人工生物质结皮对黄土边坡微生态环境及植被恢复的影响

王瑞君,王百田†,张帆,王宁,舒鑫,曲红,袁耀,杨浩

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.内蒙古自治区赤峰市林业局,024000,内蒙古赤峰;3.北京林业大学生物学院,100083,北京;4.北京市园林绿化局十三陵林场,102200,北京)

人工生物质结皮是指以来源于植物的木质素和纤维素为功能性材料,人工将其与表层土壤/砂混合制作形成的结皮。人工生物质结皮从其组成上区别于土壤结皮、生物结皮和化学结皮。人工结皮材料和方法的研究多集中于沙漠化土地防治方面,且多强调其抗风蚀能力方面[1],直接应用于植被恢复的研究[2]很少。笔者曾将人工生物质结皮应用于甘肃民勤流动沙区进行植被恢复,在流动沙丘表面制作的生物质结皮厚度约10 mm,承压强度为1～2 kg/cm2,在当地极端恶劣的气候条件下,施用人工生物质结皮的流动沙丘植被覆盖度可达38%,表现出了良好的促进植被恢复的功能[3]。

黄土丘陵沟壑区存在较多自然和人为开挖建设形成的边坡,营养瘠薄,不适宜耕作和植物生长,水土流失严重[4]。对于此类立地的植被恢复目前多以种植木本植物为主,然而,在近自然或半自然状态下植物生长一般较缓慢[5-11],难以在较短的时间内对坡地形成高密度植被覆盖[12-16]。由于人工生物质结皮具有在极端恶劣的立地条件下较好恢复植被的功能,所以,笔者以山西省方山县黄土弃土边坡为研究对象,通过布设人工生物质结皮进行试验,研究人工生物质结皮对黄土边坡土壤微生态环境及植被恢复的影响,以期为黄土丘陵沟壑区生态环境快速改善探索一条新途径。

1 研究区概况

试验地(E 111°13′43″,N 37°42′58″,海拔 1 085 m)位于山西省吕梁山中段西侧的方山县峪口镇介沟,为典型黄土丘陵沟壑区。该地区属暖温带大陆性季风气候,多年平均降水量416 mm,且年内分配非常不均,6—9月降水量占全年降水量的70%以上,多年平均水面蒸发量高达1 857.7 mm,最大蒸发出现在4—6月,表现出典型的北方严重春旱的特征[12]。

试验地为沟内工程弃土形成的边坡,坡向南偏东10°～25°,坡度在 35°～40°之间,坡面土壤为黄绵土,质地均匀,pH值8.1。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验材料包括结皮制剂和草本植物种籽。结皮制剂组成及配比见文献[11],本研究中配方稍作改动,木质素采用固体配料。草种为冰草(Agropyron cristatum)和波斯菊(Cosmos bipinnata Cav.),均购于中国农科院,农用复合肥由山西阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司生产。

2.2 试验设计

试验分2部分,分别是2012年4月23—26日春季布设的试验1和同年7月20日夏季布设的试验2。

1)试验1。用于考察人工生物质结皮在黄土边坡的植被恢复能力和效果。首先,划定试验区和对照区,试验区18 m×10 m,对照区6 m×10 m,设置3次重复;在试验区清理坡面杂草并破坏坡面表层自然结皮,同时按河沙与制剂体积比为3:1混合结皮基质组分;然后,播撒冰草种籽(约104颗/m2)、农用复合肥(约150 kg/hm2)及混合好的结皮制剂;最后,平整坡面,喷洒少量水(约1 L/m2)用以溶解结皮制剂,形成结皮。

对照区分为2种,一种是破坏自然结皮的黄土裸露边坡,一种是保持原状自然结皮的边坡,2种对照区按同等用量播散冰草种籽、复合肥并洒水。

2)试验2。在试验1的基础上进一步试验人工生物质结皮中碳源高分子材料和氮源肥料在黄土边坡植被恢复中的作用,以优化调整其使用比例。

在试验1的试验区左侧选30 m边坡,坡面长16 m,划分成15个5 m×5 m的处理单元。共设5种处理,分别为空白对照CK,撒草籽T1,撒肥料和草籽T2,撒不含复合肥的结皮制剂和草籽T3,撒结皮制剂、肥料和草籽T4,每种处理重复3次。处理设置示意图见图1。

图1 试验2的对比处理示意图Fig.1 Schematic of Test Two

试验2的坡面处理、混料和施肥等施工方法与试验1相同,所有处理不进行洒水,并以波斯菊种籽替代冰草种籽,播撒量为1 500～2 000颗/m2。

在试验区周围均设置0.5～1 m的隔离带。施工完成后,不对试验地进行封育及任何管护工作,以保障试验完全在当地自然环境条件下进行。

2.3 试验观测

在每个处理区分别设置调查样方(1 m×1 m),调查植物种类、覆盖度、生物量等植被恢复指标。土壤温度和湿度是影响植物种子萌发和生长的重要指标,在草本植物种子萌发和生长初期,根系主要集中于0～10 cm土层中;所以,本试验选取土壤表层10 cm深度处,在2012年4—9月对其温湿度变化用TRJCXT -01十通道土壤温湿度连续监测系统进行了连续监测。空气温湿度通过手持自动气象站Kestrel 4500记录;土壤密度采用环刀法[17]测定;坡面粗糙度通过链条法[18]计量,坡面抗冲蚀指标采用统计雨后样地水蚀细沟体积方式获得,调查样方面积为0.5 m×0.5 m。

2.4 数据分析和处理

所有数据使用Excel 2010和SPSS 11.0软件进行处理。

3 结果与分析

3.1 人工生物质结皮对黄土边坡微生态环境的影响

3.1.1 对土壤温度的影响 2012年4—9月10 cm深度土壤各月平均温度见图2。可以看出,从2012-04—2012-07,人工生物质结皮区土壤月平均温度显著高于对照无结皮区温度(P＜0.05),各月依次高出1.1、1.9、1.5和1.2℃。8和9月结皮区与对照区温度差异不显著(P＞0.05)。

4—7月为黄土高原地区植物种子萌发和生长的阶段,人工生物质结皮区土壤温度升高对植物种籽萌发生长有利。

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

3.1.2 对土壤湿度的影响 2012年4—9月10 cm深度土壤各月平均湿度见图3。可以看出,从2012年4月至2012年7月,人工生物质结皮区10 cm深度土壤月平均湿度显著高于对照区(P＜0.05),各月依次比对照高出 19.0%、23.7%、35.8%和23.3%。8和9月结皮区与对照区湿度差异不显著(P＞0.05)。数据表明人工生物质结皮具有较为明显的保水(墒)功能,可以为种子萌发和植物生长提供更好的水分条件。

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

因试验地位于黄土丘陵沟壑区的阳坡,土壤水分是限制植物种子萌发和生长的重要因子之一,一直以来也是导致该地区丰富的土壤种子库在自然条件下对植被恢复很难发挥作用的原因,而本试验所用人工生物质材料则较好地解决了土壤种子库萌发所需的水分。

3.1.3 对土壤侵蚀的影响 施工结束到降雨侵蚀细沟数据采集期间(2012-07-20—2012-08-02)的降雨情况见表1,2012-08-03试验2各处理侵蚀细沟状况见图4,试验2各处理侵蚀细沟总体积比较见图5。可以看出,在降雨条件相同的情况下,CK、T1和T2表面水蚀细沟体积比T3和T4大1倍以上,差异显著(P＜0.05)。表明在无植被覆盖、相同降雨量、相似坡面粗糙度和相似浅层土壤密度条件下,结皮区的抗水蚀能力强于无结皮区,对地表具有一定的物理护坡功能,可以起到减缓径流冲刷侵蚀的作用。

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

图4 试验2不同处理坡面侵蚀状况Fig.4 Slope erosion of different plots in Test Two area

3.2 氮源肥料对人工生物质结皮使用效果影响

2012-09-10试验2植被生长状况见图6。可以看出,CK和T1植物生长较少,T2和T3较多,T4最多。

试验2各处理样地生物量见图7。可知,CK和T1生物量很小,分别为0.02和0.03 t/hm2,T2、T3和T4分别为0.33、0.31和1.31 t/hm2,其中T4生物量是T2和T3的4倍多。

结果表明,单独使用复合肥(T2)和生物质高分子材料(T3)处理区的生物量均远大于既无结皮又无肥料的处理(T1)。说明复合肥和生物质材料都可促进黄土边坡植物生长,而且二者作用相当。当复合肥和生物高分子材料结合使用时(T4),促进植物生长的效果超出T2和T3效果的简单叠加;因此,氮源肥料和碳源生物高分子材料均为人工生物质结皮制剂的重要组成,二者同时使用促进植物生长效果最佳。

图62012 -09-10试验2植被生长状况Fig.6 Vegetation growth in Test Two area on September 10,2012

图7 试验2各处理区生物量Fig.7 Biomass of each treatment in Test Two

3.3 人工生物质结皮对黄土边坡植被恢复的影响

2012-07-17对春季布设的试验1的植物生长情况进行调查统计,结果见图8,试验1植被覆盖度见表2,生物量统计结果见图9。

如图8和表2所示,不同处理区植被覆盖度以人工生物质结皮区最好,自然坡面区次之,裸露黄土区最差,分别为66.7%、32.7%和15.6%。

表22012 -07-17试验1植被覆盖度Tab.2 Vegetation coverage in Test One area on July 17,2012

图82012 -07-17试验1植被生长状况Fig.8 Vegetation growth in Test One area on July 17,2012

图92012 -07-17生物量统计Fig.9 Biomass of different treatments of Test One on July 17,2012

由图9可知,人工结皮区生物量为1.65 t/hm2,分别为自然坡面和空白对照生物量的10.50和20.48倍。结皮区除冰草外,还有大量其他种类植物,占结皮区总生物量的83.06%。经初步鉴定,结皮区的植物(除冰草外)以当地生长的菊科和藜科植物为主,判断为由土壤种子库植物种子萌发生长所致。这一结果暗示,生物质结皮可能仅利用土壤种子库中的种子就可在该地黄土坡面达到满意的植被恢复效果。

图10示出2012-08-01边坡植被生长状况,由于当地7月下旬雨水较充沛,边坡植物生长加快,至8月初,结皮区植被覆盖度超过90%,而裸露黄土对照区和自然坡面对照区的覆盖度则分别为30%和35%。此时结皮区植物鲜质量生物量为3.09 t/hm2,其中土壤种子库植物提供了2.74 t/hm2,占总生物量的78.83%。

4 结论与讨论

人工生物质结皮施用于黄土弃土边坡,可增高地温、降低地表蒸发、提高土壤含水量,改善边坡土壤环境条件,可有效减缓边坡地表的径流冲刷侵蚀,具有活化土壤种子库等功能,可起到较好的植被恢复效果,实现由生物质结皮的物理护坡向植被护坡的自然过渡,形成以乡土植物种为主的植被群落。

图102012 -08-01边坡植被生长状况Fig.10 Vegetation of Test One on August 1,2012

生物高分子材料曾被用于植被恢复研究,现仍处于探索研究阶段[19-22],尚未见有大面积应用报道。与本试验类似的结皮方法还有化学制剂结皮,后者在环境安全性、使用成本等方面有不同程度的缺陷,且化学结皮更多的以固定表土为主要目的,植被恢复功能方面考虑少。而且,人工生物质结皮方法与目前生产实践中植被恢复效果较好的客土、厚层基材喷播技术相比,后者常采用如乳化沥青等化工材料作为功能成分,这些成分本身或其降解过程产物可能会对自然环境造成不良影响,且后期养护成本较高。人工生物质结皮环境友好,无须后期养护,且材料成本小于1元/m2,该方法明显低于其他方法所用成本[23]。