王瑞君,王百田?,張帆,王寧,舒鑫,曲紅,袁耀,楊浩

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市林業(yè)局,024000,內(nèi)蒙古赤峰;3.北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院,100083,北京;4.北京市園林綠化局十三陵林場(chǎng),102200,北京)

人工生物質(zhì)結(jié)皮是指以來(lái)源于植物的木質(zhì)素和纖維素為功能性材料,人工將其與表層土壤/砂混合制作形成的結(jié)皮。人工生物質(zhì)結(jié)皮從其組成上區(qū)別于土壤結(jié)皮、生物結(jié)皮和化學(xué)結(jié)皮。人工結(jié)皮材料和方法的研究多集中于沙漠化土地防治方面,且多強(qiáng)調(diào)其抗風(fēng)蝕能力方面[1],直接應(yīng)用于植被恢復(fù)的研究[2]很少。筆者曾將人工生物質(zhì)結(jié)皮應(yīng)用于甘肅民勤流動(dòng)沙區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù),在流動(dòng)沙丘表面制作的生物質(zhì)結(jié)皮厚度約10 mm,承壓強(qiáng)度為1～2 kg/cm2,在當(dāng)?shù)貥O端惡劣的氣候條件下,施用人工生物質(zhì)結(jié)皮的流動(dòng)沙丘植被覆蓋度可達(dá)38%,表現(xiàn)出了良好的促進(jìn)植被恢復(fù)的功能[3]。

黃土丘陵溝壑區(qū)存在較多自然和人為開(kāi)挖建設(shè)形成的邊坡,營(yíng)養(yǎng)瘠薄,不適宜耕作和植物生長(zhǎng),水土流失嚴(yán)重[4]。對(duì)于此類立地的植被恢復(fù)目前多以種植木本植物為主,然而,在近自然或半自然狀態(tài)下植物生長(zhǎng)一般較緩慢[5-11],難以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)坡地形成高密度植被覆蓋[12-16]。由于人工生物質(zhì)結(jié)皮具有在極端惡劣的立地條件下較好恢復(fù)植被的功能,所以,筆者以山西省方山縣黃土棄土邊坡為研究對(duì)象,通過(guò)布設(shè)人工生物質(zhì)結(jié)皮進(jìn)行試驗(yàn),研究人工生物質(zhì)結(jié)皮對(duì)黃土邊坡土壤微生態(tài)環(huán)境及植被恢復(fù)的影響,以期為黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境快速改善探索一條新途徑。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地(E 111°13′43″,N 37°42′58″,海拔 1 085 m)位于山西省呂梁山中段西側(cè)的方山縣峪口鎮(zhèn)介溝,為典型黃土丘陵溝壑區(qū)。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降水量416 mm,且年內(nèi)分配非常不均,6—9月降水量占全年降水量的70%以上,多年平均水面蒸發(fā)量高達(dá)1 857.7 mm,最大蒸發(fā)出現(xiàn)在4—6月,表現(xiàn)出典型的北方嚴(yán)重春旱的特征[12]。

試驗(yàn)地為溝內(nèi)工程棄土形成的邊坡,坡向南偏東10°～25°,坡度在 35°～40°之間,坡面土壤為黃綿土,質(zhì)地均勻,pH值8.1。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括結(jié)皮制劑和草本植物種籽。結(jié)皮制劑組成及配比見(jiàn)文獻(xiàn)[11],本研究中配方稍作改動(dòng),木質(zhì)素采用固體配料。草種為冰草(Agropyron cristatum)和波斯菊(Cosmos bipinnata Cav.),均購(gòu)于中國(guó)農(nóng)科院,農(nóng)用復(fù)合肥由山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分2部分,分別是2012年4月23—26日春季布設(shè)的試驗(yàn)1和同年7月20日夏季布設(shè)的試驗(yàn)2。

1)試驗(yàn)1。用于考察人工生物質(zhì)結(jié)皮在黃土邊坡的植被恢復(fù)能力和效果。首先,劃定試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū),試驗(yàn)區(qū)18 m×10 m,對(duì)照區(qū)6 m×10 m,設(shè)置3次重復(fù);在試驗(yàn)區(qū)清理坡面雜草并破壞坡面表層自然結(jié)皮,同時(shí)按河沙與制劑體積比為3:1混合結(jié)皮基質(zhì)組分;然后,播撒冰草種籽(約104顆/m2)、農(nóng)用復(fù)合肥(約150 kg/hm2)及混合好的結(jié)皮制劑;最后,平整坡面,噴灑少量水(約1 L/m2)用以溶解結(jié)皮制劑,形成結(jié)皮。

對(duì)照區(qū)分為2種,一種是破壞自然結(jié)皮的黃土裸露邊坡,一種是保持原狀自然結(jié)皮的邊坡,2種對(duì)照區(qū)按同等用量播散冰草種籽、復(fù)合肥并灑水。

2)試驗(yàn)2。在試驗(yàn)1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步試驗(yàn)人工生物質(zhì)結(jié)皮中碳源高分子材料和氮源肥料在黃土邊坡植被恢復(fù)中的作用,以優(yōu)化調(diào)整其使用比例。

在試驗(yàn)1的試驗(yàn)區(qū)左側(cè)選30 m邊坡,坡面長(zhǎng)16 m,劃分成15個(gè)5 m×5 m的處理單元。共設(shè)5種處理,分別為空白對(duì)照CK,撒草籽T1,撒肥料和草籽T2,撒不含復(fù)合肥的結(jié)皮制劑和草籽T3,撒結(jié)皮制劑、肥料和草籽T4,每種處理重復(fù)3次。處理設(shè)置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)2的對(duì)比處理示意圖Fig.1 Schematic of Test Two

試驗(yàn)2的坡面處理、混料和施肥等施工方法與試驗(yàn)1相同,所有處理不進(jìn)行灑水,并以波斯菊種籽替代冰草種籽,播撒量為1 500～2 000顆/m2。

在試驗(yàn)區(qū)周圍均設(shè)置0.5～1 m的隔離帶。施工完成后,不對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行封育及任何管護(hù)工作,以保障試驗(yàn)完全在當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件下進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)觀測(cè)

在每個(gè)處理區(qū)分別設(shè)置調(diào)查樣方(1 m×1 m),調(diào)查植物種類、覆蓋度、生物量等植被恢復(fù)指標(biāo)。土壤溫度和濕度是影響植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的重要指標(biāo),在草本植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)初期,根系主要集中于0～10 cm土層中;所以,本試驗(yàn)選取土壤表層10 cm深度處,在2012年4—9月對(duì)其溫濕度變化用TRJCXT -01十通道土壤溫濕度連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)?？諝鉁貪穸韧ㄟ^(guò)手持自動(dòng)氣象站Kestrel 4500記錄;土壤密度采用環(huán)刀法[17]測(cè)定;坡面粗糙度通過(guò)鏈條法[18]計(jì)量,坡面抗沖蝕指標(biāo)采用統(tǒng)計(jì)雨后樣地水蝕細(xì)溝體積方式獲得,調(diào)查樣方面積為0.5 m×0.5 m。

2.4 數(shù)據(jù)分析和處理

所有數(shù)據(jù)使用Excel 2010和SPSS 11.0軟件進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 人工生物質(zhì)結(jié)皮對(duì)黃土邊坡微生態(tài)環(huán)境的影響

3.1.1 對(duì)土壤溫度的影響 2012年4—9月10 cm深度土壤各月平均溫度見(jiàn)圖2?？梢钥闯?從2012-04—2012-07,人工生物質(zhì)結(jié)皮區(qū)土壤月平均溫度顯著高于對(duì)照無(wú)結(jié)皮區(qū)溫度(P＜0.05),各月依次高出1.1、1.9、1.5和1.2℃。8和9月結(jié)皮區(qū)與對(duì)照區(qū)溫度差異不顯著(P＞0.05)。

4—7月為黃土高原地區(qū)植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的階段,人工生物質(zhì)結(jié)皮區(qū)土壤溫度升高對(duì)植物種籽萌發(fā)生長(zhǎng)有利。

圖2 2012年4—9月10 cm深度土壤各月平均溫度Fig.2 Monthly average temperature of soil layer at 10 cm depth from April to September 2012

3.1.2 對(duì)土壤濕度的影響 2012年4—9月10 cm深度土壤各月平均濕度見(jiàn)圖3?？梢钥闯?從2012年4月至2012年7月,人工生物質(zhì)結(jié)皮區(qū)10 cm深度土壤月平均濕度顯著高于對(duì)照區(qū)(P＜0.05),各月依次比對(duì)照高出 19.0%、23.7%、35.8%和23.3%。8和9月結(jié)皮區(qū)與對(duì)照區(qū)濕度差異不顯著(P＞0.05)。數(shù)據(jù)表明人工生物質(zhì)結(jié)皮具有較為明顯的保水(墑)功能,可以為種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng)提供更好的水分條件。

圖3 2012年4—9月10 cm深度土壤各月平均濕度Fig.3 Monthly average soil water content at 10 cm depth from April to September 2012

因試驗(yàn)地位于黃土丘陵溝壑區(qū)的陽(yáng)坡,土壤水分是限制植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的重要因子之一,一直以來(lái)也是導(dǎo)致該地區(qū)豐富的土壤種子庫(kù)在自然條件下對(duì)植被恢復(fù)很難發(fā)揮作用的原因,而本試驗(yàn)所用人工生物質(zhì)材料則較好地解決了土壤種子庫(kù)萌發(fā)所需的水分。

3.1.3 對(duì)土壤侵蝕的影響 施工結(jié)束到降雨侵蝕細(xì)溝數(shù)據(jù)采集期間(2012-07-20—2012-08-02)的降雨情況見(jiàn)表1,2012-08-03試驗(yàn)2各處理侵蝕細(xì)溝狀況見(jiàn)圖4,試驗(yàn)2各處理侵蝕細(xì)溝總體積比較見(jiàn)圖5?？梢钥闯?在降雨條件相同的情況下,CK、T1和T2表面水蝕細(xì)溝體積比T3和T4大1倍以上,差異顯著(P＜0.05)。表明在無(wú)植被覆蓋、相同降雨量、相似坡面粗糙度和相似淺層土壤密度條件下,結(jié)皮區(qū)的抗水蝕能力強(qiáng)于無(wú)結(jié)皮區(qū),對(duì)地表具有一定的物理護(hù)坡功能,可以起到減緩徑流沖刷侵蝕的作用。

表12012 -07-24—08-02降雨量Tab.1 Daily rainfall from July 24 to August 4,2012

圖4 試驗(yàn)2不同處理坡面侵蝕狀況Fig.4 Slope erosion of different plots in Test Two area

3.2 氮源肥料對(duì)人工生物質(zhì)結(jié)皮使用效果影響

2012-09-10試驗(yàn)2植被生長(zhǎng)狀況見(jiàn)圖6?？梢钥闯?CK和T1植物生長(zhǎng)較少,T2和T3較多,T4最多。

試驗(yàn)2各處理樣地生物量見(jiàn)圖7?？芍?CK和T1生物量很小,分別為0.02和0.03 t/hm2,T2、T3和T4分別為0.33、0.31和1.31 t/hm2,其中T4生物量是T2和T3的4倍多。

結(jié)果表明,單獨(dú)使用復(fù)合肥(T2)和生物質(zhì)高分子材料(T3)處理區(qū)的生物量均遠(yuǎn)大于既無(wú)結(jié)皮又無(wú)肥料的處理(T1)。說(shuō)明復(fù)合肥和生物質(zhì)材料都可促進(jìn)黃土邊坡植物生長(zhǎng),而且二者作用相當(dāng)。當(dāng)復(fù)合肥和生物高分子材料結(jié)合使用時(shí)(T4),促進(jìn)植物生長(zhǎng)的效果超出T2和T3效果的簡(jiǎn)單疊加;因此,氮源肥料和碳源生物高分子材料均為人工生物質(zhì)結(jié)皮制劑的重要組成,二者同時(shí)使用促進(jìn)植物生長(zhǎng)效果最佳。

圖62012 -09-10試驗(yàn)2植被生長(zhǎng)狀況Fig.6 Vegetation growth in Test Two area on September 10,2012

圖7 試驗(yàn)2各處理區(qū)生物量Fig.7 Biomass of each treatment in Test Two

3.3 人工生物質(zhì)結(jié)皮對(duì)黃土邊坡植被恢復(fù)的影響

2012-07-17對(duì)春季布設(shè)的試驗(yàn)1的植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)圖8,試驗(yàn)1植被覆蓋度見(jiàn)表2,生物量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖9。

如圖8和表2所示,不同處理區(qū)植被覆蓋度以人工生物質(zhì)結(jié)皮區(qū)最好,自然坡面區(qū)次之,裸露黃土區(qū)最差,分別為66.7%、32.7%和15.6%。

表22012 -07-17試驗(yàn)1植被覆蓋度Tab.2 Vegetation coverage in Test One area on July 17,2012

圖82012 -07-17試驗(yàn)1植被生長(zhǎng)狀況Fig.8 Vegetation growth in Test One area on July 17,2012

圖92012 -07-17生物量統(tǒng)計(jì)Fig.9 Biomass of different treatments of Test One on July 17,2012

由圖9可知,人工結(jié)皮區(qū)生物量為1.65 t/hm2,分別為自然坡面和空白對(duì)照生物量的10.50和20.48倍。結(jié)皮區(qū)除冰草外,還有大量其他種類植物,占結(jié)皮區(qū)總生物量的83.06%。經(jīng)初步鑒定,結(jié)皮區(qū)的植物(除冰草外)以當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的菊科和藜科植物為主,判斷為由土壤種子庫(kù)植物種子萌發(fā)生長(zhǎng)所致。這一結(jié)果暗示,生物質(zhì)結(jié)皮可能僅利用土壤種子庫(kù)中的種子就可在該地黃土坡面達(dá)到滿意的植被恢復(fù)效果。

圖10示出2012-08-01邊坡植被生長(zhǎng)狀況,由于當(dāng)?shù)?月下旬雨水較充沛,邊坡植物生長(zhǎng)加快,至8月初,結(jié)皮區(qū)植被覆蓋度超過(guò)90%,而裸露黃土對(duì)照區(qū)和自然坡面對(duì)照區(qū)的覆蓋度則分別為30%和35%。此時(shí)結(jié)皮區(qū)植物鮮質(zhì)量生物量為3.09 t/hm2,其中土壤種子庫(kù)植物提供了2.74 t/hm2,占總生物量的78.83%。

4 結(jié)論與討論

人工生物質(zhì)結(jié)皮施用于黃土棄土邊坡,可增高地溫、降低地表蒸發(fā)、提高土壤含水量,改善邊坡土壤環(huán)境條件,可有效減緩邊坡地表的徑流沖刷侵蝕,具有活化土壤種子庫(kù)等功能,可起到較好的植被恢復(fù)效果,實(shí)現(xiàn)由生物質(zhì)結(jié)皮的物理護(hù)坡向植被護(hù)坡的自然過(guò)渡,形成以鄉(xiāng)土植物種為主的植被群落。

圖102012 -08-01邊坡植被生長(zhǎng)狀況Fig.10 Vegetation of Test One on August 1,2012

生物高分子材料曾被用于植被恢復(fù)研究,現(xiàn)仍處于探索研究階段[19-22],尚未見(jiàn)有大面積應(yīng)用報(bào)道。與本試驗(yàn)類似的結(jié)皮方法還有化學(xué)制劑結(jié)皮,后者在環(huán)境安全性、使用成本等方面有不同程度的缺陷,且化學(xué)結(jié)皮更多的以固定表土為主要目的,植被恢復(fù)功能方面考慮少。而且,人工生物質(zhì)結(jié)皮方法與目前生產(chǎn)實(shí)踐中植被恢復(fù)效果較好的客土、厚層基材噴播技術(shù)相比,后者常采用如乳化瀝青等化工材料作為功能成分,這些成分本身或其降解過(guò)程產(chǎn)物可能會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成不良影響,且后期養(yǎng)護(hù)成本較高。人工生物質(zhì)結(jié)皮環(huán)境友好,無(wú)須后期養(yǎng)護(hù),且材料成本小于1元/m2,該方法明顯低于其他方法所用成本[23]。