不同灌溉量对退化草地的生态恢复作用

高天明，张瑞强，刘铁军，郭孟霞

（1.水利部牧区水利科学研究所，010020，呼和浩特；2.北京水保生态工程咨询有限公司，100055，北京）

不同灌溉量对退化草地的生态恢复作用

高天明1，张瑞强1，刘铁军1，郭孟霞2

（1.水利部牧区水利科学研究所，010020，呼和浩特；2.北京水保生态工程咨询有限公司，100055，北京）

在希拉穆仁草原进行了为期3年的草地灌溉试验，对测试的试验地在灌溉3年期间及停灌后1年内进行了植被调查和土壤种子库发芽试验，结果表明：一是灌溉可以明显提高草地植被的生产性能且不同灌溉量间并无明显差异。当停止灌溉后，原灌溉样地的植被生产性能均略低于无灌溉对照区，且不同灌溉量间也无明显差异。二是不同灌溉量样地植被物种组成与无灌溉对照区的Bray-curtis相似性系数始终保持在0.8左右，表明灌溉期间群落结构并未发生很大变化。当停止灌溉后，原灌溉样地与无灌溉对照区的Bray-curtis相似性系数下降为充足灌溉区0.61和中度灌溉区0.55，表明灌溉对植物的生存策略有一定的影响且不同灌溉量基本相同。三是土壤中的种子总数量有所增加，但物种的数量有所减少。充足灌溉样地土壤种子库情况略差于无灌溉对照区，中度灌溉样地则略好于无灌溉对照区，表明不同灌溉量对植物的繁殖策略有一定的影响。

希拉穆仁草原；灌溉；植被；土壤种子库

我国草原地处边疆，气候恶劣，降水稀少且分配不均，加之近年来退化严重，不仅影响了牧区人民的生产生活，同时还严重威胁北方的生态安全。因此，防治草地退化迫在眉捷。灌溉为草地植物提供水分，利于植物生长，可以快速提高草地的生产性能，因此灌溉修复退化草地技术目前在牧区得到了大力宣传与推广。但目前对灌溉修复退化草地的研究多集中于生产性能层面，而针对灌溉对植物群落结构和土壤种子库的影响报道较少，并且停止灌溉后的草地生态变化目前未见报道。因此，针对草地灌溉期间及停灌后的植被和土壤种子库变化的研究对于更深入地研究退化草地修复机理及修复的稳定性有重要的科学意义。阴山北麓地区包括内蒙古自西向东11个旗县，面积 6万 km2，是我国北方重要的生态安全屏障。本研究选取阴山北麓中部的希拉穆仁草原克氏针茅（Stipa krylovii）群落为研究样点，在地理位置和植被类型方面具有较强的代表性。本研究目的在于通过监测该地区草地灌溉期间与停止灌溉后的植被和土壤种子库变化，为更全面地掌握灌溉修复退化草地的机理提供参考。

一、研究地区与研究方法

1.研究区概况

希拉穆仁草原地处内蒙古包头市达尔罕茂明安联合旗希拉穆仁镇。中温带半干旱大陆性季风气候，春秋季干旱多风，夏季雨量较充沛，冬季干燥寒冷。年平均降水量为284 mm，蒸发量为2305 mm，降雨主要集中在7、8、9 月份；年均气温 2.5℃，大于或等于10℃年有效积温1985℃～2800℃；年均日照时数 3100～3300 h；无霜期83天；年均风速4.5 m/s，冬春以北风和西北风为主，年大风日数为63天。地带性土壤为粟钙土，质地粗糙。地带性植被建群植物种为克氏针茅。2007—2010年年降水量分别为231.4 mm、372.7 mm、190.2 mm、150 mm，降雨频率分别为 72%、12%、92%、75%（达茂旗气象局提供）。

2.样地设置

2007年春季围封3 hm2坡地（坡度 5°，坡向东西），平分为 3块，其中2 hm2安装固定式喷灌设施，1 hm2设为对照区（Ⅲ区）。充足灌溉Ⅰ区灌溉原则为：只要土壤水分低于5%（萎蔫系数为4%）时就进行灌溉；中度灌溉Ⅱ区灌溉原则为：在牧草返青分蘖期和抽穗开花期两个关键物候期进行灌溉，其他时期不进行灌溉。Ⅰ区和Ⅱ区灌溉制度见图1。

3.研究方法

（1）植被调查

每年8月分别在3块样内以对角线方式做1 m×1 m的样方15个，记录植被盖度、建群种高度、物种组成及多度、各物种地上生物量干重，并计算各物种的重要值xij，xij=（相对重量+相对多度+相对盖度）/3。

群落相似性指标采用Bray-curtis相似性系数s：

式中，xij为灌溉样地群落各植物种的重要值，xik为无灌溉对照样地群落各植物种的重要值。

（2）土壤种子库

每年4月在3块样地内以对角线方式选取10个样点，样点面积20×20 cm2，铲取 0～2 cm 的土壤，风干后筛除杂物，阴凉处保存。每年6月进行发芽试验：在20×35 cm2方形塑料盆内铺5 cm厚底土（底土于150℃烘干4 h），将土壤样品均匀铺在底土上，每日洒水保持湿润，待种子萌发后可辨别出植物种时取出，分别统计各种植物的出苗数，直到连续6周无新幼苗出现，方可认为土壤中的种子已萌发完全。种子库与地上植被的相似性用 Sorensen 指数[2（c）/（s1+s2）]表示。其中c是在植被与种子库中都出现的物种数目，s1和s2分别对应于植被和种子库中出现的物种数目。

数据采用Excel作图制表。

二、结果与分析

1.灌溉对植被的影响

图2中，Ⅰ区和Ⅱ区2007—2010年各项群落数量指标及各年与无灌溉Ⅲ区群落植物种Bray-Curtis相似性系数均无明显差异，表明不同灌溉量之间无论灌溉期间还是停灌后，对于草地的生产性能和群落结构均呈现出相似的作用。然而，相比较而言，中度灌溉的优势是更为节约成本。

图2 2007—2010年各样地群落数量特征及Bray-Curtis相似性系数

表1 各样地土壤种子库密度（平均值±95%置信区间）和物种组成

无灌溉Ⅲ区生物量干重、盖度及群落高度在3年灌溉期间显著小于Ⅰ区和Ⅱ区（显著性水平α为0.05），但香农—威纳生物多样性指数在此期间3块样地并无显著区别。2010年停止灌溉加之该年较为干旱，各样地群落数量特征均出现了下降，特别是Ⅰ区和Ⅱ区的生物量干重、盖度及群落高度的下降幅度达到1倍以上，香农—威纳指数Ⅰ区下降10%，Ⅱ区下降20%。但Ⅲ区除盖度下降50%以外，其他指标均无明显变化，与Ⅰ区和Ⅱ区相比，Ⅲ区生物量干重略低于两者但相差不显著，其他指标均略高于Ⅰ区和Ⅱ区。表明停灌后，草地的生产性能优势马上消失。

群落物种组成方面，灌溉3年期间，Ⅰ区和Ⅱ区与Ⅲ区的植物种重要值Bray-Curtis相似性系数呈缓慢增加趋势，处于 0.75～0.85 之间，2010 年停止灌溉后，Ⅰ区和Ⅱ区均大幅度下降（Ⅰ区 0.61，Ⅱ区 0.55）。表明停止灌溉对于适应了3年灌溉的群落植物的种间竞争关系有一定的影响，即影响了植物的生存策略。

图3 2008—2010年各样地种子库与植被的相关性及Bray-Curtis相似性系数

2.灌溉对土壤种子库的影响

表1中，由于2008年降水丰富，因此植物生长相对较好，结实量较大，造成各样地2009年的土壤种子库密度显著大于其他年份（显著性水平 α 为 0.01）。

Ⅱ区种子库密度和物种数各年均略高Ⅰ区。无灌溉Ⅲ区每年的种子库密度均介于Ⅰ区和Ⅱ区之间，但物种数在2009年受上一年降水丰富的影响，明显大于Ⅰ区和Ⅱ区（显著性水平α为0.01），其余年份与Ⅰ区和Ⅱ区无明显差别。

图3中，各样地土壤种子库与地上植被的相关性呈逐年下降的趋势，Ⅰ区和Ⅱ区之间各年差异不显著，Ⅲ区各年均略高于两者但未达到显著级别。Ⅰ区和Ⅱ区土壤种子库物种组成Bray-Curtis相似性系数在2008年分别为0.82和0.83，几乎等同；2009年分别为0.83和0.71，相差不明显；2010年分别为0.61和0.78，Ⅰ区下降明显（显著性水平α为0.1）。

总体说来，中度灌溉Ⅱ区土壤种子库好于充足灌溉Ⅰ区，说明不同灌溉量对植物的繁殖策略有一定的影响作用。

三、讨论与结论

1.讨 论

灌溉对植被的恢复作用显而易见，Ⅰ区（200～240 mm）和Ⅱ区（100～140 mm）的群落生产性能和物种组成明显高于无灌溉的Ⅲ区，并且灌溉量的差异并未引起两样地各项植被指标的明显差异，这说明Ⅱ区的灌溉制度在节约灌溉成本的同时与Ⅰ区灌溉制度在植被恢复方面具有相同的效果。2010年停止灌溉后，Ⅰ区和Ⅱ区各项植被指标均同等程度低于无灌溉的Ⅲ区，说明停止灌溉后，草地的生产性能优势马上消失，甚至劣于无灌溉围封样地。这种情况将来是否能持续或者能够自然修复，还需要今后继续进行植被的监测研究。

由于本地植物群落植物种较少，一般均为10种左右，判断数量特征指标是否符合正态分布很困难，因此选用Bray-Curtis相似性系数。作为一种半度量的距离系数，它以数据间的极差进行标准化，几何意义便于理解且计算简单，可操作性强。Ⅰ区和Ⅱ区分别于Ⅲ区的植物种重要值Bray-Curtis相似性系数在3年灌溉期间保持在0.8左右，说明在灌溉期间，群落的结构并未发生重大变化。2010年停止灌溉后Ⅰ区和Ⅱ区克氏针茅的重要值并未发生显著变化，一直维持在0.3左右，但Ⅲ区克氏针茅由2007年的0.2一直增加到2010年的0.5。Ⅰ区羊草在3年灌溉期间保持在0.35左右，在2010年达到了 0.5，Ⅱ区羊草由3年的0.25变为2010年的0.4，Ⅲ区2007—2009年由0.2一直增加到了0.35，但在2010年迅速下降为0.15。糙隐子草Ⅰ区和Ⅱ区4年一直维持在0.01的水平，但Ⅲ区由2007年的0.05持续增加到了2010年的0.1。作者认为这3种禾本科植物灌溉前后的差异反映了它们在灌溉前后生存策略的差异，同时也造成了Ⅰ区和Ⅱ区与Ⅲ区的Bray-Curtis相似性系数在停灌后的明显下降。

土壤种子库是保障植被恢复的重要基础，本研究于每年4月份取样测试土壤中的总种子库，在较大程度上受前一年植物生长情况的影响。在稳定的环境下，多年生植物倾向于保持原有基因型不变，以营养繁殖延续种群，在多变的环境下，则倾向能产生更多变异的有性生殖方式来适应环境胁迫。充足灌溉Ⅰ区始终保持水分的充足供应，植物处于一种相对稳定的环境中。而无灌溉Ⅲ区结实期间受干旱抑制植物的生长，也会造成植物结实量下降。因此3年灌溉期间，Ⅱ区的种子库密度大于充足灌溉的Ⅰ区和无灌溉Ⅲ区。

Whipple（1977）指出，通常在演替初期和干扰频率高的生境中，地上植被与种子库的两者相似性较高，但随着演替的进行，特别是演替后期，土壤种子库与地表植被之间存在显著差异，这与植物的营养繁殖、枯落物阻碍、动物采食以及取样误差有关。本研究证实了这一点。

Michalk、D.L.、Robards、G.E.Allen、V.G.等报道了草地植被恢复过程中出现长达5～8的植被振荡期，指出草地植被恢复在10年内不能全面反应植被演替方向。作者怀疑这是由于多年生植物繁殖方式、土壤种子库的积累和种间竞争所致，今后对有关方面内容我们将继续开展长期深入的研究。

2.结 论

①灌溉可以显著提高草地植被的生产性能，但对群落生态结构并无显著影响。不同灌溉量之间无论灌溉期间还是停灌后，对于草地的生产性能和群落结构均呈现出相似的作用。然而，中度灌溉的优势是更为节约成本。

②灌溉试验期间，中度灌溉对退化草地土壤种子库的改善作用要优于充足灌溉。但在停灌后的土壤种子库变化情况还需要在2011年的试验中作进一步研究。

③总体说来，灌溉对于草地的生态恢复作用非常明显，且中度灌溉优于充足灌溉，在今后的退化草地生态恢复工作中，这将节约大量水资源。■

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责任编辑 张金慧

Ecological restoration of the deteriorated grassland with different irrigation volumes

Gao Tianming,Zhang Ruiqiang,Liu Tiejun,Guo Mengxia

The grassland irrigation tests have been carried outfor 3 years in Xilamuren Grassland,including the vegetation investigation and germination test of soil seed bank of the tested land during the three years with irrigation and one year without irrigation.Results show that,first,irrigation can remarkably improve the productive performance of grassland vegetative cover without obvious difference between the different irrigation volumes.After the irrigation was stopped,the productive performance of grassland vegetative cover of the original irrigated sample plot was a bit lower than non-irrigated check plot,and there was no obvious difference between the plots with different irrigation volumes.Second,for vegetation species composition,the Bray-curtis similarity coefficientbet ween the original irrigated sample plot and the non-irrigated check plot was always around 0.8,showing that there was no big change of community structure during irrigation period.After the irrigation was stopped,the Bray-curtis similarity coefficient between the original irrigated sample plot and the non irrigated check plot decreased,with the adequately irrigated plots standing at 0.61 and the moderately irrigated plots standing at0.55.This means that,irrigation would affect the living strategy of plant regardless of irrigation volumes.Third,the total amount of seed in soil increased a bit,however the number of species decreased.The situation of soilseed bank in adequately irrigated plot was a little worse than the non-irrigated check area,moderately irrigated area was a bitbetter than the non-irrigated check area.This means,the different irrigation volume will have certain impact on the reproduction stratagem of plant.

Xilamuren Grassland；irrigation；vegetative cover；soil seed bank

水利部科技推广计划项目——牧区草地退化修复及水资源高效利用技术推广应用（TG1107）；中国水科院科研专项项目——内蒙古不同类型草原区水土流失生态基础数据监测研究。

S812.4

A

1000-1123（2011）09-0020-04

2011-03-03

高天明，工程师，硕士，主要从事草地生态研究。