不同材料無(wú)紡布覆蓋對(duì)高寒生態(tài)修復(fù)草種生長(zhǎng)特性的影響

陳白潔，王豐毅，周華坤，張振華

（1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧810008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.華貝納(杭州)毛紡染整有限公司，浙江杭州311100；4.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062）

植被的恢復(fù)與重建是生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵。目前，建植禾本科牧草栽培草地已成為植被恢復(fù)的重要措施之一[1-3]。近些年來(lái)，研究人員圍繞“黑土灘”重建恢復(fù)在牧草選育、群落配置、后期管理等方面進(jìn)行了大量研究[4-6]，為“黑土灘”恢復(fù)重建提供了重要的科學(xué)依據(jù)。但在恢復(fù)重建過(guò)程中，選用不同的生態(tài)修復(fù)草種，其恢復(fù)效果不同。研究表明，在恢復(fù)重建過(guò)程中，扁莖早熟禾(Poa pratensis)和冷地早熟禾(Poa crgmophila)能夠有效地減少水土流失，增加植被蓋度[7-8]，垂穗披堿草(Elymus nutans)和中華羊茅(Festuca sinersis)具有較高的抗旱耐寒性和種子產(chǎn)量，可用作擴(kuò)種生產(chǎn)[8]，星星草(Puccinellia tenuiflora)具有很強(qiáng)的耐鹽堿能力，對(duì)改良鹽堿土壤具有很好的效果[9]。與此同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)栽培草地的生態(tài)修復(fù)效果與草種生長(zhǎng)期間的人工管理措施有關(guān)[10-11]。賀有龍等[12]研究表明，在適當(dāng)?shù)墓芾項(xiàng)l件下，對(duì)中華羊茅進(jìn)行單播或者混播均能夠維持較高的生物量。李旭謙[13]對(duì)不同栽培草地就適宜草種、農(nóng)藝措施以及田間管理等方面做了一份簡(jiǎn)要的概述，為提高不同栽培草地的生態(tài)恢復(fù)效果提供理論依據(jù)。然而在生態(tài)環(huán)境較為惡劣的植被恢復(fù)重建區(qū)，氣候惡劣、地形地貌復(fù)雜、草地土壤貧瘠等因素[14]會(huì)對(duì)牧草種子的萌發(fā)出苗造成影響，進(jìn)而影響其生活史以及牧草品質(zhì)等，導(dǎo)致修復(fù)成本及修復(fù)難度增大，且修復(fù)效果不明顯[15]。

植被修復(fù)技術(shù)的開發(fā)一直是生態(tài)修復(fù)研究的重點(diǎn)。不同于以往單一的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，研究人員開始綜合考慮植被生命周期的播種、幼苗和成熟3個(gè)階段，提出了全局植被重建技術(shù)，包括植物物種優(yōu)選、土壤基底重構(gòu)、表土覆蓋、播種和維護(hù)管理等環(huán)節(jié)[5,15]。研究表明，植物種子發(fā)芽的閾值與降雨、溫度有關(guān)，土壤溫度和含水量的時(shí)空變化可能制約了植物修復(fù)的效果[16]。無(wú)紡布具有保護(hù)幼苗，使土壤免受風(fēng)蝕和水蝕，提高地溫和土壤水分利用效率，以及降低土壤蒸騰等作用，且具有較高的水氣交換能力[17-18]，可以為植物在晝夜溫差大且干濕交替頻繁的青藏高原，營(yíng)造更穩(wěn)定的環(huán)境，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，從而提高植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[19]。目前大部分無(wú)紡布以塑料為原料，長(zhǎng)期使用會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的“白色污染”問(wèn)題，且關(guān)于不同材料可降解無(wú)紡布對(duì)高寒生態(tài)恢復(fù)草種生長(zhǎng)特性影響的研究較為缺乏。為此通過(guò)研究5種可降解無(wú)紡布覆蓋下5種牧草草種的生長(zhǎng)發(fā)育特征、產(chǎn)量以及品質(zhì)等，對(duì)無(wú)紡布類型和牧草品種的配對(duì)應(yīng)用進(jìn)行評(píng)價(jià)，以篩選出兩者間的最適宜搭配模式，以期在今后栽培草地植被恢復(fù)過(guò)程中達(dá)到更好的生態(tài)修復(fù)效果，并為青藏高原環(huán)境條件較為惡劣地區(qū)的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

研究地位于中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)定位站(37o36′ N,101o12′ E，平均海拔3250 m)。屬于典型高原大陸性氣候，夏季涼爽，冬季寒冷。年均溫為?1.1℃，年均降水量為480 mm，其中約80%分布在植物的生長(zhǎng)季(5月? 9月)。土壤類型為草氈寒凍雛形土，是由古洪積–沖積物、坡積–殘積物及古冰水沉積物在當(dāng)?shù)睾涓稍锏乃疅釛l件下受植被改造發(fā)育而成[20]。草地類型為高寒草甸，植物群落主要以禾本科以及莎草科為建群種。

1.2 試驗(yàn)材料

選用5種高寒生態(tài)修復(fù)牧草草種(表1)，均由青海省同德牧草良種繁殖場(chǎng)(海拔3300～3500 m[21])提供。無(wú)紡布選擇常用的麻纖維和秸稈纖維可降解無(wú)紡布，以及華貝納(杭州)毛紡染整有限公司試制的3種羊毛纖維可降解無(wú)紡布，具體參數(shù)如表2所列。

表1 供試草種千粒重及播種量Table1 Thousand kernel weight and seeding amount of tested grasses

表2 可降解無(wú)紡布主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the degradable non-woven cloth

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，5個(gè)生態(tài)修復(fù)牧草草種處理×6種覆膜處理(不覆膜對(duì)照與5種可降解無(wú)紡布)×5個(gè)重復(fù)=150個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)均為長(zhǎng)方形，其面積為1 m×2 m=2 m2。于2019年5月24日均勻撒播草種后壓實(shí)，再覆蓋上無(wú)紡布，無(wú)紡布用竹簽固定。由于秸稈纖維無(wú)紡布材料透氣性差，故用竹簽均勻扎孔增加其透氣性。

1.4 指標(biāo)測(cè)定及方法

1.4.1 頂出數(shù)

在幼苗萌發(fā)頂峰期，采用標(biāo)準(zhǔn)樣方法，在每個(gè)小區(qū)中選取大小為50 cm×50 cm的樣方進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)過(guò)程中未揭除無(wú)紡布。

1.4.2 植株高度

采用標(biāo)準(zhǔn)樣方法，從幼苗萌發(fā)出苗后開始，在每個(gè)小區(qū)中選取大小為50 cm×50 cm的樣方，每隔10 d隨機(jī)選取樣方中4～5株代表性植株，使用卷尺自植株基部垂直量至植物自然直立狀態(tài)的冠層最高點(diǎn)，進(jìn)行植株高度測(cè)量。

1.4.3 地上生物量

于地上生物量頂峰期(8月底)，采用收獲法，在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取50 cm×50 cm的樣方，對(duì)其地上植株部分進(jìn)行收割，共計(jì)5個(gè)重復(fù)，收割后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，65℃下烘干至恒重，計(jì)算其地上生物量。

1.4.4 牧草品質(zhì)測(cè)定

將上述烘干后的牧草粉碎過(guò)1 mm篩，用于測(cè)定牧草品質(zhì)。粗蛋白測(cè)定采用半微量凱氏定氮法；粗脂肪測(cè)定采用和酸性洗滌劑法[25]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。使用SPSS 24.0對(duì)牧草幼苗頂出、地上生物量以及牧草品質(zhì)分別進(jìn)行雙因素方差分析，對(duì)牧草植株高度進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析，并用LSD法(α=0.05)比較同種牧草不同無(wú)紡布處理下草種幼苗頂出、平均植株高度、地上生物量以及牧草品質(zhì)的差異顯著性。使用Sigmaplot 12.0繪圖。其中，在秸稈纖維無(wú)紡布處理下，各牧草幼苗在其萌發(fā)頂峰期前幾乎沒有頂出，故未作其幼苗頂出的統(tǒng)計(jì)分析；冷地早熟禾在對(duì)照和秸稈纖維無(wú)紡布處理下收獲的地上草樣過(guò)少，導(dǎo)致其粗脂肪含量無(wú)法測(cè)定，故未作統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)生態(tài)修復(fù)草種幼苗頂出情況的影響

無(wú)紡布處理、牧草品種及二者交互作用均對(duì)幼苗頂出數(shù)量具有顯著影響(P<0.05)(表3)。野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，秸稈纖維無(wú)紡布嚴(yán)重抑制了5種牧草幼苗的穿透頂出(圖1)。在不揭除無(wú)紡布的情況下，與對(duì)照相比，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著抑制了扁莖早熟禾、垂穗披堿草和星星草的幼苗頂出數(shù)量(P<0.05)，分別減少了55.29%、40.17%和60.21%；白色薄羊毛纖維無(wú)紡布顯著抑制了星星草的幼苗頂出數(shù)量(P<0.05)，減少了37.31%；而麻纖維無(wú)紡布和白色厚羊毛纖維無(wú)紡布對(duì)5種生態(tài)修復(fù)草種的幼苗頂出均沒有顯著影響(P>0.05)。

表3 無(wú)紡布處理、牧草品種對(duì)牧草幼苗頂出的影響Table3 Effectsof non-woven cloth and grassspecieson seedling

圖1 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種生態(tài)修復(fù)草種幼苗頂出情況影響Figure 1 Effects of different non-woven coverings on seeding of five ecological restoration grasses

2.2 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)生態(tài)修復(fù)草種植株生長(zhǎng)高度的影響

紡布處理、牧草品種且二者間的交互作用均對(duì)牧草植株高度有顯著影響，且隨時(shí)間變化顯著(P<0.05)(表4)。8月下旬以后不同無(wú)紡布處理對(duì)牧草植株生長(zhǎng)高度的影響存在明顯差異(圖2)。與對(duì)照相比，麻纖維無(wú)紡布、白色厚羊毛纖維無(wú)紡布和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布均顯著提高了扁莖早熟禾的植株高度(P<0.05)，分別提高了48.81%、68.06%和84.19%；褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布對(duì)扁莖早熟禾的植株高度沒有顯著影響(P>0.05)；白色厚羊毛纖維無(wú)紡布和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布均顯著提高了冷地早熟禾的植株高度(P<0.05)，分別提高了110.53%和55.54%；白色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高了垂穗披堿草、星星草以及中華羊茅的植株高度，分別提高了29.61%、49.43%和133.70%，而褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了垂穗披堿草的植株高度(P<0.05)，降低了23.26%。

表4 無(wú)紡布處理、牧草品種對(duì)牧草植株高度的影響Table4 Effectsof non-woven cloth and grasses specieson plant height

圖2 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種生態(tài)修復(fù)牧草植株高度的影響Figure 2 Effects of different non-woven coverings on the plant height of five ecological restoration grasses

2.3 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)生態(tài)修復(fù)草種地上生物量的影響

無(wú)紡布處理、牧草品種及二者的交互作用均對(duì)牧草地上生物量有顯著影響(P<0.05)(表5)。與對(duì)照相比，白色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高了扁莖早熟禾、冷地早熟禾、星星草以及中華羊茅的地上生物量(P< 0.05)，分別增加了395.14%、1023.24%、138.97%和917.42%(圖3)；麻纖維無(wú)紡布顯著降低了垂穗披堿草的地上生物量(P<0.05)，減少了32.73%，而對(duì)其他4種生態(tài)修復(fù)草種地上生物量沒有顯著影響(P> 0.05)；褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了垂穗披堿草和星星草的地上生物量(P<0.05)，分別減少了49.21%和66.46%；白色薄羊毛纖維無(wú)紡布顯著增加了扁莖早熟禾和冷地早熟禾的地上生物量(P<0.05)，分別增加了258.70%和456.97%，卻顯著降低了垂穗披堿草的地上生物量(P< 0.05)，減少了32.71%。

2.4 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)不同生態(tài)修復(fù)草種牧草品質(zhì)的影響

牧草品種對(duì)粗蛋白含量有顯著影響，無(wú)紡布處理和牧草品種間的交互作用對(duì)粗脂肪含量有顯著影響，無(wú)紡布處理、牧草品種對(duì)牧草酸性洗滌纖維含量均有顯著影響(表5)(P< 0.05)。如圖4所示，與對(duì)照相比，秸稈纖維無(wú)紡布和白色厚羊毛纖維無(wú)紡布處理下，扁莖早熟禾的粗蛋白含量分別顯著提高了7.38%和9.11%，冷地早熟禾卻分別顯著降低了15.14%和19.18%(P<0.05)；麻纖維無(wú)紡布處理下，扁莖早熟禾的粗蛋白含量顯著降低了7.83%(P<0.05)；褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布處理下，中華羊茅的粗蛋白含量顯著增加了10.51%(P<0.05)。與對(duì)照相比，秸稈纖維無(wú)紡布處理下，垂穗披堿草和中華羊茅粗脂肪含量分別顯著降低了20.66%和22.38%(P< 0.05)；麻纖維無(wú)紡布處理下，中華羊茅的粗脂肪含量顯著提高了16.59%(P<0.05)；白色厚羊毛纖維無(wú)紡布和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布分別顯著降低了星星草26.02%和22.71%的粗脂肪含量(P<0.05)；白色薄羊毛纖維無(wú)紡布處理下，垂穗披堿草的粗脂肪含量顯著提高了17.41% (P<0.05)，星星草的粗脂肪含量顯著降低了23.99% (P<0.05)，中華羊茅的粗脂肪含量顯著降低了8.68%(P<0.05)。從纖維含量方面來(lái)看，與對(duì)照相比，5種無(wú)紡布均未對(duì)5種生態(tài)修復(fù)草種的中性洗滌纖維含量產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)；麻纖維無(wú)紡布處理下，中華羊茅的酸性洗滌纖維含量顯著降低了14.88%(P< 0.05)，而對(duì)其他牧草的酸性洗滌纖維含量沒有顯著影響(P>0.05)。

表5 無(wú)紡布處理和牧草品種對(duì)牧草地上生物量、牧草品質(zhì)的影響Table 5 Effects of non-woven cloth and grass species on the aboveground biomass, and forage quality of grasses

圖3 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種生態(tài)修復(fù)草種地上生物量的影響Figure3 Effectsof different non-woven coveringson theaboveground biomassof five ecological restoration grasses

圖4 不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種生態(tài)修復(fù)草種牧草品質(zhì)的影響Figure 4 Effectsof different non-woven coveringson forage quality of five ecological restoration grasses

3 討論

植物種子的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)特性影響該植物能否在某一特定生境中成功定植[26-27]。唐偉[28]的研究表明，全期覆膜處理改善了歪頭菜(Vicia unijuga)草地的土壤溫度和水分條件，提高了其出苗率、幼苗生長(zhǎng)速度和建植效果。本研究發(fā)現(xiàn)，透氣性差、透光率差的秸稈纖維無(wú)紡布不利于5種生態(tài)修復(fù)草種的幼苗初期生長(zhǎng)，雖然在鋪設(shè)時(shí)對(duì)其進(jìn)行過(guò)扎孔處理，但在雨水沖刷以及強(qiáng)烈紫外線照射下，導(dǎo)致所扎孔洞重新閉合，致使5種草種幼苗不能順利穿透頂出，進(jìn)而影響建植初期牧草生長(zhǎng)。麻纖維無(wú)紡布和白色厚羊毛纖維無(wú)紡布對(duì)5種生態(tài)修復(fù)草種的幼苗頂出沒有顯著影響，但在覆蓋過(guò)程中，無(wú)需人工揭除，可減少恢復(fù)成本。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，麻纖維無(wú)紡布和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布均顯著增高了根莖型牧草扁莖早熟禾的植株高度，白色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著增高了5種生態(tài)修復(fù)草種的植株高度，這可能是因?yàn)榈啬じ采w不僅可以改善土壤水熱條件，而且可以提高植物對(duì)土壤水分的利用效率[29-30]，從而促進(jìn)牧草生長(zhǎng)發(fā)育。但在本研究中，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了垂穗披堿草和星星草的植株高度，這主要是因?yàn)樵摕o(wú)紡布較厚且在牧草生長(zhǎng)過(guò)程中降解緩慢，而垂穗披堿草和星星草的草質(zhì)較為柔軟，很容易受到無(wú)紡布的阻礙，導(dǎo)致其植株未能正常伸展。

本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋白色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高了扁莖早熟禾、冷地早熟禾、星星草和中華羊茅地上生物量，這主要是因?yàn)闊o(wú)紡布覆蓋可使土壤晝夜溫差減少[31-32]，營(yíng)造了穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高了牧草的產(chǎn)量。這與景媛媛[33]的研究結(jié)果一致。白色薄羊毛纖維無(wú)紡布的覆蓋顯著提高了扁莖早熟禾和冷地早熟禾地上生物量，主要是由于白色薄羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋改善了土壤的水熱條件[34]，促進(jìn)了兩種根莖型早熟禾的生長(zhǎng)發(fā)育。覆蓋5種無(wú)紡布材料均不會(huì)顯著提高垂穗披堿草的地上生物量，甚至?xí)档推涞厣仙锪浚@主要與其前期的幼苗頂出以及植株高度有關(guān)[28]。

提高牧草品質(zhì)的主要途徑包括提高牧草粗蛋白和粗脂肪含量，降低纖維素含量[35-36]。粗蛋白是牧草品質(zhì)的重要體現(xiàn)，是反映牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高低的重要指標(biāo)[37-38]。本研究發(fā)現(xiàn)，白色厚羊毛纖維無(wú)紡布能顯著提高扁莖早熟禾的粗蛋白含量，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布能顯著提高中華羊茅的粗蛋白含量，可能與無(wú)紡布覆蓋下其地上生物量以及土壤養(yǎng)分含量的改變有關(guān)[39-40]，深層機(jī)理需要進(jìn)一步研究分析。粗脂肪是儲(chǔ)存能量并給牛、羊等動(dòng)物提供能源的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一[41]。本研究中，白色薄羊毛纖維無(wú)紡布可通過(guò)提高垂穗披堿草的粗脂肪含量進(jìn)而對(duì)牧草品質(zhì)產(chǎn)生影響。牧草纖維素含量越高，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越低，中性洗滌纖維含量高則采食量減少，酸性洗滌纖維含量高則消化率降低[42]。本研究中，不同無(wú)紡布對(duì)5種生態(tài)修復(fù)草種中性洗滌纖維含量沒有顯著影響，麻纖維無(wú)紡布可顯著降低中華羊茅的酸性洗滌纖維含量，從而提高該牧草的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

4 結(jié)論

綜上所述，麻纖維無(wú)紡布或白色厚羊毛纖維無(wú)紡布均可提高扁莖早熟禾的植株高度，后者還可提高扁莖早熟禾的粗蛋白含量；白色厚羊毛纖維無(wú)紡布或白色薄羊毛纖維無(wú)紡布可提高冷地早熟禾的地上生物量，但前者會(huì)降低冷地早熟禾的粗蛋白含量；白色厚羊毛纖維無(wú)紡布可顯著提高垂穗披堿草的植株高度，還可顯著提高中華羊茅、星星草的植株高度和地上生物量。因此，今后對(duì)栽培草地進(jìn)行覆膜處理時(shí)，需要根據(jù)生態(tài)修復(fù)牧草的品種來(lái)選擇與之相適應(yīng)的無(wú)紡布材料進(jìn)行覆蓋，以提高其生態(tài)修復(fù)的效果。