土壤水分条件及保水剂用量对侧柏、栓皮栎种子萌发及幼苗生长的影响*

吴琳杰，张志铭，赵勇，贾长荣，李冲，李倩

(1.河南农业大学，河南　郑州 450002；2.国有济源市大沟河林场，河南　济源454650)



土壤水分条件及保水剂用量对侧柏、栓皮栎种子萌发及幼苗生长的影响*

吴琳杰1，张志铭1，赵勇1，贾长荣2，李冲2，李倩2

(1.河南农业大学，河南郑州 450002；2.国有济源市大沟河林场，河南济源454650)

摘要：造林种子发芽率低一直是太行山干旱山区植被恢复过程中的一个难题。以该地区植被恢复中典型树种侧柏、栓皮栎种子为研究对象，通过控制试验，研究了不同土壤水分条件下不同保水剂包衣用量对侧柏、栓皮栎种子发芽率及生长发育的影响。结果表明，(1)盆栽用土为褐土，土壤含水率为5 %时，保水剂包衣对侧柏种子发芽率及生长发育有显著的促进作用，并随用量的增加而增加，以施用保水剂比例1︰3时最佳；土壤含水率为8.5 %时，保水剂用量过高则促进作用不明显，出芽率随用量增加而减小，施用保水剂比例1︰1及1︰2时能较好地提高侧柏种子出芽率；土壤湿度过高时，施用保水剂反而会抑制侧柏种子生长发育。(2)盆栽用土为砂页岩，土壤含水率为12 %时，保水剂包衣能增加栓皮栎种子出芽率，施用保水剂比例1︰3时最佳；土壤含水率为20 %时，保水剂包衣会抑制栓皮栎种子出芽率。

关键词：保水剂；侧柏；栓皮栎；发芽率；生长发育；包衣处理

由于太行山浅山丘陵地区土壤干旱、瘠薄以及砂石含量较高，植物生长缓慢，造林成活率一直难于大幅度提高，致使该地区的植被恢复进程十分缓慢[1]，太行山地区造林技术研究已成为此地区植被恢复的重点工程之一。经过长时间的研究，侧柏(Platycladusorientalis)、栓皮栎(Quercusvariabilis)由于特殊的生理特征和较强的适应性，已成为太行山区重要的造林树种，在保持水土、维持区域生态环境方面发挥着重要作用。因此，研究侧柏及栓皮栎对不同土壤水分的生理适应性，对太行山区植被恢复有着重要的实际意义。在干旱半干旱地区，水分是制约植被恢复、改善生态环境最主要的限制因子。森林植被的恢复主要是解决苗木的水分供应,而以调节土壤水分和保水能力的相关保水剂产品被认为是有效提高造林成活率的技术突破口[2]。保水剂(Super Absorbent Polymer，SAP)是一种高吸水性树脂，是一种吸水能力特别强的功能高分子材料，人们把它比喻为“微型水库”，它能迅速吸收自身重量几十倍甚至数百倍的水。保水剂还具有反复吸水功能，吸水后体积骤增呈水凝胶状态，并缓慢释放水分便于植物吸收利用，从而改善土壤理化结构，减少水分的深层渗漏和土壤养分流失，提高水分利用率[3]。有研究表明，在农林生产中使用保水剂，能显著增加土壤蓄水量、种子萌发率及植物成活率[4~5]。近年来各种类型的保水剂已被广泛用于造林实践中,多数研究是探讨保水剂在提高种子发芽率以及促进种子各种生长指标方面[6~13]，也有少数成果研究了土壤水分对保水剂施用效果的影响[ 14]。至今，保水剂的合理使用量，即种子的包衣量仍是造林技术中亟待研究的一个关键问题。本试验通过研究不同土壤含水量下不同保水剂用量对太行山区植被恢复常用树种的影响，探讨各种干旱情况下保水剂的合理施用量，以期降低太行山区造林成本,并对大面积的植被恢复具有重要指导意义。

1材料与方法

1.1　试验材料

抗旱保水剂由法国爱森公司提供的品名为AQVASORB保水剂，型号为3005KM，为不含水分的颗粒物。侧柏、栓皮栎种子由济源市大沟河林场实验室提供。试验地设在河南省济源市大沟河林场。太行山区土壤多为褐土和砂页岩，为模拟太行山区植被所处生存环境，试验用土壤侧柏为褐土，栓皮栎为砂页岩，肥力中等，可以满足种子萌芽基本需求。选取饱满，大小相同的种子放入直径为25 cm，深度为30 cm的聚乙烯塑料盆。试验所用仪器为，烘干植株用BPG-9140A电热鼓风干燥箱及测量土壤含水量利用TDR时域反射仪(Time Domain Reflectometry ，TDR)。

1.2　试验方法

为模拟太行山区植被所生长的土壤干旱程度，根据土壤含水率分级标准〔适宜(土壤含水率15 %~20 %)；轻旱(土壤含水率12 %~14 %)；中旱(土壤含水率8 %左右)；重旱(土壤含水率在5 %以下)〕，将侧柏种子的36盆分为3组：土壤含水率为5 %(重度干旱处理)，土壤含水率为8.5 %(中度干旱处理)，土壤含水率为15 %(适宜水分处理)。每个土壤含水率下保水剂用量设3个处理及1个空白对照，分别是种子质量(g)与保水剂质量(g)1︰1，种子质量(g)与保水剂质量(g)1︰2，种子质量(g)与保水剂质量(g)1︰3，空白对照。每个处理3个重复。每个处理选取20粒饱满无虫害的侧柏种子。由于砂页岩保水能力极差，栓皮栎种子的24盆设2组，即土壤含水率为20 %(适宜水分处理)和土壤含水率为12 %(轻度干旱处理)。每个土壤含水率下保水剂用量处理与侧柏相同。每个处理选取10粒饱满无病虫害的种子。测量土壤含水率时利用时域反射仪(TDR)，将探头直接插入土壤，分3层即土壤深度10 cm、20 cm、30 cm，每层重复测量3次，取平均值。人工控制每次浇水量，从而获得不同的土壤水分梯度。为模拟不同程度土壤干旱下种子出芽情况，每天用时域反射仪测量土壤含水率，低于所控水分时，立即补充水分，保持土壤含水量在试验设计范围。

保水剂包衣处理方法 ，每份保水剂分别在烧杯中吸取10 mL蒸馏水，并加入适量凝胶剂，用玻璃棒进行搅拌，搅拌后对侧柏、栓皮栎种子均匀地进行包衣处理。

播种及发芽率的测定方法，将经过不同保水剂包衣处理后的种子播种到聚乙烯塑料盆中，使土壤保持试验设计播种时的含水率(称取等量的水，用喷水壶均匀喷洒，用TDR时域反射仪多次测定求平均值)。由于不同种子的萌发机制和所需生态因子不同，萌芽时间也有所不同。侧柏自种子发芽后第9天，开始记录各处理的发芽势，第18天统计发芽率。栓皮栎自种子发芽后第20天，开始记录各处理的发芽势，第24天统计发芽率。

芽高、生物量测定方法，侧柏种子自发芽到第18天不再发芽后，开始测量每个处理的芽高。栓皮栎种子自发芽到第24天不再发芽后，开始测量每个处理的芽高。测完后整株拔出洗净根系擦干测定鲜重，使用电热鼓风干燥箱80℃烘干2小时后测定干重。

采用SPSS 19.0软件、 Excel 2010进行统计分析,统计方法为单因素方差分析(LSD多重比较)。

2结果与分析

2.1　保水剂用量和土壤湿度对侧柏种子发芽率影响

从图1可知，保水剂比例为1︰1时在各个土壤含水率下差异显著,在土壤含水率8.5 %时效果最明显，土壤含水率为5 %时最差。保水剂比例为1︰2，在土壤含水率8.5 % 的情况下播种最好。保水剂比例为1︰3，在土壤含水率5 %时出芽率最高。根据上述分析说明土壤含水率为5 %时，施用保水剂比例1︰3效果较好；土壤含水率为8.5 %时，施用保水剂比例1︰1及1︰2能较好地提高侧柏种子出芽率。

2.2　保水剂用量和土壤湿度对种子生长发育的影响

由表1可知，在土壤含水率为5 %时，各处理的侧柏种子出芽率、发芽势、幼苗株高、幼苗鲜重、幼苗均高于空白对照，用保水剂包衣的各个处理间的发芽势也极其显著，施用保水剂比例1︰1与空白对照差异不显著，施用保水剂比例1︰3比对照高76.67 %，说明随着保水剂包衣量的增加对种子发芽势有促进作用。土壤含水率为8.5 %时，各处理的种子出芽率、发芽势、幼苗株高、幼苗鲜重、幼苗也有所不同，保水剂比例为1︰1及1︰2时种子发芽率高达95 %、75 %，但保水剂比例为1︰3时的种子发芽势及幼苗株高与空白对照差异性不显著，说明保水剂包衣用量适中才能达到增强抗旱保苗的效果。土壤含水率为15 %时，各处理的种子出芽率、发芽势、幼苗株高、幼苗鲜重、幼苗均低于空白对照，保水剂比例为1︰2时出芽率竟比空白对照低30 %，说明土壤含水率为15 %时，保水剂包衣反而会抑制侧柏种子生长发育。

由表2可知,土壤含水率为20 %时，各处理的种子出芽率、发芽势、幼苗株高、幼苗鲜重、幼苗均低于空白对照，说明土壤含水率为20 %时，保水剂包衣反而会抑制栓皮栎种子生长发育。土壤含水率为12 %时，各处理的种子出芽率、发芽势均高于空白对照，并且差异显著，但幼苗株高无差异，幼苗鲜重、干重均值差别不大。说明随着保水剂包衣量的增加对种子发芽率、发芽势有促进作用，对幼苗株高、幼苗鲜重、幼苗干重无太大影响。

图1　不同土壤水分条件、不同保水剂用量对

注：图中误差线上标不同字母a、b、c表示同一保水剂

比例在不同土壤含水率下差异的显著性 (p<0．05)

Fig.1　Impacts of water-retaining agent on germination rate of

注：图中数据后标不同字母a、b、c、d表示不同保水剂比例下差异的显著性，有相同字母的表示差异不显著(p<0．05)。表2同。

表2　不同土壤含水率下不同保水剂包衣用量对栓皮栎种子生长发育的影响

3结论与讨论

3.1　保水剂包衣对种子生长发育的影响

在土壤含水率为5 %的褐土和土壤湿度为12 %的砂页岩中，施用保水剂会显著提高侧柏、栓皮栎种子的生长发育，并随着包衣用量的增加而增加。在褐土土壤含水率为8.5 %时，施用保水剂可以促进侧柏种子的生长发育，但用量过高反而效果不明显，说明保水剂包衣用量适中才能达到增强抗旱保苗的效果。在土壤含水率为15 %的褐土中，各个处理下侧柏种子出芽率、发芽势、幼苗株高、幼苗鲜重、幼苗干重均低于空白对照。在土壤含水率为20 %的砂页岩中，施用保水剂的栓皮栎种子的出芽率、发芽势也均低于空白对照。说明在土壤水分充足时，保水剂包衣反而抑制侧柏、栓皮栎种子生长发育。而在干旱情况下保水剂保水能力强，吸水能力也强，其吸水量达到一定时，可以向种子提供足够萌发的水分，促进侧柏、栓皮栎种子生长发育。在土壤水分充足时，保水剂浓度过高，不仅达不到促进种子萌发和幼苗生长发育的效果，反而会带来一定的负效应。这与国内外研究相一致，若保水剂使用合理，既能促进植物根系发育，又能增强植物的抗早性，延缓凋萎时间[15~16]，由于保水剂的施用会因土壤质地不同而有差异，用量过多，不仅不能促使植物生长发育，反而会抑制种子发芽，降低出苗率[17~18]。

3.2　保水剂性能的发挥与土壤湿度的关系

从侧柏、栓皮栎的出芽率来看，不同保水剂处理在不同土壤含水率下表现不同。那么根据该情况，在土壤含水率为5 %的褐土中，施用保水剂1︰3的比例，能更好地促进侧柏种子萌发；在土壤含水率8.5 %时，施用保水剂1︰1的比例为宜。在土壤含水率为12 %的砂页岩土壤中，栓皮栎包衣用量为1︰3时最佳。在适宜水分处理下，保水剂对种子生长发育作用低于干旱处理。相同保水剂用量，中度干旱下施用保水剂效果最显著，这与前人的研究结果相同[14,19]。

3.3　讨论

从试验结果看，使用保水剂包衣种子能显著促进种子在干旱缺水条件下的萌芽和生长，提高水分利用率。保水剂保水的实质是利用保水剂的吸水作用增加土壤吸水能力，降低土壤中水分的蒸发，来保存更多的水分，间接促进植物生长[20~21]。不同比例保水剂在土壤中的吸水倍数不同，保存水分的能力也不同，因而对种子萌发及幼苗生长产生的效果也不同。李义波[22]在进行保水剂特性及其对植物生长的影响研究时表明保水剂可显著提高植物出芽率，进而促进植物生长。陈宝玉[23]利用不同类型保水剂处理廊坊杨(Populuslangfangensis)幼苗，结果表明保水剂处理不仅显著增加廊坊杨叶面积，而且能提高植物光合作用及植物地上与地下部分的干物质积累。与杨晓辉等[2]进行2种保水剂对北京南口风沙区侧柏成活及生长的影响研究结果类似，保水剂不仅能促进侧柏出苗、成活，而且能促进其干物质量的积累。本项目通过保水剂对两种种子发芽率和生长发育的研究发现，保水剂对种子的抗旱保育效果明显，但在不同的土壤含水率下，合理使用标准也是制约种子发育、幼苗生长的关键。造成这种差异的原因一方面与所研究植物本身有关，不同植物种子萌发以及不同的生长发育阶段需水量不同，另一方面可能与其生长环境的异质性密切相关。在干旱缺水的太行山区，施用保水剂能提高种子发芽率，在轻度、中度及重度干旱土壤中，侧柏、栓皮栎种子发芽率随着保水剂比例的增加而增加。当然，仅测定侧柏、栓皮栎种子萌芽时期生长指标及盆栽的结果也有一定局限性，本试验针对保水剂在实际植被恢复中的应用效果，探讨不同土壤含水率下适宜侧柏、栓皮栎种子生长的保水剂适用量，为太行山区植被恢复提供了一定的理论依据，但不同土壤含水率下合理的保水剂使用量还有待于进一步的研究。

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Impacts of Soil Moisture and Water-retaining Agent on Germination and

Seeding Growth of Platycladus orientalis and Quercus variabilis

WU Lin-jie1,ZHANG Zhi-ming1,ZHAO Yong1,JIA Chang-rong2,LI Chong2，LI Qian2

(1.College of Foresty,Henan Agricultural University ,Zhengzhou Henan 450002，P.R.China;

2.Dagou-he National Forest Farm，Jiyuan Henan 454650，P.R.China)

Abstract:Low germination rate of seeds for afforestation is problem in vegetation recovery process of arid Taihang Mountain area.TakingPlatycladusorientalisandQuercusvariabilisas research objects based on controlled experiments,the impact of soil conditions and water-retaining agent on the germination rate and seeding growth was studied.The results showed that，(1) When cinnamon soil for pot culture with moisture content 5 %,coating handling for water-retaining agent could significantly facilitate seeds germination and growth ofPlatycladusorientalis,and the facilitation function will increase with increasing amount of water-retaining agent.The best ratio of water-retaining agent is 1︰3.When the soil moisture content was 8.5 %,the facilitation function of the high amount of water-retaining agent was not significant， the budding percentage decreased with the increase of water-retaining agent,and water-retaining agent with 1︰1 and 1︰2 could well facilitate budding percentage ofPlatycladusOrientalis.When the soil moisture was too high,it would inhibit the seeding growth ofPlatycladusoriental. (2) For sand-shale soil of pot culture with moisture content 12 %,coating handling for water-retaining agent could facilitate budding percentage ofQuercusvariabilis,the best ratio of water-retaining agent is 1︰3.When the soil moisture was 20 %,it would inhibit the budding percentage ofQuercusvariabilis.

Key words:Super Absorbent Polymer；Platycladusorientalis；Quercusvariabilis;germination percentage；seedling growth；coating handling

通讯作者简介：赵勇(1962-)，男，教授，博士，从事恢复生态学方面研究。E-mail:zhaoyonghnnd@163.com

作者简介：第一吴琳杰(1991-)，女，硕士研究生，从事恢复生态学方面研究。E-mail:wulinjie187@163.com

基金项目：国家自然科学基金项目(31270750)，“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD38 B00)。

*收稿日期：2015-09-22

中图分类号：S 482.99;S 791.38

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2016)01-0112-06