不同材料無紡布覆蓋對高寒生態修復草種生長特性的影響

陳白潔，王豐毅，周華坤，張振華

（1.中國科學院西北高原生物研究所適應與進化重點實驗室/ 青海省寒區恢復生態學實驗室，青海 西寧810008；2.中國科學院大學，北京100049；3.華貝納(杭州)毛紡染整有限公司，浙江杭州311100；4.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海200062）

植被的恢復與重建是生態恢復的關鍵。目前，建植禾本科牧草栽培草地已成為植被恢復的重要措施之一[1-3]。近些年來，研究人員圍繞“黑土灘”重建恢復在牧草選育、群落配置、后期管理等方面進行了大量研究[4-6]，為“黑土灘”恢復重建提供了重要的科學依據。但在恢復重建過程中，選用不同的生態修復草種，其恢復效果不同。研究表明，在恢復重建過程中，扁莖早熟禾(Poa pratensis)和冷地早熟禾(Poa crgmophila)能夠有效地減少水土流失，增加植被蓋度[7-8]，垂穗披堿草(Elymus nutans)和中華羊茅(Festuca sinersis)具有較高的抗旱耐寒性和種子產量，可用作擴種生產[8]，星星草(Puccinellia tenuiflora)具有很強的耐鹽堿能力，對改良鹽堿土壤具有很好的效果[9]。與此同時，研究人員還發現栽培草地的生態修復效果與草種生長期間的人工管理措施有關[10-11]。賀有龍等[12]研究表明，在適當的管理條件下，對中華羊茅進行單播或者混播均能夠維持較高的生物量。李旭謙[13]對不同栽培草地就適宜草種、農藝措施以及田間管理等方面做了一份簡要的概述，為提高不同栽培草地的生態恢復效果提供理論依據。然而在生態環境較為惡劣的植被恢復重建區，氣候惡劣、地形地貌復雜、草地土壤貧瘠等因素[14]會對牧草種子的萌發出苗造成影響，進而影響其生活史以及牧草品質等，導致修復成本及修復難度增大，且修復效果不明顯[15]。

植被修復技術的開發一直是生態修復研究的重點。不同于以往單一的生態修復技術，研究人員開始綜合考慮植被生命周期的播種、幼苗和成熟3個階段，提出了全局植被重建技術，包括植物物種優選、土壤基底重構、表土覆蓋、播種和維護管理等環節[5,15]。研究表明，植物種子發芽的閾值與降雨、溫度有關，土壤溫度和含水量的時空變化可能制約了植物修復的效果[16]。無紡布具有保護幼苗，使土壤免受風蝕和水蝕，提高地溫和土壤水分利用效率，以及降低土壤蒸騰等作用，且具有較高的水氣交換能力[17-18]，可以為植物在晝夜溫差大且干濕交替頻繁的青藏高原，營造更穩定的環境，促進植物生長發育，從而提高植物的產量和品質[19]。目前大部分無紡布以塑料為原料，長期使用會給生態環境造成嚴重的“白色污染”問題，且關于不同材料可降解無紡布對高寒生態恢復草種生長特性影響的研究較為缺乏。為此通過研究5種可降解無紡布覆蓋下5種牧草草種的生長發育特征、產量以及品質等，對無紡布類型和牧草品種的配對應用進行評價，以篩選出兩者間的最適宜搭配模式，以期在今后栽培草地植被恢復過程中達到更好的生態修復效果，并為青藏高原環境條件較為惡劣地區的植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點

研究地位于中國科學院西北高原生物研究所青海海北高寒草地生態系統定位站(37o36′ N,101o12′ E，平均海拔3250 m)。屬于典型高原大陸性氣候，夏季涼爽，冬季寒冷。年均溫為?1.1℃，年均降水量為480 mm，其中約80%分布在植物的生長季(5月? 9月)。土壤類型為草氈寒凍雛形土，是由古洪積–沖積物、坡積–殘積物及古冰水沉積物在當地寒冷干燥的水熱條件下受植被改造發育而成[20]。草地類型為高寒草甸，植物群落主要以禾本科以及莎草科為建群種。

1.2 試驗材料

選用5種高寒生態修復牧草草種(表1)，均由青海省同德牧草良種繁殖場(海拔3300～3500 m[21])提供。無紡布選擇常用的麻纖維和秸稈纖維可降解無紡布，以及華貝納(杭州)毛紡染整有限公司試制的3種羊毛纖維可降解無紡布，具體參數如表2所列。

表1 供試草種千粒重及播種量Table1 Thousand kernel weight and seeding amount of tested grasses

表2 可降解無紡布主要參數Table 2 Main parameters of the degradable non-woven cloth

1.3 試驗設計

本研究采用隨機區組設計，5個生態修復牧草草種處理×6種覆膜處理(不覆膜對照與5種可降解無紡布)×5個重復=150個小區，每個小區均為長方形，其面積為1 m×2 m=2 m2。于2019年5月24日均勻撒播草種后壓實，再覆蓋上無紡布，無紡布用竹簽固定。由于秸稈纖維無紡布材料透氣性差，故用竹簽均勻扎孔增加其透氣性。

1.4 指標測定及方法

1.4.1 頂出數

在幼苗萌發頂峰期，采用標準樣方法，在每個小區中選取大小為50 cm×50 cm的樣方進行計數，計數過程中未揭除無紡布。

1.4.2 植株高度

采用標準樣方法，從幼苗萌發出苗后開始，在每個小區中選取大小為50 cm×50 cm的樣方，每隔10 d隨機選取樣方中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狀態的冠層最高點，進行植株高度測量。

1.4.3 地上生物量

于地上生物量頂峰期(8月底)，采用收獲法，在每個小區中隨機選取50 cm×50 cm的樣方，對其地上植株部分進行收割，共計5個重復，收割后立即帶回實驗室，65℃下烘干至恒重，計算其地上生物量。

1.4.4 牧草品質測定

將上述烘干后的牧草粉碎過1 mm篩，用于測定牧草品質。粗蛋白測定采用半微量凱氏定氮法；粗脂肪測定采用和酸性洗滌劑法[25]。

1.5 數據分析

使用Excel 2010進行數據處理。使用SPSS 24.0對牧草幼苗頂出、地上生物量以及牧草品質分別進行雙因素方差分析，對牧草植株高度進行重復測量方差分析，并用LSD法(α=0.05)比較同種牧草不同無紡布處理下草種幼苗頂出、平均植株高度、地上生物量以及牧草品質的差異顯著性。使用Sigmaplot 12.0繪圖。其中，在秸稈纖維無紡布處理下，各牧草幼苗在其萌發頂峰期前幾乎沒有頂出，故未作其幼苗頂出的統計分析；冷地早熟禾在對照和秸稈纖維無紡布處理下收獲的地上草樣過少，導致其粗脂肪含量無法測定，故未作統計分析。

2 結果

2.1 不同無紡布覆蓋對生態修復草種幼苗頂出情況的影響

無紡布處理、牧草品種及二者交互作用均對幼苗頂出數量具有顯著影響(P<0.05)(表3)。野外觀測發現，秸稈纖維無紡布嚴重抑制了5種牧草幼苗的穿透頂出(圖1)。在不揭除無紡布的情況下，與對照相比，褐色厚羊毛纖維無紡布顯著抑制了扁莖早熟禾、垂穗披堿草和星星草的幼苗頂出數量(P<0.05)，分別減少了55.29%、40.17%和60.21%；白色薄羊毛纖維無紡布顯著抑制了星星草的幼苗頂出數量(P<0.05)，減少了37.31%；而麻纖維無紡布和白色厚羊毛纖維無紡布對5種生態修復草種的幼苗頂出均沒有顯著影響(P>0.05)。

表3 無紡布處理、牧草品種對牧草幼苗頂出的影響Table3 Effectsof non-woven cloth and grassspecieson seedling

圖1 不同無紡布覆蓋對5種生態修復草種幼苗頂出情況影響Figure 1 Effects of different non-woven coverings on seeding of five ecological restoration grasses

2.2 不同無紡布覆蓋對生態修復草種植株生長高度的影響

紡布處理、牧草品種且二者間的交互作用均對牧草植株高度有顯著影響，且隨時間變化顯著(P<0.05)(表4)。8月下旬以后不同無紡布處理對牧草植株生長高度的影響存在明顯差異(圖2)。與對照相比，麻纖維無紡布、白色厚羊毛纖維無紡布和白色薄羊毛纖維無紡布均顯著提高了扁莖早熟禾的植株高度(P<0.05)，分別提高了48.81%、68.06%和84.19%；褐色厚羊毛纖維無紡布對扁莖早熟禾的植株高度沒有顯著影響(P>0.05)；白色厚羊毛纖維無紡布和白色薄羊毛纖維無紡布均顯著提高了冷地早熟禾的植株高度(P<0.05)，分別提高了110.53%和55.54%；白色厚羊毛纖維無紡布顯著提高了垂穗披堿草、星星草以及中華羊茅的植株高度，分別提高了29.61%、49.43%和133.70%，而褐色厚羊毛纖維無紡布顯著降低了垂穗披堿草的植株高度(P<0.05)，降低了23.26%。

表4 無紡布處理、牧草品種對牧草植株高度的影響Table4 Effectsof non-woven cloth and grasses specieson plant height

圖2 不同無紡布覆蓋對5種生態修復牧草植株高度的影響Figure 2 Effects of different non-woven coverings on the plant height of five ecological restoration grasses

2.3 不同無紡布覆蓋對生態修復草種地上生物量的影響

無紡布處理、牧草品種及二者的交互作用均對牧草地上生物量有顯著影響(P<0.05)(表5)。與對照相比，白色厚羊毛纖維無紡布顯著提高了扁莖早熟禾、冷地早熟禾、星星草以及中華羊茅的地上生物量(P< 0.05)，分別增加了395.14%、1023.24%、138.97%和917.42%(圖3)；麻纖維無紡布顯著降低了垂穗披堿草的地上生物量(P<0.05)，減少了32.73%，而對其他4種生態修復草種地上生物量沒有顯著影響(P> 0.05)；褐色厚羊毛纖維無紡布顯著降低了垂穗披堿草和星星草的地上生物量(P<0.05)，分別減少了49.21%和66.46%；白色薄羊毛纖維無紡布顯著增加了扁莖早熟禾和冷地早熟禾的地上生物量(P<0.05)，分別增加了258.70%和456.97%，卻顯著降低了垂穗披堿草的地上生物量(P< 0.05)，減少了32.71%。

2.4 不同無紡布覆蓋對不同生態修復草種牧草品質的影響

牧草品種對粗蛋白含量有顯著影響，無紡布處理和牧草品種間的交互作用對粗脂肪含量有顯著影響，無紡布處理、牧草品種對牧草酸性洗滌纖維含量均有顯著影響(表5)(P< 0.05)。如圖4所示，與對照相比，秸稈纖維無紡布和白色厚羊毛纖維無紡布處理下，扁莖早熟禾的粗蛋白含量分別顯著提高了7.38%和9.11%，冷地早熟禾卻分別顯著降低了15.14%和19.18%(P<0.05)；麻纖維無紡布處理下，扁莖早熟禾的粗蛋白含量顯著降低了7.83%(P<0.05)；褐色厚羊毛纖維無紡布處理下，中華羊茅的粗蛋白含量顯著增加了10.51%(P<0.05)。與對照相比，秸稈纖維無紡布處理下，垂穗披堿草和中華羊茅粗脂肪含量分別顯著降低了20.66%和22.38%(P< 0.05)；麻纖維無紡布處理下，中華羊茅的粗脂肪含量顯著提高了16.59%(P<0.05)；白色厚羊毛纖維無紡布和褐色厚羊毛纖維無紡布分別顯著降低了星星草26.02%和22.71%的粗脂肪含量(P<0.05)；白色薄羊毛纖維無紡布處理下，垂穗披堿草的粗脂肪含量顯著提高了17.41% (P<0.05)，星星草的粗脂肪含量顯著降低了23.99% (P<0.05)，中華羊茅的粗脂肪含量顯著降低了8.68%(P<0.05)。從纖維含量方面來看，與對照相比，5種無紡布均未對5種生態修復草種的中性洗滌纖維含量產生顯著影響(P>0.05)；麻纖維無紡布處理下，中華羊茅的酸性洗滌纖維含量顯著降低了14.88%(P< 0.05)，而對其他牧草的酸性洗滌纖維含量沒有顯著影響(P>0.05)。

表5 無紡布處理和牧草品種對牧草地上生物量、牧草品質的影響Table 5 Effects of non-woven cloth and grass species on the aboveground biomass, and forage quality of grasses

圖3 不同無紡布覆蓋對5種生態修復草種地上生物量的影響Figure3 Effectsof different non-woven coveringson theaboveground biomassof five ecological restoration grasses

圖4 不同無紡布覆蓋對5種生態修復草種牧草品質的影響Figure 4 Effectsof different non-woven coveringson forage quality of five ecological restoration grasses

3 討論

植物種子的萌發及幼苗生長特性影響該植物能否在某一特定生境中成功定植[26-27]。唐偉[28]的研究表明，全期覆膜處理改善了歪頭菜(Vicia unijuga)草地的土壤溫度和水分條件，提高了其出苗率、幼苗生長速度和建植效果。本研究發現，透氣性差、透光率差的秸稈纖維無紡布不利于5種生態修復草種的幼苗初期生長，雖然在鋪設時對其進行過扎孔處理，但在雨水沖刷以及強烈紫外線照射下，導致所扎孔洞重新閉合，致使5種草種幼苗不能順利穿透頂出，進而影響建植初期牧草生長。麻纖維無紡布和白色厚羊毛纖維無紡布對5種生態修復草種的幼苗頂出沒有顯著影響，但在覆蓋過程中，無需人工揭除，可減少恢復成本。進一步分析發現，麻纖維無紡布和白色薄羊毛纖維無紡布均顯著增高了根莖型牧草扁莖早熟禾的植株高度，白色厚羊毛纖維無紡布顯著增高了5種生態修復草種的植株高度，這可能是因為地膜覆蓋不僅可以改善土壤水熱條件，而且可以提高植物對土壤水分的利用效率[29-30]，從而促進牧草生長發育。但在本研究中，褐色厚羊毛纖維無紡布顯著降低了垂穗披堿草和星星草的植株高度，這主要是因為該無紡布較厚且在牧草生長過程中降解緩慢，而垂穗披堿草和星星草的草質較為柔軟，很容易受到無紡布的阻礙，導致其植株未能正常伸展。

本研究發現，覆蓋白色厚羊毛纖維無紡布顯著提高了扁莖早熟禾、冷地早熟禾、星星草和中華羊茅地上生物量，這主要是因為無紡布覆蓋可使土壤晝夜溫差減少[31-32]，營造了穩定的生長環境，從而提高了牧草的產量。這與景媛媛[33]的研究結果一致。白色薄羊毛纖維無紡布的覆蓋顯著提高了扁莖早熟禾和冷地早熟禾地上生物量，主要是由于白色薄羊毛纖維無紡布覆蓋改善了土壤的水熱條件[34]，促進了兩種根莖型早熟禾的生長發育。覆蓋5種無紡布材料均不會顯著提高垂穗披堿草的地上生物量，甚至會降低其地上生物量，這主要與其前期的幼苗頂出以及植株高度有關[28]。

提高牧草品質的主要途徑包括提高牧草粗蛋白和粗脂肪含量，降低纖維素含量[35-36]。粗蛋白是牧草品質的重要體現，是反映牧草營養價值高低的重要指標[37-38]。本研究發現，白色厚羊毛纖維無紡布能顯著提高扁莖早熟禾的粗蛋白含量，褐色厚羊毛纖維無紡布能顯著提高中華羊茅的粗蛋白含量，可能與無紡布覆蓋下其地上生物量以及土壤養分含量的改變有關[39-40]，深層機理需要進一步研究分析。粗脂肪是儲存能量并給牛、羊等動物提供能源的重要營養元素之一[41]。本研究中，白色薄羊毛纖維無紡布可通過提高垂穗披堿草的粗脂肪含量進而對牧草品質產生影響。牧草纖維素含量越高，營養價值越低，中性洗滌纖維含量高則采食量減少，酸性洗滌纖維含量高則消化率降低[42]。本研究中，不同無紡布對5種生態修復草種中性洗滌纖維含量沒有顯著影響，麻纖維無紡布可顯著降低中華羊茅的酸性洗滌纖維含量，從而提高該牧草的營養價值。

4 結論

綜上所述，麻纖維無紡布或白色厚羊毛纖維無紡布均可提高扁莖早熟禾的植株高度，后者還可提高扁莖早熟禾的粗蛋白含量；白色厚羊毛纖維無紡布或白色薄羊毛纖維無紡布可提高冷地早熟禾的地上生物量，但前者會降低冷地早熟禾的粗蛋白含量；白色厚羊毛纖維無紡布可顯著提高垂穗披堿草的植株高度，還可顯著提高中華羊茅、星星草的植株高度和地上生物量。因此，今后對栽培草地進行覆膜處理時，需要根據生態修復牧草的品種來選擇與之相適應的無紡布材料進行覆蓋，以提高其生態修復的效果。