包賽很那,苗彥軍?,郭云雷,徐雅梅,王明濤,王向濤,謝國(guó)平,王傳旗
(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院,860000,西藏林芝;2.西藏俊富環(huán)境恢復(fù)有限公司,850000,拉薩)
西藏自治區(qū)位于青藏高原的主體,地勢(shì)高峻,地理特殊。近年來(lái),經(jīng)濟(jì)建設(shè)的跨越式發(fā)展推動(dòng)了公路建設(shè)的飛速發(fā)展,而公路的建設(shè)不可避免地對(duì)周邊植被及地貌造成嚴(yán)重的破壞[1-5]。
林芝地區(qū)是林芝至拉薩高等級(jí)公路的起始路段,地質(zhì)地貌獨(dú)特,具有典型的高原高寒氣候、蒸發(fā)量大、紫外線強(qiáng)烈、土壤養(yǎng)分不均衡、邊坡土質(zhì)疏松極不穩(wěn)定等特點(diǎn)。目前,已建成的公路大多處于傍山依水路段,邊坡陡峭,在風(fēng)蝕和水蝕的作用下,易發(fā)生水土流失導(dǎo)致公路坍塌、山體滑坡等現(xiàn)象。如不及時(shí)采取邊坡修復(fù)措施,則會(huì)造成毀滅性的環(huán)境問(wèn)題[6]。
生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)被稱作“三維排水柔性生態(tài)護(hù)坡技術(shù)”[7-9]。原材料為聚丙烯(PP)或聚酯纖維(PET),具有不變形、抗老化、抗凍融、耐酸堿、無(wú)毒、不溶于污染液體的可回收等特點(diǎn)。生態(tài)袋的水土保持能力強(qiáng),對(duì)幼苗具有深根錨固、淺根加筋的功能。該技術(shù)被廣泛用于水土保持、河道護(hù)岸、水庫(kù)和湖泊防護(hù)等工程建設(shè)中[10-12]。特殊的高原氣候與地理地貌特征,體現(xiàn)公路邊坡修復(fù)工程的異常艱巨性。高原邊坡修復(fù),必須采用強(qiáng)力防止水土流失又適合植物生長(zhǎng),確保邊坡長(zhǎng)久穩(wěn)定的植被修復(fù)技術(shù),在高寒地區(qū)這方面的研究甚少。
植物正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素就是水分和養(yǎng)分。水分是種子萌發(fā)生長(zhǎng)的先決條件,若水分不能滿足種子萌發(fā)期物質(zhì)代謝的需求,種子就不能正常萌發(fā)。但水分過(guò)多會(huì)造成氧氣供應(yīng)不足,導(dǎo)致發(fā)芽能力下降。養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[13]。有研究表明,水分和供氮含量不合理將嚴(yán)重影響植被的出苗率、高度、基莖粗、蓋度、密度和生物量等形態(tài)指標(biāo)[14]??茖W(xué)合理的灌水和施氮條件可提高根系對(duì)土壤中水氮的吸收率,從而促使地上部分的生長(zhǎng),對(duì)植物正常生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用[15]。
為此,本研究在借鑒歐美多個(gè)國(guó)家使用數(shù)年的柔性邊坡修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)林芝地區(qū)特殊的高寒氣候及土壤性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)分析,選用經(jīng)高原地區(qū)引種馴化篩選出來(lái)的抗逆性極強(qiáng)的4種優(yōu)良禾本科牧草種子黑麥草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaelata)、草地早熟禾(Poapratensis)、老芒麥(Elymussibiricus)為供試材料,設(shè)生態(tài)袋不同水氮供應(yīng)水平,在林—拉高等級(jí)公路起始路段進(jìn)行邊坡和平地的植被修復(fù)試驗(yàn)。以期從適宜牧草材料的選擇、合理的栽培技術(shù)、水肥調(diào)控等方面,探索適合西藏高寒地區(qū)公路邊坡修復(fù)的技術(shù)。
林芝地區(qū)位于西藏尼洋河畔的河谷地帶,E 94°21′,N 29°33′,海拔2 950 m,年均氣溫8.6 ℃,最冷月0.2 ℃,最熱月15.6 ℃,極端最低溫-15.3 ℃,極端最高溫30.2 ℃,年降水量634.2 mm,平均相對(duì)濕度71%。年日照時(shí)間1 988.6 h,日照比例46%,無(wú)霜期180 d,為季風(fēng)氣候,霜凍期為9月至翌年5月初。土壤有機(jī)質(zhì)為3.04%,全氮為0.151%,C/N比達(dá)21.7,全磷為0.095%,全鉀為2.08%,堿解氮為105 mg/kg,速效磷為9.7 mg/kg,速效鉀138 mg/kg。
生態(tài)袋:規(guī)格0.53 m×0.35 m,原材料為高新技術(shù)特種材料聚丙烯(PP),為難降解的生態(tài)合成材料。保水劑、粘合劑(青島睿達(dá)進(jìn)出口有限公司):保水劑(聚丙烯酸鉀)為白色顆粒晶體狀,60~800目的高分子聚合物,可吸收超出自身質(zhì)量300~500倍的去離子水。粘合劑(聚丙烯酰胺)為白色小顆粒狀,20~80目的水溶性高分子聚合物。硫酸鉀型復(fù)合肥:中農(nóng)中際化肥(山東)有限公司,白粒無(wú)機(jī)養(yǎng)分[51%(N25- P8- K18);48%(N22- P10- K16)、48%(N16- P16- K16),硫酸鉀型45%(N15- P15- K15)]加上黑粒有機(jī)養(yǎng)分(氮≥16%,氨基酸≥20%,腐殖酸≥16%,有機(jī)脂≥20%)。農(nóng)家有機(jī)肥:當(dāng)?shù)刭?gòu)買。材料具體用量見(jiàn)1.4。供試材料:早熟禾、高羊茅、黑麥草、老芒麥,均來(lái)自西藏農(nóng)牧學(xué)院高寒草地保護(hù)與培育實(shí)驗(yàn)室西藏野生種質(zhì)資源圃。
2014年6月14日在西藏林芝地區(qū)林—拉高等級(jí)公路起始路段選擇典型的水土流失、植被嚴(yán)重退化的地段進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)??偯娣e為35 m2,其中邊坡15 m2(坡度45°,長(zhǎng)10 m)、平地20 m2,播種方式均采取混播?;觳ゲ莘N選擇經(jīng)高原地區(qū)引種馴化篩選出來(lái)的抗逆性極強(qiáng)的4種優(yōu)良禾本科草種黑麥草、高羊茅、草地早熟禾、老芒麥等,依順序混播比例為4∶3∶2∶1。種植面積以1 m2(6個(gè)生態(tài)袋,土質(zhì)量為270 kg/m2)為1個(gè)單元確定其播種量和肥力水平。試驗(yàn)設(shè)供氮量(N)和供水量(W)雙因素處理。當(dāng)?shù)刈魑锸┑皆?.05~0.10 g/kg,據(jù)此氮處理設(shè)置4個(gè)水平,分別為:不供氮處理(N0=0 g/kg)、低氮(N1=0.027 8 g/kg)、中氮(N2=0.055 6 g/kg)、高氮(N3=0.083 3 g/kg)處理;試驗(yàn)用沙壤土的飽和含水量為85%~90%,據(jù)此將灌溉水平設(shè)2個(gè)水平,分別為:低水(60%~70%,W1=60 mL/kg)和充分灌水(85%~90%,W2=85 mL/kg )(表1)。每處理3次重復(fù)。播后,由人工澆水管養(yǎng)并定期觀測(cè)數(shù)據(jù)。
表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental treatments
注:N0、N1、N2、N3分別表示無(wú)供氮處理和供氮0.027 8、0.055 6、0.083 3 g/kg處理;W1、W2分別表示灌溉水平60、85 mL/kg。下同。Notes: N0: No nitrogen. N1: 0.027 8 g/kg. N2: 0.055 6 g/kg. N3: 0.083 3 g/kg. W1: 60 mL/kg. W2: 85 mL/kg. The same below.
土壤取自當(dāng)?shù)剞r(nóng)田較好的沙壤土,清除碎片、根系、樹枝。根據(jù)試驗(yàn)要求分為種植土和噴播土。種植土混合成分:有機(jī)肥15 g/kg、復(fù)合肥0.11 g/kg。根據(jù)要求,將肥料均勻?yàn)⑹┑椒N植土中搗勻。噴播土混合成分:有機(jī)肥0.37~0.55 g/kg,復(fù)合肥養(yǎng)分主要以N為主導(dǎo)因素,分別設(shè)4個(gè)供氮水平,再添加保水劑和粘合劑,用量均為0.277 8 g/kg。先將有機(jī)添加劑和肥料按要求置土中搗勻,再與植物種子均勻混合。邊坡和平地條件均一致。
坡面修整→基礎(chǔ)施工→裝袋→壘砌(平鋪,圖1)→噴播(厚度2~3 cm,土質(zhì)量54 kg/m2)→養(yǎng)護(hù)管理。
播種當(dāng)年6月29日(出苗早期)和7月19日(出苗后期)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定。具體測(cè)定指標(biāo)如下:植物出苗率=(出苗的種子粒數(shù)/播種種子粒數(shù))× l00%。具體測(cè)定方法:播種前將確定單位面積播種量的種子置于自動(dòng)數(shù)粒儀(SLY-E)上確定其種子粒數(shù),記錄。播種后規(guī)定時(shí)間內(nèi),再測(cè)全部正常種苗數(shù)占供試種子數(shù)的比例。植被高度:隨機(jī)選取混播牧草15株(其中應(yīng)包含最高、最低、平均3個(gè)高度),用專業(yè)的實(shí)驗(yàn)用高精度PVC鋼卷尺測(cè)絕對(duì)高度,3次重復(fù),取平均值。蓋度:植物地上部分垂直投影面積占地面的比率(%),采用目測(cè)法測(cè)定。密度:一定空間內(nèi)的株數(shù),D=N/A(N為樣方內(nèi)植物個(gè)體全部數(shù)目;A為樣方面積)。試驗(yàn)每處理采5個(gè)點(diǎn),面積均為0.1×0.1 m2,計(jì)算該面積上植物個(gè)數(shù),取平均值。地上生物量(干質(zhì)量):從單位面積混播植物中隨機(jī)取幼苗15株,取地上部分在烘箱內(nèi)105 ℃殺青0.5 h,然后調(diào)至65 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱量,計(jì)算單株干質(zhì)量。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在 Excel 2003中錄入,運(yùn)用SPSS 13.0軟件采用Duncan單因素方差分析和顯著性檢驗(yàn)。
生態(tài)袋, Ecological bag; 標(biāo)準(zhǔn)扣, Standard buckle 圖1 生態(tài)袋放置施工技術(shù)簡(jiǎn)圖Fig.1 Construction technology chart for placing the Ecological bag
不同水氮供應(yīng)條件下,比較邊坡和平地植被出苗率情況發(fā)現(xiàn)(表2),出苗早期,在邊坡上,2種灌溉處理、N1水平植被出苗率明顯高于其他處理,與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05),尤其充分灌水低氮(W2N1)時(shí),出苗率最高,為79%。平地上,隨供氮量的增加,W2處理時(shí)植被出苗率均高于W1,且充分灌水中氮(W2N2)時(shí)出苗率最高,為77.67%??梢?jiàn),出苗早期,利于邊坡植被出苗的最適條件為:充分灌水低氮(W2N1)處理;而平地為充分灌水中氮(W2N2)處理。出苗后期,無(wú)論邊坡還是平地,供氮條件下植被出苗率均高于無(wú)供氮處理。其中:最適合邊坡植被出苗的供氮水平為低氮(N1)處理,出苗率92%或85.67%;而平地為高氮(N3)條件,出苗率75%或66%。相同供氮水平下,W2時(shí)出苗率均低于W1。W2N1處理時(shí),邊坡和平地植被出苗率分別比W1N1降低6.88%、34.78%。相同灌溉條件下,在中、高氮(N2N3)處理時(shí)平地出苗率均大于邊坡。因此,出苗后期,邊坡植被出苗的最適水氮條件為W1N1,而平地為W1N3。低水無(wú)供氮(W1N0)的2個(gè)時(shí)間段測(cè)定,邊坡植被出苗率由早期40%降至9.67%。主要原因是隨著植物不斷生長(zhǎng),無(wú)供氮(N0)條件無(wú)法滿足植被快速生長(zhǎng)的養(yǎng)分需要,產(chǎn)生植物種間競(jìng)爭(zhēng)致幼苗死亡引起??偟膩?lái)說(shuō),邊坡植被在出苗早期和后期均需求低水低氮(W1N1)條件,而平地上,始終需求中、高氮水平,但隨著生長(zhǎng)時(shí)間的推移,對(duì)水分的需求由充分灌水降低至低水條件。
由表3可見(jiàn),出苗早期,N1、N2水平、W2處理時(shí),邊坡植被高度明顯大于W1處理,尤其W2N1處理對(duì)植被高度的促進(jìn)作用更顯著(P<0.05)。但隨著供氮量的增加,W2處理時(shí)植被高度呈降低趨勢(shì)。平地上,在不同供氮水平W2處理時(shí)高度分別比W1提高17.46%(N1)、29.04%(N2)、4.08%(N3)。出苗后期,相同灌溉條件下,邊坡N1水平時(shí)植被的高度均大于N0水平(P<0.05,平地P>0.05),且W2處理時(shí)邊坡和平地植被的高度分別比W1提高19.62%、18.46%;而N2、N3水平時(shí),邊坡和平地植被的高度均隨水分的增加而降低,邊坡W2N2、W2N3處理時(shí)分別同比W1降低9.08%、16.98%。相同水分條件下,無(wú)供氮(N0)處理時(shí)邊坡的植被高度均大于平地??梢?jiàn),生態(tài)袋邊坡播種有利于植被生長(zhǎng)率的提高,且最適宜的水氮條件為:出苗早期W2N1;出苗后期:W2(或W1)N1>W1N3>W1N2。而平地上,出苗早期、在充分灌水中氮(W2N2,)時(shí)株高最大;到出苗后期,相同灌溉條件、高氮(W1/W2N3)時(shí)植物株高大于邊坡。
表2 不同水氮供應(yīng)條件下植被的出苗率(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.2 Seedling emergence rate of vegetation in different water and nitrogen supply conditions (Mean±SD) %
注:同列不同小寫字母表示混播草種不同處理間差異顯著(P<0.05)下同。Notes: Different lowercase letters within the same column for the mixed forage species mean significant differently among different treatments at 0.05 level. The same below.
表3 不同水氮供應(yīng)條件下植被的高度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.3 Vegetation height in different water and nitrogen supply conditions( Mean±SD) cm
2種灌溉條件、N1水平時(shí),植被的蓋度大小順序?yàn)椋哼吰?平地>對(duì)照(表4)。出苗早期,不論邊坡還是平地,N1水平時(shí),W2處理與W1相比,植被蓋度提高幅度為邊坡(57.69%)>平地(3.91%)。植被蓋度在邊坡W2N1和平地W2N3時(shí)最大,分別為68.33%、53%。出苗后期,除邊坡N1水平外,其余肥力水平W1時(shí)植被蓋度均高于W2處理。表明,邊坡植被蓋度最適宜的水氮條件為:W2N1;平地為W1N3。表明,植被蓋度與水肥條件密切相關(guān),且不論出苗早期還是后期,邊坡的植被蓋度始終需求充分灌水低氮(W2N1)條件;而平地,到出苗后期水分需求量降低,但對(duì)高氮的需求未變。說(shuō)明生態(tài)袋在邊坡上明顯起到水肥調(diào)控作用。這與適宜的灌溉和肥力條件,可有效提高邊坡植被的蓋度[16]相一致。
表4 不同水氮供應(yīng)條件下植被的蓋度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.4 Vegetation coverage in different water and nitrogen supply conditions (Mean ± SD) %
表5所示,出苗早期,邊坡W2N1和平地W2N3時(shí)植被密度最高,分別為1萬(wàn)3 600株/m2、1萬(wàn)1 500株/m2。出苗后期,不論邊坡還是平地,W1N3條件下植被密度最大。說(shuō)明出苗早期,植被密度最適條件分別為:邊坡W2N1;平地W2N3;到出苗后期最適水氮條件分別為W1N3和W2N2??梢?jiàn),在出苗后期,邊坡植被密度的需氮量從早期的低氮增加至高氮水平,水分需求由充分灌水降低至低水條件。而平地植被密度由早期的高氮轉(zhuǎn)為中氮需求水平,對(duì)水分需求始終以充分灌水為主。因此,在生產(chǎn)上,隨著植物生長(zhǎng)時(shí)間的推移,在邊坡上適時(shí)追肥有助于植被茂密生長(zhǎng)。整個(gè)測(cè)定時(shí)期,在相同的灌溉條件、無(wú)供氮(N0)時(shí)邊坡植被的密度均大于平地。主要原因是生態(tài)袋在邊坡上水分調(diào)節(jié)性能強(qiáng),且有效促進(jìn)邊坡植被的修復(fù)。
表5 不同水氮供應(yīng)條件下植被的密度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.5 Vegetation density in different water and nitrogen supply conditions (Mean±SD) Plants/m2
對(duì)植被干質(zhì)量而言(表6),在邊坡N1、N2水平、W2時(shí)干質(zhì)量高于W1,尤其W2N1時(shí)邊坡植被干質(zhì)量達(dá)最高,為0.032 5 g;而平地在W1N1條件時(shí)植被干質(zhì)量最高,為0.031 6 g。說(shuō)明促進(jìn)生態(tài)袋植被干質(zhì)量的最適條件為:邊坡W2N1;平地W1N1。
表6 不同水氮供應(yīng)條件下植被干質(zhì)量Tab.6 Dry weight of vegetation biomass in different water and nitrogen supply conditions g/plant
劉世全等[15]研究發(fā)現(xiàn),過(guò)多或過(guò)少的水分直接影響根系呼吸,抑制根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力。本研究中,在整個(gè)測(cè)定期,在相同水分條件下,邊坡無(wú)供氮(N0)時(shí)植被高度、蓋度、密度和干質(zhì)量均明顯大于平地,且邊坡植被在低水(W1)時(shí)密度和干質(zhì)量高于充分灌水(W2),平地反之。主要原因可能是生態(tài)袋在邊坡上的水分調(diào)節(jié)性能強(qiáng),因此,在低水條件下各形態(tài)指標(biāo)均高于平地。氮素是植物體內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸和部分激素的重要組成部分,是影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)元素[17-18]。本試驗(yàn)結(jié)果中,無(wú)供氮低水的2個(gè)時(shí)間段,邊坡植被的出苗率由早期的40%降至9.67%,主要原因是無(wú)供氮(N0)條件無(wú)法滿足植物正常生長(zhǎng)的養(yǎng)分需求,甚至導(dǎo)致幼苗大量死亡。
陳繼康等[19]研究氮素水平對(duì)不同氮效率基因型苧麻(ramie)根系性狀的影響發(fā)現(xiàn),合理氮素供應(yīng)可增強(qiáng)苧麻根系的活力,提高根系體積,促進(jìn)根系吸收水肥的潛力,反而過(guò)高或過(guò)低水平均降低苧麻根系的活力。孫譽(yù)育等[20]研究水氮耦合效應(yīng)對(duì)紅樺(Betualalbo-sinensis)幼苗生長(zhǎng)的影響及其生理機(jī)制發(fā)現(xiàn),在一定水分含量范圍內(nèi),氮肥降低土壤水分的溶質(zhì)勢(shì),致使根系很難吸收水分,阻礙對(duì)地下和地上部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng),從而對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生明顯的影響。本研究中,邊坡植被各形態(tài)指標(biāo)在高氮、低水條件下表現(xiàn)較差,地上植被干質(zhì)量較低,而平地植被在低氮條件下植被的各形態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)較差。但在適宜的水氮條件下長(zhǎng)勢(shì)好,植株高大、生物量積累多,過(guò)多或過(guò)少的水氮條件下植被長(zhǎng)勢(shì)較差,植株較低矮,生物量積累較少。在植被出苗早期,邊坡植被在充分灌水、低氮(W2N1)時(shí),植被出苗率、株高、蓋度、密度和地上植被干重均達(dá)到最高水平,直至種子出苗后期,該條件下出苗率和植被地面覆蓋率仍保持最高水平、植株表現(xiàn)較為高大,而密度在W1N3條件下最高。而平地上,植被出苗早期,在充分灌水中高氮(W2N2/N3)時(shí)出苗率、蓋度和密度均最高,植株較高大;到出苗后期,平地植被生長(zhǎng)對(duì)高氮的需求仍未變,但對(duì)水分的需求由充分灌水轉(zhuǎn)變?yōu)榈退畻l件。因此,在植被生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中合理調(diào)節(jié)水分和養(yǎng)分的供給量至關(guān)重要。此外,在低氮供應(yīng)時(shí),邊坡植被長(zhǎng)勢(shì)較平地好,而平地植被始終需求中高氮水平維持其生長(zhǎng)發(fā)育。說(shuō)明在同等條件下,生態(tài)袋在邊坡上具有顯著的養(yǎng)分調(diào)控機(jī)制,能夠有效促進(jìn)植物正常生長(zhǎng)發(fā)育,從而起到邊坡植被修復(fù)的作用。該技術(shù)適合在高寒地區(qū)公路邊坡修復(fù)工作中推廣利用。
通過(guò)研究生態(tài)袋不同水氮供應(yīng)條件對(duì)邊坡和平地植被萌發(fā)生長(zhǎng)的影響發(fā)現(xiàn),出苗早期,在充分灌水、低氮(W2N1)時(shí),邊坡植被的出苗率、株高、蓋度、密度和地上植被干質(zhì)量均達(dá)到最高水平,到出苗后期在中高氮條件下植被密度最高。而平地上,在充分灌水中高氮(W2N2/N3)時(shí),植被出苗率、蓋度和密度均最高,植株較高大,到出苗后期,平地植被的生長(zhǎng)對(duì)水分的需求由充分灌水轉(zhuǎn)變?yōu)榈退畻l件??偟膩?lái)說(shuō),在適宜的水氮條件下,植被出苗率、株高、地面覆蓋率、密度和生物量等指標(biāo)均較理想,而在低水無(wú)供氮(W1N0)時(shí),出苗后期邊坡和平地植被的出苗率、高度、蓋度均較低,但具有一定面積的分布。這與供試優(yōu)良草種對(duì)逆境的耐受性有關(guān),而且其生長(zhǎng)發(fā)育明顯受生態(tài)袋水氮供應(yīng)條件的影響。在(W1或W2)N1時(shí),邊坡生態(tài)袋植被出苗率、高度、蓋度較平地高。綜上所述,生態(tài)袋在邊坡上能起到植被修復(fù)的作用,且不論是生態(tài)袋植被修復(fù)技術(shù)還是植被修復(fù)高抗牧草組合、適宜的水肥設(shè)計(jì)等方面均應(yīng)得到推廣,從而為高寒地區(qū)邊坡修復(fù)工作中提供指導(dǎo)。