科尔沁沙质草地植物群落的放牧退化及其自然恢复过程

 为了了解不同放牧强度对我国北方沙质草地的影响及其封禁停牧后草地植被的自然恢复过程,我们于1992—2006年在科尔沁沙地开展了草地放牧和封育试验,分析研究了人类放牧活动对草地植被的影响,比较了不同程度退化草地恢复速度及其所受气候变化影响。研究结果表明:①在科尔沁沙地,随着放牧强度的增加,草地植被受放牧影响的程度会加重,但只有持续重牧才会导致植被的严重退化,而且持续重牧对植被盖度、高度和草地生产力的危害程度要大于对物种丰富度和多样性的危害程度;中度放牧可以导致植被盖度、高度、生物量的轻度下降,但对物种丰富度、多样性没有不良影响;对于退化草地而言,持续轻牧可促进植被的有效恢复;②封禁停牧以后,草地原受干扰程度不同,其恢复的相对速度也不同,表现为原草地退化越严重,其恢复速度相对越快,而且是植被高度、盖度、生物量的恢复速度要大于物种丰富度、多样性和频度的恢复速度;③草地植被的恢复演替明显受到气候变化的影响,暖湿气候有利于植被的恢复,暖干气候对于植被的恢复不利。     

阿拉善荒漠草地恢复初期植被与土壤环境的变化

对阿拉善荒漠草地恢复初期(1998-2001)植被特征和土壤养分的变化进行了研究。结果表明:草地恢复过程中,植被的盖度和生物量比封育前分别增加272%~536%和44.39%~305.3%。植被的恢复使土壤理化性质发生了变化,与封育前相比土壤中有机质、全N、速效K以及细砂、特别细砂和粘粒含量显著增加;速效N、速效P降低。土壤有机质、全N和全P的含量与土壤中<0.05 mm颗粒和速效K含量呈极显著正相关,并且前三者之间也呈极显著正相关(P<0.01)。     

西鄂尔多斯荒漠灌丛生态系统碳密度

为了估算西鄂尔多斯天然荒漠灌丛生态系统碳密度并揭示碳储量在不同层片（灌丛植株、草本层、枯落物层及土壤层）、器官间的分配规律,以该区5种优势荒漠灌丛（沙冬青Ammopiptanthus mogolicus、霸王Zygophyllum xanthoxylum、四合木Tetraena mongolica、半日花Helianthemum songaricum和红砂Reaumuria songarica）群落为对象,测定了5种灌丛生态系统碳密度。结果表明：西鄂尔多斯5种荒漠灌丛生态系统碳密度40.28~55.51 t·hm^-2,其中土壤层碳密度占绝对优势（97.15%~98.51%）,为39.40~54.48 t·hm^-2,且在0~50 cm随着土层深度的增加而增加;植被层生物量密度垂直分布格局表现为灌丛层 > 草本层 > 枯落物层,灌丛层碳密度空间上表现为距离黄河越近碳密度越大（沙冬青和半日花灌丛生物量碳分别占各自植被层生物量密度的92.16%和62.42%）,而草本层碳密度表现出与之相反的规律;草本层根系生物量碳也是灌丛生态系统碳重要组成部分,碳密度8.41~38.29 g·m^-2,占植被层碳密度的5.36%~45.18%;除红砂灌丛外,灌丛草本层地下部分碳密度显著高于地上部分（P<0.05）;灌丛个体碳储量分布表现为枝条 > 根系 > 叶片,粗枝和粗根是单株灌丛碳储量的主要贡献者,且在灌丛种间差异显著（P<0.05）,根系生物量碳占植被层碳储量的20.00%~33.53%,叶片生物量碳占总植被层碳储量的2.02%~24.54%。     

科尔沁沙地退化植被恢复过程中碳氮化学计量特征的变化

为研究沙地退化植被恢复过程中碳氮化学计量特征的变化，分别于2011年、2013年和2015年8月中旬对流动、半固定、固定沙丘和草地进行植被调查，并测定植被—土壤系统的碳氮化学计量特征。结果表明：（1） 随着沙地退化植被的恢复，地上植物、凋落物和根系的C、N含量及C/N比波动变化，土壤（0～10 cm）C和N含量及C/N比显著增加（P <0.05）。（2）沙地4种生境上的地上植物、凋落物、根系、土壤的C、N含量及C/N比年际间变化显著（P <0.05）。（3） 沙地退化植被恢复过程中地上植物、凋落物、土壤的C/N比与物种丰富度呈正线性关系（P <0.01）。沙地退化植被恢复过程中优势植物演替导致植被—土壤系统中C、N化学计量特征的变化，植被恢复过程中植物的氮素利用效率也在逐渐增强，而封育时间的增加能够促进沙地土壤中N的积累。     

藏北高寒草地退化现状、原因与恢复模式

藏北高寒草地系统生态脆弱且区位重要,草地退化和沙化的治理是目前学者们重点关注的领域之一。本文采用遥感解译、模型模拟、地面取样验证等相结合的方法,分析了藏北高寒草地生态系统退化的现状、趋势和原因,以实验为基础,总结了退化草地恢复的几种重要模式。数据分析表明：藏北羌塘高原轻度退化草地占62．0％,中度和重度退化草地占15．1％,1991年以来,退化面积快速增加,2000年以来重度退化面积增加趋势明显。藏北西部的草地轻度退化可能由气候暖千化所引起,而中部、东部的重度退化主要由超载过牧引起。总结出轻度退化草地的“封育”、中度退化草地的“施肥＋封育”、重度退化草地的“补播＋施肥＋封育”三种草地恢复模式。提出了退化草地恢复和保护的间接途径“南草北上”生态工程的战略构想。     

河西走廊荒漠绿洲过渡带封育对土壤和植被的影响

在河西走廊荒漠绿洲过渡带,封育天然植被是植被群落恢复、防止绿洲沙漠化的有效措施。以流动沙丘作为对照(0年),对封育5年和15年的半固沙和固定沙丘植被群落以及土壤进行调查取样和分析。结果表明:随着封育年限增加,天然固沙植被群落生物多样性增加,灌木层和草本层植物密度、盖度和生物量都显著增加,灌木层盖度从10%增加到40%,草本层以一年生草本植物为主,物种从5种增加到8种,生物量从1 g·m^-2增加到13 g·m^-2。随着天然植被盖度增加,土壤表层沙土细粒化明显,沙土中黏粉粒含量显著增加,土壤质地由粗质沙粒向细质沙粒转变;随着沙土中黏粉粒成分的增加,沙土有机质、全氮、全磷含量也增加,灌丛下土壤养分含量高于灌丛间,“沃岛效应”明显。同时,在灌丛下表层土壤出现明显的盐分集聚现象,其中SO₄^2-、K⁺、Na⁺含量分别增加了6、3、17倍。在降水100 mm左右的荒漠绿洲过渡带,封育可以显著恢复固沙植被群落和提高沙土质地和养分。     

西鄂尔多斯地区5种荒漠优势灌丛生物量分配格局及预测模型

以西鄂尔多斯地区5种荒漠优势灌丛（沙冬青（Ammopiptanthus mogolicus）、四合木（Tetraena mongolica）、霸王（Zygophyllum xanthoxylum）、红砂（Reaumuria songarica）、半日花（Helianthemum songaricum））为研究对象,采用平均标准灌丛全部收获法测定灌丛各营养器官（枝条、叶片、根系）生物量,并分别以丛高（H）和冠幅（C）的复合因子（CH）及基径（D）和丛高（H）的复合因子（D²H）为自变量建立单株灌丛生物量预测模型。通过决定系数（R²）、估计值的标准误差（SEE）和F检验显著水平筛选出各灌丛种最佳生物量预测模型。结果表明：（1）5种荒漠灌丛单株总生物量干鲜比差异性显著（P<0.05）,各营养器官间差异性也达到显著水平（P<0.05）;灌丛根冠比种间差异显著（P<0.05）,红砂（1.05）> 霸王（1.01）> 半日花（0.92）> 沙冬青（0.90）> 四合木（0.49）;（2）根系和枝条是荒漠灌丛生物量的主要贡献者,其生物量占灌丛总生物量比例之和均在80%以上,根系生物量分配随根系径级的增加而增加;（3）5种荒漠优势灌丛单株灌丛生物量预测模型R²值均在0.85以上,且在0.05水平上显著,生物量模型预测精度较高。     

封育措施对巴塘高寒草甸植被群落结构及土壤持水能力的影响

选取巴塘高寒草甸设置封育及自然放牧样地,通过野外实地监测及室内试验相结合的方法,分析封育措施对植被群落结构及土壤持水能力的影响。结果显示:1)封育措施显著提高了高寒草甸植被群落总盖度及平均高度(p0.05),增加了群落的物种丰富度、均匀度及复杂程度,植被群落中禾本科和豆科植物等优良牧草显著增加,菊科、莎草科以及有毒杂草类植物所占比重有所下降。2)封育措施丰富了高寒草甸植被群落垂直分层结构,退化草地垂直结构由一层增加至三层。3)封育措施降低了高寒草甸0~40 cm层面土壤容重,二者差异在10~20 cm层面最明显(p0.05)。4)尽管未达到显著水平(p0.05),封育样地0~40 cm层面土壤有机碳密度均高于自然放牧样地。5)封育措施明显改善了高寒草甸土壤持水能力。其中,封育样地0~10、10~20、20~40 cm深度土壤饱和持水量、毛管持水量及田间持水量均高于自然放牧样地,封育条件下0~40 cm整个土层土壤饱和持水量、毛管持水量及田间持水量增加速率分别为1.4、1.9、1.7 mm/a。封育措施有利于退化草地生态环境的恢复,是遏制和改善高寒草地退化的有效措施。     

藏北高山嵩草草甸植被和多样性在沙漠化过程中的变化

为确定沙漠化对高山嵩草草甸植被组成、结构和物种多样性的影响,了解高寒区草甸沙漠化的原因,选择西藏那曲安多县南部沙漠化严重区域为调查区,按照沙漠化的不同程度设置样地,系统调查了轻度、中度、重度和极重度沙化草甸的植被变化,结果表明：中度、重度和极重度沙化区的植被与轻度沙化草甸有显著的差异;在中度和重度沙化区,高寒草甸的建群种高山嵩草已被家畜不喜食或更具抗性的植物种所取代,而在极重度沙化的流动沙丘上无植被生长;从过牧的退化草甸到半流动、流动沙丘,植物种多样性呈显著的降低趋势。轻度沙化草甸物种数、个体密度和丰富度指数最多;中度沙化草甸的Shannon\|Wiener指数和均匀度指数最大,而优势度指数最小;在沙化过程中,高寒草甸的植被盖度显著下降,地上生物量也在下降,虽然轻度、中度和重度沙化草地的地上生物量显著高于极重度沙化区,但前者之间却无显著差异。地下根系生物量也呈显著下降的趋势。过牧是造成高山嵩草草甸沙化的主要原因。     

围封对退化沙质草地植物群落的影响

对科尔沁沙地围封草地和放牧草地群落的种类组成、结构和多样性等特征进行比较研究。结果表明：（1）围封草地盖度、密度、地上生物量、高度均优于放牧草地（P<0.01）。与放牧相比,围封使植被盖度、密度、高度和地上生物量分别提高了237%、429%、77%和218%,植物群落结构得到明显改善。（2）与放牧草地相比,围封草地物种数增加了69%,多年生草本、灌木类种数和重要值均高于放牧草地。放牧草地的优势植物种依次是大果虫实（Corispermum macrocarpum）、狗尾草（Setaria viridis）、差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）,重要值占72%;而围封草地优势植物种依次是达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、虎尾草（Chloris virgate）和画眉草（Eragrostis pilosa）,重要值占57%,大果虫实、狗尾草和差巴嘎蒿逐渐处于群落的次要地位,取而代之的是与其环境条件相匹配的优质豆科和禾本科植物。围封使物种组成多样化,科属组成复杂化,优势物种发生了变化,群落结构和功能得到改善,沙地植被得以恢复。（3）围封草地的Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Margalef指数、均匀度指数均大于放牧草地。围封增加了群落的物种多样性,群落的稳定性得以提高。     

Effects of grazing and climate change on sandy grassland ecosystems in Inner Mongolia

To understand the effects of grazing activities and climate change on sandy grassland ecosystems in northern China, a livestock field grazing and enclosure experiment was conducted from 1992 to 2006 in Horqin Sand Land, Inner Mongolia. The results showed that sustained heavy grazing resulted in serious degradation of the vegetation; moderate grazing can maintain vegetation stabilization; and light grazing can promote rapid restoration of degraded vegetation. The livestock productivity was the highest in the moderate grazing grassland, and sustained heavy grazing resulted in rapid decrease of the livestock productivity. Heavy grazing can cause a retrogressive succession of grassland vegetation, whereas moderate and light grazing may promote progressive succession of plant species. The effects of changing climate on succession processes were not significant in the short term; a warm-humid climate is favorable to restoration of degraded vegetation, whereas a sustained warm-drought climate may result in degradation of grassland vegetation. Heavy livestock grazing should be stopped for the sustainable use of grassland; the proper grazing intensity for sandy grassland is two to three sheep or sheep equivalents per hectare in Inner Mongolia.     

科尔沁沙地草地植被对围封和放牧的响应

研究了科尔沁沙地疏林草地、针茅草原和草甸植被盖度、地上和地下生物量、物种多样性对围封和放牧的响应。结果表明：（1）围封与放牧草地的优势植物不同,围封草地植物群落优势植物为多年生禾本科植物,放牧草地中一年生植物和小半灌木优势明显。（2）围封和放牧草地的植物盖度、凋落物量、地上生物量和物种丰富度存在明显差异（P<0.05）;围封显著提高了植被盖度和地上生物量,由疏林草地、针茅草原到草甸,植物盖度和地上生物量逐渐增加,而3种草地植被凋落物量大小顺序为针茅草原> 疏林草地> 草甸;放牧条件下植物盖度、凋落物量和物种丰富度差异不显著（P>0.05）。（3）3种草地之间的地下生物量无显著差异（P>0.05）,但围封与放牧之间、不同土壤层次之间地下生物量存在明显差异（P<0.05）;围封显著提高草地的地下生物量（P<0.05）;草地地下生物量随着土壤深度表现出下降趋势（P<0.05）。长期放牧增加了草地一年生植物和小半灌木植物的优势,消除了不同草地之间植被盖度和物种丰富度的差异;而围封能提高草地多年生禾本科植物的优势、增加其物种丰富度,对于草地质量和植物多样性的恢复和保育具有积极作用。     

退化沙质草地土壤种子库和地上植被对封育的响应机理

从植物种和植物功能类群两个水平系统探讨退化沙质草地土壤种子库和地上植被对短期封育管理响应机理的研究尚不多。以内蒙古东部的科尔沁沙地退化沙质草地为研究对象,采取随机样方法对禁牧6 a的封育区及与其相邻的自由放牧草地的土壤种子库和地上植物群落的物种密度进行了比较研究,草本植物群落被区分为一年生禾本科植物、非禾本科一年生植物和多年生植物3个主要功能类群。利用测定数据,分析研究了短期禁牧封育对土壤种子库和地上群落不同植物种和各植物功能类群的生态恢复作用机理。主要研究结果是：①短期封育显著促进了退化沙质草地植被的生态恢复,但发现土壤种子库和地上植被对禁牧的响应模式和机理存在明显差异,短期禁牧使土壤种子库中所有3个植物功能类群的密度均得到显著提高,而仅提高了地上植被一年生禾本科植物和多年生植物两个类群的密度;相反,禁牧显著提高了地上植被所有3个功能类群的物种丰富度和多样性,仅提高了土壤种子库中多年生植物类群的物种多样性。②短期禁牧显著增加了地上植物群落组成中可食和优良牧草的比例,提高了草地的经济利用价值。主要结论是：短期禁牧封育是一种经济有效的提高退化沙质草地植被多样性、生产力及对植物群落物种组成和草地品质进行优化调控和改良的重要草地管理手段。研究建议,今后应重点开展不同禁牧时间下对退化沙质草地土壤种子库和地上植被多样性、生产力及其物种组成变化影响的长期生态学控制实验研究。     

Seasonal changes in the relationship between species richness and community biomass in grassland under grazing and exclosure, Horqin Sandy Land, northern China

How species diversity–productivity relationships respond to temporal dynamics and land use is still not clear in semi-arid grassland ecosystems. We analyzed seasonal changes of the relationships between vegetation cover, plant density, species richness, and aboveground biomass in grasslands under grazing and exclosure in the Horqin Sandy Land of northern China. Our results showed that in grazed and fenced grassland, vegetation cover, richness, and biomass were lower in April than in August, whereas plant density showed a reverse trend. Vegetation cover during the growing season and biomass in June and August were higher in fenced grassland than in grazed grassland, whereas plant density in April and June was lower in fenced grassland than in grazed grassland. A negative relationship between species richness and biomass was found in August in fenced grassland, and in grazed grassland the relationship between plant density and biomass changed from positive in April to negative in August. The relationship between the density of the dominant plant species and the total biomass also varied with seasonal changes and land use (grazing and exclosure). These results suggest that long-term grazing, seasonal changes, and their interaction significantly influence vegetation cover, plant density, and biomass in grasslands. Plant species competition in fenced grassland results in seasonal changes of the relationship between species richness and biomass. Long-term grazing also affects seasonal changes of the density and biomass of dominant plant species, which further affects the seasonal relationship between plant density and biomass in grasslands. Our study demonstrates the importance of temporal dynamics and land use in understanding the relationship between species richness and ecosystem function.     

沙质草地放牧和封育下物种丰富度和生物量关系的季节变化

研究了科尔沁沙质草地放牧和封育下植被盖度、密度、丰富度与地上生物量关系的季节变化。结果表明:放牧和封育草地4月的植被盖度、丰富度和生物量均低于生长旺季8月,而4月植物密度要高于8月;封育草地生长季盖度高于放牧草地,6月和8月生物量高于放牧草地, 4月和6月植物密度则低于放牧草地。封育草地8月物种丰富度与生物量呈极显著的负线性关系（p<0.01）;放牧草地植物密度与生物量4月表现出极显著的正线性关系（p<0.01）、8月为极显著的负线性关系（p<0.01）。放牧草地优势植物糙隐子草4月的密度和生物量呈极显著的正线性关系（p<0.01）、8月为极显著的负线性关系（p<0.01）;黄蒿和狗尾草8月的密度和生物量均呈极显著的负线性关系（p<0.01）;猪毛菜4月和6月的密度和生物量呈极显著的正线性关系（p<0.01）。封育草地达乌里胡枝子、猪毛菜8月的植物密度和生物量呈极显著的正线性关系（p<0.01）。持续放牧和季节变化及其二者的交互作用对植被盖度、密度和生物量均有重要的影响（p<0.05）;放牧通过影响草地生长季中的优势植物密度变化和生物量积累,引起了草地植物密度和生物量关系的季节变化,也导致生长季物种丰富度和生物量无显著关系;封育草地植物的竞争导致了物种丰富度和生物量关系的季节变化。     

放牧对阿拉善荒漠草地土壤性状的影响

对阿拉善荒漠草地不同放牧条件下土壤理化性状的变化进行了研究,结果表明:在草地基况一致的条件下,经过连续6a不同强度的放牧,0~ 20cm土层土壤容重轻牧和重牧区低于中牧区。随着放牧强度的增加,土壤颗粒组成极粗砂、粗砂和中砂含量增加,细砂、极细砂、粉砂和粘粒含量减少,过度放牧加快了土壤风蚀沙化。0~20cm土层中土壤有机C、全P的含量和C/N随着放牧强度的增加而依次降低;全N、全K、pH末发生明显变化;速效N和速效K重牧区显著高于轻牧区和中牧区;速效P轻牧区高于中、重牧区。土壤有机C与全P、速效P呈显著正相关;全P与速效N和K呈显著负相关,与速效P呈显著正相关(P<0.05)。     

放牧制度对荒漠草原可萌发土壤种子库的影响

 以内蒙古苏尼特右旗短花针茅荒漠草原为研究对象,通过划区轮牧与自由放牧的比较试验,研究可萌发土壤种子库对不同放牧制度的响应。结果表明:①可萌发种子库物种组成在划区轮牧草地为11种,自由放牧草地为8种,封育禁牧区为9种,划区轮牧较自由放牧和禁牧有利于提高草地群落可萌发土壤种子库的植物种数以及多年生优良牧草;可萌发土壤种子库密度在封育禁牧区为(19 533.33±10 552.83)粒·m-2,划区轮牧区为(3 233.33±524.21)粒·m-2,自由放牧区为(2 553.60±2 152.48)粒·m-2,可萌发土壤种子库密度封育禁牧区显著高于划区轮牧区与自由放牧区,两放牧处理间无显著差异。②不同处理可萌发土壤种子库垂直分布有共同趋势, 有75.06%~83.19%分布在0~5 cm土层内,14.16%~21.68%分布在5~10 cm土层内,2.65%~4.90%分布在10~15 cm土层内,且不同土层可萌发土壤种子库密度均为封育禁牧区显著高于划区轮牧区与自由放牧区,两放牧处理间无显著差异。③划区轮牧区可萌发土壤种子库的丰富度指数和多样性指数高于自由放牧区。划区轮牧区和封育禁牧区可萌发土壤种子库组成的相似性系数最大,为0.857。     

Effects of grazing and climate change on species diversity in sandy grassland, Inner Mongolia, China

To understand the effects of animal grazing activities and climate change on sandy grassland vegetation in northern China, a field grazing and protected enclosure experiment was conducted from 1992 through 2006 in Horqin Sand Land, Inner Mongolia. The results showed that (1) the grazing was primary responsible for changes of the vegetation richness and diversity in the grazing grassland and that changing climate was the main reason for changes in the species richness and diversity in the grassland protected from grazing; (2) light and moderate grazing can promote restoration of the richness and the diversity in the degraded grassland, and heavy grazing could result in a decrease of the richness and diversity; (3) heavy grazing can result in significant decrease of the perennial diversity, and moderate and light grazing promotes increase of the perennial diversity; the grazing, whether heavy or moderate and light grazing, was beneficial to increase of the annual diversity; (4) heavy grazing was not beneficial to diversity of Graminean and Chenopodiaceae, and moderate and light grazing was favorable the diversity of Compositae and Chenopodiaceae; (5) the warm-humid climate was favorable to increase of the richness and the diversity, and the warm-drought climate could result in decease of the richness and the diversity; (6) increased precipitation was favorable to perennial diversity and the diversity of Graminean, Leguminosae, and Compositae, and decreased precipitation had few effects on the annual diversity and Chenopodiaceae diversity.