膠囊種子對(duì)披堿草根系活力及土壤濕度的影響

陳永蘭，謝程，楊瑤君，于嘉欣，付春*

1. 竹類病蟲防控與資源開發(fā)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，樂山 614000；

2. 樂山師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614000

土壤水分和養(yǎng)分條件的好壞是直接影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵。土壤濕度直接決定著植物的水分供應(yīng)情況，土壤濕度過高或過低，都會(huì)影響植物根系的活動(dòng)，從而影響植物的光合作用[1]，使植物的呼吸、生長(zhǎng)等生命活動(dòng)受到阻礙，從而影響作物地上部分的正常生長(zhǎng)及發(fā)育，造成徒長(zhǎng)、倒伏、病害滋生等。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要營(yíng)養(yǎng)器官[2]，其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性能反映根系對(duì)環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)[3]，適應(yīng)能力越強(qiáng)，地上部分生長(zhǎng)發(fā)育更旺盛對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也越強(qiáng)[4]。披堿草是一種多年生草本植物，具有一定的抗旱能力[5]，恒溫25 ℃和變溫20 ℃/30 ℃處理?xiàng)l件下，垂穗披堿草種子萌發(fā)均達(dá)到了最佳響應(yīng)[6]，一般3 d 即可萌發(fā)，生長(zhǎng)周期短易培養(yǎng)觀察。采用披堿草作為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行播種栽培。微生物菌肥是一種新型的肥料[7]，微生物菌肥含有固氮、解鉀、解磷等微生物[8]，腐殖酸等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物以及大量微量元素，具有改善土壤微生物活性、提高植物抗逆性、促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解、加快有效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、提高土壤肥力等功能，被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，隨著我國(guó)目前可持續(xù)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，其逐漸成為了生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求[9]，具有很好的發(fā)展前景。而膠囊種子是一種改進(jìn)的新型植物肥料，將菌肥和改性竹粉加入膠囊進(jìn)行混合，提高了菌肥的使用效果。膠囊種子在吸附水分的同時(shí)，植株能夠通過根系在竹纖維周邊吸取竹纖維內(nèi)的水分，當(dāng)有多余的水分時(shí)，竹纖維可以將其吸收儲(chǔ)存起來，以便植株吸收水分；作為一種土壤改良劑，能顯著增加土壤水分，有效減少養(yǎng)分淋溶，增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，提高作物成活率。膠囊種子內(nèi)還含有豐富的植物根系促生菌，這類微生物能夠在根系周邊大量繁殖，這些機(jī)制包括增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，產(chǎn)生植物激素，如：產(chǎn)生赤霉素、生長(zhǎng)素等一類物質(zhì)，促進(jìn)植物側(cè)根的生長(zhǎng)；此外還能提升植株的抗逆性和產(chǎn)量、質(zhì)量[10]。目前，關(guān)于披堿草膠囊種子與菌肥裝在一起在干旱地區(qū)播種的相關(guān)研究還未見報(bào)，而草地作為半干旱區(qū)的主要植被類型之一，開展披堿草膠囊種子對(duì)土壤水分變化響應(yīng)機(jī)制的研究，對(duì)于該地區(qū)水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)均有重要意義[11]，將膠囊種子應(yīng)用于干旱和沙漠地帶，進(jìn)行植物栽培，可以提高植株的質(zhì)量，適應(yīng)沙漠能力更強(qiáng)，減少荒漠化，有助于沙漠治理。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1.1 試驗(yàn)材料

含有披堿草種子和高吸水性竹纖維微生物菌肥（購(gòu)自四川鑫鑫驕揚(yáng)生物科技有限公司）的膠囊種子。

1.1.2 試劑

甲烯藍(lán)、去離子水

1.2 前期準(zhǔn)備

1.2.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)

在膠囊里放入10 粒、15 粒、20 粒披堿草種子和一定量的高吸水性竹纖維微生物菌肥，在培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng)，給予充足的水分保證膠囊種子全部融化，每天定時(shí)澆水觀察發(fā)芽率，1 周后計(jì)算每個(gè)培養(yǎng)基里的披堿草種子發(fā)芽率，最終選擇含有15 粒披堿草種子的膠囊種子，開始試驗(yàn)。

1.2.2 種子準(zhǔn)備

將膠囊種子分別種到含有沙土、壤土和黏土（黃土）3 種土壤的花盆（口徑：15 cm、高：10 cm）中，每種土壤種12 盆，6 盆對(duì)照組、6 盆實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組每盆10 顆膠囊，每1 顆膠囊種子里含有15 粒披堿草種子，對(duì)照組模擬自然條件下的生長(zhǎng)條件，不做任何處理，共種植36 盆，180 顆膠囊種子，不含膠囊的披堿草種子2 700 粒。

1.2.3 前期處理

首先澆透各處理的花盆，讓水充分接觸膠囊種子，在披堿草種子萌發(fā)之前，每天定時(shí)澆水，土壤濕度保持在20%左右。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)條件

待種子萌發(fā)后（5 d 左右），改為定量澆水，每天下午澆水100 mL，中午定時(shí)測(cè)量土壤濕度，每3 d測(cè)定一次植物根系活力。在測(cè)定土壤濕度時(shí)，在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組3 種不同的土壤中采用S 形取樣法進(jìn)行取樣，根據(jù)一般作物生長(zhǎng)的需要可測(cè)定5、10、15、20 cm 深的土壤濕度，各深度采集3 次，取平均值。在測(cè)定根系活力時(shí)，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組各選一盆披堿草的根系作為測(cè)定對(duì)象，取樣時(shí)應(yīng)不要把根弄斷，洗凈根上的泥土后，取第2 側(cè)根及其根尖切段作試材。

1.3 土壤濕度的測(cè)定

每天中午使用土壤濕度檢測(cè)器采用S 形法同時(shí)測(cè)定各處理土壤，測(cè)定深度分別為5、10、15、20 cm[12]，各深度采集3 個(gè)土樣，取其平均值，在測(cè)完土壤濕度后回填孔洞。對(duì)照組采用與實(shí)驗(yàn)組相同的方法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)間保持一致，保證無關(guān)條件一致。

2 根系活力的測(cè)定

Leagene 植物根系活力檢測(cè)液（甲烯藍(lán)比色法）檢測(cè)原理以甲烯藍(lán)作為吸附物質(zhì)，其被吸附量可以根據(jù)吸附前后甲烯藍(lán)濃度的改變算出，甲烯藍(lán)濃度可用比色法測(cè)定，用分光光度計(jì)或酶標(biāo)儀檢測(cè)其吸光度。已知甲烯藍(lán)形成單分子層時(shí)覆蓋的面積為1.1 m2，據(jù)此可算出根系的總吸收面積，從吸附飽和后再吸附的甲烯藍(lán)的量，可算出根系的活躍吸收表面積，作為根系吸收活力的指標(biāo)[13]。本實(shí)驗(yàn)采用甲烯藍(lán)法進(jìn)行測(cè)定，其吸附量可以根據(jù)甲烯藍(lán)前后濃度的改變測(cè)出，用酶標(biāo)儀測(cè)出其OD 值，再進(jìn)行計(jì)算可得濃度。

2.1 溶液配制

2.1.1 甲烯藍(lán)溶液配制

0.0002 mol·L-1甲烯藍(lán)溶液: 精確稱取74.8 mg 甲烯藍(lán)（C16H18N3SCl·3H2O），加水溶解并定容至1 000 mL，此溶液含甲烯藍(lán)0.0748 mg·mL-1。

0.010 mg·mL-1甲 烯 藍(lán) 溶 液：吸 取13.37 mL 0.0002 mol·L-1甲烯藍(lán)溶液，定容至100 mL，搖勻。

2.1.2 編號(hào)

將0.0002 mol·L-1的甲烯藍(lán)溶液（每毫升中含0.0748 mg 甲烯藍(lán)）分別倒入3 個(gè)小燒杯中，編號(hào)分別為1、2、3，每個(gè)燒杯中溶液約是根系體積的10 倍。準(zhǔn)確記下每個(gè)燒杯中的溶液量。

2.1.3 根系處理

將沖洗干凈的披堿草根系，用吸水紙小心吸干，然后依次浸入盛有0.0002 mol/L 甲烯藍(lán)溶液的小燒杯中，放置1.5 min。取出時(shí)使甲烯藍(lán)溶液從根上流回到原杯中。

2.1.4 根系活力測(cè)定

從原杯各吸取1 mL 溶液，用去離子水進(jìn)行10 倍稀釋后，酶標(biāo)儀660 nm，檢測(cè)OD 值，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上求得甲烯藍(lán)毫克數(shù)，再根據(jù)杯中原有的甲烯藍(lán)毫克數(shù)，計(jì)算根系所吸收的甲烯藍(lán)毫克數(shù)。

2.1.5 甲烯藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

取7 支試管，將每只試管進(jìn)行編號(hào)，按順序分別加入0 mL、1 mL、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL 0.01 mg/mL 甲烯藍(lán)溶液，再用蒸餾水補(bǔ)足至10 mL，使用酶標(biāo)儀于660 nm 處測(cè)定其吸光度，以甲烯藍(lán)濃度為橫坐標(biāo)、吸光度D660 nm 為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并得出回歸方程[18]。

2.2 試驗(yàn)方程

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 甲烯藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線

以甲烯藍(lán)濃度為橫坐標(biāo)x，吸光度為縱坐標(biāo)y，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（見圖1）。

圖1 甲烯藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of methylene blue

3.2 三種土壤水分含量測(cè)定結(jié)果

沙土和黃土的土壤含水量動(dòng)態(tài)變化可以分為兩個(gè)階段，第一階段實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組初始含水量相同時(shí)，幾乎保持一致的狀態(tài)；第二階段是第4 天直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在膠囊種子的作用下，兩種土壤的含水量明顯高于空白對(duì)照，在澆水量相同的情況下，空白組的土壤含水量一直處于一個(gè)下降趨勢(shì)，而有膠囊種子的土壤仍然保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，植株根系在竹纖維周邊吸取竹纖維內(nèi)的水分時(shí)，竹纖維可以吸收儲(chǔ)存多余的水分，在土壤水分不足時(shí)供根系吸收。在壤土的條件下，膠囊種子沒有表現(xiàn)出其保水性能。膠囊種子在3 種土壤的效果各不相同，推測(cè)可能的原因是沙土和黃土的有機(jī)質(zhì)比壤土含量低，施加保水劑后改良效果更加明顯。（見圖2、圖3 和圖4）。

對(duì)土壤含水量進(jìn)行單因素方差分析（見表1），不同土壤含水量存在極顯著性差異。

3.3 披堿草的根系活力測(cè)定數(shù)據(jù)分析

根系活力是根系生命力的綜合指標(biāo)[14]，根系活力強(qiáng)，植物代謝旺盛，則根系吸收能力強(qiáng)，從而保證了逆境脅迫下植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，進(jìn)而保證了逆境脅迫下水分、物質(zhì)的運(yùn)輸，增強(qiáng)植株的抗性。采用Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單因素方差分析(One-way ANOVA)，從表中可以看出在膠囊種子的作用下和自然播種下的根系活力情況，在不同的土壤結(jié)構(gòu)下，根系活力百分比總體上也存在著差異，黃土＞沙土＞壤土。從表中可以看出膠囊種子對(duì)披堿草的根系具有一定的促進(jìn)作用，植株的根系活力在測(cè)定過程中大都明顯高于空白對(duì)照，3 種土壤在8月14 日測(cè)定的根系活力都達(dá)到最高值，隨后根系活力逐漸下降，但根系活力仍然高于空白對(duì)照(見表2、表3、表4 和表5)，在黃土條件下的披堿草在試驗(yàn)開始第10 天（第4 次測(cè)定完成后）枯萎死亡（見表3）。方差分析表明，在不同土壤條件下披堿草根系活力百分比無顯著差異。

圖2 黃土土壤濕度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil moisture in loess soil

圖3 沙土土壤濕度的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of soil moisture in sandy soil

圖4 壤土土壤濕度動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil moisture in the loam soil

表1 土壤含水量方差分析Tab.1 Variance analysis result of soil water content

4 結(jié)果與討論

通過數(shù)據(jù)分析，可知膠囊種子對(duì)土壤的作用效果與土壤的質(zhì)地有關(guān)。沙土、黃土在膠囊種子的作用下，其土壤含水量和根系活力較空白對(duì)照都有明顯增加，黃土的效果較沙土更好。在沙土和黃土條件下，空白和實(shí)驗(yàn)組的種子同時(shí)開始萌發(fā)，前期空白組長(zhǎng)勢(shì)較好，膠囊種子處理的披堿草前期長(zhǎng)勢(shì)緩慢。一星期后，實(shí)驗(yàn)組的生長(zhǎng)開始趕上對(duì)照組，并且長(zhǎng)勢(shì)茂盛，隨著土壤含水量持續(xù)下降，空白組的披堿草開始枯萎，出現(xiàn)葉片發(fā)黃的情況，而實(shí)驗(yàn)組仍然長(zhǎng)勢(shì)很好。膠囊種子作為一種土壤改良劑，可以提高作物成活率并維持植物的正常生長(zhǎng)。可以推測(cè)處于較干旱條件的沙土和黃土中的披堿草種子在高吸水性竹纖維微生物菌肥的作用下能保持土壤的濕度，緩慢釋放出種子生長(zhǎng)發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng)成分，改善土壤微生物環(huán)境，增加土壤微生物含量，提高土壤活性，促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，為植物生長(zhǎng)提供所需養(yǎng)分，這是實(shí)驗(yàn)組比空白對(duì)照組生長(zhǎng)良好的原因之一。在壤土條件下，膠囊種子處理的披堿草土壤含水量沒有明顯的優(yōu)勢(shì)特征，在試驗(yàn)結(jié)束前5 d，實(shí)驗(yàn)組的土壤含水量開始逐漸趨向于對(duì)照組。膠囊種子對(duì)3 種土壤的改良效果有所不同，可能是因?yàn)樯惩梁忘S土有機(jī)質(zhì)比壤土含量低，施加改性竹粉后改良效果更明顯[15]。

表2 披堿草在壤土中根系活力的動(dòng)態(tài)變化Tab.2 Dynamic changes of root activity of Euphorbia pulcherrima in loam soils

表3 披堿草在黃土中根系活力的動(dòng)態(tài)變化Tab.3 Dynamic changes of root activity of Euphorbia pulcherrima in loess soil

表4 披堿草在沙土中根系活力的動(dòng)態(tài)變化Tab.4 Dynamic changes of root activity of Euphorbia pulcherrima in sandy soils

表5 披堿草根系活力方差分析Tab.5 Variance analysis result of root activity of Euphorbia pulcherrima

膠囊種子對(duì)植物的根系活力和土壤濕度都有提高作用，土壤微生物菌落數(shù)量和微生物量碳氮的增加，改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解和土壤養(yǎng)分循環(huán)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。改性竹粉維持了土壤含水量，為微生物生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件，同時(shí)施加微生物菌肥含大量有機(jī)質(zhì)和微生物菌種，促使微生物群落大量繁殖，固氮菌、解鉀菌、解磷菌等有益菌加速了土壤速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[16]，為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，同時(shí)微生物活動(dòng)產(chǎn)生的植物調(diào)節(jié)激素和多種活性酶能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)[17]，膠囊種子在吸附水分的同時(shí)，植株能夠通過根系在竹纖維周邊吸取竹纖維內(nèi)的水分，當(dāng)有多余的水分時(shí)，竹纖維可以將其吸收儲(chǔ)存起來，以便植株吸收水分；膠囊種子內(nèi)還含有豐富的植物根系促生菌，這類微生物能夠在根系周邊大量繁殖，產(chǎn)生赤霉素、生長(zhǎng)素等一類物質(zhì)，促進(jìn)植物側(cè)根的生長(zhǎng)。菌肥可有效利用大氣中的氮素和土壤中的養(yǎng)分資源，可降低生產(chǎn)成本、提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、減少環(huán)境污染，并在一定程度上改善土壤的理化性狀等[18]。

本研究探究了在高吸水性竹纖維微生物菌肥的膠囊種子作用下3 種土壤含水量及披堿草植株根系活力的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明了添加高吸水性竹纖維微生物菌肥入膠囊中的披堿草種子在較干旱的沙土和黃土中的生長(zhǎng)發(fā)育較旺盛，可見具有膠囊種子中的高吸水性微生物菌肥具有保持土壤濕度，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的效果。而在壤土中沒有明顯的變化，可能是因?yàn)槟z囊種子沒有讓壤土的土壤結(jié)構(gòu)改變，對(duì)黃土和沙土的土壤結(jié)構(gòu)起到了改變的效果。膠囊種子加入土壤，延緩了土壤的釋水過程，使更多的水分緩慢釋放供作物吸收利用。因此，高吸水性竹纖維微生物菌肥是可以將這種膠囊種子技術(shù)應(yīng)用于沙漠地帶的植物栽培的關(guān)鍵技術(shù)，這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)可以提高植株的質(zhì)量，適應(yīng)沙漠能力更強(qiáng)，減少荒漠化，有助于沙漠治理。