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刘铁军, 卢建男, 张哲乾, 马莉, 王丹妮, 张琼, 刘金荣. 干旱半干旱区裸露边坡适宜喷播的绿化基质筛选. 草业科学, 2016,33(7):1291-1296
Liu Tie-jun, Lu Jian-nan, Zhang Zhe-qian, Ma Li, Wang Dan-ni, Zhang Qiong, Liu Jin-rong. Screening of green substrate suitable for spraying and sowing in uncovering slope of arid and semi-arid zone. Pratacultural Science,2016,33(7): 1291-1296  
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干旱半干旱区裸露边坡适宜喷播的绿化基质筛选
刘铁军, 卢建男, 张哲乾, 马莉, 王丹妮, 张琼, 刘金荣
通讯作者:刘金荣(1967-),男,甘肃张掖人,教授,博士,主要从事草坪逆境生理研究。 E-mail:liujinr@lzu.edu.cn

第一作者:刘铁军(1989-),男,山西临县人,在读硕士生,主要从事草坪逆境生理研究。 E-mail:liutj13@lzu.edu.cn

收稿日期: 2016-04-20
基金: 兰州市科技计划项目——兰州黄河两山裸露边坡喷播绿化基质研究及应用(20111115)
摘要

甘肃黄土高原干旱半干旱区裸露边坡年均降水量少、气候干燥、蒸发强烈,导致边坡绿化植物存在出苗难和成活率低等诸多问题。本研究以干旱半干旱区裸露边坡为研究对象,通过 L9(34)正交试验,研究生物肥、保水剂、草炭土、土壤、秸秆、速效肥6种喷播绿化基质在不同用量和比例组合下的理化性质,及其对边坡水分蒸发量、植被盖度、地上植物量的影响,以期筛选出适宜的喷播绿化基质配方。结果表明,草炭土:土壤:秸秆比例为 40:45:15 ,嗜盐碱微生物菌肥500 g·m-2、保水剂1 g·m-2、速效肥25 g·m-2可有效减小水分蒸发量,提高植被盖度和地上植物量,对黄土高原裸露边坡植物生长最为有利。

关键词: 干旱半干旱区; 裸露边坡; 喷播基质; 植物生长
中图分类号:Q945.3 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)7-1291-06 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0351
Screening of green substrate suitable for spraying and sowing in uncovering slope of arid and semi-arid zone
Liu Tie-jun1, Lu Jian-nan1, Zhang Zhe-qian1, Ma Li1, Wang Dan-ni1, Zhang Qiong1, Liu Jin-rong1
1.Key Laboratory of Grassland Agro-ecology System, Ministry of Agriculture
College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China
Corresponding author: Liu Jin-rong E-mail:liujinr@lzu.edu.cn
Abstract

Arid and semi-arid region of uncovering slope in Loess Plateau had less annual precipitation with dry climate and intense evaporation in Gansu Province which leads to many problems of uncovering slope greening plants including germination difficult and lower survival rates. The present study compared the physicochemical properties of 6 different spraying and sowing substrate including biological fertilizer, super absorbent polymer, peatmoss, soil, straw and fast released fertilizer with different dosage and proportion and their effects on slope water evaporation, vegetation coverage and biomass in uncovering slope of loess plateau to screening green substrate suitable for these areas. The results showed that the substrate with peatmoss, soil and straw in a ratio of 40:45:15 and addition with 500 g·m-2 saline microbial fertilizer, 1 g·m-2 absorbent polymer and 25 g·m-2 fast released fertilizer can effectively reduce water evaporation, increase the vegetation coverage and aboveground biomass which was the most benifical for the growth of plants of Loess Plateau uncovering slope.

Keyword: arid and semiarid zones; bare slope; spray seeding substrate; plant growth

边坡是岩体、土体在自然重力或人为作用下形成一定倾斜度的临空面[1]。边坡裸露、水土流失、植被覆盖率低等问题在我国西北干旱半干旱地区尤为突出[2], 黄土地区的边坡土壤流失严重影响着当地居民的生产生活和经济可持续发展[3]。黄土高原边坡受水流冲刷, 基岩裸露, 水土流失严重, 植被难以生长, 是生态环境变化的敏感区[4]。客土喷播是将草种、养料、保水剂、土壤、稳定剂等均匀混合, 喷到目标坡面, 使植物种子迅速萌发成长, 以达到快速绿化贫瘠坡面的目的[5]。它不仅可以在裸露的岩石上为植物创造生长条件, 而且还可以满足对土壤要求严格的各种植物的生长[6]。

目前, 边坡喷播在我国应用比较广泛的是日本的施工方案— — 客土喷播绿化技术, 该项技术结合有机污泥、畜禽粪便、废弃纸浆等废弃物, 进行加工再利用, 制备成富含有机质的边坡喷播材料, 取得了显著效果[7, 8], 但并没有形成适合我国的施工体系[9]。在客土喷播绿化技术中, 最核心的内容就是种植基质的配方[10]。国内有关基质配方配比、高陡岩层边坡复绿的厚层基材型和植被混凝土型配方[11], 材料的配比等研究[12], 可以查到的文献十分有限[13], 且我国地域辽阔, 气候差异较大, 国外的基质配方不一定适用。因此, 研究筛选适宜不同地区喷播基质的最佳配比成为限制喷播绿化技术的难题。

本研究通过测定生物肥、保水剂、草炭土、土壤、秸秆、速效肥6种喷播绿化基质不同配比组合的理化性质, 分析其对裸露边坡植被覆盖状况的影响, 以期筛选出适合黄土高原干旱半干旱区裸露边坡植被复建的最优喷播绿化基质配方, 为客土喷播绿化技术在北方地区的应用提供实践依据。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

本试验于2014年4月-12月在兰州市安宁区北滨河路北侧老虎梁开展, 该区年平均气温8.9 ℃, 全年平均日照时数2 476.4 h, 无霜期171 d以上。年平均降水量349.9 mm, 年蒸发量1 664 mm, 降水季节分配很不均匀, 主要集中在6-9月。≥ 10 ℃年积温为3 354.6 ℃· d。试验区坡体岩石部分裸露, 山体基本为未风化的灰岩, 部分岩体完整, 局部破碎; 坡面极不平顺, 土质较贫瘠, 最大坡度接近45° , 垂直高度为20~90 m。

1.2 试验材料

土壤:试验地老虎梁当地边坡土壤, 土壤容重1.55 g· cm-3, pH 8.48, 全氮含量0.132 2%, 有机质含量0.65%, 有效磷含量29.31 mg· kg-1, 速效钾含量177.6 mg· kg-1。

保水剂:产于东营华业新材料公司。

嗜盐碱土著微生物肥:兰州大学自主研发的肥料产品[14]。

草炭土:产于兰州市兴隆山。

秸秆:小麦秸秆, 取茎秆部分切成2~3 cm小段。

速效肥:氮:磷:钾含量比例为20:15:15, 产于兰州市西固柳泉复合肥料厂。

试验草种:高羊茅(Festuca arundinacea)“ 绿宝” 20%, 垂穗披碱草(Elymus nutans)“ 康巴” 20%, 紫花苜蓿(Medicago sativa)“ 甘农1号” 10%, 扁穗冰草(Agropyron cristatum)“ 雪狐” 20%, 无芒雀麦(Bromus inermis)“ 乌苏一号” 10%, 刺槐(Robinia pseudoacacia)10%, 碱茅(Puccinellia distans)5%, 红豆草(Onobrychis viciaefolia)“ 奇台” 5%。

1.3 试验设计与草坪种植

试验采用4 因素3 水平正交设计( 表1) , 以未处理土壤为对照。在老虎梁选取坡度均一的边坡, 小区面积1 m× 1 m, 每个处理3次重复。将边坡表面进行清理, 清除石块、树根等垃圾, 并用耙子将坡面整平。基质喷播采用两层喷播, 第1层为基质材料层, 厚度约8~12 cm; 第2层为种子层, 厚度为3~4 cm。种子掺匀后和喷播基质一起喷播到坡面上, 喷播密度200 g· m-2。

表1 正交试验设计表 Table 1 The groups of orthogonal experiment
1.4 测定项目及方法

1)物理性质:土壤容重采用环刀法取土烘干后测定。

2)化学性质:土壤有机质含量采用重铬酸钾(K2Cr2O7)容量法测定[15]; 全氮含量采用半微量凯氏法测定; 土壤有效磷含量采用碳酸氢钠(NaHCO3)浸提法测定; 土壤速效钾含量采用乙酸铵(NH4OAc)浸提法测定; pH采用电位法测定[16]。

3)蒸发量:采用称重法测定[17]。

4)植被盖度:通过针刺法获取。

5)地上植物量:试验种植60 d后, 每小区随机设定10 cm× 10 cm的区域, 将区域内植物地上部分取下, 每个处理重复4次, 在105 ℃烘箱中烘干至干重, 用千分之一精度分析天平称重, 单位为g· cm-2。

1.5 数据处理

用SPSS 18.0进行数据分析, Duncan法对各测定数据进行多重比较; Excel 2010制图。

2 结果与分析
2.1 不同处理基质的理化性质

添加不同的基质配方后, 与对照组相比, 各处理土壤容重均有明显降低(表2)。其中随着保水剂和速效肥用量的增加, 土壤容重变化不显著(P> 0.05); 随着生物肥其用量的增加, 土壤容重减小; 随着草炭土和小麦秸秆用量增加、土壤用量减少, 土壤容重减小。

表2 不同处理组合基质理化性质 Table 2 Different physical and chemical properties of matrix

各处理水平下的pH显著低于对照(P< 0.05)。随着生物肥、草炭土和小麦秸秆用量的增加, 土壤的pH相应减小。随着保水剂、速效肥用量的增加, 土壤的pH变化不显著, 这说明嗜盐碱微生物菌肥、草炭土和秸秆可以对土壤的酸碱度起到一定的调节作用, 而保水剂和速效肥对土壤的酸碱度影响不显著(P> 0.05)。对于全氮含量、速效磷含量、速效钾含量, 各处理均显著高于对照(P< 0.05), 生物肥影响最为显著(P< 0.01), 随着其用量的增加, 含量逐渐增加。保水剂和草炭土:土壤:秸秆质量比影响不显著。

分析各处理变化, 土壤容重以处理7效果较好, 显著低于对照和其它各处理(P< 0.05)。土壤有机质以处理7效果最优, 显著高于对照和除处理8、9以外的其它几组处理。

2.2 不同处理对边坡水分蒸发量的影响

根据不同处理下测定指标极差分析中(表3)极差R值大小可知, 影响边坡水分蒸发量的主次因素排列为因素D> 因素A> 因素B> 因素C, 各因素平均表现最好的组合为A3B1C2D3, 即嗜盐碱微生物菌肥500 g· m-2、保水剂1 g· m-2、草炭土:土壤:秸秆比例为35:55:10 , 速效肥 25 g· m-2。9个基质配方处理的水分蒸发量由大到小依次为处理2> 处理1> 处理6> 处理5> CK> 处理9> 处理7> 处理3> 处理4> 处理8(图1), 其中处理2显著高于对照(P< 0.05), 处理1、5、6与对照间差异不显著(P> 0.05)。处理3、4、7、8、9显著低于对照。可见, 处理8的保水性能最好, 处理2的保水性能最差。

表3 不同因素下测定指标极差分析 Table 3 Different indicators measuring range analysis process

图1 不同处理对边坡水分蒸发量的影响Fig.1 Comparison of the content of water evaporation of each slope matrix

2.3 不同处理对植被盖度的影响

影响植被盖度的主次因素排列为因素A> 因素D> 因素C> 因素B, 各因素平均表现最好的组合为A3B1C3D3, 即嗜盐碱微生物菌肥500 g· m-2、保水剂1 g· m-2、草炭土:土壤:秸秆比例为40:45:15, 速效肥25 g· m-2(表3)。植被盖度是植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比, 能够有效反映植被恢复效果。不同处理基质配方的植被盖度由大到小依次为处理7> 处理8> 处理4> 处理9> 处理5> 处理6> 处理3> 处理2> 处理1> CK(图2)。由此可见, 草炭土、土壤和秸秆的比例为40:45:15时, 由于草炭土和小麦秸秆重量较轻, 同时嗜盐碱微生物菌肥中微生物使土壤形成团粒结构, 增加土壤透水和蓄水性能, 促进植被生长, 显著提高了植被的盖度(P< 0.05)。

图2 不同处理对植被盖度的影响Fig.2 Comparison of the vegetation coverage of each slope matrix

2.4 不同处理对地上生物量的影响

地上生物量主要指植株地上部分的茎、叶等。影响地上生物量的主次因素排列为因素A> 因素C> 因素D> 因素B, 各因素平均表现最好的组合为A2B1C3D3, 即嗜盐碱微生物菌肥400 g· m-2、保水剂1 g· m-2、草炭土:土壤:秸秆比例为40:45:15, 速效肥25 g· m-2(表3)。 9个处理的地上生物量均显著高于对照(P< 0.05), 其中处理4的地上生物量最大, 且显著高于除处理5和处理7外的其它处理(图3)。由此可见, 通过添加不同配比的喷播绿化基质, 可以增加边坡植被的地上生物量。

图3 不同处理对地上生物量的影响Fig.3 Comparison of the content of above-ground biomass of each slope matrix

综合分析可得, 因素A即嗜盐碱微生物菌肥对各指标的影响较大, 最优组合为A3B1C3D3, 即嗜盐碱微生物菌肥500 g· m-2、保水剂1 g· m-2、草炭土:土壤:秸秆比例为40:45:15, 速效肥25 g· m-2的基质组合配方。

3 讨论与结论
3.1 讨论

通过对比试验和生长指标分析得出了较优良的喷播绿化基质配方。添加喷播绿化基质可以改良土壤理化性质, 增加土壤有机质含量、提高保水性能、降低pH, 具有很好的改良作用, 可以有效地降低土壤容重, 提高土壤的透气透水性能[18]。而土壤容重越小, 则表明土壤结构越好, 土壤越疏松透气[19], 从而达到改善土壤物理性质的目的。但对于其强度、抗冲刷能力等方面正在进一步探索。

当草炭土:土壤:秸秆的比例为40:45:15, 嗜盐碱微生物菌肥加入500 g· m-2时土壤的容重最小。这是因为草炭土和小麦秸秆自身重量比较小, 同时嗜盐碱微生物菌肥中微生物的活动使得土壤形成了较好的团粒结构, 有效减小了容重, 改善了土壤的通气状况, 增加了土壤透水和蓄水性能。

在裸露边坡喷播防护技术的喷播基质中添加嗜盐碱微生物菌肥、草炭土、秸秆能够对土壤pH起到一定的调节作用, 促使植物与植物根际微生物之间形成互利共生的关系, 改良效果显著。而保水剂和速效肥对土壤的酸碱度影响不显著, 这与苗蕾[20]关于客土喷播中不同基材配比对边坡的生态防护效果差异性的研究结论是一致的。由此可知, 经过添加嗜盐碱微生物菌肥、草炭土和秸秆喷播防护技术相比添加有机肥的喷播防护技术更有利于裸露边坡植物的充分生长[21], 可有效提高边坡的植被覆盖度, 增加其地上生物量, 降低边坡水分蒸发量[22, 23], 进而创造良好的裸露边坡植物生长条件, 快速建立优良植被, 达到恢复治理黄河南北两山裸露边坡生态的目的, 促进物种多样性, 增加所处生态环境的稳定性[20]。

3.2 结论

1)喷播绿化基质的添加可以显著改善土壤的各项理化特性, 满足植物生长发育的需求。

2)裸露边坡喷播基质中草炭土、土壤和秸秆的比例为40:45:15, 加入嗜盐碱微生物菌肥500 g· m-2、保水剂1 g· m-2、速效肥25 g· m-2, 植物根际微生物与植物之间形成互利共生的关系, 可有效降低土壤pH和水分蒸发, 提高植被盖度和地上生物量。

The authors have declared that no competing interests exist.

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