张瑞强,高天明,刘铁军

(水利部牧区水利科学研究所,内蒙古 呼和浩特010020)

近年来,由于人为和自然因素的综合影响,我国草地普遍退化、沙化,承载能力不断降低,草原生态环境恶化呈加剧趋势,严重影响着牧区人民的生产生活,威胁着京、津及北方其他重要地区的生态安全。因此,防治草地退化,保护和修复草原生态,改善牧民生产生活条件,促进牧区经济社会发展,任务十分紧迫。

通过长期观测,积累大量第一手准确数据,估算草地水土流失水平(侵蚀模数),对于科学研究的不断深入、生态修复建设实践的科学指导,均具有十分重要的现实意义。

1 研究区基本情况

研究区为内蒙古希拉穆仁草原区,位于内蒙古包头市达茂旗东南部,为内蒙古高原牧区腹地,地理位置北纬 41°12′～ 41°31′,东经 111°00′～111°20′。该地区气候为中温带半干旱大陆性季风气候,其特点是春秋季干旱多风,夏季雨量较充沛,冬季干燥寒冷。多年平均降水量284.0 m,主要集中在7-9月,多年平均蒸发量2 305.0 mm,年湿润度0.31;中等年、中枯年、中湿年降水量分别为:286.4、224.8、330.1 mm。年平均气温 2.5℃,≥10 ℃年积温1 985～2 800℃·d,多年平均日照时数3 100 h,无霜期83 d左右。多年平均风速4.5 m/s,全年主要风向为北风和西北风,年大风时间为63 d,沙尘暴20～25 d。

该地区地处阴山山地向内蒙古高原的过渡带,平均海拔 1 600 m。既有剥蚀地形,又有冲积、堆积地形。高处为太古界、元古界、古生界各类变质岩和各期花岗岩,岩基裸露,由于长期受风蚀作用,丘陵多呈浑圆波状;低处由第四系细中砂、粗砾砂组成,具有水平交错层理,在埋深3～20 m内有较好的潜水储藏条件,地势平坦。土壤为各种基岩上发育的幼年土壤,高处除地表有微弱的腐殖质外,土壤为石质质地,粗糙,分布面积较小;低洼处一般分布较大面积的草甸栗钙土,质地为轻壤质或砂壤质,土壤水分和养分较丰富,有一定生产潜力[1]。

希拉穆仁草原地带性植被群落主要建群种或优势种有克氏针茅Stipa krylovii、冷蒿Aritimisia frigida、羊草 Leymus chinensis等多年生、旱生草本植物,呈现典型草原特征。

由于降水稀少,气候寒冷,自然条件差,加上多年超载过牧、旅游践踏等原因,大面积草地已严重退化、沙化。草地生产力水平从20世纪50-70年代载畜量0.67羊单位/hm2,降到目前0.35羊单位/hm2。希拉穆仁草原30年前共有植物种类约129种,目前不足80种[2]。

当地水土流失特点:风蚀十分常见,尤其在土地消融后植被完全返青前的3-5月更易于发生。又当地虽为干旱区,降水量偏少,但在每年7、8月降水往往集中发生,产生坡面径流,水蚀在夏季也很普遍。因此具有水力、风力复合侵蚀特点。

2 研究方法

2.1 草地植被调查诊断 2003—2008年近5年来,水利部牧区水利科学研究所承担水利部“荒漠草地植被修复综合技术”、“草地水土流失生态系统观测成套技术”等科研项目,以研究退化草地植被修复过程与潜力和水土流失特性为主要目的之一。项目研究区选择为内蒙古达茂旗希拉穆仁镇。项目实施首先对当地连年超载放牧草地退化情况进行了实地调查,并通过调查结果估计了水土流失水平。调查采用样方法。

2.2 草地封育试验 一般认为,草地封育是草地管理或者草地复壮的一种技术措施。实际上对于退化的草地,围栏封育同样是一种十分有效的生物技术措施,目前全国各地都大力提倡这种技术方式。

草地封育修复的原理,就是充分利用自然植被内部的恢复力稳定性。自然植被都具有这种特殊的能力,他们能够从草地之外源源不断地获得能量和物质的输入,例如太阳辐射能、自然降水与固定氮素,经过群落的结构与功能整合,实现群落的自然更替,在此过程中草地的生产力也就得到了恢复,达到了原来的水平[2-4,7-10]。

研究区草地经历了5年以上严重超载放牧,退化十分严重。尽管如此,草地还没有遭到根本破坏,还未产生沙化、盐碱化现象。所以选择典型地带,立即停止使用草地,于2005年底,完全封禁133 km2草地,令其自然修复。在草地修复过程中,每年定期对草地植被进行样方调查和土壤取样分析,考查其修复效果。

2.3 坡面水土流失量观测 对一个地区水土流失量(水土流失模数)的估计,一般采用模拟试验、修正某种模型推算的方法。本研究采用一种直接测量的方法观测研究区水土流失水平,即坡面盆测法。

于研究区典型坡面,选100 m×100 m,放置直径16 cm、深10 cm不锈钢测盆30个。

坡面条件:退化草地经2006、2007年自然修复,地形较均一,坡度3.3°。坡面上有宽度 5 ～6 m废弃大车路2条和过去遭某种原因破坏、接近裸露的草地。

放置程序及方法:时间为2007年9月底,先取野外地表原状土适量,精细修整使其适应盆内容积,装入盆中,原土面尽量与盆沿齐平。然后带回实验室,去掉土面以上杂草,烘干,称量(精度0.1 g),记录数据后逐一将测盆放回野外原处,注意盆沿、盆土面和地面三者齐平。各盆位置用1 m精度GPS测定、记录。盆土在室内、室外搬运过程中,注意加盖以防盆土因各种人为原因丢失。2008年9月底,测盆野外放置已经过1年,取回实验室,重复去杂草、烘干、称量。

比较2次称量差别,发现各盆土质量均有损失。盆土质量损失即为2007-2008年内水力、风力侵蚀总量。

3 结果分析

3.1 草地退化情况调查结果 2000-2006年,对研究区33.3 hm2样地做了调查。该地平均每年放牧载畜量达到9头黄牛、5匹马及1峰骆驼,按下面折合比例[4]。

1峰骆驼=7绵羊单位;

1匹马=6绵羊单位;

1头黄牛=5绵羊单位。

计算实际载畜量为2.44羊单位/hm2。草地严重超载,达当地正常草地理论载畜量3倍以上,所以导致草地的严重退化。

2006、2007年8月底进行退化草地植被调查,结果如表1所示。

2006年全年降水量169.2 mm,2007年全年降水量231.4 mm,均属十分干旱年份。2008年全年降水量372.7 mm,属湿润年份。

表 1 2006、2007年退化天然草地植被调查

退化草地表层土壤(0～5 cm)有机质含量不足2.5%,比正常草地低30%;土壤中粘粒、粉细颗粒占22%,沙粒占69%,砾石(＞2 mm)占9%。土壤硬结,容重达1.6(正常草地为1.5左右)。根据国家《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标(GB 19377—2003)》标准评价,连年超载过牧,已使草地接近重度退化。

采用通用土壤流失方程(USLE)[1],结合实地调查资料,推导估算该地区现状土壤侵蚀模数为6 000 t/(km2·a)左右,属中强度侵蚀区。

3.2 草地封育试验结果 草地封禁修复过程中逐年植被、土壤变化情况见表2。土壤结构由致密变疏松,有机质含量增加40%以上,与其他研究者取得了相似的结果[6,10,13-14]。

表2 退化草地与修复草地植被、土壤有机质指标对比

“重要值”是反映草群中某种植物出现多少及相对生物量的一个综合指标,类似于该种草在草群中所占比重的概念,是生态学上度量草群落结构的一个重要指标。其计算方法:

重要值=(相对多度+相对盖度+相对质量)/3[7,9,11,13]。

研究区草地植物主要品种有:克氏针茅、羊草、冷蒿、猪毛菜Salsolscollina和银灰旋花Convolvulus ammannii、阿尔泰狗娃花 Heteropappus altaicus等。群落各植物种重要值的逐年变化,反映了草地群落物种组成的逐年变化,克氏针茅、羊草等禾本科类优良牧草比例逐渐增加,退化指标植物银灰旋花、猪毛菜和阿尔泰狗娃花比例逐渐下降,群落结构在修复过程中逐年改善,与许多研究者结果相似[7,11,15-16]。如图1。

图1 草地自然修复草群物种组成变化情况

3.3 坡面水土流失盆测结果 剔除丢失或人为损坏的无效盆,将有效测盆盆土质量损失量换算为该点处的侵蚀模数值,绘制等值线图,与地形等高线迭加,得图2。

图2 侵蚀模数等值线与地形迭加图

以相临测盆点连线垂直等分线分隔,计算各点代表面积。根据各点代表面积计算模数加权平均值,得此坡面侵蚀模数值为4 750 t/(km2·a),这是2007-2008年研究区坡面风、水两相侵蚀模数的总和。

4 讨论与结论

1)草地在连年超载放牧压力下,草地退化十分明显,突出表现在群落高度下降,只有5 cm左右,草地产量大幅度下降,地表变得稀疏裸露,土壤质地密结,有机质含量降低。极易遭受水力、风力侵蚀。

2)退化草地当时还没有遭到更为严重的破坏,还未产生沙化、盐碱化现象,实施封禁修复,2～3年即可取得明显效果。群落高度明显提高,植被盖度增加1倍,产量提高2倍。群落结构明显改善,由退化状态下的冷蒿+猪毛菜+银灰旋花群系转变为克氏针茅+羊草群系,接近当地草原自然植被顶级演替水平。土壤结构由致密变疏松,有机质含量增加40%以上。

3)根据坡面盆测结果得出侵蚀模数等值线图。与地形等高线迭加后,发现2种等值线比较均一地成小角度相交,表明土壤侵蚀与地形有较密切的相关关系,但在人为活动密集区,这种规律遭到破坏。侵蚀模数向下坡方向增加,因为径流沿坡向下流动过程中,水量、携沙量增加会导致侵蚀强度增加。在过去由于人车践踏的地方,草地被严重破坏,虽然同样封禁修复,但短时期内植被仍然十分低矮稀疏,再加上地表硬结,降水时往往形成径流通道,因此这些地方受侵蚀程度显著高于其他地方,试验结果表明,可高达4倍以上。

4)草地经过2～3年封禁修复,植被得到较好修复,水土保持功能大大增强,经过初步实测知侵蚀模数为4 750 t/(km2·a),比中-重度退化状态下减少20%。

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