烏日拉嘎，劉慧潔，薩如拉，郝巴雅斯胡良，烏亞罕，特木爾布和

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.鄂爾多斯市鄂托克前旗現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)新技術(shù)推廣辦公室，內(nèi)蒙古 鄂托克前旗 016100）

毛烏素沙地是中國四大沙地之一， 地理位置獨特，處于干旱—半干旱氣候區(qū)，水熱條件較我國其他沙漠優(yōu)越［1-5］。 沙化草地治理和植被恢復(fù)對提升草地畜牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)效益具有重要作用。 長期以來， 對自然資源掠奪性利用導(dǎo)致了草地生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化。 20 世紀(jì)70 年代開始，人們對鄂爾多斯市毛烏素沙地進(jìn)行了大范圍的生態(tài)治理，成效顯著，給當(dāng)?shù)貛砹司薮蟮纳鷳B(tài)、經(jīng)濟和社會效益。 近年來，毛烏素沙地生態(tài)狀況好轉(zhuǎn)。 統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，鄂爾多斯市毛烏素沙地治理率已達(dá)七成。但是曾經(jīng)的治理重點偏向生態(tài)修復(fù)， 輕視了草地改良后的再利用。 草地的利用價值取決于其生產(chǎn)功能，即草地的優(yōu)良牧草須占一定比例，并生產(chǎn)出滿足畜牧業(yè)發(fā)展需求的優(yōu)良牧草［6-10］。 嚴(yán)重沙化草地（流沙草地）的改良至關(guān)重要，毛烏素沙地地下水位較高，種植多年生優(yōu)良牧草易存活［11］。 通過種植多年生優(yōu)良牧草并加以灌溉，可以把流動沙丘變成優(yōu)良半人工草地，大幅度提高畜牧業(yè)生產(chǎn)水平。

該研究采用牧草混播和草地灌溉技術(shù)， 對嚴(yán)重沙化草地進(jìn)行治理，大幅度提高牧草產(chǎn)量、品質(zhì)和草地生態(tài)功能， 以期為嚴(yán)重沙化草地有效改良提供技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市南部、 陜西省榆林市北部以及寧夏回族自治區(qū)鹽池縣東北部， 占地面積4.22 萬hm2， 流沙面積達(dá)1.38 萬hm2（占總面積的32.70%）。 該試驗研究區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗哈日色日嘎查，107°40′22.1″E，37°59′16.2″N，海拔1 360 m，屬于嚴(yán)重沙化區(qū)，按照《天然草原等級評定技術(shù)規(guī)范》（NY/T 1579—2007）定為五等八級（Ⅴ8）以下沙化草地。 毛烏素沙地屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照豐富，四季分明，年平均氣溫7.1 ℃，極端最低溫-31.6 ℃，極端最高溫36.6 ℃，≥0 ℃積溫3 458.8 ℃，年平均無霜期122 d；年平均降水量247 mm，年平均蒸發(fā)量2 514.8 mm；土壤大部分屬于風(fēng)沙土。鄂托克前旗高等牧草資源有303 種，飼用牧草有280 種［12］。

1.2 試驗方法

嚴(yán)重沙化治理區(qū)總面積為124 hm2，以治理區(qū)外的自由放牧區(qū)作為對照區(qū)。 2015—2017 年，對嚴(yán)重沙化治理區(qū)在不破壞原有植被的原則下，將高低不平的流動沙丘適當(dāng)平整后松土， 混播紫花苜 蓿（Medicago sativa）、沙 打 旺（Astragalus adsurgens）、 草 木 樨 （Melilotus officinalis）、 羊 柴（Hedysarum laeve）、披 堿 草（Elymus dahuricus）和老芒麥（Elymus sibiricus）等6 種優(yōu)良牧草，采用同行條播方式，播種行距為25 cm。 灌溉設(shè)備采用維蒙特時針式噴灌機。 在嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)選擇代表性的地段，隨機取1 m2樣方，3 個重復(fù)。 全年人工灌溉量計算公式為生長季（d）×牧草全年生長季需水強度（mm/d），補播生長季需水強度按3～4 mm/d 計算，生長期為130 d，則全年人工灌溉量為（130×3）mm～（130×4）mm。

混合播種組合：a.紫花苜蓿+草木樨+老芒麥+披堿草+沙打旺；b.沙打旺+羊柴+老芒麥+披堿草+草木樨。 混播量計算公式：K=HT/X。 式中，K 為每種混播牧草的播種量（kg/hm2），H 為該種牧草種子利用價值為100%時的單播量（kg/hm2），T 為該種牧草混播中的比例 （%），X 為該種牧草種子的實際利用價值（純凈度×發(fā)芽率，%）。

1.3 試驗方法

1.3.1 植物種類調(diào)查2018—2020 年在嚴(yán)重沙化治理區(qū)，采用棋盤式法進(jìn)行植物種類調(diào)查。

1.3.2 植物“四度一量”測定多度：表示一個種在群落中的個體數(shù)目；頻度：某個物種在調(diào)查范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻率， 頻度＝某種出現(xiàn)的樣方數(shù)／樣方總數(shù)×100%；蓋度：指牧草地上部分垂直投影面積占樣地面積的百分比；高度：測量植物體長的一個指標(biāo)；產(chǎn)量：單位面積土地上獲取的不包括根系的作物干物質(zhì)的總量。

1.3.3 植物光合作用的測定利用FS-3080D 光合速率儀對植物CO2吸收率、 光合速率、 蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度進(jìn)行測定。

1.3.4 植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)測定Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)計算公式：H′值＝-∑Pi×lg（Pi）。

式中：Pi=ni/N，表示第i 個物種的相對多度，其中，ni為第i 個物種的個體數(shù)目，N 為樣方中所有個體總數(shù)。

1.3.5 土壤養(yǎng)分測定用pH 值測定法測定土壤pH 值； 用日本產(chǎn)SUMIGRAPHNC-900 儀測定全氮含量；采用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量；采用NaOH 熔融—鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用NH4AC 浸提—火焰光度法測定速效鉀含量；用DDS-307 型電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

應(yīng)用Excel 2010 制表繪圖經(jīng)SAS 9.0 軟件處理試驗數(shù)據(jù)， 采用t 檢驗對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行多元和直線回歸與相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 嚴(yán)重沙化草地治理對植物種類數(shù)的影響

由圖1 可知， 嚴(yán)重沙化草地治理后植物種類變化明顯，由治理前（2015 年）的14 種，分別上 升 到2018 年、2019 年 和2020 年 的72、83 和97 種。

圖1 嚴(yán)重沙化草地治理前后植物種數(shù)變化

2.2 嚴(yán)重沙化草地治理對植物“四度一量”的影響

由t 檢驗結(jié)果可知， 嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)比較， 嚴(yán)重沙化治理區(qū)牧草平均高度、蓋度、多度、頻度及產(chǎn)量等指標(biāo)均有顯著（P＜0.05）差異， 由大到小順序均為嚴(yán)重沙化治理區(qū)＞對照區(qū)（自由放牧區(qū)）（見表1）。

表1 嚴(yán)重沙化治理對牧草“四度一量”的影響

2.3 嚴(yán)重沙化草地治理對植物光合特性的影響

t 檢驗、多元和直線回歸與相關(guān)分析結(jié)果表明，嚴(yán)重沙化治理區(qū)的牧草產(chǎn)量、CO2吸收量、光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度均顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)（見表2）。 對以上指標(biāo)進(jìn)一步進(jìn)行多元相關(guān)分析可知，蒸騰速率與光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率、 牧草產(chǎn)量與光合速率和蒸騰速率具有正相關(guān)關(guān)系。 牧草產(chǎn)量與光合速率的擬合方程為Y1=-72.17+99.26X1，相關(guān)系數(shù)為：r1=0.837，牧草產(chǎn)量與蒸騰速率的擬合方程為Y2=-47.98+416.87X2，相關(guān)系數(shù)為：r2=0.964（見表3、圖2、圖3）。

圖2 牧草產(chǎn)量與光合速率的相關(guān)關(guān)系

圖3 牧草產(chǎn)量與蒸騰速率的關(guān)系

表2 嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)牧草產(chǎn)量構(gòu)成要素統(tǒng)計表

表3 嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)牧草產(chǎn)量構(gòu)成要素與產(chǎn)量的關(guān)系

2.4 嚴(yán)重沙化草地治理對主要牧草Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)的影響

t 檢驗結(jié)果表明，嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)主要牧草Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)具有明顯差異，紫花苜蓿、披堿草、沙打旺、乳苣在嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)具有顯著差異（P＜0.05），大小順序為嚴(yán)重沙化治理區(qū)＞自由放牧區(qū)；乳苣在嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)具有顯著差異（P＜0.05），大小順序相反，自由放牧區(qū)＞嚴(yán)重沙化治理區(qū)； 豬毛菜在嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)具有顯著差異（P＜0.05），大小順序為自由放牧區(qū)＞嚴(yán)重沙化治理區(qū)（見表4）。

表4 嚴(yán)重沙化治理對主要牧草Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)的影響

2.5 嚴(yán)重沙化草地的治理對土壤養(yǎng)分和電導(dǎo)率的影響

由t 檢驗結(jié)果可知， 嚴(yán)重沙化治理區(qū)與自由放牧區(qū)土壤全氮含量無顯著（P＞0.05）差異；嚴(yán)重沙化治理區(qū)土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀含量顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)；嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)土壤pH 值無顯著（P＞0.05）差異；嚴(yán)重沙化治理區(qū)土壤電導(dǎo)率顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)（見表5）。

表5 嚴(yán)重沙化治理對土壤養(yǎng)分和電導(dǎo)率的影響

3 討論

嚴(yán)重沙化草地治理很大程度上影響植物種類的增加和草地生態(tài)功能的復(fù)蘇，提高草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能［13］。 嚴(yán)重沙化草地經(jīng)過3 年治理植物種類治理之前（2015 年）有14 種，2018 年、2019 年和2020 年時，分別增加到72、83 和97種，且增加了原來未有的紫花苜蓿、沙打旺、草木樨、羊柴、披堿草和老芒麥等新的優(yōu)良牧草，這一結(jié)果證明沙化嚴(yán)重的草地經(jīng)過治理更好地發(fā)揮作用。

植物“四度一量”是評價草地生產(chǎn)力水平和生態(tài)功能的最基本指標(biāo)之一， 產(chǎn)量和蓋度是重要指標(biāo)［14］。 該研究對毛烏素沙地嚴(yán)重沙化草地進(jìn)行多年治理后發(fā)現(xiàn)牧草產(chǎn)量大幅度提升， 嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)牧草產(chǎn)量比較可知， 嚴(yán)重沙化治理區(qū)牧草產(chǎn)量和蓋度比自由放牧區(qū)分別提高269%和97%， 隨著優(yōu)良牧草數(shù)量大幅度增加，改善了草地牧草產(chǎn)量及質(zhì)量， 同時發(fā)現(xiàn)自由放牧區(qū)植物大部分屬于砂引草（Messerschmidia sibirica）、豬毛蒿 （Artemisia scoparia） 和苦豆子（Sophoraalopecuroides）等一年生或多年生劣等牧草，家畜幾乎不采食。

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分， 也是通過光合作用吸收CO2的主要場所，CO2的吸收取決于綠色植物的覆蓋度和產(chǎn)量［15］。 在測定不同治理草地植物種類、生物量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測定了牧草產(chǎn)量、CO2吸收量、光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度， 發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重沙化治理區(qū)的這些指標(biāo)顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)。 草地植物的光合能力直接關(guān)系到整個群落的生產(chǎn)力水平， 而這種能力與植物群落的物種組成密切相關(guān)。 光合速率在嚴(yán)重沙化治理區(qū)、 自由放牧區(qū)之間有顯著差異（P＜0.05）， 大小順序為嚴(yán)重沙化治理區(qū) ［5.70 pn/（μmol·m2·s）］＞自由放牧區(qū) ［4.33 pn/（μmol·m2·s）］，該結(jié)果與侯扶江［16］研究結(jié)果一致；植物通過蒸騰作用為大氣提供水蒸氣， 使當(dāng)?shù)氐目諝獗３譂駶?，氣溫降低，讓?dāng)?shù)氐挠晁渑?，形成良性循環(huán)。光合作用越強烈蒸騰速率越快，蒸騰速率在嚴(yán)重沙化治理區(qū)、自由放牧區(qū)有顯著差異（P＜0.05），大小順序為：嚴(yán)重沙化治理區(qū)［2.64 g/（m2·h）］＞自由放牧區(qū)［0.24 g/（m2·h）］，嚴(yán)重沙化治理區(qū)的蒸騰作用比自由放牧區(qū)高出11 倍， 這一結(jié)果與Parsons 等［17］研究結(jié)果相符。 對以上指標(biāo)進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)分析得知， 牧草產(chǎn)量與光合速率和蒸騰速率呈正相關(guān)關(guān)系， 相關(guān)系數(shù)分別為r1=0.837 和r2=0.964， 牧草產(chǎn)量與光合速率的擬合方程為：Y1=-72.17+99.26X1， 牧草產(chǎn)量與蒸騰速率的擬合方程為：Y2=-47.98+416.87X2。

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)表明， 群落中植物種類增加代表群落的復(fù)雜程度增加，即H′值越大，物種在群落所含的信息量越大［18］。該試驗研究中， 選擇嚴(yán)重沙化治理區(qū)和自由放牧區(qū)的主要牧草紫花苜蓿、披堿草、沙打旺、乳苣和豬毛菜的植物Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)具有顯著（P＜0.05）差異，紫花苜蓿、披堿草和沙打旺是人工補播的多年生主要優(yōu)良牧草， 嚴(yán)重沙化治理區(qū)內(nèi)這些優(yōu)良牧草的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)；乳苣、豬毛菜是多年生和一年生低等牧草， 這些低等牧草在自由放牧區(qū)的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)顯著（P＜0.05）高于嚴(yán)重沙化治理區(qū)。

嚴(yán)重沙化草地的治理對土壤具有改良作用。該試驗結(jié)果表明，隨著植物種類增加，土壤中有機質(zhì)和養(yǎng)分也表現(xiàn)大幅度增加趨勢。 植物生長發(fā)育過程中氮、磷、鉀是最主要的營養(yǎng)元素。 土壤有機質(zhì)和全氮含量是土壤肥力的重要指標(biāo)。 在自由放牧區(qū)有機質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)人工投入極少，通過牧羊、牧牛等有機物質(zhì)不斷地人為輸出， 造成返還土壤的物質(zhì)減少， 土壤養(yǎng)分消耗過度， 土壤有機質(zhì)減小，活性有機質(zhì)變少，活性降低，肥力下降。土壤中的鹽分、水分、有機質(zhì)含量，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)不同程度地影響土壤的電導(dǎo)率［19-20］。 該試驗結(jié)果也表明，嚴(yán)重沙化治理區(qū)的氮和pH 值與自由放牧區(qū)相比無顯著（P＞0.05）差異，有機質(zhì)、速效磷、速效鉀含量和電導(dǎo)率等指標(biāo)顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)。

4 結(jié)論

嚴(yán)重沙化草地經(jīng)過3 年治理植物種類由治理前（2015 年）的14 種，到2018 年、2019 年和2020年時，分別增加到72、83 和97 種。 嚴(yán)重沙化草地治理區(qū)牧草的“四度一量”顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)； 嚴(yán)重沙化草地牧草CO2吸收量、 光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)。嚴(yán)重沙化草地治理區(qū)的紫花苜蓿、披堿草和沙打旺等多年生優(yōu)良牧草的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)。 嚴(yán)重沙化草地治理區(qū)和自由放牧區(qū)土壤有機質(zhì)、 速效磷、速效鉀和電導(dǎo)率等指標(biāo)顯著（P＜0.05）高于自由放牧區(qū)。 嚴(yán)重沙化草地經(jīng)過治理， 植物種類劇增，牧草生產(chǎn)水平和草地生態(tài)效益大幅度提升，土壤養(yǎng)分顯著改善。