不同恢复措施在冀北坝上退化草场的应用效应

Application effects of different restoration measures on degraded grasslands in Bashang area of northern Hebei Province

摘要

目的 综合评价不同恢复治理措施在退化草场的应用效益，明确冀北坝上地区天然退化草场治理技术和应用条件，为坝上地区草场生态治理提供技术和应用经验，助力生态环境和乡村振兴协同发展。 方法 2022—2024年，选择沽源县白土窑乡新华村和九连城镇绿园村为试验样地，以围场、丰宁、张北、康保、尚义县5处自然草地为对照，设置切根+围封、施肥+围封、种草+围封、围封4种处理措施，分析不同措施的样地群落特征、地表特征、产草量及适口性等指标。 结果 ①2 a年内，种草+围封可显著提高退化草地质量，且退化典型草原的效果优于退化草甸草原。应用种草+围封处理，退化典型草原和退化草甸草原年产草量干重分别增加54.25%和48.18%，适口性牧草干重年增长量分别为2.10%和1.20%； ②退化典型草原施肥+围封和退化草甸草原施肥+围封处理的植被覆盖度分别增加1.20%和1.60%，地表裸露占比分别减少0.60%和0.80%； ③切根+围封措施在一定程度上可提升植物群落多样性，但效果因地而异； ④围封措施效果最差，但优于对照样地。 结论 相比自然恢复，人为干预短期内可显著改善植物群落特征和生产力，但对植物群落多样性的影响总体不显著。对于冀北坝上轻度退化典型草原，有生产需求的推荐恢复措施顺序为：围封+种草、围封+施肥、围封+切根；无生产需求的草地宜采用围封。对于有旅游价值需求的退化草甸草原，宜采取施肥+围封，可改善群落特征，提升景观效果。

Abstract

Objective The application benefits of different restoration and management measures in degraded grasslands were comprehensively evaluated， and the technical and application conditions for the management of natural degraded grasslands in the Bashang area of northern Hebei Province were analyzed， in order to provide technical and application experience for the ecological management of grasslands in the Bashang area， and to support the coordinated development of the ecological environment and rural revitalization. Methods From 2022 to 2024， experimental plots were established in Xinhua village in Baituyao Township and Lvyuan Village in Jiuliancheng Town， Guyuan County， with five natural grasslands located in Weichang， Fengning， Zhangbei， Kangbao， and Shangyi counties as control plots. Several intervention measures were implemented， including enclosure + root cutting， enclosure + fertilization， enclosure + grass planting， and enclosure only. Indicators such as community characteristics， surface characteristics， grass yield， and palatability of each plot were systematically investigated and analyzed. Results ① Within two years， the quality of degraded grasslands was significantly improved by enclosure + grass planting measures， with greater effectiveness observed in degraded typical grasslands compared to degraded meadow grasslands. The annual dry weight of grass yield increased by 54.25% and 48.18% in the degraded typical grasslands and degraded meadow grasslands under this treatment， respectively， while the annual dry weight of palatable forage grass increased by 2.10% and 1.20%， respectively. ② Enclosure + fertilization measures effectively increased vegetation coverage and reduced the proportion of bare ground， with vegetation coverage increasing by 1.20% and 1.60% annually， and bare ground decreasing by 0.60% and 0.80% annually in degraded typical grasslands and degraded meadow grasslands under this treatment. ③ Enclosure + root cutting measures could improve the plant community diversity to some extent， but the effectiveness varied by location. ④ Enclosure only was the least effective among the four measures， but still performed better than the control plots. Conclusion Compared with natural restoration， human intervention can significantly improve the plant community characteristics and productivity in the short term， but the overall impact on community species diversity is not significant. For the slightly degraded typical grasslands in the Bashang area of northern Hebei with production demands， the recommended order of restoration measures is enclosure + grass planting， enclosure + fertilization， and enclosure + root cutting. For grasslands without production demands， the measure of enclosure only is recommended. For degraded meadow grasslands with tourism value， the enclosure + fertilization measure is recommended to improve the community characteristics and enhance the landscape aesthetics.

Graphical abstract

关键词

坝上地区 / 退化草地 / 恢复技术 / 植物群落多样性 / 地上生物量

Key words

Bashang area / degraded grassland / restoration techniques / plant community diversity / above-ground biomass

文献参数： 王淮亮， 刘凤婵， 邢晓光， 等.不同恢复措施在冀北坝上退化草场的应用效应［J］.水土保持通报，2025，45（6）：67-76. Citation:Wang Huailiang， Liu Fengchan， Xing Xiaoguang， et al. Application effects of different restoration measures on degraded grasslands in Bashang area of northern Hebei Province ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（6）：67-76.

冀北坝上地区有着丰富的天然草场资源，发挥了京津冀北部的重要生态屏障功能。根据《2020年河北省草原保护建设规划（2021—2025）》，坝上地区草原面积2.40×10⁵ hm²，占河北省草原面积70%以上，退化草原面积50%，沙化面积达25%，生态问题依然严重^［1］。中国科学院内蒙古草原生态系统定位站研究指出，中国北方不围封草地地上平均生物量121 g/m²，长期围封羊草地上平均生物量188 g/m²，远没有恢复到应有的生产力水平^［2］。草场退化机理机制及其高效恢复措施一直是科学界及管理者广泛关注的焦点问题。国内外对退化草场研究较多。退化草场的改良多采用封禁等自然恢复和改良土壤、人工播种、保障灌溉等人工干预等方法^［3-6］。学者普遍认为封禁、人工干预可加快草地恢复，短期内快速改良草地优势群体，促进草地土壤、植被、微生物、动物生态环境良性循环^［7-11］，但因地域水热条件、下垫面性质、人为干扰强度等差异，所采用的技术体系及研究结论并不完全一致，且目前国内针对退化草地生态恢复及改良的试验研究多集中在青海、甘肃、内蒙古、新疆等省（区）的高寒地带，自然条件差异较大的冀北坝上地区草地退化机理研究较多，但恢复治理应用研究较少。

沽源县位于北方农牧交错带核心区域，全县草地面积8.47×10⁴ hm²，40%以上草地处于退化状态^［1］。2016年河北沽源草地生态系统国家野外科学观测研究站在沽源县400 hm²草地上分别推行了免耕补播、切根改良、压碱施肥等草地改良技术，效果显著，但以上改良措施并未在同一区域集中开展对比试验，其适用条件和相应的应用效益仍需进一步明确。本研究以试验和应用为目的，结合坝上地区乡村振兴发展需求，对退化草场恢复治理展开集中试验研究。研究区设在沽源县西部，草地多为轻度退化状态，以半封轮牧利用方式为主。针对草原站推行的4种常规有效技术及组合，包括围封及其与不同干预组合等措施，连续观测草地群落及草地质量恢复情况，综合评价不同恢复治理措施在退化典型草原和退化草甸草原的应用效益，以期明确冀北坝上地区天然退化草地治理技术和应用条件，为坝上地区草场生态治理提供技术和应用经验，进一步助力生态环境和乡村振兴协同发展。

1 研究区概况

试验于2022—2024年在河北省张家口市沽源县西部九连城镇绿园村和沽源县中部白土窑乡新华村，两地相距45 km。该区地处内蒙古高原东南缘，多为天然退化草地，栗钙土为主，草地类型为轻度退化典型草原、草甸草原，优势种以克氏针茅（Stipa capillata）、糙隐子草（Cleistogenes serotina）、羊草（Leymus chinensis）、委陵菜（Potentilla chinensis）、碱蓬（Artemisia anethifolia）等为主，植被盖度5%~80%。该地为半干旱大陆性季风气候，气温年较差和日较差较大，7月均温20 ℃，11月均温-17 ℃，年平均气温2.1 ℃；年降水量406.0 mm，全县分布不均。年平均蒸发量1 772.6 mm；年平均日照时数2 716.1 h；常年主导风向为西北风，冬夏风向更替明显，年平均风速3.0 m/s，3—5月平均风速3.5 m/s，年均大风日数40 d。

2 研究方法

2.1 样地选择

Ⅰ号试验样地位于沽源县九连城镇绿园村草场（41°31′17″N，115°06′14″E，海拔高度1 536 m），面积130 hm²，年平均降水量350.0 mm，年平均气温2.1 ℃；Ⅱ号试验样地位于沽源县白土窑乡新华村草场（41°39′04″N，115°24′49″E，海拔1 450 m），面积400 hm²，年平均降水量400.0 mm，年平均气温3.7 ℃。两试验样地均为开放草场，植被盖度20%~30%，平均高度在10 cm以内。在试验样地内分别布设围封、切根+围封、施肥+围封、种草+围封4种处理。每个处理重复3处（表1）。

另设围场御道口（42°08′47″N，116°54′15″E，海拔1 100 m）、丰宁大滩（41°38′44″N，115°59′42″E，海拔1 480 m）、康保秦家营（41°55′12″N，114°31′28″E，海拔1 450 m）、张北郝家营（41°17′15″N，114°43′02″E，海拔1 400 m）、尚义大青沟（41°18′03″N，114°06′09″E，海拔1 300 m）5地未处理草地作为对照，5处对照样地年平均降水量分别为429.0，423.0，350.0，330.0，380.0 mm，年平均气温分别为3.3，7.3，2.1，3.2，3.6 ℃。

2.2 试验设计

每个样地大小为20 m×30 m。Ⅰ号、Ⅱ号试验样地分别设种草+围封、切根+围封、施肥+围封、围封4种处理，围场御道口等5处对照样地未采取处理措施。Ⅰ号、Ⅱ号试验样地内部，分别对比4种治理措施在退化典型草原和退化草甸草原应用效应（包括不同处理间差异和同处理间年度差异）。

Ⅰ号试验样地与对照样地V，Ⅵ，Ⅶ均为退化典型草原，Ⅱ号试验样地与对照样地Ⅲ，Ⅳ均为退化草甸草原，分别对比各项措施的适用条件和应用效果。试验样地与对照样地年度变化对比人为干预与自然恢复的草地性能差异。

2022年7月开始围封试验。经调查，Ⅰ号、Ⅱ号样地优势种根系主要分布在20 cm内，切根处理内设置20 cm深度切根，切沟间距30 cm，于4月上旬实施，切根器具为拖拉机+斜柄式破土切根刀，人工镇压；种草处理选种紫花苜蓿（Medicago sativa）、无芒雀麦（Bromus inermis）、斜茎黄芪（Astragalus adsurgens）、披碱草（Elymus dahuricus）等4种牧草，于4月上旬混播，混播比例按种子重1∶1∶1∶1，播种量50 kg/hm²；施肥处理采用草场地表施用复合肥料（N-P₂O₅-K₂O，12-8-20），施肥量为187.5 kg/hm²，雨前施肥。围封采用预制桩+铁丝网形式，围栏高2 m，网目规格15 cm×15 cm，除实施各类措施外，常年关闭。

2.3 测定指标

每年7月下旬至8月上旬，采用样方调查方法，每个处理内按S型设5个重复样点，调查样方规格为1 m×1 m。在同一样方内按先后顺序调查植物群落特征、地表裸露占比、地上生物量、适口性比例、枯落物、植物群落多样性。

（1） 植物群落特征。记录每个样方内的植物种名称、多度、盖度、最高株高、最小株高，灌木测量记录冠幅。

（2） 地表裸露占比。在样方正上方约1.5 m高处拍摄整个样方，内业采用网格法查算样方内除植被覆盖、枯落物覆盖之外的土石质地表的面积，计算面积占比（5个样方中随机调查3个）。

（3） 地上生物量。采用裁纸刀片刈割方式，收集地上植物全株，将羊草及豆科植物单独封装，称取鲜重，用自封袋带回实验室，在65 ℃下托盘烘干至恒重，称取干重。适口性比例为羊草及豆科植物等可食性牧草的干重占比。

（4） 枯落物。地上全株植物取样完成后，收集地表层枯落物（过筛1 mm孔径），用自封袋带回实验室，烘干后称量干重。

（5） 植物群落分析。多度、盖度、频度以及相对多度、相对频度和重要值的计算参照宝音陶格涛^［12］、宋永昌^［13］的方法，植物群落多样性指标为

①Simpson优势度指数：

D=1-∑（P_i ×P_i ）（1）

②Shannon-Wiener多样性指数：

H=-∑（P_i ×lnP_i ）（2）

③Pielou均匀度指数：

J_sw =H/lnS（3）

④Alatalo均匀度指数：

E_a =（1/D-1）/〔exp（H-1）〕（4）

⑤Margalef丰富度指数：

M=（S-1）/lnN（5）

式中：P_i 为某处理下物种i的重要值，P_i =（相对高度+相对盖度+相对地上生物量）/3，其中相对高度为物种i的高度与某处理下所有物种的高度总和的比值；相对盖度为物种i的盖度与某处理下所有物种的盖度总和的比值；相对地上生物量为物种i的地上生物量与某处理下所有物种的地上生物量总和的比值； S为某处理下所有样方的物种总数； N为物种i所在各处理的所有物种的个体总数。

2.4 数据处理

数据的录入、存储、预处理、图件制作采用Excel10，处理间的单因素方差分析（one-way ANOVA）采用SPSS 18完成。

3 结果与分析

3.1 不同草地恢复措施对草地植被群落特征、地表特征及年际变化的影响

植被群落特征测定结果表明，不同处理对植物生长的影响存在显著差异（表2）。围封2 a后，两试验样地的植被平均高度、植被覆盖度、枯落物量均显示施肥+围封处理（Ⅰ₃，Ⅱ₃）显著高于同试验样地的其他处理，植被平均高度分别增长3.9 cm和6.1 cm，植被盖度分别增长1.2%和1.6%，枯落物量分别增长29.0 g/m²和30.4 g/m²；其次是种草+围封处理（Ⅰ₄，Ⅱ₄）。围封处理（Ⅰ₁，Ⅱ₁）的3项植被群落特征指标均显著低于种草+围封和施肥+围封处理，年际变化均呈现负增长。对照的年际变化表现不一。两试验样地的地表裸露占比总体减少；不同处理在增加地表覆被作用上显著大于对照样地，试验样地地表裸露占比平均减少0.7%，对照样地平均减少0.2%。

总体上，不同处理的植被群落特征指标值年际变化及增长幅度显著优于对照，同时，在短期围封条件下，施肥较种草更能有效提高群落内植物高度、覆盖度及枯落物量，且在退化草甸草原的应用效果优于退化典型草原；种草较其他处理更能有效增加地被覆盖，减少地表水土流失；切根处理对于提升群落特征有一定的作用。4种处理措施中，围封处理对于提升植物群落特征值效果最差。

3.2 不同草地恢复技术对植物群落多样性及年际变化的影响

不同处理植物群落多样性个别指数存在差异（图1，图2）。2023年施肥+围封处理（Ⅰ₃，Ⅱ₃）多样性指数在各自试验样地4种处理中均表现最差。2024年各处理间无明显规律。两处试验样地与对照样地的植物群落多样性表现不一（图3，图4）。轻度退化典型草原、草甸草原和对照各项指标差异没有明显规律。围封2 a后试验样地不同处理的物种数量由9种增加到了10种，对照样地物种数量由15种减少到11种。表明短期内人工干预措施对于丰富草地植物群落多样性的作用总体不显著。

3.3 不同草地恢复措施对草地牧草生产性能及年际变化的影响

相比对照样地，试验样地的产草量增长显著（图5，图6）。试验样地内种草+围封处理（Ⅰ₄，Ⅱ₄）的产草量显著高于其他处理，2024年Ⅰ₄和Ⅱ₄处理的鲜重分别达到4 625.1 kg /hm²和4 505.5 kg/hm²，干重分别达到1 882.1 kg /hm²和1 667.7 kg/hm²。除切根+围封处理（Ⅱ₂）外，各处理2024年生物量较2023年均有所增长，其中种草+围封处理（Ⅰ₄，Ⅱ₄）年际增长量最为显著，Ⅰ₄和Ⅱ₄产草量干重增长幅度最大，分别达到54.25%和48.18%；围封和切根+围封处理增长幅度较小。

对照样地中，除丰宁产草量湿重和干重分别增加了19.81%和20.73%外，其余4个对照样地产草量均表现出不同程度的降低，降幅为1.59%~28.92%。表明短期内，种草+围封措施对提升退化草地的生产力具有显著影响，且对退化典型草原的作用更为显著。

围封期间不同处理草地的适口性有所增加（图7）。各处理的豆科、禾本科等可食性牧草干重占比增加，增幅为0.9%~3.1%。绿园试验样地内切根+围封处理（Ⅰ₂）的增长最为显著，达到3.1%，新华试验样地内施肥+围封处理（Ⅱ₃）的增长最为显著，达到1.5%。对照样地适口性牧草比例普遍减少，减幅为0.6%~1.4%，其中御道口降幅最大，减少1.4%，应该与近两年雨水偏多，草甸草原中湿生碱生植物比禾本科和豆科植物更适生，其优势度增大有关。值得注意的是，毒性草及衰退型植物种比例在试验样地和对照样地均有不同程度降低，且试验样地降低幅度显著高于对照样地。

两试验样地毒性草及衰退型植物种比例平均减少9.2%，其中种草+围封处理（Ⅰ₄和Ⅱ₄）的降低最为显著，分别达到31.7%和26.8%，其次为切根+围封处理（Ⅰ₂和Ⅱ₂），分别达到15.4%和11.9%。对照样地毒性草及衰退型植物种比例平均减少3.3%，其中张北郝家营（Ⅵ）降低最为显著，达到8.5%。表明试验样地的牧草生产性能有所提高，试验样地和对照区整体草地质量均有所改善。2024年不同处理植被的重要值见表3。

4 讨 论

（1） 围封是修复退化草地的有效措施之一，可显著改善草地群落特征^［14-15］。人工辅助干预恢复是通过各种人为处理，改变群落组成或立地条件，促进草原生物群落构建过程，提升草原的生态系统功能及服务^［16］。

本研究中短期围封条件下，施肥较种草更能有效提高群落植物高度、覆盖度及枯落物量，且在退化草甸草原中效果更为显著；种草较其他处理更能有效增加地上生物量及地被覆盖，减少地表水土流失；切根处理对于提升群落特征值有一定的作用，而围封处理对于提升植物群落特征值效果并不显著。这与王德利等^［17］、秦燕等^［18］、霍艳双等^［19］、胡晓晴等^［20］研究表明豆禾草种混播及施肥，可显著提高土壤肥力，提升植物盖度、平均株高、地上生物量，有效促进轻度退化草原恢复的结论一致。

目前对于草地恢复措施改善植物群落多样性的研究，普遍认为封育消除了外界环境的干扰，使得封育的退化草场植物种在一定时期内得以繁衍，物种数目、植物群落多样性逐渐增加，群落得以恢复^［19］。但也有研究表明短期封育对植物群落多样性影响较小，多样性变化不大或基本稳定^［21-23］。本研究与后者结论较为一致，围封2 a后，不同处理间植物群落多样性个别指数存在差异，总体差异不显著，试验样地和对照样地各项指标差异没有明显规律。如2023年退化典型草原种草+围封处理（Ⅰ₄）Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数表现较好（分别为2.08和2.15，显著大于其他处理），但在2024年却表现相反（分别为1.48和0.78，显著小于其他处理），表明短期内种草+围封措施对于丰富草地植物群落多样性的作用并不稳定，这可能与水热条件变化有关，应在后期对降雨量的年度和季节变异与措施效应的相关性做进一步探究。切根+围封措施对于提升草地植物群落多样性的作用滞后于种草+围封措施，没有人工干预的样地恢复较为稳定、缓慢。因此，如果没有生产需求，对于退化典型草原仅围封是最为经济有效的草地生态恢复措施，以促进自然恢复；对于退化草甸草原，如有景观需求，可采取施肥+围封措施，可有效提升群落特征，提升百花草甸景观效果。如经济条件允许可采用种草+围封、施肥+围封，以加快改善植物群落特征，快速覆盖地表。

（2） 本研究结果显示，种草+围封措施可显著提升草地产量，其次为施肥+围封措施；围封措施较为稳定，但较种草+围封、施肥+围封措施缓慢；切根+围封措施因环境等因素对草地产量的促进作用因地而异，具有不确定性。这说明短期内相对自然恢复，种草+围封、施肥+围封等正向人为干预措施可对退化草地的产草量起到显著的恢复和促进作用。围封期间不同处理草地的适口性有所增加，毒性草及衰退型植物种比例在试验样地和对照样地均有不同程度降低，且试验样地降低幅度显著高于对照样地。这与张小芳等^［24］单播措施地上生物量和禾本科牧草占比显著增长的结论一致。这表明试验样地的牧草生产性能有所提高，而试验样地和对照区整体草地的质量有所改善，则进一步说明研究区草地进行性退化正在减弱，促进生态恢复、稳定草业发展基础的良性生态演替趋于加强。可见，围封措施是保障草地恢复的必要手段，而多维度的正向人为干预可在短期内产生一定生态效益和显著的经济效益。

郭美琪等^［25］对内蒙古退化典型草原补播植物种和退化草地土壤进行相互驯化和反馈响应研究表明，以羊草为优势种的轻度退化草地选择播种苜蓿和无芒雀麦措施，可显著提升草地产量和适口性，快速修复退化草地，这与本研究结论一致，Ⅰ₄（羊草、克氏针茅）和Ⅱ₄（以碱蓬、羊草）处理在2024年产草量增长幅度、适口性等指标值均显著提高，Ⅰ₄处理中苜蓿重要值最大，为1.46，Ⅱ₄处理中羊草重要值最大，但苜蓿、斜茎黄芪、无芒雀麦、披碱草等占据了该处理近1/3的重要值（表3）。另外，已有研究表明补播和施肥措施在退化草甸的生态修复效果因样地坡向不同而存在差异^［26-27］，种草措施的效果受立地环境的影响^［28-29］，与本研究结论一致，Ⅰ₄处理（退化典型草原）中4种种植植物长势显著优于Ⅱ₄处理（退化草甸草原），原因可能是土壤水分或特定土壤水分条件下羊草群落组成对苜蓿生长有一定抑制作用，说明一定程度上立地条件是影响人工干预措施作用发挥的重要因素，这也解释了本研究中种草+围封措施在绿园、新华两试验样地对于提升植物群落多样性、产草量等指标值效果的差异性，需对水热条件与人工干预措施的应用效果进行研究。因此，从草场经济和发展需求出发，可对退化典型草原优先进行人工干预恢复治理，确需发展草地经济的草甸草原，种草措施可尝试沙草类等耐涝牧草品种。

5 结 论

（1） 退化典型草原种草+围封和退化草甸草原种草+围封处理干重分别增长54.25%和48.18%，其中豆科、禾本科干重年增幅分别为2.1%和1.2%，表明种草配合围封可显著提高退化草地地上生物量及适口性，且退化典型草原恢复效果优于退化草甸草原。

（2） 退化典型草原施肥+围封和退化草甸草原施肥+围封处理的样地植被均高年度增长量分别为3.9和6.1 cm，植被盖度年增长率分别为1.2%和1.6%，枯落物量分别年增长29.0 g/m²和30.4 g/m²，地表裸露占比年度分别减少0.6%和0.8%，表明施肥+围封措施可显著改善植物群落特征，减少地表裸露占比。切根+围封措施在一定程度上可提升植物群落多样性，但效果因地而异；仅采用围封措施在4种处理中效果最差，但优于对照。

（3） 对于冀北坝上地区的轻度退化典型草原，短期内有生产需求的恢复措施推荐顺序为：（种草+围封）>（施肥+围封）>（切根+围封）>围封，短期内无生产需求的恢复措施宜选择仅围封，以利于自然恢复。对于有旅游价值需求的退化草甸草原，采取施肥+围封措施，能够改善群落特征，提升景观效果。

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基金资助

河北省科技厅乡村振兴技术创新专项“冀北坝上地区退化草场生态修复技术研究”(22327507D)