西藏林芝地區高等級公路生態袋邊坡修復技術應用研究

包賽很那，苗彥軍?，郭云雷，徐雅梅，王明濤，王向濤，謝國平，王傳旗

(1.西藏農牧學院，860000，西藏林芝；2.西藏俊富環境恢復有限公司，850000，拉薩)

西藏自治區位于青藏高原的主體，地勢高峻，地理特殊。近年來，經濟建設的跨越式發展推動了公路建設的飛速發展，而公路的建設不可避免地對周邊植被及地貌造成嚴重的破壞[1-5]。

林芝地區是林芝至拉薩高等級公路的起始路段，地質地貌獨特，具有典型的高原高寒氣候、蒸發量大、紫外線強烈、土壤養分不均衡、邊坡土質疏松極不穩定等特點。目前，已建成的公路大多處于傍山依水路段，邊坡陡峭，在風蝕和水蝕的作用下，易發生水土流失導致公路坍塌、山體滑坡等現象。如不及時采取邊坡修復措施，則會造成毀滅性的環境問題[6]。

生態袋護坡技術被稱作“三維排水柔性生態護坡技術”[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、無毒、不溶于污染液體的可回收等特點。生態袋的水土保持能力強，對幼苗具有深根錨固、淺根加筋的功能。該技術被廣泛用于水土保持、河道護岸、水庫和湖泊防護等工程建設中[10-12]。特殊的高原氣候與地理地貌特征，體現公路邊坡修復工程的異常艱巨性。高原邊坡修復，必須采用強力防止水土流失又適合植物生長，確保邊坡長久穩定的植被修復技術，在高寒地區這方面的研究甚少。

植物正常生長的關鍵因素就是水分和養分。水分是種子萌發生長的先決條件，若水分不能滿足種子萌發期物質代謝的需求，種子就不能正常萌發。但水分過多會造成氧氣供應不足，導致發芽能力下降。養分是植物生長發育所必需的營養物質[13]。有研究表明，水分和供氮含量不合理將嚴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指標[14]。科學合理的灌水和施氮條件可提高根系對土壤中水氮的吸收率，從而促使地上部分的生長，對植物正常生長發育起著至關重要的作用[15]。

為此，本研究在借鑒歐美多個國家使用數年的柔性邊坡修復技術的基礎上，對林芝地區特殊的高寒氣候及土壤性質進行系統分析，選用經高原地區引種馴化篩選出來的抗逆性極強的4種優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，設生態袋不同水氮供應水平，在林—拉高等級公路起始路段進行邊坡和平地的植被修復試驗。以期從適宜牧草材料的選擇、合理的栽培技術、水肥調控等方面，探索適合西藏高寒地區公路邊坡修復的技術。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然條件

林芝地區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，平均相對濕度71%。年日照時間1 988.6 h，日照比例46%，無霜期180 d，為季風氣候，霜凍期為9月至翌年5月初。土壤有機質為3.04%，全氮為0.151%，C/N比達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。

1.2 試驗材料

生態袋：規格0.53 m×0.35 m，原材料為高新技術特種材料聚丙烯(PP)，為難降解的生態合成材料。保水劑、粘合劑(青島睿達進出口有限公司)：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。硫酸鉀型復合肥：中農中際化肥(山東)有限公司，白粒無機養分[51%(N25- P8- K18)；48%(N22- P10- K16)、48%(N16- P16- K16)，硫酸鉀型45%(N15- P15- K15)]加上黑粒有機養分(氮≥16%，氨基酸≥20%，腐殖酸≥16%，有機脂≥20%)。農家有機肥：當地購買。材料具體用量見1.4。供試材料：早熟禾、高羊茅、黑麥草、老芒麥，均來自西藏農牧學院高寒草地保護與培育實驗室西藏野生種質資源圃。

1.3 試驗方法

2014年6月14日在西藏林芝地區林—拉高等級公路起始路段選擇典型的水土流失、植被嚴重退化的地段進行修復試驗。總面積為35 m2，其中邊坡15 m2(坡度45°，長10 m)、平地20 m2，播種方式均采取混播。混播草種選擇經高原地區引種馴化篩選出來的抗逆性極強的4種優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個生態袋，土質量為270 kg/m2)為1個單元確定其播種量和肥力水平。試驗設供氮量(N)和供水量(W)雙因素處理。當地作物施氮水平在0.05～0.10 g/kg，據此氮處理設置4個水平，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；試驗用沙壤土的飽和含水量為85%～90%，據此將灌溉水平設2個水平，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。播后，由人工澆水管養并定期觀測數據。

表1 試驗處理Tab.1 Experimental treatments

注：N0、N1、N2、N3分別表示無供氮處理和供氮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.

1.4 生態袋填充料設計

土壤取自當地農田較好的沙壤土，清除碎片、根系、樹枝。根據試驗要求分為種植土和噴播土。種植土混合成分：有機肥15 g/kg、復合肥0.11 g/kg。根據要求，將肥料均勻灑施到種植土中搗勻。噴播土混合成分：有機肥0.37～0.55 g/kg，復合肥養分主要以N為主導因素，分別設4個供氮水平，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。

1.5 生態袋護坡技術

坡面修整→基礎施工→裝袋→壘砌(平鋪，圖1)→噴播(厚度2～3 cm，土質量54 kg/m2)→養護管理。

1.6 測定指標與方法

播種當年6月29日(出苗早期)和7月19日(出苗后期)進行數據測定。具體測定指標如下：植物出苗率=(出苗的種子粒數/播種種子粒數)× l00%。具體測定方法：播種前將確定單位面積播種量的種子置于自動數粒儀(SLY-E)上確定其種子粒數，記錄。播種后規定時間內，再測全部正常種苗數占供試種子數的比例。植被高度：隨機選取混播牧草15株(其中應包含最高、最低、平均3個高度)，用專業的實驗用高精度PVC鋼卷尺測絕對高度，3次重復，取平均值。蓋度：植物地上部分垂直投影面積占地面的比率(%)，采用目測法測定。密度：一定空間內的株數，D=N/A(N為樣方內植物個體全部數目；A為樣方面積)。試驗每處理采5個點，面積均為0.1×0.1 m2，計算該面積上植物個數，取平均值。地上生物量(干質量)：從單位面積混播植物中隨機取幼苗15株，取地上部分在烘箱內105 ℃殺青0.5 h，然后調至65 ℃烘干至恒質量，稱量，計算單株干質量。

試驗數據均在 Excel 2003中錄入，運用SPSS 13.0軟件采用Duncan單因素方差分析和顯著性檢驗。

生態袋, Ecological bag; 標準扣, Standard buckle 圖1 生態袋放置施工技術簡圖Fig.1 Construction technology chart for placing the Ecological bag

2 結果與分析

2.1 不同水氮供應生態袋對植被出苗率的影響

不同水氮供應條件下，比較邊坡和平地植被出苗率情況發現(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，與對照相比差異顯著(P<0.05)，尤其充分灌水低氮(W2N1)時，出苗率最高，為79%。平地上，隨供氮量的增加，W2處理時植被出苗率均高于W1，且充分灌水中氮(W2N2)時出苗率最高，為77.67%。可見，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，無論邊坡還是平地，供氮條件下植被出苗率均高于無供氮處理。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時出苗率均低于W1。W2N1處理時，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。低水無供氮(W1N0)的2個時間段測定，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，無供氮(N0)條件無法滿足植被快速生長的養分需要，產生植物種間競爭致幼苗死亡引起。總的來說，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，但隨著生長時間的推移，對水分的需求由充分灌水降低至低水條件。

2.2 不同水氮供應生態袋對植被高度的影響

由表3可見，出苗早期，N1、N2水平、W2處理時，邊坡植被高度明顯大于W1處理,尤其W2N1處理對植被高度的促進作用更顯著(P<0.05)。但隨著供氮量的增加，W2處理時植被高度呈降低趨勢。平地上，在不同供氮水平W2處理時高度分別比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水平時植被的高度均大于N0水平(P<0.05，平地P>0.05)，且W2處理時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，邊坡和平地植被的高度均隨水分的增加而降低，邊坡W2N2、W2N3處理時分別同比W1降低9.08%、16.98%。相同水分條件下，無供氮(N0)處理時邊坡的植被高度均大于平地。可見，生態袋邊坡播種有利于植被生長率的提高，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,)時株高最大；到出苗后期，相同灌溉條件、高氮(W1/W2N3)時植物株高大于邊坡。

表2 不同水氮供應條件下植被的出苗率(平均值±標準差)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 不同水氮供應條件下植被的高度(平均值±標準差)Tab.3 Vegetation height in different water and nitrogen supply conditions( Mean±SD) cm

2.3 不同水氮供應生態袋對植被蓋度的影響

2種灌溉條件、N1水平時，植被的蓋度大小順序為：邊坡>平地>對照(表4)。出苗早期，不論邊坡還是平地，N1水平時，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，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，但對高氮的需求未變。說明生態袋在邊坡上明顯起到水肥調控作用。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 不同水氮供應條件下植被的蓋度(平均值±標準差)Tab.4 Vegetation coverage in different water and nitrogen supply conditions (Mean ± SD) %

2.4 不同水氮供應生態袋對植被密度的影響

表5所示，出苗早期，邊坡W2N1和平地W2N3時植被密度最高，分別為1萬3 600株/m2、1萬1 500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。可見，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為中氮需求水平，對水分需求始終以充分灌水為主。因此，在生產上，隨著植物生長時間的推移，在邊坡上適時追肥有助于植被茂密生長。整個測定時期，在相同的灌溉條件、無供氮(N0)時邊坡植被的密度均大于平地。主要原因是生態袋在邊坡上水分調節性能強，且有效促進邊坡植被的修復。

表5 不同水氮供應條件下植被的密度(平均值±標準差)Tab.5 Vegetation density in different water and nitrogen supply conditions (Mean±SD) Plants/m2

2.5 不同水氮供應生態袋對植被干質量的影響

對植被干質量而言(表6)，在邊坡N1、N2水平、W2時干質量高于W1，尤其W2N1時邊坡植被干質量達最高，為0.032 5 g；而平地在W1N1條件時植被干質量最高，為0.031 6 g。說明促進生態袋植被干質量的最適條件為：邊坡W2N1；平地W1N1。

表6 不同水氮供應條件下植被干質量Tab.6 Dry weight of vegetation biomass in different water and nitrogen supply conditions g/plant

3 討論

劉世全等[15]研究發現，過多或過少的水分直接影響根系呼吸，抑制根系對水分和養分的吸收能力。本研究中，在整個測定期，在相同水分條件下，邊坡無供氮(N0)時植被高度、蓋度、密度和干質量均明顯大于平地，且邊坡植被在低水(W1)時密度和干質量高于充分灌水(W2)，平地反之。主要原因可能是生態袋在邊坡上的水分調節性能強，因此，在低水條件下各形態指標均高于平地。氮素是植物體內葉綠素、蛋白質、核酸和部分激素的重要組成部分，是影響植物正常生長發育的重要營養元素[17-18]。本試驗結果中，無供氮低水的2個時間段，邊坡植被的出苗率由早期的40%降至9.67%，主要原因是無供氮(N0)條件無法滿足植物正常生長的養分需求，甚至導致幼苗大量死亡。

陳繼康等[19]研究氮素水平對不同氮效率基因型苧麻(ramie)根系性狀的影響發現，合理氮素供應可增強苧麻根系的活力，提高根系體積，促進根系吸收水肥的潛力，反而過高或過低水平均降低苧麻根系的活力。孫譽育等[20]研究水氮耦合效應對紅樺(Betualalbo-sinensis)幼苗生長的影響及其生理機制發現，在一定水分含量范圍內，氮肥降低土壤水分的溶質勢，致使根系很難吸收水分，阻礙對地下和地上部分營養物質的供應，從而對植物的生長發育產生明顯的影響。本研究中，邊坡植被各形態指標在高氮、低水條件下表現較差，地上植被干質量較低，而平地植被在低氮條件下植被的各形態指標表現較差。但在適宜的水氮條件下長勢好，植株高大、生物量積累多，過多或過少的水氮條件下植被長勢較差，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，植被出苗率、株高、蓋度、密度和地上植被干重均達到最高水平，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，平地植被生長對高氮的需求仍未變，但對水分的需求由充分灌水轉變為低水條件。因此，在植被生長發育過程中合理調節水分和養分的供給量至關重要。此外，在低氮供應時，邊坡植被長勢較平地好，而平地植被始終需求中高氮水平維持其生長發育。說明在同等條件下，生態袋在邊坡上具有顯著的養分調控機制，能夠有效促進植物正常生長發育，從而起到邊坡植被修復的作用。該技術適合在高寒地區公路邊坡修復工作中推廣利用。

4 結論

通過研究生態袋不同水氮供應條件對邊坡和平地植被萌發生長的影響發現，出苗早期，在充分灌水、低氮(W2N1)時，邊坡植被的出苗率、株高、蓋度、密度和地上植被干質量均達到最高水平，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，植被出苗率、蓋度和密度均最高，植株較高大，到出苗后期，平地植被的生長對水分的需求由充分灌水轉變為低水條件。總的來說，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均較理想，而在低水無供氮(W1N0)時，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。這與供試優良草種對逆境的耐受性有關，而且其生長發育明顯受生態袋水氮供應條件的影響。在(W1或W2)N1時，邊坡生態袋植被出苗率、高度、蓋度較平地高。綜上所述，生態袋在邊坡上能起到植被修復的作用，且不論是生態袋植被修復技術還是植被修復高抗牧草組合、適宜的水肥設計等方面均應得到推廣，從而為高寒地區邊坡修復工作中提供指導。