賈 萍,牟 丹,陳善晶,曾 心,王 娟,謝久祥,歐為友
(1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院,青海 西寧 810016;2.青海省草原總站,青海 西寧 810008)
青海省木里江倉礦區(qū)位于青海省海西州天峻縣和海北州剛察縣境內(nèi),是青海省最大的煤礦,也是優(yōu)質(zhì)焦煤和可燃冰資源整裝勘查礦區(qū)。江倉礦區(qū)的植被類型以天然高寒草地和濕地為主,畜牧業(yè)是當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè),是青海省發(fā)展牧業(yè)生產(chǎn)自然環(huán)境條件較好地區(qū)之一[1]。近年來隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,該地區(qū)地下儲(chǔ)存的煤炭資源遭到掠奪式、粗放型開發(fā),導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐脑脖辉獾絿?yán)重破壞,加劇惡化了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,同時(shí)也讓被譽(yù)為“中華水塔”的青藏高原寶貴的濕地資源流失,這與國(guó)家近年來提出的“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明建設(shè)不符。2014年以來國(guó)家和青海省政府加大資金扶持力度,對(duì)該地區(qū)的露天煤礦區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的渣山植被恢復(fù),已經(jīng)得到了初步成效。高寒礦區(qū)海拔高,年積溫低,極端的生態(tài)環(huán)境對(duì)于植物的生長(zhǎng)極為不利,目前有關(guān)礦區(qū)渣山植被恢復(fù)的研究報(bào)道較少[2]。
在2014年至2021年進(jìn)行的對(duì)青海木里和江倉煤田渣山進(jìn)行的植被修復(fù)中,所使用的草種為同德短芒披堿草(Elymusnutans)、青海草地早熟禾(Poapratensis)、青海冷地早熟禾(Poacrymophila)和青海中華羊茅(Festucasinensis)等4種禾本科牧草[3]。以垂穗披堿草、冷地早熟禾、中華羊茅等禾本科牧草為主的多年生人工草地具有1年建植多年受益的特點(diǎn),是青藏高原主要的多年生人工草地推廣栽培方式。但是,生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),這種草地普遍存在建植3~5年后急速退化的現(xiàn)象[4~8],成為進(jìn)一步示范推廣的嚴(yán)重障礙。建植人工草地是恢復(fù)“黑土灘”草地的重要措施,但是由于管理和利用不當(dāng),3~5年后再次成為“黑土灘”[9]。原因在于垂穗披堿草等人工引進(jìn)牧草,極大的消耗了土壤肥力,人工草地在退化后并沒有改善“黑土灘”的土壤質(zhì)量,可能造成“黑土灘”二次發(fā)生[9,10]。改建黑土灘所用草種單一,也是引起黑土灘人工草地退化的原因之一。多年生人工草地建植和管理中,豆禾混播是最理想的組合[11]。不過,青藏高原高寒牧區(qū)適宜栽培的豆科牧草極度缺乏[12],外來草種的引進(jìn)又難以成功[13]。
近20年來,科學(xué)家在青海高寒地區(qū)進(jìn)行了大量的豆科牧草引種試驗(yàn),在海拔2500 ~3000 m的地區(qū),引種成功的報(bào)道很多,如紫花苜蓿[14~17]、截形苜蓿和波斯三葉草[18]、黃花草木樨[11]、紅豆草和甘農(nóng)1號(hào)雜花苜蓿[19]等;在海拔3000~3300 m的地方,引種成功的報(bào)道很少,如甘肅紅豆草和甘農(nóng)1號(hào)雜花苜蓿[19,20],青大1號(hào)紫花苜蓿(王曉勇等,2012);在海拔3300 m以上的地方,雖有幾次嘗試,均以失敗告終。2015年以來,青海大學(xué)在河南縣柯生鄉(xiāng)和優(yōu)干寧鎮(zhèn)海拔3600~3700 m的高寒草地引種高加索三葉草,發(fā)現(xiàn)其可在當(dāng)?shù)爻晒υ蕉⒁揽康叵虑o實(shí)現(xiàn)擴(kuò)繁而多年存活[21]。本研究中,我們將高加索三葉草引種到江倉礦區(qū),并觀察其越冬和擴(kuò)繁情況,為高寒礦區(qū)植被恢復(fù)過程中的草種選擇提供參考依據(jù)。
青海木里江倉礦區(qū)地處青藏高原東北端的祁連山中段南部地區(qū),是大通河的上游盆地,因此該地區(qū)露天煤礦的開采嚴(yán)重影響大通河(湟水重要支流)的水質(zhì)。該地區(qū)年最高氣溫為19.8 ℃,最低氣溫可達(dá)-34 ℃,年平均氣溫為-4.2~-5.1 ℃。年平均降水量為314 mm,蒸發(fā)量為1 418 mm,降雨主要集中在7~9月,降雪集中在1~5月。礦區(qū)四季多風(fēng),夏季盛行東南風(fēng),冬季盛行西北風(fēng)。礦區(qū)海拔高度為3800~4000 m ,屬于高寒草甸低位沼澤濕地,地勢(shì)起伏不大,多年凍土發(fā)育,地表凍融草沼、熱融湖沼、凍脹丘等地貌形態(tài)發(fā)育。礦區(qū)天然高寒草甸和濕地保存完好,土壤肥沃,植被密度很大,植物種類較多,是青海省東北部較大的天然生態(tài)保障屏障。植被構(gòu)成以寒冷中生、短根莖的嵩草屬植物為主,具有植株低矮密叢、貼地面生長(zhǎng)等耐寒特征,層次分化不明顯,主要優(yōu)勢(shì)種有高山嵩草(Kobresiapygmaea)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、垂穗披堿草(ElymusnutansHriseb.)等。
2015年,新西蘭林肯大學(xué)James Moir教授將高加索三葉草引種到江倉礦區(qū),受鼠害破壞后,我們將殘留的部分植株于2018年5月移栽至西寧市城北區(qū)。2018年,由于種苗不夠,我們從內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)王明玖教授處采集了高加索三葉草育成品種“蒙農(nóng)三葉草1號(hào)”(TrifoliumambiguumBieb. cv. Mengnong No.1)的種子和地下根莖,取50株移栽至江倉礦區(qū)。
1.3.1 試驗(yàn)材料種植 2019年6月,將“蒙農(nóng)三葉草1號(hào)” 高加索三葉草根莖移栽至江倉礦區(qū)試驗(yàn)地,進(jìn)行單株移栽試驗(yàn)。小區(qū)移栽時(shí),行距30 cm,株距30 cm。本研究用于引種觀測(cè)的高加索三葉草種植年限為2019年至2021年。
1.3.2 引種表現(xiàn)觀測(cè) 觀測(cè)引種后的高加索三葉草的生長(zhǎng)表現(xiàn),如物候期、長(zhǎng)勢(shì)、生物量、種子產(chǎn)量和結(jié)瘤情況等指標(biāo)。
(1)越冬率:隨機(jī)挑選3個(gè)小區(qū),分別計(jì)數(shù)越冬前后植株數(shù),并計(jì)算越冬后(即返青期)與越冬前(即凍萎期)的比值。
(2)物候期:分為返青期、分枝期、現(xiàn)蕾期、開花期、結(jié)莢期和成熟期,均以50%植株進(jìn)入該物候期計(jì)。
(3)冠幅:指高加索三葉草植株的在南北和東西方向?qū)挾鹊钠骄担糜诒硎酒渲仓甑拇笮 ?/p>
(4)株高測(cè)定:當(dāng)高加索三葉草進(jìn)入盛花期時(shí),隨機(jī)選6株測(cè)定株高(包括自然高度和絕對(duì)高度)。
(5)分蘗數(shù):隨機(jī)選取6株并計(jì)數(shù),早春以從根頸處萌出嫩芽數(shù)為準(zhǔn),盛花期以從地面長(zhǎng)出枝條數(shù)為準(zhǔn)。
(6)地上莖直徑:用游標(biāo)卡尺量取地上莖直徑,隨機(jī)量取6株,每株3枝。
(7)地上生物量鮮重:在高加索三葉草盛花期,隨機(jī)挑選3個(gè)小區(qū),在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取1株或1個(gè)1 m×1 m樣方,齊地面刈割,稱鮮重,分別記為單株地上生物量鮮重和單位面積地上生物量鮮重。
(8)地上生物量干重:獲取地上生物量后烘干至恒重,即得干重。
(9)鮮干比:鮮重與干重的比值,即單株鮮干比=單株地上生物量鮮重/單株地上生物量干重;單位面積鮮干比=單位面積地上生物量鮮重/單位面積地上生物量干重。
(10)地下生物量干重:在高加索三葉草盛花期,隨機(jī)挑選3個(gè)小區(qū),在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取1個(gè)1 m×1 m樣方,采挖地下部分,洗凈,烘干至恒重。
(11)葉量比:指牧草或飼料作物在植物構(gòu)成中,葉占地上生物量的比重。隨機(jī)挑選6 株,齊地面刈割后,分離葉片,風(fēng)干后分別稱取葉重和總重,計(jì)算葉與總重的比值。操作時(shí)將葉柄、嫩稍均計(jì)入葉中。
(12)根莖情況:隨機(jī)挖出6株,記錄軸根數(shù)、側(cè)根數(shù)、根莖數(shù),量取每株側(cè)根長(zhǎng)、軸根長(zhǎng)、根莖長(zhǎng)、根莖直徑,將地下部分洗凈后,稱取鮮重、干重。
(13)根瘤發(fā)育情況:隨機(jī)挖出6株,觀察根瘤的顏色,計(jì)數(shù)每株根瘤數(shù),每取50粒稱取根瘤鮮重,三次重復(fù),烘干后分別稱其干重。
采用Excel 2016整理數(shù)據(jù)與繪制圖形,采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,三年間平均值差異顯著性檢驗(yàn)用單因素方差分析方法。
表1 江倉礦區(qū)引種高加索三葉草的物候期
引種當(dāng)年,高加索三葉草在江倉礦區(qū)不能開花,綠期129 d;引種第三年,高加索三葉草在江倉礦區(qū)不能開花,綠期164 d;引種次年,高加索三葉草少部分植株開花,但種子仍不能成熟,綠期165 d。
表2 江倉礦區(qū)高加索三葉草引種前三年表現(xiàn)
續(xù)表:
在高寒地區(qū),影響高加索三葉草存活的主要因素為越冬困難。為此,我們測(cè)定了高加索三葉草在江倉礦區(qū)的越冬率。高加索三葉草以根莖發(fā)達(dá)著稱,我們測(cè)定了根莖情況,包括根莖數(shù)、根莖長(zhǎng)、根莖粗等指標(biāo)。不論在引種當(dāng)年,還是在引種第二和第三年,高加索三葉草的在江倉的越冬率均在93%以上,各年份之間差異不顯著(表2,P>0.05)。說明高原冬季低溫、干旱和強(qiáng)風(fēng)對(duì)其很小影響,原因在于高加索三葉草地下根莖發(fā)達(dá),地下根莖出芽點(diǎn)埋藏在地下3~4 cm深度。此外,試驗(yàn)地經(jīng)過鼠害防控處理,免遭害鼠破壞,僅有幾株死亡,也是由于偶發(fā)害鼠破壞引起的。根莖數(shù)隨著引種年份的增加而顯著增加,幾乎呈直線增加趨勢(shì),引種各年份之間差異極顯著(表2,P<0.01)。說明高加索三葉草在江倉礦區(qū)能穩(wěn)定形成地下根莖,這對(duì)于高加索三葉草的無性繁殖具有重要意義。引種第一年,高加索三葉草在江倉礦區(qū)的根莖長(zhǎng)度為6.61±3.10 cm,在引種第二和第三年,高加索三葉草的根莖長(zhǎng)均達(dá)到10 cm以上,三年之間差異不顯著(表2,P>0.05),說明高加索三葉草不僅地下根莖發(fā)達(dá),而且地下根莖的長(zhǎng)度在引種第二年后顯著增加,第二年和第三年后長(zhǎng)度在10 cm以上。高加索三葉草引種到江倉礦區(qū)的高加索三葉草的根莖直徑在各年份之間差異不顯著(表2,P>0.05)。根莖粗度發(fā)育良好,為其進(jìn)一步形成的地下出芽點(diǎn)打下基礎(chǔ),有利于形成分蘗。
高加索三葉草的冠幅在移栽后的三年之間差異極顯著(表2,P<0.01),其冠幅依次為7.81±1.17 cm、13.40±2.61 cm、23.67±3.47 cm,年增長(zhǎng)率約為200%,說明高加索三葉草憑借其地下根莖,能在江倉礦區(qū)快速擴(kuò)繁,占領(lǐng)領(lǐng)地,形成植被。
移栽后的三年中,高加索三葉草的分蘗數(shù)在各年份之間差異顯著(表2,P<0.05),移栽后的三年中,江倉礦區(qū)高加索三葉草的分蘗數(shù)逐年增加,形成了龐大的地下根系和根莖系統(tǒng),儲(chǔ)存了大量有機(jī)物,為分蘗的形成和返青做好了物質(zhì)準(zhǔn)備。
高加索三葉草的自然高度在三年之間差異顯著(表2,P<0.05),第一年和第二年的自然高度平均值在5.39~9.85 cm之間,均貼地生長(zhǎng)形成墊狀植物,沒有地上莖的形成;至第三年,由于有少量花序形成,地上莖長(zhǎng)度達(dá)到11.59 cm左右,顯著高于前兩年。
高加索三葉草的絕對(duì)高度在三年之間差異顯著(表2,P<0.05),第一年和第二年的絕對(duì)高度平均值在6.53~9.57 cm之間,均貼地生長(zhǎng)形成墊狀植物,沒有地上莖的形成;至第三年,由于有少量花序形成,地上莖長(zhǎng)度達(dá)到12.06 cm左右,顯著高于前兩年。
移栽后的三年中,江倉礦區(qū)高加索三葉草的地上莖直徑存在極顯著差異(表2,P<0.01)。原因在于,高加索三葉草至第三年才發(fā)育出了地上莖,第一年和第二年沒有地上莖的形成。第三年地上莖直徑為3.5 mm左右。
高加索三葉草雖然以根莖型植物著稱,但仍具有軸根。實(shí)生苗具有軸根,而移栽苗在移栽成功后也會(huì)逐漸生長(zhǎng)出軸根。軸根不僅提高其固著力,而且能幫助其吸收深層土壤水分和養(yǎng)分。移栽后的三年間,高加索三葉草的軸根數(shù)差異極顯著(表2,P<0.01),三年的軸根數(shù)平均值分別為0.26±0.03根/株、1.41±0.05根/株、2.80±0.10根/株。移栽后的第一年,江倉礦區(qū)的高加索三葉草幾乎不能形成軸根,第二年至第三年,高加索三葉草的軸根數(shù)顯著增加,多者達(dá)到3根。
移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的軸根長(zhǎng)平均值分別為3.39±0.68 cm、14.67±1.68 cm、20.35±3.43 cm,說明高加索三葉草的軸根長(zhǎng)度在三年內(nèi)保持了很強(qiáng)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
移栽后的三年內(nèi),高加索三葉草的側(cè)根數(shù)差異顯著(表2,P<0.05),第一至第三年的側(cè)根數(shù)平均值分別為4.49±1.38根/株、8.94±1.13根/株、11.92±0.91根/株,說明高加索三葉草的側(cè)根數(shù)在三年內(nèi)保持了很強(qiáng)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
移栽后的三年內(nèi),高加索三葉草的側(cè)根長(zhǎng)差異顯著(表2,P<0.05),第一至第三年的側(cè)根長(zhǎng)分別為6.66±2.27 cm、10.85±1.71 cm、15.61±2.25 cm,說明高加索三葉草的側(cè)根長(zhǎng)在三年內(nèi)保持了很強(qiáng)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的單株地上生物量(干重)平均值分別為0.40±0.16 g/株、1.62±0.35 g/株、5.10±0.77 g/株,三年之間差異極顯著(表2,P<0.01),說明高加索三葉草的單株地上生物量在三年內(nèi)保持了很強(qiáng)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的單株地下生物量(干重)差異極顯著(表2,P<0.01),其平均值分別為1.23±0.14 g/株、2.57±0.45 g/株、7.51±0.82 g/株,說明高加索三葉草的單株地下生物量在三年內(nèi)保持了很強(qiáng)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的鮮干比沒有顯著性差異(表2,P>0.05),均維持在4.05左右,說明高加索三葉草的鮮干比總體穩(wěn)定。
移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的葉量比差異不顯著(表2,P>0.05),三年的葉量比平均值分別為94.11±0.57%、93.98±1.17%、91.14±0.61%,原因在于三年之內(nèi),高加索三葉草在江倉礦區(qū)均為墊狀植物,前兩年沒有生殖枝的形成,至第三年才有少量生殖枝形成。
移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的每株根瘤數(shù)差異極顯著(表2,P<0.01),每株根瘤數(shù)平均值分別為36.42±4.85個(gè)/株,82.64±6.93個(gè)/株、115.49±11.13個(gè)/株,說明在移栽到江倉礦區(qū)之后,高加索三葉草的根瘤發(fā)育隨著地下生物量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),結(jié)瘤能力基本穩(wěn)定,根瘤數(shù)目顯著增長(zhǎng)。
移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的絕大部分(>90%)根瘤均為淡紅色,掐開后斷面呈粉紅色,高加索三葉草的根瘤鮮重差異不顯著(表2,P>0.05),均維持在0.32 g/50粒左右,其根瘤干重也無顯著差異(表2,P>0.05),均維持在0.12 g/50粒左右。
引種到江倉礦區(qū)后,高加索三葉草在第一年和第二年不能開花,在引種后的第三年才能少量開花,但種子不能成熟。不過,憑借強(qiáng)大的根孽和地下根莖擴(kuò)繁能力,高加索三葉草在江倉礦區(qū)可實(shí)現(xiàn)無性擴(kuò)繁,這也在一定程度上說明,高加索三葉草在江倉礦區(qū)的引種試驗(yàn)是成功的。
據(jù)殷秀杰[22]在內(nèi)蒙多地的引種報(bào)道,高加索三葉草生育期較短,綠期長(zhǎng)。高加索三葉草引種到江倉礦區(qū)后,返青比當(dāng)?shù)啬敛菰缂s10 d,枯黃晚約10 d,總綠期比當(dāng)?shù)啬敛蓍L(zhǎng)約20 d。在如此漫長(zhǎng)的綠期內(nèi),高加索三葉草在江倉礦區(qū)不能實(shí)現(xiàn)種子成熟的原因,在于積溫不夠。為此,如果在開花前對(duì)其進(jìn)行覆膜處理,增加積溫,形成花蕾后去掉薄膜,任由當(dāng)?shù)乩ハx傳粉,應(yīng)當(dāng)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)實(shí)和成熟,具體情況有待進(jìn)一步研究。在江倉礦區(qū),高加索三葉草的綠期長(zhǎng)于當(dāng)?shù)氐臒o霜期,另外,據(jù)牟丹[21]報(bào)道,高加索三葉草引種到西寧市城北區(qū)后,綠期為249 d,無霜期為100 d,綠期比無霜期長(zhǎng)149 d;引種到西寧市湟中區(qū)后,綠期為216 d,無霜期為91 d,綠期比無霜期長(zhǎng)125 d;在河南縣,綠期為166 d,無絕對(duì)無霜期,可以認(rèn)為綠期比無霜期長(zhǎng)166 d??梢哉J(rèn)為,高加索三葉草在較長(zhǎng)時(shí)間的霜期內(nèi),可以正常生長(zhǎng),保持綠色,其抗霜凍能力較強(qiáng),對(duì)于青藏高原植被修復(fù)具有重要意義。
高加索三葉草在江倉礦區(qū)的引種過程中,引種第三年才有少部分植株開花,種子不能成熟。借助其根孽和地下根莖的擴(kuò)張優(yōu)勢(shì),其冠幅每年可擴(kuò)張10 cm以上。引種后三年內(nèi),高加索三葉草的冠幅、分蘗數(shù)、根莖數(shù)、地上生物量、地下生物量、軸根數(shù)、軸根長(zhǎng)、軸根直徑、側(cè)根數(shù)、側(cè)根長(zhǎng)等表征其生長(zhǎng)特性和無性繁殖特性的指標(biāo)均顯著增長(zhǎng)。絕對(duì)高度、自然高度、地上莖直徑、根莖直徑、鮮干比和葉量比等指標(biāo)三年內(nèi)差異不顯著,保持穩(wěn)定,說明引種到江倉礦區(qū)的三年內(nèi),高加索三葉草在植株生長(zhǎng)特性、無性繁殖等方面均表現(xiàn)良好,適合于在江倉礦區(qū)引種、擴(kuò)繁。
牧草產(chǎn)量方面,移栽后的第一至第三年,高加索三葉草的單株地上生物量和地下生物量均極顯著增長(zhǎng),但因?yàn)橐圃灾陻?shù)只有50株,種植面積過小,本研究無法計(jì)算高加索三葉草在江倉地區(qū)的單位面積牧草產(chǎn)量和地下干物質(zhì)產(chǎn)量。張玉發(fā)[23]在北京引種高加索三葉草后,在種植的第二年測(cè)得,畝產(chǎn)干草273.9 kg,這相當(dāng)于牟丹[21]在西寧市城北區(qū)引種后測(cè)得的第一年的畝產(chǎn)干草產(chǎn)量(280.05 kg)。據(jù)報(bào)道,高加索三葉草的地上生物量從第二年開始增加,在7~8 年達(dá)到高峰[24]。估計(jì)在后續(xù)年份,引種在江倉礦區(qū)高加索三葉草的地上和地下產(chǎn)量會(huì)有更好的表現(xiàn)。據(jù)Strachan et al.報(bào)道[25],在種植第13年時(shí),高加索三葉草的地下生物量為20 t/hm2,磷、氮和硫的含量分別達(dá)58 kg/hm2、455 kg/hm2和20 kg/hm2,以及數(shù)量更龐大的碳水化合物。由此看來,如果在青藏高原擴(kuò)大高加索三葉草的種植范圍,既可通過生物固氮改良草地,對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和也具有重要的意義。
一般認(rèn)為,高加索三葉草不能形成根瘤進(jìn)行生物固氮,這成為限制其引種的主要擔(dān)憂之一[26]。以往的做法是通過專一根瘤菌接種形成根瘤,或通過和其他三葉草雜交育種,使其具備固氮能力[27];或與其他豆科牧草混播后,進(jìn)行氮替換。引種到國(guó)內(nèi)后,高加索三葉草在赤峰和呼和浩特等地的結(jié)瘤很少[22]。但是,據(jù)牟丹的研究[21],引種到西寧市城北區(qū)、湟中區(qū)和河南縣之后,高加索三葉草的結(jié)瘤均十分豐富。本研究中,引種到江倉礦區(qū)后,第一年和第二年的株均根瘤數(shù)分別約為36.42±4.85個(gè)和82.64±6.93個(gè),至第三年達(dá)到115.49±11.13個(gè),結(jié)瘤量十分豐富。三年的根瘤數(shù)大體與地下生物量成正比,不存在不結(jié)瘤的植株。另外,根瘤洗凈后成淡粉色,在破開后為粉紅色,均為有效根瘤。因此,引種高加索三葉草,對(duì)于青藏高原高寒草地的固氮具有重要意義。