膨潤土與有機肥對風沙地披堿草多項生理特性的影響

卜繁迪,王東升,蔣明宇,呂崇源

(遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院,遼寧阜新 123000)

土地沙化已成為困擾全球的一個重要生態(tài)環(huán)境問題,據(jù)統(tǒng)計,沙化土地面積已達到1.73×106km2,占土地總面積的18.03%[1-2]。土地沙化形成的風沙土,其本身顆粒較粗糙,土壤膠體含量偏低,保水保肥能力較差,進而土壤中有機質(zhì)與細粒物質(zhì)流失嚴重,導致土壤進一步粗化、肥力逐步下降的惡性循環(huán),土地生產(chǎn)力愈加衰退,作物抗逆能力降低,土壤病蟲害加劇,不利于作物生長發(fā)育。因此開展風沙土改良和修復研究對維持農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來關于土壤改良劑的研究呈上升趨勢,主要涉及土壤改良劑對土壤理化性質(zhì)及植物生長發(fā)育方面的影響[3-4],但研究成果在不同作物與不同區(qū)域間差異較大。披堿草屬禾本科多年生草本植物,用于放牧且有飼用價值,是潛在的優(yōu)良草坪草資源[5],具有抗風沙、耐旱、耐寒、耐鹽堿等優(yōu)點[6],在植被恢復、護坡、防風固沙等方面有重要作用,在環(huán)境保護與生態(tài)恢復工作中扮演著重要角色。因此, 開展披堿草種植資源的研究對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)恢復建設具有深遠意義。

膨潤土素有“萬能黏土”稱號,是國內(nèi)外開發(fā)較早、應用較廣泛的礦物性黏土,屬于硅酸鹽類非金屬礦物質(zhì)[7]。易杰祥等[8]研究發(fā)現(xiàn)膨潤土可增加鹽基離子總量和陽離子交換量,降低交換性酸含量土壤酸度,明顯促進植株的發(fā)芽、生長和作物產(chǎn)量。膨潤土主成分是蒙脫石,屬于硅酸鹽類的天然物質(zhì),具有較高的陽離子交換量,而且其獨特的晶體結(jié)構具有很好的保水蓄水能力[9-10]。有機肥主要來自植物或動物,添加到農(nóng)田土壤中后,它是具有能為作物提供養(yǎng)分的基礎功能的高含碳量物質(zhì)。由于原材料成本較低且方便易得,在改善土壤結(jié)構、提升土壤保水保肥能力、促進作物生長[11]等方面作用顯著。邱曉麗等[12]研究表明生物有機肥對于提高土壤的生物活性、改善馬鈴薯的根際環(huán)境有幫助,進而提高了馬鈴薯根系活力,增加了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量。張奇等[13]研究表明長期施用有機肥在培肥土壤、保障農(nóng)作物增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)方面有顯著作用。該研究從披堿草不同生育期抗氧化酶活性、細胞膜系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、葉綠素含量等方面進行分析,比較膨潤土與有機肥對其不同生育期幼苗生理特性的影響效果,旨在優(yōu)化肥料配施方式、改善風沙地土壤肥力和土地生產(chǎn)能力,為章古臺風沙地改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況該試驗在遼寧省風沙地治理與利用研究所試驗基地內(nèi)進行,地點位于遼寧省阜新市彰武縣北部的章古臺鎮(zhèn),地理位置為122°23′～122°33′E、42°39′～42°43′N。該區(qū)地處科爾沁沙地東南部,屬于半干旱大陸性季風氣候。年平均氣溫6.8 ℃,極端最高溫度43.2 ℃,極端最低氣溫-33.4 ℃,年降雨量為474 mm,降雨多集中在6—8月。供試土壤類型為風沙土,試驗前對未施加土壤改良劑的樣地進行土壤理化性質(zhì)的測定,其中土壤pH為5.75,土壤含水率為31.66%,有機質(zhì)含量為0.94 g/kg,堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為22.18、8.98和42.63 mg/kg,全氮、全磷、全鉀含量分別為 0.19、0.11和1.61 g/kg。

1.2 試驗材料披堿草由遼寧省風沙地治理與利用研究所提供;膨潤土為以蒙脫石為主的非金屬礦產(chǎn);有機肥為腐熟馬糞。

1.3 試驗設計試驗于2021年6月初開始播種,行距30 cm,條播,播深3～5 cm,播量10 kg/hm2。播種前將土地翻耕,除雜耙平,避免雜草與幼苗爭奪水肥。播前灌溉,采用河水漫灌,灌溉量以灌透為止。其他田間管理與當?shù)貍鹘y(tǒng)管理相同。設計5個處理,即CK(空白對照)、T1(1.0 kg/m2有機肥)、T2(5.0 kg/m2膨潤土)、T3(5.0 kg/m2膨潤土+1.5 kg/m2有機肥)、T4(5.0 kg/m2膨潤土+1.0 kg/m2有機肥)。每個處理3次重復,各處理小區(qū)面積為16 m2(4 m×4 m),共15個小區(qū),樣區(qū)之間相距1 m,隨機排列。

1.4 樣品采集與生理指標測定每個處理樣地隨機按行取長為1 m樣方,選取各處理中長勢相似的披堿草幼苗,植株完整取出。使用米尺(精度0.1 cm)現(xiàn)場測定株高;將植株從莖基部剪開,獲得完整的地上和根系部分,采用稱重法測其含水率;用蒸餾水沖洗干凈,吸干水分,在105 ℃殺青30 min,70 ℃下烘干至恒重測定其干重;葉綠素含量采用TYS-A型葉綠素儀(北京中科維禾儀器有限公司生產(chǎn))測定。采用氮藍四(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創(chuàng)木酚比色法測定過氧化物酶(POD)活性;采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶(CAT)活性;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法進行測定[14];脯氨酸含量采用茚三酮比色法進行測定[15]。

1.5 統(tǒng)計分析采用Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖,采用SPSS 23.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對披堿草各生育期抗氧化酶活性的影響

2.1.1SOD活性。由圖1可知,各處理披堿草SOD活性隨著生育時期的不斷推進呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。不同處理對披堿草各生育期SOD活性變化的影響不一致。在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理披堿草SOD活性表現(xiàn)為T4>T3>T2>T1>CK,且施加土壤改良劑處理的披堿草SOD活性均高于CK處理,其中,拔節(jié)期T4、T3、T2和T1處理披堿草SOD活性分別較CK提高了26.07%、20.79%、12.87%、7.26%,抽穗期分別較CK提高了25.22%、17.97%、14.78%、5.80%,灌漿期分別較CK提高了32.71%、25.56%、21.43%和5.26%,成熟期分別較CK提高了33.51%、27.83%、22.16%和10.82%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖1 不同處理對披堿草各生育期SOD活性的影響Fig.1 Effect of different treatments on SOD activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.1.2POD活性。由圖2可知,各處理披堿草POD活性隨著生育時期的不斷推進呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。不同處理對披堿草各生育期POD活性的影響不一致。在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理披堿草POD活性表現(xiàn)為T4>T3>T2>T1>CK,且施加土壤改良劑處理的披堿草SOD活性均顯著高于CK處理(P<0.05),其中,拔節(jié)期T4、T3、T2和T1處理披堿草POD活性分別較CK提高了45.55%、37.17%、27.75%、17.28%,抽穗期分別較CK提高了31.91%、25.23%、20.97%、6.99%,灌漿期分別較CK提高了32.71%、25.56%、21.43%、5.26%,成熟期分別較CK提高了27.57%、20.60%、14.62%和6.31%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖2 不同處理對披堿草各生育期POD活性的影響Fig.2 Effect of different treatments on POD activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.1.3CAT活性。由圖3可知,隨著生育時期的不斷推進,披堿草CAT活性表現(xiàn)不一致,但均以T4處理的CAT活性最大。在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理披堿草CAT活性表現(xiàn)為T4>T3>T2>T1>CK,施用土壤改良劑處理的CAT活性均顯著高于CK處理(P<0.05),其中,拔節(jié)期T4、T3、T2和T1處理披堿草CAT活性分別較CK提高了50.50%、42.57%、29.70%、11.39%,抽穗期分別較CK處理提高了54.58%、40.24%、18.33%和10.76%,灌漿期分別較CK處理提高了63.53%、42.11%、29.32%、21.43%,成熟期分別較CK提高了65.37%、41.34%、21.91%和13.07%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖3 不同處理對披堿草各生育期CAT活性的影響Fig.3 Effect of different treatments on CAT activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.2 不同處理對披堿草各生育期MDA含量的影響由圖4可知,各處理披堿草MDA含量隨著生育時期的不斷推進呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。不同處理對披堿草各生育期MDA含量的影響不一致。施加土壤改良劑處理的披堿草MDA含量較CK處理均有所減少,且拔節(jié)期、灌漿期和成熟期施加土壤改良劑處理的披堿草MDA含量均顯著低于CK處理(P<0.05);其中拔節(jié)期T4、T3、T2和T1處理披堿草MDA含量分別較CK降低了30.05%、20.69%、14.29%、5.42%,抽穗期分別較CK降低了22.56%、19.87%、15.82%和2.69%,灌漿期分別較CK降低了30.72%、22.61%、18.26%和4.64%,成熟期分別較CK降低了25.95%、19.53%、14.87%和11.37%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖4 不同處理對披堿草各生育期MDA含量的影響Fig.4 Effect of different treatments on MDA content of Elymus dahuricus at different growth stages

2.3 不同處理對披堿草各生育期脯氨酸含量的影響由圖5可知,各處理披堿草脯氨酸含量隨著生育時期的不斷推進總體上呈現(xiàn)升高趨勢。不同處理對披堿草各生育期脯氨酸含量的影響不一致。在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期,T4、T3、T2和T1處理的脯氨酸含量均高于CK。拔節(jié)期T4、T3、T2和T1處理披堿草脯氨酸含量分別較CK提高了34.51%、26.99%、14.60%、6.64%,抽穗期分別較CK提高了50.83%、35.54%、19.42%、9.50%,灌漿期分別較CK提高了36.84%、42.11%、29.32%、21.43%,成熟期分別較CK提高了39.58%、33.57%、24.38%、13.07%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖5 不同處理對披堿草各生育期脯氨酸含量的影響Fig.5 Effect of different treatments on proline content of Elymus dahuricus at different growth stages

2.4 不同處理對披堿草各生育期葉綠素含量的影響由圖6可知,隨著生育時期的不斷推進,披堿草葉片葉綠素含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。各生育期各處理披堿草葉片葉綠素含量表現(xiàn)不一致,但均以T4處理的葉綠素含量最高。在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理的葉綠素含量表現(xiàn)為T4>T3>T2>T1>CK,施用土壤改良劑處理的葉片葉綠素含量較CK均顯著增加(P<0.05)。拔節(jié)期T4、T3、T2和T1處理披堿草葉綠素含量分別較CK提高了20.53%、15.56%、7.95%、5.30%,抽穗期分別較CK提高了25.22%、17.97%、14.78%、5.80%,灌漿期分別較CK提高了32.71%、25.56%、21.43%、5.26%,成熟期分別較CK提高了43.30%、31.44%、22.16%、10.82%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖6 不同處理對披堿草各生育期葉綠素含量的影響Fig.6 Effect of different treatments on chlorophyll content of Elymus dahuricus at different growth stages

3 討論與結(jié)論

土壤沙化會影響作物的生理特性,該研究中施用不同處理的膨潤土及有機肥對披堿草各生育期SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸含量及葉綠素含量的影響不一致,但均表現(xiàn)為T4處理的披堿草各生育期顯著高于空白對照CK(P<0.05),而MDA含量各處理均低于CK,T4處理下為最小值,說明T4處理對披堿草生理特性的影響更為明顯。施用不同處理的土壤改良劑對披堿草各生育期SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸含量及葉綠素含量均有所提高,MDA含量有不同程度降低,說明膨潤土和有機肥均可促進披堿草的生理特性變化,提高其生物量,這可能與膨潤土和有機肥提高作物對養(yǎng)分的利用效率繼而促進作物生長發(fā)育有關[16]?？寡趸窼OD、POD、CAT能夠有效清除過量積累的活性,披堿草可以通過施加膨潤土和有機肥來提高SOD、POD、CAT活性,從而產(chǎn)生了氧自由基來抵御風沙環(huán)境,這是植物對風沙環(huán)境脅迫的適應性反應。不同處理的土壤改良劑能降低葉片MDA含量,減輕風沙環(huán)境引起的膜脂過氧化反應,從而緩解風沙環(huán)境對披堿草細胞膜造成的傷害。膨潤土與有機肥能夠通過提高脯氨酸的積累來維持滲透平衡,保護細胞結(jié)構,增強植株耐旱抗風沙性能。施用土壤改良劑能提高披堿草對養(yǎng)分的吸收,促進披堿草植株的生長發(fā)育,降低葉片MDA含量,提高了披堿草SOD、POD、CAT活性,有助于葉綠素含量和脯氨酸含量的積累。

適量的膨潤土與有機肥等土壤改良劑的施用,可提高作物生長發(fā)育,不同配施處理下T4處理(5.0 kg/m2膨潤土+1.0 kg/m2有機肥)效果最佳,但該試驗年限較短,仍需長期試驗觀察對其效果進行評價。下一步試驗應延長試驗年限,探究影響披堿草生長發(fā)育的機制、土壤的性狀變化以及改良措施之長久效果,旨在為促進風沙地的改良與生產(chǎn)實踐提供技術支撐。