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浅析砒砂岩区草业生态系统建设


作者:李靖

【摘要】本文主要从光能利用率的角度来分析比较了改良草地、天然草地、人工草地、坡耕地农作物及人工饲料地之间的差异。光能利用率的高低直接反映了植物光合作用的强弱。植物的光合作用受多种因素的影响,概括起来分为内部因素和外界条件的影响。
【关键词】砒砂岩区;家庭生态农牧场;草业生态系统建设模式;光能利用率

一、前言
砒砂岩区地处黄土高原北部黄土丘陵沟壑区第一副区,位于我国北方半干旱农牧交错带中部,水土流失剧烈,自然条件严酷。20世纪80年代以前,砒砂岩区的农业种植业占据主导地位,林草植被建设零星分散。为解决畜牧业生产的饲草来源,农民种植小片的苜蓿和柠条作为补充饲料。80年代以来,林草植被建设的速度和规模逐年加大,人工林草植被面积逐年加大,造林种草的树种和草种不断增加,积累了不少成功的经验。以往造林树种、草种单一,乔木以小叶杨等杨树和乡土柳树为主,灌木以柠条为主,牧草以苜蓿和草木樨为主。开展流域重点治理以来,增加了油松、沙棘、羊柴、沙柳、沙打旺等树种和草种,并成为植被建设的主栽品种。其中油松成为治理砒砂岩坡地的主栽乔木,沙棘成为治理砒砂岩坡地和沟道的主栽树种。这是以林草措施治理砒砂岩的重要突破。以下是近年来在治理坡面沟道方面总结的一些经验。
(一)坡面治理的林草措施与技术。沟间坡面是暴雨形成地面径流、发生土壤侵蚀的主要场所,特别是砒砂岩裸露或上覆薄层黄土、风积沙的砒砂岩坡面,侵蚀性降雨的入渗能力弱,地表径流侵蚀强,实施林草措施必须采用相应的水土保持工程措施拦蓄径流泥沙,增加造林种草地块的水分,软化坚硬的土层,促进林草生长。水平沟最好在植树种草的前一年秋季汛期后开挖,促使砒砂岩风化、软化,有利于林草成活生长。依据适地适树、适地适草的原则与合理密度设计、营造的乔灌草混交和灌草混交群落,表现出生长郁闭快,生物产量高,水土保持功能强和生物多样性恢复好的优点。目前效果较好的3种林草措施和技术有油松沙棘混交林,柠条沙棘牧草混交灌丛草地和沙柳羊柴混交灌木林。
(二)沟道治理的林草措施与技术。沟道发育,侵蚀活跃是砒砂岩区治理的难点。目前,准格尔试验区在砒砂岩沟道治理的试验和实践中探索出行之有效的措施和技术。沟沿治理技术是沿沟缘线坡面一侧2~3m宽处,开挖宽深各30cm的防护沟,用挖出的土在沟沿一侧打筑沟边埂,在防护沟中栽种沙棘或柠条,在沟边埂撒播沙打旺、苜蓿等优良牧草,形成沟沿林草防护带。
沟坡治理措施正在积极的探索之中,目前广泛采用的主要有稳定型沟坡治理、不稳定性沟坡治理措施和小沟道治理等措施。
二、研究区概况
(一)地理位置。试验区位于砒砂岩分布典型区。砒砂岩区系指以砒砂岩为基底且大面积出露,其上有第三纪红土、第四纪黄土和风积沙片状覆盖,相间分布的区域。分布于黄土高原北部鄂尔多斯高原,面积12000km2,集中分布在内蒙古鄂尔多斯市的东胜区全境的8个乡,准格尔旗大部的24个乡、镇,伊金霍洛旗东部的合同庙乡、哈巴格西乡、新庙乡,达拉特旗南部的呼斯梁乡、高头窑乡、盐店乡等。在陕西省的府谷县、神木县和山西省的河曲县、保德县也有零星分布。在砒砂岩区,砒砂岩的出露程度差别很大,位于砒沙岩区东部的准格尔旗,特别是皇甫川流域,砒砂岩集中出露的面积最大,超过3000km2。
(二)自然条件概况
1、气候。研究区属暖温带北缘半干旱大陆性气候,年平均气温6~9℃,≥10℃年平均积温2600~3400℃,年平均降雨量280~400mm,年平均蒸发量2200~2600mm,大陆度67~71,年平均风速2~4m/s,全年≥8级大风日数20~30天,温度、降水和蒸发自西北向东南递增,风速和大风日数自西北向东南递减,小气候类型多样,表现为坡顶与沟谷、阴坡与阳坡、砒砂岩和黄土丘陵与沙地小气候等方面的差异。本区的气候条件和梁卯、沟坡相间分布的地貌特征共同制约着天然植被的分布和人工植被的类型与布局。
2、地形地貌。由于流域水系发育,将其塑造为以流水地貌为主体,切割破碎的丘陵沟壑地貌,易于农业利用的平缓土地很少,陡坡土地较多,沟壑密度大,土地十分破碎,对农业土地的集约化利用和交通、能源及工矿企业的建设十分不利,给以土地利用调整和植被建设为主体的生态环境建设造成很大困难。
3、土壤。主要有以砒砂岩为母质的栗钙土,以黄土为母质的黄绵土和沙黄土,以风积沙为母质的风沙土。三类岩土养分特征:砒砂岩、黄土和风沙土养分含量普遍偏低,且十分接近。以砒砂岩为母质的土壤具有一定数量的养分,经过人工培肥或自然培肥,基本不管满足植物生长正常生长发育的需要。
4、植被。原生植被为以本氏针茅草原为主体的地带性植被群系,现已被百里香+本氏针茅+达乌里胡枝子群系所代替。本区气温与降水均呈现从东南向西北递减的趋势,在东南与南部边缘出现以白羊草为主的暖温型草甸草原群系,而在西北部边缘则出现以短花针茅和戈壁针茅为代表的暖温型荒漠草原草系,区域内部砒砂岩与黄土呈现复合分布,风积沙以片状或条带状镶嵌其中,因而在百里香+本氏针茅+达乌里胡枝子群落背景中常常呈星散状分布着沙生植被的片段,在神山林场还分布着油松、侧柏、大果榆等针阔混交林片段。自20世纪80年代加强对该区域的综合治理以来,依不同治理年限和管护水平形成了以油松、杨树为主的水土保持乔木林和沙棘、柠条为主的水土保持灌木林,人工草地则以沙打旺和紫花苜蓿为主[1]。
三、研究方法
(一)数据收集。为研究不同土地利用类型的光能利用率,解决黄土高原北部砒砂岩丘陵沟壑区植被退化严重,天然牧草生产的季节不平衡等问题,建立最优的饲草料基地,为畜牧业的发展提供坚实的物质基础,在试验区选择典型农户进行定位试验研究。根据现有的家庭生态农牧场实际,将土地利用类型划分为天然草地、改良草地、人工草地、坡耕地和饲料玉米地5种类型,于每年生长季中期和末期用样方法对上述5种不同的土地利用类型和不同土壤(基质)设置多个样方进行植物群落学的调查研究和生物量的测定,以确定草业生态系统各组分的干物质生产力。同时,通过文献检索广泛收集相同或相近地区植物的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维和无氮浸出物等营养成分的百分含量,为下一步计算植物各组分所含的能量提供基础数据。
(二)数据整理。植物热值的计算:依据生态工程学专著(由文辉,1997)中家畜饲料热值的计算公式,可以计算出每一个样方中每一种植物的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维和无氮浸出物等营养成分所含的太阳能,将其累加后即可得到各土壤基质、各种不同的土地利用类型单位面积上植物的热值,从而推算出每个样方单位面积所固定的太阳能。
牲畜(主要是反刍动物)饲料(作物秸秆、饲草、粗饲料)的热值的确定:
E(×106J/kg)=0.226CP+0.407EE+0.192CF+0.177NFE
式中:CP粗蛋白重量百分含量;
EE乙醚浸出物重量百分含量;
CF粗纤维重量百分含量;
NFE无氮浸出物重量百分含量[2]。
光能利用率的确定:光能利用率是指植物每年固定的太阳能与入射太阳能的比值,可采用全年总辐射、生长季总辐射或生长季有效辐射作为基数进行计算。本项研究所采用的光能利用率是用样方单位面积所固定的太阳能与生长季有效辐射进行比较后得到的。
四、研究内容及结果分析
(一)退化天然草地与改良草地的干物质生产和光能利用率比较。试验分别在三种不同基质上进行,分别是风积沙、沙黄土和砒砂岩。风积沙样地改良草地平均单位面积产草量比天然草地提高338.1%,光能利用率提高344.2%。沙黄土样地改良草地平均单位面积产草量比天然草地提高产量181.5%,光能利用率提高183.6%。砒砂岩样地改良草地平均单位面积产草量比天然草地提高产量226.1%,光能利用率提高192.9%。
改良草地在三种不同基质上的光能利用率均显著高于退化天然草地。
(二)人工草地与坡耕地农作物的干物质生产和光能利用率比较。人工草地主要种植紫花苜蓿和沙打旺,坡耕地主要种植马铃薯、黄豆、糜子等农作物。紫花苜蓿干重475.7g/m2,沙打旺干重387.2g/m2,坡耕地农作物中马铃薯干重2325g/m2,比紫花苜蓿单位面积产量提高489.5%,光能利用率提高128.9%。结果表明,坡耕地农作物光能利用率总体上高于人工草地。
(三)坡耕地农作物与人工饲料地的干物质生产和光能利用率比较。人工饲料地的精饲料玉米光能利用率1.46%,青贮玉米光能利用率0.72%。坡耕地农作物马铃薯光能利用率0.49%,黄豆光能利用率0.35%。人工饲料地平均单位面积产量比坡耕地农作物提高172.4%,光能利用率提高255.5%。因此,人工饲料地干物质产量及光能利用率普遍高于坡耕地农作物。
(四)砒砂岩区草业建设的生态效益和社会效益。生态效益:草业生态建设是水土保持的主要生物措施之一。首先,种草和其它措施相结合,能快速防治水土流失。其次,种草还可以改良土壤,提高地力。采用种草先行的方法,可有效地培肥土壤,提高土地生产力。
社会效益:我国由温饱水平向小康水平推进的本质是社会需求水平的提高。在农产品方面表现为需求结构发展变化。食物方面由以粮食需求为主向粮食、蔬菜、水果、动物产品多元化需求发展,建立稳定农牧综合性示范基地,力争在试验示范推广中推出一批科技水平高、显示度大、覆盖面广的农牧持续发展综合性技术成果,在机制上探索出科技+政府+公司+农户四位一体的产业化经营模式。
五、结论
砒砂岩区饲草饲料资源主要来源于天然草地、人工草地、作物秸秆。其中,天然草地面积广大,可利用草地面积6406km2,占总草地面积的85%[13]近年来,由于过度放牧和人工机具打草活动的影响,使得天然草地面积锐减,牧草产量下降,导致了畜草矛盾的进一步加剧。因此,发展草业,加强草地植被生态建设已经成为本区改善生态环境,推动区域经济发展的首要任务。
天然草地的恢复采用封育、改良、立体配置等快速恢复与重建技术,在草场封育的基础上进行灌草配置,以多年生豆科牧草与多年生禾本科牧草实行混播,灌木以柠条为主,行间套播多年生豆科牧草,产草量可以提高5倍以上。
人工草地的建植可以明显减轻退化天然草地的压力,为退化天然草地的改良创造条件,同时,人工草地还可以创造新的草地生产力,促进草地的集约化经营。与天然草地相比,人工草地是技术密集、资金密集、劳动密集、商品密集和流通密集的草业用地,可大幅度提高草地的植物生产水平和草产品的多样化与商品化程度[14]本区人工草地的建设主要有优质高产豆科人工草地,牧草品种主要有紫花苜蓿、沙打旺、草木樨,建植于梯田或地势较平坦,土层厚度20~30cm,土壤肥力较好的退耕地。另外,国内外大多通过建立混播人工草地,提高牧草的产量和品质,豆科牧草与禾本科牧草混播是人工草地发展的方向,既可以减少施肥量,同时可使草群中蛋白质营养得到明显的改善[15,16]。
饲草料基地主要种植优质高产玉米,包括在沟坝地种植青贮玉米和精饲料玉米,在坡度较缓、肥力状况较好的坡耕地种植饲料玉米。将本区在种植业上的粮+经二元结构逐渐改变为粮+经+饲三元结构,改变以往农民广种薄收的局面。种植玉米所获得的精饲料及作物秸秆用于养畜,可明显提高出栏率,解决冬季舍饲草料不足的难题。
实践证明,天然草地+人工草地+饲草料基地的三元模式一方面使得本区土壤肥力提高,土壤质量得到明显改善,另一方面在治理水土流失过程中也显示出较好的水土保持生态效益。同时改良草地、人工草地以及青贮玉米等饲草料基地所提供的牧草可以满足农户优良家畜饲养和育肥的要求,真正达到了畜草平衡。
总之,种植优良牧草,积极建立和大力发展草业生态系统不仅是推动畜牧业发展的物质基础,而且对于生态环境的改善具有多种功能,在区域农牧业经济发展和生态环境保护中都具有极其重要的作用。

【参考文献】
[1]金争平主编,砒砂岩区水土保持与农牧业发展研究。郑州:黄河水利出版社,2003
[2]由文辉编著,生态工程原理与应用。上海:华东师范大学出版社,1998
[3]章亮,邬良兴加速水保草业建设,提高生态经济效益江西水利科技1994,20(1
):3~5
[4]洪跋曾兴草业,促进生态环境建设。草地学报,1998,6(3):23~25
[5]李毓堂草业富国强民的新兴产业。银川:宁夏人民出版社,1994:70,209,317
[6]彭详林,贾恒义等著,黄土高原草地土壤生态。西安:世界图书出版公司,1997