羊草(Leymus chinensis)草地是欧亚大陆草原区的主要类型之一，在我国主要分布在东北平原和内蒙古高原东部，总面积约为1.22×10⁷ hm^{2[1, 2]}。由于羊草的适口性较高、生境阈值广，同时羊草在防风固沙、保持水土、涵养水源、维持生物多样性等方面起到的积极作用，使得羊草草地成为适宜我国北方的主要草地类型之一，为我国畜牧业的发展和生态环境的保护提供了重要保障^[3]。长期以来，由于人们对羊草草地的经营不善，尤其是过度利用所导致土壤板结紧实，优良牧草的种类、数量日渐减少，草地生产力和载畜力显著下降，加速了草地退化、沙化和盐碱化过程，严重地威胁中国的食物安全和生态安全^{[4, 5, 6]}。为了使羊草草地生产、生态功能得到可持续的发挥，应采取适当措施对草地进行科学改良。

草地改良的方法主要有耕耙压播、免耕补播、浅翻耕、划破草皮和围栏封育等，应用于羊草草地均可不同程度提高草地植物多样性和生产力^{[7, 8, 9]}。但上述改良措施也在不同程度上存在一定缺陷，如耕耙压播和浅翻耕会严重破坏草地植被状况，裸露的土壤在春季大风期间极易成为沙尘暴沙源而影响生态环境，进而加速草地土壤粗化过程^{[10, 11]}；免耕补播不适宜在自然环境中以无性繁殖为主、有性生殖为辅的牧草草种(如羊草)；划破草皮因破坏了草地原有表皮层而导致作业后地表不平整，同时没有进行亚表层切根，不利于牧草的繁育更新^[2]；围栏封育恢复时间较长，对土壤板结紧实的缓解作用较小，且在封育期间要排除家畜的放牧干扰^[11]。

针对目前我国羊草草地土壤板结严重、坚实度高的特点，中国农业大学工学院课题组结合草原农艺要求，根据“虚实耕作”原理，研制出了原地放垡振动间隔松土机，该设备应用振动式间隔松土原理，采用前导切割系统，振动式倒梯形松土部件和带齿镇压装置，实现高坚实度条件下草地土壤的虚实耕作和原地放垡^[12]。本研究采用成对设计的研究方法，通过监测试验分析原地放垡振动间隔松土(以下简称原地放垡)对羊草草地植被数量特征、多样性、载畜力及经济效益的变化，以期为退化羊草草地及其他根茎型草地的恢复改良提供参考。

研究区位于河北沽源草地生态系统国家野外科学观测研究站(41°44′—41°46′ N，115°31′—115°48′ E，海拔1380—1421 m)，地处河北省张家口市；该地区属于半干旱大陆季风气候，年降水量约430 mm，主要集中于7—9月；年均温1℃，1月份平均气温-18.6℃，7月份平均气温分别为17.6 ℃；无霜期85—110 d，≥10℃积温1900℃^{[13, 14]}。该试验区草地以羊草为优势种，5月初开始萌发，9月末枯黄；主要伴生种有披针叶黄华(Thermoosis lanceolata)、漠蒿(Artemisia desertorum)及平车前(Plantaga depressa)等，土壤类型为栗钙土^[15]。

试验样地设置在野外站东南方向，总面积为100 hm²，南北长2 000 m，东西宽500 m，以该区域外的草地作为对照区。在2007年5月草地返青之前，采用9ST-460型草地振动式间隔松土机与TN654型拖拉机配套进行草地切根松土作业试验。单组工作部件松土宽度28 cm，采用4组工作部件，间隔60 cm，未松土部分宽度32 cm，松土深度为15—20 cm，作业速度为慢速3档，约为3.5 km/h^{[14, 16]}。

草地调查取样分别于2009年8月和2012年8月进行。在处理区和对照区随机选择5个1 m × 1 m的样方，记录每个样方内地植物种类，采用草地调查常规方法测定各物种的高度、盖度、密度和地上生物量^[17]。采用土钻法在试验区和对照区取0—20 cm，20—40 cm深的土壤样品，每个土样质量≥1 kg，共计40个样本；土样自然风干、挑出植物根茎和石砾后过2 mm筛用于有机碳的测定^[18]；用环刀(体积100 cm³)取土芯测定土壤容重。

研究区植物的重要值和多样性指数采用如下公式计算^{[19, 20, 21]}：

重要值(Important value) P_i=(R_H+R_C+R_D)/3

丰富度指数(Margalef index) M=(S－1)/lnN

多样性指数(Simpson index) D=1－∑P_i²

均匀度指数(Pielou index) J=(∑P_ilnP_i)/lnS

Cody指数 β_c=[g(H)+l(H)]/2

Bray-Curtis指数 C_N=2jN/(aN+bN)

式中,R_H为相对高度；R_C为相对盖度；R_D为相对密度；S为样方内物种的总数；N为样方内植物个体数；g(H)是沿生境梯度H增加的物种数目；l(H)是沿生境梯度H失去的物种数目，即在上一个梯度中存在而在下一个梯度中没有的物种数目；aN为样地A的物种数目；bN为样地B的物种数目；jN为样地A(jNa)和B(jNb)共有种中个体数目较小者之和，即jN=∑_min(jNa+jNb)。

土壤有机碳密度采用如下公式计算^[22]：

根据牧草的的饲用经济特性，将植物生产层中优等、良等、中等、低劣等牧草利用率分别按80%、60%、40%和20%计算，牧草干鲜比按照1 : 5计算^[23]，2009年和2012年干草价格分别为0.9元/ kg和1.5元/ kg；动物生产层增加的经济效益按照每只绵羊每天增重0.15 kg，全年放牧时间为120 d，羊肉价格为50 元/ kg计算；前植物生产层潜在(固碳)的经济效益按照251.40元/t 计算^[24]。植物生产层、动物生产层以及前植物生产层所产生的经济效益均采用2009年和2012年每公顷草地的经济效益总和与成本之差的平均值，草地采用原地放垡振动间隔松土的成本为300元。

基础数据采用Microsoft Excel 2007软件进行整理，利用单因素方差分析(one-way ANOVA)对试验区和对照区各指标进行差异显著性检验，并利用最小显著性极差法(LSR)进行多重比较，ANOVA、LSR均在SPSS16.0软件中进行，表中不同字母代表5 %水平下差异显著性。

在2009年和2012年羊草草地的调查中，共出现49种植物，隶属于17科40属(表 1)。其中菊科(Compositae)植物13种，占调查植物种类的26.5%；其次为禾本科(Gramineae)和蔷薇科(Rosaceae)，分别为7种和6种，各占14.3%和12.2%。在原地放垡后第3年(即2009年)研究区出现35个物种，处理区和对照区共有种为13个，机械松土新增加了海乳草(Glaux maritima)、扁蓿豆(Medicago ruthenica)等15个物种，消失的物种为猪毛蒿(Artemisia scoparia)、白花马蔺(Iris acteal)等7种；研究区原地放垡后第6年(即2012年)出现32个物种，处理区和对照区共有种为12个，原地放垡新增物种为平车前(Plantago depressa)，并头黄芩(Scutellaria scordifolia)等15种，消失物种为滨藜(Atriplex)、碱蓬(Suaeda heteroptera)等5种。研究区在2009年和2012年各样地的共有物种为羊草、披针叶黄华(Thermoosis lanceolata)等7个物种，隶属于4科7属。随时间的推移，处理样地中2012年在2009年的基础上新增猪毛蒿、皱叶委陵菜(Potentilla ancistrifolia)等12个物种；同时有狼毒(Stellera chamaejasme)、旋覆花(Inula japonica)等12个物种消失。羊草草地经过原地放垡处理，草地群落发生变化，处理样地盖度和生物量比对照样地增加62.3%和33.8%，密度减少25.0%。原地放垡后形成虚实并存土层，“虚部”实现蓄水、蓄热功能，成为“土壤水库、热库”；虚部孔隙度的增加创造出好气性环境，使微生物矿化分解活动加强，增加了植被生长发育提供所需的养分，起到“土壤肥库”作用；“实部”的毛管浸润提熵供水，具有“抽水机”的作用^[25]。虚实耕作协调了水分贮存与供应，可以抗春旱、防夏涝、秋墒春用，同时起到提高土壤肥力的作用；因此处理区的盖度和生物量等数量指标优于对照区。

羊草草地经过原地放垡的第3年，处理样地物种丰富度显著高于对照样地(表 2)，而均匀度没有显著变化，从而导致多样性指数显著高于对照样地；而原地放垡后第6年，处理样地物种丰富度、均匀度和多样性指数之间差异不显著。原地放垡初期植物多样性的增加可能是由于原地放垡对持久土壤种子库形成干扰而引起其萌发所致的^[26]。原地放垡对草地生境的改变有利于羊草等优势种的生长，并使其在生态系统中所占有更宽的生态位；而猪毛蒿等物种在处理样地中的生态位宽度缩小并逐渐消失(种群竞争)。Cody指数和Byra-Curtis指数均属于β多样性，其中Cody指数只考虑某物种在群落中的存在于否，而不关注其数目；Byra-Curtis指数除考虑物种的存在与否以外还关注每一个物种的数量或相对多度，从而可以更好的测算稀疏种的作用^[20]。本研究中，2009年和2012年研究区的Cody指数为18.50和17.00，Byra-Curtis指数为39.53和32.00；表明随着原地放垡处理时间的推移，处理样地和对照样地物种沿环境梯度的替代速率逐渐减小。

羊草草地经过原地放垡处理的第3年和第6年，优、良、中类牧草的盖度、生物量、可利用产量和载畜量均呈现不同程度的增加(表 3)，低劣类牧草在处理样地第3年基本消失，第6年呈现增加趋势。处理样地载畜量2009年和2012年分别比对照样地高1.7和3.3个羊单位。经过对原地放垡作业的羊草草地连续6a的调查试验得出，每改良1 hm²羊草草地，平均每年植物生产层增加直接经济收益为1119.0元，动物生产层增加直接经济收益2142.0元，前植物生产层潜在(固碳)经济效益为219.5元。

羊草草地土壤板结限制其生产和生态功能的发挥。本试验表明，原地放垡措施可以增加羊草草地的盖度和生物量，其主要原因是原地放垡措施在破除土壤紧实的同时提高了土壤含水量和土壤肥力^[15]，增加了土壤热容量、减少了土壤散热性，从而提高地温0.5—1℃，原地放垡措施充分协调了耕层土壤中水、肥、气、热状态，达到用地与养地结合，为作物生长发育创造良好的土壤环境。原地放垡措施对土壤水分的影响程度与闫志坚等在中国北方半干旱退化草地进行的浅翻耕处理对水分的影响基本一致，而对土壤肥力的影响优于浅翻耕处理和条带式改良处理^{[27, 28]}。原地放垡振动间隔松土处理后与对照样地相比其含水率增加24.15%，土壤有机质质量分数增加31.72%，全氮质量分数增加23.08%^[14]。土壤水热条件和肥力状况的优化促进了植被的生长发育，引起植被盖度和生物量的增加；该效果优于王丽娟在内蒙古采用禁牧措施和安耕在腾格里沙漠南缘的围封结果^{[29, 30]}，与武广伟等在河北沽源的松土试验和保平在内蒙古锡林郭勒的免耕试验效果相当^{[31, 32]}。

生物多样性是草地生态系统可持续发展和草地健康的核心，是人类赖以生存的基础^[33]。本试验表明，原地放垡第3年群落的生物多样性显著高于对照样地，而第6年则差异不显著。该结果与王国梁等在安塞县纸坊沟流域和孙磊等在西藏安多开展的围封试验结果基本一致^{[34, 35]}；虽然原地放垡初期和围栏措施都可以不同程度地提高草地生物多样性，但是其影响机理却存在一定差异。原地放垡后多样性增加主要是由于人为干扰土壤种子库造成的，而封育则是排除外界干扰，通过自组织使小环境发生改变而导致其它物种逐渐侵入；另外多样性增加的速度和保持的时间也不一样，原地放垡多样性会在干扰后短期内迅速增加，之后随着时间的增加物种多样性会逐渐降低，围栏封育多样性增加所需时间较长，之后一般会趋于相对稳定状态。

草地改良是指在不破坏或很少破坏草地原生植被的条件下，用草地学、农学、生态学的基本原理和方法，通过各种措施优化天然草群成分，提高草地植被盖度和生产力^[36]。本试验表明，经过原地放垡第3年和第6年，第一性生产力量比对照样地增加50.9%和52.7%，第二性生产力分别提高1.7个羊单位/hm²和3.3个羊单位/hm²；该结果优于安耕等在甘肃省的围栏封育、左万庆等在吉林省的围栏封育、宝音贺希格等在内蒙古的免耕补播和沈景林等在青海省划破草皮试验的改良效果^{[7, 35, 36, 37, 38]}；浅翻耕、深翻耕、松土补播等措施改良羊草草地会使其受到一定程度的破坏，作业后第1年羊草草地植被生长缓慢，草地上留有25%—30%的裸露土壤，容易为沙尘暴提供沙源；在羊草草地实施切根松土过程中，切根松土部件易将草根拉出或缠绕草根，在土壤含水量低于10%以下作业时土壤翻垡率明显增加，土壤破坏率达40%以上^[2]。原地放垡对牧草的增产低于管春德在云南省开展的浅翻耕试验结果，这可能是由于实验区地点气候条件相差较大的原因所导致的^[39]。与浅翻耕、深翻耕、松土补播和围栏放牧相比，原地放垡所有过程只是虚部动土且具有实部做“骨架”，具有高效、低耗、动土量小、后效时间长、不易回实等优点^{[40, 41]}。采用原地放垡改良的最佳时间应选择在秋季牧草休眠之后、春季牧草返青之前进行，这样既可以避免由于改良造成的部分裸露土壤被风蚀，又可以有效利用冰雪解冻的水分，改良后的受益时间可达8a。

(1)原地放垡振动间隔松土措施使羊草样地植被盖度提高约60%，使羊草草地生物量增加约30%，可利用牧草产量增加约45%；处理样地α多样性得到不同程度提高，β多样性随时间的增加逐渐减小。

(2)原地放垡振动间隔松土措施提高了羊草草地载畜力，连续6a的调查试验得出，每改良1 hm²羊草草地，平均每年植物生产层增加直接经济收益为1119.0元，动物生产层增加直接经济收益2142.0元，前植物生产层潜在(固碳)经济效益为219.5元。由此可见，原地放垡振动间隔松土措施适用于大面积改良优质、高产的羊草草地和其它根茎型草地。