保水剂对煤矸石基质上高羊茅生长及营养吸收的影响

赵陟峰, 王冬梅,赵廷宁

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

保水剂对煤矸石基质上高羊茅生长及营养吸收的影响

赵陟峰, 王冬梅*,赵廷宁

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

为探索保水剂对煤矸石废弃地上高羊茅生长及营养特征的影响，按煤矸石与土壤质量比设3种基质梯度，每种基质分别添加3种质量的保水剂，设对照(CK)，共10种处理。观测和分析不同处理下高羊茅的生长高度、生物量、营养特征及SPAD值(相对叶绿素含量)，结果显示：保水剂主要影响高羊茅地上部分的生物量，而煤矸石与土壤的质量比主要影响地下部分的生物量；煤矸石与土壤质量比相同条件下，添加1 g/kg的保水剂即可促进高羊茅的生长，添加2 g/kg保水剂能使高羊茅尽快适应基质环境，使其日均生长率在出苗后第2周达到峰值。煤矸石基质中添加保水剂能促使高羊茅将煤矸石基质中的营养元素从植株地下部分向地上部分转移，供植株生长需要，基质中添加1 g/kg保水剂时高羊茅对磷的吸收效果最好。此外，添加保水剂能使叶片的SPAD值增加。综合比较不同处理下高羊茅的株高、生物量、营养特征及叶片的SPAD值认为，处理6(煤矸石与土壤质量比为750∶250、基质中添加2 g保水剂)与处理8(煤矸石与土壤质量比为500∶500、基质中添加1 g保水剂)是适合煤矸石废弃地上高羊茅生长的较好配比。

保水剂; 煤矸石基质; 生物量; 营养特征; SPAD值

煤矸石是煤矿生产过程中产生的废渣[1]，产生量一般占原煤的10%—20%[2]。据有关部门统计，我国累计堆放的煤矸石总量约为45亿t，年排出量约为3亿t。巨量煤矸石自然堆放，既浪费资源，又占压大量土地，还会导致社会问题和环境问题。煤矸石废弃地作为一种特殊的采矿废弃地类型，物理结构不良、高温、高地热、持水保肥能力极差[3- 4]，直接在煤矸石山上进行植物栽植很难成活，即使成活也难以养护管理，因此煤矸石山的植被恢复工程必须进行基质改良，通过基质改良最终使得煤矸石山能够满足植物生长的需要[5]。保水剂(SAP)是一类高分子吸水树脂，属高分子聚合物。其吸持和释放水分的胀缩性，可使周围土壤变疏松，从而在一定程度上改善土壤结构；保水剂吸存大量水，具有一定的保温作用，减少了土壤环境温度的变化。保水剂的施用还能减缓土壤释放水的速度[6]，在很大程度上抑制水分蒸发，具有抗旱保墒[7]、改良土壤、水土保持[8]等多项功能。自20世纪80年代初美国农业部北部研究中心最先开发应用以来，保水剂因其特殊的化学成分、物理结构和吸水性能，在农田抗旱保水[9]、作物保苗增产[10- 13]等方面取得了良好的效果。目前，在部分煤矸石山废弃地植被建设中也已采用保水剂[14]，并取得了一定的成果。但保水剂用量过低，起不到应有的作用；而用量过高时，又严重影响土壤通透性，造成根系呼吸困难甚至导致根系腐烂[15]。本研究在煤矸石碎屑中添加不同比例的土壤，得到不同的基质，并在基质中添加不同质量的保水剂。通过观测不同基质和添加不同保水剂条件下高羊茅的生长状况和养分含量等，分析不同处理对煤矸石基质改良和对高羊茅生长的影响，以期找出煤矸石废弃地植被恢复中添加保水剂的合理用量，为保水剂在煤矸石废弃地植被恢复中的应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试草种为高羊茅(FestucaarundinaceaL.)，高羊茅是禾本科羊茅属多年生草本植物。一般养护管理较粗放，是常见冷季型栽植草皮草中抗热、耐旱性最强的草种[16]，因而被广泛应用于植被护坡、园林绿化、水土保持等诸多领域。保水剂是由北京汉力淼新技术有限公司提供的聚丙烯酰胺-丙烯酸型高吸水性树脂。供试煤矸石取自北京市门头沟区上辛房，煤矸石碎屑最大粒径为3 cm，粒径小于0.2 cm的占总体积比的45.50%。煤矸石的pH值为8.82，全氮含量0.17%，有机质含量15.92%，速效磷含量3.53 mg/kg，速效钾含量78.29 mg/kg。供试土壤取自北京林业大学苗圃地30—40 cm厚的土层，土壤类型为褐土，pH值8.05，全氮含量0.15%，有机质含量1.31%，速效磷含量48.68 mg/kg，速效钾含量195.11 mg/kg。实验以装土1 kg的塑料花盆为培养容器，在北林科技温室中进行。

1.2 实验设计

本实验采用盆栽法进行。实验按煤矸石与土壤质量比设3种基质梯度，分别是A1(1000∶0)、A2(750∶250)、A3(500∶500)；同种基质条件下分别添加3种不同质量的保水剂，分别为B1(不添加)、B2(添加1 g)、B3(添加2 g)；设对照(CK)试验做对比，对照处理中煤矸石与土壤质量比为0∶1000，不添加保水剂(表1)。本实验共10种处理，每种处理设3个重复，生长期试验共9周。播种的前一天将高羊茅种子用10%H2O2浸泡10 min进行表面消毒，然后用蒸馏水冲洗干净置于湿润的滤纸上，在25 ℃恒温培养箱催芽，种子露白即可播种，播后用基质覆盖，覆盖厚度1—2 cm。为了保证植物生长期间不受缺N、K营养的胁迫，播种前以溶液的形式向培养基质中添加适量的底肥(在种植植物前将NH4NO3、KH2PO4和K2SO4按N 100 mg/kg，P 30 mg/kg，K 15 mg/kg的用量均匀混入土壤中)，加入肥料后混合均匀，平衡1周。

表1 试验分组

1.3 指标测定

苗高测定 不同处理盆钵内各选幼苗5株，用钢卷尺定期测定苗高并计算日均生长率、净生长高度等。从出苗第2周开始观测生长高度，作为背景值。其中：日均生长率(cm/d)=幼苗净生长高度/处理日数；净生长高度(cm)=后一次测量幼苗绝对生长高度-前一次测量幼苗绝对生长高度。

生物量的测定 采用烘干法。实验测定结束后，将获取的植物从根颈处截断，分成地上部分和地下部分，称量鲜重，然后放在烘箱中烘至恒重，用分析天平称量，分别计算地下和地上生物量。

SPAD值(相对叶绿素含量)的测定 SPAD值也称绿色度，是一个相对叶绿素含量读数。SPAD-502叶绿素仪可在几秒钟内测量植物叶片单位面积叶片当前叶绿素的相对含量，即SPAD 值。选择天气晴朗的时间，利用SPAD- 502型便携式叶绿素仪测定高羊茅叶片的SPAD值，每个叶片重复测定3次，记载并计算其平均值[17]。

植株中营养元素的测定 植株中养分测定指标包括硝态氮、磷元素、钾元素，采用常规分析法测定用[18]。

1.4 数据处理

用Microsoft-Excel进行数据的处理和图表的制作，LSD多重比较法分析各处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理下高羊茅的生长高度与生物量

2.1.1 不同处理对高羊茅生长高度的影响

图1是不同处理下高羊茅生长高度的变化曲线，由图可知，各处理下高羊茅生长高度的变化呈现一定的规律性，即前3周生长迅速，生长高度变化较快，此后生长速度变慢，高生长曲线较平缓。不同处理比较，当基质中煤矸石与土壤质量比不同时，土壤所占的比例越大，高羊茅的生长高度越高；即3种基质梯度下高羊茅的生长高度为，A3(煤矸石与土壤质量比500∶500)gt;A2(煤矸石与土壤质量比750：250)gt;A1(煤矸石与土壤质量比1000∶0)。基质中添加保水剂后持水能力增强，植株可利用的水分增多，而水分充足有利于植株吸收养分，从而促进植株生长[19]。煤矸石与土壤质量比相同条件下，基质中添加保水剂处理的高羊茅的生长高度大于基质中未添加保水剂的生长高度，但基质中添加1g保水剂(B2)时高羊茅的生长高度大于基质中添加2g保水剂(B3)的生长高度。可见，基质中添加适量的保水剂即可促进高羊茅的生长。处理6(A2B3)的最高生长高度可达28.74 cm，比对照提高10.32%，处理8(A3B2)最高生长高度也比对照提高9.64%。

2.1.2 不同处理下高羊茅生长率的变化

以出苗后首次观测的生长高度作为背景值，计算不同处理下高羊茅的日均生长率。高羊茅日均生长率的变化如图2所示，各处理下高羊茅的日均生长率均为出苗初期较大，日均生长率在出苗2—3周时达到最大，此后生长率逐渐下降趋于平稳。各处理中最大日均生长率可达0.83 cm/d(处理6)，处理3、6和9的日均生长率在出苗后第2周达到峰值，而其余处理日均生长率峰值延迟1周出现，这是基质中添加2 g/kg保水剂对基质结构改良的结果，可见按照2 g/kg的比例在煤矸石基质中添加保水剂可以使高羊茅尽快适应基质环境。高羊茅出苗第3周以后生长率下降是因为，经过前3周的生长，基质中的底肥已大多被植株吸收利用，基质中养分含量逐渐降低，植株生长率下降。各处理下高羊茅的日均生长率在出苗后第6周出现小高峰(图2)，这是保水剂将吸附的水分和养分缓慢释放出来，供植物生长需要的结果。

图1 高羊茅生长高度变化曲线Fig.1 Height growth curve of Festuca arundinacea L.

图2 高羊茅日均生长率Fig.2 Average daily growth rate of Festuca arundinacea L.

2.1.3 不同处理对高羊茅生物量的影响

不同处理下高羊茅植株单株的地上部分鲜重、地下部分鲜重、地上部分干重和地下部分干重如下表(表2)。高羊茅单株地上部分鲜重在0.404—0.533 g/株之间，地下部分鲜重在0.222—0.282 g/株之间。基质中添加保水剂促进了植株生长，使植株的鲜重、干重增加[20]，本实验各处理下高羊茅单株总鲜重排序为处理8(A3B2)gt;处理9(A3B3)gt;处理6(A2B3)gt;处理5(A2B2)gt;对照(CK)gt;处理7(A3B1)gt;处理4(A2B1)gt;处理3(A1B3)gt;处理2(A1B2)gt;处理1(A1B1)。煤矸石与土壤质量比相同条件下，高羊茅单株地上部分干重和单株总干重均为添加2 g保水剂(B3)gt;添加1g保水剂(B2)gt;不添加保水剂(B1)，而高羊茅单株地下部分干重表现为基质中土壤所占的比例越大，高羊茅单株地下部分干重越小。可见保水剂对高羊茅生物量的影响主要体现在地上部分，而高羊茅地下部分生物量主要受基质中煤矸石与土壤质量比的影响。

2.2 不同处理对高羊茅植株营养特征的影响

2.2.1 不同处理下高羊茅植株的氮含量

N是蛋白质、核酸、磷脂的主要成分，而这三者又是原生质、细胞核和生物膜的重要组成部分[21]，还是酶的主要成分之一，它们在生命活动中占有特殊作用。图3是不同处理下高羊茅植株地上和地下部分的N含量。从图3可看出处理1—6高羊茅植株地上部分的N含量高于地下部分，处理7、8、9及对照高羊茅植株地上部分的N含量低于地下部分，这说明当基质中土壤比例较低时，保水剂能促使高羊茅将煤矸石基质中的N吸收、运输、储存到植株的地上部分，供植株生长需要。这是因为保水剂通过创建和稳定基质中的水稳性团粒结构来吸附和保持养分元素、抑制营养元素的流失[22]，这些被吸附的氮养分离子在一定的条件下可以缓慢释放出来供作物使用[23]，提高养分的利用率。除对照外，处理1—9高羊茅植株地下部分的N含量呈现出依次增高的规律，这说明当基质中土壤比例较高时，高羊茅会首先将N蓄积在植株的地下部分，等生长需要时再将N营养从植株地下部分向地上部分转移，体现了高羊茅对N的富集作用。各处理下高羊茅植株(地上部分和地下部分)中N含量从高到低依次为：处理9(A3B3)gt;处理6(A2B3)gt;处理5(A2B2)gt;处理8(A3B2)gt;对照(CK)gt;处理4(A2B1)gt;处理7(A3B1)gt;处理3(A1B3)gt;处理2(A1B2)gt;处理1(A1B1)。

表2 不同处理下高羊茅单株的生物量

图3 植株氮含量Fig.3 Plant nitrogen content

图4 植株磷含量Fig.4 Plant phosphorus content

2.2.2 不同处理下高羊茅植株的磷含量

P元素作为植物生长必不可少的大量元素，在能量转换、呼吸作用和光合作用中都起关键性作用。磷主要以有机磷如核酸、磷脂、植素等的形态存在于植物组织中[24]，本实验不同处理下高羊茅植株地上部分和地下部分的P含量见图4，由图可知羊茅植株地上部分的P含量在80.95—167.05 mg/kg范围内变化，地下部分的P含量在31.04—78.51 mg/kg之间。除对照外，当煤矸石与土壤质量比相同条件时，基质中添加保水剂处理的高羊茅植株地上部分和地下部分的P含量均大于基质中未添加保水剂的P含量，可见，基质中添加保水剂能促进高羊茅对P的吸收。因为保水剂可以看作高分子电解质组成的离子和水的构成物，它的网孔可以机械的吸收养分离子、分子及微粒，它的分子表面或断链处羧基的负电荷也可以吸附基质中的养分分子[25]，供植物生长需要。但基质中添加1 g保水剂(B2)时高羊茅植株的P含量高于基质中添加2 g保水剂(B3)的P含量，即B2(添加1 g保水剂)gt;B3(添加2 g保水剂)gt;B1(不添加保水剂)。这说明添加1 g/kg的保水剂时对基质中P养分的吸附和解吸能力最佳，此时高羊茅对P的吸收效果最好。

2.2.3 不同处理下高羊茅植株的钾含量

图5 植株钾含量Fig.5 Plant potassium content

K是植物体内多种酶的活化剂，在植物碳水化合物代谢、呼吸作用及蛋白质代谢中起重要作用[26]。施加保水剂可以起到保肥和缓解肥效的双重作用，图5是不同处理下高羊茅植株地上部分和地下部分的K含量，K在高羊茅地上和地下部分的含量差异很大，其中对照处理的高羊茅地上部分K含量是地下部分的6.9倍；而处理1—9中，高羊茅地上部分K含量是地下部分的8.3倍—9.8倍。可见，施加保水剂有利用高羊茅将煤矸石基质中的K吸收固定并缓慢释放转移到植株的地上部分，供生长需要。添加保水剂基质中不仅存在土壤的化学固定和晶穴固定作用，而且同时存在保水剂的吸收固定和晶穴固定作用、保水剂与土壤胶粒的包闭作用等各种固定作用，使基质的保肥和供肥能力都得到了提高[27]，从而提高了植物对养分的利用率。不同处理下高羊茅植株地上部分和地下部分K含量排序均为处理6(A2B3)gt;处理8(A3B2)gt;处理4(A2B1)gt;处理7(A3B1)gt;处理9(A3B3)gt;处理5(A2B2)gt;处理3(A1B3)gt;处理2(A1B2)gt;处理1(A1B1)gt;对照(CK)。

2.3 不同处理下高羊茅叶片的SPAD值

叶绿素与绿色植物的生长状况密切相关，它是光合作用的基础物质，也是植物生长特性、生理变化和营养状况的重要指标。SPAD值是一个相对叶绿素含量读数(读数范围0—99.9)，与叶绿素含量有显著的正相关性[28]，研究表明，叶片的SPAD值越大，其实际叶绿素含量越高。SPAD的高低及变化规律能够反映植物生理活性变化和植物的生长状况[29- 30]。保水剂通过提高植物的水分利用效率来影响叶片的光合参数，从而使叶片的SPAD值增加，本实验各处理下高羊茅叶片的SPAD值范围为39.733—49.633(表3)，不同处理下高羊茅叶片的SPAD值从高到低分别为处理6(A2B3)gt;处理8(A3B2)gt;处理4(A2B1)gt;处理7(A3B1)gt;处理9(A3B3)gt;处理5(A2B2)gt;对照(CK)gt;处理2(A1B2)gt;处理3(A1B3)gt;处理1(A1B1)，与高羊茅植株的株高排序一致。可见，处理6(煤矸石与土壤质量比为750∶250、基质中添加2 g保水剂)与处理8(煤矸石与土壤质量比为500∶500、基质中添加1 g保水剂)是适合煤矸石基质上高羊茅生长的较好配比。

表3 各处理下高羊茅叶片的SPAD值(相对叶绿素含量)

3 结论

煤矸石基质中添加保水剂可促进植株生长，增加生物量。煤矸石与土壤质量比相同条件下，添加1 g/kg的保水剂即可达到促进高羊茅生长的效果；添加2 g/kg的保水剂可以使高羊茅尽快适应基质环境，使其在出苗后第2周的日均生长率达到峰值。保水剂对高羊茅生物量的影响主要体现在地上部分，而基质中煤矸石与土壤的质量比主要影响高羊茅地下部分的生物量。

煤矸石基质中添加保水剂能够吸附基质中的养分离子并缓慢释放供植物生长利用。当基质中土壤比例较低时，添加保水剂能促使高羊茅将煤矸石基质中的N、P、K从植株地下部分向地上部分转移，供植株生长需要。基质中添加1 g/kg的保水剂时高羊茅对磷的吸收效果最好。此外，添加保水剂提高植物的水分利用效率，使叶片的SPAD值增加，进而影响植物的光合作用，。

综合比较不同处理对高羊茅生长和营养吸收的影响，认为处理6(煤矸石与土壤质量比为750∶250、基质中添加2g保水剂)与处理8(煤矸石与土壤质量比为500∶500、基质中添加1g保水剂)是适合煤矸石废弃地上高羊茅生长的较好配比。

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TheeffectofsuperabsorbentpolymeronthegrowthandnutritionabsorptionofFestucaarundinaceaL.onanimprovedganguematrix

ZHAO Zhifeng, WANG Dongmei*, ZHAO Tingning

CollegeofSoilandWaterConservation，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China

Super absorbent polymers (SAPs) can absorb water up to a few hundred or even a few thousand times their own mass. Their special physical structure, unique chemical composition, and characteristics of high water absorption capacity allow super absorbent polymers to be widely used in agriculture, horticulture, forestry and other industries to relieve drought and reserve water for farmland, seedling protection, and crop yield improvement. However, the amount of super absorbent polymers applied is an important parameter to evaluate. Applying the incorrect amount can result in either no effect, or soil permeability may be compromised if excess amounts are used. This can cause plant roots to have difficulty breathing or to have root rot. To explore the influence of super absorbent polymers on the growth and nutritional characteristics ofFestucaarundinaceaL. on gangue waste, three matrix gradients were set up with different weight ratios of gangue/soil. The matrix of each gradient was added into the super absorbent polymer in three different qualities. Ten treatments in total, including CK, were set up in this paper. The height growth, biomass, nutritional characteristics and SPAD (Soil and Plant Analyzer Development) value ofFestucaarundinaceaL. under different treatments were observed. The effects of different treatments on the gangue matrix and onFestucaarundinaceaL. growth were analyzed to determine the reasonable dosage of super absorbent polymer to be added to the gangue wasteland for vegetation recovery. This provides a theoretical basis and technical support for this practical application. The results show that adding super absorbent polymers helps strengthen the gangue matrix′s ability to hold water, increasing the water available to the plants, which promotes plant growth and biomass increase. The super absorbent polymer mainly impacts aboveground biomass, while the underground biomass is mainly affected by the weight ratio of the gangue/soil; for treatments where the weight ratio of gangue/soil is the same, adding 1 g/kg super absorbent polymer acceleratesFestucaarundinaceaL. growth; adding 2 g/kg super absorbent polymer to the matrix helpsFestucaarundinaceaL. quickly adapt to the matrix environment and the daily average growth rate reaches peak value 2 weeks after the seedling emergence. Adding super absorbent polymer to a gangue matrix enhances the gangue′s ability to hold fertilizer and to supply nutrients to plants.FestucaarundinaceaL. can promote growth by transferring nutrients in the gangue matrix from underground plant parts to aerial parts. Phosphorus absorption was most efficient when 1 g/kg super absorbent polymer was added. Super absorbent polymers affect photosynthesis parameters of blade leaves by imposing impact on plant water use efficiency. Therefore, adding super absorbent polymers can increase the SPAD value of the blade leaf. From comprehensive comparisons of plant height, biomass, nutrition characteristics and leaf SPAD values ofFestucaarundinaceaL. under different treatments, treatment No. 6 (weight ratio of gangue/soil is 750∶250, with 2 g super absorbent polymer) and treatment No. 8 (weight ratio of gangue/soil is 500∶500, with 1 g super absorbent polymer) were the optimal conditions found to helpFestucaarundinaceaL. grow on gangue waste.

super absorbent polymer； gangue matrix； biomass；nutritional characteristics；SPAD value

国家林业公益性行业科研专项项目(200904030)；国家自然科学基金项目(30872075)

2012- 11- 26;

2013- 05- 29

*通讯作者Corresponding author.E-mail: dmwang@126.com

10.5846/stxb201211261673

赵陟峰,王冬梅,赵廷宁.保水剂对煤矸石基质上高羊茅生长及营养吸收的影响.生态学报,2013,33(16):5101- 5108.

Zhao Z F, Wang D M, Zhao T N.The effect of super absorbent polymer on the growth and nutrition absorption ofFestucaarundinaceaL. on an improved gangue matrix.Acta Ecologica Sinica,2013,33(16):5101- 5108.