羧甲基纖維素鈉對紅海欖幼苗生長和土壤養(yǎng)分的影響

李 婷，林 梓，朱立安，李 玫，陳粵超，陳玉軍

（1.廣東省科學院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所 華南土壤污染控制與修復國家地方聯(lián)合工程研究中心 廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東廣州 510650；2.中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東廣州 510520；3.廣東湛江紅樹林國家級自然保護區(qū)管理局，廣東湛江 524088）

紅樹林是位于熱帶和亞熱帶潮間帶獨特的木本植物群落，由常綠灌木和小喬木群落組成，具有較高的初級生產(chǎn)力水平，被認為是世界上碳儲量最高的生態(tài)系統(tǒng)之一[1-2]。由于受周期性潮水浸淹，其生態(tài)環(huán)境獨特，具有保護物種多樣性、維持生態(tài)平衡、提供食物和原材料、凈化水質(zhì)、防洪固堤及作為休閑旅游和科普宣傳教育場所等功能[3-4]。受人為活動、氣候變化等影響，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大威脅，全球紅樹林正以每年1%～2%的速度迅速減少[5-7]。研究表明，以目前每年約1%的速度計算，紅樹林大量碳（C）儲量（956 MgC/hm2）被破壞，將導致每年向大氣層額外釋放約133 Tg 碳，加劇全球氣候變暖[8]。1990 年以來，對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)功能的認識日益加深，我國大部分天然紅樹林已被納入國家級或區(qū)域性紅樹林保護區(qū)，并開展了大量紅樹林恢復工程，對緩解局部乃至全球氣候變化具有重要意義[2]。2020 年8 月，自然資源部、國家林業(yè)和草原局聯(lián)合發(fā)布《紅樹林保護修復專項行動計劃（2020—2025年）》，提出至2025年營造和修復紅樹林18 800 hm2。由于多種人為或生物學原因，現(xiàn)存尚未實現(xiàn)造林的潮間帶灘涂基本為沿海砂礫質(zhì)海灘等困難立地，造林難度大[9-10]。

羧甲基纖維素鈉（Sodium Carboxymethyl Cellulose，CMC）為陰離子水溶性聚合物，具有來源廣、成本低、無毒無害和易被土壤微生物降解等優(yōu)點；其黏稠度高，可增加土壤顆粒間的凝聚力，具有良好的保水效果，已被廣泛應用于土壤結構改善[11-15]。Ning 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，施加CMC 能顯著降低砂壤土吸水性和水分入滲性，可作為砂壤土適宜的保水劑；吳軍虎等[13]研究表明，粉砂質(zhì)壤土土壤0.25 mm 以上的水穩(wěn)性團聚體含量隨CMC 含量增加而增加，土壤持水能力增強；喜銀巧等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施加CMC可增加風沙土內(nèi)聚力，提高土壤抗剪強度，達到保水固沙的效果，促進沙區(qū)流沙固定和退化生態(tài)恢復；哈麗代姆·居麥等[15]研究發(fā)現(xiàn)，施加CMC 可降低土壤水分入滲，抑制土面蒸發(fā)，改善土壤水分運動特征。CMC 可通過改善土壤結構，提高土壤持水能力，抑制土面蒸發(fā)，具有保水控鹽、改良砂礫質(zhì)沿海土壤的巨大潛力。有研究表明，施加CMC 可提高水稻（Oryzasativa）生物量、產(chǎn)量，促進高羊茅（Festuca elata）品種可奇思種子萌發(fā)和胚芽苗生長[16-17]。目前，CMC 對紅樹植物胚軸的促生作用尚缺乏相關研究報道。本研究以紅海欖（Rhizophorastylosa）胚軸為研究對象，開展淹浸模擬試驗，分析不同CMC 施用量對沿海砂礫質(zhì)土壤的改良效果及其對紅樹生長的影響，確定CMC 在砂礫質(zhì)土壤改良中的最適宜用量，以期提高砂礫質(zhì)土壤紅樹林造林成功率，為CMC在砂礫質(zhì)土壤中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自廣東省茂名市電白區(qū)水東灣沿岸（110°00′E，21°50′N），基本理化性質(zhì)為pH 值5.93、有機質(zhì)含量2.36 g/kg、全氮（N）含量0.63 g/kg、全磷（P）含量0.74 g/kg、全鉀（K）含量4.43 g/kg、堿解氮含量29.40 mg/kg、速效磷含量18.11 mg/kg 和速效鉀含量252.25 mg/kg。供試紅海欖胚軸采自水東灣紅樹林分布區(qū)，采集的胚軸均成熟、發(fā)育良好且無病蟲害，長度為（30.13±0.26）cm。供試CMC，粘度5 000 左右，購于河北天越環(huán)?？萍加邢薰?。供試菌劑為復合菌劑，主要菌種為巨大芽孢桿菌（Bacillusmegaterium）和膠凍樣類芽孢桿菌（Paenibacillusmucilaginosus），有效活菌數(shù)≥1.0 億/克，購于河北閏沃生物技術有限公司。供試污泥發(fā)酵肥來自廣東省科學院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，基本理化性質(zhì)為pH 值6.87、有機質(zhì)含量423.5 g/kg、水溶性碳含量21.80g/kg、總氮含量24.3 g/kg、水溶性氮含量7.80 g/kg、電導率3.18 ms/cm 和種子萌芽指數(shù)（GI）值96.90%。

1.2 試驗設置

采用室內(nèi)淹浸模擬試驗，在中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所潮汐模擬實驗室中進行；試驗時間為2021 年9 月3 日—2022 年11 月22 日，共445天。將風干過篩的土樣充分混合后，分別稱取1.5 kg，置于口徑13.5 cm、高10.7 cm 且內(nèi)襯塑料袋的塑料盆中。

設置不同CMC 施用量，搭配污泥發(fā)酵肥和復合生物菌劑，污泥發(fā)酵肥與土樣按質(zhì)量比5.0%進行混合，復合生物菌劑與土樣按質(zhì)量比0.2%均勻?qū)邮┯?～5 cm土層處。設5個CMC施用量處理，即CMC與土樣按質(zhì)量比1.6%、2.4%、3.2%、4.0%和4.8%進行混合，分別記為C1、C2、C3、C4和C5；另設兩個對照，分別為不施用改良劑處理（CK）及僅施用5.0%污泥發(fā)酵肥和0.2%復合生物菌劑處理（C0）。共7 個處理，每處理重復3次，共21盆，每盆種植1粒胚軸。

自動潮汐模擬槽裝置分為上槽和下槽，上槽為培養(yǎng)槽，下槽為儲水槽，長×寬×高為1.20 m×0.70 m×0.45 m，最大淹水深度為0.40 m；盆栽塑料盆深為0.107 m，地上部分淹水深度為0.30 m。使用水泵連接上下槽，水泵速率為12 L/min，采用定時器控制漲潮和退潮時間。共設置7 對模擬槽，槽內(nèi)水由速溶海鹽和自來水配制而成，鹽度為10‰，每周對槽內(nèi)水體鹽度進行校正。試驗模擬半日潮，每日淹水8 h。試驗期間，室內(nèi)最高氣溫38.7 ℃，最低氣溫為21.4 ℃，日平均氣溫為28.9 ℃。

1.3 指標測定

植株收獲前，采用直尺測量株高，采用游標卡尺測量地徑，同時記錄葉片數(shù)；分別收獲植株地上部葉片和莖及地下部根系，洗凈后105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，采用電子天平稱重并記錄干重。

去除土壤表層植株凋落物后，輕輕刮取1～2 cm表層土壤，取出根系并挑選出細根后，將土壤輕輕捏碎混合均勻；取一半存于4 ℃冰箱，用于測定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷含量；另一半置于通風處風干，過篩后用于測定土壤pH 值及有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和速效鉀含量。

供試土壤pH值采用電位法（m∶V=1∶10），Sartorius PB-10型酸度計和Sartorius pH/ATC 復合電極測定；有機質(zhì)含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；全氮含量采用硫酸消煮，堿解擴散法測定；全磷和全鉀含量采用氫氧化鈉熔融法，分別采用鉬銻抗比色法和火焰光度計測定；硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度法測定；銨態(tài)氮含量采用靛酚藍比色法測定；速效磷含量采用0.5 mol/L 碳酸氫鈉（pH 值8.5，m∶V=1∶20）浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1.0 mol/L乙酸銨浸提，火焰光度計測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；采用SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，對所有數(shù)據(jù)進行正態(tài)性和方差齊性檢驗，對不同施用量處理進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用Tukey檢驗；采用Origin 2021 軟件繪圖。生態(tài)化學計量比均為摩爾比。

2 結果與分析

2.1 CMC改良劑對紅海欖幼苗生長的影響

施用CMC 改良劑極顯著影響紅海欖幼苗地徑（P<0.01），對株高和葉片數(shù)均影響不顯著（圖1）。紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數(shù)均在CK 下最小，分別為22.40 cm、3.29 mm 和10.00；隨CMC 施用量增加，紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數(shù)整體均呈先增后減的趨勢，均在C4 處理下最大，分別為31.03 cm、5.08 mm 和13.67。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下紅海欖幼苗株高均增加。除C0 和C5 處理外，其他處理下紅海欖幼苗地徑均顯著大于CK（P<0.05）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下紅海欖幼苗葉片數(shù)均增加。

圖1 CMC改良劑對紅海欖幼苗生長的影響Fig.1 Effects of CMC amendments on growths of R.stylosa seedlings

2.2 CMC改良劑對紅海欖幼苗生物量的影響

施用CMC 改良劑極顯著影響紅海欖幼苗根和葉生物量（P<0.01），對莖生物量影響不顯著（圖2）。紅海欖幼苗根、莖和葉生物量均在CK 下最低，分別為2.32、1.30 和2.02 g；隨CMC 施用量增加，紅海欖幼苗根、莖和葉生物量整體均呈先增后減的趨勢，均在C4 處理下最大，分別為3.81、1.77 和4.40 g。與CK相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5處理下紅海欖幼苗根生物量均增加；C4處理下紅海欖幼苗根生物量顯著大于CK、C0、C1 和C3 處理（P<0.05）。與CK 相比，紅海欖幼苗莖生物量在C0、C1、C2、C3、C4 和C5處理下均增加。與CK 相比，除C0、C1 處理外，其他處理下紅海欖幼苗葉生物量均顯著增加（P<0.05）；C2、C4處理下紅海欖幼苗葉生物量均顯著大于CK、C0、C1和C3處理（P<0.05）。

圖2 CMC改良劑對紅海欖幼苗生物量的影響Fig.2 Effects of CMC amendments on biomass of R.stylosa seedlings

2.3 CMC改良劑對土壤pH值和養(yǎng)分的影響

施用CMC 改良劑顯著或極顯著影響土壤有機質(zhì)（P<0.01）、全氮（P<0.01）、全磷（P<0.05）和全鉀（P<0.01）含量，對土壤pH 值影響不顯著（表1）。與CK相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5處理下土壤有機質(zhì)含量均顯著增加（P<0.05）；C2 處理下土壤有機質(zhì)含量最高（35.51 g/kg）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5 處理下土壤全氮含量均增加；C5 處理下土壤全氮含量最高（4.21 g/kg），與其他處理均差異顯著（P<0.05）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下土壤全磷含量均增加；C2處理下土壤全磷含量最高（1.29 g/kg），與CK 差異顯著（P<0.05）。與CK相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下土壤全鉀含量均顯著增加（P<0.05）；C5 處理下土壤全鉀含量最高（13.73 g/kg）。

表1 CMC改良劑對土壤pH值及有機質(zhì)和全效養(yǎng)分的影響Tab.1 Effects of CMC amendments on pH,organic matter and total nutrients of soils

施用CMC 改良劑極顯著影響土壤硝態(tài)氮（P<0.01）、銨態(tài)氮（P<0.01）、速效磷（P<0.01）和速效鉀（P<0.01）含量（表2）。CK 下土壤硝態(tài)氮含量最高（0.76 mg/kg），與除C4 處理外的其他處理均差異顯著（P<0.05）。土壤銨態(tài)氮含量在C0 下最高（3.34 mg/kg），與其他處理均差異顯著（P<0.05），在C2、C3和C4 處理下均略高于CK。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下土壤速效磷含量均增加，除C5處理外，均達到顯著水平（P<0.05）；C3 處理下土壤速效磷含量最高（28.75 mg/kg），與C2 和C5 處理均差異顯著（P<0.05）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5處理下土壤速效鉀含量均顯著增加（P<0.05）；C5 處理下土壤速效鉀含量最高（117.78 mg/kg），與C0和C2處理均差異顯著（P<0.05）。

表2 CMC改良劑對土壤速效養(yǎng)分的影響Tab.2 Effects of CMC amendments on available nutrients of soils(mg/kg)

2.4 CMC改良劑對土壤化學計量比的影響

不同處理下，土壤C∶N、C∶P 和N∶P 均差異顯著（P<0.05）（表3）。不同CMC 施用量處理下土壤C∶N為4.40～19.77，平均C∶N 為10.96；CK 下土壤C∶N 最?。?.53），與C0、C1、C2 和C3 處理均差異顯著（P<0.05）。不同CMC 施用量處理下土壤C∶P 為6.22～8.88，平均C∶P 為7.03；CK 下土壤C∶P 最?。?.48），與其他處理均差異顯著（P<0.05）。不同CMC 施用量處理下土壤N∶P 為0.44～1.39，平均N∶P 為0.81；C5 處理下土壤N∶P 最大，與C4 處理外的其他處理均差異顯著（P<0.05）。

表3 CMC改良劑對土壤化學計量比的影響Tab.3 Effects of CMC amendments on soil stoichiometric ratios

2.5 紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH值、養(yǎng)分和化學計量比的關系

紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH 值、養(yǎng)分和化學計量比的相關關系存在差異（表4）。紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數(shù)與土壤有機質(zhì)含量和C∶P均呈極顯著或顯著正相關（P<0.01，P<0.05）；株高與土壤C∶N呈顯著正相關（P<0.05）；地徑與土壤全鉀、速效磷和速效鉀含量均呈極顯著正相關（P<0.01），與土壤全磷含量和C∶N 均呈顯著正相關（P<0.05）；葉片數(shù)與土壤全鉀含量呈顯著正相關（P<0.05）。根生物量與土壤全鉀含量呈顯著正相關（P<0.05），與土壤C∶P 呈極顯著正相關（P<0.01）；葉生物量與土壤有機質(zhì)、全鉀和速效鉀含量及C∶P 均呈極顯著正相關（P<0.01）。

表4 紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH值、養(yǎng)分和化學計量比的相關性分析Tab.4 Correlation analysis on growths,biomass of R.stylosa seedlings and soil pH,nutrients,stoichiometric ratios

3 討 論

施用CMC 改良劑可促進植株生長，提高植株生物量，這已在較多作物上得到證實。研究表明，5克/盆CMC 可使水稻生物量和產(chǎn)量分別增加228.7%和324.2%[16]；施加1.0%和2.0% CMC 可使小麥地上部分生物量分別提高221.0%和229.0%[19]；CMC 施用量為100 和500 kg/hm2時，谷子產(chǎn)量分別增加6.4%和5.7%[20]。本研究中，施用CMC 改良劑的紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數(shù)及根、莖和葉生物量均增加，以4.0%CMC 處理的效果最好，與上述研究結果相似。究其原因，一方面是由于CMC 可通過提高土壤非毛管孔隙度、促進水穩(wěn)定性團聚體形成等改善土壤結構，提高土壤持水能力，抑制土面蒸發(fā)，保水控鹽[11-15]，可滿足紅海欖幼苗生長過程中對土壤水分和氧氣等的需求，為其生長創(chuàng)造適宜的土壤環(huán)境；另一方面，CMC 可對土壤溶液中的養(yǎng)分離子產(chǎn)生一定吸附作用，同時可通過膠凝作用與土壤中的養(yǎng)分復合，具有保肥效果，對養(yǎng)分釋放具有緩釋作用，改善土壤養(yǎng)分狀況，提高養(yǎng)分利用效率[19-21]，滿足紅海欖幼苗生長過程中對養(yǎng)分的需求，促進紅海欖幼苗生長。本研究中，紅海欖幼苗生長量與生物量均在4.0%CMC 處理下最大，4.8%CMC 處理下均有所下降，與已有報道結果相似[19-20]。這可能是由于施用過量CMC 致使土壤板結，土壤通氣性降低，紅海欖幼苗根系伸長受阻，且CMC 持水能力高，易與幼苗爭奪水分[19]，影響紅海欖幼苗生長和生物量積累。本研究中，3.2%CMC 處理的表現(xiàn)較差，這可能是由于試驗過程中，該處理的盆栽位于潮汐裝置的邊緣位置，受環(huán)境因素影響。

土壤養(yǎng)分是作物生長發(fā)育、生物量積累的基礎，土壤養(yǎng)分供應充足是作物高產(chǎn)的關鍵。本研究中，不同CMC 施用量處理下土壤有機質(zhì)、全鉀和速效鉀含量均顯著增加，土壤全氮、全磷和速效磷含量均增加。研究表明，酸性土壤施用CMC 可提高土壤有效磷和有效鉀含量[16]；施用2.0%和3.0% CMC可使黃土高原新造土壤有效鉀含量分別增加60.40%和74.96%[19]；施加0.05%和0.10% CMC 可使耕層土壤速效磷含量分別增加51.22%和35.77%[22]。本研究結果與上述研究結果相似，進一步說明CMC對土壤養(yǎng)分具有吸附、固持作用，具有提高養(yǎng)分利用效率和減少養(yǎng)分流失的作用[20,22-23]。土壤C∶N 可反映有機質(zhì)來源和分解狀態(tài)及其對土壤肥力的潛在貢獻，與土壤有機碳分解速率成反比[24]；C∶P 可反映土壤磷礦化能力，與土壤磷的有效性成反比[25-26]；N∶P 可反映土壤氮飽和狀態(tài)和土壤養(yǎng)分限制閾值，其值小于14 時土壤受氮限制，大于16 時土壤受磷限制[26-27]。本研究中不同CMC施用量處理下土壤平均C∶N、C∶P 和N∶P 分別為10.96、7.03 和0.81，表明土壤有機質(zhì)礦化速率較快，土壤磷有效性較高，處于氮限制狀態(tài)。

4 結 論

本試驗條件下，不同CMC 施用量與污泥發(fā)酵肥和復合生物菌劑混施顯著影響紅海欖幼苗生長量、生物量積累及土壤養(yǎng)分和化學計量比，可改善土壤養(yǎng)分狀況，促進紅海欖幼苗生長和生物量積累，可作為沿海困難立地砂礫質(zhì)土壤的改良劑。推薦CMC 施用量為4.0%。在實際應用中需注意施用量和施用時期，過高施用量對土壤結構有破壞作用，抑制作物生長。本研究基于室內(nèi)潮汐模擬控制試驗，研究結果在實際潮汐環(huán)境中的應用效果還需進一步驗證。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：李婷、林梓負責試驗實施和論文撰寫；朱立安負責試驗設計與調(diào)查和數(shù)據(jù)分析；李玫負責數(shù)據(jù)收集與分析；陳粵超、陳玉軍負責試驗設計。