榮 浩，何京麗，張 欣，張 林，楊紅艷

〔1.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020；2.內(nèi)蒙古蒙草生態(tài)環(huán)境（集團(tuán)）股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010〕

廣泛分布于內(nèi)蒙古中部、陰山山脈以北烏蘭察布高原地區(qū)的荒漠草原是內(nèi)蒙古草原的重要組成部分，荒漠草原以其獨(dú)特的種類組成、結(jié)構(gòu)和功能，以及地理分布規(guī)律和自然景觀，成為亞洲中部一種特殊的、十分重要的生態(tài)系統(tǒng)類型［1］。近些年，環(huán)境因子的變化以及不合理的人類活動(dòng)使荒漠草原的生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生深刻變化，干旱頻發(fā)，導(dǎo)致沙漠化、鹽漬化急劇發(fā)展和植被退化［2］。

荒漠草原植物種類貧乏，草叢低矮，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，一旦退化很難恢復(fù)，它的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展與草地生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)［3］。目前中國在退化草地生態(tài)恢復(fù)方面已經(jīng)有很多的研究成果，主要恢復(fù)技術(shù)包括圍欄封育、補(bǔ)播、松土、淺耕翻、火燒、施肥、灌溉、施枯草或秸稈、除毒草、石膏改良等，這些草地植被恢復(fù)技術(shù)具有綜合性、交叉性、邊緣性等特點(diǎn)［4-10］；對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的評(píng)價(jià)主要側(cè)重于植被覆蓋度、地上生物量、生物多樣性和土壤質(zhì)量的恢復(fù)等方面［11-14］。

本研究通過分析內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗境內(nèi)的退化荒漠草原不同植被恢復(fù)模式的水土保持生態(tài)效益，從植物生長狀況、土壤水分保持、抗水蝕能力等方面探討不同植被恢復(fù)模式對(duì)保持荒漠草原水土資源、恢復(fù)受損生態(tài)系統(tǒng)的適宜性，以期解決當(dāng)前退化草原水土保持措施的優(yōu)化配置問題提高生態(tài)恢復(fù)效果，加快修復(fù)進(jìn)程，為退化草原的水土流失治理和生態(tài)建設(shè)提供理論和實(shí)踐參考。

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)四子王旗查干補(bǔ)力格蘇木境內(nèi)，屬于典型中溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫3.4℃，≥10℃的年積溫為2 200～2 500℃，多年平均降水量為298 mm，降水量集中在6—9月，占全年降水總量70%以上，無霜期175 d。試驗(yàn)區(qū)主要以淡栗鈣土為主［15］。研究區(qū)地帶性植被為短花針茅荒漠草原，是一種草原區(qū)向荒漠區(qū)過渡的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)類型，短花針茅草原占到中國溫性荒漠草原總面積的11.2%，對(duì)荒漠草原的生態(tài)系統(tǒng)的整體功能有很大的影響［16］。試驗(yàn)區(qū)為放牧的天然草地，原生植被草層低矮，植物種類組成較少，主要建群種為短花針茅（Stipɑ breviflorɑ），優(yōu)勢(shì)種為冷蒿（Artemisiɑfrigidɑ）、無芒隱子草（Cleistogenes songoricɑ），主要伴生種有櫛葉蒿（Neopɑllɑsiɑpectinɑtɑ）、狹葉錦雞兒（Cɑrɑgɑnɑstenophyllɑ）、木地膚（Kochiɑprostrɑtɑ）、銀灰旋花（Convolvulusɑmmɑnnii）等，植被蓋度為21%～26%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2015年選擇地勢(shì)較為平坦、植被蓋度相近的區(qū)域布設(shè)3種植被恢復(fù)模式試驗(yàn)區(qū)，以長期放牧形成退化的天然草地作為對(duì)照樣地（CK），植被恢復(fù)模式分別設(shè)置為：圍欄封育試驗(yàn)樣地（Ⅰ）、“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”試驗(yàn)樣地（Ⅱ）、“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”試驗(yàn)樣地（Ⅲ）。各試驗(yàn)樣地基本情況見表1。

表1 試驗(yàn)樣地2015年基本情況

1.3 試驗(yàn)方法

于2017年生長旺盛期（8月初）調(diào)查植物群落特征并測(cè)定土壤含水量。在各個(gè)試驗(yàn)樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3條100 m 樣帶，樣帶間隔100 m，沿樣帶每隔10 m 布設(shè)1個(gè)1 m×1 m 樣方，記錄每個(gè)樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物種類、群落總蓋度，采用收割法測(cè)定地上生物量，即將樣方內(nèi)植物地面以上的所有綠色部分齊地刈割（樣方內(nèi)灌木屬矮小灌木，與草本植物一并刈割收獲），不分植物種按樣方分別裝進(jìn)紙袋，65 ℃恒溫下烘至恒重，稱其干重，測(cè)定植物群落地上生物量；測(cè)定生物量的同時(shí)，采用TRIME-PICO TDR 便攜式土壤水分測(cè)量儀結(jié)合烘干稱重法測(cè)定0—20，20—40，40—60 cm 土層土壤含水量。

2017年5月在每個(gè)植被恢復(fù)模式試驗(yàn)區(qū)選取坡度基本一致的區(qū)域，分別布設(shè)1個(gè)自然坡面徑流小區(qū)（5 m×3 m），四周以鋁塑板進(jìn)行圍擋，徑流小區(qū)底部設(shè)計(jì)集流桶，每次降雨后觀測(cè)徑流量和泥沙量，觀測(cè)時(shí)間為2017年6月至2017年9月。①徑流量觀測(cè)。每次降雨產(chǎn)流結(jié)束后測(cè)定集流桶內(nèi)水位高度，乘以集流桶底面積，推算出一次降雨過程的徑流量。②泥沙量觀測(cè)。徑流測(cè)定后，將桶內(nèi)水分充分?jǐn)嚋啠娩X盒取水樣，每次取60 ml，3次重復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定渾水重量，記錄渾水體積，靜置3 h，過濾掉清水，置于105 ℃下烘箱12 h，測(cè)定干土重量，換算成土壤侵蝕量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS Statistics 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析LSD 法（least significant difference，LSD）比較不同植被模式下的差異（p＝0.05），采用主成分分析法［17-19］對(duì)不同植被恢復(fù)模式的水土保持生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)模式植物群落特征的變化

對(duì)比分析3種植被恢復(fù)模式和天然草地的植物群落特征，結(jié)果見表2。“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”（Ⅲ）試驗(yàn)樣地出現(xiàn)的植物種類最多，共有15種多年生草本植物，3種1 a，2 a生植物。與之相比較，圍欄封育樣地（Ⅰ）的植物種類最少（12種多年生草本植物，2種1 a，2 a生植物）。但經(jīng)方差分析，各試驗(yàn)樣地之間植物種類組成變化差異未達(dá)到顯著水平（p＞0.05），說明荒漠草原實(shí)施不同植被恢復(fù)模式的初期階段對(duì)植物群落物種組成沒有明顯影響。“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”（Ⅱ）、“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”（Ⅲ）試驗(yàn)樣地的植物群落總蓋度要顯著高于封育樣地（Ⅰ）和對(duì)照樣地（CK）（p＜0.05）。測(cè)定生長旺盛期（8月初）不同植被恢復(fù)模式的地上生物量，結(jié)果表明，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”（Ⅱ）試驗(yàn)樣地地上生物量最高，其次為“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”（Ⅲ）；這兩種恢復(fù)模式的地上生物量分別比放牧的天然草地（CK）增加了18.17，14.08 g／m2，這2種恢復(fù)模式的地上生物量與天然草地之間的變化差異達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3種模式的地上生物量之間的變化差異不顯著（p＞0.05）。

表2 不同植被恢復(fù)模式植物群落特征的變化

2.2 不同植被恢復(fù)模式土壤含水量變化

植被生長旺盛期不同土層土壤含水量變化如表3所示。隨著土壤深度的增加試驗(yàn)區(qū)土壤含水量隨之增加，3種植被恢復(fù)模式和天然放牧草地的0—20 cm土層土壤含水量變化在10.65%～12.65%之間，變化差異不明顯（p＞0.05）；20—40 cm 土層土壤含水量由大到小依次為：Ⅱ＞Ⅲ＞CK＞Ⅰ，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”試驗(yàn)樣地（Ⅱ）20—40 cm 土層土壤含水量顯著高于圍欄封育（Ⅰ）和天然草地（CK）；不同植被恢復(fù)模式40—60 cm 土層土壤含水量變化中，對(duì)照樣地（CK）土壤含水量最大，圍欄封育試驗(yàn)樣地（Ⅰ）土壤含水量最低，但差異不顯著（p＞0.05）。

表3 不同深度土壤含水量的變化 %

2.3 不同植被恢復(fù)模式徑流和侵蝕的變化

試驗(yàn)觀測(cè)期間內(nèi)共有天然降雨7次，累計(jì)降雨量為172.6 mm，產(chǎn)生地表徑流5次，6月份、7月份各1次，8月份3次，對(duì)比不同植被恢復(fù)模式下坡面徑流小區(qū)的累積徑流量和侵蝕量結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見圖1），3種植被恢復(fù)模式中，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”（Ⅱ）、圍欄封育（Ⅰ）、“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”（Ⅲ）的地表徑流量分別比天然草地（CK）降低了35.9%，26.6%，20.3%，推算的3種植被恢復(fù)模式的土壤侵蝕量變化在9.64～10.65 t／km2之間，均低于天然草地侵蝕量，雖然不同植被恢復(fù)模式的徑流量和侵蝕量與天然草地之間的變化差異未達(dá)到顯著水平（p＞0.05），但也說明了實(shí)施植被恢復(fù)措施后植被蓋度和密度增加，地表粗糙率加大，進(jìn)而使地表徑流減小，有效控制了土壤侵蝕。

圖1 不同植被恢復(fù)模式徑流量和侵蝕量比較

2.4 水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)

采用SPSS Statistics 17.0軟件對(duì)不同植被恢復(fù)模式的植被特征（多年生植物種類1，2 a生植物種類、群落總蓋度、地上生物量）、土壤水分（0—20，20—40，40—60 cm 土層土壤含水量）、徑流量和侵蝕量的9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到主成分特征值和貢獻(xiàn)率（見表4）。

表4 水土保持生態(tài)效益指標(biāo)主成分特征值及貢獻(xiàn)率

根據(jù)主成分分析的主成分提取原則，當(dāng)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%，可認(rèn)為選取的主成分反映了原來因子足夠的信息。由表4可知，主成分分析在原有9個(gè)指標(biāo)中提取出了保留原始變量信息、且彼此間互不相關(guān)的7個(gè)指標(biāo)，主成分1和主成分2的累積貢獻(xiàn)率為92.784%，因此提取前2個(gè)主成分就能較好的涵蓋評(píng)價(jià)不同植被恢復(fù)模式的水土保持生態(tài)效益指標(biāo)的信息。主成分載荷矩陣是變量和與之對(duì)應(yīng)各個(gè)主成分間的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)提取的2個(gè)主成分計(jì)算其載荷矩陣，由載荷計(jì)算各個(gè)主成分貢獻(xiàn)率占累積貢獻(xiàn)率的比率為權(quán)重（見表5）。

表5 水土保持生態(tài)效益指標(biāo)主成分載荷

計(jì)算3種植被恢復(fù)模式水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)各個(gè)主成分的單因子得分，根據(jù)各單因子得分與其特征值貢獻(xiàn)率確定主成分綜合得分模型，即把各主成分得分作為變量，同時(shí)將各主成分方差貢獻(xiàn)率占總方差貢獻(xiàn)率的百分比作為權(quán)重［18］，2 個(gè)主成分得分模型（Zi）如下：

根據(jù)主成分綜合得分模型（Z1，Z2）評(píng)價(jià)3種植被恢復(fù)模式的水土保持生態(tài)效益，各主成分得分排序見表6。主成分綜合得分值出現(xiàn)正負(fù)值現(xiàn)象，是由于所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)主成分分析法評(píng)價(jià)的意義，主成分綜合得分值并不代表評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)際水平量值，而是代表其在評(píng)價(jià)對(duì)象整體中所處的相對(duì)位置［20］。因此，植被恢復(fù)模式綜合得分值越大，代表在所有評(píng)價(jià)對(duì)象中該種模式的水土保持生態(tài)效益越好。根據(jù)表6可知，“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”（Ⅲ）植被恢復(fù)模式的水土保持生態(tài)效益最好，其次為“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”（Ⅱ），相比其他兩種植被恢復(fù)模式，退化荒漠草原僅實(shí)施圍欄封育（Ⅰ）水土保持生態(tài)效益較低。

表6 水土保持生態(tài)效益指標(biāo)主成分得分

3 討論

在草地生態(tài)系統(tǒng)管理中，圍欄封育、施肥、補(bǔ)播、翻耕、劃破、火燒、灌溉等措施是退化草地植被恢復(fù)的主要調(diào)控途徑，實(shí)施這些措施可以增加植物群落物種多樣性，提高初級(jí)生產(chǎn)力，改變植物種間競(jìng)爭(zhēng)格局，改良土壤理化性質(zhì)［4-6，9，21-24］。近年來，草地恢復(fù)逐步從單項(xiàng)技術(shù)改良轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合治理，形成了以生物多樣性維持、群落結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置、土壤及種子庫修復(fù)為主的恢復(fù)治理技術(shù)［25］。本研究在退化荒漠草原生態(tài)恢復(fù)過程中，在圍欄封育的基礎(chǔ)上，采取“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”、“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”相結(jié)合的植被恢復(fù)模式，對(duì)比兩種模式，“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”模式灌木條帶的設(shè)置提高了退化草原抗風(fēng)蝕能力［26］，施肥補(bǔ)充了土壤氮元素，提高土壤肥力進(jìn)而促進(jìn)植物生長，恢復(fù)草地生產(chǎn)力；“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”模式通過補(bǔ)播增加適生植物種，改善植物群落結(jié)構(gòu)配置，松土措施能激活土壤種子庫，有助于提高群落豐富度。草地植被層的植株高度、密度是影響地表徑流的重要因子，地表徑流隨著植被高度、密度的增加而降低［27］，綜合植被恢復(fù)措施在恢復(fù)退化荒漠草原初級(jí)生產(chǎn)力和增加植物群落多樣性的同時(shí)，徑流量和侵蝕量均低于放牧天然草地，植被恢復(fù)措施對(duì)降低地表徑流、減少水土流失也有一定作用。王猛等［28］研究也表明，與單純封育相比，滇西北亞高山草甸退化草地實(shí)施封育的同時(shí)結(jié)合除雜、補(bǔ)播等措施，可更有效地改善草地質(zhì)量和提高草地生產(chǎn)力。宋梅玲等［29］在不同草地管理措施對(duì)狼毒型退化草地群落結(jié)構(gòu)和牧草品質(zhì)的影響研究中也發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)實(shí)施禁牧措施相比，“禁牧＋防除狼毒”能明顯提高草產(chǎn)量，“禁牧＋刈割”處理能維持較高的群落多樣性。相比于單個(gè)措施，綜合措施的植被恢復(fù)效果較為明顯，但針對(duì)不同草地類型、退化程度、生境條件、恢復(fù)目標(biāo)，如何因地制宜的選擇恢復(fù)管理措施、措施之間如何優(yōu)化配置以期達(dá)到生態(tài)恢復(fù)最優(yōu)策略還需進(jìn)一步探討。

通過不同植被恢復(fù)模式的植被特征、土壤水分、徑流和侵蝕等主要指標(biāo)的主成分分析結(jié)果，3種植被恢復(fù)模式中，“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”（Ⅲ）恢復(fù)模式在保持水土資源、增加群落穩(wěn)定性、提高草地生產(chǎn)力等方面的生態(tài)效益最好，其次為“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”（Ⅱ）。受不同草地類型、氣候條件、土壤植被特征、退化程度以及恢復(fù)目標(biāo)等因素的影響，每種單一的生態(tài)恢復(fù)措施都存在局限性，并且長期實(shí)施單一的恢復(fù)措施可能不會(huì)取得長期成效，相對(duì)于單一生態(tài)恢復(fù)措施，多種措施的綜合應(yīng)用不僅有利于提高草地生產(chǎn)力，保持水土資源，同時(shí)也有利于減少某種單個(gè)措施所帶來的負(fù)面影響等缺點(diǎn)［30］，因此，綜合措施具有更好的生態(tài)恢復(fù)效果。劉延斌等［31］對(duì)甘肅省瑪曲退化高寒草甸實(shí)施2 a的圍封、劃破、施肥、補(bǔ)播和綜合措施等5種不同生態(tài)恢復(fù)措施的草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)估結(jié)果表明，綜合措施在CVOR及VOR（C為草地基況，V 為活力，O 為組織力，R 為恢復(fù)力）生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)體系下均顯著優(yōu)于各單一處理措施，退化嚴(yán)重亟需生態(tài)恢復(fù)的草地，可通過實(shí)施綜合生態(tài)恢復(fù)措施達(dá)到全面迅速恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)健康的目的。但另一方面，由于綜合措施實(shí)施的經(jīng)濟(jì)成本往往較高，因此需要對(duì)綜合措施的經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)學(xué)雙重效益進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，才能因地制宜篩選出適宜的退化草原植被恢復(fù)模式。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古四子王旗境內(nèi)的退化荒漠草原采取“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”、“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”植被恢復(fù)模式植物群落蓋度、地上生物量顯著增加，植被蓋度和生物量的增加使裸露地表面積較少，地表徑流量和侵蝕量降低，有效控制了土壤侵蝕。兩種植被恢復(fù)模式中，若以獲得較高生產(chǎn)力為目標(biāo)則可采用“圍欄封育＋灌木條帶＋施肥復(fù)壯”模式，若要增加群落多樣性則以“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”模式為宜。

運(yùn)用主成分分析方法對(duì)不同植被恢復(fù)模式的水土保持生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，“圍欄封育＋松土補(bǔ)播＋草種包衣”的植被恢復(fù)模式在增加群落穩(wěn)定性、控制水土流失等方面生態(tài)效益最好，根據(jù)這一結(jié)果，荒漠草原水土流失治理與植被恢復(fù)應(yīng)采取多種措施相結(jié)合的方式，提高退化草原的生態(tài)恢復(fù)效果，加快退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)進(jìn)程。