护坡绿化基质不同配比对植物生长影响的盆栽试验研究

苗 杰，曲炳鹏,2，王淑琦，张红祥，姜 杰，姚光刚，胡占华

(1.天津绿茵景观生态建设股份有限公司，天津300384；2.南宁师范大学 环境与生命科学学院，广西 南宁 530001)

喷播是快速恢复破损山体生态群落的方式之一。喷播基质主要由保水剂、黏结剂、有机质和土壤等按一定比例混合而成，喷附于边坡上并为边坡植物提供稳定生长、演替的基础条件。配比优良的基质不仅能为植物提供生长所需的水分、养分，还能为植物提供合理的物理结构，加之喷播基质自身具有的稳定性，可以更好地黏附于边坡上起到保持水土的作用。因此，基质的配比科学与否对护坡工程的成败起着决定性作用[1]。相关研究表明，合理的喷播基质配比可以延长草坪寿命达30年之久[2]。

目前，国内外对边坡喷播基质的配比研究逐渐增多，主要集中在理化性质[3]、植物物种[4]、工程工艺[5]等方面，而针对四川红土区原位土壤改良优化材料方面的研究相对较少，仅有的喷播基质研究也主要集中在价格相对较高的木纤维材料上。因此，探索四川红土地区喷播基质的合理配比对边坡生态恢复具有重要的理论和现实意义。本研究以四川成都龙泉山公路边坡常见红土和当地苗圃土为种植土材料，设置上下两层基质材料，栽植适宜植物，选用正交表指导基质配比[6]，研究绿化基质的pH值、电导率和植物的出苗率、生长量等特征，探讨不同配比基质对植物存活及生长的影响，以确定最优基质配比，为四川红土地区公路边坡生态恢复与重建提供理论支持。

1 试验区概况

试验区地处东经104°21′～104°53′、北纬30°29′～30°56′，为四川盆地东部山地地貌，属亚热带湿润季风气候区，年均降水量926.4 mm，年均气温16.8 ℃，最高气温37 ℃，最低气温-4.8 ℃，最冷月1月平均气温5.7 ℃，最热月7月平均气温26.0 ℃，无霜期年均285 d。岩土工程勘察结果显示，试验区岩层主要为砖红色砂岩，局部地段夹棕红泥岩或与泥岩互层。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验取土区域原为当地苗圃，表层土壤肥沃，土壤呈黑褐色，质地较好，为粉黏土，土壤有机质含量高；而当地喷播所用土壤为红土，岩层以红层泥岩为主，土壤较为贫瘠，有机质含量低，水稳性差，砾石含量高，孔隙度低。苗圃土与红土的基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

种子筛选：参考文献[7-8]和试验区周围边坡生态修复工程案例中的植物种类配置和播种量，结合AHP层次分析法与关联法确定试验区的植物种类配置及播种量。为了满足短期景观效果，同时配合野花组合作为景观点缀。具体配置及播种量见表2。

表2 植物种类配置及播种量

种子处理：紫穗槐、银合欢、多花木蓝、木豆、胡枝子等豆科灌木种子均在65 ℃温水中浸泡2 h。

2.2 试验设计

设置L9(33)正交试验，各因素与对应的水平如表3所示，基质配比具体试验方案如表4所示，以种植土全为苗圃土的M处理为对照，共设置10个处理，每个处理3个重复，共制40 cm×20 cm×15 cm长方形花盆30个。基质分为两层：第一层为底土层，厚约5 cm，蛭石和稻壳不同比例混合作为3%孔隙调节剂；第二层为表土种子层，厚约1 cm，使用不同用量蛭石调节孔隙。全部处理按照150 g/m2添加黄腐酸以及质量分数15%的蚯蚓粪，并添加等量的保水剂、黏结剂。

表3 正交试验各因素及水平

表4 基质配比试验方案

2.3 试验方法

叶绿素含量测定：SPAD值是衡量一株植物叶绿素相对含量或者说代表植物绿色程度的一个参数。各处理分别随机取3株，每株取功能叶3片，采用SPAD-502Plus叶绿素仪分别测定叶片3个不同部位的SPAD值，求得各处理的总体均值。地上和地下生物量测定：地上生物量是指将植物齐根剪掉称量地上部分，地下生物量是指将基质中的植物根系洗净称量，二者直接相加得到总生物量。pH值和电导率分别采用pH计和电导率仪测定。

2.4 数据分析

采用综合评价法[9]对各项指标进行综合评价，植物生长指标综合评价指数计算公式为

(1)

其中

(2)

上二式中：I为某处理的综合评价指数；n为指标个数；X(f)为某指标的隶属度；X为某指标实测值；Xmin为某指标测定的最小值；Xmax为某指标测定的最大值。

采用Excel软件完成数据整理和制表，用SPSS 21.0数据分析软件对相关指标进行单因素方差分析(one-way ANOVA)及邓肯多重比较。

3 结果与分析

3.1 植物生物量分析

植被在边坡生态修复中的水文效应主要包括截留降雨、削弱溅蚀、减缓地表径流等功能。植物的地上部分分蘖多、丛状生长，可以有效地分散、减弱、阻截径流，进而改变径流形态，从而减弱径流对土体的冲蚀[10]。由图1和表5可知，不同处理间的生物量均表现为地上生物量大于地下生物量，各处理地上生物量与总生物量排序均为T2>T8>T1>T9>T7>T3>M>T5>T6>T4，地下生物量排序为T2>T8>T3>T1>T9>T7>T5>M>T4>T6。其中，T5、T6、T4处理总生物量及地上生物量均低于M处理，说明这三个处理的植株整体长势较弱，基质配比还有待优化；而T2、T8处理的地上生物量、地下生物量及总生物量均明显高于其他处理，表明T2、T8这两个处理基质配比较为合理，可以明显促进植物生物量的增加。

图1 各处理地上与地下生物量(鲜质量)

表5 各处理生物量实测值

3.2 植物叶片SPAD值分析

叶绿素的含量是植物重要的生理指标，它在一定程度上能反映植物同化物质的能力[11]，因此其含量变化情况可用来表征植物的生长状况。由图2可知：整体上同一处理30 d和45 d两次测定的SPAD值差异不大，除T1、T2、T6处理45 d的SPAD值较30 d有所增加外，其余处理均有所减少；各处理30 d的SPAD值排序为T2>T1>T9>T3>T8>T7>M=T6>T5>T4，SPAD值在各处理间无明显差异；各处理45 d的SPAD值排序为T1>T2>T9>T8>T7>T6>M>T4>T5>T3，T1与T2处理的SPAD值显著高于T3、T4、T5处理。总体上，T1、T2处理在30 d和45 d叶片的SPAD值均较高，说明其绿色程度相对较高，植物生长较好。

图2 各处理30 d和45 d的SPAD值

3.3 植被盖度分析

随着草灌植被的生长，其盖度增大，保护基质抗冲刷的能力增强，而且坡面植被还能减少边坡土壤的水分蒸发，增强土壤保水能力[12]。由图3可知，各处理植被盖度排序为T8>T5>T3=T2>T7>T9>M>T1>T4>T6，其中T8、T5、T3、T2处理的植被盖度显著高于T1、T4、T6与M处理，说明T8、T5、T3、T2处理的植被水土保持效果较好。

图3 各处理的植被盖度

3.4 植物根冠比分析

根冠比可以反映植物对边坡的固土效果，是植物地上部与地下部相关性的重要指标。根冠比大，则植株根系发达，更加有利于发挥固土护坡效应[13]。由图4可知，各处理植物根冠比排序为T4>T2>T5>T3>T8>T1=T9>T7=M>T6，其中T4处理的植物根冠比显著高于T6、T7与M处理，说明T6、T7与M处理的植物对边坡的固土效应较差。

图4 各处理植物根冠比

3.5 植物发芽数分析

每个处理共播种85粒种子，在盆栽试验开始后的5、25和50 d时测定发芽数。由图5可知，随着时间延长，各处理的植株发芽数呈现先增加后降低的趋势，这与植株间物种竞争造成部分植株死亡和植物对基质的适应程度有关。各处理在5 d时的发芽数排序为T2>T7>T8=T4>T3=T5=T6>T1>T9>M，T2、T7、T8处理的发芽数显著高于M处理；各处理在25 d的发芽数排序为T8>T5>T7>T3>T9>T1=T2>M>T4=T6，各处理间差异不显著；各处理在50 d的发芽数排序为T8>T7=T1>T2=T9>T5>T3>M>T6>T4，其中T8处理的发芽数显著高于其他处理，说明该处理的基质配比利于植株达到最大的种植密度，复绿效果更好，而发芽数较低且低于对照组的T6、T4处理，相同点是种植土中添加了75%红土，对植物的生存产生了负面效果。

图5 各处理发芽数变化

3.6 土壤指标分析

酸碱性是喷播基质重要的化学性质，会对植物生长、微生物活性以及基质肥力等产生影响。由图6可知，本试验中各处理基质的pH值均在7.5左右，为中性范围，这与添加了蚯蚓粪有关。YADAV et al.[14]指出，蚯蚓粪的pH值通常更趋近于中性，这可能是由于在微生物代谢过程中产生的CO2和有机酸发生了中合作用。

图6 各处理土壤pH值

电导率(EC值)反映的是土壤中可溶性盐的含量，是判断土壤中盐类离子是否限制植物生长的一个因素。土壤中的可溶性盐含量过高，可能会形成反渗透压，从而置换出根系中的水分，使植株根系受损或死亡。当EC值超过4 000 μS/cm植物生长就会受到抑制[15]。由图7可知，本试验基质EC值范围为1 100～2 990 μS/cm，均在合理范围内，表明基质含盐量不会影响植物生长。

图7 各处理土壤EC值

3.7 综合评价

植被对破碎山体的作用表现在两个方面：一是形成稳定的植物群落；二是通过植物叶片对降雨的截留和减蚀作用以及植物根系对岩石、土壤的加筋和锚固作用，达到稳定边坡和防止水土流失的目的。选择植物地上、地下生物指标，利用模糊数学中的隶属函数法[16]，对不同基质条件下的植株生长情况进行多指标综合评价，结果见表6。由表6可知，各处理综合评价指数排序为T8>T2>T7>T9>T1>T3>T5>M>T4>T6。T8处理的植株生长指标综合评价指数最高，为0.86，说明该处理的配比适宜植物生长，各观测指标综合效果最优。种植土中红土与苗圃土比例为1∶1的T8、T7、T9处理综合评价指数均较高，而红土与苗圃土比例为3∶1的T5、T4、T6处理综合评价指数均较低。

表6 综合指标评价

4 讨论与结论

陈永安等[17]对西南地区喷播所用的红土进行了研究，结果表明，红土的物理风化较为强烈，化学风化微弱，风化形成的土壤细黏，保水性及通透性较差，易流失、板结，虽富含钾、磷、钙，但多呈不溶状态，植物难以吸收；而且红土吸热性强，日间温度上升快，夜间散热快，土温变幅大。本研究也通过室内盆栽试验得出，不同配比的基质栽植的植物生长情况有所差异，总生物量最低的三个处理共同点是当地红土与苗圃土比例为3∶1，说明添加过量的红土对植物生长起到了抑制作用，这与前人的研究结果一致；红土的添加量不应超过总种植土的75%，种植土至少25%的用量应来自于客土或者其他有机质。在红土与苗圃土添加比例为1∶1，蛭石∶稻壳为3∶1且蛭石和稻壳添加总质量占材料3%的配置下，栽植的植物生长状况最好。蛭石具有良好的阳离子交换性和吸附性，可改善土壤结构，疏松土壤，也可提高土壤的透气性和含水性，能储水保墒，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壳，这在四川地区边坡绿化中有较大的可利用性。目前南方应用的纤维以稻壳、谷皮类作为替代基质较多，但蛭石成本更加低廉，同时能发挥调节基质容重和孔隙度的作用，可以作为稻壳的替代物进行进一步研究。试验中添加一定比例的蛭石，可以降低蚯蚓粪中的盐分[19]和缓解土壤板结[10]，且蛭石对种子萌发具有积极作用[20]。

叶绿素是植物完成光能吸收与转换的关键因子，其含量变化影响植物光合能力大小及营养水平[21]。叶片的绿色程度与SPAD值显著正相关[22]。有学者试验得出，叶绿素含量前期较少，后期增加，总体趋势是不断增长，说明基质养分较为充足，植物长势比较旺盛[10]。

蚯蚓粪施入土壤后，可改善土壤的物理状况，增加土壤中小于5 μm粒级的微团聚体数量，使土壤充气与持水孔隙的比例适当，从而协调土壤水、肥、气、热的关系，更有利于作物生长；还能显著增加土壤速效氮、磷、钾等养分含量，增强土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶等的活性，从而提高土壤的供肥性能[23]。国外有很多试验已证实蚯蚓粪可以改良土壤，从而使农作物增产[24]。施用蚯蚓粪可以增加土壤中各形态磷的含量及有机质含量，提高土壤磷酸酶活性[25]。本试验中养分主要来自于统一用量的蚯蚓粪，后续并未进行追肥，建议在实际应用中及时进行养分的补充，以促进叶绿素的积累。

相较于在花盆内种植空间的受限，灌草组合试样的植物根系在边坡土壤中盘根错节，形成了复杂的网状结构，因此通过盆栽试验结果量化灌草组合试样植物根系及地上结构的方法具有一定的局限性，未来可对灌草混合根系结构的研究方法进行进一步的探索。

综上所述，在红土与苗圃土按1∶1比例添加，蛭石和稻壳添加占材料总质量的3%且蛭石与稻壳比例为3∶1的基质配比条件下，栽植的植物生长状况最好。本研究结果可为四川地区应用当地红土配置喷播基质提供参考，一定程度上可改善以红土作为边坡喷播基质种植土存在的土壤结构较差、营养匮乏、植物长势差等状况。