聚天冬氨酸施用量對胡楊幼苗功能性狀和生長的影響1)

李春艷 汪琴 趙海濤 韓路 王海珍

(塔里木大學(xué)，新疆阿拉爾，843300)

水分是限制干旱區(qū)植物生長、生存的關(guān)鍵因子，直接決定植被恢復(fù)的成效。保水劑是一種通過改善植物根土界面環(huán)境[1]、供給植物水分的化學(xué)節(jié)水技術(shù)[2]，不僅能有效地改善土壤理化性質(zhì)[3]、蓄持水肥，而且能增強(qiáng)植物抗旱性[4]、提高植物光合速率、水分利用率[3，5]和造林成活率[6]，其已在土壤改良[7]、水土保持[8]等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。目前，市場上保水劑以聚丙烯酰胺類和丙烯酸類為主，還有較多利用聚多糖基(淀粉、纖維素、殼聚糖等)、氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸等)等材料接枝或聚合生成的保水劑[1]。但有些保水劑(如聚丙烯酸酯、陽離子型聚丙烯酰胺等)影響土壤質(zhì)量(如孔隙堵塞、板結(jié))[9]、難降解且殘留物具有毒性(如丙烯酰胺單體)，對土壤環(huán)境造成二次污染[10]。聚天冬氨酸(PASP)是由天冬氨酸或馬來酸酐經(jīng)化學(xué)聚合得到的高分子氨基酸聚合物，因含有大量的親水性羧基和酰胺基團(tuán)可發(fā)生螯合反應(yīng)，具有良好的水溶性、超強(qiáng)的吸附性、生物相容性及生物可降解性，是可徹底被生物降解的無毒無污染的環(huán)保新材料[2，4，11-12]。因而在干旱區(qū)植被恢復(fù)中，可在植物根系周圍土壤中添加綠色聚天冬氨酸來代替會產(chǎn)生有害物質(zhì)的保水劑，不僅可改良土壤質(zhì)量、提高林木移栽成活率、促進(jìn)林木生長與成林，還可解決土壤環(huán)境污染問題[10-12]。目前，環(huán)保型聚天冬氨酸保水劑大多應(yīng)用在玉米、烤煙、黃瓜等糧經(jīng)作物上且施用量、施用效果因作物種類不同而異[4，11-12，15-16]。然而，聚天冬氨酸保水劑在生態(tài)恢復(fù)中應(yīng)用較少[6，17]，對其適宜用量、作用機(jī)理、水分調(diào)控機(jī)制、綜合技術(shù)規(guī)范等缺乏深入研究，制約了聚天冬氨酸在農(nóng)林業(yè)上的廣泛應(yīng)用與推廣。因此，開展環(huán)保型聚天冬氨酸保水劑對荒漠植物生長的影響和施用方法、施用量及技術(shù)規(guī)程的研究，對指導(dǎo)干旱荒漠區(qū)節(jié)水抗旱造林和植被恢復(fù)具有重要意義。本文以塔里木干旱荒漠區(qū)建群種―胡楊幼苗為研究對象，對比分析根施不同聚天冬氨酸用量下胡楊幼苗功能性狀和生長指標(biāo)的變化，以期篩選和確定聚天冬氨酸保水劑在干旱區(qū)節(jié)水抗旱造林中的適宜施用量，為極端干旱區(qū)荒漠植被恢復(fù)和防風(fēng)固沙林營建、保水劑的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)在新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站外圍沙荒地進(jìn)行，土壤類型為沙土，pH=8.74。選擇當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土喬木樹種2年生胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)幼苗為供試植物。試驗(yàn)用保水劑為北京化工大學(xué)提供的聚天冬氨酸(PSAP)，吸水(純水)倍數(shù)為300倍[2]。

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，根施不同用量聚天冬氨酸保水劑，設(shè)置5個處理：對照(不施保水劑)、5、10、15、20 g/株。每小區(qū)種植4行，行長4 m，行距50 cm，株距50 cm，小區(qū)面積8 m2，每個小區(qū)栽植32株胡楊幼苗，重復(fù)3次。2019年4月13號移栽，挖30 cm深的栽植穴，按各處理保水劑用量拌沙施于胡楊幼苗根系周圍，回填沙土，輕提苗并踩實(shí)，再覆土高于地表5 cm。當(dāng)天移栽完成后立即充分灌溉，使根土密接，5月初再澆1次水；以后生長期不再澆水，自然生長，田間常規(guī)管理。

生長指標(biāo)測定。2019年5月1日各小區(qū)隨機(jī)選擇10株幼苗掛牌標(biāo)記，用米尺測量株高，游標(biāo)卡尺測量地徑并做好標(biāo)記。生長中期、后期分別于7月18日、9月25日分別測量株高，地徑和當(dāng)年生小枝長。

植物功能性狀與生物量測定。2019年8月25日各小區(qū)隨機(jī)選擇5株幼苗，每株剪取中上部當(dāng)年生小枝3個，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室放入冰箱保鮮層中儲存，全部樣品在12 h內(nèi)測完。計(jì)數(shù)每個小枝上的葉片數(shù)，用游標(biāo)卡尺測量葉主脈兩側(cè)約2 mm處的厚度(每葉2個點(diǎn))，平均值即葉厚度。用掃描儀掃描獲得每個小枝上的葉片圖像，再用Image J軟件測量出每個小枝上的總?cè)~面積，使用電子天平(萬分之一)稱量上述葉片鮮質(zhì)量，再置于烘箱中80 ℃、48 h烘干至恒質(zhì)量，稱取總?cè)~干質(zhì)量。同時(shí)，用米尺測量小枝長度并稱其鮮質(zhì)量，80 ℃烘干稱取小枝莖干質(zhì)量。于10月3號，地上與地下生物量分別采用收獲法、人工挖掘法，帶回實(shí)驗(yàn)室80 ℃、48 h烘干至恒質(zhì)量，稱量地上與地下生物量。

葉水分生理指標(biāo)測定。選用各小區(qū)測定功能性狀的5株幼苗，每株剪取植株中上部當(dāng)年生小枝中部10個葉片裝入自封袋中。迅速帶回實(shí)驗(yàn)室稱鮮質(zhì)量，再置于盛清水燒杯中黑暗吸水24 h至飽和，取出用吸水紙擦干后稱取飽和鮮質(zhì)量，放入烘箱80 ℃烘至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量。計(jì)算葉片含水量、相對含水量、相對水分虧缺[20]及葉干物質(zhì)含量(LDMC)[18]。植物功能性狀與水分生理指標(biāo)計(jì)算參照文獻(xiàn)[18-20]，公式如下：

葉面積=總?cè)~面積/葉片數(shù)，

(1)

葉干質(zhì)量=總?cè)~干質(zhì)量/葉片數(shù)，

(2)

比葉面積=總?cè)~面積/總?cè)~干質(zhì)量，

(3)

葉組織密度=總?cè)~干質(zhì)量/(葉面積×葉厚)，

(4)

出葉強(qiáng)度=葉片數(shù)/小枝干質(zhì)量，

(5)

葉面積比=總?cè)~面積/小枝莖干質(zhì)量，

(6)

葉莖質(zhì)量比=總?cè)~干質(zhì)量/小枝莖干質(zhì)量，

(7)

葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)=葉干質(zhì)量/葉飽和鮮質(zhì)量，

(8)

相對水分虧缺=[(葉飽和鮮質(zhì)量-葉鮮質(zhì)量)/(葉飽和

鮮質(zhì)量-葉干質(zhì)量)]×100%。

(9)

葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定：剪取上述各處理5株當(dāng)年生小枝中部葉片并剪碎，置于體積分?jǐn)?shù)80%丙酮的100 mL容量瓶中，黑暗保存48 h至葉片褪綠，取出過濾，采用分光光度法測定葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。葉綠素a、葉綠素b與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算參照文獻(xiàn)[20]。

土壤質(zhì)量含水量的測定：與植物功能性狀測定同步，各處理隨機(jī)選擇5株幼苗，在距幼苗主莖10 cm處用土鉆分別鉆取0～20、20～40 cm土壤，裝入鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室烘干。

1.2 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算不同保水劑用量胡楊幼苗各測定指標(biāo)的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，利用單因素方差分析(ANOVA)和Duncan法檢驗(yàn)各處理間測定指標(biāo)的差異性；利用線性、非線性回歸的方法建立胡楊幼苗生長指標(biāo)與保水劑用量的函數(shù)關(guān)系，篩選最優(yōu)方程，求極值。統(tǒng)計(jì)過程采用SPSS 19.0完成，用Origin2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑不同用量下胡楊幼苗葉片和土壤含水量的變化

表1可見，在土層(d)0

表1 不同處理下幼苗葉片和土壤含水量的變化

胡楊幼苗葉片含水量、相對含水量均隨保水劑用量的增加而增大，于15 g/株處理達(dá)最大，之后則降低；而對照相對水分虧缺則最高，15 g/株處理的相對水分虧缺最低。15 g/株處理葉片含水量、相對含水量分別比對照高18.39%、19.49%，相對水分虧缺則比對照低26.22%。15、20 g/株處理葉片含水量與5、10 g/株、對照之間差異顯著(P<0.05)，4種處理葉片相對含水量與對照差異均顯著(P<0.05)，15、20 g/株處理相對水分虧缺與對照的差異顯著(P<0.05)。表明15、20 g/株處理能明顯提高胡楊幼苗水分含量，減輕干旱缺水對胡楊生長的不利影響。

2.2 保水劑不同用量下胡楊幼苗葉功能性狀的變化

表2可見，胡楊葉面積、比葉面積、葉干質(zhì)量、葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨保水劑用量增加而增大，除比葉面積外均于15 g/株處理達(dá)最大，之后隨施用量增大而降低；葉厚度、葉組織密度則呈相反變化，對照則最大。15 g/株處理葉面積、葉干質(zhì)量、葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比對照高31.80%、17.73%、16.00%，葉厚度、葉組織密度分別比對照降低38.99%、31.46%；10 g/株處理比葉面積最高，比對照高20.32%。方差分析表明，除葉干質(zhì)量外，15 g/株處理葉面積、比葉面積、葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉厚度、葉組織密度均與對照差異顯著(P<0.05)，10、20 g/株處理比葉面積、葉組織密度、葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照差異顯著(P<0.05)。表明隨保水劑用量增加，胡楊幼苗光合面積、捕獲與利用光能及制造光合產(chǎn)物的能力逐步提升，而20 g/株處理則有所降低。

本文用出葉強(qiáng)度、葉面積比、葉莖質(zhì)量比來表征展葉效率[19]，反映植株光捕獲效率和光合效率。表2可見，胡楊幼苗出葉強(qiáng)度、葉面積比、葉莖質(zhì)量比均隨保水劑用量的增加而增加，于15 g/株處理達(dá)最大，之后則降低，4種處理展葉效率均高于對照。方差分析表明，除葉莖質(zhì)量比外，15 g/株處理出葉強(qiáng)度、葉面積比與對照差異顯著(P<0.05)，10 g/株處理葉面積比、20 g/株處理出葉強(qiáng)度與對照差異顯著(P<0.05)。15 g/株處理出葉強(qiáng)度、葉面積比、葉莖質(zhì)量比分別比對照高42.62%、39.47%、5.95%，反映出單位質(zhì)量莖所支撐的葉數(shù)量和葉面積增大，光能捕獲效率增強(qiáng)。

表2 不同處理下胡楊幼苗葉功能性狀的變化

2.3 保水劑不同用量下胡楊幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

表3可見，胡楊幼苗葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨保水劑用量增加而增大，至20 g/株色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有降低。4種保水劑用量葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與對照差異顯著(P<0.05)，15、20與5 g/株處理間顯著差異(P<0.05)。15 g/株葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別比對照高56.29%、83.74%、61.63%、55.39%。表明施用保水劑能提高胡楊幼苗葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，有利于增強(qiáng)胡楊光能捕獲和光合效率，其中15 g/株效果較好。

表3 不同處理下胡楊幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.4 保水劑不同用量下胡楊幼苗生長量的變化

表4可見，幼苗株高、地徑和當(dāng)年生小枝長度、直徑、總?cè)~面積、生物量均隨保水劑用量增加而增大，至15 g/株達(dá)最高，分別比對照高36.37%、38.25%、23.74%、18.61%、69.07%、44.77%，總?cè)~面積增幅最大。除5 g/株處理外，5個生長指標(biāo)均與對照差異顯著(P<0.05)。15 g/株處理株高、地徑與其它3種處理差異顯著(P<0.05)，且其總?cè)~面積、小枝生物量與5 g/株處理間差異顯著(P<0.05)。4種處理幼苗地上生物量與整株生物量均與對照差異顯著(P<0.05)，15 g/株處理地上、整株生物量最高。

表4 不同處理下胡楊幼苗生長量的變化

表5可見，4種處理株高、地徑和小枝長度絕對生長速率、相對生長速率均高于對照，其中15 g/株處理株高、地徑絕對生長速率和地徑相對生長速率與對照差異顯著(P<0.05)，但4種處理之間無顯著差異(P>0.05)。15 g/株處理株高、地徑和小枝長度絕對、相對生長速率均最高，分別比CK高56.01%，47.34%，23.72%；9.68%，42.86%，5.07%，表明15 g/株處理對胡楊幼苗生長最有利，枝葉和生物量增幅最大。

表5 不同處理下胡楊幼苗生長速率的變化

2.5 胡楊幼苗生長指標(biāo)與保水劑用量的關(guān)系

圖1可見，采用線性、非線性回歸方法對9個反映胡楊幼苗生長狀況的指標(biāo)與保水劑用量進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示一元二次方程效果最優(yōu)(R2最大，P<0.01)。通過對一元二次方程求導(dǎo)，得出曲線拐點(diǎn)，即保水劑的最佳用量為12.42～15.52 g/株。對9個生長指標(biāo)的峰值對應(yīng)的保水劑用量求平均值，得出根施最佳保水劑用量為13.7 g/株。

圖1 保水劑不同用量與胡楊幼苗生長的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

聚天冬氨酸(PASP)是一種吸水、保水能力強(qiáng)的新型環(huán)境友好型保水劑，既能完全降解又具有螯合功能，降解產(chǎn)物能促進(jìn)植物生長發(fā)育，已應(yīng)用于干旱半干旱區(qū)農(nóng)林種植[3-4，10-12，15-16，21]。研究發(fā)現(xiàn)，根施聚天冬氨酸保水劑能提高土壤含水量，減輕水分脅迫而改善植物水分狀況，進(jìn)而提高葉片含水量和光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉片光合面積，從而提高幼苗光能捕獲利用效率和光合碳同化能力，促進(jìn)幼苗生長，這與王婷等[6]、曹本福等[11]、黃毅等[12]、姜雯等[21]研究結(jié)果一致。因?yàn)榫厶於彼岜Ｋ畡┠軐⑺?、養(yǎng)分富集到農(nóng)作物根系的周圍[11-12]，增強(qiáng)根系吸水能力[21]而促進(jìn)植物生長，且生長過程中緩慢釋放水分而減輕水分限制，且其分解過程中釋放氨和CO2，提高土壤養(yǎng)分含量及養(yǎng)分吸收[2，11-12，15]，從而促進(jìn)光合色素合成、葉面積擴(kuò)大、資源獲取及增加碳同化產(chǎn)物。其中15 g/株處理胡楊幼苗葉片含水量、光合色素含量、葉面積、比葉面積、葉干物質(zhì)量和展葉效率最高，相對水分虧缺最低，而20 g/株處理則出現(xiàn)降低，這可能由于保水劑施用量過多時(shí)，保水劑顆粒吸水膨脹后會阻塞土壤孔隙，降低土壤通透性使得土壤水的分配能力下降，抑制土壤中水分運(yùn)動和根系活動，植物吸收水分、養(yǎng)分量相對減小[22]，從而抑制了根系與地上部分生長。表明保水劑用量增加并不總能促進(jìn)植物生長、提高資源獲取效率和干物質(zhì)生產(chǎn)?？梢?，根施15 g/株保水劑顯著提升干旱荒漠區(qū)土壤持水保水能力，提高了胡楊幼苗光合面積、光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與光能捕獲利用效率，從而增加干物質(zhì)生產(chǎn)。

施用保水劑可降低土壤密度、改善土壤結(jié)構(gòu)，提高植物光合速率和水分、養(yǎng)分利用效率，促進(jìn)植物生長發(fā)育和增產(chǎn)[2，4，6-7，11-12，15]。本研究發(fā)現(xiàn)，根施聚天冬氨酸保水劑能促進(jìn)胡楊幼苗株高、地徑生長速率，提高葉面積和增加地上、整株生物量。這是由于聚天冬氨酸保水劑可增加物理性粘粒含量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體、改善土壤結(jié)構(gòu)[7-8，23]和提高土壤總孔隙度及持水能力[8]，且通過羧基、酰胺等基團(tuán)富集和活化根部土壤養(yǎng)分，抑制了氨揮發(fā)和減少了磷的固定與沉積，從而達(dá)到緩解干旱，增強(qiáng)作物對肥料、水分的吸收，促進(jìn)幼苗生長發(fā)育[4，11-12]。但保水劑不同用量對胡楊幼苗生長的影響存在差異，施用量為15 g/株時(shí)幼苗株高、地徑和當(dāng)年生小枝長度、生物量、總?cè)~面積均達(dá)到最大；施用量為20 g/株時(shí)幼苗各項(xiàng)生長指標(biāo)均有所降低，表明保水劑施用量偏大時(shí)，影響胡楊幼苗對水分、養(yǎng)分吸收及其生長，這與前人研究結(jié)果相一致[11-12，15]。分析其原因可能是聚天冬氨酸為多肽高分子聚合物，其羧基、?；王０坊哂袠O強(qiáng)的螯合、分散、吸附等能力[12]，吸附較多養(yǎng)分而增強(qiáng)了保肥性[23]；當(dāng)聚天冬氨酸用量超過一定量時(shí)，吸水量越多，養(yǎng)分吸持量就越高，土壤中的水分、養(yǎng)分在團(tuán)聚體運(yùn)移而使土壤中含水量降低[23]，導(dǎo)致植物生長所需水分、養(yǎng)分無法滿足植物生長。此外，保水劑吸水、蓄水能力除與保水劑性質(zhì)、粒徑、施用量、土壤質(zhì)地等有關(guān)外，還受土壤水溶液離子濃度的影響，尤其南疆土壤普遍含鹽、pH值較高，影響了其吸水性能，施用量明顯高于黃毅等[12]報(bào)道結(jié)果。利用線性、非線性回歸方法對胡楊幼苗生長指標(biāo)與保水劑用量進(jìn)行擬合，篩選出保水劑適宜用量為12.42～15.52 g/株。因此，干旱區(qū)根施聚天冬氨酸保水劑用量合理范圍為12.42～15.52 g/株，其能吸附、保蓄較多的土壤水分，有效緩解干旱缺水對幼苗生長的傷害，促進(jìn)胡楊幼苗正常生長發(fā)育。本試驗(yàn)結(jié)果為干旱荒漠區(qū)利用聚天門冬氨酸保水劑開展荒漠植被恢復(fù)提供了一定的理論依據(jù)，但由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和條件的限制，對于是否存在更合適的聚天門冬氨酸用量以及施用方式、次數(shù)均有待進(jìn)一步開展研究。根施聚天冬氨酸保水劑能提高土壤、葉片含水量，提高幼苗葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和光能捕獲利用效率，促進(jìn)枝葉生長和干物質(zhì)生產(chǎn)。干旱荒漠區(qū)節(jié)水抗旱造林實(shí)踐中，聚天冬氨酸保水劑適宜施用量為12.42～15.52 g/株。