不同覆盖措施对高寒地区剥离的草皮块堆放温湿度及成活的影响

2021-12-17陈学平杨艳刚陶双成刘卓成季双旋

冰川冻土 2021年5期

陈学平，周勇，杨艳刚，陶双成，刘磊，刘卓成，季双旋

（1.交通运输部科学研究院，北京 100029； 2.西藏自治区重点公路建设项目管理中心，西藏拉萨 85000；3.青海省交通科学研究院，青海西宁 73000）

0 引言

以嵩草草甸为代表的高寒草地分布在海拔约3 000 m 至6 000 m，是世界上最大的高山草地生态系统，对世界碳汇、畜牧业生产等有重要意义［1］。嵩草草甸表土呈毡状的根垫结构，是高寒草甸表层结构形式，可减弱侵蚀［2］，影响土壤冻融过程［3］，对保持坡面稳定［4］、保护冻土［5］有重要作用。高寒区重大工程建设中剥离的嵩草草甸草皮层，不仅含有植物，其土壤中还有丰富的动物［6］、微生物［7］等，是重要的生物资源，复植草皮层对恢复原生生态系统有重要意义。由于气候寒冷、干旱，在高寒区公路、铁路、矿山等工程建设扰动区植被恢复中，仅有垂穗披碱草、老芒麦、冷地早熟禾、星星草等为数不多的本土植物的种子可供人工播种利用。播种建坪的草种幼苗适应性弱，存在植被覆盖度低、景观与水保效果不佳等问题［8］。在交通［9］、电力［10］等基础设施建设中，对扰动区草皮层剥离并复植利用，具有恢复速度快、物种多样性高，且均为乡土植物群落类型的优点［11-13］。在交通、矿山等建设项目规范中，均明确规定草皮层应予以重点保护并移植利用。青藏铁路、G214 共和-玉树高速公路等高寒区重大工程建设中，开展了大规模的草皮剥离与复植利用，后续植被演替调查结果显示，移植草皮块最后的成活情况并不理想［9，14］。高寒区工程建设中，草皮剥离并堆放贮存，在土建工程完工后复植，历经时间长，各环节均会影响草皮块复植后的成活率。草皮块堆放过程会影响土壤水分、养分状况及草茎、种子库等繁殖体活力，但当前多对复植后植被恢复效果开展调查研究，而堆放过程对草皮活力影响研究较少。如对干旱草地复植后的恢复研究结果表明，物种早期密度逐渐下降，后期部分恢复，不同物种覆盖度出现分化［15］；目标移植地的积雪覆盖条件会影响草本植物成活、恢复生长及后期群落组成［16］。对表土回覆后的相关研究主要涉及表土种子库与营养繁殖体的萌发情况及表土回覆对群落组成的贡献［17］，覆土后物种丰富度、覆盖度及濒危物种丰富度变化［12，18］，遮阴、浇水等管理对表土中萌发植物多样性、密度和相似性的影响［19］。堆放过程研究主要针对表土部分，尤其是对有机物分解、土壤养分及表土种子库变化的影响。有研究表明，堆放中豆科凋落物分解速度快于禾本科凋落物，堆放后有机质残留量较低［20］；堆体缺氧条件下有机物矿化、硝化作用受抑制、大量铵态氮积累、可溶性有机化合物增加，通气后的硝化、淋溶、反硝化等综合作用又造成土壤养分损失［21］；堆放时间延长一般会导致土壤中植物萌发率降低［21-22］，但也有研究表明萌发率反而会提高［23］，这可能与种子库休眠及对环境条件的响应有关［24］。总的来看，包括土壤水分、通气、埋深、温度等堆放环境条件对土壤养分保持或分解、种子库休眠、死亡或萌发等均产生重要影响［21，24-26］。

综上所述，在表土堆放方面，当前研究主要针对堆放透气性、土壤水分以及堆放过程对土壤养分状况、种子库活力及其他生物学指标影响，并少量涉及对其中无性繁殖体的活力影响。草皮块移植研究主要针对复植后植物群落演替特征，堆放对草皮活力影响未见研究报道。因此，本研究结合青藏高原工程实践，开展不同覆盖措施对剥离的草皮块堆放土壤温湿度及堆放后草皮块复植成活的影响，以期为草皮剥离与再利用提供科学参考。

1 草皮块来源与试验方法

1.1 草皮块来源

草皮块来源地为G214共和-玉树高速公路玛多段2 标草甸草原，位于97°58′55″E，34°30′14″N，海拔4 328 m。植被为小嵩草草甸，伴生种有金露梅（Potentilla fruticoseL.）、矮火绒草［Leontopodium nanum（Hook. f. et Thoms.）Hand.-Ma］、黄耆（Astragalus mongholicusBunge）等，自然植被覆盖度在90%以上。利用挖掘机剥离草皮层，下层土壤一同剥离清运，总剥离厚度控制在30 cm。

剥离的草皮块堆放于青海省玛多县交通运输部多年冻土观测试验站内，位置坐标为98°34′05″E、34°58′28″N，海拔4 301 m。玛多县多年平均降水量为318.5 mm，蒸发量为1 326.1 mm，气候寒冷干燥，试验站平均气温-3.0 ℃，全年无绝对无霜期。试验站内天然冻土上限一般在-2.0～-2.8 m，年平均地温在-0.5～-1.0 ℃之间，属高温多年冻土，且属饱冰冻土、含土冰层地段。高寒草原是该地区典型植被类型，自然植被覆盖度30%～40%之间。试验站优势植被有丝叶风毛菊［Saussurea leontodontoides（DC.）Sch. -Bip.］、蚤缀（Arenaria serpyllifoliaL.），伴生种有碱茅［Puccinellia distans（L.）Parl］、矮火绒草、垫状点地梅（Androsace tapeteMaxim.）、蒿类（Artemisiaspp.）、狗哇花［Heteropappus hispidus（Thunb.）Less.］、紫花针茅（Stipa purpureaGriseb.）、早熟禾（Poa annuaL.）等。

1.2 试验方法

1.2.1 堆放、覆盖处理及养护

2015 年8 月10 日开始剥离草皮块，临时堆放6 d 后运达试验站，一部分直接进行边坡复植绿化，另一部分因温湿度监测设备未到位，堆放至9 月23日再复植一部分，其余分层堆放并开始监测土壤温湿度。

分层堆放。将草皮层切削保留15 cm 厚土壤，分8层叠放成堆。为防止坍塌，堆体上窄下宽，底部1.5 m×1.5 m，逐层收缩，最上层为0.4 m×0.4 m。为利于顶部集雨入渗，顶层草皮块围合呈四周高中间低的凹形，共堆放6堆。

覆盖措施。设置了遮阳网与穿孔塑料膜两种覆盖措施。穿孔膜覆盖措施采用温室用塑料膜（厚度0.10 mm）覆盖，膜上品字形打孔（D=2 cm），膜上覆盖草毯固定；遮阳网覆盖措施采用黑色塑料遮阳网覆盖，遮光率60%，即透光率40%。每种覆盖措施重复设置3个。试验现场见图1。

养护。为模拟工程实践，堆放后喷洒越冬水；堆放并采取不同覆盖措施后通过复植观测各处理返青覆盖度，评估其成活状况。复植时，先在场地下层垫土，上层再分区铺植两种处理的草皮块，压实，使草皮层与下层土壤结合紧密，均匀洒水。春季对所有复植草皮均匀喷洒返青水，间隔7 d 再喷洒一次。为保证喷洒均匀，每次补水按照6 m3洒水车的总量均时分配喷洒各草皮块堆体。

1.2.2 数据采集及处理

（1）气象数据及自然土壤、堆体温湿度

首先，依据自动气象站监测试验场获得每日2 h、8 h、14 h、20 h 气温、降水量、最高与最低气温以及5 cm（D5）、10 cm（D10）、15 cm（D15）、20 cm（D20）深度的土壤温度。

然后，再在堆放当年的9 月24 日—次年6 月14日，采用TDR 温湿度自动监控仪（产自德国IMKO Micromodultechnik GmbH 公司，TRIME-PICO 64）连续监测草皮块堆体中心温湿度。操作方式为：探针插入第4 层草皮块，数据采集间隔时长为1 h；次年6 月15 日复植后，将探针插入复植后草皮块，继续监测至7月16日。

自然地表也插入TDR 温湿度监测探头，但由于仪器故障仅采集到次年的4月25日—5月29日期间的数据。本研究中TDR 所测土壤水分指土壤中未冻水的体积含水量，不包括固态冰。土壤未冻水含量变幅为末期土壤未冻水含量相对于初始含水量（5日平均值）的增幅。

（2）返青覆盖度

本试验假定短期堆放（6 d）对草皮块的复植成活不构成影响，将其返青覆盖度作为堆放起始时的原始状态。对其他两个时段即9 月24 日（堆放40 d）、次年6月16日（堆放269 d）复植的草皮块的返青覆盖度进行测定，评估堆放时长对其成活影响。同时，测定两种覆盖措施处理后复植的草皮块返青覆盖度，评估覆盖方式对其成活影响的差异。返青覆盖度在次年7 月16 日，即堆体草皮复植后1 个月测定，用针刺法测定上述草皮块的返青覆盖度，每类均选取30个草皮块样点进行测量，每个草皮块样点按长×宽简化形状并计算面积，再对各个草皮块返青比例按面积加权平均，作为该类草皮块的返青覆盖度（%）。

（3）数据处理

数据采用SPSS 与Excel 软件分析处理并作图，采用配对样本t检验分析堆放处理间温度以及与地表各层温度变化的相关性，采用单样本方差方法分析不同覆盖措施处理后复植的草皮块返青覆盖度差异。

2 结果与分析

2.1 土壤冻融过程分析

冻融状态如何判定，过程如何界定，科研人员提出了多种方法和理论。针对高寒地区工程实践，可忽略土壤盐分含量和土壤颗粒表面能对土壤冻结温度降低的影响，只以地温为判断依据。如果某一深度的土壤温度在一日之内既有正温又有负温，表明土壤发生了日冻融循环。根据地表土壤的日最高地温（Tmax）和日最低地温（Tmin），可以将浅层土壤划分为三个状态：冻融循环期，Tmax＞0 ℃，Tmin＜0 ℃；完全融化期，Tmax＞Tmin＞0 ℃；完全冻结期，Tmin＜Tmax＜0 ℃［27］。但由于土壤冻结本身也会不稳定，故有学者认为活动层起始融化时间和起始冻结时间宜分别以地表以下5 cm 深度处日平均温度连续5 日大于0 ℃和小于0 ℃为判断标准［28］。以日平均温度小于0 ℃判断冻结日期时，可能土壤仍然处于日冻融循环期。为此，本研究结合现场测试数据特征，综合两种判断方法，以Tmax连续5 日冬季＜0 ℃至春季＞0 ℃之前确定为完全冻结期，对两种覆盖措施下的堆体冻融过程阶段划分结果见表1。

从表1可以看出，在遮阳网覆盖措施下，草皮块堆体内土壤完全冻结期208 d，较穿孔膜覆盖措施完全冻结期长55 d；日冻融循环37次，较后者多19次；春季完全融化日期较后者推迟51 d。其中，在地表TDR 有效监测的4 月25 日—5 月29 日期间，遮阳网覆盖堆体与穿孔膜覆盖堆体的日冻融循环分别较自然地表（33次）少5次与33次。

与同期地表日均温相比，穿孔膜覆盖措施的堆体土壤与各层地温的冻结时期相差均在10 d 以内，且起止日期也较为接近，而遮阳网覆盖措施较自然地表各深度层延长冻结期51～64 d。

2.2 堆放期对土壤温度的影响

遮阳网覆盖堆体堆放期的日均土壤温度为-6.8 ℃，显著低于自然地表不同深度层的地温，与自然地表5～20 cm 层地温差值在-2.6～-4.3 ℃之间；穿孔膜覆盖堆体日均土壤温度为-2.6 ℃，与5～20 cm 深度的温差值在1.5～-1.7 ℃之间。进一步分为早冬、深冬、初春等3 个时期，采用箱形图［29］表达两种覆盖日均土壤温度与自然地表地温数值分布，包括最大值、上四分位数（25%）、中位数（50%）、下四分位数（75%）与最小值等特征数值，见图2。

图2 两种覆盖措施下堆体的日均土壤温度及自然地温分期箱形图Fig.2 Box diagram of the daily average soil temperature and natural ground temperature of the pile under two mulching measures：early winter（a），late winter（b），early spring（c）

图2（a）、2（b）到2（c）的三个时期总体呈现出高－低－高的变化趋势，相比穿孔膜覆盖堆体，遮阳网覆盖堆体各时期的日均土壤温度中位数值比自然地表的更低，两种覆盖措施下堆体的日均土壤温度均位于自然地表地温波动区间内；与自然地表相比，各时期遮阳网覆盖显著降低了日均土壤温度，中位数值与D5 差值在-1.5～-4.3 ℃之间，深冬差异小（-1.5 ℃），早冬与早春最小值均略低于D5，深冬极为接近。穿孔膜覆盖显著提升了各时期日均土壤温度，与D5差值在0.3～2.4 ℃之间，早春差异小。

两种覆盖措施的堆体土壤温度与气温均呈极显著正相关，但就气温相关系数值而言，遮阳网较穿孔膜的更大，曲线斜率略低，随气温升高前者上升更缓慢，见图3（a）。自然地表下地温与大气日均温则表现出随自然地表土壤深度增加，曲线斜率渐缓，地温受气温影响渐弱，见图3（b）。

图3 不同覆盖措施下堆体的土壤温度、自然地表地温与大气日均温关系Fig.3 The relationship between the average daily atmospheric temperature and the soil temperature of the pile under different covering measures（a），as well as the relationship with the natural surface temperature（b）

遮阳网覆盖堆体日均土壤温度与气温的拟合曲线R2值、纵轴截距在-15 ℃左右，与自然地表D5地温相关性强，且其受气温影响变幅更缓，拟合直线斜率最接近D10 地温变化特征；穿孔膜覆盖堆体日均土壤温度与自然地表D20 地温最接近，拟合直线受气温影响变幅最接近自然地表D10 地温变幅。当年9 月24 日至次年6 月14 日期间气温日较差平均达16.6 ℃，而遮阳网与穿孔膜覆盖下堆体土壤温度日较差则分别为2.4 ℃与2.3 ℃，说明草皮块堆放中土壤日内变化对气温日内变化不大敏感，与自然地表较深层土壤温度日较差变化规律相似。

2.3 堆放期土壤含水量的变化

整个堆放期土壤未冻水含量变幅呈“V”字形，但两种覆盖措施下土壤冻结前后未冻水含量变幅有所差异，见图4（a）与图4（b）。结合日均土壤温度可知，遮阳网覆盖堆体的土壤冻结前与融化后差异显著（P＜0.01），土壤未冻水含量变幅达到-36.2%；穿孔膜覆盖堆体的土壤未冻水含量变幅不明显，仅为4.0%。在4 月25 日—5 月29 日期间的土壤融化期，两种覆盖措施之间，以及与同期自然地表之间的土壤水分变幅曲线有较大不同，见图4（c）。

图4 两种覆盖措施堆放全过程及春季土壤完全融化期堆体中心土壤未冻水含量变幅曲线Fig.4 Variation curve of unfrozen water content in the center of the pile during the whole stacking process of the two mulching measures and the complete thawing of the soil in spring：the whole process under the shading net（a），the whole process under the perforated film（b），the unfrozen water content of the pile and the natural surface during the complete thawing of the soil（c）

遮阳网覆盖措施下土壤融化期土壤未冻水含量增幅呈浅“V”形，先期土壤含水量不断下降，后期随降水增多土壤未冻水含量逐渐转为升高，降水对土壤水分补充具有明显的滞后效应；穿孔膜覆盖措施下土壤与大气水汽交换弱，土壤含水量变幅不明显。期间，两种覆盖措施下的土壤未冻水含量变化不大，而自然地表土壤未冻水含量波动较大，且在降水作用下提升快，观测期随降水出现了12.2%的增幅，且地表绝对含水量已分别达到遮阳网与穿孔膜覆盖措施的4.1 倍与1.9 倍，可见堆放中土壤水分损失极大，且自然降水对堆放土壤的补给效应弱。

2.4 复植后土壤温湿度变化

草皮块复植后，其土壤温度受同期气温影响逐渐下降，两种覆盖措施处理的草皮块土壤温度变化趋势接近，见图5。遮阳网与穿孔膜覆盖的草皮块温度差值为-0.26 ℃，差异达到极显著水平（配对样本t检验，P＜0.01），表明不同堆放覆盖措施处理对草皮块土壤的保温性能也产生了显著影响。

图5 两种覆盖措施下堆放的草皮块铺植后土壤温度随时间变化线性拟合Fig.5 Linear fitting of soil temperature with time after two treatments：mulch of shading net（a），mulch of perforated film（b）

在6月17日—7月17日期间，经两种覆盖措施堆放处理后复植的草皮块，土壤未冻水含量变化趋势较一致，但随水分补给其变化幅度却有较明显差异，遮阳网覆盖处理的草皮块土壤未冻水含量在降水时增幅较快，使得两种覆盖处理后土壤未冻水含量线性拟合曲线随时间变化逐渐分离，至后期大幅分开（图6）。以7月6日降雨为例，经遮阳网覆盖处理后，草皮块土壤的未冻水含量较降雨前增加12.3%，而穿孔膜仅增加7.2%。表明经穿孔膜覆盖处理后，草皮块的土壤吸水与保水性能比遮阳网措施低。

图6 两种覆盖措施处理的草皮块复植后土壤未冻水含量变化与降水周期线性拟合Fig.6 Linear fitting of soil unfrozen water content with water period after two mulching measures treated turf replantation

3 讨论

3.1 堆放温度及对草皮块成活的影响

本研究中两种堆放覆盖措施温湿度变化因素与其他因素综合作用下，对草皮块成活产生了不同影响。草皮剥离后堆放于地表，与外界热量交换强烈且持续时间长，可能会使植物受到一定程度的冻害；遮阳网覆盖堆体冬季温度变幅为-20.4～-4.1 ℃，较自然地表浅层（5 cm）地温变幅-20.8～-0.1 ℃的变幅小，最小温度值更高，说明堆放中遭受的低温影响小于其原生环境。同时，与更保温的穿孔膜覆盖措施相比，更低温度下堆放效应更佳。此外，从春季草皮块复植后与自然地温衔接来看，遮阳网覆盖措施衔接性较好，而穿孔膜覆盖措施从堆放期转到复植期的大幅温度变化，对植物形成的胁迫也更剧烈。剥离6 d 内的草皮块仅有个别草皮块茎叶黄化，几乎无死亡现象，返青覆盖度为78.8%。临时堆放40 d 后，草皮块地上茎叶多呈黑褐色腐烂状，在分层堆放时已难以辨识成活状态，复植后返青植株主要由地下根茎重新萌发而成，返青覆盖度为59.9%。

温度是影响植物休眠与生长物候的重要因子［30-31］，不同物候期对环境胁迫表现有差异［32-33］。在春季土壤融化后长达2 个多月的堆存条件下，穿孔膜覆盖措施下植物过早恢复生理活动，叠加土壤缺氧、缺光环境，促进植物无氧呼吸而产生毒害等变化，从而对草皮块成活产生不利影响；遮阳网覆盖措施下植物休眠期延长，有助于其度过逆境胁迫期。自然环境中植物物候与区域气温、降水等紧密相关，但具体影响因素当前研究并未达成共识［30-31，34］，且只针对气温指标形成了物候分类方法与指标。其中，活动积温的生态学意义得到了广泛重视，一般认为日平均气温值＞10 ℃对绝大多数植物生命过程较有意义［35］，该值也是中国四季划分方法中入春与入冬判断的基准温度值［36］。但对青藏高原植物而言，这样的活动积温下限值不大适用于物候判别，依托青藏高原东缘植物研究也证明种子最低可在0 ℃开始萌发［37］，为此有学者提出了适于青藏高原农牧业生产的新的四季划分方法［34］。从本研究观测数据来看，遮阳网覆盖堆体最高日均土壤温度仅4.3 ℃，仍造成堆放后返青覆盖度较大下降，这也初步证明在0～5 ℃区间内植物并非完全进入休眠。鉴于此，分别采用日均土壤温度＞0 ℃的日数、物候四季划分方法的“4 ℃-12 ℃-10 ℃-1 ℃”（秋季＜1 ℃入冬，冬末＞4 ℃入春）［34］两种物候温度方法的基准温度值，线性拟合植物返青覆盖度与对应活动温度日数堆放时长的变化趋势，可以看出，大于0 ℃堆放日数与植被返青覆盖度线性关系更好（图7）。

图7 两种数据统计拟合方法下堆放草皮块返青覆盖度随堆放时长的下降趋势Fig.7 Decreasing trend of green coverage of stacked turf blocks with stacking time under two data statistical fitting methods：above 0 ℃（a），phenology four seasons division method（b）

按＞0 ℃日数计，越冬期返青覆盖度下降速率为每30 d 下降10.2%。而在草皮块剥离当年8 月前期堆放时，其下降幅度为每30 d 下降14.1%。可知，返青覆盖度降幅在温度更高的春夏季还将进一步增大。植物生长季长期堆放死亡率高，这可能也是高寒地区青藏铁路等工程建设中草皮铺植技术应用效果不佳的重要原因之一。

3.2 堆放对土壤吸持水性能及其他因子的影响

土壤吸持水性能影响因素复杂，覆盖对温度、冻融循环产生影响，从而对各种微生物活动也产生影响，继而改变土壤有机质含量，造成土壤理化性质的巨大变化。堆放中温湿度的变化使得土壤酶活性降低、土壤生物（动物和微生物）区系改变、土壤有机质分解、氮矿化损失［38-39］。冻融循环有利于维持土壤水分，在季节转换，生态系统碳、氮循环中具有重要作用［40］，冻融循环下土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量更高［41］。原生表层土壤冻融循环日数多［27］，草皮块堆放中温度变幅较小，使得其历经的冻融循环次数较自然地表更少，穿孔膜覆盖下冻融循环次数更是大幅减少，对土壤微生物活动可能也构成了严重影响，这些又可进一步影响土壤有机质含量，造成土壤理化性质变化，并将在草皮块复植后继续对其成活产生不利影响。

剥离、堆放的强烈扰动影响温度、水分，加上其他逆境胁迫，对植物造成的生理伤害远非自然环境胁迫可比。草皮剥离基层土壤后，冬季干燥高原风的作用导致土壤失水快，堆放中草皮块相互埋压，阻隔光照，使植物无法进行光合作用，气体扩散受限，叶片细胞膜脂过氧化加剧，保护酶系统受损，叶绿素降解，丙二醛积累［42］；堆体内部缺氧造成低氧伤害［43］。堆体中植物缺氧胁迫、干旱胁迫及各种生理胁迫叠加，导致植物根茎等无性繁殖体死亡，表现为返青覆盖度持续降低。

植物进入生理休眠有利于其在堆放中保存活力。本研究中穿孔膜覆盖措施下土壤较早融化及较高温湿度，可能会造成植物过早、过旺、时间过久地恢复生理生化活动，难以适应堆放中严酷的环境胁迫而大量死亡；遮阳网覆盖堆体温度低，尤其在冬末春初草皮块土壤长时间呈冻结状态，植物生理与土壤微生物活动等保持惰性，堆放胁迫影响小，死亡率也低。但如何控制土壤水分含量才能使得堆放中既能保证植物不受干旱胁迫，又可使植物生理活动保持惰性，还有待进一步研究。