干旱、半干旱地区草原由于干旱少雨, 生态系统极其脆弱, 加之长期以来不合理的土地利用方式和过度放牧导致草地沙化问题凸显^[1], 因此, 改善和恢复草原生态系统功能已成为当务之急。围栏封育草地是促进沙地植被恢复、缓解草地沙化的有效方式之一^[2-3], 被世界广泛采用^[4-5], 但封育主要是针对具有一定恢复能力的固定和半固定沙地天然植被的保护和恢复, 对于植被盖度过小的沙地, 单纯封育效果不明显^[6-7], 种源的缺乏是影响植被恢复的关键因素^[8], 因此土壤种子库的研究受到重视, 成为植物生态学和恢复生态学的研究热点之一^[9]。

土壤种子库是指土壤及土壤表面的落叶层中所有具有生命力的种子总和^[10], 分为持久种子库和短暂土壤种子库, 土壤中的植物种子具有长期或短期休眠的特殊性^[11], 这使得种子在强度干扰下具有较植株更强的胁迫忍耐能力。近些年来, 围绕种子库的时空格局、形成机制和生态功能, 种子的休眠、萌发、遗传和进化, 以及种子库与植被恢复关系等方面做了大量研究^[12-20], 研究范围已从海岸沙丘扩展到内陆沙丘, 研究方法包括野外调查、室内试验和野外控制试验等。种子库研究成果被广泛应用到许多领域, 如植物群落和物种的保护、管理和恢复, 以及预测由环境变化所导致的植被潜在变化等^[21]。

科尔沁沙地西部地区未沙化前是丰茂的大草原, 种子库较丰富, 但高强度的农业生产加速了草地沙化, 对草地种子库有明显的负面影响^[22], 致使自然演替过程缓慢, 亟需加快植被恢复进程以遏制生态环境的进一步恶化。目前, 对科尔沁沙地植被恢复相关机制的研究较多, 包括土壤种子库在草原退化植被恢复重建中的作用与潜力探讨等^[23-24], 但在植被恢复工程实践中, 如何利用种子库的优势进行快速激活修复研究甚少。笔者依据种子库中的种子在自然环境条件得到恢复情况下会迅速萌发的特性, 采用减少人为干扰与锁水保肥相结合的手段, 快速激发土壤种子库, 在延续种群的同时, 发挥地上植被在生态系统中的功能和作用, 为区域性植被恢复和重建奠定技术基础。该方法的应用不仅可大大提高生态修复效率, 同时可降低沙化草地生态修复成本, 而且见效较快。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究地位于科尔沁沙地西缘的巴林右旗境内, 平均海拔1 000 m, 属于半干旱大陆性季风气候区, 主要特点是冬季漫长干旱寒冷, 夏季短促炎热, 年日平均日照时数为8.5 h, 年总辐射量为5 700 MJ·m^-2·a^-1。该地年均气温为2 ℃, 最高气温为29 ℃, 最低气温为-32 ℃, ≥0 ℃积温为3 489.6 ℃, ≥10 ℃积温为2 960 ℃, 平均无霜期为133 d。年平均降水量为400 mm, 土壤类型为沙质栗钙土, 经破坏后则退化为流动风沙土, 常见植物有差巴嘎篙(Artmisia halodendron)、铁秆篙(Artmisia gmelinii)、冷篙(Artmisia frigida)、羊柴(Hedysarum fruticosum)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)和羊草(Leymus chinensis)等。

1.2 试验技术方法

科尔沁沙地在沙化前是丰茂的草原, 因此具有相对发达的种子库条件, 为快速激活沙化草地种子库, 于2015年4月底种子萌发前开展试验。选取沙地源头巴林右旗的中度沙化草地0.33 hm²作为样地, 为防止人为干扰, 对样地进行围封，并划分为对照样地和修复样地。

1.2.1 锁水保肥剂的制备

由有机肥与保水剂混合配制锁水保肥剂。有机肥料来自当地的牲畜粪便发酵, 成本较低; 保水剂采用聚丙烯酰胺, 聚丙烯酰胺呈白色颗粒晶体状, 主要成分为:w(丙烯酰胺)=65.8%, w(丙烯酸钾)=23.9%, w(水)=9.4%, w(交联剂)=0.9%, 保水剂能够减少沙地的水分流失, 增加水分利用率; 有机肥需要土壤保持一定的含水量才能被土壤吸收, 为了使保水剂和有机肥相互作用, 使各自最大效率地发挥作用, 保水剂和有机肥的质量比优选为99:1~97:3, 该试验保水剂与有机肥的质量比为98:2。

1.2.2 黏合剂的制备

黏合剂与保水剂的混合使用能够较好地抑制沙化土地水分蒸发和阻止渗漏, 大大提高水分利用率, 缓解由于降水不足而对其造成的影响。黏合剂为豆胚乳和软化水按照1:1质量比混合, 然后进行粗碎搓碾, 经气流干燥、粉碎机粉碎制成。

1.2.3 实施步骤

开设多个相互平行、方向与春季主风向垂直的土壤沟, 土壤沟行距为40 cm, 深度为7 cm, 保证锁水保肥剂能够在土壤沟周围均匀扩散并覆盖整个沙地, 同时要避免由于土壤风蚀导致的锁水保肥剂流失。

将锁水保肥剂沿着土壤沟开设方向均匀地洒入沟内, 采用人工钉耙方法覆盖土壤沟并压实。根据当地的水热条件、土层厚度与肥力、风速风向等条件, 锁水保肥剂洒入量优选为4 875~6 000 kg·hm^-2, 该试验锁水保肥剂洒入量为5 250 kg·hm^-2。

将黏合剂与水溶解后, 采用农用喷雾器喷洒在土壤表层。根据当地的水热条件、风速风向等条件, 黏合剂施加量优选为46.5~61.5 kg·hm^-2, 该试验黏合剂施加量为54 kg·hm^-2。

1.3 样地设置与取样

2015年8月初, 在围封的0.33 hm²样地内, 依据典型性原则选择能够代表整个样地植被、地形及土壤等特征的地段按一定方向设置150 m长样线, 每隔20 m布设1个1 m×1 m样方, 重复3次, 进行地上植物群落学的基本调查, 记录样方内物种的种类、多度和盖度等; 每个样方内采集土样, 采用土钻多点混合取样方法, 取样深度分别为0~5、>5~10、>10~20和>20~30 cm, 将不同深度土样装袋封口, 做好标签, 带回实验室进行分析。在修复样地外设置对照样线, 与样线平行按每隔20 m布设对照样方, 重复3次, 分别进行地上植物群落调查与土壤采样。所用数据均取其平均值。

在实验室进行土壤理化性质分析, 土样风干后磨碎、过筛, 供土壤分析。选取土壤有机质含量、全氮含量、全钾含量、全磷含量和土壤含水量指标。各项指标测定方法^[25]如下:土壤有机质含量采用浓硫酸-重铬酸钾氧化法测定; 土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定; 土壤全磷(以P₂O₅计)含量采用氢氟酸-高氯酸酸溶钼锑抗比色法测定; 土壤全钾(以K₂O计)含量采用氢氟酸-高氯酸酸溶火焰光度法测定; 以上测定工作均在中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室完成。测定土壤含水量时, 将取出的土样用密封袋装封, 用烘箱烘干前测定土壤湿重, 烘箱温度调至105 ℃, 烘干时间为12 h, 烘干后测定土壤干重, 用土壤水分干基公式计算土壤水分变化。

1.4 数据处理

通过对样地的调查, 计算物种重要值(Ⅳ, V_Ⅰ), 表示不同物种在群落中的重要性。重要值越大的种群, 在群落结构中的重要性越大, 对群落生态环境、发展方向及演变趋势的影响力也越大; 计算Simpson多样性指数(D)和Shannon-Weiner多样性指数(H′)来描述群落物种的多样性。

重要值(V_Ⅰ)计算公式如下:

$ {V_{\rm{I}}} = {D_{\rm{r}}} + {H_{\rm{r}}} + {C_{\rm{r}}}/3。$

(1)

式(1) 中, D_r为相对密度; H_r为相对高度; C_r为相对盖度。

Simpson多样性指数(D)计算公式如下:

$ D = 1-\sum\limits_{i = 1}^S {P_i^2} 。$

(2)

Shannon-Weiner多样性指数(H′)计算公式如下:

$ H' =-\sum\limits_{i = 1}^S {\left( {{P_i}\ln {P_i}} \right)}, $

(3)

$ {P_i} = {n_i}/N。$

(4)

式(2)~(4) 中, S为样方内物种数; P_i为样方内第i个物种个体数占所有物种个体数的比例; n_i为样方内第i个物种个体数; N为样方内所有物种个体数。

数据处理采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2010软件进行分析; 主要采用的统计分析方法为方差分析。

2 结果与分析 2.1 植被群落特征

由表 1可知, 种子库激活技术对植物的盖度和密度具有显著促进作用, 修复样地和对照样地主要植物种数为10和8种, 其中, 羊草作为干旱草原上的重要建群种之一, 其重要值在对照样地与修复样地分别为0.10和0.32, 修复样地明显高于对照样地。种子库激活技术对植物密度和盖度具有显著促进作用(P < 0.05), 修复样地植物密度较对照样地提高104.90%;修复样地植被盖度较对照样地提高66.43%。与对照样地相比, 修复样地Shannon-Wiener多样性指数和Simpson多样性指数明显增加, 表明锁水保肥在短期内有助于提高群落的物种多样性。

2.2 土壤理化性质变化

根据全国第2次土壤普查土壤肥力状况分级标准(表 2), 通过对种子库激活技术修复的样地与对照样地的独立分析, 除全钾含量在15~20 g·kg^-1之间, 肥力属于中上水平以外, 各层土壤有机质含量均小于6 g·kg^-1, 全氮含量均小于0.50 g·kg^-1, 全磷含量均小于0.2 g·kg^-1, 可以看出, 土壤肥力均属于很低水平。从修复样地与对照样地土壤理化性质的比较分析可以看出, 除>5~10和>10~20 cm土层全钾含量以外, 修复样地土壤养分(有机质、全氮、全磷和全钾)含量均较对照样地有所提高, 0~30 cm沙地土壤有机质、全氮、全钾和全磷总量分别增加23.47%、14.82%、2.90%和403.56%, 土壤含水量增加明显。

修复样地各层土壤有机质含量均较对照样地高, >5~10 cm土层有机质含量增加2.6倍, 增加最显著, 随着土壤深度的增加, 有机质含量增加减少, >20~30 cm土层仅增加1.6%。>5~10 cm土层有机质含量显著增加, 主要是由于施加锁水保肥剂的土壤沟深度为7 cm, 从而造成有机质含量较其他土层增加显著(图 1)。

修复样地各层土壤全氮含量较对照样地高, 其中, 0~5 cm土层全氮含量均较其他土层高, 通过该技术修复后, 0~5、>5~10、>10~20和>20~30 cm土层全氮含量分别增加10.4%、2.5%、25.2%和32.1%(图 1)。

修复样地各层土壤全钾含量在0~5和>20~30 cm土层比对照样地分别高16.2%和8.4%, 在>5~10和>10~20 cm土层较对照样地分别降低0.8%和10.5%, 主要是由于修复样地植物生长根系数量在>5~10和>10~20 cm土层增多, 对钾的需求增多, 导致土壤全钾含量降低。由于土壤表层有机质含量增加, 有机质中交换性钾释放出来补充水溶性钾的损失, 使钾含量增加(图 1)。

修复样地各层土壤全磷含量远高于对照样地, 通过该技术修复后, 0~5、>5~10和>10~20和>20~30 cm土层全磷含量分别增加335.3%、454.8%、387.1%和454.1%, 说明保水增肥对土壤磷元素影响最大(图 1)。

由表 3可知, 修复前土壤水分分层明显, >20~30 cm土层含水量最高, 表层(0~5 cm)土壤含水量最低, >5~20 cm土层含水量相对稳定。实施修复后, 土壤各层含水量明显增加, 表层增加率为600.0%, 增加最显著, 其后依次是>10~20、>5~10和>20~30 cm土层。这表明用沙化草地种子激活方法来修复沙化草地具有明显效果, 保水剂和黏合剂复合使用后表层土壤含水量明显增加。

3 讨论

种子库激活技术主要适用于具有丰富种子库的草地发生中度退化形成的固定沙地, 充分利用沙化草原的地理特点, 依据当地的水热条件、土层厚度与肥力、风速风向等立地条件, 并采取土壤锁水保肥技术手段, 将沙化前相对较发达的种子库激活, 提高中度沙化草地恢复速度与效果, 同时结合围封禁牧措施, 保证中度沙化草地修复成功。该技术与研究区已有的围封、飞播种草、机械沙障与灌草混播等沙地治理措施相比有一定优势。首先, 使用该技术可有效锁住土壤表层水分, 在降水不充足的情况下, 其他措施无法保证植被生长所需的充足水分而使其生长受限, 因此该技术修复成效受自然条件影响较小; 其次, 通过该技术的保肥作用, 土壤肥力可在短时间内得到提高, 而其他措施实施过程中土壤养分只能随着修复年限的增加而逐渐增加, 因此该技术可使植被短时间内获得相对充足的养分供给, 生态修复见效快。

沙化草地治理需要长期不断的野外观测、遥感监测筛选出适宜的生态修复技术。种子库激活技术通过1 a的测试, 达到了生态修复预期目标, 但仍需对样地进行长期观测。在未来的工作中, 在植被特征与土壤理化性质、生态修复成本和维护难易程度等方面, 将加强该技术与其他生态修复技术的对比分析, 并不断地改进和完善种子库激活技术, 使其在取得生态效益的同时使生态修复成本达到最低。

4 结论

该研究从沙地种子库激活技术角度出发, 以期通过人工干预在短时间内提高沙地的植被盖度和物种数量, 进而提高沙地生态修复效率。为说明使用沙地种子库激活技术的效果，在围栏封育情况下，将样地划分为使用该技术的修复样地和不使用该技术的对照样地。在修复样地，通过开设土壤沟, 由有机肥与保水剂混合配制锁水保肥剂, 将其洒入土壤沟并覆土压实, 将黏合剂与水溶解后喷洒在样地表层, 实现沙化草地的快速锁水保肥作用。对使用该技术的修复样地与不使用该技术的对照样地的群落植被特征、土壤理化性质及土壤水分状况等进行对比研究, 可知对沙化草地实施种子库激活措施明显提高了地上植被盖度、密度和物种丰富度, 对照样地与修复样地地上建群种羊草的重要值分别为0.10和0.32, 增加显著, 草地质量得到很大改善; 同时, 通过对修复样地和对照样地土壤养分的分析可知, 除>5~10和>10~20 cm土层全钾含量以外, 修复样地土壤养分(有机质、全氮、全磷和全钾)含量均较对照样地有所提高, 土壤含水量增加明显, 表层增加率为600.0%, 增加最显著, 其后依次是>10~20、>5~10和>20~30 cm土层, 分别增加194.1%、254.8%和47.1%, 为沙化草地的种子库激活创造了良好的土壤条件。因此，通过野外试验观测对比，可知在同样围栏封育情况下使用沙地种子库激活技术的样地生态修复效果明显, 进一步表明利用沙化草地种子库激活方法可治理因草地沙化形成的沙地, 对抑制草原沙漠化、促进退沙还草的生态建设具有重要意义。