劉京 馬潔怡 張金池 馬仕林 王宇浩 聶暉 曹鵬翔

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)(江蘇鹽城大豐林場(chǎng))

土壤鹽堿化作為世界性土壤退化問(wèn)題，在我國(guó)北方干旱半干旱及濱海平原地區(qū)尤為嚴(yán)重[1]。江蘇省海岸線長(zhǎng)達(dá)954 km，沿海灘涂以1 300 hm2/a的速率淤漲[2]，這些灘涂(鹽堿土)作為土地的后備資源，合理改良和利用沿海鹽堿土對(duì)農(nóng)林生態(tài)的發(fā)展具有重要作用。由于鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)較差、營(yíng)養(yǎng)匱乏，利用效率低。隨著高濃度離子向土壤表層聚集，土壤理化性質(zhì)改變，植物受到鹽堿滲透脅迫、離子毒害和氧化脅迫，進(jìn)而造成植物生理干旱及代謝紊亂，導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)不良甚至死亡[3]。目前鹽堿土改良措施主要集中在水利、農(nóng)技、化學(xué)和生物等領(lǐng)域[4]，因此通過(guò)生物技術(shù)措施改良濱海鹽堿地，實(shí)現(xiàn)土地資源的充分利用具有重要意義[5]。

薄殼山核桃(Caryaillinoinensis)作為材果兩用樹(shù)種[6]，兼具經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值，提高其在鹽堿地中的生產(chǎn)力成為蘇北海防林建設(shè)新的切入點(diǎn)。秸稈和生物炭作為天然有機(jī)改良物料，提供的有機(jī)碳源及各種元素在保障苗木養(yǎng)分需求的同時(shí)，能夠改善養(yǎng)分循環(huán)，提高植物的光合效率，促進(jìn)植物干物質(zhì)合成[7]；同時(shí)秸稈隔離層能阻止地下水中鹽分隨毛管水上行[8]，降低植物根際土壤含鹽量。而生物炭的多孔結(jié)構(gòu)能吸附鹽分，加快土壤脫鹽速率[9]，提高土壤的通氣透水性[10]和保持活化養(yǎng)分的作用[11]，為植物根系發(fā)育提供生長(zhǎng)空間和調(diào)控土壤微生態(tài)[12]。此外，接種叢枝菌根真菌(AMF)作為生物改良土壤的措施，被證明可以直接影響植物的生理生化代謝過(guò)程，有效緩解鹽脅迫對(duì)植物的傷害[13-14]，因此，叢枝菌根真菌和宿主植物的有機(jī)結(jié)合將有助于濱海鹽堿地的生態(tài)修復(fù)?，F(xiàn)有研究多通過(guò)盆栽試驗(yàn)探究生物炭、秸稈、AMF對(duì)土壤和植物的改良效用[15-16]，缺乏協(xié)同效應(yīng)及田間試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究以薄殼山核桃為試驗(yàn)對(duì)象，探究不同土壤改良措施對(duì)薄殼山核桃葉片生理生化指標(biāo)的影響，為蘇北地區(qū)鹽堿地改土措施的選擇與提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試地點(diǎn)

研究區(qū)位于江蘇省東南部，長(zhǎng)江三角洲北翼的大豐區(qū)(32°56′～33°36′N(xiāo)，120°13′～120°56′E)。區(qū)域氣候?yàn)楸眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬季溫暖，夏季濕熱，四季相對(duì)分明。該區(qū)年均氣溫14.5 ℃，年均降水量1 042.2 mm，無(wú)霜期230 d。土壤為典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸鹽漬土，含有大量的可溶性鹽。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料包括生物碳、秸稈和菌劑。生物炭選用熱解和碳化成的粉末狀稻殼炭，秸稈由大豐林場(chǎng)提供，摩西斗管囊霉(Glomusmosseae)菌劑(AM)由北京農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所提供。對(duì)黃沙基質(zhì)高溫(121 ℃)高壓(140 kPa)滅菌2 h，利用玉米和三葉草在黃沙基質(zhì)上繁殖AM菌株，3個(gè)月后得到孢子混合物(包括感染的根碎片、菌絲和沙子)作為接種菌劑。

在江蘇省鹽城大豐林場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，設(shè)置5個(gè)土壤改良措施分別為：添加生物炭、添加生物炭和菌根真菌菌劑、添加秸稈和菌根真菌菌劑、添加秸稈、添加菌根真菌菌劑。各處理分別為：對(duì)照(CK)、添加生物炭(BC)、添加生物炭和菌根真菌菌劑(BC_AM)、添加秸稈和菌根真菌菌劑(ST_AM)、添加秸稈(ST)、添加菌根真菌菌劑(AM)。每種處理18棵，共計(jì)108棵。薄殼山核桃在2018年春季播種，生物炭與土壤充分混勻施于苗木周?chē)?，秸稈置于地表下主根區(qū)40 cm處，以抑制鹽分上移；菌劑施于苗木根際，生物炭、秸稈、菌劑混合物每棵苗木施加量均為0.5 kg。

1.3 樣品采集和指標(biāo)測(cè)定

分別于2018年7月(一期)、2019年10月(二期)進(jìn)行野外調(diào)查采樣，每種處理樣地隨機(jī)選取健康狀況良好、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的薄殼山核桃3棵作為重復(fù)，采集健康無(wú)病蟲(chóng)害的成熟功能葉葉片和根放入自封袋并標(biāo)記樣品編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室，用于各相關(guān)生理指標(biāo)的測(cè)定。用游標(biāo)卡尺和卷尺測(cè)定幼苗的地徑和苗高，并計(jì)算苗高和地徑的生長(zhǎng)速率。

葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用分光光度法[17]測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法[18]，過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[18]，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性的測(cè)定采用過(guò)氧化氫法[19]，丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[18]?？扇苄蕴?SS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用蒽酮比色法測(cè)定[19]，可溶性蛋白(SP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法測(cè)定[20]，根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測(cè)定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016整理數(shù)據(jù)，SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)通過(guò)單因素方差分析，樣本間的差異顯著性用Duncan法檢驗(yàn)，并分析葉片抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及根系活力與苗木生長(zhǎng)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤改良措施對(duì)薄殼山核桃生長(zhǎng)的影響

由表1可知，在ST_AM和BC_AM兩種處理下，薄殼山核桃的苗高增長(zhǎng)率顯著高于CK(P<0.05)，幅度分別為70.11%、38.60%。其中，ST_AM處理的植株苗高增長(zhǎng)率顯著高于ST、AM處理(P<0.05)，幅度分別為45.51%、67.26%；BC_AM處理的植株苗高增長(zhǎng)率顯著高于BC、AM處理(P<0.05)，幅度分別為28.10%、36.27%。5種土壤改良處理下的薄殼山核桃地徑增長(zhǎng)率均顯著高于CK(P<0.05)。其中，ST_AM處理與ST、AM處理相比，ST_AM處理的植株地徑增長(zhǎng)率升高了20.55%、41.76%(P<0.05)；BC_AM處理與AM處理相比，BC_AM處理植株的地徑增長(zhǎng)率提高了24.33%(P<0.05)；但BC_AM與BC處理間地徑增長(zhǎng)率差異不顯著(P>0.05)。此外，ST_AM處理下的薄殼山核桃苗高及地徑增長(zhǎng)率顯著高于其他各處理(P<0.05)，與其他4種處理相比，AM處理對(duì)植株苗高和地徑增長(zhǎng)率的影響較小。

表1 薄殼山核桃生長(zhǎng)指標(biāo)

2.2 土壤改良措施對(duì)薄殼山核桃葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表2可知，一期各處理的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大；二期各處理與CK間差異變大。二期與一期相比，除ST_AM處理外，二期薄殼山核桃葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于一期；ST_AM、BC_AM、ST、BC處理的葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于CK(P<0.05)，幅度分別為153.40%、82.98%、68.93%和16.13%，ST_AM處理對(duì)薄殼山核桃葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升幅度最為顯著(P<0.05)。其中，兩種混合處理措施對(duì)薄殼山核桃葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響顯著高于BC、ST和AM處理(P<0.05)。ST_AM處理的植株葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比ST、AM處理分別升高了50.00%、118.20%；BC_AM處理，植株葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比BC、AM處理分別升高了43.75%、57.56%，且差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤改良措施對(duì)薄殼山核桃抗氧化系統(tǒng)的影響

由表3可知，改良一期各改土措施葉片過(guò)氧化物酶(POD)活性比CK處理有顯著提升(P<0.05)，除AM處理外，其余4種處理的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性顯著升高(P<0.05)。二期各改良處理下植株葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化物酶(POD)活性均顯著高于CK(P<0.05)，二期葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化比一期更顯著(P<0.05)。ST_AM、BC_AM處理，植株葉片過(guò)氧化氫酶(CAT)活性顯著高于CK(P<0.05)，分別上升了184.48%、120.31%。ST_AM處理，薄殼山核桃葉片各抗氧化酶活性顯著高于ST、AM處理(P<0.05)。葉片丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和抗氧化酶活性對(duì)土壤改良措施表現(xiàn)出相反的效應(yīng)，二期BC_AM、ST_AM、BC、ST、AM處理，薄殼山核桃葉片丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于CK(P<0.05)，幅度分別為65.90%、53.40%、39.73%、28.92%、17.97%。其中，ST_AM處理的薄殼山核桃葉片丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于ST、AM處理；BC_AM處理的薄殼山核桃葉片丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于BC、AM處理，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。5種改良措施中，ST_AM處理對(duì)薄殼山核桃葉片抗氧化酶活性的影響最為顯著(P<0.05)；BC_AM處理對(duì)植株葉片丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響最為顯著(P<0.05)。

表2 不同土壤改良措施的薄殼山核桃葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 不同土壤改良措施的薄殼山核桃葉片抗氧化酶活性及葉片丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.4 土壤改良措施對(duì)薄殼山核桃滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

由表4可知，一期薄殼山核桃葉片可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著性差異(P>0.05)；二期葉片可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比一期均有顯著提升(P<0.05)。二期除AM處理外，其余土壤改良措施的薄殼山核桃葉片可溶性蛋白一期均顯著高于CK處理(P<0.05)；各處理間葉片可溶性糖一期無(wú)顯著差異(P>0.05)。ST_AM處理的植株葉片可溶性蛋白二期比一期提升幅度最大，顯著高于ST、AM處理(P<0.05)，幅度分別為18.43%、92.30%，BC_AM處理的植株葉片可溶性蛋白一期顯著高于BC、AM處理(P<0.05)，幅度分別為29.95%、77.99%。

表4 不同土壤改良措施的薄殼山核桃葉片可溶性糖、可溶性蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.5 土壤改良措施對(duì)薄殼山核桃根系活力的影響

由表5可知，一期薄殼山核桃根系活力無(wú)顯著變化(P<0.05)。二期與一期相比，除ST處理外，各處理根系活力均顯著提升(P<0.05)。二期ST_AM、BC_AM、AM處理的根系活力顯著高于CK處理(P<0.05)，幅度分別為64.26%、30.79%、40.86%。ST_AM處理顯著高于ST、AM處理(P<0.05)，幅度分別為45.20%、16.61%。

表5 不同土壤改良措施對(duì)薄殼山核桃根系活力的影響

2.6 不同土壤改良措施下各生理生化指標(biāo)對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響

由表6可知，苗木生長(zhǎng)指標(biāo)(苗高、地徑)與葉片抗氧化酶(超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性糖、可溶性蛋白)呈明顯正相關(guān)關(guān)系，與丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表6 葉片抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和根系活力對(duì)薄殼山核桃生長(zhǎng)的影響

3 討論

鹽脅迫對(duì)植物最直觀的干擾就是抑制生長(zhǎng)，通常會(huì)表現(xiàn)為植株矮小、生長(zhǎng)停滯、產(chǎn)量降低等[21]。文冠果遭受鹽脅迫時(shí)，幼苗存活率、株高和基徑、不同部位生物量均顯著降低[22]，銀杏幼樹(shù)也有類(lèi)似的研究結(jié)果[23]。主要原因一是土壤中過(guò)高的鹽含量造成的滲透壓威脅植物新陳代謝；二是土壤中高濃度離子的離子毒害作用[24]。土壤改良后薄殼山核桃的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)與CK相比顯著提高(P<0.05)，說(shuō)明改良措施緩解了薄殼山核桃受到的鹽脅迫傷害。

菌劑能提高宿主植物的耐鹽性，降低鹽害指數(shù)[25]。本研究以苗高、地徑增長(zhǎng)率為生長(zhǎng)指標(biāo)，5組處理均能顯著增加薄殼山核桃地徑，BC_AM和ST_AM處理顯著增加植株苗高。菌劑改良效果較為明顯的指標(biāo)是根系活力，施用菌劑的三組處理的薄殼山核桃根系活力均顯著高于CK(P<0.05)。根系是最早感知鹽脅迫信號(hào)并做出應(yīng)激反應(yīng)的器官，較高的根系活力是耐鹽植物抵御鹽脅迫的重要因素[26]。菌劑能夠改變根系中可溶性糖、丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，調(diào)節(jié)根系滲透壓，緩解生理性缺水，通過(guò)宿主植物根系菌絲的生長(zhǎng)擴(kuò)大吸水吸肥范圍，維持根際微水勢(shì)梯度[27]。

施用秸稈和生物炭等含碳物料可以改善濱海鹽土的物理性狀，同時(shí)活化土壤或植物殘?jiān)械乃傩юB(yǎng)分，對(duì)鹽堿土的改良利用及作物生長(zhǎng)有積極的影響[28]。本研究中，施用秸稈、生物炭均能促進(jìn)薄殼山核桃葉片葉綠素的積累，增強(qiáng)了薄殼山核桃在鹽堿環(huán)境中的生存競(jìng)爭(zhēng)力。秸稈改良葉綠素效果顯著，因?yàn)榻斩捴羞m量養(yǎng)分更利于植株生長(zhǎng)，加快了根系部位細(xì)胞分裂素的合成[29]，從而提高葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。本研究中，二期葉綠素有整體下降的趨勢(shì)，原因是取樣季節(jié)的影響導(dǎo)致葉片光合酶活性受水分虧缺的影響而下降，光合器官活性下降，降低了光合速率[30]。

抗氧化能力是植物抗逆性的關(guān)鍵要素，抗氧化能力與脂質(zhì)過(guò)氧化作用對(duì)環(huán)境脅迫下植物生長(zhǎng)和生理功能具有重要影響[31]。本研究表明，5組處理均能降低丙二醛(MDA)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性以及可溶性糖、可溶性蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中ST_AM對(duì)抗氧化系統(tǒng)改良效果最優(yōu)，BC_AM處理減輕膜脂過(guò)氧化損傷的效果更好?？扇苄蕴呛涂扇苄缘鞍自谀婢持心芡ㄟ^(guò)保持細(xì)胞膨壓提高保水能力，緩解因鹽離子大量進(jìn)入細(xì)胞和植株失水帶來(lái)的傷害及次生傷害，可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)與植物的耐鹽性呈正相關(guān)[32]，但逆境脅迫下蛋白質(zhì)合成受到抑制并誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的降解，使可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低[33]。本試驗(yàn)中，二期可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)比一期均有顯著提升，二期除AM處理外，各處理的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于CK。說(shuō)明在研究樣地條件下施用土壤改良措施后，植物葉片可溶性蛋白應(yīng)對(duì)鹽脅迫的調(diào)節(jié)能力更大，原因是可溶性糖作為能源物質(zhì)能提供合成新蛋白質(zhì)所需碳架。

秸稈還田后在腐熟過(guò)程中產(chǎn)生如多糖、蛋白質(zhì)等碳水化合物，從而加強(qiáng)土壤微生物活性[34]，顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)提高叢枝菌根真菌的豐富度[35]。叢枝菌根真菌的生長(zhǎng)也能促進(jìn)麥稈還田土壤中蛋白酶、脲酶等與土壤碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的胞外酶的分泌[36]和根際微生物的繁殖、定殖和代謝活性，加快植物根系周?chē)嫉袡C(jī)化合物的水解與轉(zhuǎn)化，提高秸稈中氮素的釋放[7]，而秸稈降解能為提供更多的養(yǎng)分。因此，本研究中秸稈與菌劑混施對(duì)土壤的改良效果優(yōu)于單一措施。生物炭能提高土壤中叢枝菌根真菌的侵染率[37]，兩者能協(xié)同調(diào)節(jié)土壤微生物與硝化、反硝化相關(guān)的基因[38]，影響土壤氮循環(huán)。生物炭還能通過(guò)調(diào)控根系形態(tài)和植株含磷量來(lái)促進(jìn)植株對(duì)磷的吸收[39]。生物炭促進(jìn)根際有益菌定殖能力[40]，而且與微生物菌劑結(jié)合后能增大土壤活性區(qū)域和土壤水中的氧濃度[41]，因此，生物炭與菌劑交互作用顯著提高植物的光合特性。

綜上所述，5種土壤改良措施施用后，植物通過(guò)調(diào)節(jié)自身抗氧化和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)有效降低葉片膜質(zhì)過(guò)氧化程度，從而延緩葉片衰老進(jìn)程并提高根系活力。其中，ST_AM措施比BC_AM措施對(duì)植物生長(zhǎng)的影響更顯著，這是由于秸稈鋪設(shè)形成了隔離層，不僅改變了原有土壤性質(zhì)，而且很好地起到了持水壓堿的作用，為薄殼山核桃的生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利的土壤環(huán)境。

4 結(jié)論

5種土壤改良措施均可以通過(guò)改善抗氧化和滲透調(diào)節(jié)等生理代謝過(guò)程，緩解鹽脅迫對(duì)植物的傷害。菌劑土壤改良措施對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和緩解鹽脅迫作用較差，而菌劑與有機(jī)物料的結(jié)合展現(xiàn)出優(yōu)秀的協(xié)同效應(yīng)和改良效果，為蘇北濱海鹽堿地土壤改良首選措施。