不同材料无纺布覆盖对高寒生态修复草种生长特性的影响

陈白洁，王丰毅，周华坤，张振华

（1.中国科学院西北高原生物研究所适应与进化重点实验室/ 青海省寒区恢复生态学实验室，青海 西宁810008；2.中国科学院大学，北京100049；3.华贝纳(杭州)毛纺染整有限公司，浙江杭州311100；4.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062）

植被的恢复与重建是生态恢复的关键。目前，建植禾本科牧草栽培草地已成为植被恢复的重要措施之一[1-3]。近些年来，研究人员围绕“黑土滩”重建恢复在牧草选育、群落配置、后期管理等方面进行了大量研究[4-6]，为“黑土滩”恢复重建提供了重要的科学依据。但在恢复重建过程中，选用不同的生态修复草种，其恢复效果不同。研究表明，在恢复重建过程中，扁茎早熟禾(Poa pratensis)和冷地早熟禾(Poa crgmophila)能够有效地减少水土流失，增加植被盖度[7-8]，垂穗披碱草(Elymus nutans)和中华羊茅(Festuca sinersis)具有较高的抗旱耐寒性和种子产量，可用作扩种生产[8]，星星草(Puccinellia tenuiflora)具有很强的耐盐碱能力，对改良盐碱土壤具有很好的效果[9]。与此同时，研究人员还发现栽培草地的生态修复效果与草种生长期间的人工管理措施有关[10-11]。贺有龙等[12]研究表明，在适当的管理条件下，对中华羊茅进行单播或者混播均能够维持较高的生物量。李旭谦[13]对不同栽培草地就适宜草种、农艺措施以及田间管理等方面做了一份简要的概述，为提高不同栽培草地的生态恢复效果提供理论依据。然而在生态环境较为恶劣的植被恢复重建区，气候恶劣、地形地貌复杂、草地土壤贫瘠等因素[14]会对牧草种子的萌发出苗造成影响，进而影响其生活史以及牧草品质等，导致修复成本及修复难度增大，且修复效果不明显[15]。

植被修复技术的开发一直是生态修复研究的重点。不同于以往单一的生态修复技术，研究人员开始综合考虑植被生命周期的播种、幼苗和成熟3个阶段，提出了全局植被重建技术，包括植物物种优选、土壤基底重构、表土覆盖、播种和维护管理等环节[5,15]。研究表明，植物种子发芽的阈值与降雨、温度有关，土壤温度和含水量的时空变化可能制约了植物修复的效果[16]。无纺布具有保护幼苗，使土壤免受风蚀和水蚀，提高地温和土壤水分利用效率，以及降低土壤蒸腾等作用，且具有较高的水气交换能力[17-18]，可以为植物在昼夜温差大且干湿交替频繁的青藏高原，营造更稳定的环境，促进植物生长发育，从而提高植物的产量和品质[19]。目前大部分无纺布以塑料为原料，长期使用会给生态环境造成严重的“白色污染”问题，且关于不同材料可降解无纺布对高寒生态恢复草种生长特性影响的研究较为缺乏。为此通过研究5种可降解无纺布覆盖下5种牧草草种的生长发育特征、产量以及品质等，对无纺布类型和牧草品种的配对应用进行评价，以筛选出两者间的最适宜搭配模式，以期在今后栽培草地植被恢复过程中达到更好的生态修复效果，并为青藏高原环境条件较为恶劣地区的植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点

研究地位于中国科学院西北高原生物研究所青海海北高寒草地生态系统定位站(37º36′ N,101º12′ E，平均海拔3250 m)。属于典型高原大陆性气候，夏季凉爽，冬季寒冷。年均温为−1.1℃，年均降水量为480 mm，其中约80%分布在植物的生长季(5月− 9月)。土壤类型为草毡寒冻雏形土，是由古洪积–冲积物、坡积–残积物及古冰水沉积物在当地寒冷干燥的水热条件下受植被改造发育而成[20]。草地类型为高寒草甸，植物群落主要以禾本科以及莎草科为建群种。

1.2 试验材料

选用5种高寒生态修复牧草草种(表1)，均由青海省同德牧草良种繁殖场(海拔3300～3500 m[21])提供。无纺布选择常用的麻纤维和秸秆纤维可降解无纺布，以及华贝纳(杭州)毛纺染整有限公司试制的3种羊毛纤维可降解无纺布，具体参数如表2所列。

表1 供试草种千粒重及播种量Table1 Thousand kernel weight and seeding amount of tested grasses

表2 可降解无纺布主要参数Table 2 Main parameters of the degradable non-woven cloth

1.3 试验设计

本研究采用随机区组设计，5个生态修复牧草草种处理×6种覆膜处理(不覆膜对照与5种可降解无纺布)×5个重复=150个小区，每个小区均为长方形，其面积为1 m×2 m=2 m2。于2019年5月24日均匀撒播草种后压实，再覆盖上无纺布，无纺布用竹签固定。由于秸秆纤维无纺布材料透气性差，故用竹签均匀扎孔增加其透气性。

1.4 指标测定及方法

1.4.1 顶出数

在幼苗萌发顶峰期，采用标准样方法，在每个小区中选取大小为50 cm×50 cm的样方进行计数，计数过程中未揭除无纺布。

1.4.2 植株高度

采用标准样方法，从幼苗萌发出苗后开始，在每个小区中选取大小为50 cm×50 cm的样方，每隔10 d随机选取样方中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状态的冠层最高点，进行植株高度测量。

1.4.3 地上生物量

于地上生物量顶峰期(8月底)，采用收获法，在每个小区中随机选取50 cm×50 cm的样方，对其地上植株部分进行收割，共计5个重复，收割后立即带回实验室，65℃下烘干至恒重，计算其地上生物量。

1.4.4 牧草品质测定

将上述烘干后的牧草粉碎过1 mm筛，用于测定牧草品质。粗蛋白测定采用半微量凯氏定氮法；粗脂肪测定采用和酸性洗涤剂法[25]。

1.5 数据分析

使用Excel 2010进行数据处理。使用SPSS 24.0对牧草幼苗顶出、地上生物量以及牧草品质分别进行双因素方差分析，对牧草植株高度进行重复测量方差分析，并用LSD法(α=0.05)比较同种牧草不同无纺布处理下草种幼苗顶出、平均植株高度、地上生物量以及牧草品质的差异显著性。使用Sigmaplot 12.0绘图。其中，在秸秆纤维无纺布处理下，各牧草幼苗在其萌发顶峰期前几乎没有顶出，故未作其幼苗顶出的统计分析；冷地早熟禾在对照和秸秆纤维无纺布处理下收获的地上草样过少，导致其粗脂肪含量无法测定，故未作统计分析。

2 结果

2.1 不同无纺布覆盖对生态修复草种幼苗顶出情况的影响

无纺布处理、牧草品种及二者交互作用均对幼苗顶出数量具有显著影响(P<0.05)(表3)。野外观测发现，秸秆纤维无纺布严重抑制了5种牧草幼苗的穿透顶出(图1)。在不揭除无纺布的情况下，与对照相比，褐色厚羊毛纤维无纺布显著抑制了扁茎早熟禾、垂穗披碱草和星星草的幼苗顶出数量(P<0.05)，分别减少了55.29%、40.17%和60.21%；白色薄羊毛纤维无纺布显著抑制了星星草的幼苗顶出数量(P<0.05)，减少了37.31%；而麻纤维无纺布和白色厚羊毛纤维无纺布对5种生态修复草种的幼苗顶出均没有显著影响(P>0.05)。

表3 无纺布处理、牧草品种对牧草幼苗顶出的影响Table3 Effectsof non-woven cloth and grassspecieson seedling

图1 不同无纺布覆盖对5种生态修复草种幼苗顶出情况影响Figure 1 Effects of different non-woven coverings on seeding of five ecological restoration grasses

2.2 不同无纺布覆盖对生态修复草种植株生长高度的影响

纺布处理、牧草品种且二者间的交互作用均对牧草植株高度有显著影响，且随时间变化显著(P<0.05)(表4)。8月下旬以后不同无纺布处理对牧草植株生长高度的影响存在明显差异(图2)。与对照相比，麻纤维无纺布、白色厚羊毛纤维无纺布和白色薄羊毛纤维无纺布均显著提高了扁茎早熟禾的植株高度(P<0.05)，分别提高了48.81%、68.06%和84.19%；褐色厚羊毛纤维无纺布对扁茎早熟禾的植株高度没有显著影响(P>0.05)；白色厚羊毛纤维无纺布和白色薄羊毛纤维无纺布均显著提高了冷地早熟禾的植株高度(P<0.05)，分别提高了110.53%和55.54%；白色厚羊毛纤维无纺布显著提高了垂穗披碱草、星星草以及中华羊茅的植株高度，分别提高了29.61%、49.43%和133.70%，而褐色厚羊毛纤维无纺布显著降低了垂穗披碱草的植株高度(P<0.05)，降低了23.26%。

表4 无纺布处理、牧草品种对牧草植株高度的影响Table4 Effectsof non-woven cloth and grasses specieson plant height

图2 不同无纺布覆盖对5种生态修复牧草植株高度的影响Figure 2 Effects of different non-woven coverings on the plant height of five ecological restoration grasses

2.3 不同无纺布覆盖对生态修复草种地上生物量的影响

无纺布处理、牧草品种及二者的交互作用均对牧草地上生物量有显著影响(P<0.05)(表5)。与对照相比，白色厚羊毛纤维无纺布显著提高了扁茎早熟禾、冷地早熟禾、星星草以及中华羊茅的地上生物量(P< 0.05)，分别增加了395.14%、1023.24%、138.97%和917.42%(图3)；麻纤维无纺布显著降低了垂穗披碱草的地上生物量(P<0.05)，减少了32.73%，而对其他4种生态修复草种地上生物量没有显著影响(P> 0.05)；褐色厚羊毛纤维无纺布显著降低了垂穗披碱草和星星草的地上生物量(P<0.05)，分别减少了49.21%和66.46%；白色薄羊毛纤维无纺布显著增加了扁茎早熟禾和冷地早熟禾的地上生物量(P<0.05)，分别增加了258.70%和456.97%，却显著降低了垂穗披碱草的地上生物量(P< 0.05)，减少了32.71%。

2.4 不同无纺布覆盖对不同生态修复草种牧草品质的影响

牧草品种对粗蛋白含量有显著影响，无纺布处理和牧草品种间的交互作用对粗脂肪含量有显著影响，无纺布处理、牧草品种对牧草酸性洗涤纤维含量均有显著影响(表5)(P< 0.05)。如图4所示，与对照相比，秸秆纤维无纺布和白色厚羊毛纤维无纺布处理下，扁茎早熟禾的粗蛋白含量分别显著提高了7.38%和9.11%，冷地早熟禾却分别显著降低了15.14%和19.18%(P<0.05)；麻纤维无纺布处理下，扁茎早熟禾的粗蛋白含量显著降低了7.83%(P<0.05)；褐色厚羊毛纤维无纺布处理下，中华羊茅的粗蛋白含量显著增加了10.51%(P<0.05)。与对照相比，秸秆纤维无纺布处理下，垂穗披碱草和中华羊茅粗脂肪含量分别显著降低了20.66%和22.38%(P< 0.05)；麻纤维无纺布处理下，中华羊茅的粗脂肪含量显著提高了16.59%(P<0.05)；白色厚羊毛纤维无纺布和褐色厚羊毛纤维无纺布分别显著降低了星星草26.02%和22.71%的粗脂肪含量(P<0.05)；白色薄羊毛纤维无纺布处理下，垂穗披碱草的粗脂肪含量显著提高了17.41% (P<0.05)，星星草的粗脂肪含量显著降低了23.99% (P<0.05)，中华羊茅的粗脂肪含量显著降低了8.68%(P<0.05)。从纤维含量方面来看，与对照相比，5种无纺布均未对5种生态修复草种的中性洗涤纤维含量产生显著影响(P>0.05)；麻纤维无纺布处理下，中华羊茅的酸性洗涤纤维含量显著降低了14.88%(P< 0.05)，而对其他牧草的酸性洗涤纤维含量没有显著影响(P>0.05)。

表5 无纺布处理和牧草品种对牧草地上生物量、牧草品质的影响Table 5 Effects of non-woven cloth and grass species on the aboveground biomass, and forage quality of grasses

图3 不同无纺布覆盖对5种生态修复草种地上生物量的影响Figure3 Effectsof different non-woven coveringson theaboveground biomassof five ecological restoration grasses

图4 不同无纺布覆盖对5种生态修复草种牧草品质的影响Figure 4 Effectsof different non-woven coveringson forage quality of five ecological restoration grasses

3 讨论

植物种子的萌发及幼苗生长特性影响该植物能否在某一特定生境中成功定植[26-27]。唐伟[28]的研究表明，全期覆膜处理改善了歪头菜(Vicia unijuga)草地的土壤温度和水分条件，提高了其出苗率、幼苗生长速度和建植效果。本研究发现，透气性差、透光率差的秸秆纤维无纺布不利于5种生态修复草种的幼苗初期生长，虽然在铺设时对其进行过扎孔处理，但在雨水冲刷以及强烈紫外线照射下，导致所扎孔洞重新闭合，致使5种草种幼苗不能顺利穿透顶出，进而影响建植初期牧草生长。麻纤维无纺布和白色厚羊毛纤维无纺布对5种生态修复草种的幼苗顶出没有显著影响，但在覆盖过程中，无需人工揭除，可减少恢复成本。进一步分析发现，麻纤维无纺布和白色薄羊毛纤维无纺布均显著增高了根茎型牧草扁茎早熟禾的植株高度，白色厚羊毛纤维无纺布显著增高了5种生态修复草种的植株高度，这可能是因为地膜覆盖不仅可以改善土壤水热条件，而且可以提高植物对土壤水分的利用效率[29-30]，从而促进牧草生长发育。但在本研究中，褐色厚羊毛纤维无纺布显著降低了垂穗披碱草和星星草的植株高度，这主要是因为该无纺布较厚且在牧草生长过程中降解缓慢，而垂穗披碱草和星星草的草质较为柔软，很容易受到无纺布的阻碍，导致其植株未能正常伸展。

本研究发现，覆盖白色厚羊毛纤维无纺布显著提高了扁茎早熟禾、冷地早熟禾、星星草和中华羊茅地上生物量，这主要是因为无纺布覆盖可使土壤昼夜温差减少[31-32]，营造了稳定的生长环境，从而提高了牧草的产量。这与景媛媛[33]的研究结果一致。白色薄羊毛纤维无纺布的覆盖显著提高了扁茎早熟禾和冷地早熟禾地上生物量，主要是由于白色薄羊毛纤维无纺布覆盖改善了土壤的水热条件[34]，促进了两种根茎型早熟禾的生长发育。覆盖5种无纺布材料均不会显著提高垂穗披碱草的地上生物量，甚至会降低其地上生物量，这主要与其前期的幼苗顶出以及植株高度有关[28]。

提高牧草品质的主要途径包括提高牧草粗蛋白和粗脂肪含量，降低纤维素含量[35-36]。粗蛋白是牧草品质的重要体现，是反映牧草营养价值高低的重要指标[37-38]。本研究发现，白色厚羊毛纤维无纺布能显著提高扁茎早熟禾的粗蛋白含量，褐色厚羊毛纤维无纺布能显著提高中华羊茅的粗蛋白含量，可能与无纺布覆盖下其地上生物量以及土壤养分含量的改变有关[39-40]，深层机理需要进一步研究分析。粗脂肪是储存能量并给牛、羊等动物提供能源的重要营养元素之一[41]。本研究中，白色薄羊毛纤维无纺布可通过提高垂穗披碱草的粗脂肪含量进而对牧草品质产生影响。牧草纤维素含量越高，营养价值越低，中性洗涤纤维含量高则采食量减少，酸性洗涤纤维含量高则消化率降低[42]。本研究中，不同无纺布对5种生态修复草种中性洗涤纤维含量没有显著影响，麻纤维无纺布可显著降低中华羊茅的酸性洗涤纤维含量，从而提高该牧草的营养价值。

4 结论

综上所述，麻纤维无纺布或白色厚羊毛纤维无纺布均可提高扁茎早熟禾的植株高度，后者还可提高扁茎早熟禾的粗蛋白含量；白色厚羊毛纤维无纺布或白色薄羊毛纤维无纺布可提高冷地早熟禾的地上生物量，但前者会降低冷地早熟禾的粗蛋白含量；白色厚羊毛纤维无纺布可显著提高垂穗披碱草的植株高度，还可显著提高中华羊茅、星星草的植株高度和地上生物量。因此，今后对栽培草地进行覆膜处理时，需要根据生态修复牧草的品种来选择与之相适应的无纺布材料进行覆盖，以提高其生态修复的效果。