两种草本植物种子萌发与幼苗生长对植被混凝土水泥含量的响应

王 稷 谭向前 熊丹伟 陈芳清

(1.三峡大学 三峡地区生态保护与治理国际合作研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

西南高山亚高山地区地形复杂，山高坡陡，是我国生态系统极为脆弱的地区[1].随着近年来铁路、公路、水电站的建设力度增大，随之产生了大量的工程边坡，裸露、未覆盖的人造斜坡存在滑坡、泥石流等多种地质灾害的风险[2].利用植被混凝土生态防护技术(CBS)开展工程边坡的生态恢复对于该地区的生态保护具有积极作用.植被混凝土生态防护技术是一种采用特定的混凝土和种子配方对岩石边坡进行防护和绿化的一种新型全坡面喷植工程绿化技术，其能满足边坡防护强度、抗雨水冲刷能力要求和适应植物长期生长要求，因此在边坡治理和生态护坡中应用广泛[3].为了满足高山亚高山地区高陡边坡生态恢复的需要，常常需要增加植被混凝土中水泥的含量，以增强生态恢复的边坡植被混凝土的稳定性[4].但随着水泥含量的增加，植被混凝土的理化性质也会发生相应的变化，从而对植物种子萌发与植株生长产生不利影响[5].筛选能够适应西南高山亚高山地区的生态环境，同时又能适应植被混凝土水泥胁迫的先锋植物成为该地区高陡边坡生态恢复的核心问题.

冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn)和垂穗披碱草(Elymusnutans Griseb.)是具有抗干旱、耐寒冷、抗风沙、耐盐碱等重要特性的西南高山亚高山地区次生裸地先锋草本植物，目前在西南高山亚高山地区边坡植被恢复中取得了很好的效果[6].本研究通过研究植被混凝土中不同水泥含量下这两种先锋草本植物种子萌发与幼苗生长，探讨了两种先锋草本植物与植被混凝土的相容性，从而为植被混凝土生态防护技术在西南高山亚高山地区的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究材料与试验设计

冰草和垂穗披碱草种子均购于江苏新泰种业批发有限公司，冰草种子千粒重5.35g，垂穗披碱草千粒重3.68g，种子质量良好.

本研究参考《NB/T 35082-2016水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》[7]，设置了0%、4%、6%、8%、10%、12%等6个水泥含量的处理水平，分别进行植物种子萌发与幼苗生长的试验.种子萌发的试验在直径12cm 的培养皿中放入上述不同水泥含量的植被混凝土，将50粒种子均匀洒在基土上方，再薄撒一层对应水泥含量的植被混凝土轻微覆盖种子，将其置于PRX-600D 型人工气候箱进行，培养箱条件设置为25℃，湿度为58%，以12h光照和12h黑暗处理的周期循环培养并喷水使土壤完全湿润，每个水泥含量各设置5个重复.

幼苗生长试验的试验单元为高20.9cm、内口径27.9cm 的塑料花钵.将花钵分别装入上述不同水泥含量的植被混凝土，将50粒种子均匀洒在基土上方，再薄撒一层对应水泥含量的植被混凝土轻微覆盖种子，并喷水使土壤完全湿润，于温室内进行培养.待种子萌发20d后，对花钵内幼苗进行疏苗处理，选择各处理生长状态相似的25株幼苗继续培养.每个水泥含量各设置5个重复.培养期间进行规范水分管理，培养期内气温21～37℃，湿度55%～80%.在生长60d时对各处理水平进行幼苗生长指标测定.

1.2 种子萌发与幼苗生长指标的测定

种子萌发试验从播种的第二天开始，每天记录种子发芽数，统计14d.分别用发芽率、发芽势和发芽(速率)指数(GI)来评价种子的萌发情况，发芽率=(发芽种子总数/供试种子总数)×100%；发芽势=(前5d 发芽种子总数/发芽种子总数)；发芽指数GI=∑Gt/Dt，式中Gt为在t日的发芽数，Dt为发芽天数.

幼苗生长试验在60d对各处理水平进行幼苗生长测定.每个处理水平在5 个花钵中各取出3 株植物，分别对植株进行根系扫描，得出根系根长、根表面积、株高数据；再分别对植株地上生物量、地下生物量进行测定，105℃杀青20min 后于80℃下烘干至恒重，称量植物各部分干重，即为各部分生物量(mg·株-1).并计算植株总生物量(mg·株-1)和根冠比.

1.3 数据分析

采用Excel 2013 数据统计和初步分析.采用SPSS 19.0软件进行种子萌发、幼苗生长的水泥含量单因素方差分析，并进行LSD 多重比较分析.统计分析在95%的置信水平上进行，P＜0.05，差异显著，P＞0.05，差异不显著.

2 结果与分析

2.1 水泥含量对两种草本植物种子萌发的影响

2.1.1 水泥含量对两种草本植物种子萌发动态的影响

冰草和垂穂披碱草的萌发动态在各处理水平下均呈“S”型变化趋势，冰草在8d时间内各处理水平基本萌发完毕，垂穂披碱草在10d时间内各处理水平基本萌发完毕(如图1所示).水泥组处理的快速萌发期快于对照组，其增长幅度也高于对照组.垂穂披碱草种子的萌发进程在各水泥含量处理水平之间无明显差异.

图1 水泥含量对冰草(A)和垂穂披碱草(B)种子萌发动态的影响

2.1.2 水泥含量对两种草本植物种子萌发参数的影响

植被混凝土中水泥含量对冰草、垂穂披碱草种子发芽率的影响不显著(P＞0.05)(见表1).

表1 水泥含量对冰草和垂穂披碱草种子萌发参数的影响

两种草本植物种子的含水泥处理组中的发芽率均略高于对照组，但各处理之间发芽率的差异没有达到显著水平(P＞0.05).水泥含量对冰草种子的发芽势、发芽指数均有显著影响(P＜0.05)(表1).冰草种子含水泥处理组中的的发芽势、发芽指数均显著高于对照组(P＜0.05)，其中10%水泥处理组有最大值(79.33±10.66%和9.02±1.98)，分别为对照组的1.99倍和1.92倍.水泥含量对垂穂披碱草种子的发芽势、发芽指数的影响均不显著(P＞0.05)(表1)，各处理之间的差异没有达到显著水平.

2.2 水泥含量对两种草本植物幼苗生长的影响

2.2.1 水泥含量对两种草本植物幼苗地上部生长的影响

水泥含量对两种草本植物幼苗株高均有显著的影响(P＜0.05)(如图2所示).冰草、垂穂披碱草在含水泥处理组中的幼苗株高均显著低于对照组(P＜0.05).且冰草、垂穂披碱草的幼苗株高均随着水泥含量的上升而下降，其中12%水泥处理组有最小值(13.48±1.91mm 和13.05±1.64mm)，分别为对照组的62%和56%.

图2 水泥含量对冰草和垂穂披碱草幼苗株高的影响

水泥含量对两种草本植物幼苗地上生物量也均有显著的影响(P＜0.05)(见表2).冰草、垂穂披碱草在含水泥处理组中的幼苗地上生物量均显著低于对照组(P＜0.05).且冰草、垂穂披碱草的幼苗幼苗地上生物量均随着水泥含量的上升而下降，各处理之间的差异均达到显著水平(P＜0.05).其中12%水泥处理组有最小值(5.26±0.26mg·株-1和4.58±0.39 mg·株-1)，分别仅为对照组的39%和25%.

表2 水泥含量对冰草和垂穂披碱草幼苗生物量的影响

2.2.2 水泥含量对两种草本植物幼苗地下部生长的影响

水泥含量对两种草本植物幼苗根长、根表面积均有显著的影响(P＜0.05)(图3、图4).冰草、垂穂披碱草在含水泥处理组中的幼苗根长均显著低于对照组(P＜0.05).且冰草、垂穂披碱草的幼苗根长、根表面积均随着水泥含量的上升而下降，其中12%水泥处理组有最小值(23.12±3.26mm 和26.49±1.32 mm)、(2.78±1.00mm2和3.00±0.60mm2)，分别为对照组的(37%和39%)、(23%和27%).

图3 水泥含量对冰草和垂穂披碱草幼苗根长的影响

水泥含量对两种草本植物幼苗地下生物量也均有显著的影响(P＜0.05)(表2).冰草、垂穂披碱草在含水泥处理组中的幼苗地上生物量均显著低于对照组(P＜0.05).且随着水泥含量的上升，冰草、垂穂披碱草的幼苗地下生物量均有下降的趋势，各处理之间的差异均达到显著水平(P＜0.05).其中12%水泥处理组有最小值(5.21±0.28mg·株-1和6.56±0.24 mg·株-1)，分别仅为对照组的43%和34%.此外，与幼苗地上生物量、地下生物量的结果一致，水泥含量对两种草本植物幼苗总生物量也均有显著的影响(P＜0.05)(表2).冰草、垂穂披碱草在含水泥处理组中的幼苗总生物量均显著低于对照组(P＜0.05).且随着水泥含量的上升，冰草、垂穂披碱草的幼苗地下生物量均有下降的趋势，各处理之间的差异均达到显著水平(P＜0.05).其中总生物量在10%水泥处理组降到对照组的50%以下，12%水泥处理组有最小值(10.47±0.37mg·株-1和11.13±0.52mg·株-1)，分别仅为对照组的41%和30%.

而水泥含量对两种草本植物幼苗根冠比也均有显著的影响(P＜0.05)(表2).冰草在含水泥处理组中的幼苗根冠比均显著高于对照组(P＜0.05)，但各水泥含量处理间未见显著差异(P＞0.05)，其中12%水泥处理组有最大值(1.07±0.38)，为对照组的1.20倍.垂穂披碱草幼苗根冠比随着水泥含量的上升呈现出先下降后上升的趋势，其中最低值出现在8%水泥处理组(0.85±0.05，为对照组的80%)，而最高值出现在12%水泥处理组(1.44±0.12，为对照组的1.40倍)，均与对照组有显著差异(P＜0.05).

3 讨 论

种子萌发是生命周期的最关键时期，其对边坡植被混凝土中植物的种群动态、群落结构和可持续性具有主要的影响[8].植被混凝土中水泥含量对不同植物种子萌发的影响存在差异，如Xiao等[5]研究中发现狗牙根萌发率与植被混凝土中水泥含量呈现出显著的负相关关系，其认为植被混凝土中水泥含量不能超过10%.而Chen等[9]在植被混凝土中水泥含量对3种先锋植物种子萌发率的研究中则指出，适合高羊茅、木兰和紫花苜蓿萌发的水泥含量在8%左右.在本研究中，不同处理下两种草本植物种子萌发动态曲线基本一致，不同水泥含量对冰草、垂穂披碱草种子发芽率未见显著负面影响.其中冰草在含水泥处理组中的发芽率、发芽势、发芽指数均高于对照组，说明水泥对冰草种子萌发无抑制作用；而垂穂披碱草发芽指数整体随水泥处理含量的升高而下降，12%水泥处理组发芽势出现了显著下降，说明高水泥含量下垂穂披碱草种子萌发受到一定的抑制.水泥对两种草本先锋植物种子萌发不具有显著的影响，其可能原因在于冰草、垂穂披碱草耐盐碱性强，其对于植被混凝土的高pH 环境具有极强的适应[10]；且植被混凝土中水泥的硬凝反应主要限制植物的根系生长，而对于种子萌发的影响较小.

植物的生长和植被生物量的增加对于提高边坡的稳定性，增强植被混凝土的剪切强度具有重要的作用[11].Gao等[12]在岩石边坡生态修复混凝土混合物的研究中指出，应使用极低的水泥含量(1.5%)以维持植物的正常生长.而Xu等[13]在水泥含量对狗牙根幼苗生长的研究中则发现，幼苗生长随着水泥含量的上升先促进后抑制，高值出现在8%～10%的水泥含量处理中.本研究中，发现冰草、垂穂披碱草幼苗生长均随着水泥含量的升高受到的抑制加重，幼苗株高、地上生物量、根长、根表面积、地下生物量均与水泥含量呈现出显著的负相关关系.其中水泥含量的增加对根系生长特别是根系表面积的影响要大于株高，说明水泥对两种草本植物幼苗生长的影响首先从根系生长抑制开始.随着水泥的上升，冰草、垂穂披碱草幼苗生物量均出现显著下降，总生物量在10%水泥处理组降到对照组的50%以下.其中垂穂披碱草幼苗根冠比先下降后上升，从10%水泥处理组开始出现明显的上升，表明幼苗生长特别是地上部生长受到明显抑制.综合考虑两种草本植物各项幼苗生长指标，其适宜生长的水泥含量应不高于8%.

在工程实际中，适宜的植被混凝土组成配比对植被混凝土生态防护技术的边坡防护和生态恢复效果具有决定性的作用[14].Luo等[15]研究认为，在坡度不超过45°的边坡，3%～5%的低水泥含量即可满足护坡需求并可以很好地进行生态恢复.而Rasse等[16]则认为对于陡峭的边坡，需要10%～20%的水泥含量以维持边坡稳定.在我国水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范中，则建议植被混凝土中水泥含量应在6%～10%以发挥最大护坡作用[7].考虑到西南高山亚高山地区的边坡特别是人造边坡较陡峭的特征和反复冻融造成的植被混凝土质量的快速损失，在该地区应用植被混凝土技术需要采用较高的水泥含量以增加植被混凝土抗反复冻融和抗冲刷能力[7，17].因此，该地区运用植被混凝土生态防护技术的合适水泥含量应为6%～8%，但对于陡峭斜坡水泥含量可升至10%以获得更好的植被混凝土稳定性.

4 结 语

1)植被混凝土中不同水泥含量(0～12%)对冰草、垂穂披碱草种子萌发未见显著负面影响，但两种草本植物的幼苗生长均随着水泥含量的上升而明显受到抑制.

2)综合考虑种子萌发、幼苗生长和西南高山亚高山地区的边坡实际情况，冰草、垂穂披碱草具有作为应用于西南高山亚高山地区植被混凝土生态修复备选植物的潜力.

3)西南高山亚高山地区植被混凝土生态防护技术应用的适当水泥含量为6%～8%，在高陡边坡生态恢复的最高水泥含量应不超过10%.