護坡綠化基質(zhì)不同配比對植物生長影響的盆栽試驗研究

苗 杰，曲炳鵬,2，王淑琦，張紅祥，姜 杰，姚光剛，胡占華

(1.天津綠茵景觀生態(tài)建設(shè)股份有限公司，天津300384；2.南寧師范大學(xué) 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，廣西 南寧 530001)

噴播是快速恢復(fù)破損山體生態(tài)群落的方式之一。噴播基質(zhì)主要由保水劑、黏結(jié)劑、有機質(zhì)和土壤等按一定比例混合而成，噴附于邊坡上并為邊坡植物提供穩(wěn)定生長、演替的基礎(chǔ)條件。配比優(yōu)良的基質(zhì)不僅能為植物提供生長所需的水分、養(yǎng)分，還能為植物提供合理的物理結(jié)構(gòu)，加之噴播基質(zhì)自身具有的穩(wěn)定性，可以更好地黏附于邊坡上起到保持水土的作用。因此，基質(zhì)的配比科學(xué)與否對護坡工程的成敗起著決定性作用[1]。相關(guān)研究表明，合理的噴播基質(zhì)配比可以延長草坪壽命達30年之久[2]。

目前，國內(nèi)外對邊坡噴播基質(zhì)的配比研究逐漸增多，主要集中在理化性質(zhì)[3]、植物物種[4]、工程工藝[5]等方面，而針對四川紅土區(qū)原位土壤改良優(yōu)化材料方面的研究相對較少，僅有的噴播基質(zhì)研究也主要集中在價格相對較高的木纖維材料上。因此，探索四川紅土地區(qū)噴播基質(zhì)的合理配比對邊坡生態(tài)恢復(fù)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本研究以四川成都龍泉山公路邊坡常見紅土和當(dāng)?shù)孛缙酝翞榉N植土材料，設(shè)置上下兩層基質(zhì)材料，栽植適宜植物，選用正交表指導(dǎo)基質(zhì)配比[6]，研究綠化基質(zhì)的pH值、電導(dǎo)率和植物的出苗率、生長量等特征，探討不同配比基質(zhì)對植物存活及生長的影響，以確定最優(yōu)基質(zhì)配比，為四川紅土地區(qū)公路邊坡生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論支持。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)地處東經(jīng)104°21′～104°53′、北緯30°29′～30°56′，為四川盆地東部山地地貌，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量926.4 mm，年均氣溫16.8 ℃，最高氣溫37 ℃，最低氣溫-4.8 ℃，最冷月1月平均氣溫5.7 ℃，最熱月7月平均氣溫26.0 ℃，無霜期年均285 d。巖土工程勘察結(jié)果顯示，試驗區(qū)巖層主要為磚紅色砂巖，局部地段夾棕紅泥巖或與泥巖互層。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗取土區(qū)域原為當(dāng)?shù)孛缙裕韺油寥婪饰?，土壤呈黑褐色，質(zhì)地較好，為粉黏土，土壤有機質(zhì)含量高；而當(dāng)?shù)貒姴ニ猛寥罏榧t土，巖層以紅層泥巖為主，土壤較為貧瘠，有機質(zhì)含量低，水穩(wěn)性差，礫石含量高，孔隙度低。苗圃土與紅土的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

種子篩選：參考文獻[7-8]和試驗區(qū)周圍邊坡生態(tài)修復(fù)工程案例中的植物種類配置和播種量，結(jié)合AHP層次分析法與關(guān)聯(lián)法確定試驗區(qū)的植物種類配置及播種量。為了滿足短期景觀效果，同時配合野花組合作為景觀點綴。具體配置及播種量見表2。

表2 植物種類配置及播種量

種子處理：紫穗槐、銀合歡、多花木藍、木豆、胡枝子等豆科灌木種子均在65 ℃溫水中浸泡2 h。

2.2 試驗設(shè)計

設(shè)置L9(33)正交試驗，各因素與對應(yīng)的水平如表3所示，基質(zhì)配比具體試驗方案如表4所示，以種植土全為苗圃土的M處理為對照，共設(shè)置10個處理，每個處理3個重復(fù)，共制40 cm×20 cm×15 cm長方形花盆30個?；|(zhì)分為兩層：第一層為底土層，厚約5 cm，蛭石和稻殼不同比例混合作為3%孔隙調(diào)節(jié)劑；第二層為表土種子層，厚約1 cm，使用不同用量蛭石調(diào)節(jié)孔隙。全部處理按照150 g/m2添加黃腐酸以及質(zhì)量分數(shù)15%的蚯蚓糞，并添加等量的保水劑、黏結(jié)劑。

表3 正交試驗各因素及水平

表4 基質(zhì)配比試驗方案

2.3 試驗方法

葉綠素含量測定：SPAD值是衡量一株植物葉綠素相對含量或者說代表植物綠色程度的一個參數(shù)。各處理分別隨機取3株，每株取功能葉3片，采用SPAD-502Plus葉綠素儀分別測定葉片3個不同部位的SPAD值，求得各處理的總體均值。地上和地下生物量測定：地上生物量是指將植物齊根剪掉稱量地上部分，地下生物量是指將基質(zhì)中的植物根系洗凈稱量，二者直接相加得到總生物量。pH值和電導(dǎo)率分別采用pH計和電導(dǎo)率儀測定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用綜合評價法[9]對各項指標進行綜合評價，植物生長指標綜合評價指數(shù)計算公式為

(1)

其中

(2)

上二式中：I為某處理的綜合評價指數(shù)；n為指標個數(shù)；X(f)為某指標的隸屬度；X為某指標實測值；Xmin為某指標測定的最小值；Xmax為某指標測定的最大值。

采用Excel軟件完成數(shù)據(jù)整理和制表，用SPSS 21.0數(shù)據(jù)分析軟件對相關(guān)指標進行單因素方差分析(one-way ANOVA)及鄧肯多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物生物量分析

植被在邊坡生態(tài)修復(fù)中的水文效應(yīng)主要包括截留降雨、削弱濺蝕、減緩地表徑流等功能。植物的地上部分分蘗多、叢狀生長，可以有效地分散、減弱、阻截徑流，進而改變徑流形態(tài)，從而減弱徑流對土體的沖蝕[10]。由圖1和表5可知，不同處理間的生物量均表現(xiàn)為地上生物量大于地下生物量，各處理地上生物量與總生物量排序均為T2>T8>T1>T9>T7>T3>M>T5>T6>T4，地下生物量排序為T2>T8>T3>T1>T9>T7>T5>M>T4>T6。其中，T5、T6、T4處理總生物量及地上生物量均低于M處理，說明這三個處理的植株整體長勢較弱，基質(zhì)配比還有待優(yōu)化；而T2、T8處理的地上生物量、地下生物量及總生物量均明顯高于其他處理，表明T2、T8這兩個處理基質(zhì)配比較為合理，可以明顯促進植物生物量的增加。

圖1 各處理地上與地下生物量(鮮質(zhì)量)

表5 各處理生物量實測值

3.2 植物葉片SPAD值分析

葉綠素的含量是植物重要的生理指標，它在一定程度上能反映植物同化物質(zhì)的能力[11]，因此其含量變化情況可用來表征植物的生長狀況。由圖2可知：整體上同一處理30 d和45 d兩次測定的SPAD值差異不大，除T1、T2、T6處理45 d的SPAD值較30 d有所增加外，其余處理均有所減少；各處理30 d的SPAD值排序為T2>T1>T9>T3>T8>T7>M=T6>T5>T4，SPAD值在各處理間無明顯差異；各處理45 d的SPAD值排序為T1>T2>T9>T8>T7>T6>M>T4>T5>T3，T1與T2處理的SPAD值顯著高于T3、T4、T5處理?？傮w上，T1、T2處理在30 d和45 d葉片的SPAD值均較高，說明其綠色程度相對較高，植物生長較好。

圖2 各處理30 d和45 d的SPAD值

3.3 植被蓋度分析

隨著草灌植被的生長，其蓋度增大，保護基質(zhì)抗沖刷的能力增強，而且坡面植被還能減少邊坡土壤的水分蒸發(fā)，增強土壤保水能力[12]。由圖3可知，各處理植被蓋度排序為T8>T5>T3=T2>T7>T9>M>T1>T4>T6，其中T8、T5、T3、T2處理的植被蓋度顯著高于T1、T4、T6與M處理，說明T8、T5、T3、T2處理的植被水土保持效果較好。

圖3 各處理的植被蓋度

3.4 植物根冠比分析

根冠比可以反映植物對邊坡的固土效果，是植物地上部與地下部相關(guān)性的重要指標。根冠比大，則植株根系發(fā)達，更加有利于發(fā)揮固土護坡效應(yīng)[13]。由圖4可知，各處理植物根冠比排序為T4>T2>T5>T3>T8>T1=T9>T7=M>T6，其中T4處理的植物根冠比顯著高于T6、T7與M處理，說明T6、T7與M處理的植物對邊坡的固土效應(yīng)較差。

圖4 各處理植物根冠比

3.5 植物發(fā)芽數(shù)分析

每個處理共播種85粒種子，在盆栽試驗開始后的5、25和50 d時測定發(fā)芽數(shù)。由圖5可知，隨著時間延長，各處理的植株發(fā)芽數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這與植株間物種競爭造成部分植株死亡和植物對基質(zhì)的適應(yīng)程度有關(guān)。各處理在5 d時的發(fā)芽數(shù)排序為T2>T7>T8=T4>T3=T5=T6>T1>T9>M，T2、T7、T8處理的發(fā)芽數(shù)顯著高于M處理；各處理在25 d的發(fā)芽數(shù)排序為T8>T5>T7>T3>T9>T1=T2>M>T4=T6，各處理間差異不顯著；各處理在50 d的發(fā)芽數(shù)排序為T8>T7=T1>T2=T9>T5>T3>M>T6>T4，其中T8處理的發(fā)芽數(shù)顯著高于其他處理，說明該處理的基質(zhì)配比利于植株達到最大的種植密度，復(fù)綠效果更好，而發(fā)芽數(shù)較低且低于對照組的T6、T4處理，相同點是種植土中添加了75%紅土，對植物的生存產(chǎn)生了負面效果。

圖5 各處理發(fā)芽數(shù)變化

3.6 土壤指標分析

酸堿性是噴播基質(zhì)重要的化學(xué)性質(zhì)，會對植物生長、微生物活性以及基質(zhì)肥力等產(chǎn)生影響。由圖6可知，本試驗中各處理基質(zhì)的pH值均在7.5左右，為中性范圍，這與添加了蚯蚓糞有關(guān)。YADAV et al.[14]指出，蚯蚓糞的pH值通常更趨近于中性，這可能是由于在微生物代謝過程中產(chǎn)生的CO2和有機酸發(fā)生了中合作用。

圖6 各處理土壤pH值

電導(dǎo)率(EC值)反映的是土壤中可溶性鹽的含量，是判斷土壤中鹽類離子是否限制植物生長的一個因素。土壤中的可溶性鹽含量過高，可能會形成反滲透壓，從而置換出根系中的水分，使植株根系受損或死亡。當(dāng)EC值超過4 000 μS/cm植物生長就會受到抑制[15]。由圖7可知，本試驗基質(zhì)EC值范圍為1 100～2 990 μS/cm，均在合理范圍內(nèi)，表明基質(zhì)含鹽量不會影響植物生長。

圖7 各處理土壤EC值

3.7 綜合評價

植被對破碎山體的作用表現(xiàn)在兩個方面：一是形成穩(wěn)定的植物群落；二是通過植物葉片對降雨的截留和減蝕作用以及植物根系對巖石、土壤的加筋和錨固作用，達到穩(wěn)定邊坡和防止水土流失的目的。選擇植物地上、地下生物指標，利用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法[16]，對不同基質(zhì)條件下的植株生長情況進行多指標綜合評價，結(jié)果見表6。由表6可知，各處理綜合評價指數(shù)排序為T8>T2>T7>T9>T1>T3>T5>M>T4>T6。T8處理的植株生長指標綜合評價指數(shù)最高，為0.86，說明該處理的配比適宜植物生長，各觀測指標綜合效果最優(yōu)。種植土中紅土與苗圃土比例為1∶1的T8、T7、T9處理綜合評價指數(shù)均較高，而紅土與苗圃土比例為3∶1的T5、T4、T6處理綜合評價指數(shù)均較低。

表6 綜合指標評價

4 討論與結(jié)論

陳永安等[17]對西南地區(qū)噴播所用的紅土進行了研究，結(jié)果表明，紅土的物理風(fēng)化較為強烈，化學(xué)風(fēng)化微弱，風(fēng)化形成的土壤細黏，保水性及通透性較差，易流失、板結(jié)，雖富含鉀、磷、鈣，但多呈不溶狀態(tài)，植物難以吸收；而且紅土吸熱性強，日間溫度上升快，夜間散熱快，土溫變幅大。本研究也通過室內(nèi)盆栽試驗得出，不同配比的基質(zhì)栽植的植物生長情況有所差異，總生物量最低的三個處理共同點是當(dāng)?shù)丶t土與苗圃土比例為3∶1，說明添加過量的紅土對植物生長起到了抑制作用，這與前人的研究結(jié)果一致；紅土的添加量不應(yīng)超過總種植土的75%，種植土至少25%的用量應(yīng)來自于客土或者其他有機質(zhì)。在紅土與苗圃土添加比例為1∶1，蛭石∶稻殼為3∶1且蛭石和稻殼添加總質(zhì)量占材料3%的配置下，栽植的植物生長狀況最好。蛭石具有良好的陽離子交換性和吸附性，可改善土壤結(jié)構(gòu)，疏松土壤，也可提高土壤的透氣性和含水性，能儲水保墑，充分提高肥料和水分的利用率[18]。本研究也表明添加蛭石可有效替代稻殼，這在四川地區(qū)邊坡綠化中有較大的可利用性。目前南方應(yīng)用的纖維以稻殼、谷皮類作為替代基質(zhì)較多，但蛭石成本更加低廉，同時能發(fā)揮調(diào)節(jié)基質(zhì)容重和孔隙度的作用，可以作為稻殼的替代物進行進一步研究。試驗中添加一定比例的蛭石，可以降低蚯蚓糞中的鹽分[19]和緩解土壤板結(jié)[10]，且蛭石對種子萌發(fā)具有積極作用[20]。

葉綠素是植物完成光能吸收與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因子，其含量變化影響植物光合能力大小及營養(yǎng)水平[21]。葉片的綠色程度與SPAD值顯著正相關(guān)[22]。有學(xué)者試驗得出，葉綠素含量前期較少，后期增加，總體趨勢是不斷增長，說明基質(zhì)養(yǎng)分較為充足，植物長勢比較旺盛[10]。

蚯蚓糞施入土壤后，可改善土壤的物理狀況，增加土壤中小于5 μm粒級的微團聚體數(shù)量，使土壤充氣與持水孔隙的比例適當(dāng)，從而協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱的關(guān)系，更有利于作物生長；還能顯著增加土壤速效氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，增強土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶等的活性，從而提高土壤的供肥性能[23]。國外有很多試驗已證實蚯蚓糞可以改良土壤，從而使農(nóng)作物增產(chǎn)[24]。施用蚯蚓糞可以增加土壤中各形態(tài)磷的含量及有機質(zhì)含量，提高土壤磷酸酶活性[25]。本試驗中養(yǎng)分主要來自于統(tǒng)一用量的蚯蚓糞，后續(xù)并未進行追肥，建議在實際應(yīng)用中及時進行養(yǎng)分的補充，以促進葉綠素的積累。

相較于在花盆內(nèi)種植空間的受限，灌草組合試樣的植物根系在邊坡土壤中盤根錯節(jié)，形成了復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此通過盆栽試驗結(jié)果量化灌草組合試樣植物根系及地上結(jié)構(gòu)的方法具有一定的局限性，未來可對灌草混合根系結(jié)構(gòu)的研究方法進行進一步的探索。

綜上所述，在紅土與苗圃土按1∶1比例添加，蛭石和稻殼添加占材料總質(zhì)量的3%且蛭石與稻殼比例為3∶1的基質(zhì)配比條件下，栽植的植物生長狀況最好。本研究結(jié)果可為四川地區(qū)應(yīng)用當(dāng)?shù)丶t土配置噴播基質(zhì)提供參考，一定程度上可改善以紅土作為邊坡噴播基質(zhì)種植土存在的土壤結(jié)構(gòu)較差、營養(yǎng)匱乏、植物長勢差等狀況。