高寒地区工程创面草皮回铺技术改良及其土壤生态恢复效果

摘要：青藏高原道路工程建设在穿越高寒草甸时会剥离草皮形成众多工程创面，现有草皮回铺修复技术因高原脆弱环境导致其效果不佳。本论文在西藏汪布曲高寒草甸进行了重构草皮回铺技术改良的实地探究，考察浆土混合层与剥离草皮块厚度比、椰丝掺量、草皮块大小以及网垫类型对回铺草皮综合质量的影响。结果表明，各因素均显著提升了回铺草皮的土壤含水率；随着浆土粘结层与草皮厚度比的降低，土壤pH值显著降低，而有机碳含量则显著提升；浆土层与草皮厚度比对土壤脲酶活性有极显著影响，网垫类型与土壤蔗糖酶活性紧密相关；回铺草皮的土壤微生物群落特征在一定程度上发生了变化。确定最优参数为：工程创面上覆厚8 cm的浆土粘接层，厚2 cm的重构草皮块，椰丝掺量1.4%，草皮块大小为700 cm²（35 cm×20 cm），并以方孔铁丝网作为下层网垫。本研究为高寒草甸工程创面生态修复提供了新的参考依据。

关键词：高寒草甸；草皮回铺；养分；微生物群落；草皮综合质量分析

中图分类号：S145+.2""""""" 文献标识码：""""""" 文章编号：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

草原作为我国最大的陆地生态系统类型，不仅是新时代生态文明建设的关键领域，还构成了国家生态安全不可或缺的绿色屏障［1］，其广泛分布于我国西部和北部的半干旱、干旱及高寒地区［2］。在这些区域中，草地生态系统尤为显著，其中高寒草甸作为青藏高原草地的主要类型之一，其稳定性和健康状态对维护区域生态平衡、保障生物多样性以及促进可持续发展具有不可替代的重要性。在全球环境变化、人为活动干扰等多重因素的影响下，如今高寒草甸面临着严重的退化和破坏风险［3］，草皮覆盖减少、土壤侵蚀加剧、生物多样性下降等问题日益凸显［4］。通过人工干预促进植被恢复结合植被自然恢复成为青藏高原重大建设工程实现控制水土流失、生态恢复和改善区域生态环境质量的手段［5］。

近年来，为了有效应对高寒草甸退化的挑战，涌现了较多高寒地区生态防护施工中的修复方法，如机械喷附由土壤、种子、混凝土、速效肥、抗冻添加剂等配制的生态基材［3］，添加改性有机材料以改良土壤［6］，覆土培肥种植［7］、草皮移植［8］等人工建植，将草种、肥料等按配比植入到纤维毯上加工成植被纤维毯［9］，使用装入人工配制植物生长基质的植生袋等。部分学者也对草皮回铺技术［10-11］进行了研究，草皮回铺后的植被在恶劣的高原环境中具有较强的适应性和生存能力，这些技术促进了受损生态系统的快速恢复。但为固定草皮而采用的工程措施（如插入竹签或木签、梢钉）需要精确操作，以避免对草皮、根系造成物理损伤，并且后期需要进行移除工作，将增加额外的维护成本和工作量。除此之外，在极端气候条件下（如强风或暴雪），竹签或木签可能无法提供足够的稳定性，导致草皮的位移或损坏，均会增加高寒草甸区极端环境下的施工难度。因此，亟须寻找一种新的回铺方式，以便在斜坡上铺设草皮后能够立即粘合固定，从而简化施工流程，提高操作性。

本研究中的浆土粘接层主要解决回铺草皮的固定问题，在不采用任何工程措施的情况下起到即时粘合的作用，并满足定植后的养分供应。草皮块尺寸直接影响浆土粘接层的粘合能力［12］，同时，草皮块之间的接缝还会对产沙产流产生影响［13］。在草皮制作过程中为减少草皮破损率、降低撕裂强度，采用下层隔离网垫是完全可行并有必要［14］，研究中对加筋麦格网、方孔铁丝网和椰丝网的作用效果进行对比，以保障重构草皮质量、提升草皮回铺后对边坡的防护能力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区开挖创面位于昌都市察雅县香堆镇仁达村附近（30°54′N，97°97′E），属于汪布曲高寒草甸区。海拔约4200 m，年度最冷月为1月，最低温度-21℃，极端最低温度-30℃左右，极端最高温度为25℃。日温差大，年温差小，气温偏低。年平均降水量为365 mm，年平均蒸发量大，约1460 mm，集中在5-9月。日照长，紫外线强，空气稀薄，项目所在地气候总体特点：高海拔、空气稀薄、降雨量小、紫外线强、全年气温偏低、冰雪季节长，早晚温差较大。

1.2 试验材料

本研究所使用的材料包括高寒草甸区因工程活动堆置的剥离退化草皮、多功能有机肥、改性有机材料、草籽、椰丝纤维、加筋麦格网、方孔铁丝网和护坡椰网。

浆土粘接层由现场堆置的退化草皮下的表土过筛后添加多功能有机肥和改性有机材料混合而成。多功能有机肥由凹凸棒和UiO-66-NH2复合而成，可以吸附养分并缓慢释放，具有长效保持肥力的特点。制备方法参照裴向军等［15］的发明专利。改性有机材料来源于课题组自主研发的改性有机材料［16］，作为界面结合剂连接重构草皮和修复坡面。主要配方包括水370～420 mL，聚合物单体A溶液160～240 mL，聚合物单体B溶液150～180 mL，引发剂溶液 20～60 mL，氧化物溶液0.5～2 mL。其外观为无色溶液；草籽购买自成都百汇草业有限公司，主要包括星星草、披碱草、早熟禾、紫羊茅、沙蒿、黄芪，比例为10∶5∶2∶2∶1∶1。其特点为抗逆性强、耐寒耐旱；椰丝纤维，为100%纤维材料烘干处理，保证含水率在（15±2）%；网垫包括加筋麦格网、方孔铁丝网和护坡椰网。加筋麦格网由低碳金属线编制而成，结构稳定，强度高，弹性结构使其有很好的延伸性。方孔铁丝网采用镀锌不锈钢丝勾连编织而成，能够缓冲外力冲击常用于边坡固定。椰丝网采用天然椰糠纤维为材料交叉编织而成，不仅具有良好的保水固土性能，还具有环保性和可降解性，也被称作护坡椰网。

1.3 试验设计

将现场堆置的剥离退化草皮下的表土过2 mm筛后添加0.5%掺量的改性有机材料、8cm椰丝纤维、1 %多功能有机肥作为重构草皮基质制作重构草皮基质，完成后播撒同比例的草籽。

设置“四因素，三水平”正交试验：浆土粘结层（cm）与草皮厚度（cm）比A∶8∶2，6∶4，4∶6；椰丝掺量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）；网垫类型D：加筋麦格网、方孔铁丝网、椰丝网。因素水平表（表1），正交试验表（表2）。

修复区每个长11 cm、宽3 cm，面积33 m²，总面积共330 m²，坡度为25°～27°（图1）。从2022年7月开始实施草皮回铺，回铺初期覆以农用塑料膜以保持水分、调节昼夜温差大对草籽萌发的影响，在回铺后的60 d采集深度为0～10 cm的表层土壤，进行相关指标测定。

1.4 测定指标与方法

土壤含水率：环刀法［17］，使用特定体积的环刀，从土壤中取样并称重，烘干至恒重，计算烘干前后的质量差来确定土壤含水率；土壤pH值：电极法［18］，将pH计的电极直接插入土壤溶液中测量pH值；土壤铵态氮、速效磷：联合浸提-比色法［19］，用无水硫酸钠、碳酸氢钠制备联合浸提剂提取土壤中养分，使用比色计测量；土壤速效钾：乙酸铵浸提-火焰原子吸收法［20］，通过乙酸铵溶液浸提土壤中的速效钾，利用火焰原子吸收光谱仪测定；土壤有机碳：重铬酸钾氧化-分光光度法［21］，将土壤样品与重铬酸钾溶液混合，消解后，通过分光光度计测量溶液的吸光度来计算土壤有机碳含量；土壤酶活性：包括土壤过氧化物酶（S-POD）、土壤脲酶（S-UE）、土壤蔗糖酶（S-SC），均采用从科铭生物公司购买的酶活试剂盒进行测定；微生物多样性：委托南京派森诺基因科技有限公司采用高通量测序对微生物基因序列测定。

1.5 数据统计分析

统计表现数据变化特征的指标包括最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数、显著性等，主要的数据处理包括：处理不同试验条件下的样点数据，具体包括土壤理化指标、土壤酶活性以及土壤微生物的变化情况等，使用Excel、SPSS、Origin进行数据汇总、分析及制图。随后使用SPSS和SPSSAU软件对数据结果进行了极差分析、因子分析，讨论各试验条件对草皮影响程度大小和相互作用，并得到最优掺量的配置组合。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

如图2所示，土壤理化性质有显著差异（Plt;0.05）。各实验组含水率均高于裸地对照组，与裸地对照组相比，实验组土壤含水率增加约90%，除浆土粘接层与草皮厚度比外，其他三种因素水平间无显著差异。采用椰丝网时草皮含水率最大；裸地对照组土壤pH较高，各因素均能降低pH至中性或微碱性。

椰丝掺量1.2%和使用方孔网垫时，土壤铵态氮含量在因素水平间较高，但各因素水平间无显著差异。采用椰丝网垫时土壤铵态氮含量最小；各实验组土壤速效钾含量均高于裸地对照组。采用方孔铁丝网时土壤速效钾含量最高，与对照组相比增加162.5%。浆土粘接层与草皮厚度比为8∶2时的土壤速效钾含量最高，随着水平的增加，土壤速效钾含量减少；土壤速效磷含量整体无显著差异，说明各因素及水平变化对土壤速效磷变化不大；各实验组土壤有机碳含量均显著高于裸地对照组（P＜0.05），但因素水平间差异不显著。整体来看，约增加土壤有机碳含量30%，草皮和椰丝的添加均可以提高土壤有机碳含量。

2.2 土壤酶活性

不同处理的土壤酶活性如图3所示。实验组的土壤过氧化物酶活性普遍低于裸地对照组；不同椰丝掺量和网垫类型均显著提高土壤脲酶活性（Plt;0.05），但水平间无显著差异。其中浆土粘接层与草皮厚度比为4∶6时土壤脲酶活性在水平间最高，8∶2时脲酶活性最小，显示出随着水平的增加，脲酶活性增加。草皮块大小为700 cm2时土壤脲酶活性水平间最高，600 cm2时土壤脲酶活性最小，各水平间差异不显著。采用加筋麦格网时土壤脲酶活性最高，显著高于采用方孔铁丝网和椰丝网的实验组（Plt;0.05）；回铺草皮各实验组蔗糖酶活性均高于对照组。其中椰丝网垫显著提高了蔗糖酶活性（Plt;0.05）。

2.3 土壤微生物分析

第1组与第5组之间的Shannon指数存在显著差异（Plt;0.05），而第5组与裸地对照组之间呈极显著差异（Plt;0.01），揭示了各实验组土壤微生物群落丰度与均匀性的显著变化，实验组的Chao1与Shannon指数均超越对照组，意味着土壤微生物群落分布更为均衡，结构稳定性也显著提升（图4A）。从土壤微生物OTU数量结果来看，裸地土壤OTU总数最高，均值为8335，第8组土壤OTU总数最低，均值为4224，不同实验组土壤微生物OTU总数存在差异，重叠区域的数字表明OTU在处理组之间是共享的，各处理组土壤微生物OTU数量有710个，说明回铺草皮后边坡微生物群落特征发生显著变化；Beta多样性分析中的NMDS结果显示，各实验组间土壤微生物群落分布相似性较高，而实验组与对照组之间则存在较大差异，这进一步证实了草皮回铺对边坡土壤微生物物种多样性和群落特征产生了影响（图4B，C）。

对土壤微生物在门水平上的相对丰度进行统计发现，变形菌门、芽单胞菌门和放线菌门在各实验组中占绝对优势（图4D）。不同的回铺技术参数对微生物的多样性和群落结构产生了影响，但同一因素各水平之间的丰度差异不显著。

2.4 回铺草皮相关性分析

如图5所示，土壤含水率与土壤速效钾和微生物OTU数量呈负相关，与土壤有机碳含量和微生物多样性指标Chao1呈正相关，且与微生物数量和有机碳含量相关性一致，均为0.9，说明了回铺草皮含水率对土壤微生物的繁殖和代谢以及土壤有机碳的分解和释放均有同样大小的影响作用。土壤pH与各指标之间基本没有相关性，分析原因可能是回铺草皮各掺量对改变土壤pH影响很小。回铺草皮微生物OTU数目与微生物多样性指标Chao1指数、Shannon指数、土壤有机碳含量和含水率均呈现负相关性，说明回铺草皮微生物物种数量和丰度变化呈相反趋势。

2.5 回铺草皮综合质量分析

计算回铺草皮综合质量得分与排名，包括草皮回铺各主因子得分、综合得分及排名（表3），发现综合得分最低的是裸地对照组，因此，草皮的各添加成分对草皮综合质量提高均有良好作用。

根据各实验组草皮综合得分情况对四个因素之间进行极差分析（表4），得出四个影响因素的主次和最优方案。根据极差分析表可知，浆土粘结层与草皮厚度比A、椰丝掺量B、草皮块大小C、网垫类型D四个因素对回铺草皮综合质量影响由大到小顺序依次是网垫类型D、浆土粘结层与草皮厚度比A、椰丝掺量C、草皮块大小D。

本试验涵盖了土壤物理、化学、土壤酶活和微生物学指标4个方面的指标，对回铺草皮进行综合质量评价，具有合理性。极差分析结果中的K值反映了某一因素的各个水平间的优劣，K1、K2、K3代表了某一因素的三个水平，其值越大，其代表的水平越具有优势。由表4可知，浆土粘结层与草皮厚度比A为K1gt;K3gt;K2，椰丝纤维掺量B为K3gt;K2gt;K1，草皮块大小C为K3gt;K1gt;K2，网垫类型D为K2gt;K1gt;K3，因此，本实验优化方案配置为A1B3C3D2，即最优的草皮回铺技术改良参数为浆土粘结层与草皮厚度比8∶2、1.4%椰丝纤维掺量、700 cm2草皮块大小和以方孔铁丝网为下层网垫。

3 讨论

3.1 草皮回铺技术改良对土壤理化性质的影响

土壤理化性质是土壤肥力和生产力的关键指标，对土壤生态系统的健康和功能至关重要［22］。回铺草皮各实验组含水率均高于裸地对照组。网垫类型选用椰丝网时草皮含水率最大，这主要是因为植物纤维具有良好的吸水能力［23］；裸地对照组土壤pH较高，而碱性土壤不利于植物生长［24］，各因素均能降低pH至微碱性甚至中性。

采用椰丝网垫时，回铺草皮土壤铵态氮含量最小，有研究表明植物纤维在腐化时会放热并吸收大量氮元素，导致土壤氮元素减少［25］。采用方孔铁丝网时土壤速效钾含量最高，这或许和方孔铁丝网能够保持土壤结构稳定［26］这一特性有关；土壤有机质是草地最重要的养分来源［27］。回铺草皮各实验组有机质含量均显著高于裸地对照组，草皮和椰丝的添加均可以提高有机质含量。

3.2 草皮回铺技术改良对土壤酶活性的影响

土壤酶在养分循环和生态系统功能中起着关键作用［26］。回铺草皮的过氧化物酶活性普遍低于裸地对照组，这可能是因为草皮的回铺影响了土壤温度、湿度和通气性［28］，具体而言，草皮的覆盖可能减少了土壤表面的热量散失，导致土壤温度相对恒定但可能偏低；同时，草皮根系及其附着的微生物活动也影响了土壤水分的分布与蒸发速率，进而改变了土壤湿度；此外，密集的草皮层还可能阻碍了土壤与外界的气体交换，影响了土壤的通气性能。这些环境因子的变化，直接或间接地影响了过氧化物酶的活性，体现了土壤酶对环境变化的敏感响应。椰丝网垫提高蔗糖酶活性，可能与椰丝中木质素、纤维素等成分降解，为蔗糖酶提供碳源有关［29］，随着碳源的增加，蔗糖酶获得了更多的底物来执行其催化功能，即将蔗糖等大分子糖类分解为简单糖类，这一过程不仅加速了有机质的分解速率，还促进了土壤养分的循环与再利用。

3.3 草皮回铺技术改良对土壤微生物多样性的影响

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，参与并推动环境中物质与能量的流动和转换［7］。在α多样性分析中，第1组和第5组之间的Shannon指数存在较大差异，第5组和裸地对照组之间的Shannon指数存在较为悬殊的指数差异。这表明各实验组土壤微生物群落的丰度和均匀性存在较大差异。实验组的Chao1指数和Shannon指数均大于对照组，说明土壤微生物群落分布更加均匀、结构更加稳定。裸地土壤OTU总数在各处理组中最高，这一现象可能是因为裸地已经形成了一个成熟的微生物群落，回铺草皮处的土壤还处于恢复期，微生物群落的多样性发展程度不同。并且回铺草皮涉及土壤扰动，这可能会暂时降低土壤微生物的多样性。

Beta多样性分析中，通过非度量多维尺度分析（NMDS），结果显示各实验组之间草皮土壤微生物群落分布差异不大，可能是各实验组的微生物在生态位上存在重叠，使得菌落结构相似［30］，但实验组与对照组之间差异明显，说明回铺草皮对边坡微生物物种数量和群落特征产生了显著影响。对回铺草皮土壤微生物在门水平和属水平上的相对丰度进行统计。结果显示，变形菌门、芽单胞菌门和放线菌门在各实验组中占绝对优势，这一结果与其他在青藏高原高寒草甸的研究结果一致［31］，变形菌门被认为与碳利用有关［32］。不同的回铺技术参数对微生物的多样性和群落结构产生了影响，但同一因素各水平之间的丰度差异不显著。这可能是因为重构草皮基质环境已经给微生物生长提供充足的环境［33］，同时，微生物发生大分类上的组成变化需要极其漫长的过程［34］。

3.4 回铺草皮过程中的经济成本分析

草皮回铺技术的经济成本主要包括材料费用、运输费用、施工费用以及后期维护费用等。在高寒地区，由于气候恶劣、交通不便等因素，这些成本会相对较高，对草皮回铺过程中的各项成本进行了详细核算，回铺草皮的费用每平米200～300元。通过此技术创新草皮的抗逆性和成活率提高，减少了后期维护费用，因此，该过程与其他传统的草皮回铺技术相比，会降低一些成本。同时，在后期我们将加强与当地社区的合作，利用本地资源，也能在一定程度上降低材料采购与运输成本。

4 结论

本研究在西藏汪布曲高寒草甸区原位开展了草皮回铺技术优化实验，实地应用探究了浆土混合层与草皮厚度比、椰丝掺量、草皮块大小以及网垫类型对回铺草皮综合质量的影响，并确定了最优的草皮回铺技术改良参数：浆土粘接层与草皮厚度比8∶2，椰丝掺量1.4%，草皮块大小700 cm2，并以方孔铁丝网作为下层网垫。本研究为高寒草甸生态修复提供了科学依据和技术支持，也为其他类似脆弱生态系统的恢复提供了参考。未来可进一步探索不同生态修复材料和方法的组合效应，以及长期生态效应的监测和评估，促进高寒草甸生态系统的可持续发展。

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（责任编辑" 彭露茜）