不同刈割强度对封育沙地植被生长状况的影响

张 亮， 马维伟， 田 青， 李 广， 曹 雪

(甘肃农业大学林学院， 甘肃 兰州 730070)

围栏封育是当前退化草地主要的植被恢复和重建措施之一。也是治理和控制土地沙漠化的一项行之有效的措施。围封能使植物群落组成和主要群落类型发生明显变化，从而提高植物群落的生物量和生产力、增加生态系统的物种多样性和促进沙质草地生态系统的恢复[1-4]。但由于封育沙质草地分布的广泛性和复杂性，关于封育管理措施和植被特征之间的关系尚无统一的定论。但从近几年的研究[5-10]可以得出：采取围封措施后，植被的建立改变了原来沙质草地的水循环，大范围沙地植被甚至会导致已有相邻的湿地萎缩或草地退化，因此围封不应是无限期的，封育期过长，不但不利于植被的正常生长和发育，反而枯萎会抑制植物的再生和幼苗的生长形成，不利于植被的繁殖更新[11-12]。刈割是人为利用对草地群落结构和功能产生影响的重要因素之一，近年来一些学者开始关注不同刈割强度(留茬高度)对草地生态系统等产生不同程度的影响[13]，但是关于不同刈割强度对封育沙地植被再生性能的影响研究较少。本试验研究了在不同刈割强度下封育沙地植被的株高、生物量的变化等，旨在探讨不同刈割强度对沙地植被系统的影响，为进一步认识刈割在退化生态系统恢复过程中的作用提供科学依据，也为封育沙地的合理利用和管理提供的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区位于腾格里沙漠南缘，地属甘肃省景泰县，地理位置在103°33′～104°43′ E，36°43′～37°38′ N之间，地处季风区与非季风区过渡地带，属于温带干旱荒漠气候区。主要气候特征为:光热资源丰富，日照充足，降水稀少，蒸发强烈，风沙活动频繁；年平均气温8.2℃，极端最高气温36.6℃，极端最低气温-27.3℃，日照时数2 725.7 h，无霜期192 d，年均降水量184 mm，且主要集中在7～9月，年蒸发量3 038.5 mm，为降水的16倍多，年均风速3.5 m·s-1，最大风速21.7 m·s-1，年8级以上大风27.9 d，年沙尘暴21.9 d，地下水位80 m。土壤类型主要为洪积灰棕荒漠土和灰钙土[14-17]。

在研究区北部分布有相对连片的流动沙地，地表沙丘密集，土壤疏松。主要植物种有沙蒿、冰草等，呈零星状分布，植被盖度<5%。为促进沙区植被恢复，防治风沙危害，自上世纪九十年代起，该县开始对北部沙地实施封育措施。主要采用天然次生植被围栏封育法(自然恢复14年)、人工种植+围栏封育法(人工恢复6年+自然恢复8年)。其中天然次生植被围栏封育法是指在流动沙丘区采用铁丝网围栏，完全排除家畜的采食以及人为干扰，以促进沙区自然植被的恢复；人工种植+围栏封育法则是在流动沙丘区先铺设1 m×1 m的麦草方格沙障，待沙面初步稳定后，再定植旱生灌木柠条(CaraganakorshinskiiKom.)、沙蒿、花棒等，并进行围栏封育，以保护和促进人工灌木林的存活和生长繁育，具体见表1。

表1 样地基本情况Table 1 General condition of the plots

1.2 研究方法

在立地条件基本一致的天然植被围栏封育地和人工种植+围栏封育地，在立地条件、土壤条件和植被盖度基本一致的天然植被围栏封育区和人工种植+围栏封育区，各设置3块样地(大小为50 m×50 m)，在每块样地中随机布设4 m×4 m的灌木样方8个、1 m×1 m的草本样方8个。实验第一年的8月份在各样地的8小样方中随机选取4个进行重度刈割处理(留茬5 cm)，剩下的4个小样方进行中度刈割(草本留茬10 cm，灌木留茬15 cm)处理。同时，另选块样地设置对照样方(不刈割处理)。于次年的5月、7月和9月间用测量法调查各灌木和草本小样方优势植物种类组成、株高、冠幅等特征值，在9月生长季末调查其生物量。生物量用直接收割法，即每个处理齐地面剪取样方内植株的地上部分，在65℃下烘干48 h至恒重，分种称重。统计每个处理小区样方内物种数，根据下列公式对每个处理进行物种多样性分析。

物种丰富度采用Margalef指数(R)：R=(S-1)/lnN

物种均匀度指数采用Pielou指数(J):J=D/3.3219{lgN-[α(s-β)lgα+β(α+1)lg(α+1)]/N}

式中，S为样方中的物种数；N为所有物种的个体数之和；ni为第i个种的个体数;β为N被S整除以外的余数(0≤β≤N)；α=(N-β)/S。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 19.0和EXCEL 2013软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同刈割强度对封育沙地群落植被特征的影响

由表2可知，沙地植被演替是内因与外因长期共同作用的结果，全面衡量沙地物种多样性需从物种丰富度、均匀度和生态优势度等几个个方面进行比较，它们从不同的角度反映了群落物种组成的结构水平，且三者具有一定的联系。用重要值计算的多样性指数表明，在自然恢复区沙地植物群落通过刈割处理后物种多样性指数和丰富度指数差异不显著，物种均匀度指数和生态优势度指数在重度和中度刈割处理下差异显著，物种数在中度刈割和对照处理下差异显著；人工种植+自然恢复封育区的植物群落经过刈割处理后，变化趋势与自然恢复区沙地植物群落基本相同。与自然恢复区植物群落相比，人工种植+围栏封育区植物群落的多样性指数和均匀度仍明显较低，这说明人工种植+围栏封育区植物群落的稳定性远远不及自然恢复区。

表2 不同刈割强度对封育沙地群落植被特征的影响Table 2 Effects of different cutting intensities on vegetation characteristics of fencing sandy land

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05),下同

Note:Different capital letters represent significant different at the 0.05 level. The same as blow

2.2 不同刈割强度对封育沙地植物株高和再生能力的影响

2.2.1灌木株高和再生能力 在天然植被围栏封育地和人工种植+围栏封育地，由于天人封育年限相等各自的3种处理在刈割前不存在土壤肥力与其他环境要素差异和管理上的差异，在天然植被围栏封育地，刈割后第二年(5月中旬)，3种处理灌木柱高大约在23～25 cm，且差异都不显著，但随着刈割后第二年生长季生长季结束，3种处理的灌木平均高度逐渐表现出显著性差异(表3)。从不同刈割处理下灌木植株平均高度的发展动态来看，重度刈割处理在5-7月生长较慢，仅增加了1.19 cm，7-9月份生长较快，高度增加了6.07 cm；重度刈割处理在5-7月为一个较快生长过程，增加了6.07，到9月份灌木生长高度达到了40.85 cm；而对照处理呈现出均匀增加，5-7月和7-9月增加的高度相差不大，差值仅为1.05 cm。在人工种植+围栏封育地，刈割后第二年(5月中旬)，重度刈割处理和对照的灌木平均高度存在显著差异，但随着生长季开始，到7月份和9月份，3种处理开始产生较大差异，说明随着时间延长，刈割处理能够促进灌木高度的生长。从灌木植株生长的发展动态来看，重度刈割处理在5-7月生长较块，增加了20.03 cm，7-9月份生长较慢,仅增加了3.73 cm；中度刈割处理在5-7月也为快速生长过程，增加30.32 cm，到9月份灌木生长高度达到了70.39 cm；而对照和重度与中度刈割处理增长趋势相同。

天然植被围栏封育地的灌木在不同刈割处理后(第一年8月底刈割)，灌木在第二年开始重新长出新芽(新梢)，并迅速生长，中度刈割灌木的新芽再生速度较快，重度刈割处理的再生速度则相对较慢，二者呈显著差异，到9月，中度刈割的灌木株高增长到约48.85 cm，重度新梢增到31.72 cm，对照增长到36.61 cm。说明刈割对天然植被围栏封育地的灌木再生能力产生一定的影响。

人工种植+围栏封育地的灌木在不同刈割处理后，灌木的生长高度在5-9月出现了不同的变化，中度刈割处理的灌木的生长速度较快，重度刈割、对照处理的生长速度则相对较慢，三者呈显出不同差异，到9月，中度刈割增长到70.39 cm，而重度刈割处理相对较低。

表3 灌木刈割后株高的动态变化Table 3 The dynamic changes of shrub after cutting

2.2.2草本株高和再生能力 在自然恢复模式下沙地植被经过刈割处理后(第一年8月底刈割)，3种处理在第二年五月中旬草本的生长高度总量差异显著，到7月后，由于植被的生长，各个处理间差异逐渐变得不显著。由表2可已看出植被的生长高度总体变化呈现趋势减小，但总体表现为中度刈割处理和对照处理均高于重度刈割处理。

表4 草本刈割后株高的动态变化Table 4 The dynamic changes of plant height after cutting

人工+自然恢复模式的不同刈割处理后，3种处理在五月中旬草本的生长高度总量差异不显著。到9月份出现一定差异，刈割处理后，从5-9月，草本的基本呈现增加趋势，总体表现为中度刈割>对照>重度刈割，而且草本高度随雨季的到来，高度有一定的增加。

2.3 不同刈割强度对恢复沙地植被地上生物量的影响

两种恢复模式的不同处理在9月份生长结束后，它们的地上累计生物量见图1。在自然恢复模式下，3种刈割处理间的生物量有明显差异，表现为中度刈割(17.70 kg·m-2)>对照(15.84 kg·m-2)﹥重度刈割(5.56 kg·m-2)，中度刈割地上生物量的鲜重为17.70kg·m-2，是重度刈割处理的3倍多。说明自然恢复模式下，中度刈割能增加沙漠植被的地上生物量，能促进植被的再生长。而在第二种模式下，两种刈割处理间在9月份生长结束后，地上生物量的鲜重基本相同，但与对照相比，存在显著差异，生物量依次为对照18.87 kg·m-2、重度刈割13.87 kg·m-2、重度刈割11.34 kg·m-2，说明人工+自然恢复模式下，对照处理对植被的鲜重生物量最有效。

图1 不同刈割强度的封育沙地在生长季地上累计生物量Fig.1 Accumulation aboveground biomass of the cultivated land with different cutting intensities during growing season

3 讨论

有研究表明，不同刈割强度对牧草的再生能力和生物量有一定的影响。合理的刈割能促进牧草的分蘖和再生，从而提高地上部分的生物量和质量，但过度刈割反而抑制牧草地上部分和根系的生长[18]。本研究选择不同刈割强度对两种恢复模式下沙地植被特征进行研究，在人工种植+自然恢复区的植物群落在中度刈割处理下群落多样性指数和均匀度指数在增长，说明中度刈割在一定程度上可以促进植物地上部分再生生长，即表现为补偿或补偿生长现象，这与孙显涛[19]、盛亦兵[20]、张荣[21]等的研究结果一致。由此说明人工种植+围栏封育区群落在发育过程中，群落结构逐趋复杂，系统抵御外界不良干扰的能力和稳定性在逐渐增强；但同时可以看出，与自然恢复区植物群落相比，人工种植+围栏封育区植物群落的多样性指数和均匀度仍明显较低，这说明人工种植+围栏封育区植物群落的稳定性远远不及自然恢复区。随着人工种植+围栏封育区植被发育程度的提高和沙结皮的形成，由缀块状分布的人工灌木植被所造成的土壤资源分布的空间异质性程度在逐渐减弱，逐步演变和恢复至邻近自然植被的外貌特征。

刈割直接影响草原植被的生物量，减少了植物光合作用的面积，降低了碳和营养物质的积累[22]，从而影响生物量的形成，适度的刈割对植被生长能力有促进作用，刈割强度过大反而不利于提高封育沙地灌木的再生能力，刈割虽然改变了地上现存量，但是不同刈割处理对在生长季内单峰式的变化并没有影响，都在9月中旬达到最大值，刈割后期，由于地上部植株的逐步恢复，地下部根系形态指标与活力又恢复到与不刈割处理相比更高的水平，说明地下部根系也表现出一定的超补偿生长效应[23]。因此，保持适度的刈割强度十分必要。不同刈割处理对现存量的影响是明显的，以不处理的现存量最大，随着植被的增长，自然恢复状态下植被生物量也随之增加，这与刘颖[24]等的研究一致。

4 结论

通过研究不同刈割强度对这两种恢复模式之下植被的群落特征、株高、再生能力和地上生物量的测定，得出以下结论：自然恢复模式下，选择中度刈割对植被恢复有促进作用；重度刈割均未使两种模式的株高和再生能力提高，重度刈割对这两种模式的沙地植被的再生能力均无明显促进作用。