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EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草生长及水分利用效率的影响

2014-03-25刘月梅张兴昌

关键词:黑麦草固化剂表面积

刘月梅,张兴昌

(1 西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌 712100;2 延安职业技术学院,陕西 延安 716000;3 中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

黄土边坡的绿化防护是谋求保护自然环境、美化道路景观、缓解交通公害、实现可持续发展的重要手段之一。然而植物与边坡土体的作用是相互的,一方面植物的生存和生长离不开土体环境,另一方面植物可以通过力学锚固效应和水文效应增加坡面的稳定性,实现边坡的生态防护[1-4]。因此,黄土边坡生态防护植被建设必须与边坡土壤防护有机结合起来,在确保边坡土体稳定的前提下,尽最大可能促进植被生长。要实现黄土边坡生态防护的护坡和绿化双重功能,对黄土性土壤进行改良势在必行。

EN-1土壤固化剂是一种土工复合材料,含有多种有机、无机成分,其性能是通过与土壤发生一系列的物理化学反应来胶结土壤颗粒、增加土体稳定性[5-7]。研究表明,EN-1土壤固化剂可以使黄土性土壤干密度增加,土壤抗剪强度、抗蚀性、抗渗性和水稳性团聚体含量提高[8-11],有利于黄土边坡稳定,且施用适量的土壤固化剂对植物光合作用及根系吸收均有促进作用[12]。

黄土边坡大多土壤肥力较低、营养溃乏,植物生长缓慢,而土壤中水肥状况是土壤肥力的重要指标。大量研究表明,氮素是调节植物生命活动的主要因子,它可以通过调节植物的光合、蒸腾及呼吸作用等生理代谢提高叶片光合能力,进而促进植物生长,增加植物生物量,从而提高植物的水分利用效率[13-15]。因此,利用EN-1土壤固化剂改变植物生长的土壤环境,探讨固化剂、N肥及土壤体积质量对植物生长的影响具有重要意义。本研究以黄土地区典型土壤黄绵土和常见植物黑麦草为研究对象[16],研究固化剂对黑麦草生长状况、根系特征及水分利用效率的影响,以期为提高黄土边坡植物生物量和边坡土壤稳定性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试黑麦草 供试黑麦草为丹麦丹农种子有限公司生产的“玲珑”坪用品种。试验前对种子进行品质鉴定后发现,种子的发芽率为76.3%,纯净度为98%,千粒质量为3.76 g。

1.1.2 土壤固化剂 供试土壤固化剂为美国CSS技术公司生产的路邦EN-1土壤固化剂,是一种高浓缩的酸性酱棕黑色有机溶液,能将土壤中的矿物质和土壤颗粒分解,使其重新结晶形成金属盐,保持土壤持久稳定。EN-1土壤固化剂在浓缩状态下无挥发性、不燃烧,硫酸含量大于1%,表面活性剂含量6%,密度1.709 g/cm3,沸点282 ℃,25 ℃时相对体积质量为1.70,pH 1.05,稀释后无任何危害,对生态环境无破坏、对环保无影响。

1.1.3 供试土样 供试土样为采自陕西省安塞县的弃耕地耕层黄绵土,其土壤类型为砂壤土,pH 8.58,有机质含量3.08 g/kg,总氮含量0.37 g/kg,土壤颗粒直径≥0.02 mm的占67.93%, 0.002~0.02 mm的占18.61%,<0.002 mm的占13.46%。

1.2 试验设计

试验设计变量分别为EN-1土壤固化剂(以干土质量计)、N肥和土壤体积质量,共12个处理,各处理方案见表1。

1.3 测定项目及方法

盆栽试验于2010-08-2011-02在陕西杨凌中国科学院水土保持研究所气候模拟大厅内进行,控制温室日间温度为20~25 ℃,夜间温度为15~18 ℃,每天光照12 h。

将供试土壤风干后过2 mm筛,按16%[9,17]的土壤质量含水率取一定量的水,并在水中加入一定比例的固化剂,搅拌均匀后用洒壶分层洒入土中拌匀,用塑料防水布盖好密闭24 h,使土壤水分分布均匀,然后按照设计体积质量分层装入塑料桶(1.4 g/cm3处理边装边用木棰砸实),再盖上塑料防水布于室温下养护10 d[8-9]用于播种黑麦草。播种采用穴播,每盆固定34穴,每穴4粒。在苗期保持充足的水分供应,待出苗整齐后,每穴固定1株,之后按土壤田间持水量的75%~80%控水。

表 1 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量盆栽试验设计方案

黑麦草生长过程中,定期测定黑麦草株高。黑麦草分蘖数和根系特征测定采用收获法:首先,将植株地上部分齐地面收获,清点每株黑麦草分蘖数后于105 ℃下杀青0.5 h,再在75~80 ℃下烘至恒质量后用千分位天平称质量;最后,将整盆根系取出冲洗,称取5 g鲜根进行扫描,其余根系烘干,测定根生物量。鲜根形态特征测定先用扫描仪在300 dpi像素下扫描成TIF图像文件,然后用DT-SCAN图像分析软件计算根表面积、根长、根径及根密度等指标,最后将扫描后的根样烘干后称其质量。

蒸散耗水量采用水量平衡法计算,每日17:00称取每盆处理质量后,按试验设定含水量(标准值)加水;以同土壤体积质量未种黑麦草盆为对照,称量值与标准值之差为当日蒸散耗水量,再减去对照盆水的减少量即为每盆蒸散耗水量。水分利用效率(WUE)为水分处理期间每盆植株总生物量/总蒸散耗水量。

1.4 数据处理与分析

所有试验数据均为3次测定的算术平均值,试验数据用SAS 9.0软件进行方差分析和相关分析,并在0.05显著水平上进行Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草生长的影响

2.1.1 株 高 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草株高的影响见图1。

图1 不同处理对黑麦草株高的影响

由图1可以看出,在黄绵土中黑麦草株高的变化规律基本相同,但在黑麦草不同生长阶段,不同处理略有差异。盆栽2周时不同处理黑麦草株高差异不明显,说明在黑麦草生长初期,EN-1固化剂、N肥和土壤体积质量对黑麦草株高影响不显著。盆栽3周时,EN-1固化剂、N肥和土壤体积质量对黑麦草株高均有显著影响,但黑麦草株高与固化剂用量及土壤体积质量不成正比,说明土壤中加入一定量的固化剂、N肥,采用适当的土壤体积质量对黑麦草的生长有促进作用。盆栽4周以上时,各处理黑麦草株高的规律基本稳定,G3N2R2处理黑麦草株高最高,G2N2R3和G2N0R2处理黑麦草株高较低;各处理间差异均显著(P<0.05);随着固化剂用量的增加,黑麦草株高呈先增高后降低的趋势,且均高于相应对照;固化剂用量为0.15%时黑麦草株高最高;随着N肥水平增加,黑麦草株高逐渐增大;土壤体积质量1.2和1.3 g/cm3处理间差异不显著,但均高于1.4 g/cm3处理。

综上所述可知,土壤中加入固化剂可以提升黑麦草株高,但固化剂用量与株高不成正比;在试验范围内,施N量增加可以提升黑麦草株高;土壤体积质量过大不利于黑麦草生长。在试验范围内,黄绵土高N肥处理的黑麦草株高高于高固化剂用量处理,说明N肥对黑麦草株高的影响大于固化剂。

2.1.2 分蘖数 从图2可以看出,不同固化剂用量处理之间黑麦草分蘖数差异显著(P<0.05),固化剂用量为0.15%时黑麦草分蘖数最多;土壤体积质量1.3 g/cm3处理黑麦草分蘖数略多于1.2 g/cm3处理,但差异不显著,这可能是由于土壤和水自身重力的作用,导致低土壤体积质量(1.2 g/cm3)处理表层土壤体积质量加大,影响了黑麦草生长。

由图2可以看出,随着固化剂用量增加,黑麦草分蘖数呈先增加后减小的趋势,且均高于对照(G0N2R2);随着N肥水平增加,黑麦草分蘖数逐渐增加,除对照(G2N0R2)外,其他N肥处理间差异不显著;与不施N肥处理相比,不加固化剂处理的分蘖数较少,说明土壤中施入适量固化剂对黑麦草分蘖有利。

图2 不同处理对黑麦草分蘖数的影响

2.1.3 生物量 由图3可以看出,随着固化剂用量增加,黑麦草根生物量和总生物量均呈先增加后减小的趋势,且均高于对照(G0N2R2),固化剂用量为0.15%时黑麦草根生物量和总生物量均最大,说明固化剂对黑麦草的生长有促进作用;不同固化剂用量处理间黑麦草总生物量差异不显著,固化剂用量0.05%,0.10%和0.20%处理间黑麦草根生物量差异不显著。黑麦草根生物量由大到小的N肥处理依次是G2N1R2、G2N0R2、G2N2R2、G2N3R2,但G2N0R2和G2N2R2处理间差异不显著;不同N肥处理间黑麦草总生物量差异不显著,说明N肥对黑麦草总生物量的影响不显著。土壤体积质量1.3 g/cm3处理黑麦草根生物量最大,1.4 g/cm3处理根生物量最小;随着土壤体积质量加大,黑麦草总生物量逐渐减少,但1.2和1.4 g/cm3处理间差异不显著。

图3 不同处理对黑麦草根生物量(A)和总生物量(B)的影响

从图3还可以看出,12个处理中G3N2R2处理根生物量最大,G2N2R3处理根生物量最小;G2N2R1处理总生物量最大,G0N2R2处理总生物量最小,说明土壤体积质量对黑麦草根生长影响较大,固化剂对黑麦草根系生长影响较大。

综上所述可知,固化剂和N肥对黑麦草的生长均有促进作用,但相比较而言,N肥对黑麦草地上部分的生长促进作用较大;过高的土壤体积质量对黑麦草地上和地下部分的生长均有抑制作用。

2.2 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草根系特征的影响

从图4可以看出,各处理中以G3N2R2处理黑麦草根表面积、根长、根径和根密度最大,G3N2R2、G2N0R2、G2N1R2、G2N2R2、G2N3R2处理之间黑麦草根径差异不显著,但均高于其他处理。

图4 不同处理对黑麦草根长(A)、根表面积(B)、根密度(C)和根径(D)的影响

由图4可以看出,相同土壤体积质量、相同N肥条件下,固化剂用量0,0.05%与0.10%处理间黑麦草根表面积差异不显著,固化剂用量0.15%和0.20%处理间根表面积差异也不显著,但均高于前3个处理;固化剂用量对黑麦草根长和根密度影响均显著(P<0.05),黑麦草根长、根密度从大到小的固化剂用量依次为0.15%,0.20%,0.10%,0.05%和0,说明固化剂可以促进黑麦草根系生长,增加根密度;固化剂用量为0.15%时,黑麦草的根表面积、根长、根密度和根径分别比对照G0N2R2高37.60%,13.46%,14.16%和51.80%,说明固化剂对黑麦草根表面积和根径影响较大,土壤中添加适量的固化剂可以显著增加黑麦草根表面积和根径。相同土壤体积质量、相同固化剂用量条件下,随着N肥水平提高,黑麦草根表面积、根长和根密度均逐渐增大,G2N3R2处理根表面积、根长和根密度比对照G2N0R2分别高25.20%,19.92%和18.92%;随着N肥水平提高,黑麦草根径呈先增大后减小的趋势,且均高于对照,但不同N肥处理间差异不显著。因此,为促进黑麦草根系生长,应该选择最适的N肥施用量,这样在促进黑麦草生长的同时,尽可能降低生产成本。相同固化剂用量、相同N肥条件下,土壤体积质量1.2和1.3 g/cm3处理黑麦草根表面积、根长和根密度差异均不显著,但与1.4 g/cm3处理相比差异显著,且各指标值均大于1.4 g/cm3处理;1.3和1.4 g/cm3处理间黑麦草根径差异不显著,但显著高于土壤体积质量1.2 g/cm3处理(P<0.05)。

综上所述可知,固化剂对黑麦草根系生长有促进作用,且以固化剂用量0.15%较为适宜。土壤中施入一定量的N肥对黑麦草根系生长有促进作用,但施N量越大性价比不高。为保证黑麦草健康生长,应选择中低土壤体积质量,兼顾黄土边坡土壤抗蚀性,黄绵土体积质量以1.3 g/cm3较为适宜。

2.3 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草WUE的影响

EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草WUE的影响见图5。

图5 不同处理对黑麦草水分利用效率(WUE)的影响

从图5可以看出,不同处理黑麦草水分利用效率差异显著(P<0.05),其中,G3N2R2处理水分利用效率最高,G2N2R3处理水分利用效率最低;相同土壤体积质量、相同N肥条件下,随着固化剂用量增加,黑麦草水分利用效率逐渐提高,但固化剂用量0,0.05%,0.10%处理间差异不显著,说明固化剂可以提高黑麦草水分利用效率,但固化剂用量较低时提高效果不明显;相同土壤体积质量、相同固化剂用量条件下,不同N肥处理间差异不显著;相同固化剂用量、相同N肥条件下,随着土壤体积质量增加,黑麦草水分利用效率逐渐降低,但1.2和1.3 g/cm3处理间差异不显著。

2.4 黑麦草各指标的相关性分析

对盆栽各处理黑麦草生物量及根系特征各指标(总生物量、根生物量、分蘖数、根表面积、根长、根径)进行相关分析,结果见表2。由表2可知,黑麦草总生物量与分蘖数、根长呈极显著正相关,与根表面积呈显著正相关;根生物量与分蘖数、根表面积呈显著正相关;分蘖数与根表面积、根长呈极显著正相关;根表面积与根长呈极显著正相关;其他各指标之间差异不显著。说明黄绵土土壤条件下,黑麦草生物量与根系各指标之间关系密切。

表 2 黑麦草各指标的相关分析

3 讨 论

本研究结果表明,黄绵土同一土壤体积质量条件下,不同固化剂用量处理对黑麦草株高、根表面积和根径等影响显著,且随固化剂用量的增加均呈先增后减的趋势,说明黑麦草生物量的增加不仅与EN-1固化剂有关,还与土壤物理性质密切相关。有研究表明,EN-1固化剂有利于改善土壤结构、增加土壤饱和导水率和有机质含量;但是随着固化剂用量的增大,土壤水分有效性和pH值降低,而且固化剂用量越大,降幅越大[8-10]。由此可见,无论土壤中是否施入N肥,并没有改变固化剂促进植物生长这一规律[12]。

土壤中施入N肥可以增加植物功能叶叶面积,提高叶绿素和可溶性蛋白含量,增大根干质量和不定根总长度,影响其他营养元素的吸收,最终达到提高植物生物量的目的,且随着N肥施用量提高,效果越显著[18-21]。本试验结果表明,随着N肥水平提高,黄绵土土壤环境下,黑麦草株高、根长、根表面积、根密度均有逐渐增大的趋势,同时也说明,土壤中加入固化剂并没有影响N肥对植物生长的促进作用,N肥与固化剂的交互作用不明显。有研究表明,施N量过高有可能降低某些植物(如黑麦草)的可溶性糖含量,导致土壤中微生物活性降低,不利于植物的生长,同时N肥利用率降低,成本提高且污染环境[22-26]。另外,N肥效果的发挥与降水、气温密切相关[27-28],黄土边坡处于干旱、高温地带,N肥难以充分发挥其肥效。黄绵土土壤环境下不同N肥水平对黑麦草生物量影响差异不显著,说明N肥可以促进黑麦草的生长,但考虑到经济效益及长期施用的效果,N肥用量应根据土壤性质等综合确定,不同固化土壤环境条件下N肥适宜用量有待于进一步研究。从本试验结果来看,随着土壤体积质量增加,固化剂用量有减小的趋势,但固化剂并没有改变因土壤体积质量增加,土壤透气性变差带来的黑麦草生长受抑这一基本现象,说明固化剂用量与土壤体积质量存在一定的交互作用,但并没有改变土壤紧实对植物生长所带来的胁迫。

4 结 论

1)无论土壤中是否加入固化剂,N肥和土壤体积质量对黑麦草生长及水分利用效率均有影响。随着土壤体积质量增加,黑麦草株高、总生物量、根长、根表面积等均呈下降趋势,但在中(1.3 g/cm3)、低(1.2 g/cm3)土壤体积质量条件下差异不显著。随着N肥水平提高,黑麦草株高、生物量、根长、根表面积逐渐提高,但不同N肥水平间差异不显著。固化剂用量对黑麦草株高、根表面积和根径等影响显著,且均呈先增后减的趋势,但与固化剂用量不成正比。

2)黄绵土土壤环境下,土壤体积质量1.3 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化剂用量0.15%处理黑麦草根生物量最大,土壤体积质量1.2 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化剂用量0.10%处理黑麦草总生物量最大。

3)随着固化剂用量增加,黑麦草水分利用效率逐渐提高,但固化剂用量在0~0.10%差异不显著。土壤体积质量1.3 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化剂用量0.15%处理黑麦草的WUE最高。

4)在兼顾土壤抗蚀与植物生长的情况下,建议黄绵土边坡土壤体积质量为1.3 g/cm3、固化剂用量为0.15%较适宜,N肥用量根据土壤性质等综合确定。

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黑麦草的种植、青贮及应用
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表面积是多少