不同保水固沙措施對沙培番茄生長和基質(zhì)環(huán)境的影響

游詩堯，王 榮，周海霞，韓澤宇，蘭摯謙，劉吉青，吳艷紅，周艷超，尹應武，孫 瑞，張雪艷*

(1.寧夏大學 農(nóng)學院/寧夏設施園藝工程技術研究中心/寧夏設施園藝(寧夏大學)技術創(chuàng)新中心，寧夏 銀川 750021;2.廈門大學 化學化工學院，福建 廈門 361005; 3.北京紫光英力化工技術有限公司，北京 100085)

我國是世界上受荒漠化嚴重危害的國家之一。沙化面積的增加，不僅危害到人類的生活，而且嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境。根據(jù)“第五次全國荒漠化和沙化土地監(jiān)測”，截至2014年，全國荒漠化土地面積261.16萬km2，沙化土地面積172.12萬km2[1]。

現(xiàn)行沙漠治理方法主要分為3種類型:物理固沙、化學固沙和植物固沙。物理固沙是利用蘆葦、麥草等扎成沙障來阻止沙子移動，以達到固沙的目的[2]；化學固沙是在沙丘地上噴灑化學黏結材料，在流沙表面形成覆蓋層，或滲入表層沙，把松散的沙粒黏結起來形成固結層，從而防止風力對沙粒的吹揚和搬運，達到固定流沙、防治沙害的目的[3]；植物固沙是通過栽種植物的手段來穩(wěn)定沙體(但沙漠本身難以生長植物)，以達到固沙的目的。此外還有其他一些方法，比如易志堅[4]提出的沙漠“土壤化”，通過力學手段使沙漠獲得土壤的生態(tài)-力學屬性，同時獲得與土壤一樣存儲水分、養(yǎng)分和空氣的能力，進而成為植物生長的理想載體；趙玉芬院士提出的生物基固沙劑，是一種以生物基為原料，具有保水保肥、提高沙子團粒結構、自然降解、促進微生物生長能力的新型固沙劑，以生物基固沙劑為營養(yǎng)源和粘合劑，復配植物顆粒類(如秸稈粉)噴灑在沙漠表面，可使沙漠表層快速形成結皮層，把沙漠變成土壤，進行植物種植[5]。

沙漠光熱資源豐富，且晝夜溫差大，利于沙地栽培的茄果類作物果實著色及糖分積累，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)番茄的最適宜氣候區(qū)[6]?；诖?，本試驗以番茄為材料，結合紙膜、保水劑、生物基固沙劑等不同保水固沙措施，分析各處理下基質(zhì)的理化性質(zhì)以及番茄的生物學性狀，以探明各處理對沙地環(huán)境的改善效果及對番茄生長的影響，為沙漠的防治及沙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗于2017年5月26日—11月1日在內(nèi)蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)內(nèi)進行。以番茄(臺灣紅)為試驗材料，采用沙培平畦，株距40 cm，行距100 cm，兩側建倒V形架用于吊蔓。沙子基本特性見表1，以不添加任何保水材料為對照，不同保水固沙措施見表2。所有處理底肥穴施豐田寶生物肥(顆粒，芽孢桿菌≥0.2 億cfu/g、有機質(zhì)≥40%)，按400 g/株用量施用；所有處理追施生物基肥(氮磷鉀≥50%、鐵0.1%、硼0.4%)，每次用量45 kg/hm2，追施2次，每個處理3次重復。隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積60 m2，采用滴灌灌水，所有處理灌水量保持一致。

表1 沙子基本特性

表2 不同保水固沙措施

1.2 測定項目及方法

1.2.1 植物學性狀 番茄定植2周后，每個處理取5株，每2周測定1次株高、莖粗及葉綠素含量，連續(xù)測定4次。株高為番茄生長點到根基部的垂直距離，用卷尺測量；莖粗為子葉下1 cm的粗度，用游標卡尺測定；葉綠素為第5個功能葉片的葉綠素含量，用SPAD 502葉綠素含量測定儀測定。

1.2.2 果實品質(zhì) 盛果期每個處理隨機采5個大小均勻、著色統(tǒng)一的番茄果實進行品質(zhì)測定。采用鉬藍比色法測定還原性維生素C含量[7]；采用蒽酮比色法測定可溶性總糖含量；采用折光儀測定可溶性固形物含量；采用酸堿中和轉移法測定有機酸含量；采用水楊酸比色法測定硝酸鹽含量[8]。

1.2.3 沙子物理性狀 采用五點取樣法采集盛果期0～20 cm、20～40 cm的土樣，烘干、測定含水量；取0～20 cm土樣，充分混合風干后過1 mm篩，部分過0.25 mm的篩，用于沙子容重、比重、總孔隙度、pH值、EC值和沙子養(yǎng)分的測定。容重用環(huán)刀法測定，比重用比重瓶法測定，總孔隙度用計算法,EC值用1∶5懸液電位計法測定，pH值用電導法測定，有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，速效氮含量用流動分析儀測定，速效磷含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1 mol/L NH4AC浸提—火焰光度法測定[9]。

1.2.4 根系特性 在盛果期每個處理取5株番茄根系，用 EPSON EXPRESSION 4990 型掃描儀對根樣進行掃描，用 Win RHIZO 根系分析軟件對掃描的根系圖片進行分析，得到根樣的根長、根表面積、根體積和根的平均直徑[10]。

1.2.5 葉片光合特性 用GFS 3000光合儀測定番茄葉片的凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進行處理，采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同保水固沙措施對沙培番茄植株生長的影響

由圖1可知，番茄株高隨著定植時間的延長而增加。瓦楞紙?zhí)幚淼闹旮咴诟鲿r期均相對較低；7月2日，牛皮紙與瓦楞紙?zhí)幚淼闹旮唛g有顯著差異，7月30日，牛皮紙?zhí)幚淼闹旮吲c生物基B、生物基A處理以及CK間無顯著差異，但顯著高于保水劑和瓦楞紙?zhí)幚?，且保水劑處理的株高顯著高于瓦楞紙?zhí)幚恚?月14日，生物基A、生物基B、保水劑處理的株高間無顯著差異，生物基B處理的株高顯著高于牛皮紙、瓦楞紙?zhí)幚砗虲K，瓦楞紙?zhí)幚碜畹停?月31日，生物基A處理的株高顯著高于其他處理，顯著高于CK 19.81%，其他處理間無顯著差異。

不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)，下同圖1 不同保水固沙措施對番茄株高的影響

由圖2可知，番茄莖粗隨定植時間的延長而增加。7月2日，生物基B處理的莖粗顯著高于其他處理，其他處理間無顯著差異，保水劑處理的莖粗顯著高于CK；7月30日，各處理間無顯著差異；8月14日，瓦楞紙、牛皮紙、生物基B處理的莖粗顯著高于CK；8月31日，牛皮紙?zhí)幚淼那o粗顯著高于生物基B處理和CK，與其他處理間無顯著差異。

圖2 不同保水固沙措施對番茄莖粗的影響

由圖3可以看出，7月2日，生物基A處理的葉綠素含量顯著高于牛皮紙和生物基B處理；7月30日和8月14日各處理間無顯著差異；8月31日，生物基A處理的葉綠素含量顯著高于保水劑處理，高于CK 8.24%，與其他處理間無顯著差異。

圖3 不同保水固沙措施對番茄葉綠素含量的影響

2.2 不同保水固沙措施對沙培番茄根系的影響

由表3可知，生物基A和保水劑處理的根長均顯著高于CK，分別比CK高出45.95%、16.25%，瓦楞紙和生物基B處理根長顯著低于CK。CK、生物基A、生物基B、保水劑處理的根表面積間無顯著差異，牛皮紙?zhí)幚淼母砻娣e較之較小，瓦楞紙?zhí)幚淼母砻娣e最?。槐Ｋ畡┨幚淼母睆阶畲?，高于CK 29.17%，生物基B處理次之，瓦楞紙和牛皮紙以及生物基A處理的根直徑較??；保水劑處理的根體積最大，高于CK 56.58%，生物基A、生物基B處理、CK間無顯著差異，瓦楞紙和牛皮紙?zhí)幚淼母w積較小。

表3 不同保水固沙措施對番茄根系的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 不同保水固沙措施對沙培番茄葉片光合特性的影響

由圖4可知，生物基A處理的葉片凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導度均相對較高，其中葉片凈光合速率是CK的1.66倍。牛皮紙?zhí)幚淼娜~片凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導度相對較低。瓦楞紙、生物基B處理以及CK在凈光合速率以及氣孔導度上相差不大，CK的葉片蒸騰速率相對較高。

2.4 不同保水固沙措施對沙培番茄品質(zhì)的影響

由圖5可知，各處理間果實維生素C和硝酸鹽含量均無顯著差異；瓦楞紙、牛皮紙、保水劑處理果實有機酸含量顯著高于CK，其中瓦楞紙?zhí)幚淼墓麑嵱袡C酸含量最高，顯著高于CK 27.78%，生物基A處理與CK無顯著差異，生物基B處理的果實有機酸含量最低；瓦楞紙、生物基A、保水劑處理的果實可溶性固形物含量分別顯著高于CK 3.42%、6.33%、7.17%，牛皮紙、生物基B處理與CK間無顯著差異；生物基A、生物基B、瓦楞紙?zhí)幚淼目扇苄蕴呛糠謩e高于CK 8.87%、15.53%、8.87%，牛皮紙?zhí)幚淼目扇苄蕴呛颗cCK無顯著差異，保水劑處理的可溶性糖含量顯著低于CK。

圖4 不同保水固沙措施對番茄葉片光合特性的影響

圖5 不同保水固沙措施對番茄果實品質(zhì)的影響

2.5 不同保水固沙措施對沙培番茄基質(zhì)營養(yǎng)成分的影響

由圖6可知，在0～20 cm深的沙子里，生物基B、生物基A處理的沙子含水量顯著高于瓦楞紙?zhí)幚?，其他各處理間無顯著差異。在20～40 cm深的沙子里，牛皮紙?zhí)幚淼纳匙雍匡@著高于其他處理，比CK高出73.40%，其他各處理之間無顯著差異。

圖6 不同保水固沙措施對沙子含水量的影響

由表4可知，各處理沙子的pH值都比CK高，瓦楞紙以及牛皮紙?zhí)幚砩匙觩H值較高，分別比CK高0.89、0.87；所有處理EC值介于0.17～0.31 mS/cm，其中CK和生物基B處理間無顯著差異，保水劑處理的EC值最低，牛皮紙?zhí)幚淼腅C值最高，比CK高63.2%；各處理沙子比重和容重間無顯著差異，保水劑處理比重較高，高于CK 12.88%，生物基A處理容重較高，高于CK 3.33%；各處理總孔隙度介于31.33%～41.70%，均在基質(zhì)適宜空隙度范圍內(nèi)，瓦楞紙、牛皮紙、保水劑、生物基A、生物基B處理的孔隙度分別相對CK顯著增加33.1%、29.3%、38.4%、21.4%、10.2%。

表4 不同保水固沙措施對沙子理化特性的影響

由圖7可知，生物基B處理的速效鉀含量最高，顯著高于CK 55.99%，瓦楞紙?zhí)幚砺缘陀谏锘鵅處理，但顯著高于其他處理，其他處理間無顯著差異；所有處理的速效氮含量均顯著高于CK，其中瓦楞紙?zhí)幚碓龇疃啵傩У渴荂K的40倍，物基A處理次之，含量為CK的16倍，保水劑和生物基B處理略高于CK；各處理間的速效磷含量無顯著差異；生物基B處理的有機質(zhì)含量最高，顯著高于CK 10.91%，生物基A處理、CK次之且無顯著差異，瓦楞紙、牛皮紙、保水劑處理顯著低于CK。

圖7 不同保水固沙措施對沙子營養(yǎng)成分的影響

2.6 不同保水固沙措施的主成分分析及成本比較

由表5可以看出，生物基A處理綜合得分最高，保水劑處理次之，其他處理綜合得分均低于CK。

表5 不同保水固沙措施的主成分分析

由表6可知，瓦楞紙和保水劑處理所需成本較高，牛皮紙和生物基A、B處理的成本較低。

表6 不同保水固沙措施的成本比較

3 結論與討論

沙漠化是我國當前面臨的最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一，近年來我國每年因荒漠化、沙漠化所造成的直接經(jīng)濟損失達540億元，嚴重制約了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[11-13]。關于沙漠化的形成原因、發(fā)展規(guī)律以及防治策略、防治方法等已有較多的研究。王濤等[13-16]通過確定土壤風蝕容忍量，風沙電場形成機制、分布規(guī)律和影響，建立了沙塵暴監(jiān)測、預報預警方法和系統(tǒng)；曹軍等[17]通過對土地沙漠化分析得出適宜土壤結構調(diào)整；冉飛天[18]采用接枝聚合使黏土基高分子復合材料保水固沙得到廣泛應用。由于流沙移動頻繁、溫度高、降雨量少、水分蒸發(fā)速度快，風沙現(xiàn)象日益嚴重，探討如何有效保水固沙意義重大。因此，要求固沙材料具有較強的黏結作用，形成黏結強度較高的固結層；同時，還要有一定的吸水能力和保水能力，以降低蒸發(fā)、儲存水分，保證沙生植物生長過程中的水分供給，為植物生長創(chuàng)造良好條件[18]。

土壤容重可反應土壤的緊實程度和孔隙狀況，其大小可影響土壤機械阻力、含水量、通氣性以及植物對水肥的利用率等[19]。相關研究表明，容重過大，則基質(zhì)過緊實、總孔隙度小、通氣透水性差；容重過小，則基質(zhì)過于疏松、總孔隙度大、有利于作物根系生長[20-24]。本試驗中生物基A處理通過對表層沙子進行噴鋪固定，將萬向約束力引入沙層顆粒之間，使得該處理的容重增大、總孔隙度減小，說明生物基A的處理能夠增大沙子間的緊實度，達到了固沙的效果。相反，保水劑處理通過高吸水性物質(zhì)對水分進行固定，使沙子顆粒間水分含量增加、沙子容重減小、總孔隙度值變大，得到適宜作物根系生長的疏松含水環(huán)境，促進根系的生長[24]。

大量的研究表明，通過增加地表凋落物和地下有機物(細根及根系分泌物)輸入，從而顯著降低土壤容重，增強團聚體穩(wěn)定性，改善土壤持水能力和入滲性能，從而改善土壤綜合物理性質(zhì)[25]。試驗中瓦楞紙、牛皮紙、保水劑以及生物基B處理的容重都比CK低，較低的容重為植株根系在沙漠中吸取水分提供了幫助，說明這些處理對改善沙地的生態(tài)環(huán)境能起到一定的效果，但是由于沙漠本身的水分匱乏、蒸發(fā)量大，水分流失嚴重，需要完全進行沙漠種植還需長時間地探索。

不同保水固沙措施創(chuàng)造出植物生長的適宜環(huán)境，加速番茄的呼吸作用，增加在生育期間的水肥供應使得植株地下部鹽基累積，致使沙子pH值升高。EC值是栽培基質(zhì)重要的化學性狀，表明基質(zhì)內(nèi)可電離鹽類的溶液濃度，基質(zhì)中的鹽分、水分、溫度、有機質(zhì)含量和質(zhì)地結構等均不同程度地影響著基質(zhì)的EC值[26-29]。試驗結果顯示，牛皮紙?zhí)幚盹@著提高了基質(zhì)的EC值，瓦楞紙?zhí)幚淼腅C值也高于CK。瓦楞紙?zhí)幚淼乃傩У匡@著高于其他處理，這是因為紙膜本身含有植物生長發(fā)育所必需的大量和微量元素，因此沙子有機質(zhì)含量有所增加[30]。與CK相比，20～40 cm沙子中，牛皮紙?zhí)幚淼暮匡@著高于CK，這說明紙膜有降低有效養(yǎng)分的流失及揮發(fā)、保肥保水的作用[31]。

生物基肥料營養(yǎng)平衡、肥效高，富含木質(zhì)素、腐殖酸及其他微生物可降解的有機和無機營養(yǎng)成分，不會造成白色污染?？商岣咄寥烙袡C鉀、磷的含量，減少鉀和磷的流失，促進土壤中固定鉀和磷的利用，改善土壤理化性質(zhì)和團粒結構，降低密實性，增加保肥、保水能力，提高肥料緩效性、作物抗逆能力，改善作物品質(zhì)、土壤生態(tài)[32-34]。試驗結果顯示，生物基B處理能夠明顯提高沙地的速效鉀以及有機質(zhì)含量，生物基A處理對番茄植株的株高以及莖粗有明顯的促進作用，并能顯著促進根系的伸長，提高葉片凈光合速率，顯著提高番茄果實內(nèi)可溶性固形物的含量。

綜上所述，瓦楞紙和牛皮紙?zhí)幚砟軌蛎黠@提高果實的有機酸含量，提高沙子的pH值、EC值以及增大沙子的比重和總孔隙度，顯著提高速效氮含量。瓦楞紙?zhí)幚砻黠@提高了果實的可溶性糖含量，牛皮紙?zhí)幚硖岣吡松匙拥谋Ｋ浴?/p>

保水劑處理對根系的生長發(fā)育有明顯的促進作用，同時，顯著提高果實的有機酸含量以及可溶性固形物含量，沙子的pH值、比重、總孔隙度也較大。

生物基A、B處理能夠提高果實的可溶性糖含量，提高沙子的pH值，增大沙子比重和總孔隙度，明顯增加速效氮含量，達到固沙的效果。其中生物基B處理能夠明顯提高沙子的速效鉀、有機質(zhì)含量；生物基A處理能夠在植株旺盛生長期促進番茄株高的伸長以及根系的延伸，提高葉片的凈光合速率。

不同保水固沙措施對番茄植株和果實的生長發(fā)育以及沙子的改善都能起到一定的作用，其中生物基A處理在改善植物的生物學性狀及沙子的理化性質(zhì)方面都有好的表現(xiàn)，能達到固沙與促進植株生長的效果。