不同水泥含量的基質(zhì)土壤對黑麥草根系生長脅迫的影響

羅東城， 張立成, 胡德勇， 李漢常， 譚歆， 岳伶俐

(1．湖南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，湖南 長沙 410128；2.福建省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，福建 福州 350013)

植被混凝土生態(tài)護坡技術(shù)是應(yīng)用于河道治理及城市湖泊邊坡防護工程中較為廣泛的綠化技術(shù)[1]。相關(guān)研究表明，土壤加入適量水泥后，土體結(jié)構(gòu)仍能保持一定的孔隙度和滲透性，并能夠提供植物生長所需的養(yǎng)分和水分[2-3]。采用普通混凝土做邊坡護坡，水體自我凈化能力下降，因而會對水體生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[4]。隨著人們對生態(tài)環(huán)境的重視，國內(nèi)外學者提出了“多自然”生態(tài)型護坡方法，即采用植物與工程的方式相結(jié)合提高護坡穩(wěn)定性和護坡植被自然適應(yīng)性[5-7]。生態(tài)護坡中植物根系通過從土壤吸收養(yǎng)分和水分并輸送至地上植株部分以維持植物體內(nèi)各種生理生化反應(yīng)[8-9]。許陽[10]研究發(fā)現(xiàn)，水泥基質(zhì)土壤會對植物的根系及葉片光合作用產(chǎn)生一定的脅迫影響，水泥含量低于8%時對黑麥草的生長脅迫影響較小。黑麥草良好的生長特征，對于生態(tài)護坡植被類型的選擇具有潛在的價值[11-13]。陳意昌等[14]研究發(fā)現(xiàn)，水泥含量為7%的土壤基質(zhì)抗沖蝕性較好，并且黑麥草種子發(fā)芽受水泥含量的影響不顯著。研究發(fā)現(xiàn)，水泥與土壤混合基質(zhì)中的水泥含量與土壤質(zhì)量比大于1∶5時，混合基質(zhì)的孔隙驟減，透水性下降嚴重，對植物生長產(chǎn)生顯著影響[15]。王稷等[16]采用黑麥草作為供試植物，當水泥含量小于10%時，混合基質(zhì)透水性和孔隙大小能夠滿足黑麥草生長。因此，生態(tài)護坡中水泥的含量是影響黑麥草的一個主要因素。目前，關(guān)于水泥基質(zhì)土壤中水泥含量對黑麥草根系生長的影響研究鮮有報道，對于黑麥草生長過程中在不同水泥含量基質(zhì)土壤對其根系產(chǎn)生脅迫作用所引起的生理變化特征尚不明確。本研究針對黑麥草在不同水泥含量基質(zhì)土壤中的脅迫響應(yīng)，分析黑麥草根系抗逆特性指標，探求黑麥草在不同水泥含量的土壤混合基質(zhì)中的適生能力，為土壤生態(tài)護坡技術(shù)的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2019年3月—2019年9月在湖南農(nóng)業(yè)大學土肥資源高效利用國家工程實驗室中心試驗站(28°11′N，113°4′E)玻璃大棚內(nèi)進行。該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為17.9 ℃，年均降雨量1 200～1 400 mm。玻璃大棚四周設(shè)置通風設(shè)施，棚內(nèi)溫度與大氣溫度基本一致。試驗采用室內(nèi)盆栽的方式種植黑麥草，試驗盆尺寸大小：30 cm×25 cm×28 cm。供試品種為特高寬葉型1 a生黑麥草“邦德”。試驗于2019年3月19日育種，育種后第2天挑選100粒大小一致出芽良好的種子播種于盆中，分別在黑麥草的分蘗期(2019年5月11日)、孕穗期(2019年6月17日)和開花期(2019年7月17日)進行采樣檢測。供試土壤取自湖南農(nóng)業(yè)大學耘園實驗基地的水稻土，試驗土壤的全氮、全磷、全鉀含量分別為0.76、0.47、2.73 g·kg-1；堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為151.48、28.37、139.39 mg·kg-1; 有機質(zhì)含量為19.80 g·kg-1，pH 6.89。供試水泥采用普通硅酸鹽水泥(華新水泥廠生產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥)，主要成分是硅酸三鈣(3CaO·SiO2,37%～60%)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2,15%～37%)和鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3,7%～15%)。

1.2 試驗設(shè)計

將試驗土壤經(jīng)過自然風干后用榔頭碾碎，過0.5 cm篩網(wǎng)，稱取過篩后的土壤10 kg裝填入試驗盆中。根據(jù)前人研究成果[9]，試驗設(shè)置1%、3%、5%、7%共4個不同水泥含量的基質(zhì)土壤處理組和1個不加水泥的空白對照試驗處理，對應(yīng)水泥質(zhì)量分別為0.1、0.3、0.5、0.7 kg。分別對各處理組進行編號為Y1、Y2、Y3、Y4，空白對照組編號為CK，每個處理設(shè)9個重復。

1.3 檢測指標

試驗于黑麥草的分蘗期、孕穗期、開花期測定各個處理組的根系活力，測定方法選用三苯基四氮唑(TTC)還原法測定[17]。每次采樣后，將黑麥草根系洗凈，挑選質(zhì)量約為3 g的根系樣品(采集根尖部分)進行測定。采用WinRhizo軟件對黑麥草的根系生長特征進行分析。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定[18]，過氧化物歧化酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[18]，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL2016軟件記錄數(shù)據(jù)，采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其中差異顯著性分析選擇LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水泥含量基質(zhì)土壤對黑麥草根系生長的影響

黑麥草生長的分蘗期、孕穗期、開花期測定的根系生長特征如表1所示。在分蘗期，Y1處理與Y4處理的總根長無顯著差異，CK處理總根長均顯著高于其他處理，并說明水泥對黑麥草根長的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用。分蘗期，各個處理中根尖數(shù)為CK>Y1>Y4>Y2>Y3，Y1處理和CK處理無顯著差異，其余各處理之間均具有顯著差異。在孕穗期和開花期，根系生長已逐漸發(fā)育完成，這2個時期的根系生長特征基本相同，其中黑麥草總根長特征，Y3處理與CK無顯著差異。孕穗期和開花期黑麥草Y3處理與CK處理總根表面積和總根體積均無顯著差異，Y3處理和CK處理顯著高于其他3個處理。孕穗期和開花期各處理根平均直徑無顯著差異，分蘗期CK處理根平均直徑均顯著高于Y2、Y3、Y4處理。綜上，Y3處理相較其他處理對黑麥草根系生長影響較小。

2.2 不同水泥含量基質(zhì)土壤對黑麥草根系活力的影響

黑麥草生長過程中的分蘗期、孕穗期和開花期的根系活力如表2所示。分蘗期各處理根系活力為CK>Y1>Y2>Y3>Y4，其中Y3與Y4處理無顯著差異，其余各處理之間均具有顯著差異。孕穗期各處理的根系活力為CK>Y1>Y3>Y2>Y4，其中Y3與Y2處理無顯著差異, 其余各處理之間均具有顯著差異。開花期各處理的根系活力為CK>Y3>Y2>Y1>Y4，其中Y3處理與Y1、Y2處理之間無顯著差異，Y4與對照處理具有顯著差異。綜上可知，Y1處理和Y3處理根系活力強于其他處理。

表2 不同水泥含量基質(zhì)土壤黑麥草各生育階段根系活力Table 2 Root activity of Loliumperennial ryegrass at different growth stages in matrix soil of different cement contents mg·g-1·h-1

由表3可知，黑麥草根系的SOD活性在分蘗期最強，孕穗期和開花期時其活性遠低于分蘗期。在分蘗期除Y3處理外，其他各水泥含量處理與CK之間SOD的活性均具有顯著差異，Y1、Y2、Y3、Y4處理較CK處理分別降低了41.23%、18.31%、4.66%、25.24%，這說明,分蘗期土壤中水泥含量對黑麥草SOD活性具有明顯的抑制作用，但不同水泥含量對SOD活性抑制程度不同。孕穗期Y1處理黑麥草SOD活性顯著高于其他水泥含量處理和CK處理。開花期Y4處理黑麥草SOD活性顯著高于其他水泥含量處理和CK處理。孕穗期和開花期這兩個時期黑麥草SOD活性較低，說明黑麥草發(fā)育成熟后植株內(nèi)抗衰老作用機制減弱，水泥基質(zhì)土壤對其活性影響降低。

表3 不同含量水泥基質(zhì)土壤黑麥草SOD活性Table 3 SOD activity of Loliumperennial ryegrass in matrix soil of different cement contents U·g-1

由表4可知，各個處理POD活性為孕穗期<分蘗期<開花期。分蘗期Y1、Y2、Y3、Y4處理POD活性顯著低于CK處理，分別下降了43.20%、33.27%、23.81%、42.13%。孕穗期CK處理POD活性顯著高于Y1、Y4處理，與Y2、Y3處理無顯著差異。開花期CK處理POD活性顯著高于Y2、Y3、Y4處理，與Y1處理無顯著差異。分蘗期和孕穗期Y3處理高于Y1、Y2、Y4處理，開花期高于Y2和Y4處理，因此，土壤中添加水泥含量能夠引起黑麥草各時期POD活性下降，而5%的水泥含量黑麥草POD活性的脅迫影響較小。

表4 不同含量水泥基質(zhì)土壤黑麥草POD活性Table 4 POD activity of Loliumperennial ryegrass in matrix soil of different cement contents U·g-1

由表5可知，黑麥草開花期CAT活性高于分蘗期和孕穗期。分蘗期CK處理CAT活性顯著高于Y1、Y2、Y4處理，但與Y3處理無顯著差異。孕穗期和開花期CK、Y1、Y2、Y3、Y4處理CAT活性呈依次下降的變化趨勢，其中孕穗期Y1、Y2、Y3、Y4處理之間CAT活性無顯著差異，與CK處理差異顯著。黑麥草開花期各處理之間CAT活性均與CK有顯著差異，Y1、Y2、Y3、Y4分別較CK處理下降12.22%、30.26%、50.55%、54.77%。通過對黑麥草生長不同時期CAT活性的測定結(jié)果表明，土壤水泥含量對黑麥草CAT活性具有脅迫響應(yīng)。在黑麥草生長至孕穗期和開花期植株CAT活性明顯隨著水泥含量的增加而下降，表明水泥含量對黑麥草生長后期的逆境脅迫具有顯著效應(yīng)，且在Y3處理下水泥對黑麥草抗氧化酶活性的脅迫影響較小。

3 討論與結(jié)論

生態(tài)護坡技術(shù)中采用水泥基質(zhì)土壤上種植適生植物的方式，主要利用水泥的膠凝作用提高土壤之間的黏結(jié)性能，增強坡度穩(wěn)定性，同時，植被的生物特性又能保護生態(tài)環(huán)境[19]。水泥在增強坡度穩(wěn)定性的同時也改變了水泥基質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)體中水分涵養(yǎng)和透氣性，這對植物根系形成了一定的逆境脅迫[20-21]。本試驗中水泥含量小于3%時，土壤中仍保留有一定量的孔隙結(jié)構(gòu)，一部分水泥通過水化反應(yīng)與土壤中的固體顆粒構(gòu)成蜂窩型結(jié)構(gòu)，提高了土壤的空隙度。同時，水泥基質(zhì)土壤提高了土壤顆粒之間的密實性，從而對黑麥草總根長產(chǎn)生抑制作用。

表5 不同含量水泥基質(zhì)土壤黑麥草CAT活性Table 5 CAT activity of Loliumperennial ryegrass in matrix soil of different cement contents U·g-1

試驗測定的黑麥草分蘗期、孕穗期和開花期CK處理總根長均高于其他處理，這和張鵬[22]研究的土壤添加水泥基質(zhì)后，土壤顆粒聚集緊密，抑制草坪植物根長生長的研究結(jié)果一致。本試驗中黑麥草分蘗期水泥含量處理根平均直徑顯著低于CK處理，孕穗期和開花期水泥含量處理根平均值徑與CK處理差異不顯著，Y3處理根平均直徑略大于CK處理。孕穗期，土壤中不同配比的水泥凝固作用導致土壤顆粒間粘結(jié)性增強，進一步阻礙了黑麥草根系的徑向生長，進而對根系直徑、總根體積和總根表面積均產(chǎn)生影響。這說明水泥基質(zhì)土壤對黑麥草分蘗期根系的徑向生長具有一定的抑制作用，而在黑麥草開花期和孕穗期則抑制作用減弱。這與土壤中摻入水泥后土壤的空隙率下降對幼苗期黑麥草根系的生長產(chǎn)生影響相關(guān)，而水泥的水化作用過程又促使土壤顆粒之間的孔隙增大，有利于提高土壤的蓄水和透氣性能，對黑麥草根系生長具有促進作用。劉月梅等[23]研究表明，土壤中添加固化劑后土壤容重增加，黑麥草根系活力下降，該固化劑是一種高濃縮的酸性醬棕黑色有機溶液，可將土壤中的礦物質(zhì)和土壤顆粒分解，使其重新結(jié)晶形成金屬鹽，保持土壤持久穩(wěn)定。低固化劑含量(小于0.15%)所含有機物質(zhì)對根系具有向肥性誘導特征，并能刺激根系生長，而固化劑含量(大于2%)，土壤緊實限制根系生長。

本研究中不同水泥含量處理黑麥草根系活力均具有一定程度的下降，表明水泥含量對黑麥草根系生長具有抑制作用。通過對不同生長時期各處理黑麥草的根系活力進行分析可知，黑麥草根系活力為孕穗期>開花期>分蘗期，這是因為分蘗期時根系正處于生長發(fā)育階段，根系活力值較低，生長至孕穗期后根系逐漸成熟活力值較高，開花期后根系活力呈下降趨勢。土壤與水泥混合基質(zhì)中5%水泥含量處理下黑麥草根系活力指標與7%含量處理差異顯著，而與其他處理差異不顯著。7%水泥含量處理土壤環(huán)境變異性較大，從而影響黑麥草根系活力。相關(guān)研究表明，黑麥草根系對逆境脅迫具有一定的耐受性[24]，當水泥基質(zhì)對黑麥草產(chǎn)生脅迫影響時，根內(nèi)SOD、POD、CAT酶活性上升，當逆境脅迫上升超過其耐受范圍時，其自我保護機制受損，根內(nèi)SOD、POD、CAT酶活性下降。本研究中黑麥草在不同含量水泥基質(zhì)的土壤中，Y3處理分蘗期各種抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性最強。

綜上所述，不同水泥含量基質(zhì)土壤對黑麥草根系生長發(fā)育產(chǎn)生了抑制作用，其中根系生長以及根系活力抑制特征主要是在分蘗期，隨著黑麥草發(fā)育成熟，抑制作用逐漸減弱。水泥基質(zhì)土壤對黑麥草根內(nèi)的SOD、POD、CAT酶活性均具有逆境脅迫應(yīng)激效應(yīng)，隨著水泥含量的增加，根內(nèi)酶活性相應(yīng)增加，當含量超過5%時，酶活性下降。因此，水泥含量大于5%的基質(zhì)土壤對黑麥草根系生長的脅迫影響更為明顯。