1 研究区自然概况

试验区位于黄土高原西部半干旱地区的宁夏固原, 植被处于森林草原向典型草原的过渡区, 年平均气温6~7℃, 平均降水量428mm (1983~1998年), 丰水年占25.0%, 平水年占37.5%, 干旱年占37.5%。≥10℃积温2100~3200℃, 干燥度1.5~2.0。尤其是干旱区的阳坡、半阳坡、半阴坡, 在荒山荒坡中占据一半(所谓的天然草地), 封育前植被的种类组成3~8种/m², 多以铁杆蒿(Artemisa vestita)、猪毛蒿(A.scoparia)、茭蒿(A.giraldii)和毒害草狼毒(Stellera chamaejasme)、二色棘豆(Oxytropis bicolor)、醉马草(Achnatherum inebrians)为主, 覆盖度25%~35%, 草层高3~8 cm。鲜草产量仅525~825 kg/hm², 近2 hm²草地才能维持一个羊单位。长期无节制的放牧利用, 植被受到重复破坏, 致使干旱与水土流失并存, 给植被的恢复与重建增加了较大的难度, 成为制约该区畜牧业发展和区域治理的关键。

2 试验设计与方法

试验分为三种类型: (1)退化草地植被的封育, 自1982年起对退化天然草地的典型草原植被覆盖度在30%以上的草地类型, 采用围栏(刺铁丝)封育面积为600hm², 并在封育草地内的典型群落类型上, 依据不同坡向、坡度、坡位选择固定样方, 样方面积1m², 每个类型设三个样方, 重复3~5次, 同时还设随机记名样方每个类型10个。每年在植物生长的初期、盛期、终期(5、8、10月), 采用刈割法测定鲜草产量及其它数量特征。对照区设在封育区外的相同立地条件下, 无任何封育措施, 让其自由放牧利用, 同时和封育区一样设固定样方和记名样方, 并与封育区同时测定植物重量及其数量特征。(2)退化草地植被的改良, 是对草地植被覆盖度在30%以下严重退化的草地类型, 自1987年春、秋和雨季进行改良恢复试验种植, 面积700hm², 试验分为三种种植方法, 即荒山穴播, 在陡坡及天然草地分布稀疏的裸地或毒害草生长地上结合挖除毒害草进行穴播种植, 以达乌里胡枝子(Lespedeza davurica) +本氏针茅(Stipa bungeana)混播, 沙打旺(Astragalus adsurgens)、披硷草(Clinecymas dahuricus)单播为主; 撂荒地开沟种植, 对退耕多年的撂荒地, 因自然恢复速度慢, 品种单一, 产草量低等特点, 进行开沟种植, 以乡土植物与引选植物结合, 禾本科与豆科行间混播为主, 混播方法为三行禾本科四行豆科; 荒山隔带耕翻种植, 在坡度平缓草地植被分布稀疏的地面上, 进行隔带耕翻种植, 带宽1.0~1.5 m。带间距1.5~2.0 m, 单播芨芨草(Achnatherum splendens)、紫花苜蓿(Medicago sativa), 混播本氏针茅+老芒麦(Elymus sibiricus)、达乌里胡枝子+老芒麦。以上三种种植方法的播种量禾本科75~112 kg/hm², 豆科22.5~45 kg/hm², 播种后进行围栏(刺铁丝)封育, 每年在牧草生长的初期、盛期和终期, 利用随机样方法调查测定牧草产量及其数量特征。同时以三种种植方法相同地段的荒山为对照, 同期进行调查测定。(3)集流灌草立体配置, 自1985年起对该区分布面积较大的荒山荒坡(占坡地总面积的52%), 沿山体依水平方向在春秋季节, 采用人工或机械的方法在10°坡面上修筑水平阶, 阶面宽1.5~2.0 m, 反坡3°~5°; 在15°以上坡面修筑水平沟, 沟面宽0.5~1.0 m, 反坡3°~5°; 在20°以上陡坡坡面修筑鱼鳞坑, 坑长1.5 m, 坑宽1.0 m, 坑深0.5 m, 以上带与带之间的宽度为1.5~2.0 m。一般是在水平阶内种植2~3行一年生到二年生禾本科或豆科牧草, 边沿种植一行灌木, 株距0.5~0.8 m; 水平沟内种植1~2行禾草, 沟边种植一行灌木, 株距0.5~1.0 m; 鱼鳞坑内以种浅根性禾本科牧草为主, 坑边种植灌木。灌木主要为柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophaer hamnoicle)、山桃(Prunus davidiana)、二色胡枝子(Lesoedeza bicolor)等, 牧草主要以当地乡土种本氏针茅、芨芨草、草木樨(Melilotus suaveolens)、披硷草、红豆草(Onobrychis viciaefolia)等为主。水平阶、水平沟和鱼鳞坑整地灌草立体配置, 每个类型面积100 hm²分为三个处理, 重复3~5次, 灌木多为植苗栽植, 3000~4500株/hm², 牧草播种量同前改良草地。对照为荒山不整地, 直接进行灌草相同品种的配置种植, 以上均采用围栏保护, 并设固定样方每个处理三个, 重复3次, 样方面积50 m², 每年测定三次(5、7、9月), 测定项目为(株高、密度、生物量、覆盖度等)。

3 试验结果分析 3.1 退化草地植被封育

在黄土高原半干旱区典型草原占该区草地植被总面积的40%~55%, 是草原植被的主体, 其退化面积占草地总面积的78%, 因此, 采用封育措施, 通过长期定位试验、示范、推广已收到明显的效果。经过18年封育试验典型草地面积已由封育前的2300hm²扩大到5300hm², 植物种类已由78种增加到210种, 优良草地群落组成已由个体→种群→群落→发展到目前的草地生态系统, 并在区域治理中发挥着较大作用。同时, 经过封育还出现了沙棘新品种无刺沙棘和珍稀濒危植物匍匐型野生沙打旺与黄芪属的一些植物, 为黄土高原及我国生物多样性的研究与保护提供了重要的科学依据。另外, 为牧草的不断繁殖更新扩大了时空分布范围, 促进了草地植被群落的进展演替, 使优良灌草丛和濒危植物不断展现, 并逐渐占据优势。

从表 1可看出, 在典型草原地带的半阴坡和半阳坡生长的本氏针茅群落, 经过封育群落结构发生了很大变化, 尤其是群落的正常演替过程趋于自然状态, 建群种和伴生种的分布愈来愈显著。未封育(对照)的本氏针茅群落结构简单, 层次分化不明显, 一般多为单层, 常以耐旱根茎密丛植物本氏针茅为建群种, 在半阴坡植物种数平均5.8种/m², 平均覆盖度26%, 平均株高7.9cm, 叶层高不足15cm, 平均产草量600kg/hm²。在半阳坡植物种数平均5.4种/m², 平均覆盖度23.5%, 平均株高6.5cm, 叶层高不足10cm, 平均产草量444kg/hm²。这说明未封育草地在长期人为破坏和放牧利用下, 本氏针茅群落的生长发育受到了强烈抑制, 多数牧草处在营养生长阶段, 植株低矮, 有些植株虽然高度可达20cm左右, 但由于生长点的重复破坏, 株丛小, 覆盖度低, 不能形成优势种群, 繁殖更新能力差。而经过多年封育的草地改变了本氏针茅草地群落的结构, 促进了正常演替, 通过演替本氏针茅群落已达到亚顶级。建群种本氏针茅草地群落常出现的优良伴生种为大针茅(S.grandis)、硬质早熟禾(P.sphondylodes)、早熟禾(P.annua)、冷蒿(Artemisia frigida)、百里香(Thymus mongolicus)等植物, 在整个生长发育阶段由于没有受到人的破坏及牲畜啃食和践踏, 因而得到了良好的生长发育。半阴坡与对照相比植物种数提高了52%, 草层高提高81.1%, 覆盖度提高60.3%, 鲜草产量提高6.2倍; 半阳坡与对照相比植物种数提高了48.1%, 草层提高84.3%, 覆盖度提高60%, 鲜草产量提高7.5倍, 形成了密集的上层, 此时群落层次分化明显, 优良禾本科牧草形成了群落的第一层; 第二层以阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)和蒿类为主; 第三层以二裂委陵菜(Potentilla bifurca)、星毛委陵菜(P.acaulis)、百里香组成。但封育期不宜过长, 过长不利于牧草的繁殖更新, 反而枯草会抑制牧草的再生及幼苗的形成, 本氏针茅群落适宜封育期为3~5年, 封育期过长会抑制牧草生长发育。

从典型草原地带阴坡和阳坡分布的大针茅群落封育18年的结果(见表 2)可知, 在阴坡大针茅群落封育后群落结构的变化与对照相比植物种数提高62%, 覆盖度提高46.9%, 草层高提高79.1%, 鲜草产量提高5倍。同时可分为三个阶段, 首先从封育的第5年为大针茅群落生长的高峰期, 5年后开始衰退群落内并侵入大量本氏针茅种群, 这个阶段大致可维持2~3年, 本氏针茅就占据群落优势, 形成了群落的建群种; 到封育的第8年后开始形成以本氏针茅为建群种的群落类型, 大针茅种群在群落中基本被淘汰。另外从阳坡大针茅群落的封育变化来看, 整体生长变化及种类的组成均低于前一类, 而群落结构的变化与对照相比植物种数提高40%, 覆盖度提高32.7%, 草层高提高54.0%, 鲜草产量提高1.52倍。同时可分为两个阶段, 在封育的第4年为大针茅群落生长的正常期; 4年后开始衰退并有大量的本氏针茅侵入, 从第5年就形成较明显的以本氏针茅为建群种的群落。

另外, 从典型草原地带本氏针茅草原严重退化后形成的百里香群落变化过程来看, 百里香群落主要分布在黄土丘陵区海拔1700~1850m的荒山荒坡上, 在长期的水土流失和风蚀作用影响下, 是原生植物本氏针茅草原受到强烈抑制后形成的一种侵蚀类型, 即以百里香为建群种, 本氏针茅为伴生种的草原群落类型, 经过封育由表 3可知, 百里香群落在半干旱地区的分布仅次于本氏针茅群落, 从植物的组成看, 除百里香而外, 常见种有本氏针茅、戈壁针茅、硬质早熟禾、阿尔泰狗娃花、厚穗冰草、铁杆蒿、茭蒿、紫花地丁(Viola yedoensis)、细叶远志(Polygala tenuifolia)等。在长期的放牧和人为破坏下, 牧草的生长发育受到抑制, 75%以上的牧草均处于营养生长阶段, 植株发育不良, 往往形不成优势, 更不能开花结实产生新的个体。在过牧及干旱的影响下, 常处于同一层。随封育时间的延长植物的生长发育不断变化, 一般在水热条件较好的地段适宜封育期为3~5 a, 条件差的地段可在6~8 a左右, 此时植物各器官生长达到了峰期, 与对照相比植物种数提高63.1%, 覆盖度提高55%, 草层高提高60%, 鲜草产量提高5.1倍。在整个生育阶段, 优势种植物占据首位, 形成了较明显的层次。第一层由密丛型本氏针茅, 戈壁针茅(S.gobica), 硬质早熟禾等组成; 第二层由较耐旱的铁杆蒿、茭蒿、阿尔泰狗娃花等组成; 第三层由密集型团块状分布的百里香、二裂委陵菜、冷蒿、花苜蓿(Trigonella ruthenica)等组成。百里香群落封育后植物群落结构的水平分布随着时间的变化, 均匀的分布在群落之中, 但封育时间较长群落的结构变化不甚明显, 这主要是枯草长期覆盖地面抑制植物的生长, 土壤表面不能直接受到阳光的照射, 土壤中的有机质分解及微生物活动减慢, 影响植物的生长及幼苗的形成, 尤其是植物密度明显减小, 生物量下降。因此, 适宜的封育期是草地维持稳定、高产、优质的关键, 特别是半干旱地区草地易于退化, 这一特点就显得更加重要。

3.2 退化草地植被的种植改良

在荒山荒坡天然草地植被分布稀疏、退化严重的类型上, 采用改良措施, 进行植被的恢复与重建, 促进草地群落的持续发展与进展演替。12年的试验结果从表 4看出, 在半干旱地区采用穴播、开沟种植和隔带耕翻种植, 不但改变了群落结构, 而且还可大幅度提高生物产量。荒山穴状改良以乡土植物达乌里胡枝子+本氏针茅进行混播, 通过多年的生长已形成了以本氏针茅—杂类草和达乌里胡枝子为优势种的稳定群落类型, 生物产量比对照提高了6.1倍。荒山穴状单播沙打旺、披硷草, 经过6年的生长, 目前演替已进入第二阶段。4~5年生的沙打旺和披硷草类型, 衰败后已逐渐由本氏针茅和达乌里胡枝子所替代, 形成本氏针茅—达乌里胡枝子为优势的稳定群落类型, 生物产量比对照提高6.4倍; 撂荒地开沟种植, 乡土植物与引选植物结合, 禾本科与豆科混播经过6~12年的生长, 在天然草地植物的竞争过程中, 适应性强、生长快的植物很快形成较高的层次, 完成整个生育期。如以乡土植物为优势种的稳定群落类型有本氏针茅—冷蒿、本氏针茅—胡枝子等, 生物产量比对照提高4.8倍(混播), 4.6倍(单播); 荒山隔带耕翻种植, 充分利用天然降水, 发展集流草地植被, 经过耕翻直播芨芨草、紫花苜蓿、本氏针茅+老芒麦、达乌里胡枝子+老芒麦, 从8~12年的生长变化来看, 草地群落的演替已由种群发展到群落, 并在群落内部参于竞争, 不断产生新的个体, 随着时间的延长形成了以芨芨草、本氏针茅+紫花苜蓿、本氏针茅+老芒麦、达乌里胡枝子+本氏针茅等为优势种的稳定群落类型, 生物产量比对照提高了4.5倍(混播), 6.5倍(单播)。从以上结果可以看出, 对黄土高原半干旱地区退化严重的天然草地, 采用穴播、开沟和隔带翻种植, 是退化植被重建的一种重要措施, 应大力推广应用。

3.3 集流灌草立体配置

灌草立体配置, 采用修筑水平阶、水平沟和鱼鳞坑的工程整地措施, 改善灌草植被的生存环境, 可充分利用不同层次的光、热、水、肥资源, 对干旱阳坡植被的快速恢复有重要意义(见表 5、6、7)。

从表 5可知, 柠条+芨芨草立体配置, 水平阶整地与对照相比地上部生物量柠条提高57.4%, 芨芨草94.4%, 地下部生物量柠条提高72.8%;水平沟整地与对照相比地上部生物量提高柠条52.3%, 芨芨草94.1%, 地下部生物量提高柠条69.0%;鱼鳞坑整地与对照相比地上部生物量提高柠条49.1%, 芨芨草93.2%, 地下部生物量提高柠条66.2%。从表 6可知, 沙棘+草木樨立体配置, 水平阶整地与对照相比地上部生物量沙棘提高69.5%, 草木樨84.3%, 地下部生物量沙棘提高62.6%;水平沟整地与对照相比地上部生物量分别提高沙棘67.7%, 草木樨82.7%, 地下部生物量沙棘提高59.2%;鱼鳞坑整地与对照相比地上部生物量分别提高沙棘68.4%, 草木樨79.5%, 地下部生物量提高沙棘57.2%。从表 7可知, 山桃+芨芨草立体配置, 水平阶整地与对照相比地上部生物量山桃提高67.2%, 芨芨草86.6%, 地下部生物量山桃提高64.4%;水平沟整地与对照相比地上部生物量山桃提高63.9%, 芨芨草85.0%, 地下部生物量山桃提高60.8%;鱼鳞坑整地与对照相比地上部生物量山桃提高39.6%, 芨芨草84.9%, 地下部生物量山桃提高57.7%。以上三种立体配置类型生物量大幅度提高的主要因素是:①采用工程措施整地既可改善植物生长的立地条件, 又可拦蓄13%~15%带与带之间的地表径流, 使有限的降水集中使用, 减少无效的损耗, 发展集流灌草植被。②灌草立体配置, 可以使根系的不同分布深度, 充分利用土壤中各层次间的水分、养分, 促进植物各器官的正常生长。③选用适宜性强耐旱、耐寒, 并具有竞争力强、群聚生长特点的植物, 采用工程措施, 即可迅速形成稳定的群落类型, 如柠条+芨芨草; 沙棘+草木樨; 山桃+芨芨草等群落是干旱阳坡适宜人工栽培的优良群落类型。

4 结论 4.1 退化草地植被封育

在典型草原本氏针茅群落中适宜封育期为3~5年, 植物种数可提高48.1%~52%, 产草量增加6.2~7.5倍; 而大针茅群落最适封育期为5年, 植物种数提高62%, 产草量增加1.52~5.0倍; 百里香群落的最适封育期为3~5年, 植物种数提高63.1%, 产草量增加5.1倍, 优势种植物占据首位, 并形成了较明显的层次。封育时间太长不利于牧草繁殖更新, 反而枯草会抑制幼苗的再生, 使植物密度减小, 生物量下降, 优良牧草趋于衰退。

4.2 退化草地植被的改良

对退化严重的草地采用荒山穴播, 通过12年的生长, 群落已演替形成了以本氏针茅+杂类草、达乌里胡枝子+本氏针茅及本氏针茅为优势种的稳定群落类型, 生物量提高6.1倍(混播), 6.4倍(单播); 撩荒地开沟种植, 经过6~12年的生长, 形成了以乡土植物本氏针茅+冷蒿、本氏针茅+红豆草、本氏针茅+兴安胡枝子及草木樨为主的稳定群落类型, 生物量提高4.8倍(混播), 4.6倍(单播); 荒山隔带耕翻种植, 经过8~12年的生长, 草地群落的演替已由种群发展到群落, 并形成以芨芨草、本氏针茅+紫花苜蓿、本氏针茅+老芒麦、达乌里枝子+本氏针茅为优势的稳定群落类型, 生物量提高4.5倍(混播), 6.5倍(单播)。

4.3 集流灌草立体配置

依据植被分布的地带性规律, 采用修筑水平阶, 水平沟和鱼鳞坑等工程措施进行灌草立体配置, 经过15年的生长, 已形成了以柠条+芨芨草、沙棘+草木樨和山桃+芨芨草为优势种是适宜该区配置、且可更新的稳定群落类型。

以上封育、改良、灌草立体配置技术体系的组装配套及试验、示范、推广为黄土高原农牧交错区灌草植被的快速恢复提供了重要的科学依据。