兩種草本植物種子萌發(fā)與幼苗生長對(duì)植被混凝土水泥含量的響應(yīng)

王 稷 譚向前 熊丹偉 陳芳清

(1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)生態(tài)保護(hù)與治理國際合作研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

西南高山亞高山地區(qū)地形復(fù)雜，山高坡陡，是我國生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱的地區(qū)[1].隨著近年來鐵路、公路、水電站的建設(shè)力度增大，隨之產(chǎn)生了大量的工程邊坡，裸露、未覆蓋的人造斜坡存在滑坡、泥石流等多種地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)[2].利用植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)(CBS)開展工程邊坡的生態(tài)恢復(fù)對(duì)于該地區(qū)的生態(tài)保護(hù)具有積極作用.植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)是一種采用特定的混凝土和種子配方對(duì)巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)和綠化的一種新型全坡面噴植工程綠化技術(shù)，其能滿足邊坡防護(hù)強(qiáng)度、抗雨水沖刷能力要求和適應(yīng)植物長期生長要求，因此在邊坡治理和生態(tài)護(hù)坡中應(yīng)用廣泛[3].為了滿足高山亞高山地區(qū)高陡邊坡生態(tài)恢復(fù)的需要，常常需要增加植被混凝土中水泥的含量，以增強(qiáng)生態(tài)恢復(fù)的邊坡植被混凝土的穩(wěn)定性[4].但隨著水泥含量的增加，植被混凝土的理化性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而對(duì)植物種子萌發(fā)與植株生長產(chǎn)生不利影響[5].篩選能夠適應(yīng)西南高山亞高山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)又能適應(yīng)植被混凝土水泥脅迫的先鋒植物成為該地區(qū)高陡邊坡生態(tài)恢復(fù)的核心問題.

冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn)和垂穗披堿草(Elymusnutans Griseb.)是具有抗干旱、耐寒冷、抗風(fēng)沙、耐鹽堿等重要特性的西南高山亞高山地區(qū)次生裸地先鋒草本植物，目前在西南高山亞高山地區(qū)邊坡植被恢復(fù)中取得了很好的效果[6].本研究通過研究植被混凝土中不同水泥含量下這兩種先鋒草本植物種子萌發(fā)與幼苗生長，探討了兩種先鋒草本植物與植被混凝土的相容性，從而為植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)在西南高山亞高山地區(qū)的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冰草和垂穗披堿草種子均購于江蘇新泰種業(yè)批發(fā)有限公司，冰草種子千粒重5.35g，垂穗披堿草千粒重3.68g，種子質(zhì)量良好.

本研究參考《NB/T 35082-2016水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》[7]，設(shè)置了0%、4%、6%、8%、10%、12%等6個(gè)水泥含量的處理水平，分別進(jìn)行植物種子萌發(fā)與幼苗生長的試驗(yàn).種子萌發(fā)的試驗(yàn)在直徑12cm 的培養(yǎng)皿中放入上述不同水泥含量的植被混凝土，將50粒種子均勻?yàn)⒃诨辽戏?，再薄撒一層?duì)應(yīng)水泥含量的植被混凝土輕微覆蓋種子，將其置于PRX-600D 型人工氣候箱進(jìn)行，培養(yǎng)箱條件設(shè)置為25℃，濕度為58%，以12h光照和12h黑暗處理的周期循環(huán)培養(yǎng)并噴水使土壤完全濕潤，每個(gè)水泥含量各設(shè)置5個(gè)重復(fù).

幼苗生長試驗(yàn)的試驗(yàn)單元為高20.9cm、內(nèi)口徑27.9cm 的塑料花缽.將花缽分別裝入上述不同水泥含量的植被混凝土，將50粒種子均勻?yàn)⒃诨辽戏?，再薄撒一層?duì)應(yīng)水泥含量的植被混凝土輕微覆蓋種子，并噴水使土壤完全濕潤，于溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng).待種子萌發(fā)20d后，對(duì)花缽內(nèi)幼苗進(jìn)行疏苗處理，選擇各處理生長狀態(tài)相似的25株幼苗繼續(xù)培養(yǎng).每個(gè)水泥含量各設(shè)置5個(gè)重復(fù).培養(yǎng)期間進(jìn)行規(guī)范水分管理，培養(yǎng)期內(nèi)氣溫21～37℃，濕度55%～80%.在生長60d時(shí)對(duì)各處理水平進(jìn)行幼苗生長指標(biāo)測定.

1.2 種子萌發(fā)與幼苗生長指標(biāo)的測定

種子萌發(fā)試驗(yàn)從播種的第二天開始，每天記錄種子發(fā)芽數(shù)，統(tǒng)計(jì)14d.分別用發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽(速率)指數(shù)(GI)來評(píng)價(jià)種子的萌發(fā)情況，發(fā)芽率=(發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；發(fā)芽勢=(前5d 發(fā)芽種子總數(shù)/發(fā)芽種子總數(shù))；發(fā)芽指數(shù)GI=∑Gt/Dt，式中Gt為在t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽天數(shù).

幼苗生長試驗(yàn)在60d對(duì)各處理水平進(jìn)行幼苗生長測定.每個(gè)處理水平在5 個(gè)花缽中各取出3 株植物，分別對(duì)植株進(jìn)行根系掃描，得出根系根長、根表面積、株高數(shù)據(jù)；再分別對(duì)植株地上生物量、地下生物量進(jìn)行測定，105℃殺青20min 后于80℃下烘干至恒重，稱量植物各部分干重，即為各部分生物量(mg·株-1).并計(jì)算植株總生物量(mg·株-1)和根冠比.

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和初步分析.采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行種子萌發(fā)、幼苗生長的水泥含量單因素方差分析，并進(jìn)行LSD 多重比較分析.統(tǒng)計(jì)分析在95%的置信水平上進(jìn)行，P＜0.05，差異顯著，P＞0.05，差異不顯著.

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥含量對(duì)兩種草本植物種子萌發(fā)的影響

2.1.1 水泥含量對(duì)兩種草本植物種子萌發(fā)動(dòng)態(tài)的影響

冰草和垂穂披堿草的萌發(fā)動(dòng)態(tài)在各處理水平下均呈“S”型變化趨勢，冰草在8d時(shí)間內(nèi)各處理水平基本萌發(fā)完畢，垂穂披堿草在10d時(shí)間內(nèi)各處理水平基本萌發(fā)完畢(如圖1所示).水泥組處理的快速萌發(fā)期快于對(duì)照組，其增長幅度也高于對(duì)照組.垂穂披堿草種子的萌發(fā)進(jìn)程在各水泥含量處理水平之間無明顯差異.

圖1 水泥含量對(duì)冰草(A)和垂穂披堿草(B)種子萌發(fā)動(dòng)態(tài)的影響

2.1.2 水泥含量對(duì)兩種草本植物種子萌發(fā)參數(shù)的影響

植被混凝土中水泥含量對(duì)冰草、垂穂披堿草種子發(fā)芽率的影響不顯著(P＞0.05)(見表1).

表1 水泥含量對(duì)冰草和垂穂披堿草種子萌發(fā)參數(shù)的影響

兩種草本植物種子的含水泥處理組中的發(fā)芽率均略高于對(duì)照組，但各處理之間發(fā)芽率的差異沒有達(dá)到顯著水平(P＞0.05).水泥含量對(duì)冰草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均有顯著影響(P＜0.05)(表1).冰草種子含水泥處理組中的的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均顯著高于對(duì)照組(P＜0.05)，其中10%水泥處理組有最大值(79.33±10.66%和9.02±1.98)，分別為對(duì)照組的1.99倍和1.92倍.水泥含量對(duì)垂穂披堿草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的影響均不顯著(P＞0.05)(表1)，各處理之間的差異沒有達(dá)到顯著水平.

2.2 水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗生長的影響

2.2.1 水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗地上部生長的影響

水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗株高均有顯著的影響(P＜0.05)(如圖2所示).冰草、垂穂披堿草在含水泥處理組中的幼苗株高均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05).且冰草、垂穂披堿草的幼苗株高均隨著水泥含量的上升而下降，其中12%水泥處理組有最小值(13.48±1.91mm 和13.05±1.64mm)，分別為對(duì)照組的62%和56%.

圖2 水泥含量對(duì)冰草和垂穂披堿草幼苗株高的影響

水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗地上生物量也均有顯著的影響(P＜0.05)(見表2).冰草、垂穂披堿草在含水泥處理組中的幼苗地上生物量均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05).且冰草、垂穂披堿草的幼苗幼苗地上生物量均隨著水泥含量的上升而下降，各處理之間的差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05).其中12%水泥處理組有最小值(5.26±0.26mg·株-1和4.58±0.39 mg·株-1)，分別僅為對(duì)照組的39%和25%.

表2 水泥含量對(duì)冰草和垂穂披堿草幼苗生物量的影響

2.2.2 水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗地下部生長的影響

水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗根長、根表面積均有顯著的影響(P＜0.05)(圖3、圖4).冰草、垂穂披堿草在含水泥處理組中的幼苗根長均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05).且冰草、垂穂披堿草的幼苗根長、根表面積均隨著水泥含量的上升而下降，其中12%水泥處理組有最小值(23.12±3.26mm 和26.49±1.32 mm)、(2.78±1.00mm2和3.00±0.60mm2)，分別為對(duì)照組的(37%和39%)、(23%和27%).

圖3 水泥含量對(duì)冰草和垂穂披堿草幼苗根長的影響

水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗地下生物量也均有顯著的影響(P＜0.05)(表2).冰草、垂穂披堿草在含水泥處理組中的幼苗地上生物量均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05).且隨著水泥含量的上升，冰草、垂穂披堿草的幼苗地下生物量均有下降的趨勢，各處理之間的差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05).其中12%水泥處理組有最小值(5.21±0.28mg·株-1和6.56±0.24 mg·株-1)，分別僅為對(duì)照組的43%和34%.此外，與幼苗地上生物量、地下生物量的結(jié)果一致，水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗總生物量也均有顯著的影響(P＜0.05)(表2).冰草、垂穂披堿草在含水泥處理組中的幼苗總生物量均顯著低于對(duì)照組(P＜0.05).且隨著水泥含量的上升，冰草、垂穂披堿草的幼苗地下生物量均有下降的趨勢，各處理之間的差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05).其中總生物量在10%水泥處理組降到對(duì)照組的50%以下，12%水泥處理組有最小值(10.47±0.37mg·株-1和11.13±0.52mg·株-1)，分別僅為對(duì)照組的41%和30%.

而水泥含量對(duì)兩種草本植物幼苗根冠比也均有顯著的影響(P＜0.05)(表2).冰草在含水泥處理組中的幼苗根冠比均顯著高于對(duì)照組(P＜0.05)，但各水泥含量處理間未見顯著差異(P＞0.05)，其中12%水泥處理組有最大值(1.07±0.38)，為對(duì)照組的1.20倍.垂穂披堿草幼苗根冠比隨著水泥含量的上升呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，其中最低值出現(xiàn)在8%水泥處理組(0.85±0.05，為對(duì)照組的80%)，而最高值出現(xiàn)在12%水泥處理組(1.44±0.12，為對(duì)照組的1.40倍)，均與對(duì)照組有顯著差異(P＜0.05).

3 討 論

種子萌發(fā)是生命周期的最關(guān)鍵時(shí)期，其對(duì)邊坡植被混凝土中植物的種群動(dòng)態(tài)、群落結(jié)構(gòu)和可持續(xù)性具有主要的影響[8].植被混凝土中水泥含量對(duì)不同植物種子萌發(fā)的影響存在差異，如Xiao等[5]研究中發(fā)現(xiàn)狗牙根萌發(fā)率與植被混凝土中水泥含量呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其認(rèn)為植被混凝土中水泥含量不能超過10%.而Chen等[9]在植被混凝土中水泥含量對(duì)3種先鋒植物種子萌發(fā)率的研究中則指出，適合高羊茅、木蘭和紫花苜蓿萌發(fā)的水泥含量在8%左右.在本研究中，不同處理下兩種草本植物種子萌發(fā)動(dòng)態(tài)曲線基本一致，不同水泥含量對(duì)冰草、垂穂披堿草種子發(fā)芽率未見顯著負(fù)面影響.其中冰草在含水泥處理組中的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均高于對(duì)照組，說明水泥對(duì)冰草種子萌發(fā)無抑制作用；而垂穂披堿草發(fā)芽指數(shù)整體隨水泥處理含量的升高而下降，12%水泥處理組發(fā)芽勢出現(xiàn)了顯著下降，說明高水泥含量下垂穂披堿草種子萌發(fā)受到一定的抑制.水泥對(duì)兩種草本先鋒植物種子萌發(fā)不具有顯著的影響，其可能原因在于冰草、垂穂披堿草耐鹽堿性強(qiáng)，其對(duì)于植被混凝土的高pH 環(huán)境具有極強(qiáng)的適應(yīng)[10]；且植被混凝土中水泥的硬凝反應(yīng)主要限制植物的根系生長，而對(duì)于種子萌發(fā)的影響較小.

植物的生長和植被生物量的增加對(duì)于提高邊坡的穩(wěn)定性，增強(qiáng)植被混凝土的剪切強(qiáng)度具有重要的作用[11].Gao等[12]在巖石邊坡生態(tài)修復(fù)混凝土混合物的研究中指出，應(yīng)使用極低的水泥含量(1.5%)以維持植物的正常生長.而Xu等[13]在水泥含量對(duì)狗牙根幼苗生長的研究中則發(fā)現(xiàn)，幼苗生長隨著水泥含量的上升先促進(jìn)后抑制，高值出現(xiàn)在8%～10%的水泥含量處理中.本研究中，發(fā)現(xiàn)冰草、垂穂披堿草幼苗生長均隨著水泥含量的升高受到的抑制加重，幼苗株高、地上生物量、根長、根表面積、地下生物量均與水泥含量呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.其中水泥含量的增加對(duì)根系生長特別是根系表面積的影響要大于株高，說明水泥對(duì)兩種草本植物幼苗生長的影響首先從根系生長抑制開始.隨著水泥的上升，冰草、垂穂披堿草幼苗生物量均出現(xiàn)顯著下降，總生物量在10%水泥處理組降到對(duì)照組的50%以下.其中垂穂披堿草幼苗根冠比先下降后上升，從10%水泥處理組開始出現(xiàn)明顯的上升，表明幼苗生長特別是地上部生長受到明顯抑制.綜合考慮兩種草本植物各項(xiàng)幼苗生長指標(biāo)，其適宜生長的水泥含量應(yīng)不高于8%.

在工程實(shí)際中，適宜的植被混凝土組成配比對(duì)植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)的邊坡防護(hù)和生態(tài)恢復(fù)效果具有決定性的作用[14].Luo等[15]研究認(rèn)為，在坡度不超過45°的邊坡，3%～5%的低水泥含量即可滿足護(hù)坡需求并可以很好地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù).而Rasse等[16]則認(rèn)為對(duì)于陡峭的邊坡，需要10%～20%的水泥含量以維持邊坡穩(wěn)定.在我國水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范中，則建議植被混凝土中水泥含量應(yīng)在6%～10%以發(fā)揮最大護(hù)坡作用[7].考慮到西南高山亞高山地區(qū)的邊坡特別是人造邊坡較陡峭的特征和反復(fù)凍融造成的植被混凝土質(zhì)量的快速損失，在該地區(qū)應(yīng)用植被混凝土技術(shù)需要采用較高的水泥含量以增加植被混凝土抗反復(fù)凍融和抗沖刷能力[7，17].因此，該地區(qū)運(yùn)用植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)的合適水泥含量應(yīng)為6%～8%，但對(duì)于陡峭斜坡水泥含量可升至10%以獲得更好的植被混凝土穩(wěn)定性.

4 結(jié) 語

1)植被混凝土中不同水泥含量(0～12%)對(duì)冰草、垂穂披堿草種子萌發(fā)未見顯著負(fù)面影響，但兩種草本植物的幼苗生長均隨著水泥含量的上升而明顯受到抑制.

2)綜合考慮種子萌發(fā)、幼苗生長和西南高山亞高山地區(qū)的邊坡實(shí)際情況，冰草、垂穂披堿草具有作為應(yīng)用于西南高山亞高山地區(qū)植被混凝土生態(tài)修復(fù)備選植物的潛力.

3)西南高山亞高山地區(qū)植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用的適當(dāng)水泥含量為6%～8%，在高陡邊坡生態(tài)恢復(fù)的最高水泥含量應(yīng)不超過10%.