内蒙古科尔沁沙地放牧草地的沙漠化机理研究

赵哈林　　　　　　根本正之　大黑俊哉　　　　　　李胜功

(中国科学院兰州沙漠研究所)　(日本农业环境技术研究所)　(中国科学院兰州沙漠研究所)

【提要】　研究结果表明:在半干旱地区,过牧是沙质草地沙漠化(沙质荒漠化)的主要原因之一。(1)由于过牧,植物大部分光合器官被啃食,生长受到抑制,使高度和盖度下降,生产力降低;同时根层变浅,根量减少,生长期缩短,最终导致部分植株死亡,种群数量下降,甚至消亡。(2)过牧情况下,群落植物组成趋于简单,种群密度下降,但均匀度和多样性增加,群落由“持续型”向“恢复型”转变,稳定性低。(3)伴随着地面裸地率的增大和土壤根系结持力的下降,在风力作用下土壤发生风蚀。最初出现风蚀沟,随之形成风蚀斑,严重时形成浅洼地或风蚀坑,并在下风向出现薄层积沙,牲畜的过度践踏使这一过程加速。(4)过牧造成植被的恶化,导致草地承载力和次级生产力下降,如果不及时降低草地的放牧强度,土地—牧草—家畜将会陷入相互损害的恶生循环。

关键词:　沙质草地　放牧　沙漠化中国图书资料分类号:S812.3

Study on Desertif ication Mechanism of G razing G rassland in K erqin Sandy Land in In 2

ner Mongolia ,China.Zhao Halin (Instit ute of Desert Research ,Chi nese A cadem y of Sciences ,L anz hou ,Chi na ),Masayuki N EMO TO ,Toshiya OH KU RO (N ational In 2stit ute of A gro -Envi ronmental Sciences ,Tsukuba 305,J apan ):Grassland of Chi 2na ,No.3,1997,pp.15～23.

The results show that heavy grazing is one of improtant factors resulting in sandy grass 2land desertification (Sandy Desertification )in the semi -arid region.1)Under the heavy grazing conditions most of the photosynthetic organs are eaten ,plant growth is restrained ,declining in height ,coverage and productivity.Meanwhile the root layer tends to become thinner ,root weight decreases and its growth period is shortened.Fi 2nally some plants are dead ,the population number drops or disappears.2)Under heavy grazing conditions composition of the plant species in the community tends to get simple and density drops ,but even degree and diversity are increased.The communities trans 2forms from “continued type ”into “resmued type ”and become less stable.3)The soil erosion happens with both the surface exposed to wind and the decrease of the ability holding soil of the root system :at first small ditch of wind erosion appears.Then it be 2comes wind erosion spot ,and finally shallow lowlying land and blow -off ,while sands begin to accumulate in the leeward slope.This process is speeded up by the heavy tread of the stocks.4)The heavy grazing results in vegetation deterioration so that the bear 2ing capacity of grassland and the second productivity decrease.If the grazing intensity is not reasonable ,the soil -grass -animal one another will get into vicious circle.K ey w ords :　Sandy grassland ,　Grazing ,　Desertification

注:本文为国家自然科学基金资助项目研究内容,基金号49405058。

作者简介:赵哈林,男,43岁,研究员。主要从事草地生态学研究。已出版专著6本,发表论文、译文70余篇。收稿日期:1996-04-23。

中国草地

Grassland of China

　　1997,No.3,pp.15～23　　　　　　　　　　　　　　

1　研究区自然概况

研究区位于内蒙古科尔沁沙地奈曼旗昂乃乡境内,北纬42.55′53″,东经120.41′50″,海拔345m。研究区年均温6.4℃,≥5℃年积温3421.3℃。无霜期146～161天。年均降水量362.3mm,年均蒸发量1935.4mm,研究期内各月降水量见表1。年均风速4.3m/s,平均≥5m/s起沙风出现频率458次。

地貌以平缓起伏风沙地貌为主。各种类型沙丘、沙质干草甸和大片耕地交错相间分布。土壤类型为隐域性的风沙土和沙质草甸土。地下水埋深3～6m。

本区原生植被为榆树(Ul m us pum ila)疏林草原[1]。现大部分已演变为次生的差巴嗄蒿(A rtem isia halodendron)—杂类草群落,而在沙质草甸草地则以杂类草群落面积最大。研究区主要植物种有白草(Pennise2 t um cent rasiaticum)、芦苇(Phragm ites com2 m unis)、赖草(A neurolepi di um dasyslchys)、狗尾草(Setaria vi ri dis)、虎尾草(Chloris vi rgata)等。

表1　研究期各月降水量与多年同期降水量比较　单位:mm/月

年　　份4567总　计1992 4.557.465.3143.2.27.5342.1 199312.710.656.1123.8112.0 2.9318.1 19940.322.5196.9116.2 2.1402.0 1981～199220.236.674.1108.771.453.43.4

2　研究方法

2.1　试验设置

在原为自由放牧的天然沙质草地中选择植被典型、地势开阔的地段,用水泥桩和刺线围封4个小区,其中3个面积相等(200×75m2),为放牧区,1个为不放牧的对照区(200×37m2)。再根据草地的产草量和试验羊的日采食量[4],将3个放牧区分为重牧区、中牧区和轻牧区,放牧强度分别为羊单位6只/hm2、4只/hm2、2只/hm2。试验从1992年开始,1994年结束,每年试验区放牧时间从6月1日开始,9月20日结束,其余时间试验畜在其它天然草地中混合放牧。

2.2　观测内容和方法

每个小区设置5个固定样方(1×1m2),用以观测各种植物的物候、株形、长势和繁殖力。另外,在3个放牧区各设6个活动样方(1×1m2),其中3个用铁丝网罩上,另外3个不做任何保护,分别用于测定持续放牧下草地再生草和现存牧草的变化。在对照区随机设置3个活动样方,用于观测非放牧条件下植被的变化。各小区的活动样方每月移动和观测一次。同期,设置频度样方调查各小

61　　　　　　　　　　　　　　　　　中　　国　　草　　地　　　　　　　　　　　　　　　　　1997年

区每月频度变化,利用线段法测定裸地率,用土钻法和洗根法采取土样测定根量变化。植物样品,用烘箱在80℃下烘干24小时称重。在进行植被观测的同时,每月称重试验羊1次。2.3　数据处理对所得数据按样方组平均后进行统计分析。对于用土钻法所测根量按土钻面积折算成1m 2面积各层土体内的根量。

分种优势度的计算采用以下公式:

优势度=

C ′+

D ′+W ′+F ′

4

式中C ′、D ′、W ′和F ′分别为各植物种分

盖度、密度、生物量、频度的相对值。

3　研究结果和分析

3.1　植被盖度和高度的变化

从表2看出,随着放牧强度的增加,一方

面草地平均盖度和高度大幅度下降,与对照区相比,轻牧区分别下降17.9%和26.8%,中牧区下降27.0%和56.4%,重牧区下降52.5%和81.0%。其中重牧区的植被盖度已低于中度沙漠化的植被盖度指标[3]。另一方面,轻牧区的植被盖度和草层高度虽然低于对照区,但和对照区一样是逐年增加的,而重牧区的植被盖度和高度的变化却是逐年下降,这说明重牧对植被的危害是逐年加重的趋向。

表2　植被平均盖度和高度的放牧演变

处　　理盖　度　(%)

高　度　(cm )

199219931994平　均

199219931994平　均

对照(CK )53.856.971.860.814.718.420.517.9轻牧(L )37.050.862.049.97.211.720.413.1中牧(M )41.551.740.144.4 5.38.49.77.8重牧(H )

35.0

27.0

24.6

28.9

3.5

3.6

3.1

3.

4

图1　各放牧区植被盖度(%)在空间上的差异(1994年9月23日)

7

1第3期　　　　赵哈林　根本正之　大黑俊哉　李胜功　　内蒙古科尔沁沙地放牧草地的沙漠化机理研究

　　放牧条件下,植被盖度的下降在空间上表现为非均一性(图1)。在重牧区,家畜喜食牧草集中分布的斑块或原植被盖度较低的地段,植被盖度下降最为明显,可最先成为裸斑,并逐步向外扩散,最后连成片。在这一过程中,裸地的风蚀沙化可加速周围植被的恶化过程。3.2　草地初级生产力和次级生产力的变化

试验结果表明,放牧啃食使草地产草量明显下降,各区分别下降轻牧为58.4%,中牧67.1%,重牧88.38%。尤其是秋季试验结束时,重牧区的现存量只有对照区的6.3%。但对比各处理年度间产草量的变化,轻牧区产草量和对照区一样是逐年增加的,中牧区年度间有较大波动,只有重牧区是逐年下降(见表3)。这说明,轻牧和封育有利于

提高草地的产草量,重牧则对草地的初级生产力具有严重的抑制作用。

图2是3年平均试验羊各月体重相对值的变化曲线。显然,轻牧和中牧区试验羊体重变化趋势完全相同,都是随着牧草的生长而增加,至秋季试验结束时达到最高。重牧区羊体重变化有所不同,它只是在牧草生长旺季有所增加,在此之前反而低于原来体重。特别是放牧试验进行到第3年,重牧区羊的平均体重从一开始即大幅度下降,虽到牧草生长旺季略有回升,但仍低于原有体重,至秋季试验结束时其体重只有原体重的91.8%,表现出体瘦、乏弱无力,难以越冬。由此可见,重牧不仅对草地植被危害严重,对家畜本身危害更大。

表3　草地产草量的季节和年度变化　单位:g/m 2

处　　理季节变化

年变化

05310630073108310921199219931994平　均

对照(CK )17.567.6166.7315.62.3120.5175.5218.0171.3轻牧(L )22.237.788.7115.3115.342.777.493.671.2中牧(M )15.337.066.499.0.153.373.242.556.3重牧(H )

11.9

12.9

25.7

30.8

18.1

31.4

15.8

12.4

19.

9

图2　试验羊各月体重相对值变化

　　从总次级生产力看,3年平均轻牧区总增重54.4kg ,中牧区96.0kg ,重牧区只有

36.1kg 。相比之下,轻牧虽对植被影响较小,

但草地初级生产力也很低,重牧区虽放养家

81　　　　　　　　　　　　　　　　　中　　国　　草　　地　　　　　　　　　　　　　　　　　1997年

畜多,但草地植被受害严重,且次级生产力还不如轻牧区,所以综合草地初级生产力和次级生产力,该类草地还是以中牧为好。3.3　牧草数量及优势度的变化

牧草数量随放牧强度变化而变化。其中对照区牧草平均数量最低,为590n/m 2,轻牧和中牧较高,分别为781n/m 2和762n/m 2,重牧最高达842n/m 2。牧草平均数量在重牧之

下大幅度增加,其原因一是重牧导致植株个体变小,间距增大(图3),种间竞争减弱,因而有利于植物种扩大数量;二是多年生植物种减少,一年生植物种增加,植物生殖对策的这种变化也有利于增加种群数量。实际上,虽然重牧区平均种群数量很高,但波动很大,大多数植株萌生后很快死亡,能进入繁殖期的植株远远低于其它处理

。

图3　

植株平均盖度和生物量比较

图4　在不同放牧强度下,草地几种主要植物种优势度比较

　　由于不同植物的适口性和耐牧性差别很大,对于不同强度的采食反应也就不同。图

9

1第3期　　　　赵哈林　根本正之　大黑俊哉　李胜功　　内蒙古科尔沁沙地放牧草地的沙漠化机理研究

4是草地几种主要植物种优势度变化,可以

看出,虎尾草在重牧下优势度最高,三芒草(Digitaria ciliaris )在轻牧区优势度最大,猪毛菜(Colisperm um dil ut um )只有在非放牧条件下能成为优势种,狗尾草能适应各种放牧条件下,但在中牧区优势度最高,而白草和芦苇草则非常不耐重牧。所以,随着各主要植物种在群落中地位和作用的变化,群落类型也就从猪毛菜+白草+芦苇(对照区)演变为三芒草+芦苇+白草(轻牧区)和狗尾草+芦苇(中牧区),最后变为虎尾草+狗尾草(重牧区)。

3.4　生草层的变化

从图5可以看出,随着放牧强度的增加,0～30cm 土层中的根量急剧下降。如果以对

照区为100,则轻牧区为82.5,中牧区为68.2,重牧区为23.8,显然放牧对生草层的致密程度是有害的。特别是到了第3年,重牧区的根量只有对照区的12.0%,而且根系很少延伸到20cm 以下。放牧强度不同,植物根系的分布模式差别也很大。0～30cm 各层植物根量的比例,对照区62.7:22.7:14.6,轻牧区55.4:23.5:21.1,中牧区46.1:36.3:17.8,重牧区54.1:33.4:12.5。相比之下,对照区和轻牧区其第一层根量比重较大,向下急剧下降,中牧区和重牧区都是第二层根系比重下降幅度小,第三层才大幅度下降。这是否说明封育或轻牧更有利于根系集中于地表,还有待于研究

。

图5　不同放牧强度植被根系的分布表4　各月裸地率(%)变化

处　理　　5月31日6月30日7月31日8月31日9月21日平均

对照区(CK )0.7700000.16轻牧区(L )0.790.380.430.180.280.41中牧区(M ) 3.67 1.81 1.35 1.18 1.81 1.96重牧区(H )

14.03

8.94

3.07

7.68

19.16

10.58

3.5　裸地率的变化

过度放牧,使裸地率大幅度增加(表4),而且具有逐年加剧的趋势。如第3年9月20日试验结束时,重牧区的裸地率已由第一年同期的1.82%增加到35.2%,使1/3以上的地面成为裸地。

统计分析结果表明(表5),重牧之下裸

地率的增加,首先是裸斑数大幅度增加,1992年至1994年其裸斑数由19个增加到358

个,增加了17.8倍。同时,小裸斑连成大裸斑,长度大于3.5m 的裸斑比重由10.5%增加到17.0%,对照区和轻牧区裸地率的下降,其变化正好和重牧区相反。

02　　　　　　　　　　　　　　　　　中　　国　　草　　地　　　　　　　　　　　　　　　　　1997年

表5　裸斑数的统计分析

项　　目

重牧(H)中牧(M)轻牧(L)对照(CK)

19921994199219941992199419921994裸斑总数(个)193583733202190平均长度(m) 2.3 2.4 1.6 1.6 2.3 1.40.80

0.5～1.5(m)91612922121170

(%)47.445.078.466.760.050.0.50

1.6～

2.5(m)585372120

(%)26.323.78.121.210.050.010.50

2.6～

3.5(m)351112000

(%)15.814.2 2.7 3.010.0000 >3.5(m)261434000

(%)10.517.010..120.0000　　注:数值均为9月21日测定。

　　裸地率的增加,不仅是家畜啃食的结果,

家畜的过度践踏也是重要原因。从表6可以看出,随着放牧强度的增加,单位面积的畜蹄印数大幅度增加,其幅度要比羊只数增加幅度大的多。这说明,在牧草不足的情况下,家畜为了觅食活动强度也就增加了,从而造成草地的过度践踏。

表6　不同放牧强度单位面积蹄印数

处理羊只数

比例

(%)

蹄印数

(个/m2)

比例

(%)

蹄印/羊轻牧(L)3100 4.0100 1.33中牧(M)62009.8248 1.63重牧(H)930018.4466 2.04

表7　地面风蚀(-)和积沙(+)情况

处　理

样　　　号

123456710重牧(H)-1.0-7.6-4.0-12.0-6.5-0.5+1.0-1.5+0.5+1.5中牧(M)0-1.0000-2.00+0.500轻牧(L)000000-0.8000对照(CK)0000+1.000000

3.6　地表的风蚀和积沙

表7是1993年冬季至1994年春季所测各处理地表风蚀积沙情况。其中重牧区所设10个测点中有7个点发生风蚀,平均风蚀深度4.7cm,最大达12cm,其余3个点出现积沙,平均积沙厚度1.0cm。其它几个处理很少发生风蚀和积沙。

3.7　环境的变化

随着植被盖度的下降和裸地率的增加,地面的太阳净辐射率下降,反射率增加(表8)。与对照相比,净辐射率下降幅度轻牧为14.81%、中牧为18.99%、重牧为23.04%,反射率的增加幅度轻牧为-0.79%、中牧为7.10%、重牧为57.85%,这说明重牧之下使进入草地系统的太阳能更多的被反射掉了。

12

第3期　　　　赵哈林　根本正之　大黑俊哉　李胜功　　内蒙古科尔沁沙地放牧草地的沙漠化机理研究表8　太阳净辐射率和反射率的日变化比较

项　　目

时　　　　间

060810121416平均

净辐射率(%)重牧H18.2755.5153.6352.0851.4843.3545.72中牧M-4.5057.9262.8861.6961.1449.6948.13

轻牧L-12.5266.3571.6067.6359.9850.61

对照CK29.1763.0668.2769.5767.1859.2359.41反辐射率(%)重牧H32.6631.4830.7829.9532.4534.9932.06中牧M23.4822.4120.9920.6221.0022.0021.75

轻牧L21.7620.5417.4819.2821.7120.15

对照CK23.4120.4619.9818.8219.0820.1420.31

　　用对照区和重牧区0.3m和1.4m高气温日变化作比较,没有显著区别。不同之处是重牧区0.3m高气温全天都高于1.4m气温,且白天上下层气温差异较大。而对照区

0.3m高气温白天高于1.4m气温,夜间低于

1.4m气温,且白天上下层气温差别也较小。重牧区近地面气温的这种变化,既不利于近地面气流的交换,也不利于地面凝结水的发生,显然对环境是不利的。

4　讨论和结论

4.1　研究结果表明,放牧强度不同,植被所受影响显著不同。在牧草利用率超过75%的重牧条件下,持续过牧其植被平均盖度、高度、产草量和根量分别下降32.9%、81.0%、88.4%和76.2%,裸地率增加了66.1倍。为了采食,家畜的活动量平均增加了50%以上,而增重平均却比轻牧和中牧低84.7%和8

5.6%。特别是连续重牧的第三年,其植被盖度、高度、产草量较试验的第一年下降29.7%、11.4%和60.5%。较同年对照区下降65.7%、84.9%和94.3%,其裸地率已达35.2%,在景观上看近半数草地已沙漠化。

中牧和轻牧对植被也有较大影响。中牧植被基本稳定,轻牧植被有逐年恢复和好转的趋势。次级生产力,中牧要比重牧和轻牧分别高1.7倍和76.5%。因此,在科尔沁沙地草本植物草场,应以中牧为主(牧草利用率50%～55%),对于退化严重的草地则应采取分期封育或轻牧(牧草利用率25%～30%),以促其恢复,严禁草地过度放牧,尤其是持续过度放牧。

4.2　植被受到持续过牧的破坏后,环境趋于恶化。其表现一是地面太阳辐射的反射率增加,净辐射率下降,进入系统的能量减少;二是地面温度变化加剧,昼夜温差增大,土壤的热容量降低,导热度增加,生草层地温变化也加剧;三是近地面上下层气温昼夜分布模式发生改变,夜间近地面气温高于上层气温,不利于气流上下运动和凝结水的发生;四是春秋季节土壤风蚀严重,导致植物根茎裸露或风沙割打植物,形成风沙环境。所有这些环境变化,对植物的生长都是不利的。

4.3　持续过牧,是科尔沁放牧草地沙漠化的主要原因。过度放牧,一方面使植被盖度和草层高度大幅度下降,裸地率增加,风蚀作用增强;同时植被的地下根量和深度降低,生草层厚度和弹性下降,土壤的结持力和抗风蚀能力减弱;家畜的过度践踏,破坏地表结皮。当风蚀发生时,最初出现风蚀细沟,严重时形成风蚀洼地或风蚀坑,并在下风向形成斑点状流沙。春秋多风季节,又是旱季和植物凋枯季节,多种不利因素的耦合,加速了过牧草地的沙漠化进程。

4.4　过度放牧,植物大部分茎叶被啃食,光合能力下降,光合产物减少,生长严重受阻。

22　　　　　　　　　　　　　　　　　中　　国　　草　　地　　　　　　　　　　　　　　　　　1997年由于无法储备足够的能量安全越冬和繁衍,竞争力衰退,种群数量逐步消亡。对于一年生植物来说,则通过缩短生育期和把更多的养分用于种子繁殖,通过增加繁殖系数来适应恶劣的环境。因而,持续过牧将导致多年生草本植物群落向一年生草本植物群落转变。在这一过程中,虽然种的均匀性和多样性增加了,但群落由“持续型”向“恢复型”转变,稳定性下降[6]。“恢复型”植被,在多雨年份由于大量种子萌发,草地可能会出现暂时“繁荣”,随后便很快消亡。在干旱年份则一片荒芜,致使沙漠化急剧发展。所以植被由多年生向一年生的这种转变,是沙漠化发生发展的重要标志。

5　参考文献

1　朱震达等著.中国的沙漠化及其治理.北京:科学出版

社,19.9～42

2　朱震达,刘恕.中国北方地区的沙漠化过程及其治理区划.北京:中国林业出版社,1981.19～22

3　朱震达,陈广庭等.中国土地沙质荒漠化.北京:科学出版社,1994,1～2

4　常福安主编.哲里木盟国土资源.呼和浩特:内蒙古人民出版社.19.1

5　高耀山等主编.中国科尔沁草地.长春:吉林科学技术出版社,1994.206～220

6　赵哈林等.不同放牧强度下沙质草甸生态系统的变化.

中国沙漠,1995,15(1):99～106

7　赵哈林.科尔沁沙地草原的生产特性及利用改良.草业科学,1992,9(1):38～42

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中国草原,1986,(1):10～14

9　贾志海等.不同放牧方式对草地和绵羊生产性能影响.

中国草地,1990,(3):34～38

10　贾慎修主编.草地学.北京:农业出版社,1982.218

(上接第6页)

3　讨论

3.1　南京的自然温光条件对黑麦草幼穗发育进程的影响,主要表现在单棱至二棱、二棱至护颖原基分化和小花原基分化至雌雄蕊原基分化3个阶段。二棱期是黑麦草幼穗能否分化完全的转折点,也是春化阶段完成的形态标志。进入二棱期分化后的播期均能正常抽穗。通过连续解剖黑麦草茎尖发现,单棱和二棱的叶龄随播期推迟而下降,变化范围较大,而叶龄余数(解剖时未露出的叶片数)受播期影响较小。单棱期的叶龄余数为5～8片,二棱期为3～4片。因此,叶龄余数可作为生产上鉴别黑麦草穗分化阶段的一个简便有效的标志。3.2　在南京自然温光条件下,播种愈早,幼穗分化时间愈长,每穗粒数愈多,种子产量愈高。为了保证黑麦草种子高产,幼穗分化阶段的时间应不低于150天。南京地区黑麦草种子生产的最佳播期应为8月20日至9月10日。春播的黑麦草因低温条件得不到满足,不能完成幼穗分化阶段,故不能抽穗。对种子进行春化处理的春播黑麦草虽然能完成幼穗分化过程,抽穗结籽,但因穗分化时间短,种子产量很低。因此,春播黑麦草不宜留种。

4　参考文献

1　梁祖铎,王槐三等.多年生黑麦草、杂种黑麦草引种栽培试验.青饲料,1985,(1):27～33

2　张武舜.黑麦草.北京:农业出版社,1983.(1)

32

第3期　　　　赵哈林　根本正之　大黑俊哉　李胜功　　内蒙古科尔沁沙地放牧草地的沙漠化机理研究