聚丙烯酰胺促进沙化退化草场植被恢复效果研究

2012-07-26褚丽妹惠静夷赵国苹吕子超凡久彬

中国水土保持 2012年5期

褚丽妹，葛岩，惠静夷，赵国苹，吕子超，凡久彬

(1.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003;2.辽宁省国土资源调查规划局，辽宁沈阳110032;3.沈阳市环境保护局浑南新区分局，辽宁沈阳110015;4.辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003)

东北黑土区农牧交错带由于其特殊的地貌格局、气候条件和脆弱的地表物质基础以及不合理的人类利用，草场沙化退化日益加剧。据统计，我国的草原平均每年以80万hm2的速度在退化。内蒙古可利用天然草场退化面积已达60.8%，通辽市草场退化面积达44.0%［1－3］。在此趋势下，如何以最快的速度、最大程度地实现农牧交错带沙化退化草场的植被恢复与重建，已成为保障我国生态安全和粮食安全的一个重要问题。作为土壤结构改良剂，高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)具有增加土壤表层颗粒间的凝聚力、维系良好的土壤结构、防止土壤结皮、增加土壤入渗、减少地表径流、防止土壤流失以及抑制土壤水分蒸发等作用［4－10］，因此其在水土保持领域的应用也逐渐被人们所关注。将PAM用于沙化退化草场植被恢复与重建是切实可行而又前景广阔的尝试与探索。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古通辽市扎鲁特旗北部的山地牧场，地处查干毛日小流域，属东北黑土区农牧交错带山地草原区。长期以来，自然因素和人类对草场的不合理利用，导致该地区水土流失严重，草场退化、沙化，草原生态环境极度恶化［2］。

1.2 供试材料

PAM是具有超强吸水功能的高分子化合物，带有众多高度亲水功能基团。研究所采用的是阴离子型、分子量在300万～400万之间的PAM，白色粉末状。

1.3 试验设计与分析方法

在围封治理区域内布设小区，通过施用PAM改良沙化草场土壤，加速植被恢复。试验为二因素完全随机试验，设A和B两个因素:A因素为不同PAM剂量，设5个水平，分别为0(对照，A0)、30 kg/hm2(A1)、75 kg/hm2(A2)、120 kg/hm2(A3)、165 kg/hm2(A4);B因素为不同植被类型，设3个水平，分别为人工栽植柠条(B1)、人工撒播沙打旺(B2)、天然植被(B3)。按两因素交叉分组布设15个小区，小区规格为40 m×15 m，设置在坡度为6°的均匀平缓坡面上，随机排列。试验观测全部在封育期内进行，封育期为3年。每个小区设6个1 m×1 m的样方，每个生长季及秋末测定草场植被生物学性状及物种组成的变化。

2 结果与分析

2.1 植被高度的变化

试验过程中分别测定了PAM对人工栽植柠条、沙打旺以及三种植被恢复区内所有牧草平均株高的影响，结果见图1、2。

图1 人工栽植牧草株高状况

由图1可以看出，随着PAM剂量的增加，柠条及沙打旺株高大体上呈现先增后减的趋势。当施用的PAM达到120 kg/hm2时，株高均达到最大值，此时人工栽植柠条株高比其对照高23.3%，人工撒播沙打旺株高比其对照高30.9%。从图2中可以看出，不同植被恢复区所有牧草的平均株高大体上呈现出了相同的变化趋势，当PAM剂量达到120 kg/hm2时，各植被恢复区所有牧草的平均株高均达到最大值。120 kg/hm2剂量PAM处理的柠条恢复区、沙打旺恢复区、天然植被恢复区所有牧草平均株高分别比其对照高72.3%、28.7%和64.9%。

图2 各处理所有植被平均株高状况

由表1方差分析结果可见，不同植被类型恢复区间植被平均株高呈极显著差异，不同PAM剂量间植被平均株高呈显著差异。表2和表3新复极差多重比较结果表明，不同PAM剂量间差异不显著，但均与对照呈显著差异。柠条恢复区与沙打旺恢复区差异显著，二者与天然植被均呈极显著差异。

表1 植被平均株高方差分析结果

表2 不同PAM剂量间株高多重比较

表3 不同植被类型间株高多重比较

2.2 植被盖度的变化

施用PAM对草场植被盖度的影响见图3。从图3可以看出:除天然植被75 kg/hm2剂量处理植被盖度略低于30 kg/hm2处理外，其余各处理植被盖度均随着PAM剂量的增加呈现出先增后减的趋势;当PAM剂量达到120 kg/hm2时，三种植被恢复区植被盖度均达到最大值，此时柠条恢复区植被盖度比其对照高20.0百分点，沙打旺恢复区比其对照高24.3百分点，天然植被恢复区比其对照高25.0百分点。

图3 聚丙烯酰胺对植被盖度的影响

表4方差分析结果表明，不同植被类型恢复区间植被盖度差异呈显著水平，不同PAM剂量间植被盖度差异呈极显著水平。表5和表6多重比较结果表明，柠条恢复区与沙打旺恢复区间植被盖度差异不显著，但这两个植被类型与天然植被恢复区间植被盖度差异显著;PAM施用剂量在120 kg/hm2时的植被盖度与30 kg/hm2时及对照的差异极显著，说明剂量在120 kg/hm2时对植被盖度的促进作用最强。

表4 植被盖度方差分析结果

表5 不同PAM剂量间植被盖度多重比较

表6 不同植被类型间植被盖度多重比较

2.3 草场生物量的变化

不同剂量水平对草场生物量(干物质)的影响见图4。结果表明:①各处理施用PAM后均有效地提高了草场生物量，且草场生物量随着PAM剂量的增加先增后减，当PAM剂量达到120 kg/hm2时，各处理草场生物量增幅最大，其中柠条恢复区草场生物量增加43.18%，沙打旺恢复区草场生物量增加72.23%，天然植被恢复区草场生物量增加70.68%。②沙打旺恢复区的各个小区生物量好于另外两种植被。沙打旺各处理的草场生物量平均比天然植被高6.8%～25.3%。

图4 聚丙烯酰胺对草场生物量的影响

表7方差分析结果表明，不同植被类型恢复区间生物量差异显著，不同PAM剂量间生物量差异极显著。表8、表9多重比较结果表明，不同植被类型间，沙打旺与天然植被、柠条间差异显著，天然植被与柠条间差异不显著;不同PAM剂量间，120、165、75 kg/hm2间差异不显著，它们均与30 kg/hm2差异显著，且施用PAM的各处理牧草生物量均与对照呈极显著差异。

表7 牧草生物量方差分析结果

表8 不同PAM剂量间牧草生物量多重比较

表9 不同植被类型间牧草生物量多重比较

2.4 草场物种多样性的变化

2.4.1 草场植物种类的变化

草场植物种类变化情况见表10。从植物种数上来看，柠条恢复区对照处理第二年植物种数比第一年减少了3种，施用PAM的各处理植物种数增加了1～4种;沙打旺恢复区对照处理植物种数减少了4种，30 kg/hm2处理增加2种，75、120及165 kg/hm2处理植物种数减少了1～2种，种数减少幅度均小于对照;天然植被恢复区，对照处理种数减少了1种，其余各施用PAM的处理植物种数增加了1～4种。

表10 草场植物种数的变化种

在围封治理期限内，不同植被类型恢复区植物物种组成均发生了一定的变化:柠条恢复区出现了一些新的菊科、莎草科、十字花科以及豆科植物(全叶马兰、苔草、水田芥、黄芪、苦参等)，部分菊科植物得以恢复(薄雪、铁杆蒿等)，禾本科隐子草及豆科胡枝子等牧草逐渐成为优势种和建群种，小画眉、马唐等物种有所消退;沙打旺恢复区由于人为干预作用，所以沙打旺的优势性在后一年度表现得较为突出，同时也增加了一些豆科、莎草科、菊科和毛茛科物种(黄芪、苔草、全叶马兰、铁线莲)，胡枝子有所恢复，小画眉、马唐等物种消退;天然植被恢复区出现了一些莎草科、十字花科、菊科物种(苔草、垂果南芥、全叶马兰等)，隐子草、大叶胡枝子、细叶胡枝子、冰草、石竹等禾本科、豆科及石竹科物种在种群中的优势逐渐增大，小画眉消退。总的来讲，在封育期限内，一二年生植物侵入，群落物种丰富度增加，退化群落中的建群种、优势种得以优先恢复。

2.4.2 生物多样性指数的变化

为了反映草场施用PAM后不同处理间群落中的物种丰富度和个体在物种中的分布均匀程度，在调查种群的高度、密度和物种数量的基础上进行了Shannon－Wiener多样性指数(SW)和以此为基础的均匀度(JSW)的测度，结果见表11。

表11 不同处理植物多样性变化

表11表明，治理期末柠条和天然植被恢复区PAM施用剂量在75 kg/hm2时物种多样性指数及均匀度指数都高于其余各处理;沙打旺恢复区施用30和120 kg/hm2剂量时物种多样性指数较高，30 kg/hm2剂量时物种均匀度指数较高。总的来讲，天然植被恢复区物种多样性及均匀度都好于柠条和沙打旺恢复区。对各处理SW进行方差分析，发现不同PAM剂量间SW差异不显著，不同植被类型恢复区间差异显著。经过新复极差多重比较，得到柠条恢复区与沙打旺恢复区间SW差异不显著，而天然植被恢复区与二者之间差异呈显著水平。不同PAM剂量间JSW差异同样不显著，但不同植被类型之间差异呈极显著水平，此差异同样是由于天然植被恢复区与另外两种植被恢复区间的极显著差异所致。

通过年际间变化分析可知，经过两年封禁治理，除沙打旺对照处理多样性指数和群落均匀度指数略有下降外，其余各处理多样性指数和均匀度指数均有所增加，而且施用PAM比不施用PAM的多样性与均匀度指数增加的幅度要大，但不同剂量间的差异并不显著。