刈割留茬高度对大针茅草原生产力及可持续利用的影响

张 峰, 赵天启, 乔荠瑢, 赵萌莉*, 张心玥, 吴建新

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院, 内蒙古 呼和浩特 010019; 2.内蒙古农业大学草地资源教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010019;3.中建二局第一工程有限公司成都分公司, 四川 成都 610000; 4. 内蒙古自治区退耕还林和外援项目管理中心，内蒙古 呼和浩特010020)

刈割是草地主要利用方式之一[1-3]，但在刈割过程中，一些不合理的操作会对草地造成不同程度的退化或沙化[4-6]，降低草地生产力[7-8]。近年来，较多学者已经对草地群落特征[9]、物种多样性[10-11]、牧草品质[12]、地上-地下生物量[2]、土壤呼吸[13]、温室气体通量[14]、群落稳定性[3,15]、空间异质性[16]及土壤微生物[17]等方面进行了研究，虽然对刈割干扰下草地群落研究较全面，但较多研究并未结合实际生产与草地生态功能。此外，对草地进行不同的刈割强度对草地群落影响不同，刈割强度包括不同的刈割高度及频次；由于群落中物种处于不同的层面，不同的刈割高度对物种的影响不同，张峰等[2]对大针茅(Stipagrandis)草原群落生物量的研究表明，随着留茬高度降低、强度增大，地上及地下生物量均呈下降趋势。而生物量能体现植物生长、发育过程变化，且能评价群落结构及生态系统功能[18]。

此外，在对群落生物量等生态系统功能及牧草产量等生产指标进行分析时，更应该考虑草地的可持续利用；当年牧草产量较高可能会影响次年牧草产量，而MRPI可有效对其进行评价，其定义为收获单位重量牧草造成下一个收获期群落刈割可收获生物量或群落地上总生物量减少量的比率(损失量比)[1]；试图量化刈割对草地产量的动态影响。本研究以大针茅草原为研究对象，将群落中物种划分为禾草与非禾草，并对短期刈割后(2014年始)的群落、禾草与非禾草的地上生物量、牧草产量、牧草利用率及刈割生产力衰减指数进行分析，通过2014—2019年的野外调查，拟研究不同刈割留茬高度对群落、禾草与非禾草地上生物量及产量的影响；不同留茬高度对牧草利用率及MRPI的影响，为草地利用过程中确定植物群落的刈割留茬高度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古锡林浩特市毛登牧场(116°25′29″E，44°25′29″N)，海拔约1 000 m，为温带半干旱大陆性气候。年均温约﹣0.3℃，年降水量约300 mm，无霜期90—115 d，≥10℃的年积温约为1 588℃。本试验期间年降水量为168.6～412.8 mm(2014—2019年降水量分别为255.9 mm，412.8 mm，309.0 mm，168.6 mm，277.6 mm，293.4 mm和389.4 mm)，降水集中在5—9月。草地类型为大针茅典型草原，优势种为大针茅(Stipagrandis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)及羊草(Leymuschinensis)，常见物种有猪毛菜(Salsolacollina)和刺穗藜(Chenopodiumaristatum)等；土壤主要以栗钙土、栗褐土为主，有机质含量较高，但沙粒性较重，含水量低。

1.2 样地选择及试验方法

试验样地于2014年5月围建，总面积为0.24 hm2(60 m×40 m)；试验采用单因素随机区组设计，设置对照及3个刈割留茬高度，分别为CK：对照(不刈割)，R8：留茬8 cm，R5：留茬5 cm，R2：留茬2 cm；各9次重复，共36个小区，各小区面积均为15 m2(5 m×3 m)，间隔1.5 m。

在2014—2019年期间，于每年8月中旬生物量高峰期时(15—18日间)进行取样，在各小区分别设置1个1.0 m×1.0 m的样方(在小区西北角开始逐年由西向东设置样方)，记录样方中所有物种高度、密度，并将各物种分别按照试验设计高度(留茬8 cm，5 cm和2 cm)剪取植株，为各物种产量(Yield)；然后齐地面剪取各物种残茬(Residue)，将其分别装入信封中于65℃烘箱中48 h烘至恒重，各物种产量与残茬之和为该物种的地上生物量(Aboveground biomass，AGB)，样方中所有物种地上生物量之和为群落地上生物量(Community AGB)，所有物种产量为群落产量(Community yield)。每年在8月高峰期取样之后，将小区未取样部分按照试验设计高度进行处理，每年仅刈割1次。

1.3 数据分析

在Excel 2010对原始数据进行基础整理并根据内蒙古植物志进行禾草与非禾草的划分，在SPSS 19.0中对群落、禾草及非禾草的地上生物量、产量、利用率、相对地上生物量、相对产量及刈割生产力衰减指数进行刈割留茬高度处理(Mowing)及年度(Year)的双因素方差分析并进行Duncan比较，显著性水平为0.05，图片均使用SigmaPlot 14.0软件处理。此外，利用率(Utilization rate，UR)、相对地上生物量(Relative aboveground biomass，RAGB)、相对产量(Relative yield，RY)、刈割生产力衰减指数(MRPI)[1]及其变异系数(Coefficient of variation，CV)的公式如下：

UR=Y/AGB

(1)

RAGB=AGBi/AGBcom

(2)

RY=Yi/Ycom

(3)

MRPI=(CKi-Ri)/Ri-1

(4)

CV=STD/Mean×100%

(5)

式中：Y为各处理群落/禾草/非禾草的产量(Yield)，AGB为各处理群落/禾草/非禾草的地上生物量；AGBi为禾草/非禾草的地上生物量，AGBcom为群落的地上生物量；Yi为禾草/非禾草的产量，Ycom为群落的产量；CKi为刈割对照处理地上现存生物量或可收获生物量(地上生物量)，Ri为刈割处理实际收获量(产量)，Ri-1为刈割处理上一次刈割收获牧草量(由于本试验每年仅刈割1次，并在2015-2019年间进行产量测定，故按照公式分析后仅有2016-2019年4组数据值，并对此4组数据值进行变异系数分析)；STD为标准差，Mean为均值。

2 结果与分析

2.1 刈割留茬高度对群落结构组成及种群特征的影响

对群落结构组成分析可知，群落共出现26种植物，禾草为4种，非禾草为22种；其中，优势种大针茅、糙隐子草和羊草均为禾草，出现频率分别为100%，89.72%和68.69%，另一优势种知母为非禾草，出现频率为92.99%。此外，出现频率高于50%的物种还有猪毛菜和刺穗藜，其他物种出现频率均较低。再者，植株高度<15 cm的物种有糙隐子草、刺穗藜和虫实(Corispermumdeclinatum)等，处于群落底层；15 cm<植株高度<30 cm的物种有羊草、冰草(Agropyroncristatum)和知母等，处于群落中层；植株高度>30 cm的物种有大针茅和细叶鸢尾(Iristenuifolia)，处于群落上层，但细叶鸢尾出现频率极低(表1)。

表1 群落结构组成及其种群特征

2.2 刈割留茬高度对地上生物量及产量的影响

对群落、禾草和非禾草的地上生物量进行分析可知，仅在2015年时，R5和R2的群落地上生物量显著低于CK(P<0.05)；在2014和2017年，与CK相比，R2的禾草地上生物量显著降低(P<0.05)，在2015年，R5和R2的禾草地上生物量显著降低(P<0.05)。在2019年，与CK相比，R2的非禾草地上生物量显著降低(P<0.05)(图1)。对群落、禾草和非禾草产量进行分析发现，仅在2016年时，R2的群落产量显著高于R5(P<0.05)；仅在2019年，R2的禾草产量显著高于R5(P<0.05)；在2015和2018年，R2的非禾草产量显著高于R8和R5(P<0.05)(图2)。

图1 不同刈割留茬高度对群落、禾草及非禾草地上生物量的影响

图2 不同刈割留茬高度对群落、禾草及非禾草产量的影响

2.3 刈割留茬高度对相对地上生物量及相对产量的影响

不同刈割留茬高度处理对禾草和非禾草的相对地上生物量及相对产量无显著影响；但随着留茬高度逐渐降低、利用强度逐渐增大时，禾草的相对地上生物量呈现出逐渐降低的趋势，非禾草呈增加的趋势；对于相对产量同样如此，随着留茬高度降低，禾草的相对产量呈降低的趋势，而非禾草呈增加的趋势(图3)。

图3 不同刈割留茬高度对禾草、非禾草相对地上生物量及相对产量的影响

2.4 刈割留茬高度对牧草利用率的影响

对年度间与处理间牧草利用率进行双因素方差分析发现，年度间群落、禾草及非禾草的利用率无显著差异，而处理间差异显著(P<0.05)(表2)。对群落、禾草及非禾草的利用率进行分析发现，在2015—2019年试验期间，不同刈割留茬处理间群落、禾草及非禾草的利用率均存在显著差异(P<0.05)。总体而言，R8，R5和R2处理的利用率呈现出梯度增加的趋势；在2015—2019年，对于群落而言，R8，R5和R2处理的平均利用率为61.71%，66.56%和87.04%；对于禾草而言，R8，R5和R2处理的平均利用率为64.36%，68.72%和88.13%；对于非禾草而言，R8，R5和R2处理的平均利用率为47.86%，61.15%和79.20%(图4)。

表2 年度与放牧处理间牧草利用率的双因素方差分析

图4 不同刈割留茬高度对群落、禾草及非禾草利用率的影响

2.5 刈割留茬高度对刈割生产力衰减指数的影响

对群落、禾草及非禾草的MRPI进行分析发现(图5)，R2的群落MRPI显著低于R8(P<0.05)，但不同刈割留茬处理间的禾草MRPI无显著差异；而R2的非禾草MRPI显著低于R8(P<0.05)；表明R2的群落MRPI低于R8，主要是由于非禾草的作用，并非禾草的影响。此外，群落MRPI的变异系数(CV)在刈割留茬处理间无较大差异，但对于禾草MRPI，R2的变异系数为76.74%，远高于R8和R5；对于非禾草MRPI同样如此，R2的变异系数为147.83%，远高于R8和R5。

图5 不同刈割留茬高度对群落、禾草及非禾草刈割生产力衰减指数的影响

3 讨论

本研究基于2014—2019年不同刈割留茬高度处理的结果表明，群落地上生物量仅在2015年存在差异，而2015年降水较多；在2015年，与CK相比，R2和R5的群落及禾草的地上生物量降低，但非禾草地上生物量无变化，总体而言，刈割留茬处理对地上生物量无较大影响。在草地刈割过程中，草地牧草产量直接受刈割强度影响[19]，合适的刈割强度可能会增加牧草产量[20-21]。但本研究发现，仅在2016年，R2的产量高于R5，表明留茬过低(2 cm时)不能增加产量；但总体而言，刈割留茬处理对群落产量无较大影响。植株被刈割后，大量叶片损失会影响剩余叶片的光合作用[22]，尤其是刈割留茬高度过低时，虽然相比于留茬较高处理会增加一部分残茬产量，但会影响其分蘖，进而影响其整体产量[22]；此外，刈割过程中养分移出系统会降低土壤养分。在2015年和2018年，群落与禾草的产量无变化，但R2的非禾草产量高于R5和R8。包青海等[23]的研究结果也表明，刈割会降低优质牧草的比例，而增加低质牧草比例；本研究中，由于留茬高度不一样，植株高度也不一样，由于非禾草整体植株高度较低，当刈割留茬高度较低时，对非禾草的利用较高，导致其产量较高；而留茬高度较高时，对其影响较小，收获部分较少，造成产量低。王开丽等[24]对不同留茬高度下草甸草原生产力的研究表明，适宜的刈割留茬高度可以提高草地植物群落生产力，留茬8 cm时较适宜。综合而言，连续进行刈割6年后，各刈割处理对地上生物量与牧草产量整体影响较小，受降水波动等环境干扰影响较大。

本研究发现，不同刈割留茬高度对禾草与非禾草的相对地上生物量及相对产量无显著影响，但随着留茬高度越低、利用强度越大，禾草的地上生物量与产量整体呈现出降低的趋势，而非禾草则相反。相关研究也表明，草地出现退化后原生植物种等禾草优势度或地上生物量降低，而非禾草则增加[25-26]。在本研究中，当刈割留茬高度较低时，对大针茅、糙隐子草和羊草的损害较大，其在群落中的优势降低，而刺穗藜和猪毛菜等一、二年生植物则由于植株矮小，受刈割干扰较小，并且由于研究区雨热同期，一、二年生植物生长迅速，由于刈割释放大量空间及养分资源，所以种群密度增大、植株高度增加，造成产量增加[27]。此外，本研究发现，虽然年度间降水差异较大，但年度间牧草利用率无显著差异，而不同留茬处理下的牧草利用率随留茬高度降低呈增加的趋势，但整体而言，R5与R8的群落与禾草的利用率相差较小，而R2的群落与禾草的利用率较高。通过对群落、禾草和非禾草的地上生物量、产量、相对地上生物量、相对产量、牧草利用率及MRPI分析发现，在连续刈割6年后，不同刈割留茬高度对地上生物量及产量影响较小，但从禾草及非禾草的比例可以看出，刈割留茬高度过低时，会降低禾草的地上生物量及产量；此外，虽然留茬高度低(2 cm时)会降低MRPI，但主要是降低非禾草的MRPI，但会增加禾草及非禾草MRPI的变异性。

4 结论

总体而言，不同刈割留茬高度对群落地上生物量与产量影响较小；留茬2 cm处理下牧草利用率显著高于留茬5 cm和8 cm，但年度间(2015—2019年)牧草利用率无显著差异；随着留茬高度降低，禾草的相对地上生物量及相对产量呈现出逐渐降低的趋势；留茬2 cm会降低群落MRPI，但主要降低非禾草MRPI而禾草MRPI未变化，并且会增加禾草及非禾草MRPI的变异性。综合而言，刈割留茬8 cm较适宜。