保水劑對梭梭幼苗生長及根系形態(tài)的影響

李興，蔣進，宋春武，閔首軍，張恒，2，姜有為，2

（1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2.中國科學院研究生院，北京100492；3.新疆油田供水公司造林減排作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依834005；4.常德市水利水電勘測設計院，湖南 常德415000）

＊水是地球表面最豐富的分子，水分有效性是陸地上作物產(chǎn)量的最主要限制因子，水分不足限制了荒漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力［1，2］。以古爾班通古特沙漠為例，夏季降水稀少、蒸發(fā)量大，始終制約著這一地區(qū)植物的生長和生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。梭梭（Haloxylonammodendron）作為這一區(qū)域主要優(yōu)勢物種之一，廣泛分布在固定、半固定的沙丘、沙地上，以及丘間龜裂地甚至強鹽化壤質(zhì)土上，具有很強的抗逆性，對風蝕沙埋適應性強，對荒漠區(qū)防風固沙，保護生態(tài)平衡具有重要意義［3，4］。由于夏季土壤水分有效性不足，梭梭幼苗生長發(fā)育受到限制從而大面積死亡［5－7］。但這一地區(qū)冬季有一定積雪，加之春季降水較為豐富，春季土壤水分狀況相對較好［8］，因此，如何充分利用春季有限水分來提高造林成活率以及保存率已成為該地區(qū)利用植物改造沙漠化的首要問題。

保水劑是利用強吸水樹脂制成的一種高吸水、保水能力的高分子聚合物，可吸收自身重量的數(shù)百倍至上千倍的水分［9］，可以大幅度提高土壤含水量，有效改善土壤容重、孔隙度、團粒結構、滲透性等土壤物理性質(zhì)［10－12］。目前，對于保水劑的應用研究多集中在半干旱區(qū)域，針對新疆荒漠區(qū)獨特的土壤和水分環(huán)境［13］，尤其缺乏充分灌溉的環(huán)境中，保水劑是否同樣起到保水的效果；同時保水劑對梭梭影響的應用研究目前相對較少［14］，保水劑應用于梭梭是否同樣會起到促進地上部分和根系的發(fā)育效果［15，16］。為此，以梭梭為對象，研究了不同濃度的保水劑對梭梭生長和根系形態(tài)的影響，探討保水劑對梭梭的影響以及在干旱區(qū)的綜合應用效果，這對于探明保水劑對荒漠植物的影響以及闡明荒漠植物利用土壤水分的特征均有一定意義，從而為荒漠植被的恢復以及綠洲的建設提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究點設置在新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站，該站位于古爾班通古特沙漠南緣的石河子莫索灣墾區(qū)150團北端，地理坐標為45°03′N，86°06′E，海拔346～359 m。年平均氣溫4～6℃，年降水量114.89 mm，蒸發(fā)量1 942.1 mm，干燥度為16.9。降水季節(jié)分配較均勻，冬季有13～27 mm穩(wěn)定積雪。

1.2 實驗材料與設計

試驗地設置在莫索灣沙漠研究站園區(qū)，以南北走向沙丘的陰坡一側(cè)為試驗地，坡度為42°～45°。于2011年4月初種苗，在沙地上挖20 cm×20 cm×20 cm土穴，挖出土約9 kg，保水劑與挖出土混合后回填種苗，保水劑設0，0.05%，0.10%和0.20%4個處理（每處理每株施用0，4.5，9.0和18.0 g保水劑），每處理設置3行，行距1 m，每行10株，株距1 m。種苗后次日澆水，每株定量10 kg，整個生育期不再澆水，任其自然生長。

實驗用保水劑為生態(tài)多功能型保水劑，由中國科學院長春應用化學研究所提供，主要成分為丙烯酰胺、丙烯酸等，平均粒徑0.5 mm，在蒸餾水中吸水倍率為495倍。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤含水量的測定 采用烘干法測定土壤水分，于2011年4－9月，每15 d用土鉆取樣，在0～100 cm土層范圍內(nèi)每10 cm取樣1次，重復3次。

1.3.2 同化枝含水量的測定 采用烘干稱重法，于7月末8月初采集梭梭同化枝，相對含水量采用水飽和法測定［17］，計算公式如下：

1.3.3 同化枝生長速率的測定 于2011年5月21日－9月20日，在第1個觀測日隨機確定梭梭新生枝各20個，并掛牌標記，其后每15 d記錄1次單枝長度。

1.3.4 根系指標的測定 每處理隨機選取3～5株全根系采樣，取出完整根后均勻展開在已知大小的硬紙板上，用高倍照相機拍照，利用motic軟件統(tǒng)計根系總表面積和總根長，隨后按照根的直徑（＜1 mm，1～3 mm，＞3 mm）進行分類，并在80℃下烘至恒重，測定各徑級根干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理與繪圖，采用SPSS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 實驗區(qū)土壤含水量季節(jié)變化及保水劑對0～40 cm土壤含水量影響

從2011年4－9月，對試驗區(qū)0～100 cm土壤水分進行檢測（圖1），方差分析表明，表層0～30 cm土壤水分變異系數(shù)最大，標準誤介于0.75～0.77。這是由于降水首先滲入該層，同時受地表蒸發(fā)、植物根系吸收的影響以及水分向深層運動，從而形成較大的波動。40～100 cm土壤水分較為穩(wěn)定，標準誤介于0.48～0.66，少量的降水無法達到該層，同時受地表蒸發(fā)作用相對較小，因此，土壤水分相對變異較小，但隨著氣溫的逐漸升高，地表蒸發(fā)和植物蒸騰散發(fā)作用都在加強，該層土壤水分逐漸降低。從4－9月，40～100 cm水分逐月遞減，土壤水分均值依次為5.44%，4.19%，4.32%，3.81%，2.31%和1.82%。

保水劑可以有效提高0～40 cm土壤含水量（圖2）。在降水比較充分的4－6月，保水劑主要影響表層0～20 cm土壤含水量，而20～40 cm土壤含水量變化幅度相對較小，4－6月0.20%，0.10%和0.05%濃度保水劑處理下，土壤0～20 cm含水量均值分別為7.92%，5.81%和5.06%，較對照分別提高3.12%，1.01%和0.25%。而在土壤干旱嚴重的7－9月，不同處理下表層0～20 cm土壤含水量差異不顯著，而20～40 cm土壤含水量隨著保水劑濃度增大呈升高的趨勢，該層土壤含水量在0.20%濃度的保水劑處理下達到最大值，均值顯著高于對照0.77%（P＜0.05）?？梢?，高濃度的保水劑對較深層土壤水分也有一定的保持作用。

圖1 土壤含水量季節(jié)變化Fig.1 Seasonal changes of soil moisture

2.2 不同濃度保水劑對梭梭同化枝生長速率的影響

保水劑濃度不同，對梭梭同化枝生長速率影響也不同（圖3），在水分狀況較好的4－6月，0.05%濃度的保水劑對梭梭同化枝生長作用促進最明顯，在5月21日－6月19日，0.05%濃度處理下梭梭同化枝的平均生長速率為0.59 cm／d，顯著高于對照0.30 cm／d（P＜0.01）。隨著土壤含水量的持續(xù)降低，以及根系向土壤深層伸展，0.05%濃度的保水劑對梭梭的促進作用逐漸減弱，0.20%濃度的保水劑對梭梭同化枝的生長促進顯著，甚至土壤含水量較低的8－9月，梭梭的同化枝仍以較快的速度生長。在6月19日－8月18日，0.20%濃度處理下梭梭同化枝的平均生長速率為0.54 cm／d，顯著高于對照0.10 cm／d（P＜0.01）。

2.3 不同濃度保水劑對梭梭同化枝含水量和水分飽和虧的影響

圖2 保水劑對0～40 cm土壤含水量的影響Fig.2 Effect of SAP on soil moisture in 0－40 cm deep soil

相對含水量和水分飽和虧是反映植物水合張力的重要指標［17］。保水劑施用土壤，可以延長土壤貯水時間，降低水分脅迫，減少植物對水分的需求［15］。一定濃度的保水劑可以提高梭梭同化枝含水量，降低水分飽和虧（圖4）。0.05%濃度的保水劑處理下，梭梭同化枝含水量略高于對照組，0.10%濃度的保水劑較對照組減小8.77%，梭梭同化枝含水量在0.20%濃度保水劑處理下達到最大值91.43%，顯著高于對照組的85.67%（P＜0.05）。由此說明，0.20%濃度的保水劑能夠提高梭梭的抗旱性，從而降低干旱對梭梭的傷害作用。

2.4 不同濃度保水劑對梭梭生長特性的影響

于9月初對梭梭生長測定結果表明（表1），0.20%濃度的保水劑處理下，梭梭的株高、冠幅、新生枝和基徑均達到最大值，顯著高于對照（P＜0.05），株高、冠幅、新生枝和基徑分別是對照的1.78，2.49，1.69和1.70倍。0.05%和0.10%兩個濃度的保水劑處理下，各生長指標較對照均無顯著差異，但0.05%和0.10%的保水劑可以使梭梭成活率達到100%，與對照相比提高20%，這可能是由于在土壤水分較好的4月，0.05%和0.10%濃度的保水劑，提高了土壤含水量，有效保證了幼苗成活，但過高的土壤含水量對梭梭幼苗成活無促進作用。

圖3 保水劑對梭梭同化枝生長速率的影響Fig.3 Effect of SAP on growth rate of assimilating branches of H.ammodendron

2.5 不同濃度保水劑對梭梭根系特征的影響

對不同處理根系調(diào)查表明（表2），保水劑對梭梭不同徑級根干重有顯著影響，＜1 mm徑級根干重0.05%濃度與對照差異顯著，是對照的2.59倍，＜1 mm、1～3 mm和＞3 mm徑級根干重0.20%濃度分別是對照的3.68，7.68和5.19倍。0.05%和0.20%濃度的保水劑可以顯著促進根系的發(fā)育，根系的總表面積與總根長較對照顯著增加，總表面積分別增加64.65%和125.62%，總根長分別增加81.68%和130.92%。同時0.10%濃度的保水劑對梭梭根系發(fā)育無顯著促進作用，由此可以推斷，在梭梭生長初期，0.05%濃度的保水劑促進作用顯著，在土壤水分較為缺乏的7－9月，0.20%濃度的保水劑對梭梭促進作用顯著。

圖4 保水劑對梭梭同化枝含水量和水分飽和虧的影響Fig.4 Effect of SAP on water content and water saturation of assimilating branches of H.ammodendron

表1 保水劑對梭梭生長的影響Table 1 Effect of SAP on growth of H.ammodendron

表2 保水劑對梭梭根系特征的影響Table 2 Effect of SAP on root characteristics of H.ammodendron

3 討論

土壤水分減少主要包括植物蒸發(fā)、土壤表面蒸發(fā)和土壤滲透3個方面。保水劑具有很強的吸水能力，且不易受外力作用而失水，在植物根系的吸收和地表蒸發(fā)的作用下緩慢釋放水分［18］，因此能顯著提高土壤含水量，并隨著濃度增大而增大［10］。同時保水劑能夠降低土壤容重，提高土壤總孔隙度和團聚體含量，提高土壤的透氣狀況，提高水肥的利用效率［10－12］。保水劑施入土壤，能夠調(diào)節(jié)土壤溫度，有效降低正午時0～15 cm土壤溫度，使土壤晝夜溫差縮?。?9］。本研究表明，保水劑在提高土壤含水量的同時，對深層土壤水分也有一定的保持作用，在土壤干旱程度較高的7－9月，0.20%濃度保水劑顯著提高了20～40 cm土壤含水量。

保水劑在保水的同時，對土壤的肥料分子和離子也有吸持作用，能夠顯著提高作物對肥料的利用效率［16］。同時一定濃度的保水劑能夠提高植物的出苗率、促進地上部分和根系的發(fā)育，提高植物的抗旱性，對作物有普遍的增產(chǎn)效果［13－16］。本研究中，保水劑能夠提高梭梭同化枝含水量，降低水分飽和虧，提高梭梭的抗旱性。與前人結論不同之處是，較低濃度（0.05%）和較高濃度（0.20%）的保水劑均能顯著促進梭梭的生長和根系的發(fā)育。這主要與干旱區(qū)土壤水分的季節(jié)變化有關，早春積雪融化和降水較充足，土壤含水量較高，最適宜梭梭生長的保水劑濃度為0.05%；而在干旱程度嚴重的夏季，0.20%濃度的保水劑對梭梭的生長促進最顯著，這可能與高濃度的保水劑對較深層土壤含水量的保持有關。

根長、根干重和吸收面積等是衡量根系發(fā)育水平的重要指標［20］。良好的根系發(fā)育對地上部分的生長具有決定意義，決定了植物吸收和傳導水分、養(yǎng)分的能力［21］，同時根系也是感受土壤干旱的初始部位，其發(fā)育水平直接影響著植物的抗旱能力［22］，適量濃度的保水劑可以降低植物的根系質(zhì)膜透性和可溶性糖含量，提高根系活力和根系生物量［15］。本研究表明，0.20%濃度的保水劑對不同徑級的根干重有顯著促進作用，0.05%和0.20%濃度的保水劑處理下梭梭總根長和總表面積較對照顯著增加?？梢姳Ｋ畡┠軌蛱岣吒档陌l(fā)育水平，增強了梭梭的抗旱能力，有效解決梭梭幼苗根系發(fā)育緩慢和根系水分不足而導致的死亡問題，為梭梭幼苗的安全越夏贏得保障。

4 結論

在土壤水分較為優(yōu)越的條件下，0.05%濃度的保水劑對梭梭生長促進作用顯著，5－6月，梭梭同化枝生長速率顯著高于對照。同時該濃度保水劑能夠提高梭梭幼苗成活率，成活率達到100%，較對照提高20%。

保水劑對較深層土壤水分也有一定的保持作用，在干旱嚴重的7－9月，0.20%濃度的保水劑能夠顯著提高20～40 cm土壤含水量；在7－9月，該處理下梭梭同化枝生長速率最快，梭梭同化枝含水量較對照提高5.76%；梭梭的株高、冠幅、新生枝長、基徑在0.20%濃度的保水劑處理下，均達到最大值，顯著高于對照。

保水劑對梭梭根系有顯著的促進作用，0.20%濃度的保水劑對不同徑級的根干重有顯著促進作用，0.05%和0.20%濃度的保水劑處理下梭梭總根長和總表面積較對照顯著增加。

保水劑有顯著的保水作用，同時高濃度的保水劑對較深層的土壤水分也有一定的保持作用，因此，應依據(jù)具體的土壤水分狀況以及應用保水劑的目的來確定保水劑濃度。在土壤水分狀況較好或是有灌溉條件時，保水劑濃度以0.05%為宜，反之在土壤水分不足的情況下可適當加大保水劑濃度。

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