保水劑用量對(duì)礦區(qū)紫花苜蓿生長(zhǎng)的影響

陳藝超,孫保平,張建鋒,宋雙雙,李智勇,陳 串

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京)

中國(guó)北方礦區(qū)氣候干旱、少雨,水分是該地區(qū)限制植被重建的主要因子。采礦過(guò)程中,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到極大破壞,水土流失加劇,植物難以生長(zhǎng),生態(tài)修復(fù)難度加大[1]。紫花苜蓿是我國(guó)常見(jiàn)的水土保持植物,抗旱能力強(qiáng),適應(yīng)性廣,常作為干旱礦區(qū)植被重建先鋒草種[2]。保水劑是一種具有超高吸水保水能力的高分子聚合物,能吸收自身質(zhì)量幾百倍的水分,其吸收的水分可以緩慢釋放[3],供作物吸收利用,從而改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤保水性能,緩解植物所受水分脅迫[4],增強(qiáng)植物光合強(qiáng)度[5],提高水分利用率[67],延長(zhǎng)植物生存期,在干旱地區(qū)應(yīng)用保水劑能夠有效促進(jìn)植被恢復(fù),防止水土流失。國(guó)內(nèi)外對(duì)保水劑開(kāi)展了諸多研究[89],但主要集中在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)方面[1011],對(duì)保水劑在礦山廢棄地植被重建中的應(yīng)用效果研究不足;因此,研究保水劑對(duì)干旱礦區(qū)土壤條件下紫花苜蓿生長(zhǎng)的影響具有重要意義。本研究通過(guò)盆栽控制實(shí)驗(yàn),對(duì)比不同保水劑施用濃度下的礦區(qū)土壤水分、土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紫花苜蓿光合生理指標(biāo)和生長(zhǎng)指標(biāo),探討保水劑對(duì)礦區(qū)土壤和紫花苜蓿生長(zhǎng)狀況的影響,并得出干旱礦區(qū)紫花苜蓿栽植中保水劑的最佳用量,以期為礦區(qū)植被重建中保水劑的應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2016年5月1日開(kāi)始在北京林業(yè)大學(xué)八家園林苗圃進(jìn)行。試驗(yàn)用保水劑為臺(tái)灣塑膠工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的“臺(tái)麗保AG101”,是一種以高純度丙烯酸為主要原料制成的高吸水性樹(shù)脂,其組成成分為交聯(lián)丙烯酸鈉鹽,粒徑分布在150～850 μm之間,質(zhì)量濃度約為650 g/L,純凈水吸水倍率大于300倍。采用盆栽方式栽培,選用多年生紫花苜蓿(Medicago sativa),其抗旱性強(qiáng)、耐貧瘠,水土保持作用顯著。試驗(yàn)用花盆為盆口直徑21 cm、盆底直徑16 cm、盆高23 cm的有孔塑料花盆。盆栽土壤取自白云鄂博鐵礦石尾礦區(qū),主要以細(xì)砂礫為主,其土壤基本理化性質(zhì)如下：顆粒組成為粗砂粒0.9%、細(xì)砂粒68.2%、粉砂粒30.9%;有機(jī)質(zhì)16.14 g/kg;全氮 0.31 g/kg、全磷3.31 g/kg、全鉀19.09 g/kg;速效氮 30.95 mg/kg、速效磷 3.37 mg/kg、速效鉀41.00 mg/kg。土壤田間持水量采用環(huán)刀法取樣測(cè)得為27.43%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)布設(shè) 篩去礦區(qū)土中的雜質(zhì)和石礫,每盆放置礦區(qū)土壤3.33 kg,加入基施肥料并混勻,每盆肥料施用量為尿素0.70 g,過(guò)磷酸鈣3.65 g,硫酸鉀1.55 g。保水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)置為0(CK)、0.15%(A1)、0.30%(A2)、0.45%(A3)、0.60%(A4)及0.90%(A5),共6種,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。將花盆上部2/3的土壤與相應(yīng)用量的保水劑混合,紫花苜蓿種子撒播在該層混合土壤之上,最后覆蓋一層約2 cm厚的土壤并壓實(shí),澆足水,待紫花苜蓿正常生長(zhǎng)后,于2016年7月—2016年9月進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始后澆1次透水,之后不再澆水,每天觀察并記錄。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定 采用MPM-160B手持式土壤水分測(cè)定儀測(cè)定不同脅迫時(shí)間的土壤含水率(SRWC);采用Li-6400P光合測(cè)定系統(tǒng)(Li-Cor,美國(guó))測(cè)定植物的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等生理指標(biāo),選用2 cm×3 cm標(biāo)準(zhǔn)葉室進(jìn)行測(cè)量,測(cè)定時(shí)選擇生長(zhǎng)狀況良好、生長(zhǎng)狀況盡可能一致的葉片,測(cè)量的葉片面積約為5 cm2,選擇晴天10：30―12：00進(jìn)行測(cè)定,自然光照,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。計(jì)算葉片水分利用效率(WUE)。對(duì)植物葉片進(jìn)行隨機(jī)取樣,使用分光光度法測(cè)定葉片的葉綠素總量。

測(cè)定植物的生存期,植株生存期為干旱脅迫開(kāi)始到植株頂芽枯死的時(shí)間;試驗(yàn)結(jié)束后,采用整株收獲法,于105℃殺青15 min,90℃烘干至恒質(zhì)量,分別稱量植株地上部分和根的干質(zhì)量,計(jì)算生物量及根冠比;盆栽土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定,全氮采用凱氏定氮法測(cè)定,全磷采用氫氟酸 高氯酸消化 鉬銻抗比色法測(cè)定,全鉀采用氫氧化鈉堿熔火焰光度法測(cè)定,速效氮、速效磷均采用全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定,速效鉀采用乙酸銨浸提 火焰光度法進(jìn)行測(cè)定。土壤水分測(cè)定和土壤采集均在含有保水劑的土層。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 測(cè)定數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析,采用LSD多重比較法進(jìn)行各處理間差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)紫花苜蓿存活期的影響

觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑的處理隨干旱持續(xù)出現(xiàn)癥狀不同,存在較大差異。對(duì)照組出現(xiàn)脅迫癥狀較嚴(yán)重且時(shí)間較早,A2、A3受脅迫程度較輕。如表1所示,各處理存活時(shí)間表現(xiàn)為：A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,處理組較對(duì)照組存活時(shí)間延長(zhǎng)6.16% ～35.05%。經(jīng)方差分析,除 A3外,A2與其余各處理均存在顯著差異。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)紫花苜蓿存活期的影響Tab.1 Effects of different concentrations of SAP on the survival time of Medicago sativa

2.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)土壤含水率的影響

結(jié)果(圖1)表明隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng),土壤含水率呈下降趨勢(shì)。A1、A2、A3及對(duì)照組在脅迫開(kāi)始12 d時(shí),土壤含水率大幅下降,此時(shí)A4下降緩慢,A5基本保持平穩(wěn);與脅迫開(kāi)始時(shí)相比,A1、A2、A3及對(duì)照組在脅迫開(kāi)始20 d時(shí)土壤含水率下降約50%,隨后下降幅度明顯減小;A4及A5分別在脅迫開(kāi)始后24 d,32 d時(shí)土壤含水率幾乎降至最低。與脅迫開(kāi)始時(shí)相比,各處理在脅迫結(jié)束時(shí)土壤含水率下降值依次為：A5(23.20%)＜A4(23.93%)＜A3(24.50%)＜A2(24.73%)＜A1(25.17%)＜CK(25.43%)。與對(duì)照相比,添加保水劑的處理土壤含水率提高1.04%～8.78%,可見(jiàn)施用保水劑能夠減少土壤水分的蒸發(fā),保持土壤水分。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑處理土壤含水率變化Fig.1 Changes of soil moisture content under different concentrations of SAP

2.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知：與對(duì)照組相比,多數(shù)添加保水劑的處理其有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯下降,下降值為2.45%～10.03%。土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低次序?yàn)锳2=A3＞A1＞A4＞A5＞CK、全磷A2＞A3＞A1＞A5＞CK＞A4、全鉀A2＞A1＞A3＞A4＞A5＞CK,與對(duì)照相比分別提高13.40% ～35.54%、2.61% ～18.93%和8.53%～15.89%。各處理土壤速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低次序?yàn)锳3＞A4＞A2＞CK＞A5＞A1,速效磷為A3＞A2＞A1＞A4＞A5＞CK,速效鉀為A4＞A2＞A3＞A5＞A1＞CK,與對(duì)照相比分別提高5.88% ～47.02%、17.88% ～101.73%和12.5% ～31.55%。綜合來(lái)看,A2、A3及A4處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分保蓄效果較好。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Tab.2 Effects of different concentrations of SAPon soil nutrients

2.4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)紫花苜蓿光合特性的影響

如圖2所示：整個(gè)脅迫試驗(yàn)期間,紫花苜蓿各處理Pn、Tr及Gs對(duì)土壤水分趨勢(shì)響應(yīng)規(guī)律相似,隨土壤含水率減小,Pn、Tr及Gs先增大后減小。Pn、Tr及Gs均在脅迫開(kāi)始12 d左右逐漸下降,A2及A3處理Pn下降幅度較緩,其他處理大幅下降。隨土壤含水率減小,Ci先增大后減小,在脅迫后期,Ci又急劇增大。處理A2、A3分別在脅迫開(kāi)始28 d、24 d,其他處理在脅迫開(kāi)始20 d左右Ci值急劇增大。

各處理間 Pn、Tr、Gs、Ci及 WUE 大小關(guān)系均為A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK;其中,A2、A3處理Pn、Tr、Gs均與對(duì)照有顯著差異,Ci值A(chǔ)2處理與對(duì)照有顯著差異。與對(duì)照組相比,添加保水劑的各處理Pn、Tr、Gs、Ci及 WUE 分別增長(zhǎng) 8.94% ～ 96.96%、5.64% ～61.12%、14.17% ～135.05%、14.85% ～49.71%和1.08% ～16.48%。干旱脅迫前期,Pn上升速率大于Tr,WUE持續(xù)增大。除A2外,其他各組隨干旱脅迫程度的增強(qiáng),WUE下降幅度較大,說(shuō)明干旱脅迫后期Pn下降幅度顯著大于Tr,水分脅迫降低了紫花苜蓿葉片的光合強(qiáng)度,嚴(yán)重影響了其正常能量生產(chǎn)和傳遞。A2處理下紫花苜蓿在干旱脅迫后期仍有較高的水分利用效率,與其他各組有顯著差異。

由圖3可知：添加保水劑的處理葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照組,各處理葉綠素總量整體呈下降趨勢(shì)。在脅迫20 d內(nèi),葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較緩;在脅迫20 d起至脅迫結(jié)束,葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅下降。添加保水劑的各處理葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降幅度高低表現(xiàn)為A4＞A5＞A1＞A2＞A3,下降幅度分別為 87.97%、87.51%、84.71%、83.96% 和77.86%,對(duì)照組下降幅度最大,為88.81%。葉綠素總量大小關(guān)系為A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,添加保水劑各處理較對(duì)照組增加9.48%～30.29%。A2與A4、A5和對(duì)照組差異顯著(P＜0.05)。

2.5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)紫花苜蓿生物量、根冠比的影響

試驗(yàn)結(jié)果(表3)表明,不同處理間生物量、根冠比總體差異顯著,生物量大小表現(xiàn)為：A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,添加保水劑的各處理生物量均高于對(duì)照組,較對(duì)照組增加17.01% ～61.96%,其中A2與其他各處理差異顯著。除A5以外,其他各組根冠比均與對(duì)照有顯著差異,對(duì)照組根冠比顯著大于試驗(yàn)組。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑處理紫花苜蓿光合氣體交換參數(shù)變化Fig.2 Changes of photosynthetic gas exchange parameter of Medicago sativa under different concentrations of SAP

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑處理紫花苜蓿葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.3 Changes of chlorophyll content of Medicago sativa under different concentrations of SAP

3 結(jié)論和討論

本研究結(jié)果表明,隨干旱時(shí)間延長(zhǎng),對(duì)照組較早出現(xiàn)脅迫癥狀,添加保水劑時(shí)紫花苜蓿存活時(shí)間較長(zhǎng),A2、A3處理對(duì)其生存期延長(zhǎng)效果較為顯著。

施用保水劑可使土壤含水率增加,土壤水分下降速率降低。這是因?yàn)槭┯帽Ｋ畡┖?土壤中毛管孔隙度增加,使得土壤毛管持水量增加,且土壤團(tuán)聚體含量增加,土壤水分蒸發(fā)減少。相關(guān)研究表明,保水劑能促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,改善土壤通透性,減少土面蒸發(fā),增加土壤孔隙持水量[12]。與對(duì)照相比,添加保水劑的處理中多數(shù)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降,且土壤中速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,這可能是由于保水劑施用于土壤,在一定程度上能夠改善土壤結(jié)構(gòu)及水熱狀況,使土壤微生物數(shù)量和活性增加,土壤中有機(jī)物更易分解礦化,因此有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。劉世亮等[13]的研究曾得出類似結(jié)論。多數(shù)施用保水劑的處理土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照組,說(shuō)明保水劑對(duì)土壤養(yǎng)分有較好的保蓄作用,也可能是由于保水劑的施用使得土壤孔隙度增大,根系分泌物增加,促使土壤中緩效養(yǎng)分分解釋放,因而速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[14]。紫花苜蓿是一種固氮植物,對(duì)土壤速效氮有較好改良作用[15],保水劑的施用促進(jìn)了紫花苜蓿生長(zhǎng),同時(shí)促進(jìn)了速效氮的積累。保水劑在土壤中的最終分解產(chǎn)物會(huì)釋放出部分氮素,增加土壤中總氮及速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),這也是土壤中速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的原因之一。添加保水劑的處理全磷、速效磷和全鉀、速效鉀與對(duì)照相比均有不同程度的提高,原因可能是保水劑對(duì)K+及NO3-具有較強(qiáng)的吸附作用,因此土壤中養(yǎng)分流失量降低[16]。本試驗(yàn)用土為礦區(qū)廢棄地土壤,其有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,但速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。試驗(yàn)證明,添加保水劑能夠改良礦區(qū)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù),有助于植被恢復(fù)。

表3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)紫花苜蓿生物量和根冠比的影響Tab.3 Effects of different concentrations of SAP on the biomass and root/shoot ratio of Medicago sativa

保水劑對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的改善顯著表現(xiàn)在植物生理生態(tài)指標(biāo)方面。試驗(yàn)表明：加入保水劑的處理較對(duì)照組光合作用強(qiáng)度均有不同程度的提高,說(shuō)明保水劑能夠緩解干旱脅迫對(duì)植物的傷害,提高植物光合作用強(qiáng)度,其中A2各項(xiàng)指標(biāo)均高于其他處理。有研究表明,干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔關(guān)閉,嚴(yán)重時(shí)甚至損傷葉肉細(xì)胞、降低光合酶的活性,使植物光合速率降低[17]。另有研究表明：Pn的降低有氣孔限制和非氣孔限制兩方面因素,當(dāng)Pn和Ci變化方向相同,兩者同時(shí)減小,Pn下降主要是由氣孔限制引起,否則Pn的下降要?dú)w因于葉肉細(xì)胞羧化能力降低[18]。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：干旱脅迫后期,紫花苜蓿胞間CO2濃度與凈光合速率變化趨勢(shì)相反,Ci值隨干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng)而增大,這說(shuō)明重度干旱脅迫下凈光合速率降低主要是由葉肉細(xì)胞光合活性下降引起的,非氣孔限制起主要作用,此時(shí)紫花苜蓿發(fā)生了光合作用由氣孔限制向非氣孔限制的機(jī)制轉(zhuǎn)變。且A2、A3處理發(fā)生機(jī)制轉(zhuǎn)變的時(shí)間晚于其他處理,說(shuō)明該濃度保水劑處理能夠緩解干旱脅迫對(duì)葉肉細(xì)胞造成的傷害,實(shí)驗(yàn)結(jié)論與前人的研究結(jié)論一致[5,19]。干旱會(huì)對(duì)植物葉綠體造成傷害,不僅影響葉綠素合成,而且導(dǎo)致已形成的葉綠素分解加速,造成葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低[20]。試驗(yàn)結(jié)果表明,添加保水劑處理的葉綠素總量整體高于對(duì)照組,說(shuō)明保水劑能減少葉綠素在干旱脅迫條件下的破壞與分解,有利于光合作用進(jìn)行,其中A2處理效果較好,與植物光合氣體交換參數(shù)結(jié)論一致。保水劑對(duì)植物光合強(qiáng)度及葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有提高,可能是由于保水劑對(duì)土壤水分、養(yǎng)分含量有所改善,從而間接提高了植物的生理活動(dòng)強(qiáng)度。試驗(yàn)各處理根冠比均低于對(duì)照,說(shuō)明土壤含水率較低時(shí)會(huì)刺激根冠生長(zhǎng),以擴(kuò)大根系吸收面積,有利于植物吸收土壤中的水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這與楊永輝等[21]和林武星等[22]的研究結(jié)果一致。紫花苜蓿光合指標(biāo)及生物量最優(yōu)處理與土壤養(yǎng)分基本一致,進(jìn)一步說(shuō)明保水劑對(duì)土壤養(yǎng)分的改善有利于植物生長(zhǎng),且對(duì)土壤養(yǎng)分與生長(zhǎng)狀況的改善是同步的。

本研究發(fā)現(xiàn)：施用保水劑能夠改良土壤,使紫花苜蓿生理、生長(zhǎng)指標(biāo)增強(qiáng);但并非施加保水劑濃度越大,效果越好,這可能是由于保水劑濃度過(guò)高會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu),造成土壤板結(jié),水分分配能力下降,植物不能有效利用水分,從而使其生長(zhǎng)受阻,這與前人研究結(jié)果一致[23]。

4 結(jié)論

1)綜合不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑對(duì)于各指標(biāo)的施用效果及經(jīng)濟(jì)因素,建議在礦區(qū)廢棄地紫花苜蓿種植中施用保水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%～0.45%。保水劑的施用能夠延長(zhǎng)紫花苜蓿的存活時(shí)間,存活時(shí)間最大值出現(xiàn)在A2、A3處理,最優(yōu)處理比對(duì)照延長(zhǎng)14.29% ～35.05%。

2)保水劑的施用能夠有效改善土壤水分、養(yǎng)分狀況。添加保水劑的處理土壤含水率增加,土壤水分下降速率降低,土壤含水率隨保水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增加。保水劑的施用能夠有效保蓄土壤養(yǎng)分,土壤全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值出現(xiàn)在A2處理,與對(duì)照相比分別增加35.54%、18.93%和15.89%;土壤速效氮及速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值出現(xiàn)在A3處理,與對(duì)照相比分別增加47.02%和101.73%;土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值出現(xiàn)在A4處理,與對(duì)照相比增加28.57%。綜合來(lái)看,A2、A3、A4處理對(duì)土壤養(yǎng)分改善效果較好,且保水劑對(duì)速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)改善效果比全效養(yǎng)分更好。

3)紫花苜蓿凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、水分利用效率及葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值均出現(xiàn)在A2處理,分別比對(duì)照增加96.96% 、61.12% 、135.05% 、49.71% 、16.48% 和30.29%,隨保水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大各指標(biāo)值減小,但仍大于對(duì)照組。保水劑的施用能夠使紫花苜蓿生物量增加,根冠比減小。生物量最大值出現(xiàn)在A2處理,較對(duì)照增加61.96%,隨保水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小。保水劑通過(guò)影響土壤水分、養(yǎng)分狀況間接改善植物的生理生態(tài)狀況,緩解干旱脅迫對(duì)葉肉細(xì)胞造成的傷害,提高紫花苜蓿的光合作用強(qiáng)度和水分利用效率,減少葉綠素破壞分解,從而減輕水分脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。