保水劑與基質水分對側柏水分利用特征的影響

劉瀟陽, 王進鑫

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊陵 712100)

我國西部地區(qū)快速發(fā)展的鉛鋅礦產業(yè)對工業(yè)生產發(fā)展和地區(qū)經濟改善發(fā)揮了重要的作用，但開采、運輸、冶煉等礦業(yè)活動不可避免的擾動原地貌、破壞原有植被，生產過程產生的廢石、礦渣、尾礦砂等堆積占用土地，造成了礦業(yè)跡地及其周邊土壤、水源甚至大氣的污染。為了盡可能減少礦區(qū)生態(tài)破壞和環(huán)境污染，開展植被恢復與生態(tài)修復乃當務之急[1]。傳統(tǒng)尾礦庫植被恢復采用客土法，存在客土來源十分困難、運輸成本高以及進一步破壞植被、損毀原地貌，引起水土流失等問題。因此，開展穩(wěn)定固化尾礦砂中的重金屬，減小其生物學毒性、增加基質肥力等基質修復改良措施已成為目前研究的重要方向，并取得了可喜進展[2,3]。然而改良基質顆粒大、大孔隙多、保水能力差，同時，由于地理位置及氣候因素造成的干旱缺水也嚴重地影響了區(qū)域植被的種類、分布及生產力，對困難立地植被重建與生態(tài)恢復增添了難度。因此開展改良基質保水技術研究就成為當前鉛鋅尾礦庫植被恢復的關鍵[4]，對充分利用干旱半干旱區(qū)有限水資源，恢復鉛鋅尾礦庫植被，保護礦業(yè)跡地生態(tài)安全，無疑具有十分重要的理論與現實意義。保水劑在我國農、林業(yè)生產中的研究與應用已有幾十年的歷史，效果顯著。保水劑對鉛(Pb)有鈍化固化效應且可有效減少水分深層滲漏[5-7]，但在礦區(qū)生態(tài)修復特別是尾礦砂基質中的保水研究與應用甚少，顆粒基質所含水分狀況與保水劑施用量對基質上恢復植被水分狀況的影響及兩者之間的動態(tài)耦合關系尚未見報道。側柏是西北地區(qū)常見的常綠造林樹種，具有耐旱、耐鹽堿的特點，楊楠[8]、王榆鑫[9]等研究結果顯示側柏還具有抗鉛性和轉移系數小的特點，可以避免礦業(yè)跡地植被修復過程中植物落葉帶來的二次污染。本研究以側柏為研究對象，以添加了蘑菇渣重金屬鉛固化改良劑(前期試驗篩選)的鉛鋅尾礦砂為栽培基質，研究基質含水量和保水劑濃度對側柏水勢和水分利用效率的影響，為不同降水條件地區(qū)鉛鋅尾礦庫植被重建與生態(tài)恢復中保水劑的科學施用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試植物 側柏選用長勢一致的1 a生側柏容器苗。苗木定植前，除去容器，用清水沖洗根系表面所附栽培基質。定植后，緩苗期進行正常水分管理。

1.1.2 供試基質 尾礦砂取自陜西省鳳縣留鳳關鎮(zhèn)鉛鋅尾礦，尾礦砂鉛含量背景值為5 555.40 mg/kg，鋅含量為24 108.00 mg/kg，銅含量為472.10 mg/kg，鎘含量為61.3 mg/kg，鉻含量為405.5 mg/kg。將粉碎的蘑菇渣、尾礦砂過篩，除去較大結核及其他雜質。二者按比例(蘑菇渣：尾礦砂=1∶18)[10]充分攪拌、混勻。將風干的混合基質根據試驗設計要求加保水劑，充分混勻后將混合基質裝入容器中(高27 cm、口徑29 cm)，基質填裝容重為1.37 g/cm3。試驗期間栽培基質保持自然肥力，不施肥。試驗所采用尾礦砂基質為人工改良基質，不具有土壤自然發(fā)育形成的孔隙結構。田間持水量是土壤毛管懸著水達到最大時的土壤含水量，試驗采用環(huán)刀法測得填裝容重下改良基質最大懸著水持水量為19.73%，等效這一數值為田間持水量。

1.1.3 供試保水劑 沃特牌林業(yè)專用保水劑，產自勝利油田長安控股集團有限公司，是我國“863”計劃項目產品。屬聚丙烯酰胺無機礦物型復合保水劑[11]，具有保水能力好、反復吸水能力強、耐鹽堿性好等特點，試驗采用顆粒大小為0.841～0.425 mm。

1.2 試驗方法

試驗在陜西省楊凌區(qū)西北農林科技大學南校區(qū)人工旱棚內進行。試驗采用二因素五水平二次通用旋轉組合設計，共13個處理，每處理4重復。試驗設定保水劑濃度變化范圍為0.1%～1%(保水劑濃度為質量百分濃度，即施用保水劑質量與基質干質量之比)，基質含水量變化范圍為7.89%～19.73%。參考產品使用說明及楊浩[12]、王瑜鑫等[9]研究結果確定試驗范圍。查表得r=1.414，因素水平編碼詳見表1，設計結構矩陣詳見表2。土壤基質含水量采用稱重法控制，為及時保持基質含水量在試驗期間相對平穩(wěn)，基質表面鋪設厚度1～1.5 cm，粒徑約7 mm的石子2 kg，以減少基質表面水分蒸發(fā)，每兩天稱量一次并補充灌水。

表1 試驗因素和水平編碼值

注：編碼值與實際值轉換公式：z1=0.55%+0.32%x1；z2=13.81%+4.04%x2。

表2 試驗設計結構矩陣

1.3 測定指標與方法

(1) 葉片水勢(ψ)。于2018年9月中旬選擇晴朗天氣，用PMS Model 1 000型植物水勢測定儀測定幼苗水勢。測定時間為早上6：00—8：00，由于側柏為鱗葉，故選取幼樹中上部充分發(fā)育的小枝進行測定。

(2) 葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、水分利用效率(WUE)。與水勢測定同一日，使用CIRAS-3便攜式光合作用測定系統(tǒng)(PP-SYSTEMS, USA)進行凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)測定，水分利用效率(WUE)=凈光合速率(Pn)/蒸騰速率(Tr)。測定過程中使用自然光源，測定時間9：00—11：00 am，選擇側柏南側中上部發(fā)育成熟、不受遮擋的小枝進行測定。葉面積矯正采用李吉躍[13]提出的經驗公式進行計算：側柏葉面積(cm2)=161×葉干質量(g)。

1.4 數據處理與分析

響應變量葉片水勢、蒸騰速率、水分利用效率與保水劑濃度、基質含水量的回歸分析采用如下模型：

(1)

式中：y為響應變量；x1，x2為保水劑濃度、基質含水量的水平編碼值；b為回歸系數。

顯著性檢驗采用F分布進行顯著性檢驗。

指標貢獻率計算用回歸模型的各項回歸系數的方差比Fj，Fjj，Fij計算對應δ，求第j個因素的貢獻率Δj：

(2)

(3)

利用單因素效應分析(降維法)[14]將建立的回歸模型中兩個因素中的一個固定在某一設計水平(零水平、±1，±r)得到單因素模型。

數據整理采用Excel軟件，對數據進行算術平均值和方差計算，繪圖使用Origin軟件完成。

2 結果與分析

2.1 回歸方程的建立和檢驗

按照二次通用旋轉組合設計原理，建立保水劑濃度編碼值(x1)和基質含水量編碼值(x2)與側柏水勢(yψ)、水分利用效率(yWUE)、蒸騰速率(yTr)之間的回歸模型：

(4)

(5)

(6)

經檢驗，各回歸模型的失擬項F1F0.05(5,7)，可知擬合不足是不顯著的、回歸是顯著的，所以建立的二次回歸方程可用于保水劑濃度和基質含水量對側柏水分利用特征的影響分析。

2.2 主效應分析

由表3可知基質含水量對側柏水勢有極顯著影響(p<0.01)，對水分利用效率有顯著影響(p<0.05)，對蒸騰速率無顯著影響(p>0.05)；保水劑濃度對側柏水勢、水分利用效率有顯著影響(p<0.05)，對蒸騰速率無顯著影響(p>0.05)。在一個或幾個因子的多水平試驗中，描述一個因子在各水平上對響應變量影響大小的度量稱為主效應。對于非線性模型，由于需要綜合考慮各因素一次項、二次項，主效應分析不能孤立考慮系數大小，故采用貢獻率分析法進行兩因素對響應變量的影響比較。通過公式(2)—(3)計算得到表3中Δ值，水勢和蒸騰速率的回歸模型中Δ1<Δ2，則主效應順序為：基質含水量>保水劑濃度；水分利用效率的回歸模型中Δ1>Δ2，保水劑濃度>基質含水量。保水劑濃度×基質含水量對側柏水勢、水分利用效率和蒸騰速率均無顯著耦合效應。

表3 側柏各水分水分利用特征回歸模型及系數的顯著性檢驗

注：**表示F>F0.01，*表示F>F0.05。

2.2.1 單因素效應分析 為獲得干旱情況下保水劑濃度對響應變量的影響規(guī)律，將基質含水量固定在最低水平(-r基質含水量7.89%)代入公式(4)—(6)得到響應變量yψ，yWUE和yTr以保水劑濃度為決定變量的一元回歸模型(圖1)。在基質含水量為7.89%重度干旱情況下，隨著保水劑濃度的增加側柏水勢先降低后升高，保水劑濃度較低時植物水分虧缺更??；瞬時水分利用效率隨著保水劑濃度增大呈單調遞減趨勢；蒸騰速率呈開口向下的拋物線，在保水劑濃度為0.48%處取得最小值。當保水劑濃度為0.1%時，植物水分虧缺最小、水分利用效率最大、蒸騰速率處于中等水平。根據上述結論，將保水劑濃度固定在最低水平(-r)，獲得以基質含水量為決定變量的一元回歸模型。由圖1可知保水劑濃度最低時，側柏水勢在不同水分含量情況下變化較??；水分利用效率在低水分條件下更高；在最低保水劑濃度下各基質含水量水平植物蒸騰速率均處于較低水平。

2.2.2 因素水平優(yōu)化組合 為尋求保水劑濃度與基質含水量最佳組合方式，根據多元函數極值理論分別對所建立的回歸方程(4)—(6)求y對x的一階偏導數，分別令?y/?x1=0，?y/?x2=0，解聯立方程組得到編碼值x1，x2，用表一中公式換算為實際值進行分析。 ①水勢。計算得到當保水劑濃度為0.1%、基質含水量19.73%(最大懸著水持水量)時側柏水勢達到理論最大值-0.330 MPa，水分狀況最好；當保水劑濃度為1%、基質含水量為7.89%時，側柏水勢最小為-0.548 MPa。試驗設計保水劑濃度均能不同程度提高側柏水勢，有效保障植物對水分的需求。 ②水分利用效率。計算結果顯示在0.1%保水劑濃度和7.89%基質含水量處取得葉片水分利用效率理論最大值為1.94 μmol/mol。結合圖2可知，同時選取較低保水劑濃度和低基質含水量有利于提高植物水分利用效率。 ③蒸騰速率。由于圖2蒸騰速率對保水劑濃度×基質含水量耦合效應響應面為開口向下得凸曲面，故極值計算僅可得到蒸騰速率在保水劑濃度0.52%、基質含水量為13.81%處取得最大值。結合響應面可以確定最優(yōu)化組合為保水劑濃度為1%，基質含水量7.89%，此時蒸騰速率為0.922 mmol/(m2·s)。保水劑對水分的緩釋作用使側柏呈現出高基質含水量時蒸騰作用受到抑制、低基質含水量蒸騰速率提高的趨勢。

圖1 葉片水勢(ψ)、水分利用效率(WUE)、蒸騰速率(Tr)的一元回歸模型

圖2 保水劑濃度×基質含水量耦合對水分利用效率和蒸騰速率的影響

3 討 論

3.1 水 勢

植物保持水分平衡是維持正常生長的重要條件，葉水勢是通常用以反映植物水分飽和虧缺的敏感指標之一。李吉躍[15]研究認為側柏在葉水勢約-6.44 MPa時開始變色并永久萎蔫，張福計觀測結果顯示側柏葉片在水勢為-1.7 MPa時葉開始變色[16]，本試驗中側柏水勢變化范圍在-0.330～-0.548 MPa之間，遠高于側柏變色及凋萎時水勢。鉛背景值、干旱脅迫情況基本一致的情況下，側柏水勢比較結果顯示：保水劑能有效降低鉛鋅尾礦基質中栽培的植物水分虧缺，提高基質中水分含量。側柏在保水劑濃度0.1%處水分虧缺最小，低保水劑濃度可以滿足耐旱植物側柏對于基質水分環(huán)境的需求；在基質含水量最高水平處水分虧缺最小，在最低水平處水分虧缺最大。側柏水勢隨基質含水量降低而降低，與劉俊峰[17]試驗結果一致。側柏須根系發(fā)達對基質水分變化反應敏感[18]，在重度干旱脅迫時側柏表現出亞低水勢忍耐脫水樹種特點，通過保持較大的膨壓來獲得較大的水勢梯度從土壤中積極獲取更多的水分以供利用。

3.2 水分利用效率

水分利用效率反映植物耗水與干物質生產之間的關系，是評價植物生長適宜的綜合生理生態(tài)指標，瞬時水分利用效率值越大表明固定單位CO2所需水分越少，植物節(jié)水耐旱生產力越高。由圖2可知保水劑濃度一定時，基質含水量愈低側柏水分利用效率愈高，與劉自強[19]研究結果一致。側柏水分利用過程中，當基質中水分嚴重匱乏時，側柏可以通過降低氣孔導度、維持較高膨壓以適應干旱環(huán)境。韓博[20]在西南石漠化地區(qū)進行的重度干旱脅迫試驗結果顯示側柏水分利用效率為負值，圖1顯示在不同保水劑濃度下側柏水分利用效率均為正值?；|含水量一定時，保水劑濃度較低(0.1%～0.23%)的葉片水分利用效率更高，與黨秀麗[21]通過建立保水劑粒徑、保水劑用量和土壤質地之間回歸方程計算得出結論一致、與史蘭波[22]在大豆中研究結果有相似性。保水劑粒徑一定的情況下栽培基質質地越粗、保水劑濃度越大，基質有效水含量越少，保水劑濃度過大會與植物產生爭水矛盾或使基質中氣相過少，進而降低植物活力和水分利用效率。水分利用效率與水勢兩者增長具有協(xié)同作用，隨著保水劑濃度的降低，單位體積內保水劑對水分的約束能力減弱，基質中水分移動能力增強，有助于促進周圍水分向根系移動，加強了根系周圍水分補充速度，植物葉水勢升高，水分利用效率也增大。

3.3 蒸騰速率

在紫穗槐、刺槐研究中表明[23-24]植物葉片蒸騰速率與土壤含水量有密切關系，干旱脅迫的加強會使植物通過關閉氣孔來減少水分散失。試驗結果顯示當基質含水量一定時隨著保水劑濃度的增大，蒸騰速率逐漸增大，并在保水劑濃度為0.52%處達到峰值之后逐漸下降，即基質中有效水分含量在保水劑濃度0.52%時最低。當保水劑濃度一定時，側柏的蒸騰速率隨著水分脅迫的加劇先增大后減小(基質含水量13.81%為轉折點)，與劉俊峰[25]對側柏幼苗進行水、鉛交互脅迫研究得到水分蒸發(fā)規(guī)律一致，在相同基質含水量范圍內與郭江紅[26]在黃土半干旱區(qū)對10 a生側柏進行干旱脅迫試驗(無保水劑)規(guī)律一致。在試驗區(qū)間內保水劑濃度和基質含水量對蒸騰速率影響均不顯著(p>0.05)，與岳征文[27]以雙色胡枝子為研究對象得到結論一致。

4 結 論

(1) 在以改良鉛鋅尾礦砂為基質條件下，基質含水量變化對側柏水勢和蒸騰速率的影響大于保水劑濃度；保水劑濃度變化對水分利用效率的影響大于基質含水量。

(2) 在保水劑濃度0.1%～1%之間，基質含水量為7.89%的重度干旱脅迫時，保水劑濃度愈低，水勢越高，水分虧缺愈小，水分利用效率愈高，蒸騰速率愈低。因此生產中建議使用0.1%～0.23%保水劑濃度，有利于側柏從土壤中獲取水分，促進葉片二氧化碳固定，提高水分利用效率和光合效率。