李银科, 唐进年, 王 祺, 袁宏波, 杨雪梅, 何芳兰

(甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室/省部共建国家重点实验室培育基地,甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站, 甘肃省治沙研究所, 甘肃 兰州 730070)

玛曲高寒草原是黄河上游重要的水源涵养区和补给区。近几十年来，受全球气候变暖和人为活动的影响，草地退化严重，沙化土地面积不断扩大，已成为严重的生态环境问题[1-3]。高寒区草地沙化成因[4-6]及治理技术研究得到了众多学者的关注，但高寒沙化土地治理技术研究起步晚，基础理论研究相对薄弱，目前尚未形成适宜当地的系统、成熟的治理技术和模式[7]。关于高寒沙化土地治理，已开展了封育、补播、施肥[8-9]、植物种选择[10]、设置沙障[11-12]及综合治理等[13]方面的研究，取得了一些初步成效，如位于海拔较低的青海共和盆地的沙珠玉治沙站(海拔2 871 m)采取“沙障+灌木”模式进行流动沙丘治理[14]。但对于高海拔的若尔盖草原(海拔3 300 m以上)，“沙障+灌木”模式治理流动沙丘并不成功。相对于干旱半干旱地区，高寒区水分充足，更有利于沙丘植被恢复，所以流动沙丘治理应以生物措施为主，工程措施为辅。已有高寒沙化土地治理研究以防治思路[15]、防治途径探讨[16-17]和沙障固沙[18]居多，生物措施以栽植灌木[19-20]为主，对以植被恢复为目的、种植牧草治理沙化土地的技术研究鲜为报道。

高寒草地生态系统脆弱，抗干扰能力差，极易受到人为等因素的干扰，造成草地退化，植被一旦遭受破坏，依靠自然恢复不仅周期长，而且非常困难[21]。人工辅助措施是退化土地植被快速恢复的重要途径[22]，合理有效的人工辅助措施尤为重要。人们在甘肃省玛曲县曾使用“沙障+灌木”治理流动沙丘，效果不好。该区原生植被为草本植物，通过种植牧草来进行沙化土地植被恢复是最切实可行的治理手段。流动沙丘表面覆盖牛羊粪既可以固沙、保持水土，又能为植物生长提供养分。本研究结合铺施牛羊粪种植牧草，在玛曲县开展流动沙丘植被恢复试验，以期为高寒区沙化土地治理提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于青藏高原东南缘的甘肃省玛曲县，年平均气温1.1 ℃-2.7 ℃，极端最低气温-29.6 ℃，最高气温23.6 ℃，无绝对无霜期，年平均降水量501.6～615.5 mm，主要集中于5—9月，年平均蒸发量1 000～1 500 mm，年平均风速2.5 m/s，最大风速36 m/s，8级以上大风日数77.1 d，最多日数达121 d，每年12月至翌年5月为大风季节，气候高寒阴湿，属半湿润草原区。地带性土壤为草甸土，土层沙源丰富，地表部分被沙土覆盖，有不连续的流动沙丘分布。植被以藏嵩草(Kobresiatibetica)、垂穗披碱草、疏花针茅(Stipapenicillata)、高羊茅(Festucaelata)、草地早熟禾(Poapratensis)等为主，沙化草地以褐鳞苔草(Carexbrunnescens)、赖草(Leymussecalinus)等为主。

1.2 试验设计

本研究试验在一个小型流动沙丘(102°09′06″E， 33°55′00″N，H 3 433 m)上进行，该沙丘长55 m，宽40 m，高5 m，分为牛羊粪+无沙障、牛羊粪+沙障、无牛羊粪+沙障和无牛羊粪+无沙障4种种草模式。牛羊粪+无沙障模式采用撒播和条播两种播种方式，牛羊粪+沙障用5种草种分别播种。试验草种包括垂穗披碱草、无芒雀麦(Bromusinermis)、中华羊茅(Festucasinensis)、燕麦(Avenasativa)，均为青海同德高寒牧草良种繁育基地生产。牛羊粪来源于试验沙丘旁牧民家，沙障设置为1 m×1 m植物纤维网方格，植物纤维网为甘肃汇投治沙科技股份有限公司生产，其性能指标：透气性5 000～7 000 mm/s，减风速效率≥60%，透风率60%±5%。从迎风坡底部沿主风向方向划出30 m，垂直于主风向划出48 m的范围作为迎风坡试验区，沿垂直于主风向方向将迎风坡试验区分为8个30 m×6 m的样地，依次布置牛羊粪+无沙障模式的撒播和条播试验、牛羊粪+沙障模式的5种草种试验和无牛羊粪+沙障种草模式。从背风坡底部开始、纵向划出3 m，横向划出20 m的范围布置无牛羊粪+无沙障模式试验。草种选择适应高寒区生长的多年生植物种垂穗披碱草、无芒雀麦、中华羊茅。所有试验样地均播种一年生牧草燕麦，为帮助试验草种破土出苗和遮阴避免强光灼伤幼苗。2018年6月初布置试验，用围栏围封试验区，试验布置具体情况见表1。

表1 不同种草方式试验设置情况

分别于2018年8月底和2019年9月初调查牧草生长情况。在每个试验样地随机选取5个1 m×1 m的样方调查物种高度、密度、盖度、地上生物量等指标。2018年调查时混播的3种牧草，由于幼苗小，难以分辨；2019年调查时发现混播的3种牧草群落垂穗披碱草比例占绝对优势，无芒雀麦和中华羊茅的数量不及3种牧草总数量的3%，所以统计时都按垂穗披碱草计。由于新侵入的物种种类和数量很少，所以以人工播种草种的高度和密度代表所有物种的高度和密度，盖度和地上生物量为植被总盖度和总生物量。高度取10株的平均值，盖度用目测法，地上生物量用刈割法。2019年调查时，在每个调查样方内取0—5 cm土层土样1个，测定土壤有机质(重铬酸钾氧化—外加热法)、全氮(半微量凯氏法)、速效磷(碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法)、pH值(电极法)、电导率(电导仪法)、机械组成(粒度仪法)和田间持水量(环刀法)。

1.3 数据分析

数据分析采用SPSS 13.0统计软件，分别以播种方式、不同草种和种草模式为变量因素对牧草生长指标进行单因素方差分析，用最小显著性差异LSD(p<0.05)法进行处理间差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 播种方式和草种对牧草生长的影响

在牛羊粪+无沙障种草模式下，比较撒播和条播对牧草生长的影响。2018年，两种播种方式下牧草高度、密度、盖度均无显著差异；2019年，两种播种方式下牧草高度、密度、盖度、地上生物量鲜重和干重均无显著差异(表2)，表明播种方式对牧草生长没有影响。

表2 高寒草原不同播种方式下牧草生长状况

在牛羊粪+沙障种草模式下，比较不同草种对牧草生长的影响。如表3所示，2018年，5种草种之间高度、密度和盖度均无显著差异。2019年，垂穗披碱草、混播和包衣垂穗披碱草高度分别显著高于无芒雀麦和中华羊茅，中华羊茅密度显著大于其他草种、无芒雀麦密度最小且显著小于中华羊茅和垂穗披碱草，无芒雀麦盖度显著高于其他草种，地上生物量鲜重和干重5种草种之间均无显著差异。无芒雀麦盖度和生物量较大，与该样地原生有少量赖草有关。与种植其他草种相比，单种无芒雀麦虽然盖度最大，但密度最低；单种中华羊茅虽然密度较大，但盖度和地上生物量和其他草种相当；再者，无芒雀麦和中华羊茅高度都不占优势，地上生物量和其他3种草种无显著差异。因此认为，5种试验草种的生长状况差异不大，对植被恢复的作用相当。与2018年相比，所有草种2019年高度、密度和盖度均大幅增加，这是由于多年生牧草种植当年生长量小、无分蘖、无抽穗，第2年有分蘖、而且植株生长更高更大，中华羊茅和垂穗披碱草有抽穗。

表3 高寒草原种植不同草种下牧草生长状况

2.2 种草模式对牧草生长的影响

在牛羊粪+无沙障种草模式中用撒播、牛羊粪+沙障种草模式中用混播、与无牛羊粪+沙障、无牛羊粪+无沙障进行种草模式间的差异性比较。由表4可知，2018年，无牛羊粪+沙障模式牧草高度、密度和盖度均最小，而且密度和盖度均显著小于其他种草模式。无牛羊粪+无沙障模式牧草高度、密度和盖度均显著大于其他模式。牛羊粪+无沙障模式和牛羊粪+沙障模式之间牧草高度、密度和盖度均无显著差异。

表4 高寒草原不同种草模式下牧草生长状况

2019年，与没有施牛羊粪的种草模式相比，铺施牛羊粪种草模式下牧草高度、密度、盖度、地上生物量鲜重和干重均显著增加，而且大幅增加(表4)，由于铺施牛羊粪较多，牛羊粪+无沙障模式(牛羊粪厚度约2 cm)下牧草高度和盖度显著地高于牛羊粪+沙障模式(牛羊粪厚度约1 cm)。同样不施牛羊粪的情况下，背风坡的无牛羊粪+无沙障模式可能由于较少受大风的直接吹蚀，水热条件较好，牧草生长状况明显优于迎风坡的无牛羊粪+沙障模式。

无牛羊粪+无沙障模式下，牧草种植当年生长情况比其他3种模式优势非常明显，但经过一个冬春风季以后，第二年的生长情况远不及铺施牛羊粪模式，这说明铺施牛羊粪对牧草的安全越冬具有非常重要的作用。

与2018年相比，2019年铺施牛羊粪的种草模式下牧草高度、密度和盖度均大幅增加，而在没有施牛羊粪的种草模式下牧草高度、密度和盖度增加幅度较小，甚至密度有减小的情况(无牛羊粪+无沙障模式)。2019年牧草密度增大是因为有分蘖，密度减小是由于部分根系被风蚀裸露而死亡的原因。

2.3 种草模式对土壤性质的影响及其与牧草生长的关系

与没有施牛羊粪的种草模式相比，铺施牛羊粪使得土壤养分和保持水分状况明显改善(表5)，其中，牛羊粪+无沙障模式施牛羊粪较多，土壤有机质、全氮、速效磷和田间持水量显著增加；牛羊粪+沙障模式土壤速效磷和田间持水量显著增加。由于无牛羊粪+无沙障模式在沙丘背风坡实施，土壤砂粒含量相对较高。铺施牛羊粪也有利于土壤粉粒和黏粒含量的增加。

表5 高寒草原不同种草模式下0-5 cm土层土壤理化性质

由表6可知，除密度、干重与土壤有机质之间的相关关系不显著外，牧草高度、密度、盖度、地上生物量鲜重和干重分别与土壤有机质、全氮、速效磷和田间持水量呈显著或极显著的正相关关系。高度、密度和盖度分别与砂粒含量呈显著或极显著的负相关关系，分别与粉粒含量呈显著或极显著的正相关关系。这进一步说明良好的土壤养分条件和持水能力对牧草生长的具有重要促进作用。

表6 高寒草原牧草生长状况与土壤理化性质的相关关系

3 讨 论

本试验经过2个生长季的结果表明，铺施牛羊粪情况下，牧草整体生长情况良好，能安全越冬，流动沙丘植被快速恢复，效果非常明显。撒播和条播两种播种方式对牧草生长基本没有影响，不同草种的影响也不大。从混播样地来看，垂穗披碱草比例从播种时的50%到2 a后植株占绝对优势，而无芒雀麦和中华羊茅两者总和从播种时的50%到2 a多后植株占比不足3%，足以说明垂穗披碱草竞争力很强。种植当年的2018年，各个草种均无抽穗，2019年调查发现垂穗披碱草抽穗率很高，而且种子成熟很好，中华羊茅抽穗很少，无芒雀麦无抽穗植株，反映了无芒雀麦和中华羊茅种子成熟周期长，繁殖力差。2019年，在混播样地同时调查了3种试验草种的根系，垂穗披碱草、无芒雀麦和中华羊茅的根冠比分别为2.7，2.1，1.2，最长根长分别为18，13，12 cm，垂穗披碱草发达的根系支撑了其强大的竞争力和繁殖力。再考虑到种植第2年(2019年)，垂穗披碱草高度比无芒雀麦和中华羊茅均高出一倍左右，防风固沙优势明显。所以，3种试验草种只需播种垂穗披碱草就可以满足研究区沙化土地植被恢复的需要。试验同时播种一年生牧草燕麦，其出苗生长快、当年生长量大，具有帮助多年生草种破土出苗、遮阴降低地表极端高温，改善局部小气候的作用[23]，也有一定的防风固沙的作用，为其他牧草的生长提供有利条件，促进地表植被恢复。试验中包衣垂穗披碱草比不包衣的生长状况相对更好，但种子价格较高，可根据成本灵活选择。

研究区风大沙多，流动沙丘植被恢复首先要考虑固沙问题[24]，只有沙丘被固定，牧草生长才能有稳定的土壤环境，才能安全越过冬春风季。风季土壤蒸发强烈，干沙层增厚，会引起根系缺水，如果沙面固定不好，在大风的吹蚀下根系露出沙面，导致根系死亡。本试验中沙丘表面覆盖牛羊粪的一个重要的作用就是阻止风季牧草根系周围沙粒被风吹蚀，保护根系、固定沙丘，相当于沙障的作用，只要铺施牛羊粪达到一定的量，就可以不用另外设置其他沙障，铺施较多牛羊粪情况下(厚度约2 cm)，网格沙障已无必要。高寒草原沙化土地治理过程中，恢复植被应该充分考虑土壤水分和养分含量对植物生长的影响[25]，本研究2019的相关分析也表明，牧草生长状况与土壤养分和持水能力呈显著正相关关系。腐熟牛羊粪养分含量高，而且覆盖在沙丘表面雨水可以下渗，又能减少沙丘水分蒸发，铺施牛羊粪显著并大幅增加了沙丘土壤养分和土壤持水能力，种植第2年牧草生长状况明显优于不施牛羊粪情况。无牛羊粪+沙障种草模式下，虽然网格沙障固定了沙丘，但沙丘土壤养分瘠薄，不能提供牧草正常生长所需的养分；再者，沙面裸露土壤持水能力很差，连续大风干旱天气会引起土壤干旱，导致牧草缺水不能正常生长。无牛羊粪+无沙障种草模式下，由于位于背风坡，小地形使得植物生长的环境略好于迎风坡，再者，播种深度很深(12 cm)，根系能够利用较深沙层水分，当年生长很好，第2年调查时条播行间有风蚀沟，部分根系外露，越冬差，加上土壤养分不足，生长情况明显差于铺施牛羊粪模式。两种都铺施牛羊粪的种草模式相比，牛羊粪+无沙障模式施牛羊粪多(厚度约2 cm)，土壤养分充足，牧草生长相对更好，尤其是种植第2年高度、盖度和地上生物量均显著大于牛羊粪+沙障模式(牛羊粪厚度约1 cm)。

高寒沙地植被恢复过程中，植物多样性逐步增加[26]。2019年调查发现，4种种草模式下均出现了少量试验草种以外的植物种，牛羊粪+无沙障模式中有：灰绿藜(Chenopodiumglaucum)、褐鳞苔草、赖草、臭蒿(Artemisiahedinii)；牛羊粪+沙障有：阿拉善马先蒿(Pedicularisalaschanica)、露蕊乌头(Aconitumgymnandrum)、臭草(Melicascabrosa)、黄耆(Astragalusmembranaceus)、灰绿藜、臭蒿、花苜蓿(Medicagoruthenica)、早熟禾(Poaannua)、褐鳞苔草、草莓(Fragariaananassa)；无牛羊粪+沙障：赖草、臭蒿；无牛羊粪+无沙障：灰绿藜。除沙丘原有的赖草外，其他为新的侵入种，来源于草地种子风媒传播和牛羊粪。从种类数量来看，施牛羊粪模式下新的侵入种明显多于不施牛羊粪模式，牛羊粪改善了土壤条件，有利于种子定居，植物多样性逐步增加。牛羊粪+沙障模式入侵种类最多，该模式网格沙障高15 cm，有利于拦截种子，使其定植。

4 结 论

高寒流动沙丘人工播种牧草后铺施牛羊粪，植被能够很快恢复，第2年本地植物种开始入侵，植物多样性开始增加。利用牧草进行高寒草原流动沙丘植被恢复过程中，铺施牛羊粪具有防沙固沙、改善土壤养分和增加土壤持水能力的多重作用，牛羊粪还具有就地取材的便捷性、成本低、无污染等优点，是研究区流动沙丘进行人工植被恢复的优质材料。本研究中，铺施牛羊粪厚度达到2 cm，牧草生长状况最好、已无必要设置其他沙障进行固沙。牛羊粪+无沙障种草模式是研究区流动沙丘植被恢复最优的种草模式。

为保障种植牧草安全越冬，提高流动沙丘植被恢复效果，在种植牧草时应注意以下几点：①播种时间宜早不宜迟，最早可以在5月初播种。高寒区植物生长季短，适度早播可以增加牧草生长时间，牧草根系生长更发达，提高牧草越冬能力；②播种深度适度加深，这样根系能够吸收较深层土壤水分，提高牧草抵御不良天气的能力，但加深播种深度的同时要加大播种量，以避免出苗率低的现象。