半干旱地区高陡岩质边坡植被穴植绿化技术基质土壤特性研究
河南理工大学资源环境学院, 焦作 454003
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应联系的作者。
Land 2024 , 13 (3), 287；https://doi.org/10.3390/land13030287
提交截止日期：2023 年 12 月 21 日
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修订日期：2024 年 2 月 20 日
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接受日期：2024 年 2 月 21 日
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发布日期：2024 年 2 月 26 日
抽象的
土壤基质在高陡坡面植被恢复中起着至关重要的作用，尤其是在半干旱地区。本研究旨在开发一种最佳土壤基质，为半干旱地区高陡岩石坡面的植被生长提供良好的环境。在种植穴绿化技术的框架内，我们开发了一种合成基质，包括基土、泥炭、保水凝结剂、生物炭和控释复合肥。我们通过盆栽试验评估了化合物添加对土壤性质和喜马拉雅爬山虎生长的影响。在半干旱地区裸露、高陡的岩石坡面上进行田间试验，验证了基质成分的最佳配比。结果表明，基土与泥炭的比例显著影响土壤密度、水分、pH、有机质、氮含量和植被生长（Ps < 0.05）。控释复合肥显著影响土壤电导率和碱解氮含量（Ps < 0.05）。同时，保水剂、生物炭、黏结剂对土壤特性和植物生长的影响不显著。最佳基质组成为基土与泥炭7:3、保水剂1.5g/L、黏结剂10mg/L、生物炭5g/L、控释复合肥5g/L。田间验证表明，所研制的最佳基质孔隙结构良好，水分、养分含量适宜，喜马拉雅爬山虎生长良好。该最佳土壤基质适合在半干旱地区高陡岩石边坡上采用种植穴绿化技术建立植被。
1. 简介
道路、水电、露天采矿等工程建设和资源开发活动形成了大量裸露的岩石边坡[ 1 ] ，给生态和地质环境带来挑战，包括景观破碎化、崩塌、滑坡、泥石流等[2,3,4,5]。虽然干砌石、喷锚支护等传统工程防护方法在初期能提供有效的防护，但随着时间的推移，防护效果会逐渐减弱。而植被恢复技术通过促进根系发育，稳步提高边坡强度，是一种经济有效的稳定边坡、改善生态环境的解决方案[ 6,7,8 ]。因此，植被恢复技术在岩石边坡修复中得到了广泛的应用。
半干旱地区的一些高陡石质边坡，坡度超过75°，高度超过30m，降水量少且季节分配不均，土壤固结性差，保水保肥能力差，夏季高温、蒸发等条件恶劣，易发生干旱，养分补充不足，坡面改造是石质边坡生态修复面临的难题[9,10 ] 。目前，石质边坡绿化最常用的技术是喷网，在坡面形成约10cm厚的连续土层，具有机械化、高效、植被恢复快等优点，但一般只适用于坡度小于75°的边坡，且形成的土层厚度有限，在干旱或强降雨冲刷的影响下，会发生严重的脱位和养分流失，导致长期植被恢复效果不佳。值得注意的是，这些限制在坡度大于 75° 的半干旱坡面尤为明显 [ 11 , 12 , 13 ]。作为一种替代方法，种植穴绿化技术涉及在岩石坡面钻孔，用土填满，然后在穴中种植幼苗。该方法有可能解决土壤基质保持的挑战，适用于陡峭和垂直坡面的重新植被。
种植穴绿化技术虽然是一种适用于陡峭岩石边坡的植被恢复技术，但它面临着实际挑战，包括水分和养分不足以及夏季高温灼伤，这些都会限制植物的存活并阻碍绿化效果。在半干旱地区，水分和养分含量低等不利的生态条件进一步削弱了该技术的有效性[ 14,15 ] 。不适当的土壤基质可能会加剧水分和养分的不足，导致植物对这种恶劣气候的适应性较差。因此，确定最合适的土壤基质组成对于种植穴绿化技术的发展至关重要。
目前对岩质边坡植被恢复土壤基质的研究主要集中在喷洒土壤基质[ 16–19 ]，对种植穴绿化技术土壤基质的研究较少。袁等[ 20 ]采用壤土、有机质和复合肥配制种植穴土壤基质，应用于山东省烟台市福山区下关矿区高陡边坡的植物恢复。邵等[ 21 ]在山东省济南市陡峭岩质边坡采用质量比为88.2%壤土、11.2%有机肥、0.5%复合肥、0.1%保水剂的种植穴混合料进行植被恢复。王[ 22 ]研制出了一种壤土与泥炭体积比为3∶1的种植穴土壤基质，并结合肥料应用于浙江省宁波市九龙湖公园的岩质边坡。然而，尽管有这些应用，种植穴土壤基质通常是根据工程经验配制的，每种土壤成分对生态潜力、长期性能和适应性的影响尚未得到检验。例如，王等[ 14 ]以黄土、泥炭和控释复合肥为基质成分，用于岩质边坡的种植穴植被恢复。他们认为，水分亏缺是炎热夏季植物生长的主要限制因素。但他们的田间试验只研究了植被生长情况，没有报道土壤基质的长期养分含量、湿度水平或温度动态。此外，先前的应用主要集中在湿润气候地区的岩质边坡，这可能不能直接适用于半干旱地区的高陡岩质边坡。在这些半干旱地区，植被生长受到湿度、温度和营养缺乏等因素的限制。
喜马拉雅爬山虎是一种速生攀缘植物，耐旱耐高温，在贫瘠的土壤中也能生长良好[ 22 ]。因此，为了弥补上述研究空白，本研究以喜马拉雅爬山虎为研究对象。本研究旨在：（1）评估植物生长情况和不同土壤基质的理化性质；（2）优选一种由五种不同组分组成的土壤基质；（3）验证该基质在半干旱地区高陡岩质边坡植穴绿化技术中应用的可行性。
2.材料和方法
2.1. 合成土壤基质的成分
本研究将泥炭、保水剂、凝结剂、生物炭、控释复合肥掺入底土（普通粉状粘土）中，增强土壤基质通透性，提高降水吸收效率，增强保水保肥效果。
2.1.1. 基底土壤
弃土场产生的底土主要由粉状粘土组成，其容重为 1.3 至 1.4 g/cm 3，有机质含量为 3% 至 4%，pH 值为 8.44。具有类似特征的其他土壤可作为合适的底土。其他土壤成分的选择取决于其生态友好性和成本效益。
2.1.2. 泥炭（Pt）
泥炭是一种有机矿物资源，具有通气性好、保水性强、有机质含量高、养分保持能力强、容重小等特点，被广泛应用于土壤改良[ 23 ]。泥炭（上海克拉斯曼-德尔曼中国有限公司）容重约200g/L，pH为6.1，有机质含量约620g/kg，用于改善土壤基质的孔隙度和有机质含量，降低普通粉状黏土的pH值。
2.1.3. 保水剂（WA）
2.1.4. 凝聚剂（AA）
2.1.5. 生物炭（Bc）
生物炭是生物质在厌氧或微氧条件下低温热转化产生的固体副产品，具有有机碳含量高、孔隙率高、碱性强、吸附能力强、农业适用性广等特点。生物炭与缓释、控释肥料结合使用，可以延缓水溶性肥料在土壤中的释放，延长养分有效期，促进作物同步吸收养分，还能显著抑制养分流失，促进作物对养分的吸收，提高肥料利用率[28 ]。尽管生物炭在农业上具有多种益处，但将其用于坡面植被恢复的报道却很少。考虑到生物炭的稳定性、孔隙度以及与控释复合肥配合使用减少肥料损失的能力，我们将玉米秸秆生物炭（河南利泽环保科技有限公司，中国郑州）作为边坡绿化测试土壤基质的成分。
2.1.6. 控释复合肥料（CCF）
控释复合肥是一种创新方法，可调节养分释放速率以适应作物的生长发育需求。这些化合物在植物生长早期提供快速养分供应，同时提供持久的施肥效果。它们在显著减少养分损失和提高肥料效率方面发挥着关键作用[ 29 ]。控释复合肥在肥料创新中引起了广泛关注，自20世纪80年代以来已在农业土壤中应用。对于幼苗容器栽培，选择了一种广泛使用的肥料——奥绿肥（美国俄亥俄州马里斯维尔的斯科特公司）作为代表性膜复合肥。它的氮磷钾比例为16:8:12，有效施肥期为8-9个月。奥绿肥的外层颗粒被一层半透膜包裹，使土壤水能够逐渐通过。因此，里面的肥料吸收水分并产生压力，促进养分的逐渐释放。
本研究利用泥炭的有益物理化学特性以及所选的保水剂、凝结剂、生物炭和控释复合肥，开发和评估适合高陡岩石坡度的土壤基质。这项工作涉及根据实验结果优化成分比例。
2.2. 实验室实验
2.2.1. 正交实验设计
2.2.2. 实验装置
选择2年生的喜马拉雅爬山虎扦插苗作为研究植物，因为它们生长几乎均匀。将各种土壤基质装入3升的盆中，每个盆中有一株喜马拉雅爬山虎，每种基质重复三次，如图1所示。盆最初用水饱和，随后每天监测和补水。实验于2022年3月15日开始，两个月后测量植被分枝的数量和长度。此外，将不同的土壤基质放入盆中，浇水并维持20天。随后，测定土壤容重、饱和水分、田间持水量和水分流失率。水分流失测试使用100cm3环刀获取土壤样品，浸泡12小时至饱和，然后放置在室内自然干燥。 2022 年 5 月 20 日至 6 月 9 日期间，每 2 天记录一次水分损失测量值（温度 27.2–28.3 °C，湿度 35–40%）。水分损失率计算为累计水分损失除以每个样品的总净水分含量。
2.3. 现场试验
2.3.1. 场地描述
试验区位于河南省西北部焦作市，属大陆性暖温带半干旱季风气候，四季分明：春季气温适中，干燥多风，夏季炎热多雨，秋季昼暖夜凉，冬季寒冷干燥。年平均气温15.2 ℃，绝对最高气温43.2 ℃，绝对最低气温-16.9 ℃，有效积温4633 ℃，无霜期231 d，年平均日照时数2484 h。根据焦作市气象站1956—2010年的观测资料，该站年平均降水量在580 mm左右，但受季风影响，降水年分配不均。降水量最多的是 6 月至 9 月，约占全年降水量的 70%。其中，7 月和 8 月是降水量最大的月份，占全年降水量的 45% [ 30 ]。现场试验在水泥厂矿区高程的裸露陡峭岩质边坡上进行，高 40 m，坡度约 80°。其主要岩性为石灰岩，整体状况相对稳定，如图 2a所示。
2.3.2. 现场测试设置
2022年4月底，使用潜水钻机在坡面以45°角钻多个直径为120毫米、深度为500毫米的孔。这些孔的水平间距为3米，垂直间距为2米，如图2b所示。 2022年6月3日，在每个孔中种植了一株生长均匀的喜马拉雅松标本，如图2c所示。根据我们实验室实验的结果（第3.2节），土壤基质组成为基土与泥炭的体积比为7:3、保水剂1.5克/升、造粒剂10毫克/升、生物炭5克/升和肥料5克/升。种植孔底部填充了约5厘米的矿渣石，粒径为2至3毫米。经过一个月的人工养护，植物自然生长。选择极端月份（8月和1月）和不同的降雨条件（大雨和小雨）来监测不同深度土壤基质中水分和温度的动态变化。定期进行喜马拉雅松生长指标测量，并采集土壤样本以分析土壤的物理和化学性质。此测试周期持续至2023年6月。
2.4. 测量方法
2.5. 数据分析
所有数据均采用SPSS 26.0软件（IBM，纽约州阿蒙克市）进行分析，并进行单因素方差分析，以分析16种处理之间各个指标的差异，显著性阈值为p < 0.05。
3.结果与讨论
3.1. 合成土壤基质的理化性质
与对照空白土相比，不同合成土基质的土壤容重显著降低，土壤饱和含水量和田间持水量显著增加，水分流失率显著降低（表3）。基质土与泥炭的体积比是影响土壤容重、饱和含水量、田间持水量和水分流失率的主要因素，且该因素不同水平下的土壤容重、饱和含水量、田间持水量和水分流失率差异显著（p < 0.05）。保水剂、凝聚剂、生物炭和控释复合肥均对合成基质的物理特性有影响，但影响不显著。整体来看，增加泥炭能有效增加基质材料的孔隙度，降低容重，提高保水性能，减少基质材料的水分流失。
与对照土壤相比，不同合成土壤基质的pH值均较低，有机质含量、电导率、总氮和碱溶氮含量均显著增加。土壤与泥炭的体积比是影响土壤基质pH、有机质含量和总氮含量的主要因素，不同处理水平间差异均达统计学意义（p < 0.05）。控释复合肥对基质材料的电导率和碱溶氮含量起着关键性影响作用，不同处理水平间差异均达统计学意义（p < 0.05）。保水剂、凝聚剂和生物炭对基质pH、有机质含量、电导率、总氮和碱溶氮有一定影响，但差异不达统计学意义。综上所述，增加基质材料中泥炭的含量，pH值显著下降，有机质含量增加；增加控释复合肥的含量，基质盐分和速效养分含量显著增加。
3.2. 最佳土壤基质的确定
针对半干旱地区陡坡石质植被恢复土壤基质优化中存在缺水、缺肥等极端生态条件，应以植物生长状况作为优先指标，土壤基质的持水性能和养分特性也是需要考虑的关键因素，以植物生长状况、土壤持水能力和有机质含量为主要依据确定最优土壤基质。
3.2.1. 基土与泥炭体积比对植被生长和基质性质的影响
底土与泥炭的体积比对喜马拉雅松分枝数、分枝长度、基质田间持水量及有机质含量有显著影响（ p < 0.05）（图3）。土壤中添加泥炭能有效促进喜马拉雅松的生长指标,且与空白土壤相比,基质的持水性能和有机质含量也有所提高。例如,当底土与泥炭的体积比由9∶1降低至6∶4时,基质的田间持水量由27.9%提高至49.0%,有机质含量由51.6提高至126g/kg。但随着底土与泥炭的体积比的降低,喜马拉雅松分枝数和分枝长度呈现先增加后减少的变化趋势,当底土与泥炭的体积比为7∶3时,喜马拉雅松的生长指标最高。当该体积比由7∶3变为6∶4时，分枝数由6.68减少至6.43，分枝长度由83.65 cm减少至79.13 cm。这说明过量的泥炭不利于喜马拉雅松的生长。因此，选择7∶3的土壤∶泥炭体积比作为最佳比例。本研究表明，7∶3的体积比使喜马拉雅松生长最佳，而泥炭比例过高则抑制其生长。同样，马等[ 32 ]观察到较高的泥炭比例增加了栽培基质的持水能力，但削弱了栽培基质的渗透性，对根系发育和整体植物生长产生负面影响。因此，7∶3的基准土壤∶泥炭体积比被认为是在岩石坡面栽培喜马拉雅松的最佳基质。
3.2.2 保水剂含量对植被生长和基质性质的影响
保水剂的添加对喜马拉雅松分枝数和分枝长度有显著影响（ p < 0.05） （图4 a）。与对照土壤相比，添加保水剂的合成土壤基质有效改善了喜马拉雅松的生长指标，提高了基质的持水性能和有机质含量（图4 b）。当保水剂用量由0.5增加到2 g/L时，田间持水量由36.57%增加到40.58%，但差异不显著。另外，随着保水剂用量的增加，基质有机质含量变化不显著，没有明显的响应规律。随着保水剂含量的增加，喜马拉雅松分枝数和分枝长度先增加后减少，1.5 g/L时分枝数和长度最多。当保水剂含量从1.5 g/L增加到2 g/L时，分枝数从5.6减少到5.35，分枝长度从72.48减少到72.18 cm。说明超过一定水平后，添加过量的保水剂不利于喜马拉雅松的生长，故确定1.5 g/L为最佳添加量。本研究表明，添加1.5 g/L保水剂可提高土壤基质田间持水能力，优化喜马拉雅松生长，而增加用量至2 g/L则限制生长。李等[ 33 ]的研究也表明，保水剂含量过高导致水分储存过多，阻碍通透性，引起根系腐烂，从而阻碍植物生长。因此，1.5 g/L的保水剂剂量是促进岩石坡面种植孔中喜马拉雅松生长的最佳剂量。
3.2.3 凝结剂含量对植被生长和基质性质的影响
凝结剂的添加对喜马拉雅松分枝数量和分枝长度有显著影响（p < 0.05；图5 a），且相对于对照土壤，提高了基质的持水性能和有机质含量（p < 0.05，图5 b）。不同凝结剂添加量的合成土壤之间没有显著差异。当凝结剂添加量为10 mg/L时，喜马拉雅松分枝数最多，随着凝结剂添加量的增加，分枝数由5.9条降至4.4条；分枝长度在61.4~65.2 cm之间，5 mg/L添加量时分枝长度较高。因此，确定凝结剂添加量为10 mg/L为最佳值。 1995年1月，美国农业部发布了使用水溶性阴离子聚丙烯酰胺防治沟灌侵蚀的临时规范，规定凝聚剂的施用量为10mg/kg[ 34 ]。同样，在本研究中，喜马拉雅松在凝聚剂添加率为10mg/L基质时生长最佳。
3.2.4 生物炭含量对植被生长和基质性质的影响
与对照土壤相比，富含生物炭的合成基质显著提高了喜马拉雅松的生长参数（图6a），提高了基质内的持水能力和有机物含量（图6b）。随着生物炭数量的增加，基质的田间持水能力呈下降趋势，但这种差异并未达到统计学意义。当生物炭添加率从5 g/L增加到20 g/L时，基质的有机物含量从67.76 g/kg增加到94.76 g/kg。有趣的是，5 g/L的施用率对喜马拉雅松分枝的数量和长度的影响最为显著（p < 0.05）。值得注意的是，较高的生物炭添加率与生长减缓有关（图6a ）。因此，5 g/L的生物炭被确定为最佳量。这项研究还表明，喜马拉雅松的生长指数随着生物炭添加量的增加而下降。研究表明，生物炭可促进 NH 3和NH 4+吸附 [ 35、36 ] ，但可能限制了喜马拉雅松根部对氮的初始利用。生物炭较高的 C/N 比可能加剧了土壤微生物对氮的竞争。因此，最低水平的生物炭添加量（5 g/L）被认为适合在岩石坡地上进行绿化种植。然而，还需要进一步深入研究以阐明生物炭添加的影响。
3.2.5控释复合肥含量对植被生长及基质性质的影响
与对照土壤相比，添加控释复合肥有效改善了喜马拉雅松的生长指标（图7 a），提高了土壤基质的持水性能和有机质含量（图7 b）。虽然各处理间田间持水量和有机质含量差异不显著，但随着控释复合肥用量的增加，田间持水量趋于增加，有机质含量却降低（图6 b）。添加控释复合肥对喜马拉雅松分枝数有显著影响（p < 0.05），从5 g/L增加到6 g/L，分枝数由5.4条减少到3.1条，而分枝长度各处理间差异不显著（图6 a）。综合上述结果，确定控释复合肥的最佳添加量为5 g/L。无机肥料是岩质边坡植被恢复初期植物生长所需的养分。然而，考虑到过量施用无机肥料对植物和环境（特别是地下水）的负面影响[ 37、38 ] ，以及修复成本，确定最佳肥料添加量非常重要。在本试验中，5 g/L控释复合肥添加率对喜马拉雅松的生长最有利，而 6 g/L 则限制其生长。这遵循了 Rufat 等人[ 39 ]的证据，他们发现随着育苗基质中有效养分的增加，容器幼苗的细根减少，从而对植物生长产生负面影响。因此，5 g/L 的肥料添加率被认为是种植穴栽基质最合适的。
根据试验结果确定了田间试验的最佳土壤基质组成为：土壤与泥炭体积比7:3、保水剂1.5 g/L、凝结剂10 mg/L、生物炭5 g/L、控释复合肥5 g/L。
3.3. 田间试验最佳土壤基质性质
3.3.1 水分含量动态及其对降雨的响应
图 8显示了每隔 30 分钟记录一次的岩石坡地钻孔内最佳土壤不同深度的含水量，以及极端月度条件下的日降雨量。在代表性夏季月份，不同深度土壤基质的含水量从 6.3% 到 47% 不等。在代表性冬季月份，不同深度土壤基质的含水量在 3.2% 到 25% 之间变化。总体而言，很明显，夏季土壤基质的含水量变化比冬季更大，夏季降雨导致基质内的含水量更高。
最上层含水量最低，第二层和第五层含水量较低，第三层和第四层含水量较高，第四层含水量最高，说明土壤基质具有良好的保水作用。值得注意的是，在8月12日至8月23日和8月31日至9月8日连续两次干旱期间，不同深度土壤含水量均下降了10%~14%，其中第二层含水量最低，为11%，而第四层则从46%下降到32%。 1月1日至13日和1月19日至30日连续两个干旱期，第二层含水量>7%，第三至第五层含水量>10%，根系生长主要发生在种植穴（深度=13~33 cm）内的第二至第四层土层中，其中8月份土壤体积含水量为11%~47%，1月份土壤体积含水量为7.4%~25%。夏志清[ 40 ]对华北地区14种主要木本藤本植物光合效率对水分和光照的响应进行了研究，发现土壤水分在8.9%~22.8%范围内维持较高的光合作用速率。张等[ 41 ]发现攀缘植物叶片的光合速率在土壤体积含水量为12.6%~20.7%时最高。这些研究表明优化种植基质的保湿性能适合喜马拉雅松。
3.3.2. 最佳土壤基质的理化性质
试验开始后7、120、210、300 d采集种植穴土壤样品。土壤基质材料密度较小，为1.08～1.13 g/cm 3，孔隙度为56%～59%，pH值为中性（表4 ）。值得注意的是，暴雨冲刷土壤的现象很少，养分含量超过中国农业土壤等级标准中的次生农业土壤（表4中的值与次生农业土壤的数值比较，次生农业土壤通常保持总氮含量为0.15%，有效磷含量大于20 mg/kg，有效钾含量大于150 mg/kg，有机质含量大于3%）。因此，在整个试验期间，基质材料保持了较高的氮、磷、钾和有机质含量。由此可见所选用的基质土壤材料能够满足荒石质坡面植物的生长需求。在第一个生长季，即6月至10月，基质的养分含量下降，表明植物在生长过程中吸收养分；但随后基质的养分含量上升。这可能是由于枯枝落叶释放养分，以及坡面径流或根系生长的补给，补偿了生长季植物生长所消耗的养分。
3.3.3.喜马拉雅松在最佳土壤基质中的生长
2022年6月3日，试验地定植，15 d后植株茎上开始长出新芽。定植后第一个月根据天气情况浇水，之后停止浇水，让其自然生长。2022年10月，喜马拉雅松平均叶片数为233±35片，分枝数为8±3个，分枝总长为290±150 cm，主茎长为100±12 cm。2023年5月6日，越冬后，平均叶片数已达584±177片，分枝数为15±4个，分枝总长为700±169 cm，主茎长为128±8 cm。植被生长良好，开始覆盖坡面（图10 a，b）。值得注意的是，植物的成活率为95%，经过360天后，植被成活率较高，并开始覆盖裸露的坡面，同时土壤营养能够支持植被的生长，与自然坡面植被相似。
3.3.4. 极端月度条件下最佳土壤基质的温度动态
图 11显示了每隔 30 分钟记录一次的种植孔内土壤基质不同深度的温度数据以及极端月度条件下的平均气温。在代表性夏季，第二至第四土层（深度 = 13–33 厘米）的土壤温度范围为 19.8–35.5 °C。在冬季，第二至第四土层的气温范围为 3.9–27.2 °C。值得注意的是，第一层显示出最高的热振幅，而其他土层随着深度的增加逐渐减弱。每层的温度峰值与每日平均气温呈正相关。此外，土壤基质每天都会经历周期性的温度变化。最小值通常在 8:30 左右观察到，随着气温开始上升，第一层在 15:00 左右达到最高温度，第二、三、四和五层在大约 17:00 达到其热最大值。随后气温开始下降，并在第二天初达到最小值。由于第一层具有快速降温和快速升温的特点，昼夜温度较差最大，第二、三、四、五层温度较差较小，且随深度增加而减小。李[ 42 ]研究发现，多年生植物冬季休眠期根系生长所需温度不低于2~4 ℃，夏季生长期不高于30 ℃。这说明一般情况下土壤基质温度适宜植物生长，但夏季土壤温度高于适宜温度，建议考虑采取滴灌等降温措施。
根据本次田间验证试验，最佳土壤基质提供了在半干旱、高陡、岩石坡地上建立和维持植被所需的理想的水分、温度、养分含量以及物理和化学特性。
4. 结论
本研究采用正交设计方法配制不同的土壤基质，并研究了各种化合物添加对土壤性质和喜马拉雅松生长的影响。研究包括在半干旱地区进行的盆栽试验和田间验证试验，以确定基质成分的最佳配比。基质土与泥炭的体积比对种植穴土壤基质的容重、持水保水性能、pH值、有机质含量、总氮含量和植被生长指标等有显著影响。相反，控释复合肥对土壤基质电导率和碱溶氮含量有显著的影响。保水剂、生物炭和凝结剂对土壤基质的理化性质和植物生长有一定影响，但不具统计学意义。
岩石坡面种植基质的最佳配方为：基土与泥炭体积比7:3、保水剂1.5g/L、凝结剂10mg/L、生物炭5g/L、缓释复合肥5g/L。该基质孔隙结构良好，含水量满足植物生长需要，基质中间层保水性能好，热性能适宜，养分含量高，植物生长良好。该基质适合半干旱地区高陡岩石坡面种植穴绿化技术。
综上所述，本研究成功开发出一种适用于半干旱地区高陡岩石坡地植穴绿化技术的合成土壤基质。有必要开展进一步研究，评估该基质对其他植物物种的适用性，并研究植穴内土壤基质的长期营养持久性。
作者贡献
概念化，XC、XN 和 TZ；方法论，写作 - 原始草稿准备，XC；调查、监督、项目管理和资金获取，XC、XG、PL、XN 和 TZ 所有作者均已阅读并同意手稿的出版版本。
资金
该项研究得到国家自然科学基金项目（编号41977284）的资助。
数据可用性声明
研究中提出的原创贡献已包含在文章中，进一步的询问可以直接联系相应的作者。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
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图 1.
实验室实验装置图。
图 2.
田间试验装置图。( a ) 裸露的高陡岩石坡面；( b ) 岩石坡面中的种植穴；( c )种植穴中的喜马拉雅爬山虎；( d ) 自动温湿度监测仪。
Figure 3.
Effects of the volume ratio of base soil to peat on (a) vegetation growth and (b) substrate properties. Different letters indicate significant differences (ANOVA, p < 0.05); CK, control.
Figure 4.
Effects of water-retaining agent content on (a) vegetation growth and (b) substrate properties. Different letters indicate significant differences (ANOVA, p < 0.05); CK, control.
Figure 5.
Effects of agglomerating agent content on (a) vegetation growth and (b) substrate properties. Different letters indicate significant differences (ANOVA, p < 0.05); CK, control.
Figure 6.
Effects of biochar content on (a) vegetation growth and (b) substrate properties. Different letters indicate significant differences (ANOVA, p < 0.05); CK, control.
Figure 7.
Effects of controlled-release compound fertilizer content on (a) vegetation growth and (b) substrate properties. Different letters indicate significant differences (ANOVA, p < 0.05); CK, control.
Figure 8.
Characterization of soil substrate moisture content changes under extreme monthly conditions.
Figure 9.
Effect of (a) light and (b) rainfall events on the moisture content of soil substrates at different depths in planting holes.
Figure 10.
Growth of Parthenocissus himalayana planted in drilled holes filled with a synthetic soil substrate in a rock slope. (a) Vegetation growth of local area, (b) growth of individual plant.
Figure 11.
Characterization of temperature changes at different depths of optimal soil substrates in planting holes on a rocky slope under extreme monthly conditions.
Table 1.
Treatment levels used in the laboratory experiments.
| Levels | Vsoil:Vpt (L/L) | WA (g/L) | AA (mg/L) | Bc (g/L) | CCF (g/L) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 9:1 | 0.5 | 5 | 5 | 3 |
| 2 | 8:2 | 1 | 10 | 10 | 4 |
| 3 | 7:3 | 1.5 | 15 | 20 | 5 |
| 4 | 6:4 | 2 | 20 | 30 | 6 |
Table 2.
Orthogonal study design.
| Substrate No. | Orthogonal Design Substrates | Composition | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vsoil: Vpt (L/L) | WA (g/L) | AA (mg/L) | Bc (g/L) | CCF (g/L) | Vsoil: Vpt (L/L) | WA (g/L) | AA (mg/L) | Bc (g/L) | CCF (g/L) | |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 9:1 | 0.5 | 5 | 5 | 3 |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 9:1 | 1 | 10 | 10 | 4 |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 9:1 | 1.5 | 15 | 20 | 5 |
| 4 | 1 | 4 | 4 | 4 | 4 | 9:1 | 2 | 20 | 30 | 6 |
| 5 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 8:2 | 0.5 | 10 | 20 | 6 |
| 6 | 2 | 2 | 1 | 4 | 3 | 8:2 | 1 | 5 | 30 | 5 |
| 7 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 8:2 | 1.5 | 20 | 5 | 4 |
| 8 | 2 | 4 | 3 | 2 | 1 | 8:2 | 2 | 15 | 10 | 3 |
| 9 | 3 | 1 | 3 | 4 | 2 | 7:3 | 0.5 | 15 | 30 | 4 |
| 10 | 3 | 2 | 4 | 3 | 1 | 7:3 | 1 | 20 | 20 | 3 |
| 11 | 3 | 3 | 1 | 2 | 4 | 7:3 | 1.5 | 5 | 10 | 6 |
| 12 | 3 | 4 | 2 | 1 | 3 | 7:3 | 2 | 10 | 5 | 5 |
| 13 | 4 | 1 | 4 | 2 | 3 | 6:4 | 0.5 | 20 | 10 | 5 |
| 14 | 4 | 2 | 3 | 1 | 4 | 6:4 | 1 | 15 | 5 | 6 |
| 15 | 4 | 3 | 2 | 4 | 1 | 6:4 | 1.5 | 10 | 30 | 3 |
| 16 | 4 | 4 | 1 | 3 | 2 | 6:4 | 2 | 5 | 20 | 4 |
Pt: peat, WA: water-retention agents, AA: agglomerating agents, Bc: biochar, CCF: controlled-release compound fertilizers.
Table 3.
Soil substrate properties for 16 experimental combinations and one control.
| Factor | Level | BD (g/cm3) | SM (%) | FC (%) | MR (%) | pH | OM (g/kg) | EC (μS/cm) | TN (mg/kg) | AN (mg/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vsoil:VPt | 1 | 1.23 ± 0.0056 a | 40.45 ± 0.90 d | 27.84 ± 0.89 d | 94.50 ± 0.65 a | 7.64 ± 0.022 a | 51.56 ± 2.55 c | 407.5 ± 84.40 a | 2329.25 ± 137.37 c | 307 ± 43.66 a |
| 2 | 1.11 ± 0.0093 b | 48.71 ± 0.41 c | 34.50 ± 0.77 c | 92.75 ± 1.03 a | 7.44 ± 0.022 b | 59.45 ± 2.97 c | 415 ± 51.24 a | 2797.5 ± 60.28 ab | 256.25 ± 48.61 a | |
| 3 | 1.04 ± 0.023 c | 56.04 ± 2.22 b | 39.81 ± 1.24 b | 91.00 ± 1.63 a | 7.41 ± 0.024 c | 78.72 ± 4.25 b | 447.5 ± 32.76 a | 2515 ± 59.52 bc | 325.25 ± 37.94 a | |
| 4 | 0.92 ± 0.026 d | 68.86 ± 3.05 a | 48.97 ± 2.12 a | 86.00 ± 1.08 b | 7.23 ± 0.050 d | 126.00 ± 1.54 a | 487.5 ± 54.83 a | 2945 ± 232.41 a | 352.5 ± 13.53 a | |
| WA | 1 | 1.07 ± 0.062 a | 51.73 ± 5.28 a | 36.87 ± 4.02 a | 91.50 ± 1.26 a | 7.46 ± 0.074 a | 74.98 ± 17.12 a | 435 ± 89.58 a | 2568.5 ± 114.25 a | 302.75 ± 38.66 a |
| 2 | 1.07 ± 0.082 a | 54.00 ± 8.17 a | 38.29 ± 5.75 a | 91.00 ± 2.48 a | 7.42 ± 0.119 a | 81.00 ± 16.61 a | 435 ± 52.04 a | 2740 ± 353.94 a | 295.25 ± 26.31 a | |
| 3 | 1.08 ± 0.057 a | 53.56 ± 5.15 a | 38.39 ± 3.53 a | 90.00 ± 2.38 a | 7.44 ± 0.063 a | 78.06 ± 17.62 a | 437.5 ± 59.63 a | 2573.5 ± 68.19 a | 330.75 ± 26.95 a | |
| 4 | 1.08 ± 0.068 a | 54.76 ± 6.14 a | 37.58 ± 4.98 a | 91.75 ± 2.17 a | 7.40 ± 0.090 a | 81.71 ± 16.18 a | 450 ± 28.58 a | 2704.75 ± 76.50 a | 312.5 ± 66.26 a | |
| AA | 1 | 1.07 ± 0.065 a | 53.74 ± 6.50 a | 38.06 ± 5.01 a | 89.75 ± 2.06 a | 7.40 ± 0.095 a | 75.48 ± 16.68 a | 2657 ± 174.06 a | 390 ± 74.94 a | 287.5 ± 27.72 a |
| 2 | 1.08 ± 0.060 a | 53.64 ± 5.76 a | 37.79 ± 3.98 a | 90.25 ± 1.89 a | 7.48 ± 0.082 a | 77.89 ± 16.81 a | 435 ± 46.64 a | 2474.5 ± 161.17 a | 347.5 ± 35.55 a | |
| 3 | 1.06 ± 0.080 a | 56.02 ± 7.56 a | 39.37 ± 5.51 a | 90.50 ± 2.251 a | 7.41 ± 0.105 a | 81.90 ± 17.93 a | 490 ± 48.48 a | 2853.5 ± 261.82 a | 286.75 ± 59.56 a | |
| 4 | 1.10 ± 0.064 a | 50.66 ± 4.80 a | 35.91 ± 3.70 a | 93.75 ± 1.60 a | 7.44 ± 0.066 a | 80.48 ± 16.13 a | 442.5 ± 57.79 a | 2601.75 ± 83.68 a | 319.5 ± 33.34 a | |
| Bc | 1 | 1.05 ± 0.080 a | 55.96 ± 8.42 a | 39.29 ± 5.96 a | 91.25 ± 2.59 a | 7.38 ± 0.106 a | 67.76 ± 19.67 a | 385 ± 87.80 a | 2781.75 ± 296.92 a | 316.5 ± 50.35 a |
| 2 | 1.08 ± 0.069 a | 52.72 ± 5.38 a | 36.74 ± 4.05 a | 91.00 ± 1.78 a | 7.46 ± 0.090 a | 73.28 ± 19.91 a | 462.5 ± 48.02 a | 245.75 ± 161.92 a | 273.25 ± 55.04 a | |
| 3 | 1.09 ± 0.059 a | 52.83 ± 5.61 a | 38.07 ± 4.12 a | 91.25 ± 1.93 a | 7.44 ± 0.095 a | 84.15 ± 20.38 a | 482.5 ± 44.98 a | 2606.75 ± 129.18 a | 331.5 ± 24.92 a | |
| 4 | 1.09 ± 0.058 a | 52.55 ± 5.14 a | 37.03 ± 4.10 a | 90.75 ± 2.25 a | 7.45 ± 0.055 a | 94.77 ± 20.82 a | 427.5 ± 35.91 a | 2722.75 ± 85.68 a | 320 ± 26.49 a | |
| CCF | 1 | 1.11 ± 0.054 a | 50.78 ± 5.514 a | 35.30 ± 4.22 a | 92.25 ± 2.43 a | 7.48 ± 0.061 a | 83.23 ± 17.24 a | 320 ± 47.08 c | 2482.25 ± 47.08 a | 238.5 ± 46.85 b |
| 2 | 1.08 ± 0.065 a | 52.74 ± 6.24 a | 38.17 ± 4.62 a | 91.50 ± 2.02 a | 7.43 ± 0.108 a | 74.89 ± 18.76 a | 397.5 ± 30.10 bc | 2575.25 ± 196.21 a | 273.25 ± 14.53 b | |
| 3 | 1.07 ± 0.061 a | 53.9 ± 4.91 a | 37.81 ± 3.31 a | 91.00 ± 0.82 a | 7.42 ± 0.072 a | 79.62 ± 15.67 a | 490 ± 38.94 ab | 2647.75 ± 119.52 a | 367.25 ± 29.89 a | |
| 4 | 1.05 ± 0.083 a | 56.64 ± 7.81 a | 39.85 ± 5.78 a | 89.50 ± 2.60 a | 7.40 ± 0.104 a | 78.01 ± 15.61 a | 550 ± 15.81 a | 2281.5 ± 248.88 a | 362.25 ± 9.17 a | |
| CK | / | 1.33 ± 0.018 | 32.36 ± 0.82 | 22.02 ± 0.21 | 105.92 ± 1.71 | 8.44 ± 0.0029 | 32.75 ± 1.45 | 175 ± 6.46 | 1546 ± 15.32 | 59 ± 3.25 |
BD: bulk density, SM: saturated moisture, FC: field water content, MR: moisture loss ratio, OM: organic matter, EC: electrical conductivity, TN: total nitrogen, AN: alkaline nitrogen, different letters represent significant differences (p < 0.05).
Table 4.
The results of physical and chemical properties of the optimal soil substrates.
| Time (d) | BD (g/cm3) | Porosity (%) | pH | OM (g/kg) | TN (mg/kg) | AN (mg/kg) | TP (mg/kg) | AP (mg/kg) | AK (mg/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7 | 1.08 | 59 | 7.35 | 75.94 | 2537 | 428 | 1102 | 105 | 834 |
| 120 | 1.10 | 58 | 7.59 | 47.92 | 1717 | 193 | 981 | 136.6 | 590 |
| 210 | 1.13 | 56 | 7.40 | 50.20 | 2254 | 1050 | 1038 | 124.2 | 861 |
| 300 | 1.09 | 58 | 7.66 | 44.41 | 2510 | 724 | 846 | 122.3 | 719 |
BD: bulk density, OM: organic matter, TN: total nitrogen, AN: alkaline nitrogen, TP: total phosphorus, AP: available phosphorus, AK: available potassium.
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