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(guò)程中，一些不合理的操作會(huì)對(duì)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(lái)，較多學(xué)者已經(jīng)對(duì)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(duì)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(duì)草地進(jìn)行不同的刈割強(qiáng)度對(duì)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(duì)物種的影響不同，張峰等[2]對(duì)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(shì)。而生物量能體現(xiàn)植物生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程變化，且能評(píng)價(jià)群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)功能[18]。

此外，在對(duì)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(shí)，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(huì)影響次年牧草產(chǎn)量，而MRPI可有效對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，其定義為收獲單位重量牧草造成下一個(gè)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(duì)草地產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)影響。本研究以大針茅草原為研究對(duì)象，將群落中物種劃分為禾草與非禾草，并對(duì)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(guò)2014—2019年的野外調(diào)查，擬研究不同刈割留茬高度對(duì)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(duì)牧草利用率及MRPI的影響，為草地利用過(guò)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(chǎng)(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(wú)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(shì)種為大針茅(Stipagrandis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)及羊草(Leymuschinensis)，常見(jiàn)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(duì)照及3個(gè)刈割留茬高度，分別為CK：對(duì)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(gè)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(shí)(15—18日間)進(jìn)行取樣，在各小區(qū)分別設(shè)置1個(gè)1.0 m×1.0 m的樣方(在小區(qū)西北角開(kāi)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(duì)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(duì)群落、禾草及非禾草的地上生物量、產(chǎn)量、利用率、相對(duì)地上生物量、相對(duì)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(duì)地上生物量(Relative aboveground biomass，RAGB)、相對(duì)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(duì)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(cè)定，故按照公式分析后僅有2016-2019年4組數(shù)據(jù)值，并對(duì)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(duì)群落結(jié)構(gòu)組成及種群特征的影響

對(duì)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(shì)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(shì)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(chóng)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(duì)地上生物量及產(chǎn)量的影響

對(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)群落、禾草及非禾草產(chǎn)量的影響

2.3 刈割留茬高度對(duì)相對(duì)地上生物量及相對(duì)產(chǎn)量的影響

不同刈割留茬高度處理對(duì)禾草和非禾草的相對(duì)地上生物量及相對(duì)產(chǎn)量無(wú)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(shí)，禾草的相對(duì)地上生物量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，非禾草呈增加的趨勢(shì)；對(duì)于相對(duì)產(chǎn)量同樣如此，隨著留茬高度降低，禾草的相對(duì)產(chǎn)量呈降低的趨勢(shì)，而非禾草呈增加的趨勢(shì)(圖3)。

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

2.4 刈割留茬高度對(duì)牧草利用率的影響

對(duì)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(wú)顯著差異，而處理間差異顯著(P<0.05)(表2)。對(duì)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)。總體而言，R8，R5和R2處理的利用率呈現(xiàn)出梯度增加的趨勢(shì)；在2015—2019年，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)群落、禾草及非禾草利用率的影響

2.5 刈割留茬高度對(duì)刈割生產(chǎn)力衰減指數(shù)的影響

對(duì)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(wú)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(wú)較大差異，但對(duì)于禾草MRPI，R2的變異系數(shù)為76.74%，遠(yuǎn)高于R8和R5；對(duì)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(duì)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?jī)H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(wú)變化，總體而言，刈割留茬處理對(duì)地上生物量無(wú)較大影響。在草地刈割過(guò)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(huì)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(guò)低(2 cm時(shí))不能增加產(chǎn)量；但總體而言，刈割留茬處理對(duì)群落產(chǎn)量無(wú)較大影響。植株被刈割后，大量葉片損失會(huì)影響剩余葉片的光合作用[22]，尤其是刈割留茬高度過(guò)低時(shí)，雖然相比于留茬較高處理會(huì)增加一部分殘茬產(chǎn)量，但會(huì)影響其分蘗，進(jìn)而影響其整體產(chǎn)量[22]；此外，刈割過(guò)程中養(yǎng)分移出系統(tǒng)會(huì)降低土壤養(yǎng)分。在2015年和2018年，群落與禾草的產(chǎn)量無(wú)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(huì)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(shí)，對(duì)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(shí)，對(duì)其影響較小，收獲部分較少，造成產(chǎn)量低。王開(kāi)麗等[24]對(duì)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(shí)較適宜。綜合而言，連續(xù)進(jìn)行刈割6年后，各刈割處理對(duì)地上生物量與牧草產(chǎn)量整體影響較小，受降水波動(dòng)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(duì)禾草與非禾草的相對(duì)地上生物量及相對(duì)產(chǎn)量無(wú)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(shì)，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(shì)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(shí)，對(duì)大針茅、糙隱子草和羊草的損害較大，其在群落中的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(wú)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(shì)，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(guò)對(duì)群落、禾草和非禾草的地上生物量、產(chǎn)量、相對(duì)地上生物量、相對(duì)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(duì)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(guò)低時(shí)，會(huì)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(shí))會(huì)降低MRPI，但主要是降低非禾草的MRPI，但會(huì)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(duì)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(wú)顯著差異；隨著留茬高度降低，禾草的相對(duì)地上生物量及相對(duì)產(chǎn)量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)；留茬2 cm會(huì)降低群落MRPI，但主要降低非禾草MRPI而禾草MRPI未變化，并且會(huì)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。