短期休牧对荒漠草原区家庭牧场植被及土壤性质的影响

傅理，陆颖，谢应忠*，马红彬，邢恩德，田秀民，聂明鹤

（1.宁夏大学农学院，银川750021；2.宁夏大学新华学院，银川750021；3.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特010020）

我国天然草原主要分布于西藏、内蒙古、青海、新疆、四川、甘肃等地，这些地区的草原面积占全国草原总面积的80%以上[1]，但多处于干旱、半干旱地区，水土资源不匹配，草畜平衡矛盾突出，草原退化沙化严重[2]。荒漠草原蒸发量很大但降水量很小，天然草地超载过牧普遍，虽已开展保护和恢复治理，但因恢复周期较长，成效难以在短期内显现，加之近年来耕地面积不断扩大，以及对地下水资源过度开发，已严重威胁区域生态安全[3-4]。有研究表明，制约荒漠草原区牧业发展最关键的因素是水[5-6]，然而地处北方的内蒙古草原面积和水资源比重严重失调，温性和暖温性荒漠草原区的失调问题更为突出，年降水量最少时小于200 mm，350 mm的年降水量在30年中只有6次[7]。内蒙古鄂托克前旗地处我国农牧交错带，旗内主要以荒漠草原为主，连续放牧、超载过牧使得草地生产力不断下降，毒害草种类和数量增多，生态破坏严重，恢复迫在眉睫[8]。因此，在自然降水无法人为干预的情况下，只能在草原放牧管理上寻求良策。

目前，已有的研究大多涉及春季和夏季的天然草地禁牧、轮牧和休牧的制度研究和效益评价[9-11]，而有关短期休牧或荒漠草原区禁牧休牧的研究较少。褚文彬等[12]选择锡林郭勒盟苏尼特右旗朱日和镇，就禁牧休牧对短花针茅荒漠草原土壤含水量和地上现存量的影响进行了研究，其中休牧时间分别为40、50和60 d，结果表明，随休牧期的缩短土壤含水量呈逐渐下降趋势，禁牧、休牧有利于地上现存量的增加，而地上现存量主要受0～30 cm土壤含水量的制约；和平等[13]以家庭牧场为尺度，开展了禁牧休牧对短花针茅荒漠草原群落现存量和营养动态的影响研究，试验地和试验设计与褚文彬等[12]的一致，结果表明，禁牧、休牧有利于地上现存量的增加，休牧时间以40～50 d为宜。以上学者提出的休牧时间管理对本研究具有很好的借鉴作用。目前，有关短期休牧对荒漠草原植被群落特征及土壤养分和水分的影响研究尚未见报道。虽然长期禁牧和休牧可在一定程度上增强草地恢复能力，但荒漠草原区不仅要获取生态效益还须兼顾农牧民的经济效益。天然草地生态脆弱，载牧量约为1.33～1.53 hm2/羊单位[8]，但由于农牧民的经济收入渠道单一，天然草地放牧已成为当地农牧民的经济支柱，为了短期内获取更大经济效益，超载过牧及连续放牧已成为常态，使得生态遭到破坏，草地生产能力大幅降低，家畜体况下降，直接影响农牧民的经济收入，而农牧民为了弥补经济差额会选择更大的载牧量，这种恶性循环导致天然草地恢复治理问题愈加严峻。因此，如何根据立地条件建立适宜的短期休牧制度以实现草地生态效益和农牧民经济效益兼顾显得很有必要。本研究以牧区草地畜牧业最基础组成单位——家庭牧场为载体[14]，探索适宜荒漠草原区家庭牧场天然草地的休牧管理、生态保护及恢复利用方案。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鄂托克前旗是以蒙古族为主体、汉族人口占多数的半农半牧区，地处鄂尔多斯高原的毛乌素沙漠腹地，北靠鄂托克旗，东连乌审旗，南与陕西靖边、定边及宁夏盐池县毗邻，西与宁夏银川市兴庆区、平罗县接壤，总面积1.218×104km2，地理坐标106°26′～108°32′E，37°44′～38°44′N，海拔1 161～1 564 m，属中温带暖温型半干旱、干旱大陆性气候区，日照长、辐射强，春暖快，夏热短，秋凉早，冬寒长[15]。统计结果（图1）显示，研究区近30 年的年降水量呈现峰谷波动态势，最大时为444.9 mm（1989年），最小时为135.9 mm（2005 年），平均在240～250 mm 之间波动，一年中降水多集中于7—9 月。1987—1996 年、1997—2006 年和2007—2016 年每10 年的总降水量分别为2 893.6、2 397.3 和2 664.1 mm，其中前15年和后15年总降水量分别为3 899.4和4 055.6 mm，而年总蒸发量达2 500 mm。30年中降水量小于200 mm 的有5 年，大于300 mm 的仅有10年，自然降水量及季节分布严重影响天然草地放牧利用和恢复治理[16]。

图1 研究区近30年的年降水量Fig.1 Annual precipitation in research area over the past 30 years

1.2 试验设计

研究区规定天然草地开牧时间为6月20日，这种放牧管理缘于牧区自开牧后实施连续放牧，草地得不到休养生息，而为了降低草地连续放牧带来的不良影响，当地主管部门推迟了开牧日期。由于本试验为短期休牧试验，草地有一定时期的修整，故开牧日期设在返青后50 d（5 月20 日）。另外，若借鉴其他学者提出的休牧40～50 d的管理方案，整个放牧季草地利用率不高，牧民也不愿采用。综上，本试验共设4 个处理：休牧1 区（RG1）、休牧2 区（RG2）、休牧3 区（RG3）、连续放牧区（CK），其中RG1、RG2 和RG3 休牧天数与放牧天数相同，均分别为7、14和21 d。试验于2017年5月20日—10月10 日进行，根据当地政府核准的草地载牧要求，载牧量均设为1.33 hm2/羊单位。试验家畜为当地3～4 龄健康绵羊（忽略羊只体况差异），每个样地2只，编号管理。5 月20 日所有样地开始放牧，放牧期羊只夜间不归牧，放牧期满后次日清晨放出围栏，进入休牧期，休牧期满后次日清晨放入羊只，以此类推。试验期休牧1 区共放牧74 d，休牧70 d，休牧2 区共放牧73 d，休牧70 d，休牧3 区共放牧81 d，休牧63 d，连续放牧区共放牧143 d。试验分别在3 种典型且广泛分布的植被群落中进行，分别是白刺+ 猪毛蒿（Nitraria tangutorum+Artemisia scoparia）群 落、芨 芨 草+ 猪 毛 蒿（Achnatherum splendens+A. scoparia）群落及黑沙蒿+猪毛蒿（Artemisia ordosica+A.scoparia）群落，共12个围栏样地，均为1万m2。

1.3 研究方法

植被取样：于2017 年8 月中旬，在各处理休牧后记录地上植被特征。每个处理随机设置3 m×3 m样方，3 次重复。生物量按照草本和灌木测定方法分别取样，在65 ℃条件下烘干称量[17]；高度为自然高度，密度用统计单位面积株数法测定，频度用样圆法测定，盖度用针刺法测定[18-19]。调查时详细记录植物名称、地上生物量和样地概况等信息，便于相关指数计算。

土壤水分测定：土壤质量含水率的测定于2017年4—9月的每月月底进行，通过土钻采集不同土层（0～10、＞10～20、＞20～40 和＞40～60 cm）土壤，每个样地3个采样点，同土层3次重复，采样并称量后带回实验室烘干，再称量。

土壤养分测定：由于植物生长的分泌物和枯落物分解进入土壤需要一定的时间，故用于测定养分的土样于次年3月底采集。土壤取样点与植物取样点相对应，在土壤剖面不同土层（0～10、＞10～20、＞20～40 和＞40～60 cm）取原状土，并将采集的每个样方同层土壤样品混匀、去杂、风干、研磨、过0.075 mm筛后备用。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量经H2SO4-K2SO4-CuSO4-Se催化后用全自动凯氏定氮仪（BUCHI-K360，瑞士）测定[20-21]。

1.4 数据处理

通过Excel 2007 录入原始数据并计算，其他数据统计通过SPSS 20.0完成。重要值、香农-维纳多样性指数、丰富度指数、均匀度指数和优势度指数的计算[22-24]如下：

重要值=（相对高度+相对盖度+相对频度+相对地上生物量）/4；

相对高度=（某种植物的平均高度/样地内所有植物种的平均高度之和）×100%；

相对盖度=（某种植物的盖度/样地内所有植物种的盖度之和）×100%；

相对频度=（某种植物的频度/样地内所有植物种的频度之和）×100%；

相对地上生物量=[某种植物的干质量/样地内所有植物种干质量之和]×100%；

丰富度指数=s；

式中：s为样地内所有物种数；pi为样地中第i个物种的重要值。

2 结果与分析

2.1 短期休牧对天然草地群落地上生物量的影响

研究区植被于4月初开始返青，8月进入盛草期，10月为生长季末期。由表1的地上生物量可知：在白刺+猪毛蒿群落中，以RG3的最高，CK的最低，不同处理间差异显著（P＜0.05）；在芨芨草+猪毛蒿群落中各处理间差异也显著（P＜0.05），RG1与RG2间差值约达到1 400 kg/hm2，这种现象可能与新生的芨芨草幼叶适口性好，羊只采食较多，休牧天数越长，嫩叶被采食后还会留下一定量的老叶有关；在黑沙蒿+猪毛蒿群落中，RG3的略高于其他处理，而RG1与CK间差异不显著（P＞0.05），此群落各处理观测值较为接近，缘于此群落一般作为冷季牧草，除特别干旱缺乏牧草的情况，试验羊只暖季很少采食，若有采食，大都发生在此群落其他牧草被采食殆尽后。

2.2 短期休牧对天然草地植被群落特征的影响

植被群落特征于8 月测定。由表2 的香农-维纳多样性指数可知：在白刺+猪毛蒿群落中，以RG3的最高，显著高于其他3个处理（P＜0.05），但CK与RG1 间差异不显著（P＞0.05）；在芨芨草+猪毛蒿群落中，也是RG3 的最高，CK 的最低，各处理间差值梯度明显，差异显著（P＜0.05）；在黑沙蒿+猪毛蒿群落中，也是以RG3 的最高，CK 的最低，各处理间差值梯度明显，差异显著（P＜0.05）。通过表2也可以看出，在相同处理下，黑沙蒿+猪毛蒿群落的香农-维纳多样性指数最高，芨芨草+猪毛蒿群落次之，白刺+猪毛蒿群落最低，这一结果与放牧羊只对3种不同群落植被采食喜好有关。

表1 短期休牧下天然草地植被群落的地上生物量Table 1 Aboveground biomass of natural grassland vegetation community under short-term rest-grazing kg/hm2

表2 短期休牧下天然草地植被群落的香农-维纳多样性指数Table 2 Shannon-Wiener diversity index of natural grassland vegetation community under short-term rest-grazing

由表3的均匀度指数可知：白刺+猪毛蒿群落中各处理值非常接近，各处理间差异不明显（P＞0.05）；芨芨草+猪毛蒿群落中各处理间差异也不显著（P＞0.05）；在黑沙蒿+猪毛蒿群落中，以RG3 的最高，CK 的最低，RG1 与RG2 间非常接近，但各处理间差异依然不显著（P＞0.05）。此外，3 种植被群落的均匀度指数在同一处理水平间非常接近，白刺+猪毛蒿群落与芨芨草+猪毛蒿群落各处理间均匀度指数变化规律也不明显。可见，短期休牧对不同群落的均匀度影响不明显。

表3 短期休牧下天然草地植被群落的均匀度指数Table 3 Pielou index of natural grassland vegetation community under short-term rest-grazing

由表4的丰富度指数可知：在白刺+猪毛蒿群落中，RG3 的最高，显著高于RG1 和CK（P＜0.05），但与RG2间差异不显著（P＞0.05）；在芨芨草+猪毛蒿群落中，RG3 的显著高于其他3 个处理（P＜0.05），但CK、RG1 与RG2 间差异却不显著（P＞0.05）；而黑沙蒿+猪毛蒿群落的丰富度指数整体高于芨芨草+猪毛蒿群落和白刺+猪毛蒿群落，此群落中以RG3的最高，CK的最低，各处理间差异均显著（P＜0.05）。分析不同群落多样性指数发现，多样性指数偏低的白刺+猪毛蒿群落，其丰富度指数也偏低，而多样性指数偏高的黑沙蒿+猪毛蒿群落，在不同处理水平下，其丰富度指数均高于其他群落。

表4 短期休牧下天然草地植被群落的丰富度指数Table 4 Richness index of natural grassland vegetation community under short-term rest-grazing

由表5 的优势度指数可知：在白刺+猪毛蒿群落中，RG3 的最高，但各处理间差异不显著（P＞0.01）；在芨芨草+猪毛蒿群落中，也是RG3的最高，CK 的最低，各处理间差异也不显著（P＞0.01）；而在黑沙蒿+猪毛蒿群落中，以RG3 的最高，CK 的最低，RG3 与RG2 间差异不显著（P＞0.01），RG1 与CK 间差异不显著（P＞0.01）。另外，在水文条件趋于一致情况下，在同一处理水平上，一般作为冷季牧草的黑沙蒿+猪毛蒿群落的优势度指数大于芨芨草+猪毛蒿群落和白刺+猪毛蒿群落，这一结果与放牧羊只采食喜好及同一群落不同植被根系分布特征有关。

表5 短期休牧下天然草地植被群落的优势度指数Table 5 Dominance index of natural grassland vegetation community under short-term rest-grazing

2.3 短期休牧对芨芨草+猪毛蒿群落土壤水分的影响

结合研究区近30年降水量可知，荒漠草原区地表水资源非常匮乏，天然草场受自然降水及放牧利用方式影响最为直接。在研究区3 种植被群落中，虽降水条件趋于一致，但是同层土壤含水率差异却很大，表现为芨芨草+猪毛蒿群落最高，白刺+猪毛蒿群落次之，黑沙蒿+猪毛蒿群落最低，加之芨芨草+猪毛蒿群落在研究区的分布面积相对广阔，且与其他2 个群落相比，该群落在通过实施人为干预达到改良利用现状方面的潜力突出。故本文选取具有代表性的芨芨草+猪毛蒿群落，研究其不同土层质量含水率受短期休牧的影响。结果（表6）表明：4—6月，牧草开始返青，不同处理对土壤水分的需求量较小但逐渐递增，表层土壤（0～10 cm）含水率普遍低于深层土壤，而4—5月，深层土壤（＞40～60 cm）含水率高于表层土壤却低于中间的＞10～20 和＞20～40 cm 土层；同时也可以看出，4—9 月，同一土层、不同处理间，CK 的土壤含水率普遍最低；7—9月，除7月的0～10 cm土层和9月的＞20～40 cm土层，其他的同一土层、各处理间差异均极显著（P＜0.01）；9月的0～10 cm土层含水率显著高于其他月份同土层含水率（P＜0.05），这与9月份少量降水多集中于表层有关，＞40～60 cm 土层含水率普遍高于其他浅层土壤，这可能与芨芨草群落根系分布较浅有关，加之7—9 月间，根系分布于0～40 cm土壤的杂草会与芨芨草争夺水分。

表6 短期休牧下天然草地芨芨草+猪毛蒿群落的土壤含水率Table 6 Soil moisture content at A.splendens with A.scoparia community of natural grassland under short-term rest-grazing w/%

2.4 短期休牧对芨芨草+猪毛蒿群落土壤养分的影响

根据不同群落类型植被多样性分析结果，本文选取各指数均介于中间的芨芨草+猪毛蒿群落作为土壤养分分析的主要研究对象。就土壤有机质含量（图2）而言：RG1 中以＞40～60 cm 土层的最高，其次是＞10～20 和0～10 cm 土层，而＞20～40 cm土层的最低，CK 中各土层的非常接近，RG2 中以0～10 cm土层的最高，＞10～20 cm土层的最低，呈现出开口向上的抛物线趋势，而RG3中呈开口向下的抛物线趋势；在0～10 和＞40～60 cm 土层中，RG2 的均显著高于其他3 个处理（P＜0.01），而在＞10～20 和＞20～40 cm 土层上，RG3 的均显著高于其他3个处理（P＜0.01）。可见，在此群落中，0～10和＞40～60 cm土层的有机质受不同处理的影响较＞10～20 和＞20～40 cm 土层小，说明RG3 更有利于＞10～40 cm土层的有机质积累。

图2 短期休牧下不同土层土壤有机质含量Fig.2 Organic matter content of different soil layers under short-term rest-grazing

图3 短期休牧下不同土层土壤全氮含量Fig.3 Total nitrogen content of different soil layers under short-term rest-grazing

由图3 可知：每个土层的全氮含量在各处理间差异均极显著（P＜0.01）；RG2 和RG3 的全氮含量在各土层中优势明显，RG1 的全氮含量整体偏低。相对于＞10～20、＞20～40及＞40～60 cm土层，表层土壤（0～10 cm）的全氮含量受不同放牧管理的影响波动更大一些，说明RG3对表层土壤全氮含量的影响大于其他处理，这与相关研究结果[25]吻合。

2.5 芨芨草+猪毛蒿群落特征与土壤养分的皮尔逊相关性分析

草地植被的生长状态与土壤养分密切相关，文中关于短期休牧对芨芨草+猪毛蒿群落土壤养分的影响结果表明，相较于其他土层，表层土壤（0～10 cm）受短期休牧影响波动最为明显。故本文选取芨芨草+猪毛蒿群落的表层土壤（0～10 cm）作为研究对象，分析土壤养分与地上植被特征值的相关性。结果（表7）显示，全氮含量与多样性指数极显著相关（0.01水平），与丰富度指数显著相关（0.05水平），与均匀度指数呈负相关，而有机质含量与多样性指数的相关系数较其他指数高，但不显著。

3 讨论

3.1 短期休牧对地上生物量的影响

休牧对草地的影响会直观体现在地上植被、土壤水分和土壤养分的变化上[26-27]。因荒漠草原区降水十分有限，天然草地牧草供给匮乏，休牧21 d 较7 d和14 d可更好地增加地上生物总量，因此不同群落类型中RG3的地上生物量均最高，CK的均最低，这与董全民等[28]的研究结果吻合。后者通过对荒漠草原的放牧研究发现，放牧强度对暖季型牧场地上生物量的影响显著，而对冷季型牧场的影响不显著，这也印证了在暖季放牧时，作为冷季牧草的黑沙蒿+猪毛蒿群落很少被采食，该群落中每年新发嫩枝总量非常有限，而结籽的枝条次年都会枯死，故地上生物量变化不明显。荒漠草原生态系统较为脆弱，故在核定载牧量前提下，放牧21 d，有利于家畜将适口性较好的牧草采食殆尽后开始采食适口性较差的牧草，而放牧7 d 和14 d，家畜对适口性较差牧草的采食较少，影响群落优势度，同样也因休牧周期太短，不利于牧草恢复生长。可见，休牧21 d 较休牧14 d 和7 d 更有利于脆弱的生态系统恢复。

3.2 短期休牧对草地植被群落特征的影响

天然草地植被群落特征主要受家畜采食影响，适口性较好的植被更容易被采食而导致产量下降[29-30]。休牧周期缩短，植被的香农-维纳多样性指数减小，均匀度和优势度指数呈缓慢下降趋势，丰富度指数略有下降但并没有明显变化。本研究中各植被群落的均匀度随休牧周期延长略有增高，但各处理间无显著差异，而RG3 下植被的香农-维纳多样性指数、丰富度指数均高于其他处理，可见在生态系统脆弱的荒漠草原区，RG3的休牧管理方式更有利于牧草休养生息和放牧可持续发展。

表7 芨芨草+猪毛蒿群落植被指数与土壤养分的皮尔逊相关性分析Table 7 Pearson’s correlation analysis of vegetation index and soil nutrient in the A.splendens with A.scoparia community

3.3 短期休牧对土壤水分的影响

放牧活动通过对地上植被采食、踩踏等行为影响土壤水分，过度放牧不仅会让荒漠草原植被采食殆尽，还会导致土壤裸露并逐渐退化，严重影响植被恢复性生长和返青，与放牧相对应的休牧管理也会直接影响土壤水分[31]。芨芨草植被根系为须根系，主要分布于＞10～50 cm土层，具有强有力的蓄水能力，其老根腐烂代谢有利于沙土改良。本研究结果反映出不同休牧管理对芨芨草+猪毛蒿群落土壤水分的影响不够明显，这可能一方面受当地季节降水不均影响较大，另一方面受芨芨草生长年限影响也很大。由于研究区的芨芨草主要被牛采食，而羊只对其采食量不大，故在今后的放牧管理中，可以考虑在RG3 的休牧管理方式下开展牛羊混合的休、放牧管理。

3.4 短期休牧对土壤养分的影响

放牧活动不仅会影响地上植被特征，还会影响土壤理化性状和微生物活动[25]。家畜采食过程中通过践踏和排泄粪尿等行为影响土壤的体积分数（容重）和养分，对浅层土壤的有机质和全氮含量影响较大。荒漠草原区天然草地土壤沙化严重，表层土壤蓄水保肥能力差，植被根系一般都在10 cm 土层以下，连续放牧加快了土壤养分的周转和输出，长此以往导致草地退化。图2 和图3 显示，不同土层养分会受休牧管理方式的影响，但有一定区别。初步分析，出现这种现象缘于家畜的粪尿很难于短期内循环殆尽，使得表层土壤有机质和全氮含量有所积累，故而表层土壤的有机质及全氮含量并没有因为表层土壤植被根系分布较少而出现过于偏低问题，至于0～10 cm土层的土壤养分为什么依然受休牧管理方式的影响还需要后期更长时间尺度的深入探究。

4 结论

本文分析了荒漠草原区家庭牧场天然草地地上生物量、香农-维纳多样性指数、丰富度指数、均匀度指数、优势度指数及不同土层土壤的质量含水率和养分受不同休牧管理的影响。结果表明：在自然降水非常有限的情况下，RG3 的休牧管理方式更有利于牧草地上生物量的积累，有助于牧草休养生息；荒漠草原区表层土壤沙化严重，但受放牧家畜排泄粪尿的影响，其有机质和全氮含量虽有波动但没有明显降低，RG3的休牧管理方式更有利于＞10～40 cm 土层的有机质积累，至于0～10 cm土层的土壤养分为什么依然受休牧管理方式的影响还需今后更长时间尺度的深入探究；芨芨草+猪毛蒿群落中RG3 的土壤含水率普遍低于RG1 和RG2，而略高于CK，说明在RG3 的休牧管理方式下，牧草在生长过程中对水分需求量普遍高于其他3 个处理，因此牧草长势会普遍好于其他3 个处理。综上，在4个处理中，RG3的休牧管理方式更符合荒漠草原区家庭牧场天然草地放牧管理实际，更有利于脆弱草地的生态系统恢复和可持续利用。