西藏林芝地区高等级公路生态袋边坡修复技术应用研究

包赛很那，苗彦军†，郭云雷，徐雅梅，王明涛，王向涛，谢国平，王传旗

(1.西藏农牧学院，860000，西藏林芝；2.西藏俊富环境恢复有限公司，850000，拉萨)

西藏自治区位于青藏高原的主体，地势高峻，地理特殊。近年来，经济建设的跨越式发展推动了公路建设的飞速发展，而公路的建设不可避免地对周边植被及地貌造成严重的破坏[1-5]。

林芝地区是林芝至拉萨高等级公路的起始路段，地质地貌独特，具有典型的高原高寒气候、蒸发量大、紫外线强烈、土壤养分不均衡、边坡土质疏松极不稳定等特点。目前，已建成的公路大多处于傍山依水路段，边坡陡峭，在风蚀和水蚀的作用下，易发生水土流失导致公路坍塌、山体滑坡等现象。如不及时采取边坡修复措施，则会造成毁灭性的环境问题[6]。

生态袋护坡技术被称作“三维排水柔性生态护坡技术”[7-9]。原材料为聚丙烯(PP)或聚酯纤维(PET)，具有不变形、抗老化、抗冻融、耐酸碱、无毒、不溶于污染液体的可回收等特点。生态袋的水土保持能力强，对幼苗具有深根锚固、浅根加筋的功能。该技术被广泛用于水土保持、河道护岸、水库和湖泊防护等工程建设中[10-12]。特殊的高原气候与地理地貌特征，体现公路边坡修复工程的异常艰巨性。高原边坡修复，必须采用强力防止水土流失又适合植物生长，确保边坡长久稳定的植被修复技术，在高寒地区这方面的研究甚少。

植物正常生长的关键因素就是水分和养分。水分是种子萌发生长的先决条件，若水分不能满足种子萌发期物质代谢的需求，种子就不能正常萌发。但水分过多会造成氧气供应不足，导致发芽能力下降。养分是植物生长发育所必需的营养物质[13]。有研究表明，水分和供氮含量不合理将严重影响植被的出苗率、高度、基茎粗、盖度、密度和生物量等形态指标[14]。科学合理的灌水和施氮条件可提高根系对土壤中水氮的吸收率，从而促使地上部分的生长，对植物正常生长发育起着至关重要的作用[15]。

为此，本研究在借鉴欧美多个国家使用数年的柔性边坡修复技术的基础上，对林芝地区特殊的高寒气候及土壤性质进行系统分析，选用经高原地区引种驯化筛选出来的抗逆性极强的4种优良禾本科牧草种子黑麦草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaelata)、草地早熟禾(Poapratensis)、老芒麦(Elymussibiricus)为供试材料，设生态袋不同水氮供应水平，在林—拉高等级公路起始路段进行边坡和平地的植被修复试验。以期从适宜牧草材料的选择、合理的栽培技术、水肥调控等方面，探索适合西藏高寒地区公路边坡修复的技术。

1 材料与方法

1.1 试验地自然条件

林芝地区位于西藏尼洋河畔的河谷地带，E 94°21′，N 29°33′，海拔2 950 m，年均气温8.6 ℃，最冷月0.2 ℃，最热月15.6 ℃，极端最低温-15.3 ℃，极端最高温30.2 ℃，年降水量634.2 mm，平均相对湿度71%。年日照时间1 988.6 h，日照比例46%，无霜期180 d，为季风气候，霜冻期为9月至翌年5月初。土壤有机质为3.04%，全氮为0.151%，C/N比达21.7，全磷为0.095%，全钾为2.08%，碱解氮为105 mg/kg，速效磷为9.7 mg/kg，速效钾138 mg/kg。

1.2 试验材料

生态袋：规格0.53 m×0.35 m，原材料为高新技术特种材料聚丙烯(PP)，为难降解的生态合成材料。保水剂、粘合剂(青岛睿达进出口有限公司)：保水剂(聚丙烯酸钾)为白色颗粒晶体状，60～800目的高分子聚合物，可吸收超出自身质量300～500倍的去离子水。粘合剂(聚丙烯酰胺)为白色小颗粒状，20～80目的水溶性高分子聚合物。硫酸钾型复合肥：中农中际化肥(山东)有限公司，白粒无机养分[51%(N25- P8- K18)；48%(N22- P10- K16)、48%(N16- P16- K16)，硫酸钾型45%(N15- P15- K15)]加上黑粒有机养分(氮≥16%，氨基酸≥20%，腐殖酸≥16%，有机脂≥20%)。农家有机肥：当地购买。材料具体用量见1.4。供试材料：早熟禾、高羊茅、黑麦草、老芒麦，均来自西藏农牧学院高寒草地保护与培育实验室西藏野生种质资源圃。

1.3 试验方法

2014年6月14日在西藏林芝地区林—拉高等级公路起始路段选择典型的水土流失、植被严重退化的地段进行修复试验。总面积为35 m2，其中边坡15 m2(坡度45°，长10 m)、平地20 m2，播种方式均采取混播。混播草种选择经高原地区引种驯化筛选出来的抗逆性极强的4种优良禾本科草种黑麦草、高羊茅、草地早熟禾、老芒麦等，依顺序混播比例为4∶3∶2∶1。种植面积以1 m2(6个生态袋，土质量为270 kg/m2)为1个单元确定其播种量和肥力水平。试验设供氮量(N)和供水量(W)双因素处理。当地作物施氮水平在0.05～0.10 g/kg，据此氮处理设置4个水平，分别为：不供氮处理(N0=0 g/kg)、低氮(N1=0.027 8 g/kg)、中氮(N2=0.055 6 g/kg)、高氮(N3=0.083 3 g/kg)处理；试验用沙壤土的饱和含水量为85%～90%，据此将灌溉水平设2个水平，分别为：低水(60%～70%，W1=60 mL/kg)和充分灌水(85%～90%，W2=85 mL/kg )(表1)。每处理3次重复。播后，由人工浇水管养并定期观测数据。

表1 试验处理Tab.1 Experimental treatments

注：N0、N1、N2、N3分别表示无供氮处理和供氮0.027 8、0.055 6、0.083 3 g/kg处理；W1、W2分别表示灌溉水平60、85 mL/kg。下同。Notes: N0: No nitrogen. N1: 0.027 8 g/kg. N2: 0.055 6 g/kg. N3: 0.083 3 g/kg. W1: 60 mL/kg. W2: 85 mL/kg. The same below.

1.4 生态袋填充料设计

土壤取自当地农田较好的沙壤土，清除碎片、根系、树枝。根据试验要求分为种植土和喷播土。种植土混合成分：有机肥15 g/kg、复合肥0.11 g/kg。根据要求，将肥料均匀洒施到种植土中捣匀。喷播土混合成分：有机肥0.37～0.55 g/kg，复合肥养分主要以N为主导因素，分别设4个供氮水平，再添加保水剂和粘合剂，用量均为0.277 8 g/kg。先将有机添加剂和肥料按要求置土中捣匀，再与植物种子均匀混合。边坡和平地条件均一致。

1.5 生态袋护坡技术

坡面修整→基础施工→装袋→垒砌(平铺，图1)→喷播(厚度2～3 cm，土质量54 kg/m2)→养护管理。

1.6 测定指标与方法

播种当年6月29日(出苗早期)和7月19日(出苗后期)进行数据测定。具体测定指标如下：植物出苗率=(出苗的种子粒数/播种种子粒数)× l00%。具体测定方法：播种前将确定单位面积播种量的种子置于自动数粒仪(SLY-E)上确定其种子粒数，记录。播种后规定时间内，再测全部正常种苗数占供试种子数的比例。植被高度：随机选取混播牧草15株(其中应包含最高、最低、平均3个高度)，用专业的实验用高精度PVC钢卷尺测绝对高度，3次重复，取平均值。盖度：植物地上部分垂直投影面积占地面的比率(%)，采用目测法测定。密度：一定空间内的株数，D=N/A(N为样方内植物个体全部数目；A为样方面积)。试验每处理采5个点，面积均为0.1×0.1 m2，计算该面积上植物个数，取平均值。地上生物量(干质量)：从单位面积混播植物中随机取幼苗15株，取地上部分在烘箱内105 ℃杀青0.5 h，然后调至65 ℃烘干至恒质量，称量，计算单株干质量。

试验数据均在 Excel 2003中录入，运用SPSS 13.0软件采用Duncan单因素方差分析和显著性检验。

生态袋, Ecological bag; 标准扣, Standard buckle 图1 生态袋放置施工技术简图Fig.1 Construction technology chart for placing the Ecological bag

2 结果与分析

2.1 不同水氮供应生态袋对植被出苗率的影响

不同水氮供应条件下，比较边坡和平地植被出苗率情况发现(表2)，出苗早期，在边坡上，2种灌溉处理、N1水平植被出苗率明显高于其他处理，与对照相比差异显著(P<0.05)，尤其充分灌水低氮(W2N1)时，出苗率最高，为79%。平地上，随供氮量的增加，W2处理时植被出苗率均高于W1，且充分灌水中氮(W2N2)时出苗率最高，为77.67%。可见，出苗早期，利于边坡植被出苗的最适条件为：充分灌水低氮(W2N1)处理；而平地为充分灌水中氮(W2N2)处理。出苗后期，无论边坡还是平地，供氮条件下植被出苗率均高于无供氮处理。其中：最适合边坡植被出苗的供氮水平为低氮(N1)处理，出苗率92%或85.67%；而平地为高氮(N3)条件，出苗率75%或66%。相同供氮水平下，W2时出苗率均低于W1。W2N1处理时，边坡和平地植被出苗率分别比W1N1降低6.88%、34.78%。相同灌溉条件下，在中、高氮(N2N3)处理时平地出苗率均大于边坡。因此，出苗后期，边坡植被出苗的最适水氮条件为W1N1，而平地为W1N3。低水无供氮(W1N0)的2个时间段测定，边坡植被出苗率由早期40%降至9.67%。主要原因是随着植物不断生长，无供氮(N0)条件无法满足植被快速生长的养分需要，产生植物种间竞争致幼苗死亡引起。总的来说，边坡植被在出苗早期和后期均需求低水低氮(W1N1)条件，而平地上，始终需求中、高氮水平，但随着生长时间的推移，对水分的需求由充分灌水降低至低水条件。

2.2 不同水氮供应生态袋对植被高度的影响

由表3可见，出苗早期，N1、N2水平、W2处理时，边坡植被高度明显大于W1处理,尤其W2N1处理对植被高度的促进作用更显著(P<0.05)。但随着供氮量的增加，W2处理时植被高度呈降低趋势。平地上，在不同供氮水平W2处理时高度分别比W1提高17.46%(N1)、29.04%(N2)、4.08%(N3)。出苗后期，相同灌溉条件下，边坡N1水平时植被的高度均大于N0水平(P<0.05，平地P>0.05)，且W2处理时边坡和平地植被的高度分别比W1提高19.62%、18.46%；而N2、N3水平时，边坡和平地植被的高度均随水分的增加而降低，边坡W2N2、W2N3处理时分别同比W1降低9.08%、16.98%。相同水分条件下，无供氮(N0)处理时边坡的植被高度均大于平地。可见，生态袋边坡播种有利于植被生长率的提高，且最适宜的水氮条件为：出苗早期W2N1；出苗后期：W2(或W1)N1>W1N3>W1N2。而平地上，出苗早期、在充分灌水中氮(W2N2,)时株高最大；到出苗后期，相同灌溉条件、高氮(W1/W2N3)时植物株高大于边坡。

表2 不同水氮供应条件下植被的出苗率(平均值±标准差)Tab.2 Seedling emergence rate of vegetation in different water and nitrogen supply conditions (Mean±SD) %

注：同列不同小写字母表示混播草种不同处理间差异显著(P<0.05)下同。Notes: Different lowercase letters within the same column for the mixed forage species mean significant differently among different treatments at 0.05 level. The same below.

表3 不同水氮供应条件下植被的高度(平均值±标准差)Tab.3 Vegetation height in different water and nitrogen supply conditions( Mean±SD) cm

2.3 不同水氮供应生态袋对植被盖度的影响

2种灌溉条件、N1水平时，植被的盖度大小顺序为：边坡>平地>对照(表4)。出苗早期，不论边坡还是平地，N1水平时，W2处理与W1相比，植被盖度提高幅度为边坡(57.69%)>平地(3.91%)。植被盖度在边坡W2N1和平地W2N3时最大，分别为68.33%、53%。出苗后期，除边坡N1水平外，其余肥力水平W1时植被盖度均高于W2处理。表明，边坡植被盖度最适宜的水氮条件为：W2N1；平地为W1N3。表明，植被盖度与水肥条件密切相关，且不论出苗早期还是后期，边坡的植被盖度始终需求充分灌水低氮(W2N1)条件；而平地，到出苗后期水分需求量降低，但对高氮的需求未变。说明生态袋在边坡上明显起到水肥调控作用。这与适宜的灌溉和肥力条件，可有效提高边坡植被的盖度[16]相一致。

表4 不同水氮供应条件下植被的盖度(平均值±标准差)Tab.4 Vegetation coverage in different water and nitrogen supply conditions (Mean ± SD) %

2.4 不同水氮供应生态袋对植被密度的影响

表5所示，出苗早期，边坡W2N1和平地W2N3时植被密度最高，分别为1万3 600株/m2、1万1 500株/m2。出苗后期，不论边坡还是平地，W1N3条件下植被密度最大。说明出苗早期，植被密度最适条件分别为：边坡W2N1；平地W2N3；到出苗后期最适水氮条件分别为W1N3和W2N2。可见，在出苗后期，边坡植被密度的需氮量从早期的低氮增加至高氮水平，水分需求由充分灌水降低至低水条件。而平地植被密度由早期的高氮转为中氮需求水平，对水分需求始终以充分灌水为主。因此，在生产上，随着植物生长时间的推移，在边坡上适时追肥有助于植被茂密生长。整个测定时期，在相同的灌溉条件、无供氮(N0)时边坡植被的密度均大于平地。主要原因是生态袋在边坡上水分调节性能强，且有效促进边坡植被的修复。

表5 不同水氮供应条件下植被的密度(平均值±标准差)Tab.5 Vegetation density in different water and nitrogen supply conditions (Mean±SD) Plants/m2

2.5 不同水氮供应生态袋对植被干质量的影响

对植被干质量而言(表6)，在边坡N1、N2水平、W2时干质量高于W1，尤其W2N1时边坡植被干质量达最高，为0.032 5 g；而平地在W1N1条件时植被干质量最高，为0.031 6 g。说明促进生态袋植被干质量的最适条件为：边坡W2N1；平地W1N1。

表6 不同水氮供应条件下植被干质量Tab.6 Dry weight of vegetation biomass in different water and nitrogen supply conditions g/plant

3 讨论

刘世全等[15]研究发现，过多或过少的水分直接影响根系呼吸，抑制根系对水分和养分的吸收能力。本研究中，在整个测定期，在相同水分条件下，边坡无供氮(N0)时植被高度、盖度、密度和干质量均明显大于平地，且边坡植被在低水(W1)时密度和干质量高于充分灌水(W2)，平地反之。主要原因可能是生态袋在边坡上的水分调节性能强，因此，在低水条件下各形态指标均高于平地。氮素是植物体内叶绿素、蛋白质、核酸和部分激素的重要组成部分，是影响植物正常生长发育的重要营养元素[17-18]。本试验结果中，无供氮低水的2个时间段，边坡植被的出苗率由早期的40%降至9.67%，主要原因是无供氮(N0)条件无法满足植物正常生长的养分需求，甚至导致幼苗大量死亡。

陈继康等[19]研究氮素水平对不同氮效率基因型苎麻(ramie)根系性状的影响发现，合理氮素供应可增强苎麻根系的活力，提高根系体积，促进根系吸收水肥的潜力，反而过高或过低水平均降低苎麻根系的活力。孙誉育等[20]研究水氮耦合效应对红桦(Betualalbo-sinensis)幼苗生长的影响及其生理机制发现，在一定水分含量范围内，氮肥降低土壤水分的溶质势，致使根系很难吸收水分，阻碍对地下和地上部分营养物质的供应，从而对植物的生长发育产生明显的影响。本研究中，边坡植被各形态指标在高氮、低水条件下表现较差，地上植被干质量较低，而平地植被在低氮条件下植被的各形态指标表现较差。但在适宜的水氮条件下长势好，植株高大、生物量积累多，过多或过少的水氮条件下植被长势较差，植株较低矮，生物量积累较少。在植被出苗早期，边坡植被在充分灌水、低氮(W2N1)时，植被出苗率、株高、盖度、密度和地上植被干重均达到最高水平，直至种子出苗后期，该条件下出苗率和植被地面覆盖率仍保持最高水平、植株表现较为高大，而密度在W1N3条件下最高。而平地上，植被出苗早期，在充分灌水中高氮(W2N2/N3)时出苗率、盖度和密度均最高，植株较高大；到出苗后期，平地植被生长对高氮的需求仍未变，但对水分的需求由充分灌水转变为低水条件。因此，在植被生长发育过程中合理调节水分和养分的供给量至关重要。此外，在低氮供应时，边坡植被长势较平地好，而平地植被始终需求中高氮水平维持其生长发育。说明在同等条件下，生态袋在边坡上具有显著的养分调控机制，能够有效促进植物正常生长发育，从而起到边坡植被修复的作用。该技术适合在高寒地区公路边坡修复工作中推广利用。

4 结论

通过研究生态袋不同水氮供应条件对边坡和平地植被萌发生长的影响发现，出苗早期，在充分灌水、低氮(W2N1)时，边坡植被的出苗率、株高、盖度、密度和地上植被干质量均达到最高水平，到出苗后期在中高氮条件下植被密度最高。而平地上，在充分灌水中高氮(W2N2/N3)时，植被出苗率、盖度和密度均最高，植株较高大，到出苗后期，平地植被的生长对水分的需求由充分灌水转变为低水条件。总的来说，在适宜的水氮条件下，植被出苗率、株高、地面覆盖率、密度和生物量等指标均较理想，而在低水无供氮(W1N0)时，出苗后期边坡和平地植被的出苗率、高度、盖度均较低，但具有一定面积的分布。这与供试优良草种对逆境的耐受性有关，而且其生长发育明显受生态袋水氮供应条件的影响。在(W1或W2)N1时，边坡生态袋植被出苗率、高度、盖度较平地高。综上所述，生态袋在边坡上能起到植被修复的作用，且不论是生态袋植被修复技术还是植被修复高抗牧草组合、适宜的水肥设计等方面均应得到推广，从而为高寒地区边坡修复工作中提供指导。