陳藝超,孫保平,張建鋒,宋雙雙,李智勇,陳 串

(北京林業(yè)大學水土保持學院,100083,北京)

中國北方礦區(qū)氣候干旱、少雨,水分是該地區(qū)限制植被重建的主要因子。采礦過程中,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到極大破壞,水土流失加劇,植物難以生長,生態(tài)修復難度加大[1]。紫花苜蓿是我國常見的水土保持植物,抗旱能力強,適應性廣,常作為干旱礦區(qū)植被重建先鋒草種[2]。保水劑是一種具有超高吸水保水能力的高分子聚合物,能吸收自身質(zhì)量幾百倍的水分,其吸收的水分可以緩慢釋放[3],供作物吸收利用,從而改善土壤結(jié)構(gòu),增強土壤保水性能,緩解植物所受水分脅迫[4],增強植物光合強度[5],提高水分利用率[67],延長植物生存期,在干旱地區(qū)應用保水劑能夠有效促進植被恢復,防止水土流失。國內(nèi)外對保水劑開展了諸多研究[89],但主要集中在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)方面[1011],對保水劑在礦山廢棄地植被重建中的應用效果研究不足;因此,研究保水劑對干旱礦區(qū)土壤條件下紫花苜蓿生長的影響具有重要意義。本研究通過盆栽控制實驗,對比不同保水劑施用濃度下的礦區(qū)土壤水分、土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)、紫花苜蓿光合生理指標和生長指標,探討保水劑對礦區(qū)土壤和紫花苜蓿生長狀況的影響,并得出干旱礦區(qū)紫花苜蓿栽植中保水劑的最佳用量,以期為礦區(qū)植被重建中保水劑的應用提供實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2016年5月1日開始在北京林業(yè)大學八家園林苗圃進行。試驗用保水劑為臺灣塑膠工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的“臺麗保AG101”,是一種以高純度丙烯酸為主要原料制成的高吸水性樹脂,其組成成分為交聯(lián)丙烯酸鈉鹽,粒徑分布在150～850 μm之間,質(zhì)量濃度約為650 g/L,純凈水吸水倍率大于300倍。采用盆栽方式栽培,選用多年生紫花苜蓿(Medicago sativa),其抗旱性強、耐貧瘠,水土保持作用顯著。試驗用花盆為盆口直徑21 cm、盆底直徑16 cm、盆高23 cm的有孔塑料花盆。盆栽土壤取自白云鄂博鐵礦石尾礦區(qū),主要以細砂礫為主,其土壤基本理化性質(zhì)如下：顆粒組成為粗砂粒0.9%、細砂粒68.2%、粉砂粒30.9%;有機質(zhì)16.14 g/kg;全氮 0.31 g/kg、全磷3.31 g/kg、全鉀19.09 g/kg;速效氮 30.95 mg/kg、速效磷 3.37 mg/kg、速效鉀41.00 mg/kg。土壤田間持水量采用環(huán)刀法取樣測得為27.43%。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 實驗布設 篩去礦區(qū)土中的雜質(zhì)和石礫,每盆放置礦區(qū)土壤3.33 kg,加入基施肥料并混勻,每盆肥料施用量為尿素0.70 g,過磷酸鈣3.65 g,硫酸鉀1.55 g。保水劑質(zhì)量分數(shù)分別設置為0(CK)、0.15%(A1)、0.30%(A2)、0.45%(A3)、0.60%(A4)及0.90%(A5),共6種,每個處理設3個重復。將花盆上部2/3的土壤與相應用量的保水劑混合,紫花苜蓿種子撒播在該層混合土壤之上,最后覆蓋一層約2 cm厚的土壤并壓實,澆足水,待紫花苜蓿正常生長后,于2016年7月—2016年9月進行干旱脅迫試驗。試驗開始后澆1次透水,之后不再澆水,每天觀察并記錄。

1.2.2 指標測定 采用MPM-160B手持式土壤水分測定儀測定不同脅迫時間的土壤含水率(SRWC);采用Li-6400P光合測定系統(tǒng)(Li-Cor,美國)測定植物的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等生理指標,選用2 cm×3 cm標準葉室進行測量,測定時選擇生長狀況良好、生長狀況盡可能一致的葉片,測量的葉片面積約為5 cm2,選擇晴天10：30―12：00進行測定,自然光照,每個處理3個重復。計算葉片水分利用效率(WUE)。對植物葉片進行隨機取樣,使用分光光度法測定葉片的葉綠素總量。

測定植物的生存期,植株生存期為干旱脅迫開始到植株頂芽枯死的時間;試驗結(jié)束后,采用整株收獲法,于105℃殺青15 min,90℃烘干至恒質(zhì)量,分別稱量植株地上部分和根的干質(zhì)量,計算生物量及根冠比;盆栽土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定,全氮采用凱氏定氮法測定,全磷采用氫氟酸 高氯酸消化 鉬銻抗比色法測定,全鉀采用氫氧化鈉堿熔火焰光度法測定,速效氮、速效磷均采用全自動化學分析儀測定,速效鉀采用乙酸銨浸提 火焰光度法進行測定。土壤水分測定和土壤采集均在含有保水劑的土層。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 測定數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進行方差分析,采用LSD多重比較法進行各處理間差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對紫花苜蓿存活期的影響

觀察統(tǒng)計結(jié)果表明：不同質(zhì)量分數(shù)保水劑的處理隨干旱持續(xù)出現(xiàn)癥狀不同,存在較大差異。對照組出現(xiàn)脅迫癥狀較嚴重且時間較早,A2、A3受脅迫程度較輕。如表1所示,各處理存活時間表現(xiàn)為：A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,處理組較對照組存活時間延長6.16% ～35.05%。經(jīng)方差分析,除 A3外,A2與其余各處理均存在顯著差異。

表1 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對紫花苜蓿存活期的影響Tab.1 Effects of different concentrations of SAP on the survival time of Medicago sativa

2.2 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對土壤含水率的影響

結(jié)果(圖1)表明隨脅迫時間延長,土壤含水率呈下降趨勢。A1、A2、A3及對照組在脅迫開始12 d時,土壤含水率大幅下降,此時A4下降緩慢,A5基本保持平穩(wěn);與脅迫開始時相比,A1、A2、A3及對照組在脅迫開始20 d時土壤含水率下降約50%,隨后下降幅度明顯減小;A4及A5分別在脅迫開始后24 d,32 d時土壤含水率幾乎降至最低。與脅迫開始時相比,各處理在脅迫結(jié)束時土壤含水率下降值依次為：A5(23.20%)＜A4(23.93%)＜A3(24.50%)＜A2(24.73%)＜A1(25.17%)＜CK(25.43%)。與對照相比,添加保水劑的處理土壤含水率提高1.04%～8.78%,可見施用保水劑能夠減少土壤水分的蒸發(fā),保持土壤水分。

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑處理土壤含水率變化Fig.1 Changes of soil moisture content under different concentrations of SAP

2.3 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知：與對照組相比,多數(shù)添加保水劑的處理其有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)發(fā)生明顯下降,下降值為2.45%～10.03%。土壤全氮質(zhì)量分數(shù)高低次序為A2=A3＞A1＞A4＞A5＞CK、全磷A2＞A3＞A1＞A5＞CK＞A4、全鉀A2＞A1＞A3＞A4＞A5＞CK,與對照相比分別提高13.40% ～35.54%、2.61% ～18.93%和8.53%～15.89%。各處理土壤速效氮質(zhì)量分數(shù)高低次序為A3＞A4＞A2＞CK＞A5＞A1,速效磷為A3＞A2＞A1＞A4＞A5＞CK,速效鉀為A4＞A2＞A3＞A5＞A1＞CK,與對照相比分別提高5.88% ～47.02%、17.88% ～101.73%和12.5% ～31.55%。綜合來看,A2、A3及A4處理對土壤速效養(yǎng)分保蓄效果較好。

表2 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對土壤養(yǎng)分的影響Tab.2 Effects of different concentrations of SAPon soil nutrients

2.4 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對紫花苜蓿光合特性的影響

如圖2所示：整個脅迫試驗期間,紫花苜蓿各處理Pn、Tr及Gs對土壤水分趨勢響應規(guī)律相似,隨土壤含水率減小,Pn、Tr及Gs先增大后減小。Pn、Tr及Gs均在脅迫開始12 d左右逐漸下降,A2及A3處理Pn下降幅度較緩,其他處理大幅下降。隨土壤含水率減小,Ci先增大后減小,在脅迫后期,Ci又急劇增大。處理A2、A3分別在脅迫開始28 d、24 d,其他處理在脅迫開始20 d左右Ci值急劇增大。

各處理間 Pn、Tr、Gs、Ci及 WUE 大小關(guān)系均為A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK;其中,A2、A3處理Pn、Tr、Gs均與對照有顯著差異,Ci值A(chǔ)2處理與對照有顯著差異。與對照組相比,添加保水劑的各處理Pn、Tr、Gs、Ci及 WUE 分別增長 8.94% ～ 96.96%、5.64% ～61.12%、14.17% ～135.05%、14.85% ～49.71%和1.08% ～16.48%。干旱脅迫前期,Pn上升速率大于Tr,WUE持續(xù)增大。除A2外,其他各組隨干旱脅迫程度的增強,WUE下降幅度較大,說明干旱脅迫后期Pn下降幅度顯著大于Tr,水分脅迫降低了紫花苜蓿葉片的光合強度,嚴重影響了其正常能量生產(chǎn)和傳遞。A2處理下紫花苜蓿在干旱脅迫后期仍有較高的水分利用效率,與其他各組有顯著差異。

由圖3可知：添加保水劑的處理葉片葉綠素質(zhì)量分數(shù)顯著高于對照組,各處理葉綠素總量整體呈下降趨勢。在脅迫20 d內(nèi),葉綠素質(zhì)量分數(shù)變化較緩;在脅迫20 d起至脅迫結(jié)束,葉綠素質(zhì)量分數(shù)大幅下降。添加保水劑的各處理葉綠素質(zhì)量分數(shù)下降幅度高低表現(xiàn)為A4＞A5＞A1＞A2＞A3,下降幅度分別為 87.97%、87.51%、84.71%、83.96% 和77.86%,對照組下降幅度最大,為88.81%。葉綠素總量大小關(guān)系為A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,添加保水劑各處理較對照組增加9.48%～30.29%。A2與A4、A5和對照組差異顯著(P＜0.05)。

2.5 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對紫花苜蓿生物量、根冠比的影響

試驗結(jié)果(表3)表明,不同處理間生物量、根冠比總體差異顯著,生物量大小表現(xiàn)為：A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,添加保水劑的各處理生物量均高于對照組,較對照組增加17.01% ～61.96%,其中A2與其他各處理差異顯著。除A5以外,其他各組根冠比均與對照有顯著差異,對照組根冠比顯著大于試驗組。

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑處理紫花苜蓿光合氣體交換參數(shù)變化Fig.2 Changes of photosynthetic gas exchange parameter of Medicago sativa under different concentrations of SAP

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑處理紫花苜蓿葉綠素質(zhì)量分數(shù)變化Fig.3 Changes of chlorophyll content of Medicago sativa under different concentrations of SAP

3 結(jié)論和討論

本研究結(jié)果表明,隨干旱時間延長,對照組較早出現(xiàn)脅迫癥狀,添加保水劑時紫花苜蓿存活時間較長,A2、A3處理對其生存期延長效果較為顯著。

施用保水劑可使土壤含水率增加,土壤水分下降速率降低。這是因為施用保水劑后,土壤中毛管孔隙度增加,使得土壤毛管持水量增加,且土壤團聚體含量增加,土壤水分蒸發(fā)減少。相關(guān)研究表明,保水劑能促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成,改善土壤通透性,減少土面蒸發(fā),增加土壤孔隙持水量[12]。與對照相比,添加保水劑的處理中多數(shù)有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降,且土壤中速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)增加,這可能是由于保水劑施用于土壤,在一定程度上能夠改善土壤結(jié)構(gòu)及水熱狀況,使土壤微生物數(shù)量和活性增加,土壤中有機物更易分解礦化,因此有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低。劉世亮等[13]的研究曾得出類似結(jié)論。多數(shù)施用保水劑的處理土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)顯著高于對照組,說明保水劑對土壤養(yǎng)分有較好的保蓄作用,也可能是由于保水劑的施用使得土壤孔隙度增大,根系分泌物增加,促使土壤中緩效養(yǎng)分分解釋放,因而速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)增加[14]。紫花苜蓿是一種固氮植物,對土壤速效氮有較好改良作用[15],保水劑的施用促進了紫花苜蓿生長,同時促進了速效氮的積累。保水劑在土壤中的最終分解產(chǎn)物會釋放出部分氮素,增加土壤中總氮及速效氮質(zhì)量分數(shù),這也是土壤中速效氮質(zhì)量分數(shù)增加的原因之一。添加保水劑的處理全磷、速效磷和全鉀、速效鉀與對照相比均有不同程度的提高,原因可能是保水劑對K+及NO3-具有較強的吸附作用,因此土壤中養(yǎng)分流失量降低[16]。本試驗用土為礦區(qū)廢棄地土壤,其有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高,但速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)較低。試驗證明,添加保水劑能夠改良礦區(qū)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù),有助于植被恢復。

表3 不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對紫花苜蓿生物量和根冠比的影響Tab.3 Effects of different concentrations of SAP on the biomass and root/shoot ratio of Medicago sativa

保水劑對土壤水分、養(yǎng)分的改善顯著表現(xiàn)在植物生理生態(tài)指標方面。試驗表明：加入保水劑的處理較對照組光合作用強度均有不同程度的提高,說明保水劑能夠緩解干旱脅迫對植物的傷害,提高植物光合作用強度,其中A2各項指標均高于其他處理。有研究表明,干旱脅迫會導致葉片氣孔關(guān)閉,嚴重時甚至損傷葉肉細胞、降低光合酶的活性,使植物光合速率降低[17]。另有研究表明：Pn的降低有氣孔限制和非氣孔限制兩方面因素,當Pn和Ci變化方向相同,兩者同時減小,Pn下降主要是由氣孔限制引起,否則Pn的下降要歸因于葉肉細胞羧化能力降低[18]。本次實驗結(jié)果表明：干旱脅迫后期,紫花苜蓿胞間CO2濃度與凈光合速率變化趨勢相反,Ci值隨干旱脅迫時間延長而增大,這說明重度干旱脅迫下凈光合速率降低主要是由葉肉細胞光合活性下降引起的,非氣孔限制起主要作用,此時紫花苜蓿發(fā)生了光合作用由氣孔限制向非氣孔限制的機制轉(zhuǎn)變。且A2、A3處理發(fā)生機制轉(zhuǎn)變的時間晚于其他處理,說明該濃度保水劑處理能夠緩解干旱脅迫對葉肉細胞造成的傷害,實驗結(jié)論與前人的研究結(jié)論一致[5,19]。干旱會對植物葉綠體造成傷害,不僅影響葉綠素合成,而且導致已形成的葉綠素分解加速,造成葉片中葉綠素質(zhì)量分數(shù)降低[20]。試驗結(jié)果表明,添加保水劑處理的葉綠素總量整體高于對照組,說明保水劑能減少葉綠素在干旱脅迫條件下的破壞與分解,有利于光合作用進行,其中A2處理效果較好,與植物光合氣體交換參數(shù)結(jié)論一致。保水劑對植物光合強度及葉綠素質(zhì)量分數(shù)均有提高,可能是由于保水劑對土壤水分、養(yǎng)分含量有所改善,從而間接提高了植物的生理活動強度。試驗各處理根冠比均低于對照,說明土壤含水率較低時會刺激根冠生長,以擴大根系吸收面積,有利于植物吸收土壤中的水分及營養(yǎng)物質(zhì)。這與楊永輝等[21]和林武星等[22]的研究結(jié)果一致。紫花苜蓿光合指標及生物量最優(yōu)處理與土壤養(yǎng)分基本一致,進一步說明保水劑對土壤養(yǎng)分的改善有利于植物生長,且對土壤養(yǎng)分與生長狀況的改善是同步的。

本研究發(fā)現(xiàn)：施用保水劑能夠改良土壤,使紫花苜蓿生理、生長指標增強;但并非施加保水劑濃度越大,效果越好,這可能是由于保水劑濃度過高會影響土壤結(jié)構(gòu),造成土壤板結(jié),水分分配能力下降,植物不能有效利用水分,從而使其生長受阻,這與前人研究結(jié)果一致[23]。

4 結(jié)論

1)綜合不同質(zhì)量分數(shù)保水劑對于各指標的施用效果及經(jīng)濟因素,建議在礦區(qū)廢棄地紫花苜蓿種植中施用保水劑質(zhì)量分數(shù)為0.30%～0.45%。保水劑的施用能夠延長紫花苜蓿的存活時間,存活時間最大值出現(xiàn)在A2、A3處理,最優(yōu)處理比對照延長14.29% ～35.05%。

2)保水劑的施用能夠有效改善土壤水分、養(yǎng)分狀況。添加保水劑的處理土壤含水率增加,土壤水分下降速率降低,土壤含水率隨保水劑質(zhì)量分數(shù)增大而增加。保水劑的施用能夠有效保蓄土壤養(yǎng)分,土壤全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分數(shù)最大值出現(xiàn)在A2處理,與對照相比分別增加35.54%、18.93%和15.89%;土壤速效氮及速效磷質(zhì)量分數(shù)最大值出現(xiàn)在A3處理,與對照相比分別增加47.02%和101.73%;土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù)最大值出現(xiàn)在A4處理,與對照相比增加28.57%。綜合來看,A2、A3、A4處理對土壤養(yǎng)分改善效果較好,且保水劑對速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)改善效果比全效養(yǎng)分更好。

3)紫花苜蓿凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、水分利用效率及葉綠素質(zhì)量分數(shù)最大值均出現(xiàn)在A2處理,分別比對照增加96.96% 、61.12% 、135.05% 、49.71% 、16.48% 和30.29%,隨保水劑質(zhì)量分數(shù)增大各指標值減小,但仍大于對照組。保水劑的施用能夠使紫花苜蓿生物量增加,根冠比減小。生物量最大值出現(xiàn)在A2處理,較對照增加61.96%,隨保水劑質(zhì)量分數(shù)增大而減小。保水劑通過影響土壤水分、養(yǎng)分狀況間接改善植物的生理生態(tài)狀況,緩解干旱脅迫對葉肉細胞造成的傷害,提高紫花苜蓿的光合作用強度和水分利用效率,減少葉綠素破壞分解,從而減輕水分脅迫對植物生長的影響。