植物群落地上生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

重要值按(1)式計(jì)算；群落物種多樣性指數(shù)，Margalef豐富指數(shù)按(2)式計(jì)算；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)按(3)式計(jì)算；Pielou均勻度指數(shù)按(4)式計(jì)算。

重要值(Ⅳ)=(相對(duì)密度+相對(duì)高度+相對(duì)蓋度+相對(duì)生物量)/4

(1)

Margalef豐富指數(shù)Ma=(S-1)/lnN

(2)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)

H′=-∑PilnPi

(3)

Pielou均勻度指數(shù)E=H′/lnS

(4)

上式中：S代表樣地內(nèi)物種總數(shù)；N代表所有物種個(gè)體數(shù)總和；Pi代表第i個(gè)種數(shù)量占群落總個(gè)體數(shù)量的比例。

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和表格繪制，用SAS 9.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)群落特征的影響

試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，修復(fù)后的第二年(2018年)T+B處理區(qū)的群落蓋度顯著高于CK自由放牧區(qū)(P<0.01)，比自由放牧區(qū)提高了108%；群落高度和地上生物量均顯著(P<0.05)高于自由放牧區(qū)，分別比自由放牧區(qū)提高了284%和197%；群路密度則無(wú)顯著差異(P>0.05)。修復(fù)后的第三年(2019年)，T+B處理區(qū)的群落蓋度、群落高度、群落密度和地上生物量均顯著高于自由放牧區(qū)(P<0.001)，分別比自由放牧區(qū)增加了112%、638%、604%和763%。

由表2可知，經(jīng)修復(fù)措施后，隨著修復(fù)年限的增加群落蓋度、高度、密度和地上生物量均程增加趨勢(shì)，修復(fù)后的第二年和第三年群落蓋度、群落高度、群落密度和地上生物量均顯著(P<0.001)高于修復(fù)前(2017年)，分別提高了133%、169%和277%、845%和74%、650%及108%、918%。

2.2 對(duì)群落各功能群重要值的影響

修復(fù)后第二年(2018年)，與自由放牧區(qū)(CK)相比T+B處理區(qū)群落降低藜科植物重要值136%，提高禾本科植物重要值207%，同時(shí)出現(xiàn)了豆科植物(重要值為9.89)。到修復(fù)后第三年(2019年)，與自由放牧區(qū)相比T+B處理區(qū)群落藜科植物重要值降低了396%，禾本科植物重要值提高了606%，同時(shí)出現(xiàn)了豆科、菊科和其他科植物，重要值分別為10.88、12.68和1.21(表3)。由此可見(jiàn)，T+B處理有利于鹽堿化草地禾本科和豆科植物的恢復(fù)，可使群落組成結(jié)構(gòu)由單一和不穩(wěn)定趨向于復(fù)雜和穩(wěn)定。

表1 修復(fù)措施對(duì)鹽堿化草地群落特征的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；NS為差異不顯著。

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

表3 修復(fù)措施對(duì)鹽堿化草地群落各功能群重要值的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；NS為差異不顯著。

與修復(fù)前(2017年)相比，修復(fù)后第二年(2018年)降低群落藜科植物重要值161%，提高禾本科植物重要值494%，豆科植物重要值達(dá)到9.89；到修復(fù)后第三年(2019年)，群落禾本科植物重要值提高了509%，藜科植物降低了389%，同時(shí)群落中豆科、菊科和其他科植物的重要值分別達(dá)到10.88、12.68和1.21(表4)，群落組成更加復(fù)雜化和多樣化。

表4 不同修復(fù)年限群落各功能群重要值的比較

2.3 對(duì)群落物種多樣性的影響

從表5可看出，修復(fù)后第二年(2018年)T+B處理區(qū)的豐富度指數(shù)顯著(p<0.001)高于CK自由放牧區(qū)，比自由放牧區(qū)提高了74%；多樣性指數(shù)地顯著(p<0.05)高于自由放牧區(qū)(CK)，比自由放牧區(qū)提高了12.5%；而均勻度指數(shù)差異不顯著(p>0.05)。修復(fù)后第三年(2019年)，T+B處理區(qū)的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)顯著高CK自由放牧區(qū)(p<0.001)，分別比自由放牧區(qū)提高了169%和253%；均勻度指數(shù)T+B處理區(qū)顯著高于CK自由放牧區(qū)(p<0.01)，比自由放牧區(qū)提高了38.7%。

表5 修復(fù)措施對(duì)鹽堿化草地群落物種多樣性的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；NS為差異不顯著。

由表6可知，修復(fù)后第二年和第三年豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)均顯著(P<0.001)高于修復(fù)前(2017年)，分別比修復(fù)前提高了97%、10%和213%、204%；均勻度指數(shù)在修復(fù)后第二年和第三年顯著高于修復(fù)前(P<0.01)，分別比修復(fù)前提高了84%和177%，且隨著修復(fù)年限的增加群落的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈增加趨勢(shì)。

表6 不同修復(fù)年限群落物種多樣性的比較

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

3 討論

本研究修復(fù)后的第二年(2018年)和第三年(2019年)，與自由放牧區(qū)(CK)和修復(fù)前(2017年)相比，明顯提高了鹽堿化草地的群落蓋度、群落高度和群落密度，主要原因可能是采取修復(fù)措施后為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造了更為有利的環(huán)境，增加了一些新的植被，填補(bǔ)了原有鹽堿化草地空缺的生態(tài)位，從而提高了群落特征。修復(fù)后的地上生物量顯著提高，這與前人[12]的研究結(jié)果相似。本研究中，修復(fù)后第二年和第三年處理區(qū)的群落地上生物量，與自由放牧區(qū)相比分別提高了197%和763%，與修復(fù)前相比分別提高了108%和918%。這一方面是因?yàn)榻股蟛墒澈脱a(bǔ)播牧草提高了鹽堿化草地的地上生物量，另一方面是因?yàn)槿郝涓叨?、蓋度和密度的增加使裸露地面植被繁茂，減少了土壤風(fēng)蝕，從而進(jìn)一步提高草地的初級(jí)生產(chǎn)力[13]。修復(fù)后在提高群落禾本科植物重要值的同時(shí)出現(xiàn)了豆科、菊科和其他科植物，表明修復(fù)措施有利于鹽堿化草地植被的恢復(fù)，可使群落組成從結(jié)構(gòu)單一、不穩(wěn)定趨向于復(fù)雜和穩(wěn)定。因?yàn)槭┤朊摿蚴嗪鬄橹参锏亩ň犹峁┝朔€(wěn)定的土壤環(huán)境，有利于植物定居和生長(zhǎng)，并且可以改善土壤的通透性，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[14，15]。群落的物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)是群落的重要特征，草地修復(fù)后的第二年，處理區(qū)群落的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均比自由放牧區(qū)顯著提高，均勻度指數(shù)有所提高但差異不顯著，在修復(fù)后第三年才開(kāi)始對(duì)群落均勻度指數(shù)的影響表現(xiàn)出來(lái)。這與Foster和Tilman[16]的研究結(jié)果類似，可能是由于該實(shí)驗(yàn)在修復(fù)后第二年補(bǔ)播的物種還未在該生境中完全定居，很多種子還處于未萌發(fā)狀態(tài)，修復(fù)效應(yīng)還沒(méi)有完全顯示出來(lái)；另一種可能是由于修復(fù)后第二年的效應(yīng)僅表現(xiàn)在新添加的物種對(duì)原有退化草地空缺的生態(tài)位填充，而隨著年限的增長(zhǎng)植被修復(fù)帶來(lái)的新添加物種在群落中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)可能才會(huì)得到體現(xiàn)[17～19]。

4 結(jié)論

修復(fù)后的第三年(2019年)與自由放牧區(qū)(CK)和修復(fù)前(2017年)相比，草地群落蓋度、高度、密度和地上生物量均顯著提高，群落的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均達(dá)到顯著(P<0.001)差異，均勻度指數(shù)達(dá)到顯著(P<0.01)差異。隨著修復(fù)年限的推移，禾本科牧草和豆科牧草重要值達(dá)到56.67和10.88，說(shuō)明修復(fù)措施改善了草地的生境條件，提高了草地的多樣性、生物量和質(zhì)量，是修復(fù)鹽堿化草地的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。