高寒地區工程創面草皮回鋪技術改良及其土壤生態恢復效果

摘要：青藏高原道路工程建設在穿越高寒草甸時會剝離草皮形成眾多工程創面，現有草皮回鋪修復技術因高原脆弱環境導致其效果不佳。本論文在西藏汪布曲高寒草甸進行了重構草皮回鋪技術改良的實地探究，考察漿土混合層與剝離草皮塊厚度比、椰絲摻量、草皮塊大小以及網墊類型對回鋪草皮綜合質量的影響。結果表明，各因素均顯著提升了回鋪草皮的土壤含水率；隨著漿土粘結層與草皮厚度比的降低，土壤pH值顯著降低，而有機碳含量則顯著提升；漿土層與草皮厚度比對土壤脲酶活性有極顯著影響，網墊類型與土壤蔗糖酶活性緊密相關；回鋪草皮的土壤微生物群落特征在一定程度上發生了變化。確定最優參數為：工程創面上覆厚8 cm的漿土粘接層，厚2 cm的重構草皮塊，椰絲摻量1.4%，草皮塊大小為700 cm2（35 cm×20 cm），并以方孔鐵絲網作為下層網墊。本研究為高寒草甸工程創面生態修復提供了新的參考依據。

關鍵詞：高寒草甸；草皮回鋪；養分；微生物群落；草皮綜合質量分析

中圖分類號：S145+.2""""""" 文獻標識碼：""""""" 文章編號：1007-0435（2025）02-0644-10

Improvement of Grass Re-turfing Technology for Engineering Wounds in High-altitude Regions and Its Effect on Soil Ecological Restoration

LI Qi LI Yu-hang2， JIN Bo4， WEN Zhuo4， LI Xiao-wei5， WANG Bao-he2， ZHANG Wei-biao1，

SHEN Yi-fan4， ZHANG Hui-yuan2， LEI Ning-fei1，2， ZHANG Xiao-chao1，2， LUO Jing1， PEI Xiang-jun1，2*

（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu， Sichuan Province 610059，China； 2.College of Ecology and Environment，Chengdu University of Technology，Chengdu， Sichuan Province 610059，China； 3.Tianfu Yongxing Laboratory，Chengdu， Sichuan Province 610213，China； 4.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu， Sichuan Province 610059，China； 5.China Railway Construction Corporation Limited， Chengdu， Sichuan Province 610000， China）

Abstract：During the construction of the Qinghai-Tibet Plateau Road， numerous engineering surfaces are formed in the high-altitude alpine meadows. Grass re-turfing is a commonly used method for ecological restoration. However， due to the fragile and sensitive ecological environment， the effectiveness of re-turfing is poor. This paper explored the field application of reconstructing grass re-turfing technology of engineering surfaces in Wangbuqu alpine meadows and investigated the influence of factors such as the ratio of soil-mix layer and the stripped turf thickness， coir fiber content， size of turf blocks， and type of mesh mat on the overall quality of re-turfed grass. The results showed that all these factors significantly increased soil moisture content after re-turfing. Decreasing the thickness ratio of the soil-mix layer and the turf， the pH decreased significantly， while the organic matter content increased significantly. Soil urease activities were significantly affected by the ratio of soil-mix layer and turf thickness， and the mesh mat type was closely related to soil sucrase activities. The characteristics of soil microbial community changed to some degree. The optimum technical parameters of re-turfing were as follows： the engineering wound surface was covered with an 8 cm thick soil-mix layer and a 2 cm thick turf， 1.4% coir fiber content， 700 cm2（35 cm×20 cm）the turf block， and square hole wire mesh was used as the lower mesh pad. This study optimized the re-turfing technology of the alpine meadow and provided the new reference for dealing with alpine meadow degradation.

Key words：Alpine meadow；Laying back turf；Nutrients；Microbial community；Sod comprehensive quality analysis

草原作為我國最大的陸地生態系統類型，不僅是新時代生態文明建設的關鍵領域，還構成了國家生態安全不可或缺的綠色屏障［1］，其廣泛分布于我國西部和北部的半干旱、干旱及高寒地區［2］。在這些區域中，草地生態系統尤為顯著，其中高寒草甸作為青藏高原草地的主要類型之一，其穩定性和健康狀態對維護區域生態平衡、保障生物多樣性以及促進可持續發展具有不可替代的重要性。在全球環境變化、人為活動干擾等多重因素的影響下，如今高寒草甸面臨著嚴重的退化和破壞風險［3］，草皮覆蓋減少、土壤侵蝕加劇、生物多樣性下降等問題日益凸顯［4］。通過人工干預促進植被恢復結合植被自然恢復成為青藏高原重大建設工程實現控制水土流失、生態恢復和改善區域生態環境質量的手段［5］。

近年來，為了有效應對高寒草甸退化的挑戰，涌現了較多高寒地區生態防護施工中的修復方法，如機械噴附由土壤、種子、混凝土、速效肥、抗凍添加劑等配制的生態基材［3］，添加改性有機材料以改良土壤［6］，覆土培肥種植［7］、草皮移植［8］等人工建植，將草種、肥料等按配比植入到纖維毯上加工成植被纖維毯［9］，使用裝入人工配制植物生長基質的植生袋等。部分學者也對草皮回鋪技術［10-11］進行了研究，草皮回鋪后的植被在惡劣的高原環境中具有較強的適應性和生存能力，這些技術促進了受損生態系統的快速恢復。但為固定草皮而采用的工程措施（如插入竹簽或木簽、梢釘）需要精確操作，以避免對草皮、根系造成物理損傷，并且后期需要進行移除工作，將增加額外的維護成本和工作量。除此之外，在極端氣候條件下（如強風或暴雪），竹簽或木簽可能無法提供足夠的穩定性，導致草皮的位移或損壞，均會增加高寒草甸區極端環境下的施工難度。因此，亟須尋找一種新的回鋪方式，以便在斜坡上鋪設草皮后能夠立即粘合固定，從而簡化施工流程，提高操作性。

本研究中的漿土粘接層主要解決回鋪草皮的固定問題，在不采用任何工程措施的情況下起到即時粘合的作用，并滿足定植后的養分供應。草皮塊尺寸直接影響漿土粘接層的粘合能力［12］，同時，草皮塊之間的接縫還會對產沙產流產生影響［13］。在草皮制作過程中為減少草皮破損率、降低撕裂強度，采用下層隔離網墊是完全可行并有必要［14］，研究中對加筋麥格網、方孔鐵絲網和椰絲網的作用效果進行對比，以保障重構草皮質量、提升草皮回鋪后對邊坡的防護能力。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區開挖創面位于昌都市察雅縣香堆鎮仁達村附近（30°54′N，97°97′E），屬于汪布曲高寒草甸區。海拔約4200 m，年度最冷月為1月，最低溫度-21℃，極端最低溫度-30℃左右，極端最高溫度為25℃。日溫差大，年溫差小，氣溫偏低。年平均降水量為365 mm，年平均蒸發量大，約1460 mm，集中在5-9月。日照長，紫外線強，空氣稀薄，項目所在地氣候總體特點：高海拔、空氣稀薄、降雨量小、紫外線強、全年氣溫偏低、冰雪季節長，早晚溫差較大。

1.2 試驗材料

本研究所使用的材料包括高寒草甸區因工程活動堆置的剝離退化草皮、多功能有機肥、改性有機材料、草籽、椰絲纖維、加筋麥格網、方孔鐵絲網和護坡椰網。

漿土粘接層由現場堆置的退化草皮下的表土過篩后添加多功能有機肥和改性有機材料混合而成。多功能有機肥由凹凸棒和UiO-66-NH2復合而成，可以吸附養分并緩慢釋放，具有長效保持肥力的特點。制備方法參照裴向軍等［15］的發明專利。改性有機材料來源于課題組自主研發的改性有機材料［16］，作為界面結合劑連接重構草皮和修復坡面。主要配方包括水370～420 mL，聚合物單體A溶液160～240 mL，聚合物單體B溶液150～180 mL，引發劑溶液 20～60 mL，氧化物溶液0.5～2 mL。其外觀為無色溶液；草籽購買自成都百匯草業有限公司，主要包括星星草、披堿草、早熟禾、紫羊茅、沙蒿、黃芪，比例為10∶5∶2∶2∶1∶1。其特點為抗逆性強、耐寒耐旱；椰絲纖維，為100%纖維材料烘干處理，保證含水率在（15±2）%；網墊包括加筋麥格網、方孔鐵絲網和護坡椰網。加筋麥格網由低碳金屬線編制而成，結構穩定，強度高，彈性結構使其有很好的延伸性。方孔鐵絲網采用鍍鋅不銹鋼絲勾連編織而成，能夠緩沖外力沖擊常用于邊坡固定。椰絲網采用天然椰糠纖維為材料交叉編織而成，不僅具有良好的保水固土性能，還具有環保性和可降解性，也被稱作護坡椰網。

1.3 試驗設計

將現場堆置的剝離退化草皮下的表土過2 mm篩后添加0.5%摻量的改性有機材料、8cm椰絲纖維、1 %多功能有機肥作為重構草皮基質制作重構草皮基質，完成后播撒同比例的草籽。

設置“四因素，三水平”正交試驗：漿土粘結層（cm）與草皮厚度（cm）比A∶8∶2，6∶4，4∶6；椰絲摻量B（%）：1.0，1.2，1.4；草皮尺寸C：500 cm2（25 cm×20 cm），600 cm2（30 cm×20 cm），700 cm2（35 cm×20c m）；網墊類型D：加筋麥格網、方孔鐵絲網、椰絲網。因素水平表（表1），正交試驗表（表2）。

修復區每個長11 cm、寬3 cm，面積33 m2，總面積共330 m2，坡度為25°～27°（圖1）。從2022年7月開始實施草皮回鋪，回鋪初期覆以農用塑料膜以保持水分、調節晝夜溫差大對草籽萌發的影響，在回鋪后的60 d采集深度為0～10 cm的表層土壤，進行相關指標測定。

1.4 測定指標與方法

土壤含水率：環刀法［17］，使用特定體積的環刀，從土壤中取樣并稱重，烘干至恒重，計算烘干前后的質量差來確定土壤含水率；土壤pH值：電極法［18］，將pH計的電極直接插入土壤溶液中測量pH值；土壤銨態氮、速效磷：聯合浸提-比色法［19］，用無水硫酸鈉、碳酸氫鈉制備聯合浸提劑提取土壤中養分，使用比色計測量；土壤速效鉀：乙酸銨浸提-火焰原子吸收法［20］，通過乙酸銨溶液浸提土壤中的速效鉀，利用火焰原子吸收光譜儀測定；土壤有機碳：重鉻酸鉀氧化-分光光度法［21］，將土壤樣品與重鉻酸鉀溶液混合，消解后，通過分光光度計測量溶液的吸光度來計算土壤有機碳含量；土壤酶活性：包括土壤過氧化物酶（S-POD）、土壤脲酶（S-UE）、土壤蔗糖酶（S-SC），均采用從科銘生物公司購買的酶活試劑盒進行測定；微生物多樣性：委托南京派森諾基因科技有限公司采用高通量測序對微生物基因序列測定。

1.5 數據統計分析

統計表現數據變化特征的指標包括最大值、最小值、平均值、標準差、變異系數、顯著性等，主要的數據處理包括：處理不同試驗條件下的樣點數據，具體包括土壤理化指標、土壤酶活性以及土壤微生物的變化情況等，使用Excel、SPSS、Origin進行數據匯總、分析及制圖。隨后使用SPSS和SPSSAU軟件對數據結果進行了極差分析、因子分析，討論各試驗條件對草皮影響程度大小和相互作用，并得到最優摻量的配置組合。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

如圖2所示，土壤理化性質有顯著差異（Plt;0.05）。各實驗組含水率均高于裸地對照組，與裸地對照組相比，實驗組土壤含水率增加約90%，除漿土粘接層與草皮厚度比外，其他三種因素水平間無顯著差異。采用椰絲網時草皮含水率最大；裸地對照組土壤pH較高，各因素均能降低pH至中性或微堿性。

椰絲摻量1.2%和使用方孔網墊時，土壤銨態氮含量在因素水平間較高，但各因素水平間無顯著差異。采用椰絲網墊時土壤銨態氮含量最小；各實驗組土壤速效鉀含量均高于裸地對照組。采用方孔鐵絲網時土壤速效鉀含量最高，與對照組相比增加162.5%。漿土粘接層與草皮厚度比為8∶2時的土壤速效鉀含量最高，隨著水平的增加，土壤速效鉀含量減少；土壤速效磷含量整體無顯著差異，說明各因素及水平變化對土壤速效磷變化不大；各實驗組土壤有機碳含量均顯著高于裸地對照組（P＜0.05），但因素水平間差異不顯著。整體來看，約增加土壤有機碳含量30%，草皮和椰絲的添加均可以提高土壤有機碳含量。

2.2 土壤酶活性

不同處理的土壤酶活性如圖3所示。實驗組的土壤過氧化物酶活性普遍低于裸地對照組；不同椰絲摻量和網墊類型均顯著提高土壤脲酶活性（Plt;0.05），但水平間無顯著差異。其中漿土粘接層與草皮厚度比為4∶6時土壤脲酶活性在水平間最高，8∶2時脲酶活性最小，顯示出隨著水平的增加，脲酶活性增加。草皮塊大小為700 cm2時土壤脲酶活性水平間最高，600 cm2時土壤脲酶活性最小，各水平間差異不顯著。采用加筋麥格網時土壤脲酶活性最高，顯著高于采用方孔鐵絲網和椰絲網的實驗組（Plt;0.05）；回鋪草皮各實驗組蔗糖酶活性均高于對照組。其中椰絲網墊顯著提高了蔗糖酶活性（Plt;0.05）。

2.3 土壤微生物分析

第1組與第5組之間的Shannon指數存在顯著差異（Plt;0.05），而第5組與裸地對照組之間呈極顯著差異（Plt;0.01），揭示了各實驗組土壤微生物群落豐度與均勻性的顯著變化，實驗組的Chao1與Shannon指數均超越對照組，意味著土壤微生物群落分布更為均衡，結構穩定性也顯著提升（圖4A）。從土壤微生物OTU數量結果來看，裸地土壤OTU總數最高，均值為8335，第8組土壤OTU總數最低，均值為4224，不同實驗組土壤微生物OTU總數存在差異，重疊區域的數字表明OTU在處理組之間是共享的，各處理組土壤微生物OTU數量有710個，說明回鋪草皮后邊坡微生物群落特征發生顯著變化；Beta多樣性分析中的NMDS結果顯示，各實驗組間土壤微生物群落分布相似性較高，而實驗組與對照組之間則存在較大差異，這進一步證實了草皮回鋪對邊坡土壤微生物物種多樣性和群落特征產生了影響（圖4B，C）。

對土壤微生物在門水平上的相對豐度進行統計發現，變形菌門、芽單胞菌門和放線菌門在各實驗組中占絕對優勢（圖4D）。不同的回鋪技術參數對微生物的多樣性和群落結構產生了影響，但同一因素各水平之間的豐度差異不顯著。

2.4 回鋪草皮相關性分析

如圖5所示，土壤含水率與土壤速效鉀和微生物OTU數量呈負相關，與土壤有機碳含量和微生物多樣性指標Chao1呈正相關，且與微生物數量和有機碳含量相關性一致，均為0.9，說明了回鋪草皮含水率對土壤微生物的繁殖和代謝以及土壤有機碳的分解和釋放均有同樣大小的影響作用。土壤pH與各指標之間基本沒有相關性，分析原因可能是回鋪草皮各摻量對改變土壤pH影響很小。回鋪草皮微生物OTU數目與微生物多樣性指標Chao1指數、Shannon指數、土壤有機碳含量和含水率均呈現負相關性，說明回鋪草皮微生物物種數量和豐度變化呈相反趨勢。

2.5 回鋪草皮綜合質量分析

計算回鋪草皮綜合質量得分與排名，包括草皮回鋪各主因子得分、綜合得分及排名（表3），發現綜合得分最低的是裸地對照組，因此，草皮的各添加成分對草皮綜合質量提高均有良好作用。

根據各實驗組草皮綜合得分情況對四個因素之間進行極差分析（表4），得出四個影響因素的主次和最優方案。根據極差分析表可知，漿土粘結層與草皮厚度比A、椰絲摻量B、草皮塊大小C、網墊類型D四個因素對回鋪草皮綜合質量影響由大到小順序依次是網墊類型D、漿土粘結層與草皮厚度比A、椰絲摻量C、草皮塊大小D。

本試驗涵蓋了土壤物理、化學、土壤酶活和微生物學指標4個方面的指標，對回鋪草皮進行綜合質量評價，具有合理性。極差分析結果中的K值反映了某一因素的各個水平間的優劣，K1、K2、K3代表了某一因素的三個水平，其值越大，其代表的水平越具有優勢。由表4可知，漿土粘結層與草皮厚度比A為K1gt;K3gt;K2，椰絲纖維摻量B為K3gt;K2gt;K1，草皮塊大小C為K3gt;K1gt;K2，網墊類型D為K2gt;K1gt;K3，因此，本實驗優化方案配置為A1B3C3D2，即最優的草皮回鋪技術改良參數為漿土粘結層與草皮厚度比8∶2、1.4%椰絲纖維摻量、700 cm2草皮塊大小和以方孔鐵絲網為下層網墊。

3 討論

3.1 草皮回鋪技術改良對土壤理化性質的影響

土壤理化性質是土壤肥力和生產力的關鍵指標，對土壤生態系統的健康和功能至關重要［22］。回鋪草皮各實驗組含水率均高于裸地對照組。網墊類型選用椰絲網時草皮含水率最大，這主要是因為植物纖維具有良好的吸水能力［23］；裸地對照組土壤pH較高，而堿性土壤不利于植物生長［24］，各因素均能降低pH至微堿性甚至中性。

采用椰絲網墊時，回鋪草皮土壤銨態氮含量最小，有研究表明植物纖維在腐化時會放熱并吸收大量氮元素，導致土壤氮元素減少［25］。采用方孔鐵絲網時土壤速效鉀含量最高，這或許和方孔鐵絲網能夠保持土壤結構穩定［26］這一特性有關；土壤有機質是草地最重要的養分來源［27］。回鋪草皮各實驗組有機質含量均顯著高于裸地對照組，草皮和椰絲的添加均可以提高有機質含量。

3.2 草皮回鋪技術改良對土壤酶活性的影響

土壤酶在養分循環和生態系統功能中起著關鍵作用［26］。回鋪草皮的過氧化物酶活性普遍低于裸地對照組，這可能是因為草皮的回鋪影響了土壤溫度、濕度和通氣性［28］，具體而言，草皮的覆蓋可能減少了土壤表面的熱量散失，導致土壤溫度相對恒定但可能偏低；同時，草皮根系及其附著的微生物活動也影響了土壤水分的分布與蒸發速率，進而改變了土壤濕度；此外，密集的草皮層還可能阻礙了土壤與外界的氣體交換，影響了土壤的通氣性能。這些環境因子的變化，直接或間接地影響了過氧化物酶的活性，體現了土壤酶對環境變化的敏感響應。椰絲網墊提高蔗糖酶活性，可能與椰絲中木質素、纖維素等成分降解，為蔗糖酶提供碳源有關［29］，隨著碳源的增加，蔗糖酶獲得了更多的底物來執行其催化功能，即將蔗糖等大分子糖類分解為簡單糖類，這一過程不僅加速了有機質的分解速率，還促進了土壤養分的循環與再利用。

3.3 草皮回鋪技術改良對土壤微生物多樣性的影響

土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，參與并推動環境中物質與能量的流動和轉換［7］。在α多樣性分析中，第1組和第5組之間的Shannon指數存在較大差異，第5組和裸地對照組之間的Shannon指數存在較為懸殊的指數差異。這表明各實驗組土壤微生物群落的豐度和均勻性存在較大差異。實驗組的Chao1指數和Shannon指數均大于對照組，說明土壤微生物群落分布更加均勻、結構更加穩定。裸地土壤OTU總數在各處理組中最高，這一現象可能是因為裸地已經形成了一個成熟的微生物群落，回鋪草皮處的土壤還處于恢復期，微生物群落的多樣性發展程度不同。并且回鋪草皮涉及土壤擾動，這可能會暫時降低土壤微生物的多樣性。

Beta多樣性分析中，通過非度量多維尺度分析（NMDS），結果顯示各實驗組之間草皮土壤微生物群落分布差異不大，可能是各實驗組的微生物在生態位上存在重疊，使得菌落結構相似［30］，但實驗組與對照組之間差異明顯，說明回鋪草皮對邊坡微生物物種數量和群落特征產生了顯著影響。對回鋪草皮土壤微生物在門水平和屬水平上的相對豐度進行統計。結果顯示，變形菌門、芽單胞菌門和放線菌門在各實驗組中占絕對優勢，這一結果與其他在青藏高原高寒草甸的研究結果一致［31］，變形菌門被認為與碳利用有關［32］。不同的回鋪技術參數對微生物的多樣性和群落結構產生了影響，但同一因素各水平之間的豐度差異不顯著。這可能是因為重構草皮基質環境已經給微生物生長提供充足的環境［33］，同時，微生物發生大分類上的組成變化需要極其漫長的過程［34］。

3.4 回鋪草皮過程中的經濟成本分析

草皮回鋪技術的經濟成本主要包括材料費用、運輸費用、施工費用以及后期維護費用等。在高寒地區，由于氣候惡劣、交通不便等因素，這些成本會相對較高，對草皮回鋪過程中的各項成本進行了詳細核算，回鋪草皮的費用每平米200～300元。通過此技術創新草皮的抗逆性和成活率提高，減少了后期維護費用，因此，該過程與其他傳統的草皮回鋪技術相比，會降低一些成本。同時，在后期我們將加強與當地社區的合作，利用本地資源，也能在一定程度上降低材料采購與運輸成本。

4 結論

本研究在西藏汪布曲高寒草甸區原位開展了草皮回鋪技術優化實驗，實地應用探究了漿土混合層與草皮厚度比、椰絲摻量、草皮塊大小以及網墊類型對回鋪草皮綜合質量的影響，并確定了最優的草皮回鋪技術改良參數：漿土粘接層與草皮厚度比8∶2，椰絲摻量1.4%，草皮塊大小700 cm2，并以方孔鐵絲網作為下層網墊。本研究為高寒草甸生態修復提供了科學依據和技術支持，也為其他類似脆弱生態系統的恢復提供了參考。未來可進一步探索不同生態修復材料和方法的組合效應，以及長期生態效應的監測和評估，促進高寒草甸生態系統的可持續發展。

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（責任編輯" 彭露茜）