兩種修復(fù)方式對(duì)青藏高原取棄土場(chǎng)修復(fù)后草地蓋度的影響

趙 科，汪正蕓，李育慶，鄭天立，胡健波

（1. 青海省公路建設(shè)管理局，青海 西寧 810000；2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300000；3. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

青藏高原高寒草地目前正遭受著人類(lèi)活動(dòng)和氣候變暖的雙重影響[1-3]。因青藏高原平均海拔在4 000 m以上，低溫環(huán)境和土壤發(fā)育時(shí)間短，導(dǎo)致高寒草地生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性[4]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，公路建設(shè)[5-6]、人口數(shù)量增加、旅游開(kāi)發(fā)[7]、過(guò)度放牧[8]等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的影響正在加劇。

公路建設(shè)是青藏高原地區(qū)主要的人類(lèi)活動(dòng)方式之一。公路建設(shè)會(huì)破壞沿線的草地生態(tài)系統(tǒng)，如因取土、棄土需求而導(dǎo)致沿線產(chǎn)生裸露的取棄土場(chǎng)，且其植被修復(fù)受氣候條件等因素限制較為困難[9]。公路施工后，通過(guò)播種幫助被破壞的草地進(jìn)行恢復(fù)，是常用的修復(fù)方式。但青藏高原高寒草地受低溫限制，具有生長(zhǎng)季短、生產(chǎn)力低下以及高寒植物有性繁殖體少等特征，直接在被破壞的裸地進(jìn)行播種其修復(fù)效果不佳[10-12]。因此，成本雖高但效果更好的草皮移植技術(shù)被大量應(yīng)用于青藏高原被破壞草地的修復(fù)。目前針對(duì)青藏高原地區(qū)公路沿線破壞植被的修復(fù)主要采用草皮移植法與種草法[13-14]，但尚缺乏研究比較該地區(qū)不同修復(fù)方式的修復(fù)效果及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的報(bào)道。

本研究選擇共玉高速沿線修復(fù)后取棄土場(chǎng)為研究對(duì)象，比較不同海拔兩種方式(種草法和草皮移植法)修復(fù)后草地蓋度差異，并使用自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比分析了兩種修復(fù)方式修復(fù)效果隨海拔、溫度和降水等環(huán)境因子的變化規(guī)律，旨在為高寒地區(qū)公路建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的取棄土場(chǎng)草地修復(fù)方式的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

共和至玉樹(shù)(結(jié)古)高速公路位于青海省玉樹(shù)、果洛、海南三州境內(nèi)，公路沿線平均海拔約4 100 m，地處 33.03° - 36.27° N，96.97° - 100.61° E，屬典型的高原大陸性半干旱氣候類(lèi)型，光照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，冬季寒冷漫長(zhǎng)，易有雪災(zāi)，夏季涼爽短促，降水主要集中在5月 - 9月[15]。公路沿線土壤主要是高寒草甸土，植被類(lèi)型包括高寒草甸和高寒草原(表1)。

共玉高速公路于2017年8月正式建成通車(chē)。建成通車(chē)前(2017年4月 - 5月)，項(xiàng)目建設(shè)組根據(jù)沿線取土、棄土場(chǎng)等臨時(shí)占地生態(tài)修復(fù)需要，采用播種法和草皮移植法相結(jié)合開(kāi)展修復(fù)。2017年4月下旬，從海南藏族自治州共和縣恰卜恰鎮(zhèn)開(kāi)始到玉樹(shù)藏族自治州玉樹(shù)縣結(jié)古鎮(zhèn)為止，公路沿線的裸地均得到了修復(fù)。種草法使用草種皆為垂穗披堿草(Elymus nutans)；草皮移植法就近使用修建公路剝離的草皮，其優(yōu)勢(shì)種主要為紫花針茅(Stipa purpurea)、芨芨草(Achnatherum splendens)和嵩草(Kobresia myosuroides)。

表1 不同海拔草地樣地信息Table 1 Information of the investigated grassland sites

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種草法修復(fù)樣地采用人工撒播(與沙土混播)與免耕播種機(jī)播種相結(jié)合的方式進(jìn)行播種，垂穗披堿草的播種密度約為37.5 kg·hm-2(每畝2.5 kg)。草皮移植法修復(fù)樣地采用機(jī)械和人工相結(jié)合將草皮連同腐殖土一起移植。兩種修復(fù)方式的樣地，播種和鋪筑完成后，定期進(jìn)行灌溉，灌溉密度為1 200 m3·(hm2·a)-1，第 1 次灌溉時(shí)每公頃追施尿素79.5 kg。此外，種草法修復(fù)樣地在施加尿素的基礎(chǔ)上，再按照225 kg·hm-2的密度施加磷酸二胺。

于2018年7月在共玉高速公路沿線選擇12個(gè)樣地(3個(gè)海拔梯度、兩種修復(fù)方式下各兩個(gè)樣地)開(kāi)展調(diào)查，樣地信息如表1所列。樣地所在地均分別進(jìn)行了播種修復(fù)和草皮移植修復(fù)，且兩種修復(fù)方式的草地樣地直線距離不超過(guò)200 m。每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)置6個(gè)重復(fù)樣方(1 m × 1 m)進(jìn)行群落調(diào)查，并測(cè)定每個(gè)樣方的群落蓋度。

1.3 草地蓋度測(cè)定

本研究利用VegCover軟件測(cè)量草地蓋度(圖1)。VegCover能夠識(shí)別數(shù)字圖像中的綠色成分并計(jì)算其所占的百分比，即通過(guò)將RGB三色的彩色圖經(jīng)2 × G-B-R公式轉(zhuǎn)換成能夠突出綠色信息的灰度圖，自動(dòng)識(shí)別最優(yōu)閾值，從而計(jì)算植物蓋度[16-17]。該軟件在測(cè)量全為綠色的草地蓋度時(shí)尤其精確，避免了人為主觀識(shí)別所帶來(lái)的誤差。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用雙因素方差分析(two-way ANOVA)探究海拔和修復(fù)方式對(duì)草地蓋度的影響。此外，針對(duì)海拔梯度和修復(fù)方式兩個(gè)因子分別使用單因素方差(one-way ANOVA)和T檢驗(yàn)檢測(cè)其差異是否顯著(α = 0.05)，同時(shí)使用LSD多重比較其在不同海拔間的差異。

使用單因素方差分析和一般線性回歸模型分析兩種修復(fù)方式修復(fù)后草地蓋度的自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比(natural logarithm response ratios,difference)及其與海拔、溫度、降水的關(guān)系，公式如下：

式中：Coverage草皮移植法和 Coverage種草法分別表示草皮移植和種草修復(fù)后的草地蓋度。溫度與降水?dāng)?shù)據(jù)是基于WorldClim提供的50年平均溫度與降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率為8 km。根據(jù)Fang等[18]的修正方法，以樣點(diǎn)所在柵格為圓心，以80 km為半徑，讀取了相應(yīng)柵格的平均溫度和平均海拔數(shù)據(jù)，建立回歸關(guān)系。使用建立的方程和樣地實(shí)測(cè)海拔計(jì)算各樣地多年平均溫度數(shù)據(jù)。

圖1 原始草地圖片(a)與VegCover軟件識(shí)別并計(jì)算草地蓋度的圖片(b)Figure 1 Picture taken of the grass (a) and picture of using VegCover software to identify and calculate grassland coverage (b)

2 結(jié)果與分析

2.1 草地蓋度的變化

圖2為兩種修復(fù)方式在不同海拔草地的實(shí)際修復(fù)效果，直觀地顯示出在不同海拔樣地草皮移植法的修復(fù)效果均優(yōu)于種草法。

圖2 VegCover軟件識(shí)別的兩種修復(fù)方式在不同海拔草地的實(shí)際修復(fù)效果Figure 2 Effect of two restorations on VegCover-based grassland coverage of different elevation sites

圖3 不同海拔梯度草地修復(fù)方式對(duì)草地蓋度的影響Figure 3 Effect of different restorations on grassland coverage of the different elevation sites

使用蓋度作為比較指標(biāo)顯示(圖3)，所有海拔樣地均表現(xiàn)為草皮移植法的草地蓋度顯著高于種草法(P ＜ 0.05)。整體而言使用草皮移植修復(fù)后的整體草地蓋度(42.3%)顯著高于使用種草法修復(fù)后的草地蓋度(16.8%)。在低、中、高3個(gè)海拔下，使用草皮移植修復(fù)后的草地蓋度分別為48.7%、40.4%、37.1%，而使用種草法修復(fù)后的草地蓋度分別為25.9%、15.7%、7.7%。

此外，對(duì)于同一修復(fù)方式，單因素方差(one-way ANOVA)結(jié)果顯示草皮移植草地蓋度在3個(gè)海拔內(nèi)無(wú)顯著差異，但是種草法草地蓋度隨海拔梯度增加而顯著降低(F = 4.5, P ＜ 0.05)，且低海拔地區(qū)草地蓋度顯著高于高海拔地區(qū)(P ＜ 0.05)。

雙因素方差分析結(jié)果顯示，海拔(F = 4.45，P ＜ 0.05)和修復(fù)方式 (F = 36.32，P ＜ 0.001)對(duì)草地蓋度均有顯著影響，但未檢測(cè)到二者存在交互作用 (F = 0.36，P ＞ 0.05) (表 2)。

2.2 環(huán)境因子對(duì)草地蓋度的影響

采用兩種修復(fù)方式修復(fù)后草地蓋度的自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比來(lái)比較草皮移植和種草法的修復(fù)效果。在6個(gè)樣地(3個(gè)海拔各兩處)中，自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比均值為1.344。自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比呈現(xiàn)隨海拔增加而增加的趨勢(shì)。單因素方差分析結(jié)果顯示海拔對(duì)自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比有顯著影響(F = 3.65, P ＜ 0.05) (表3)。

表2 海拔和修復(fù)方式對(duì)草地蓋度影響的雙因素方差分析Table 2 Results of the two-way ANOVA for the effects of elevation and restorations and their interactions on the grassland coverage

表3 海拔對(duì)自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比的單因素方差分析Table 3 Results of the one-way ANOVA for the effects of elevation on the grassland coverage

一般線性回歸模型結(jié)果顯示，隨海拔增加自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比增加(r = 0.37, P = 0.04, 圖4a)，草皮移植修復(fù)后草地蓋度顯著高于種草法修復(fù)后的蓋度。校正后的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)(詳見(jiàn)材料方法)與自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比間均沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系。自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比隨溫度(圖4b)和降水(圖4c)升高分別呈現(xiàn)下降和上升的趨勢(shì)，但均不顯著(P ＞ 0.05)。

3 討論

本研究通過(guò)對(duì)比不同修復(fù)方式在不同海拔地區(qū)修復(fù)一年后的草地蓋度，分析了人類(lèi)活動(dòng)因子和氣候因子對(duì)該區(qū)域草地修復(fù)效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在共玉高速沿線取棄土場(chǎng)樣地中不同海拔使用草皮移植修復(fù)后的草地蓋度(42.3%)均顯著高于使用種草法修復(fù)的草地蓋度(16.8%)。該結(jié)果說(shuō)明在青藏高原地區(qū)公路建設(shè)過(guò)程中植被破壞后修復(fù)技術(shù)草皮移植法在短期植被修復(fù)效果優(yōu)于種草法，這與已有的研究結(jié)果相似[19-20]。已有的研究[19]表明，草皮移植可以對(duì)青藏高原三江源地區(qū)道路施工用地起到較好的修復(fù)效果。但這項(xiàng)研究為針對(duì)海拔3 600～4 000 m海拔的道路邊坡草地，并沒(méi)有來(lái)自更高海拔樣地(如本研究所述中海拔和高海拔樣地)的支持。本研究結(jié)果(圖3)證明，隨著海拔增加，采用草皮移植法修復(fù)的草地蓋度略有降低(不顯著)，說(shuō)明通過(guò)草皮移植可以對(duì)青藏高原高海拔草地實(shí)現(xiàn)群落恢復(fù)。與草皮移植法修復(fù)相比，采用種草法對(duì)青藏高原高寒草地蓋度修復(fù)效果較差，尤其海拔越高，其修復(fù)效果越差(圖2、圖3)。這是因?yàn)榍嗖馗咴貐^(qū)由于氣候高寒、干旱、缺氧、大風(fēng)等特征，外來(lái)物種難以建成，而本地物種又多難以采集到種子，導(dǎo)致種源缺乏[21]。此外，隨著海拔的升高，植物繁殖、生存和形態(tài)結(jié)構(gòu)等特征均不利于草地的恢復(fù)[22-23]。溫度降低、大氣壓下降以及太陽(yáng)輻射增強(qiáng)等環(huán)境因子的改變會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)策略發(fā)生改變[24]，也是造成種草草地修復(fù)效果不佳的原因。通過(guò)觀察和直接實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了適應(yīng)高寒地區(qū)的環(huán)境，高山植物主要生長(zhǎng)繁殖的方式是克隆繁殖，通過(guò)種子方式進(jìn)行繁殖較為困難[25-26]。而草皮移植法主要利用施工過(guò)程中產(chǎn)生的草皮，直接進(jìn)行移植，只要給予適當(dāng)?shù)墓芾?如，草皮回貼后提供足夠的水分和養(yǎng)分)，被移植的草皮的成活率在90%以上[27]。

圖4 海拔、溫度與降水對(duì)自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比的影響Figure 4 The relationship between the natural logarithm response ratios against elevation(a), mean annual temperature (b) and precipitation (c)

青藏高原高寒草地是極其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，一旦遭到大面積的破壞短期難以恢復(fù)[28-30]。本研究結(jié)果表明，采用草皮移植可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)高寒草地蓋度的恢復(fù)，甚至隨著海拔升高，其蓋度并不會(huì)顯著下降。但與直接播種對(duì)草地進(jìn)行修復(fù)相比，采用草皮移植的方式對(duì)破壞草地修復(fù)存在成本高和經(jīng)營(yíng)難度大的弊端。在平原地區(qū)或諸多低海拔草地恢復(fù)的案例中[6,13,31]，同樣發(fā)現(xiàn)采用草皮移植法對(duì)草地蓋度、物種豐富度和群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的修復(fù)效果高于種草法，但其二者的差異并不明顯，這與本研究低海拔樣地結(jié)果相近。整合本研究和已有的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，草皮移植以及種草法修復(fù)效果與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境如海拔、溫度、降水等有密切聯(lián)系，因而修復(fù)的效果并不相同。因此，對(duì)于青藏高原高海拔這一敏感地區(qū)，建議使用草皮移植的方法對(duì)被破壞草地進(jìn)行修復(fù)。

本研究就兩種修復(fù)方式對(duì)青藏高原不同海拔取棄土場(chǎng)草地蓋度修復(fù)效果進(jìn)行了評(píng)估，但由于修復(fù)時(shí)間較短(1年)，結(jié)果仍然存在較大的不確定性。通過(guò)草皮移植在短期內(nèi)確實(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移植后第2年草地蓋度的保持，但缺少更長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證。草皮移植后，土壤微生物群落的建立并非短時(shí)間可以完成[32]，長(zhǎng)時(shí)間尺度的檢驗(yàn)才能準(zhǔn)確地評(píng)估草皮移植法對(duì)青藏高原高寒草地群落組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)兩種修復(fù)方式下草地蓋度存在顯著差異。采用草皮移植法修復(fù)的高寒草地蓋度高于種草法，且隨著海拔的增加，二者修復(fù)效果的差異越大。因此，對(duì)青藏高原高寒草地修復(fù)方式的選擇上，應(yīng)結(jié)合修復(fù)成本進(jìn)行科學(xué)選擇，建議在較低海拔可以使用種草法進(jìn)行修復(fù)，但對(duì)更高海拔草地的修復(fù)宜選擇草皮移植的方式。