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    干旱條件下保水劑對(duì)丸化沙打旺種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

    2014-01-23 09:35:08楊新樂王冬梅汪曉峰
    水土保持通報(bào) 2014年6期
    關(guān)鍵詞:沙打旺保水劑表面積

    楊新樂,王冬梅,汪曉峰

    (1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;2.北京林業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京100083)

    沙打旺(Astragalus adsurgens)是我國(guó)沙區(qū)飛播進(jìn)行植被恢復(fù)的主要物種之一。然而,由于沙打旺種子小、質(zhì)量輕[1],存在快速萌發(fā)后易干旱死亡,飛播成活率低等問題。采用種子丸化方法是飛播造林中防止種子漂移等問題的主要方法,其中,在種子丸化中添加保水劑不僅可促進(jìn)種子萌發(fā),也可促進(jìn)根系快速延伸至濕沙層以應(yīng)對(duì)干旱脅迫[2]。有研究[3-6]表明,保水劑丸化可顯著提高干旱脅迫下植物種子萌發(fā)及幼苗植物水分利用效率。然而,采用丸化形式與保水劑土壤混施情況不同,與混施情況相比,保水劑丸化改變植物種子周圍小空間的土壤水分狀況,對(duì)植物生長(zhǎng)基質(zhì)的整體水分影響較小。

    文獻(xiàn)[7-8]中報(bào)道丸化中添加保水劑含量(保水劑質(zhì)量/丸化填充物質(zhì)量)一般在0.05%~5%之間或者更高,且一般針對(duì)作物品種,對(duì)于干旱區(qū)沙打旺等小粒種子的丸化保水劑適宜含量方面卻鮮有研究。本研究以沙打旺為研究對(duì)象,在模擬干旱條件下,測(cè)定不同保水劑含量丸化時(shí)種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)及存活狀況,探究丸化種子添加保水劑適宜量,為改善沙區(qū)小粒種子飛播后抗旱成苗提供理論參考。

    1 材料與方法

    1.1 丸化種子的選擇

    沙打旺系豆科黃茂屬多年生草本植物,根系發(fā)達(dá),水分有效利用系數(shù)大[9]。本試驗(yàn)丸化采用的沙打旺種子由內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市林業(yè)治沙研究所提供,千粒重1.444g,初始發(fā)芽率90%。

    1.2 丸化添加材料

    試驗(yàn)丸化采用旱可舒保水劑(北京桑松生態(tài)科技有限公司),成分為丙烯酰胺及丙烯酸甲共聚物,白色,干燥時(shí)顆粒80目,去離子水的吸水倍率為1∶500。本試驗(yàn)采用的其他丸化添加材料為200目凹凸棒黏土,微黃,比表面積>350m2/g,pH=8.5。

    1.3 丸化制備過程及檢驗(yàn)

    丸化過程主要包括:(1)按保水劑質(zhì)量/(保水劑質(zhì)量+凹凸棒黏土質(zhì)量)比例為1%,3%,5%,7%,9%精確稱量丸化材料;(2)將800粒沙打旺種子及10g丸化添加材料(保水劑質(zhì)量、凹凸棒黏土質(zhì)量)放入三角瓶中,封口,固定于搖床內(nèi),150r/min,震蕩10min;(3)將混勻后材料倒入培養(yǎng)皿,向培養(yǎng)皿中緩慢加入自來水,并不斷攪拌,形成干泥狀;(4)將培養(yǎng)皿中干泥狀材料倒入玻璃板上固定尺寸(10cm×10cm)的模具中,用玻璃板壓成餅狀,再用刀片切成1cm×1cm的小塊,將切成的小塊放入塑料盆(直徑30cm,深20cm)中,不斷轉(zhuǎn)動(dòng)塑料盆,直至成丸,成丸后用風(fēng)扇快速風(fēng)干。

    將丸粒種子浸水崩解后過100目篩,挑出沙打旺種子,將濾得保水劑烘干,稱量,計(jì)算丸粒內(nèi)保水劑含量,從而確定保水劑與黏土混合比例。隨機(jī)抽取每種處理30丸進(jìn)行測(cè)定,最終丸化種子規(guī)格為:平均質(zhì)量(風(fēng)干后)0.10±0.02g/粒,崩解時(shí)間(35±10)s,單??箟簭?qiáng)度≥500g,丸化倍率1∶13,丸粒含種子數(shù)(7±3)個(gè)/粒。試驗(yàn)所成丸粒種子符合飛播要求[10]。

    1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    1.4.1 萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn) 按照保水劑在丸化添加劑中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置5個(gè)處理,保水劑含量分別為1%,3%,5%,7%,9%,裸種為對(duì)照(CK)。分別將5個(gè)處理與對(duì)照各30粒播種于花盆(頂部?jī)?nèi)徑15 cm,底部?jī)?nèi)徑12cm,高15cm)中,覆土0.5cm,每個(gè)處理3盆。

    1.4.2 抗旱試驗(yàn) 另設(shè)抗旱試驗(yàn),處理與萌發(fā)及生長(zhǎng)試驗(yàn)相同,裸種為對(duì)照(CK)。每盆播種保水劑丸化顆粒20粒,對(duì)照每盆播種沙打旺裸種20粒,播種后供水充足,2周后待沙打旺幼苗萌發(fā)數(shù)量不變,間苗,每盆保留幼苗10棵,每個(gè)處理4盆。

    1.5 盆栽試驗(yàn)試驗(yàn)管理?xiàng)l件及指標(biāo)測(cè)定

    1.5.1 萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn) 盆栽試驗(yàn)在北京林業(yè)大學(xué)溫室中進(jìn)行。盆栽基質(zhì)為沙土,過1mm篩,使用前烘干(140℃,48h),土壤飽和含水量為(21.99±1.82)%,田間持水量為(10.12±1.10)%,穩(wěn)定滲透速率為(2.21±0.22)mm/min,沙土飽和含水量與毛烏素沙丘飽和含水量接近[11],田間持水量略低,穩(wěn)定滲透速率略高[12],干旱條件為土壤質(zhì)量含水量的2%~5%,這與毛烏素沙地5—9月份,0—40cm土壤平均水分含量基本一致[13-14]。

    試驗(yàn)每盆裝干沙2kg,播種后覆沙320g,每次澆水前后進(jìn)行稱重,以便控制盆中土壤水分含量。播種后澆水致盆中沙土含水量達(dá)5%,每隔4h稱重,待土壤水分含量達(dá)到2%時(shí),再次澆水至土壤含水量的5%,使沙打旺萌發(fā)時(shí)土壤水分含量始終在2%~5%波動(dòng)。播種后每隔24h記錄盆中的發(fā)芽數(shù)量直至每盆中發(fā)芽數(shù)量穩(wěn)定,萌發(fā)速率用每日累計(jì)發(fā)芽數(shù)/穩(wěn)定發(fā)芽數(shù)表示,其中,穩(wěn)定發(fā)芽數(shù)是指播種2周后,不再變化的幼苗數(shù)量。播種8周后,傾斜花盆,輕微抖動(dòng),沙土大部分倒出,挑出幼苗,自來水反復(fù)沖洗,注意幼苗根系完整,24h內(nèi)測(cè)定幼苗單株根長(zhǎng)和根表面積。1.5.2 抗旱試驗(yàn) 試驗(yàn)所用土壤基質(zhì)與萌發(fā)及生長(zhǎng)試驗(yàn)相同,播種后澆水,使土壤水分含量在17.5%~19.5%(飽和含水量80%~90%)波動(dòng),2周后待沙打旺幼苗萌發(fā)數(shù)量不變時(shí)間苗,每盆保留幼苗10棵,澆水至土壤飽和含水量,此后不再澆水,之后每日17:00記錄枯黃及萎蔫幼苗數(shù)量,并拍照保存。

    沙打旺植株任意葉片出現(xiàn)變黃時(shí)即判定為幼苗枯黃,沙打旺植株所有葉片出現(xiàn)卷曲時(shí)即判定為幼苗萎蔫,枯黃速率以每天累計(jì)枯黃數(shù)量/總留苗數(shù)量表示,萎蔫速率以每天累計(jì)萎蔫數(shù)量/總留苗數(shù)量表示。停止供水后的14d隨機(jī)取葉片樣本進(jìn)行脯氨酸及可溶性糖含量的測(cè)定,間苗第22d,所有處理沙打旺幼苗葉片全部卷曲,間苗第24d灌水充足,24~29d內(nèi)萎蔫幼苗無復(fù)綠情況,此時(shí)收獲,進(jìn)行幼苗單株根長(zhǎng)、根表面積指標(biāo)測(cè)定。

    根長(zhǎng)、根表面積的測(cè)定采用根系掃描分析系統(tǒng)(WinRHIZO);脯氨酸測(cè)定采用磺基水楊酸比色法,可溶性糖測(cè)定采用蒽酮比色法[15]。

    試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPPS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)

    沙打旺種子萌發(fā)速率用每日累計(jì)發(fā)芽數(shù)/穩(wěn)定發(fā)芽數(shù)表示。對(duì)播種后8,10,12d的發(fā)芽情況進(jìn)行方差分析表明(表1),在萌發(fā)前期(8~10d),7%處理發(fā)芽速率較其他處理差異顯著,添加保水劑含量在1%時(shí),初期發(fā)芽較裸種慢,可能是因?yàn)橥杌瘡?qiáng)度限制了保水劑作用的發(fā)揮。播種后第10d,添加保水劑含量為7%,9%時(shí),種子萌發(fā)速率分別較對(duì)照快70%和63.19%,且和其他處理有顯著差異;試驗(yàn)添加保水劑含量在1%~7%范圍時(shí)發(fā)芽速率逐漸提高,9%的保水劑含量較7%時(shí)發(fā)芽速率低,這是由于溫室內(nèi)蒸發(fā)量較大時(shí),適量地添加保水劑可以保持種子周圍更多的水分,可以促進(jìn)丸化顆粒內(nèi)部種子的萌發(fā)[16];在發(fā)芽后期(12d),種子發(fā)芽數(shù)受保水劑含量影響不顯著。

    干旱條件下,根系會(huì)改變自身形態(tài)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型,幼苗根長(zhǎng)、根表面積等根系特征因而受到影響[17],由此,幼苗根長(zhǎng)、根表面積可作為衡量幼苗生長(zhǎng)的指標(biāo)。幼苗單株根長(zhǎng)、根表面積分析結(jié)果(表2)表明,保水劑含量為7%處理幼苗根長(zhǎng)較其他處理有顯著差別,較對(duì)照提高19.36%,其他處理較裸種無顯著差別,保水劑含量在3%~9%時(shí)根長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),保水劑的使用量存在著拐點(diǎn)[18],并非越高越好;根表面積數(shù)據(jù)顯示,保水劑含量在7%時(shí)根表面積最大,較裸種提高45.26%,裸種根表面積和其他保水劑濃度相比并無差別,對(duì)根長(zhǎng)、根表面積進(jìn)行相關(guān)性分析,兩者相關(guān)系數(shù)及其雙側(cè)檢驗(yàn)的概率分別為0.855和0.000,二者顯著正相關(guān),說明幼苗根長(zhǎng)、根表面積在處理間規(guī)律基本一致。

    對(duì)第8和第10天的發(fā)芽速率和收獲時(shí)根長(zhǎng)進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)沙打旺幼苗根長(zhǎng)與萌發(fā)前期(第8天)發(fā)芽速率顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.174 5,雙側(cè)檢驗(yàn)的概率為0.007),與萌發(fā)后期(第10天)發(fā)芽速率不顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.137,雙側(cè)檢驗(yàn)的概率為0.036),從發(fā)芽、水分管理?xiàng)l件等綜合考慮,保水劑處理種子促使種子萌發(fā)速率大,幼苗根長(zhǎng)、根表面積較大,可以吸收更多的水分,有利于幼苗生長(zhǎng)。

    表1 丸化保水劑含量對(duì)沙打旺種子萌發(fā)速率的影響

    表2 丸化保水劑含量對(duì)沙打旺幼苗根長(zhǎng)、根表面積的影響

    2.2 抗旱試驗(yàn)

    2.2.1 沙打旺幼苗枯黃—萎蔫的過程 沙打旺幼苗在干旱脅迫過程中出現(xiàn)明顯的反應(yīng),正常幼苗頂葉和靠近根部?jī)尚∪~綠色飽滿,所有處理及對(duì)照在停止供水9~17d內(nèi),靠近根部的兩個(gè)小葉首先出現(xiàn)枯黃的癥狀,頂部小葉顏色變淺,停止供水15~22d,底部?jī)尚∪~及頂部小葉卷曲萎蔫,沙打旺幼苗逐步死亡。

    2.2.2 保水劑對(duì)沙打旺幼苗枯黃、萎蔫速率及根長(zhǎng)的影響 沙打旺枯黃速率以每天累計(jì)枯黃數(shù)量/總留苗數(shù)量表示,萎蔫速率以每天累計(jì)萎蔫數(shù)量/總留苗數(shù)量表示。圖1所示,在抗旱試驗(yàn)前期(間苗后9~13d),丸化保水劑含量越高,枯黃速率越慢,間苗后13d,5%,7%處理較對(duì)照幼苗枯黃數(shù)量分別減少了15.58%和22.07%;隨著旱情加重,保水劑含量對(duì)幼苗枯黃速率影響逐漸減弱(斜率逐漸降低),在間苗后17~19d,所有處理幼苗大部分萎蔫(圖2),原因是抗旱試驗(yàn)后期,土壤水分含量極低,持續(xù)干旱情況對(duì)植物產(chǎn)生永久性的損傷[19]。對(duì)萎蔫后收獲的幼苗根長(zhǎng)、根表面積進(jìn)行單因素方差分析(表3)發(fā)現(xiàn),萎蔫幼苗根長(zhǎng)、根表面積隨著丸化保水劑含量增加而提高,5%,7%和9%處理較對(duì)照幼苗根長(zhǎng)增加11.90%,27.53%和53.81%,根表面積增加24.68%,11.03%和59.79%。

    圖1 沙打旺幼苗枯黃速率變化

    圖2 沙打旺幼苗萎蔫速率變化

    表3 丸化保水劑含量對(duì)沙打旺萎蔫時(shí)根長(zhǎng)、根表面積影響

    2.2.3 保水劑對(duì)沙打旺幼苗葉片脯氨酸及可溶性糖含量的影響 在干旱環(huán)境下,植物為維持體內(nèi)水分含量,會(huì)在胞內(nèi)主動(dòng)積累一些溶質(zhì)。由于胞內(nèi)溶質(zhì)增多,滲透勢(shì)下降,細(xì)胞就可從外界吸水,調(diào)節(jié)胞內(nèi)膨壓,從而維持胞內(nèi)的正常生理活動(dòng)[20-21]。因此,植物體內(nèi)可溶性糖及脯氨酸含量可作為保水劑包衣處理后抗旱試驗(yàn)生理指標(biāo)。如圖3所示,沙打旺幼苗葉片脯氨酸含量隨保水劑濃度增加逐漸減小,多重比較(S-N-K)顯示,保水劑含量在1%~5%時(shí)脯氨酸水平與對(duì)照無顯著差異,7%和9%處理差異顯著,與對(duì)照相比,幼苗葉片脯氨酸含量分別降低了13.1%,13.6%。沙打旺幼苗葉片可溶性糖含量隨保水劑濃度增加逐漸減小,與葉片脯氨酸含量變化趨勢(shì)一致,CK,1%與3%處理差異顯著,5%,7%,9%與1%,3%處理差異顯著,5%,7%,9%處理較對(duì)照幼苗葉片可溶性糖含量分別降低了20.33%,22.85%,19.08%。幼苗葉片中脯氨酸和可溶性糖含量的測(cè)定證明丸化添加保水劑減少沙打旺幼苗在干旱條件下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累,有助于延長(zhǎng)幼苗承受干旱脅迫的時(shí)間。

    圖3 丸化保水劑含量對(duì)沙打旺幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

    3 結(jié)果討論

    (1)種子萌發(fā)期及幼苗生長(zhǎng)階段周圍土壤水勢(shì)是種子及幼苗根系吸水的決定因素,保水劑丸化可以改變植物種子周圍小空間的土壤水分狀況,其含量多少?zèng)Q定了在相同水分含量時(shí)土壤水勢(shì)的高低。萌發(fā)及生長(zhǎng)試驗(yàn)顯示,丸化保水劑含量低(1%,3%)對(duì)種子及幼苗周圍土壤水勢(shì)改變效果不明顯,萌發(fā)及幼苗根系與裸種無顯著差別,丸化保水劑含量過高(9%),種子萌發(fā)速率及幼苗根系有所下降,這種拐點(diǎn)的出現(xiàn)可能是在土壤水分含量過低,保水劑不能保持足夠的水分,此時(shí)可能出現(xiàn)保水劑與種子或幼苗根系爭(zhēng)水的現(xiàn)象[22],因此丸化添加保水劑含量有一定的范圍,這與土壤水分條件及植物不同階段吸水能力有關(guān)。

    (2)根據(jù)試驗(yàn)研究,干旱條件下,種子初期的萌發(fā)速率會(huì)影響幼苗的生長(zhǎng),種子初期萌發(fā)速率越大,幼苗生長(zhǎng)狀況越好,反之生長(zhǎng)狀況越差。因而推測(cè)出沙區(qū)種子定植存在著以下現(xiàn)象:降雨過后沙區(qū)種子可以迅速萌發(fā)生長(zhǎng),若其根系在干旱來臨之前能夠到達(dá)濕沙層,則幼苗成活。沙打旺等小粒種子在干旱沙區(qū)飛播造林中可以從兩個(gè)方面提高成活率,一是提高小粒種子初期萌發(fā)的速率;二是改良種子周圍環(huán)境,保證水分的充足。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),添加保水劑丸化后加快了沙打旺的萌發(fā)速率,適量的保水劑含量可顯著促進(jìn)沙打旺幼苗根系生長(zhǎng)。

    (3)保水劑丸化在實(shí)際中可能存在局限性。試驗(yàn)表明,丸化中添加適量保水劑可提高沙打旺幼苗萌發(fā)速度及幼苗根系生長(zhǎng),然而在實(shí)際應(yīng)用中還存在著以下問題,大規(guī)模保水劑丸化工藝,添加保水劑含量高,丸化顆粒易崩解,不宜運(yùn)輸,應(yīng)用粘合劑后,丸化強(qiáng)度大,可能影響出苗。

    4 結(jié)論

    (1)萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)中,7%丸化保水劑含量處理促進(jìn)沙打旺種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)。發(fā)芽初期(8~10d),沙打旺種子丸化添保水劑含量高利于沙打旺萌發(fā),播種后第10d,保水劑含量7%,9%處理種子萌發(fā)速率較對(duì)照分別快了70%和63.19%,保水劑含量在7%時(shí),沙打旺幼苗根長(zhǎng)、根表面積較裸種提高19.36%,45.26%。

    (2)抗旱試驗(yàn)中,5%,7%和9%丸化保水劑含量處理提高沙打旺幼苗的抗旱能力。沙打旺幼苗停止供水后,底部?jī)善尤~首先枯黃萎蔫,進(jìn)而頂部小葉萎蔫死亡;采用保水劑丸化間苗后第13d,5%和7%處理較對(duì)照幼苗枯黃數(shù)量分別減少了15.58%和22.07%,對(duì)幼苗萎蔫速率影響不明顯;萎蔫幼苗的根長(zhǎng)、根表面積隨著保水劑濃度的提高而增加,5%,7%,9%處理較對(duì)照根長(zhǎng)分別增加11.90%,27.53%和53.81%,根表面積分別增加了24.68%,11.03%,59.79%;沙打旺幼苗葉片內(nèi)脯氨酸、可溶性糖含量與對(duì)照相比,7%,9%處理幼苗葉片脯氨酸含量分別降低了13.1%和13.6%;5%,7%和9%處理較對(duì)照幼苗葉片可溶性糖含量分別降低了20.33%,22.85%,19.08%。

    (3)根據(jù)萌發(fā)及生長(zhǎng)試驗(yàn)、抗旱試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析,沙打旺丸化添加保水劑適宜含量為7%~9%。

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