内蒙古典型草原区退耕方式对植物群落特征与土壤特性的影响

张志华， 李小雁， 蒋志云， 桑玉强

(1.河南农业大学林学院，450002，郑州；2.北京师范大学资源学院，100875，北京)

内蒙古典型草原区退耕方式对植物群落特征与土壤特性的影响

张志华1,2， 李小雁2， 蒋志云2， 桑玉强1†

(1.河南农业大学林学院，450002，郑州；2.北京师范大学资源学院，100875，北京)

退耕后不恰当的植被建设会严重影响植物群落演替及土壤性质。本文以内蒙古太仆寺旗境内典型草原为研究区，以天然草地为对照，研究退耕后自然恢复与人工种草2种退耕方式对植物群落特征及土壤性状的影响，揭示不同退耕方式的生态恢复效应。通过样方法调查不同退耕方式草地的盖度、生物量和多样性特征，并对土壤密度、机械组成及养分含量等进行了室内测定分析。结果表明： 1)植物群落多样性、盖度、地上及地下生物量均表现为人工种草<自然恢复<天然草地，且相比于人工种草，自然恢复草地的物种组成与天然草地更为相似； 2)不同退耕方式影响下土壤性质的差异主要集中在表层0～10 cm； 3)在表层0～10 cm，土壤密度及砂粒含量表现为人工种草>自然恢复>天然草地，而土壤黏粒、有机质(SOM)及全氮(TN)含量则表现为人工种草<自然恢复<天然草地。以上结果说明，在内蒙太仆寺旗退耕后采用自然恢复方式比人工种草更有助于改善土壤理化性质、建立稳定的植被系统。经过12年的恢复，退耕草地(人工种草与自然恢复草地)仍未恢复到天然草地的水平。

恢复方式； 植物群落； 土壤性状； 退耕草地； 内蒙古

退耕还林工程于1999年开展，旨在通过坡耕地和沙化耕地的退耕、还林(草)，达到保持水土、改善生态环境的目的[1]。退耕后生态系统的恢复程度，可以通过土壤肥力和物种多样性的恢复2个方面进行表征[2]。众多研究[3-4]表明，退耕后随着地上植被逐渐恢复，土壤性质及生态环境得以恢复和改善。退耕后植被重建有2种方式，一是利用植被的自然恢复力封山(沙)育林育草，二是人工造林种草[5]。目前，不同退耕措施对生态环境改善效果的优劣并未有统一结论[6]。例如：谷长磊等[7]针对黄土丘陵区的研究认为退耕还草优于退耕还灌和退耕还林，对草本层植物群落多样性影响最小，是最佳生态退耕方式；张晓霞等[8]研究表明相较于人工林，自然恢复林更有利于土壤理化性质的改善；而刘雪彤等[9]则发现退耕后人工种植柠条(Caraganakorshinskii)和苜蓿(Medicagosativa)更有利于土壤碳、氮的固存。因此，研究典型区域不同退耕方式对植物群落特征及土壤性质的影响，对于退耕还林生态环境效益评估和具有重要意义。

内蒙古典型草原区位于半干旱区，是我国北方典型农牧交错带，生态环境脆弱，土地沙化、草场退化现象严重，属于退耕还林政策重点实施的区域[10]。目前关于退耕还林(草)的研究主要集中在黄土高原区，而对内蒙草原区的研究严重缺乏。本文以内蒙古太仆寺旗境内典型草原为研究区，以天然草地为对照，研究退耕后自然恢复与人工种草2种退耕方式对植物群落特征及土壤性状的影响，揭示不同退耕方式的生态恢复效应，为内蒙古典型草原区生态恢复方案及退耕还林工程的顺利实施提供科学参考。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟太仆寺旗境内(E 114.85°～115.82°；N 41.58°～42.17°)，该区是中国北方典型的半干旱区农牧交错带，生态脆弱。海拔1 350～1 400 m，呈现低山丘陵与盆地相间分布的波状起伏地形，坡缓而谷宽。气候类型属半干旱大陆性气候，年平均气温1.6 ℃，年均降水量384.5 mm，年均蒸发量1 750～2 150 mm，降水多集中在6—9月，占全年总降水量65%。土地利用类型主要是耕地和草地(包括天然草地与退耕草地),土壤类型主要为栗钙土。

2 材料与方法

2.1 样地设置

试验地点位于北京师范大学设在太仆寺旗的农田-草地生态系统国家野外站内。选取已退耕12年的不同退耕方式草地(退耕后人工种草与退耕后自然恢复)为研究对象，以天然草地为对照。退耕后人工种草播散的草种主要为羊草及冰草。在天然草地、退耕后人工种草及自然恢复中各设置3块20 m×20 m的固定样地。各样地均为随机选择，且其母质、土壤类型、坡度等立地条件基本一致。

2.2 植被调查

在植物生长旺盛的7月中旬，通过样方法进行植物群落调查。在每个样地内沿直线选择5个1 m×1 m样方，每个样方间隔10 m。调查物种组成、分盖度、总盖度。

地上生物量测定采用收获法，齐地剪取1 m×1 m样方内植被地上部生物量、收集立枯，烘干称量。

地下生物量的测定采用根钻法，选择样方4个顶角及中心位置共5个点，按0～10，10～20，20～30和30～40 cm分层采集样品，筛选出土壤中的根系，在65 ℃下烘干至恒重。

实验中结合使用了RGB模型和HSI模型提取红枣的6个颜色特征。4类品种的红枣颜色特征数据如表1所示。形态特征方面采取灰度共生矩阵的方法，结合红枣的特性以及纹理特性参数的含义，选用0°、45°、90°、135° 4个角度的能量(ASM)、熵(ENT)、对比度(CON)、局部平稳性(LOC)和相关性(COR)等5个参数作为关键纹理特征。表2给出了0°角度的5关键纹理特征数据。

2.3 土样采集与分析

每个样地内按照对角线随机布设3个点，挖取土壤剖面，分层采集0～60 cm深度土样(0～10，10～20，20～30，30～40，40～60 cm)，剔除根系、石块等杂物后，混匀，四分法取土样。同时用容积100 cm3的环刀取原状土测定土壤密度。

将采集好的土样带回实验室，风干，过2 mm筛以备在实验室分析。土壤机械组成的测定采用比重计法。土壤有机质(SOM)含量测定采用重铬酸钾-硫酸消化法，土壤全氮(TN)采用半微量开氏法测定，土壤全磷(TP)采用钼锑抗比色法测定。

2.4 数据分析

各物种重要值计算[11]：

Iv=(Cr+Fr+Hr)/3；

Pi=Iv/∑Iv。

群落物种α多样性指标计算：

R=S。

式中：Iv为物种重要值；Cr为相对盖度；Fr为相对频度；Hr为相对高度；Pi为相对重要值。

所有试验数据采用EXCEL进行初步整理，采用SPSS 17.0进行统计分析和处理，采用Origin 8.5进行作图。

3 结果与分析

3.1 植物群落特征

3.1.1 群落盖度及生物量变化 由图1可知，人工种草样地植物群落盖度(53%)显著低于退耕后自然恢复草地(72%)与天然草地(77%)，而自然恢复草地与天然草地间的差异不显著。就地上生物量而言，相比于天然草地，自然恢复减少了12%，人工种草减少了26%，且人工种草与天然草地间的差异达显著水平。各样地植物群落地下生物量主要集中在0～20 cm深度，0～40 cm深度总地下生物量表现为天然草地与自然恢复草地显著高于人工种草草地。在0～20 cm深度，自然恢复草地与天然草地地下生物量分别是人工种草草地的2.0和1.8倍，均显著高于人工种草草地；在20～30 cm深度，人工种草地下生物量比天然草地减少了28%，差异显著，但自然恢复与天然草地及人工种草间的差异均不显著；在30～40 cm深度，天然草地地下生物量显著高于自然恢复与人工种草，分别是二者的1.9与1.6倍，而自然恢复与人工种草间的差异不显著。

3.1.2 群落物种组成及重要值特征 在研究区共测到22科38属45种植物(表1)。各样地群落组成特征如下： 1)人工种草草地(P-CG)共有11科16属17种植物，优势植物主要有冰草(Agropyroncristatum)、羊草(Leymuschinensis)和茵陈蒿(Artemisiacapillaries)，其重要值分别为125.43、106.22和80.66。其他植物主要包括糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)，扁蓿豆(Medicagoruthenica)。2)自然恢复草地(N-CG)共有16科28属35种，优势植物主要有冷蒿(Artemisiafrigida)、克氏针茅(Stipacapillata)、羊草和冰草，其重要值分别为127.85、44.22、44.17和42.42。其他植物主要包括腺毛委陵菜(Potentillalongifolia)、糙隐子草、瓣蕊唐松草等(Thalictrumpetaloideum)。3)天然草地(NG)共有15科24属31种，优势植物主要有克氏针茅、糙隐子草和冷蒿，其重要值分别为88.85、88.06和74.14。其他植物主要包括岩青兰(Dracocephalumrupestre)、碱韭(Alliumpolyrhizum)、细叶韭(Alliumtenuissimum)、冰草等。以上结果可以看出，退耕12年后，人工种草样地植物群落的科、属、种数均最少，且仍以人工播散的羊草及冰草为优势植物。自然恢复草地植物群落的科、属、种数要多于天然草地，优势植物也不尽相同。

科Family属Genus物种SpeciesNGN⁃CGP⁃CG冰草属Agropyron冰草Agropyroncristatum1819424212543禾本科Poaceae隐子草属Cleistogenes糙隐子草Cleistogenessquarrosa880624725341针茅属Stipa克氏针茅Stipakrylovii888544221345赖草属Leymus羊草Leymuschinensis298441710622百合科Liliaceae葱属Allium碱韭Alliumpolyrhizum29441824338细叶韭Alliumtenuissimum2179064唇形科Lamiaceae青兰属Dracocephalum岩青兰Dracocephalumrupestre324419豆科Fabaceae扁蓿豆属Medicago扁蓿豆Medicagoruthenica16516612147菊科Asteraceae蒿属Artemisia冷蒿Artemisiafrigida741412785558茵陈蒿Artemisiacapillaries61219918066毛茛科Ranunculaceae唐松草属Thalictrum瓣蕊唐松草Thalictrumpetaloideum4262399489蔷薇科Rosaceae委陵菜属Potentill腺毛委陵菜Potentillalongifolia14553447小计TotalNGN⁃CGP⁃CG科Family22151611属Genus38242816种Species45313517

注：所列物种仅限其重要值至少在1个处理中>20。Note：Only species whose important value is greater than 20 in at least one treatment is listed in the Table.

3.1.3 群落多样性特征 不同样地植物群落α多样性如表2所示。退耕后人工种草植物群落物种丰富度平均仅为9，相比于自然恢复与天然草地降低约53%，差异显著。Shannon-Wiener 多样性指数表现为人工种草显著低于自然恢复与天然草地，而自然恢复与天然草地间差异不显著，总体趋势表现为天然草地>自然恢复>人工种草。Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数表现趋势与Shannon-Wiener 多样性指数相似。以上结果说明，相比于自然恢复，人工播种会降低群落多样性，经过12年的恢复其群落多样性仍低于天然草地。

表2 不同退耕方式草地植物群落α多样性指数分析Tab.2 Community diversity index in different vegetation restoration models

表2 不同退耕方式草地植物群落α多样性指数分析Tab.2 Community diversity index in different vegetation restoration models

类型TypeRH′DJP⁃CG900±200b195±020b083±003b090±004bN⁃CG1880±545a271±033a092±003a094±002aNG1900±367a276±018a092±001a094±001a

注：R代表丰富度指数，H′代表Shannon-Wiener多样性指数，D代表Simposon优势度指数，J代表Pielou 均匀度指数。同一列数据中，不同字母代表差异显著，相同字母代表无显著差异，P<0.05。下同。Note:R: Species richness,H′ : Shannon-Wiener index,D: Simposon index, andJ: Pielou index. The different letters after data in each column refers to the difference significant, while those with the same letters in the same column refers to no significant difference atP<0.05. The same below.

3.2 土壤特性

3.2.1 土壤物理性状 由表3可知，人工种草与自然恢复草地在0～10 cm深度土壤砂粒含量差异不显著，但分别比天然草地高出12%和10%，差异达到显著水平。就土壤粉粒而言，在0～10 cm深度，人工种草与自然恢复草地均显著低于天然草地，降低量分别为32%和40%；在10～20 cm，人工种草地与天然草地间差异不显著，但均显著高于自然恢复草地。就土壤黏粒而言，表层0～10 cm大小顺序为天然草地>自然恢复>人工种草，在10～20 cm表现为人工种草与天然草地粘粒含量差异不显著，但比自然恢复草地降低约22%，差异显著。人工种草、自然恢复与天然草地的粉+黏粒含量大小在0～10 cm分别为24.79%、26.06%和33.31%；但三者间差异在10～20 cm减小，分别为27.09%、26.83%和28.30%。人工种草地的土壤密度高于自然恢复草地与天然草地，且其差异在0～10 cm达显著水平；而自然恢复草地与天然草地间土壤密度无显著差异。以上结果说明，不同退耕方式对土壤机械组成及土壤密度影响不同，退耕后自然恢复更利于土壤质地与孔隙度的恢复，且差异主要表现在0～10 cm。

表3 不同退耕方式草地土壤机械组成与土壤密度Tab.3 Soil grain size distribution and bulk density (BD) in different vegetation restoration models

3.2.2 土壤养分 表4是不同退耕方式土壤养分含量对比。在0～10 cm，人工种草及自然恢复草地的土壤有机质(SOM)及土壤全氮(TN)含量显著低于天然草地，二者的SOM分别比天然草地降低52%和44%，TN分别降低47%和33%。土壤全磷(TP)含量则表现为天然草地>人工种草>自然恢复，且各样地间差异达显著水平。在10～20 cm，SOM含量表现为天然草地显著高于人工种草与自然恢复，增高量分别达到31%和40%，但人工种草与自然恢复间的差异不显著； TN含量的大小顺序表现为天然草地>人工种草>自然恢复，天然草地与自然恢复间差异性显著；自然恢复草地TP含量显著低于人工种草及天然草地，而人工种草及天然草地间无显著差异。以上结果说明不同退耕方式对土壤养分含量的影响主要集中在表层，尤其是0～10 cm，且自然恢复的养分含量要高于人工种草。

表4 不同退耕方式草地土壤有机质、全氮和全磷质量分数Tab.4 Mean values of soil organic matter, total nitrogen and phosphorus in different vegetation restoration models g/kg

注：SOM、TN和TP分别代表土壤有机质、全氮和全磷。Note： SOM, TN, TP stands for soil organic matter, total nitrogen and total phosphorus, respectively.

4 讨论

植被群落生产力水平是生态系统结构和功能的重要表现形式，而群落多样性指数变化规律则是植物群落恢复和管理的重要依据[2,12]。不同生态退耕方式对群落生产力水平和多样性的影响差异显著[2,7]。笔者研究结果表明植物群落盖度、地上及地下生物量、群落α多样性均表现为人工草地<自然恢复草地<天然草地，其中人工草地与天然草地间差异显著，与前人研究结果[13]相似。笔者研究中人工种草(退耕后人工撒播羊草及冰草)植物种数为17种，低于退耕后自然恢复草地及天然草地(35种和31种)，且其优势植物仍为羊草及冰草。这是因为羊草及冰草为多年生的根茎禾草，大量的种植促使了土壤的紧实，阻碍其他杂类草的入侵，导致其植物种数减少，物种多样性降低[12]。而对于自然恢复草地，农地弃耕后随着自然演替的进行，植物种类数量逐渐增加，群落结构逐渐复杂，最后趋于稳定的自然群落[14]。

退耕还林还草措施对土壤质量具有改善作用[15]。在本研究中，不同样地间土壤机械组成、土壤密度及养分的差异主要集中在0～10 cm深度。这可能有两方面的原因：一是草本根系主要集中在表层0～10 cm，加之枯落物等有机物质也主要富集在表层土壤；二是由于该区降水量较小，富集在表层土壤的有机物质分解缓慢，且分解后释放的可溶性有机碳、氮向深层土壤淋溶的量非常有限[9]。因此，退耕对土壤性质的影响主要体现在0～10 cm。本研究结果表明退耕后采用自然恢复的方式比人工种草对土壤改善作用更加明显。究其原因主要与地上植被特征有关。在相同自然条件下，植物地上地下生物量越高，越能促进土壤物质的良性循环，使得土壤结构逐渐疏松，土壤密度降低，孔隙度增大[16]；群落中植物种类的多样化能够加速土壤中物质的分解率和生物归还率[16-17]，利于土壤养分的增加。不同于本研究结果，刘雪彤等[9]发现农田退耕后种植柠条40年、苜蓿20年，其固存碳、氮的能力优于退耕后自然恢复草地。造成这种差异的原因可能主要是苜蓿、柠条属于豆科植物，其固氮能力较强，造成土壤养分高于自然恢复草地。

5 结论

退耕方式对植物群落特征及表层0～10 cm土壤特性有显著影响。植物群落方面，自然恢复草地的群落多样性、盖度、高度、地上及地下生物量均大于人工种草草地，物种组成与天然草地也更为相似；在土壤特性方面，自然恢复草地表层0～10 cm土壤黏粒、SOM及TN含量均大于人工种草草地，而表层土壤密度及砂粒质量分数则小于人工种草。综上所述，在内蒙太仆寺旗，退耕后采用自然恢复方式比人工种草更有助于建立稳定的植物群落结构、改善土壤理化性质，具有极大的可行性。退耕后虽然经过12年的恢复，无论是群落特征还是土壤特性，退耕草地(人工种草与自然恢复草地)仍未恢复到天然草地的水平。

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Changes in soil properties and plant community characteristics amongdifferent vegetation restoration models in the semiarid steppe zoneof Inner Mongolia in China

ZHANG Zhihua1,2, LI Xiaoyan2, JIANG Zhiyun2, SANG Yuqiang1

(1.College of Forestry, Henan Agriculture University, 450002, Zhengzhou, China;2.College of Resources Sciences and Technology, Beijing Normal University, 100875, Beijing, China)

[Background] “Grain for Green Program” (GGP), i.e., reconversion of cropland into forest or grassland, initiated by Chinese government has a profound impact on mitigating environmental degradation. After cropland is re-converted into grassland, land use and vegetation can be altered radically within a short period, and soil physical, chemical, and microbial properties can be improved. In general, natural recovery and artificial forestation/grass planting are two main ways to restoration after re-conversion from cropland to grassland. However, there has not yet formed a unified conclusion on which way is more favorable to improve the vegetation community and soil environment. The objectives of this study were hence to discover the differences in characteristics of vegetation community and soil properties between natural recovery (N-CG) and artificial grass planting (P-CG) in the semiarid steppe region of north China, and then to assess a more suitable restoration ways in the study area. [Methods] Three sites were selected, representing two restoration ways (natural recovery and artificial forestation) and natural grassland (NG), respectively. Vegetation cover, biomass and species diversity were investigated by quadrat method in the field. Soil samplings were collected with different depths to investigate soil properties including organic matter (SOM), total nitrogen (TN) and phosphorus (TP), bulk density (BD) and particle size distribution. Particle size composition was determined by the hydrometer method and SOM was measured by the K2Cr2O7-H2SO4oxidation method. Additionally, TN was measured using a Nitrogen/Carbon Analyzer and TP was measured by molybdenum blue colorimetry, after H2SO4-HClO4digestion. [Results] 1) Species diversity, plant coverage, aboveground and belowground biomass were significantly (P<0.01) lower in P-CG among the three typed sites, and the differences between N-CG and NG were not significant. Meanwhile, species composition in N-CG was similar with NG, compared with P-CG. 2) Surface soil (0-10 cm) properties were deeply affected by different restoration ways. P-CG tended to have higher bulk density and sand content, but lower SOM, TN, silt and clay content than N-CG at the soil depths of 0-10 cm, although the differences were not significant. Moreover, NG had the lowest bulk density and sand content, and the highest SOM, TN, TP, silt and clay content. [Conclusions] Soil properties and plant community characters did not return to natural grassland status as before cultivation after 12 years of re-conversion in our study area. N-CG might be a more suitable restoration way to facilitate vegetation community and improve soil physicochemical properties in the study area compared with P-CG. Extra efforts are needed to persistently investigate the changes of vegetation and soil properties in a long time within different restoration ways and to make reliable policy decisions while choosing suitable ways for re-conversion from cropland to grassland in the semiarid steppe region of north China.

vegetation restoration models; plant community; soil properties; re-conversion grassland； Inner Mongolia

2016-09-05

2017-04-13

项目名称： 国家杰出青年科学基金资助项目“半干旱区土壤水文过程与植被响应”(41025001)

张志华(1984—)，女，博士，讲师。主要研究方向：荒漠化防治与植被恢复。E-mail:zhihua1221@163.com

†通信作者简介： 桑玉强(1976—)，男，博士，副教授。主要研究方向：生态水文学。E-mail:syuqiang@163.com

S812.2

A

2096-2673(2017)03-0074-07

10.16843/j.sswc.2017.03.010