遁耕对轻中度退化草原植被的影响

杨志敏，刘建成，李峰，刘晓婕，通文海，黄金山，王文涛，李广有，温树芳，董晓峰，王伟娟，刘尚金，王运涛

（1.张家口市农业科学院，河北 张家口075000；2.张家口市崇礼区农业农村局，河北 张家口076350；3.尚义县农业农村局，河北 尚义076750；4.张家口市林木良种场，河北 张家口075000；5.张家口学院，河北 张家口075000）

我国草原面积有近4亿hm2，约占国土总面积的 2/5。由于不合理利用及自然灾害频繁，中度和重度退化草原面积占草原总面积的1/3以上[1]。冀西北地区是京津冀重要的生态屏障。近年来在国家、省、市各级政府的大力支持下，草原生态环境恶化的势头得到了初步控制，局部得到改善。但也必须看到，张家口和承德地区草原生态建设和保护仍存在一些问题，如，草原生态系统整体仍较脆弱，沙化、退化、盐碱化草原面积占39.6%，部分草原尚存在退化风险；草原生态建设和保护资金投入不足，草原基础设施建设薄弱，改良修复措施有待创新。

国外草地机械化改良技术起步较早，主要包括松土、施肥、补播及灌溉等。Phil等[2]研制的牵引式施肥机可用于向土壤表层施加黏性肥料，如脱水的生物固体颗粒等，能一次性完成切割草皮、松土和施肥作业。Te Boekhorst[3]发明的草地施肥机，工作时先通过圆盘割裂草地土壤形成勾缝，然后通过液态肥喷头或液态肥注射器将液态肥料注入勾缝中，有利于植被吸收养分，减少土壤养分流失，促进牧草生长。美国AerWay公司生产的AWMP-100-AG-4型草地打孔机，由拖拉机牵引，通过橡胶轮限深，打孔齿依靠自重入土，耕作宽度为3 m，每个齿盘上有4个齿，打孔时形成不连续的矩形孔，最大打孔深度20 cm。约翰迪尔的CS1360型播种机可实现草地打孔播种功能，其采用直接打孔播种的方式，通过地轮驱动钉齿滚筒开种孔，然后进行播种，并碎土镇压，一次性完成打孔、播种、覆土镇压等作业工序。

我国天然草地改良技术研究起步较晚。目前，我国草地改良主要是集中在草地土壤改良及地表植被恢复上，主要改良机械包括牧草破土切根机械、补播施肥机械、松土机械和杂草去除机械。尤泳等[4]发明的9QP-830型草地破土切根机，利用拖拉机输出轴的动力驱动破土切根刀正向旋转，以冲击、贯入的形式切割板结土壤，切根刀以主动转动的方式切断牧草地下横走根系，翻垡效果接近于0。王德成等[5]设计了一种集切根、施肥和补播功能于一体的主动传动式切根施肥补播复式作业机，可用于羊草草地改良。董向前等[6]研发的9ST-460型草地振动式间隔松土机，先由前导圆盘切根形成条状土垡，然后经振动松土铲进行松土，完成土壤强制疏松后铺放于原来的位置，在土垡铺放后由镇压装置进行镇压，实现了坚实度高草地土壤条件下的虚实耕作和原地放垄。徐万宝[7]在设计草地多功能改良机械时提出了羊草地切根松土机械化改良工艺技术，该技术主要是用来更新复壮羊草草地。由于我国草地类型多样化，导致国内对退化草地改良措施、改良机械等研究具有局限性[8]。

受广西省农业科学院韦本辉等[9]研发的粉垄技术启发，张家口市农业科学院与山东弛象科技有限公司合作开展遁耕机械的研发、改进与使用，并首次提出草地遁耕的概念，即倒“T”型平板犁地下行走，对耕作层土壤一次性振动疏松，不翻土，对地表植被微创，且不改变土层结构，耕层深度可调。遁耕机械的构造设计是在架体的顶部设置种肥仓，在架体底部设置开沟刀和深耕刀，在深耕刀后侧设置竖向管和横管与储肥槽连接，用外部驱动装置牵引驱动，遁耕的同时还可实现一体化播种和施肥。遁耕对草地的改良效果达到了预期目标，可作为草地改良技术进行推广使用。

为创新草地改良措施与方法，以河北省坝上地区轻中度退化草地为改良对象，采用遁耕深松土施肥播种一体化改良技术对退化草地进行修复，研究遁耕对草地植物群落的影响，以期探明遁耕措施对草地改良的效果，明确退化草地改良的有效途径，为科学开展退化草地恢复提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于张家口市察北管理区沙沟镇吉家村（北纬44°10′、东经116°28′），属温带草原半干旱气候。该区年平均温度-0.4℃，最冷月（1月）平均温度-22.5℃，最热月（7月）平均温度18.8℃；年降水量300～400 mm，年际间差异较大，丰水年、干旱年的降水量分别为500和160 mm，全年约70%的降水量集中在6～8月；年蒸发量约1 700 mm。

1.2 试验材料

在河北省坝上地区，选择轻中度退化草地作为改良对象。遁耕施肥播种一体机由山东弛象科技有限公司研发（专利号：CN 209572364U）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计2018年5月26日使用遁耕施肥播种一体机，采用振松底层耕（遁耕）法，即：利用动力牵引遁耕施肥播种一体机，其薄型平板犁入土深30～35 cm，将草原植被30～35 cm耕作层土壤在耕切的过程中振松土壤，且进行施肥和保水剂样地处理。试验遁耕草地改良措施设遁耕（D1）、遁耕+施肥（D2）、遁耕+保水剂（D3）、遁耕+施肥+保水剂（D4）4个处理；以相邻地块未进行遁耕处理作为对照（CK）。小区面积15 m×30 m，隔离带面积5 m×30 m。每处理均3次重复。

1.3.2 测定项目与方法2019年7月中旬草原植被生长旺盛期，每小区均随机选取5个1 m×1 m的样方，记录植物名称；每种植物均随机选取5株，用卷尺测量其自然高度；目测植被盖度，记录各物种数量（物种密度）；将样方内所有植物齐地面刈割后，先121℃杀青60 min，后65℃下烘干至恒重，称量地上部生物量。根据公式，计算物种重要值（IV）以及多样性指标Shannon-Wiener多样性指数（H）、Margalef丰富度指数（Ma）、Pielou均匀度指数（J）和Simpson优势度指数（D）：

式（1）中，A为第i种物种的相对高度（第i种物种的高度/各植物高度之和×100），B为第i种物种的相对密度（第i种物种的个体数/全部物种的个体数×100），E为第i种物种的相对盖度（第i种物种的盖度/各物种的盖度之和×100）；式（2）～（5）中，Pi=IV/∑IV，S为物种数，N为物种总个体数，Nmax为占优势种的个体数。

1.3.3 数据处理与分析利用Excel 2010软件对试验数据进行统计并绘图；利用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 遁耕对草地生长量的影响

不同遁耕措施处理的牧草株高和地上部生物量差异均不显著，但指标值均显著＞CK，其中株高提高了54.75%～73.50%，地上部生物量增加了178.95%～357.89%（表1）。表明不同的遁耕措施均可明显促进牧草株高生长和地上部生物量增大，但遁耕后是否施入肥料和保水剂效果差异不显著。

表1 不同遁耕措施对草地生长量的影响Table 1 Effect of different grass-friendly tillage on the growth capacity of degraded grassland

不同遁耕措施处理的草地盖度差异较大，其中D3处理的指标值显著＞其他处理，较CK提高了45.69%；而其他处理之间差异均不显著。表明不同的遁耕措施对草地盖度的影响也不一样，其中遁耕+保水剂（D3）处理可明显提高草地盖度。

不同遁耕措施处理的草地密度差异较大，且均＞CK，其中D2处理的指标值最高、D1处理次之，二者差异不显著，但均显著＞其他处理，指标值分别较CK提高了266.99%和244.66%；而其他处理之间差异均不显著。表明不同的遁耕措施均可提高草地密度，其中遁耕（D1）和遁耕+施肥（D2）处理效果明显。

综上分析可以看出，不同的遁耕措施均可明显促进牧草生长，改善退化草地的生长状况，其中只进行遁耕（D1）较为经济。

2.2 遁耕对草地多样性的影响

不同遁耕措施处理的草地D、H和Ma差异均不显著，但D和H均＞CK，Ma均显著＜CK，其中D1、D3和D4处理的D与CK差异达到了显著水平，D1和D3处理的H与CK差异达到了显著水平；草地J差异较大，且指标值均＞CK，其中D3和D4处理与其他处理差异均达到了显著水平（表2）。表明不同的遁耕措施均可提高草地的Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数，明显降低退化草地的Margalef丰富度指数，但各遁耕措施之间仅Pielou均匀度指数差异较大，其中D3和D4处理的Pielou均匀度指数明显较高。

表2 不同遁耕措施对草地多样性的影响Table 2 Effect of different grass-friendly tillage on the diversity of degraded grassland

综上分析可以看出，不同的遁耕措施均可提高退化草地的多样性指数，其中遁耕+保水剂（D3）处理效果最好，可明显提高草地的Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数。

2.3 遁耕对草地优势度的影响

不同遁耕措施处理的草地植物群落优势度差异较大，其中羊草和冰草的指标值均显著＞CK，分别较CK提高了20.15%和32.08%；糙隐子草和冷蒿的指标值均显著＜CK，分别较CK降低了63.37%和54.15%（表3）。表明不同的遁耕措施均可显著提升草地优质牧草的比重，明显提高草地的生产力。

表3 不同遁耕措施对草地植物群落优势度的影响Table 3 Effects of different grass-friendly tillage on dominance of degraded grassland plant Community（%）

3 结论与讨论

植物群落的物种组成是决定草原群落性质、结构和功能的重要指标。草地植被盖度是植物群落覆盖地表状况和植被生长态势的重要指标[10，11]，可以反映草地的类型、植物同化面积、生物量积累情况等。本研究条件下，不同的遁耕措施均可明显促进牧草生长，株高、地上部生物量分别提高了54.75%～73.50%和178.95%～357.89%，与谢金玉等[12]在桂中地区的草地改良效果基本相当；遁耕+保水剂处理的草地盖度显著高于其他处理，较CK提高了45.69%，与卫智军等[13]解板机对呼伦贝尔退化羊草草地的改良效果大体一致；遁耕、遁耕+施肥处理的草地密度明显增大，分别较CK提高了244.66%和266.99%。遁耕显著影响草地的植物群落优势度，其中羊草和冰草的优势度明显提高，糙隐子草和冷蒿的优势度明显下降，与聂素梅等[14]和刘树强等[15]的研究结果类似；提高草地的多样性指数，其中Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数均有不同程度的提高，Pielou均匀度指数明显降低，与张英等[16]在新疆塔额垦区退化山地草甸类草地改良前后群落特征变化的研究结果相似。

本研究结果表明，在冀西北轻中度退化草地改良中，遁耕可有效促进牧草生长，明显提高草地的多样性和生产力。遁耕后草地的Margalef丰富度指数下降、盖度出现不同程度的变化，可能与草地改良后牧草种类优势度转化过程有关，且遁耕机械不完善导致在耕作过程中草地犁痕面稍大，也影响其盖度和丰富度。遁耕措施适宜在轻中度草地改良中推广使用。