人工草地在喀斯特石漠化治理中的作用及其研究现状

2011-03-31李馨熊康宁龚进宏陈永毕

草业学报 2011年6期

李馨，熊康宁＊，龚进宏，陈永毕

（1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院，贵州贵阳550001；2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州贵阳550001）

被环境学家称为“生态癌症”的石漠化，是指在喀斯特脆弱生态环境下，受人类不合理社会经济活动的干扰，造成人地矛盾突出、植被破坏、土壤严重侵蚀、基岩逐渐裸露、土地生产力严重下降，地表呈现类似于荒漠景观的土地退化过程［1，2］。石漠化是喀斯特生态系统退化到极端的表现形式，已经引起了一系列重大的生态环境问题，严重制约了区域社会经济的发展，一些地方甚至出现了“一方水土养不活一方人”的现象，成为中国农村贫困面最广、贫困人口最多、贫困程度最深的地区［3］，恢复退化生态系统成为该地区当务之急。从石漠化治理的途径上看，加快草地建设、推进草地畜牧业发展是岩溶地区解决农村贫困和生态环境不断恶化的有效途径［4］。岩溶地区的草地畜牧业是指直接利用栽培草地、天然草地进行放牧，或将草地作为饲草刈割饲养、青贮过冬，实行划区轮牧，牲畜杂交配种，棚圈管理，季节出栏，利用饲用灌木的生态畜牧业［5］。草地畜牧业是岩溶地区响应全球气候变化和生态危机的有效途径之一，可以解决生态修复和脱贫致富两方面的难题，具有生态修复与农业持续发展的双重功能，特别有益于食物安全，岩溶地区具有发展草地畜牧业的优越条件，土地资源、生物资源相对于耕地农业来说，可以得到充分的利用［6］。从“六五”至“九五”期间，农业部和国家科委（科技部）在西南岩溶山区连续进行了4个部重点或国家攻关项目：“贵州退化草地综合改良试验”；“我国亚热带草山草坡种草养畜综合配套技术”；“云贵高原草地畜牧业优化模式试验区”；“云贵高原草地畜牧业持续发展技术研究”［7］，通过这些项目，虽然在草地资源开发利用与草地建设的技术配套方面取得了突破性的成果，但是这些成果仍然滞后于喀斯特地区人工草地建植的发展速度，因此，如何建植高效、持久的人工草地，提高人工草地的生产力、质量和经济价值成为研究人工草地的关键，及时了解国内外关于喀斯特退化生态系统恢复及人工草地的建植，并结合实际情况开展该领域的研究工作，具有重要的现实意义及学术意义。

1 喀斯特分布及现状

喀斯特在世界上分布广泛，面积达5.1亿km2，占地球总面积的10%［8－10］。集中连片的喀斯特主要分布在欧洲中南部、北美东部和中国南方地区。其中，欧洲中南部、北美东部的生态现状是良好的，有关喀斯特的研究主要集中在水文地质和喀斯特演化方面［4，5］；而中国南方喀斯特地区是以贵州为中心，包括贵州、广西、云南、四川、重庆、湖北、湖南和广东等南方八省（市）地区，面积超过55万km2，是世界上喀斯特发育最典型、最复杂、景观类型最多的地区［4］，堪称世界的喀斯特博物馆［11］。但近半个世纪以来，由于喀斯特本身脆弱的地质环境背景［12］和不合理的人类活动［13－16］，水土流失非常严重、石漠化呈加剧趋势、旱涝等自然灾害频繁，人类的生存和发展受到严重的威胁，喀斯特石漠化已成为中国南方喀斯特地区最严重的地质灾害［17］。

1.1 生态环境严重退化

中国南方喀斯特地区是典型的生态脆弱区，水土流失和石漠化现象极为严重。仅贵州省和广西的石漠化面积分别达5万和4.7万km2，并且以2 500km2／a的速度在不断扩展［17］。水土流失的强度以轻度为主，实际上很多地区已无土可流，同时水土流失导致石漠化加剧［18］。石漠化又能加剧水土流失，使大量的泥沙沉积在地下河系统中，导致地下河系统淤积和堵塞，从而引发喀斯特洼地的洪涝灾害［19］。石漠化还导致干旱［20］等自然灾害。因此，水土流失产生石漠化，石漠化又加剧了水土流失和旱灾、涝灾等自然灾害，最终导致喀斯特生态环境的全面恶化。

1.2 社会经济发展滞后，农民生活困难

喀斯特石漠化引起资源的流失、生态环境恶化、社会经济发展滞后以及石漠化地区农民生计困难。石漠化致贫作用非常明显，石漠化与贫困有着密切关系，是一对孪生兄弟［1，15］。邓旭升［21］针对广西喀斯特贫困山区进行研究，结果表明，喀斯特山区与贫困地区竟是惊人地一致，存在非常明显的地理耦合，山区面临着生态恶化和贫困化的双重压力。罗娅等［22］针对贵州喀斯特地区环境退化与农村经济贫困的互动关系进行了研究，发现环境退化引起自然灾害、劳动生产率降低、环境承载力低和健康隐患，从而导致经济贫困。以贵州省为例，全国100个国家级贫困县中，有50个在贵州，贵州50个国家级贫困县中，有42个县是石漠化重点防治县。这些贫困县又多分布在老、少、边、山地区。由于人口增长过快、文化教育落后、思想观念滞后，给生态修复与重建、人民生活水平提高带来了极大的困难。

2 人工草地在喀斯特石漠化治理中的作用

建设优良草地、发展草地畜牧业能够快速有效地减少水土流失，同时在短期内带动经济的发展［23］、大幅度增加农民收入［24，25］，兼顾生态和经济两大目标，是改变喀斯特地区贫穷面貌的首选产业［26］，是实现生态、经济和社会效益协调发展的根本途径之一。贵州喀斯特地区优越的水热条件、气候类型为牧草的生长提供了很好的条件，因此，发展草地畜牧业的潜力巨大［7］。

2.1 生态作用

在地球上以太阳能转化为生物能的绿色植物中，草是种类最多、适应性最强、覆盖面最大、周转速度最快的可更新资源［27］，且有生长快、适应强、覆盖面广等特点，恢复草地植被成为解决喀斯特地区石漠化问题的关键。在喀斯特地区，森林遭到破坏后容易发育生成种类繁多的次生草地，能够有效防治水土流失，草地是保护生态环境的最后屏障［28］。

在自然植被的顺向演替中，草是植被恢复、改善生态环境的先锋植物，能够有效地减少水土流失量、径流量和冲刷量［29］。据测定，当降水量为346mm时，每hm2草地水土流失量仅为93kg，人工林地为600kg，耕地为3 570kg，裸地为6 750kg［30］；种草的坡地比种粮的坡地地面径流量可减少37%，冲刷量减少67%［30］。种植牧草可以增加土壤有机质含量，改善土壤结构；豆科牧草其根系能形成众多的根瘤，与根瘤菌固氮共生，每年可固氮75～150kg／hm2［31］。草又是改造环境的重要武器，具有增加大气湿度、降低环境温度、净化空气和改善生存环境的作用。1hm2皇竹草（Pennisetum hydridum）一年光吸收空气中的CO2气体就高达375～615t［30］。中国南方喀斯特地区降水丰富、雨热同期、无霜期长，是牧草生长的理想场所。在该地区种植皇竹草［30］、三叶草（Trifolium）［32］、紫花苜蓿（Medicago sativa）［33］、黑麦草（Lolium perenne）［32］、百喜草（Paspalum natatu）［32，34］等优质牧草，能在短期内覆盖地面，对防止水土流失、减少径流量和泥沙冲刷量、保护生态环境具有十分显著的作用，同时也为长江中下游地区和珠江三角洲筑起一道绿色屏障［35］。

2.2 经济作用

喀斯特地区农民收入有60%～70%来自于养殖业。恢复喀斯特地区草地植被，发展草地畜牧业，能在短期内大幅度增加农民收入［24，25］。贵州省独山县400户农户种植优良牧草1 000hm2，饲养奶牛1 200头，每户年收入在8 000元以上。种植牧草能够提供丰富的蛋白质，人工牧草平均每年的蛋白质产量4 500kg／hm2，而种植粮食仅525kg／hm2，种植牧草的蛋白质是种植粮食作物的4～6倍［36］。喀斯特山区土层薄且贫瘠，不宜种植粮食作物，然而牧草对土壤的要求较低，经济效益好，在坡地种植牧草的产值高于粮食作物［37］。加快草地畜牧业发展，形成一个高效的绿色产业，是喀斯特山区农民脱贫致富的重要途径之一。

2.3 社会作用

喀斯特山区是中国贫困人口集中区，水土流失和石漠化问题突出，社会经济发展滞后，面临生态恢复和经济发展双重压力。重建和恢复喀斯特草地植被，大力发展草地畜牧业，加快农村经济结构调整，带动养殖业、加工业的发展，进而形成种－养－加一体化的生态经济，促进喀斯特山区农民脱贫致富［30］。大量的农村剩余劳动力转移到草产品加工业、饲料工业、食品加工业、皮毛制品加工业以及包装运输业、服务业等与草相关的行业上来，拓宽了喀斯特山区农民的就业渠道［38－43］。人们从传统的种植结构向种草养殖的现代畜牧业转变，价值观念也随之转变，不仅学会了种草养殖的技术，还大大提高参与市场竞争的自信心。

3 喀斯特地区人工草地研究现状

3.1 人工草地建植类型

从1980年开始，国家先后实施了南方草山草坡开发示范工程、天然草地植被恢复与建设工程、退牧还草工程、石漠化草地治理试点工程、牧草良种繁育基地建设及飞播牧草等草地治理项目。建植人工草地在喀斯特地区已经取得了巨大的成就。在贵州威宁进行大面积飞播人工草地［44］，任继周及他的团队在此基础上建立灼圃示范牧场，主要是红三叶（T.pratense）和多年生黑麦草混播人工草地［45］；贵州省晴隆县建立的以多年生黑麦草为主的人工草地［46］、云南省巧家县的人工草地［47，48］、贵州省独山县的牧草种子繁殖场［49］、贵州省清镇市的人工草地［39］等。混播组合型草地有利于维护草地群落的稳定性。在云贵高原选择白三叶（T.repens）、多年生黑麦草、红三叶、鸭茅（Dactylis glomerata）等进行混播建立人工草地，可以提高人工草地的生产力，维护草地群落的稳定性［45］。不同品种的豆科牧草与禾本科牧草优化组合，能够使草地的结构趋于合理，稳定性增强，还可延长草地的使用年限［47］。豆科牧草具有固氮的作用，许多学者针对豆科、禾本科混播草地的固氮机理进行了研究，从机理上探讨豆科与禾本科牧草混播的可能性与可行性［48］，国外混播型人工草地中最普遍的是白三叶与多年生黑麦草的混播。研究表明，二者混播在生物量和粗蛋白方面都比单播有明显的优势［49］；豆科植物在各自最适条件下的固氮量为40～400kg／hm2［50］。被固定的氮向土壤和邻近草类输送N，从而有利于其他植物的吸收和改善土壤的肥力状况，在一定程度上加快草地的N循环，因此，许多人工草地的建植都采用豆科牧草与其他草类混播。在中国天然草地生态系统中，N是限制草地生产力的主要因素，而不足的部分，可以通过引入豆科植物得以补充。在豆科与禾本科牧草混播的草地上，豆科牧草固氮最多可达到草地上部N积累总量的46%，足以维持草地生态系统的生产力［51］。如豆科牧草与禾本科牧草混播，每年通过白三叶地下部分的降解传给相邻的禾本科牧草的N量为3～102kg／hm2，约占生物总固氮量的26%［52］。因此，不管是从维持土壤的肥力、保持水土还是从饲用价值角度来讲，采用豆科与禾本科混播的形式都是有效的。

3.2 草种及其组合

选择适合的草种及其组合是草地建设的核心技术之一。据试验，云贵高原山区最适宜的豆科牧草是白三叶、红三叶、百脉根（Lotus corniculatus）等，较干旱的地方可考虑苜蓿等［53］。适合云贵高原刈割放牧兼用的草地组合类型分别为：红三叶＋白三叶＋多年生黑麦草＋紫羊茅（Festuca rubra）；红三叶＋白三叶＋鸭茅＋紫羊茅；红三叶＋白三叶＋多年生黑麦草，刈割型草地组合类型为：红三叶＋羊茅（F.ovina），放牧型草地混播组合类型为：白三叶＋紫羊茅；白三叶＋多年生黑麦草［54］。邓旭升［21］认为云贵高原山区适合的草地组合为：多年生黑麦草（15 kg／hm2）＋鸭茅（8kg／hm2）＋白三叶（6kg／hm2）＋红三叶（3kg／hm2）＋百脉根（1.5kg／hm2）。从牧草利用的持久性［55］方面来说，蒋文兰和任继周［54］通过对牧草干物质产量和竞争力进行多年观测与试验，认为鸭茅和紫羊茅是最适合云贵高原的牧草品种，其次为多年生黑麦草、高牛尾草（Festuca elatior）、早熟禾（Poa annua）、白三叶。

3.3 地面处理

在草地建设诸多技术中，播前地面处理方式是生产过程中的关键技术之一。在喀斯特山区，化除免耕法、绵羊宿营法、化除宿营法是草地建设最常用的地面处理方式。化除免耕法就是利用化学除草剂清除地表植被后免耕定植牧草来建立或改良人工草地的一种技术［56］。范彦等［57］认为人工草地建植或天然草地改良是效果较好的地面处理方式，其过程是先施除草剂，抑制野生牧草的生长，清除杂草的幼苗，削弱野生杂草与优良牧草的竞争力，再辅以人工措施，划破草皮，清除大型杂草，降低野生杂草的密度和覆盖度，充分发挥化学除草剂的作用，给优良牧草提供很好的生长条件。绵羊宿营法是利用羊群短期高密度宿营对土壤瘠薄、不便耕作的天然草地进行改良的一种有效手段。通过家畜宿营，可使杂草的清除和土壤养分的增加达到满意的水平，从而为改良牧草的建植创造良好的生态条件。据试验，7.2只羊1夜每m2的宿营载畜率对于杂草的防除、土壤养分的提高、优良牧草的增加以及牧草产量的提高等方面最为合理［58］。化除宿营法就是用化学除草剂清除地表植被后，再利用牲畜在规定的宿营地过夜，以此来清除天然植被，建立人工草地或维护草地的一种技术。用化除宿营法建植人工草地产草量高，宿营强度以4羊／夜为宜，草地建植初期无需使用化肥。由于用化除宿营法建植的草地土壤肥力高，若肥敏感杂草（如蒿类）侵入不及时清除掉，草地将迅速退化，在短期内就会变得没有利用价值。在土壤肥力较高、以肥敏感杂草为主的地方建植草地化除免耕比宿营法更为理想，并且以不施肥为宜，待杂草问题解决后再实施追肥［56］。

3.4 施肥

施肥会影响牧草种子产量和品质，磷是豆科植物最重要的营养元素之一［59］，蒋文兰和潘元吉［60］通过在云南曲靖朗目山进行试验，研究磷肥对草坪草多年生黑麦草和高羊茅（F.arundinacea）种子产量和品质的影响，结果表明，磷肥不但可以提高草坪草种子产量，而且还可以改善草坪草种子品质，提高种子的发芽率、生长势和活力指数，磷肥的处理还可以提高草坪草的每穗籽粒数、结实率和千粒重。为了提高云贵高原红壤区牧草的稳定高产，蒋文兰等［61］深入探讨了红壤人工草地牧草生产的主要肥力限制因子。在对不同水平施肥量和牧草产量动态关系定量研究的基础上，构建了人工草地的施肥模型，确定出定植期经济合理的施肥量，即定植期在混播人工草地中，经济合理的最佳施肥量为纯磷95.4kg／hm2，纯钾13.9kg／hm2；在单播人工草地中，黑麦草经济合理的最佳施肥量为纯磷83.4kg／hm2，纯钾13.8kg／hm2。

3.5 刈割与放牧

刈割与放牧是影响牧草生长发育的重要生产技术措施。不同的刈割时间、刈割次数、放牧方式、留茬高度、刈割频度等都影响人工草地的产量和种间竞争［56］。在混播草地中，连续刈割条件下，草群中多年生黑麦草和白三叶草比例逐年下降，而红三叶比例逐年上升，过度放牧明显降低草产量，并产生不可逆转的年度变化［62］。放牧可提高白三叶组成，抑制杂草植物生长，降低混播草地凋落物、枯死损失，增强黑麦草和自三叶种群生长的正效应作用，适度放牧利于混播草地中黑麦草、白三叶组成比的稳定，维持混播草地的高生产力［63］。刈割能刺激多年生黑麦草叶片的生长，提高年净生产力，维持混播草地中黑麦草的组分，增强黑麦草的竞争能力，但是刈割又不利于多年生黑麦草的分蘖，净分蘖数随刈割次数的增加而降低，高频刈割对分蘖的抑制效应逐年加强，低频刈割对分蘖的抑制效应逐年减弱。叶片净生长与净分蘖数季节动态具有相互弥补的特点，叶片净生长与净分蘖数的年积累存在显著负相关关系［64］。混播草地群落的地上总生物量在一定时间尺度内是一定的，在适度放牧利用条件下，喀斯特地区红三叶混播草地群落总产量和群落总盖度可以长期维持较高水平［65］。同时，适宜的刈割次数能够获得较高的牧草产量［66］。强度放牧和刈割会破坏群落原有的稳定性，使得草地产量降低，要保持草地较高的产量，必须使干扰活动具有适宜的放牧强度和留茬高度。研究［67］表明，草地牧草的枯死率与牧草的留茬高度呈正比，在不同留茬高度下，草地牧草青绿物质的生长速度和产量呈抛物线形式变化，青绿牧草产量占牧草总产量的百分比随留茬高度的上升而下降，而死亡物质的数量占牧草产量的百分比随留茬高度的上升而增加。

在红三叶＋鸭茅混播草地中豆科牧草现蕾后、开花前或植株高度在30cm时刈割，此时的产草量最高；禾本科牧草产量较适宜，植物干鲜比、茎叶比较理想，草质较好［50］。草的刈割期多数在孕穗期（禾本科）或现蕾期（豆科），具体的时间在每年的5月，在多年生黑麦草、白三叶草为主的混播草地，牧草刈割后的留茬高度以5～6cm为宜，以鸭茅为主的人工草地留茬高度以4～5cm为宜［43］。应该对草适时的进行刈割或放牧，使牧草高度不超过20cm，不低于5cm，经常保持生长旺盛的矮草草层。矮草草场草质鲜嫩，适口性好，营养价值、产草量高，还可预防病虫害发生。一年生多花黑麦草生长达40～50cm时就要刈割，留茬5～7cm为宜。在20～30cm时可放牧1次，豆科牧草地不宜放牧或单一饲喂，以免引起家畜胀气［68］。围栏放牧也是有效利用草地的一种方式，在进行划区围栏时应该将阳坡和阴坡进行分别划分，同一个小区内的植物尽可能的一致，同时小区的面积不应太大，以1.0～1.5hm2为宜，数量以16～20个为佳，形状尽可能的规则［53］。

4 喀斯特地区草地畜牧业发展中存在的问题与建议

4.1 草地畜牧业发展中存在的主要问题

学者们针对喀斯特地区草地建设进行了大量的研究，并取得突破性的进展。但是，没有一套完整的从整地、播种到收获的系统的参考技术，还需进一步研究、完善。目前喀斯特地区进行人工草地建植所参考的标准主要是国家颁布的人工草地建设技术规程（NY／T 1342－2007）、多年生人工草地建设技术规程（DB13／T 711－2005）、天然草地合理载畜量的计算（NY／T 635－2002），这几个标准里面所涉及的土壤处理、播前准备、播种、管理、利用等技术对大部分地区是适用的，但是由于喀斯特地区特殊的生态条件，使得国家通用的标准只具有一般性的作用，并没有针对性。

喀斯特地区发展草食畜牧业还存在草畜配套不合理的问题，高产优质的牧草没有与相对应的家畜品种配套，生产效益不高，附加值低下，很多农户甚至一些人工草地示范场饲养本地的淘汰家畜，饲料的转化效率低。草地使用不合理，草地的使用年限短，虽然经过多年的研究试验，在草地的建植与管理方面已经趋于成熟，但是农户的受教育程度低，接受的专业培训较少，使他们对于先进的技术和成果的接受比较缓慢，依然按照传统的方法经营草场，技术推广和管理工作不到位，导致许多多年生的人工草地用了2～3年就基本退化，无法得到预期的效益。产业化程度比较低，缺乏龙头企业的支撑、带动作用，技术成果很难转换，产业链条缺失，草畜产品的附加值低。例如，贵州威宁县羊的存栏数高达38.4万只，黑山羊远销广东、香港，但是由于没有龙头企业特别是深加工企业，农户基本上都只是出售活畜，而且家畜的交易是贩子主导的买方市场，使种草养畜的效益远低于期望值，同时由于体制落后、草地产权不清，缺乏草地使用权转让机制，在很大程度上限制草食畜牧业的规模化与产业化发展［39］。缺乏草地配水研究，喀斯特地区最典型的特征就是地表缺水，草地缺乏相应的灌溉设施，牧草的成活率、产草量相对较低，尤其在遇到2009－2010年的特大旱灾，牧草基本全部旱死。

4.2 建议研究的重要问题

基于目前草地建设在石漠化治理中的作用及其研究进展情况、石漠化地区发展草地畜牧业的现实需要，提出以下迫切需要进行研究的问题。

耐旱耐瘠草种选择研究。在喀斯特特殊的地质背景条件下，土层薄且贫瘠，干旱灾害频繁，草种的选择既要耐旱耐瘠，又要产草量高，草种的筛选还有待进一步研究。

草地配水措施研究。水是植物生产的重要限制因子。合理利用水资源、适当引水灌溉是提高喀斯特地区草地产量的有效方法之一，同时也能增强草地的生产力，防止水土流失和石漠化。加强引水配套工程对草地生产力的影响研究，以及合理利用喀斯特地下水灌溉草地的可行性和必要性。

草地畜牧业的产业化研究。产业化是推动草地畜牧业发展的基础，增加产出、减少消耗、变资源优势为经济优势，提高产业的积累能力，同时引进资金、设备、技术，依靠科技，还能帮助农民脱贫致富，推动地方经济的持续发展。结合市场前景，探索适合喀斯特地区草地牧业产业化的有效模式。

低成本建植人工草地。喀斯特山区与贫困地区存在非常明显的地理耦合［17］，这些地区还存在传统的刀耕火种方式，生产力水平低下，不能进行大规模的机械化作业，建植人工草地的成本较高、难度较大。研究人工草地建植低成本实用技术具有现实意义，同时也是一个难题。

灾害预报与控制研究。喀斯特干旱、虫灾、鼠灾、雪灾等给喀斯特山区造成巨大的经济损失。如2009－2010年的夏秋冬春四季连旱，使云贵高原的草地遭受毁灭性的打击，造成人畜饮水非常困难，经济损失惨重。研究喀斯特干旱等灾害预报、防御和控制方法是草地建设面临的重大课题之一。

需要不断地深入研究、探索喀斯特草地建植技术，并建立一套完整的技术体系和方法，不仅为喀斯特退化生态系统的恢复提供理论依据，还可以运用于技术指导生产实践，最终恢复喀斯特地区生态系统，实现社会经济的可持续发展。

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