保水剂对4种木本植物生长及根系形态的影响

武 毅，孙保平 ，张建锋，宋双双，申豪杰，陈 串，何 艳

在河北干旱区，水分是植物生长与生态恢复的主要限制因子，水分的低效利用，导致该地区植被建设中土壤水分浪费、土壤干层、生态经济效益低下和植物生长不良等现象［1-2］，如何减少土壤水分的流失，提高植物对土壤水分的利用效率，是当今水土保持工作必须关心的问题。而保水剂(super absorbent polymers，SAP)的出现，恰恰填补了这一空缺。农用抗旱保水剂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，可以吸收其自身质量成百上千倍的水供植物利用，无毒无害，在土壤中可以自行降解，不会污染地下水资源，农业上人们将其比喻为“微型水库”［3-4］。黄占斌等［5-6］将保水剂在农业水肥保持与高效利用方面，做了深入研究。说明SAP可通过改善植物根际土壤结构，提高土壤供水效率，促进植物吸水，其可用范围非常广。笔者通过研究不同用量保水剂对4种植物生长和根系形态的影响，以期为中国北方干旱区植被造林提供较为科学的依据及参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选用的保水剂(SAP)为台丽保AG101，台湾塑胶工业股份有限公司生产，为交联丙烯酸钠盐，粒径150～850μm之间，密度650 g/L。吸水倍率大于300倍，在1 L水中加入1 g该保水剂，其pH值6～7，残留丙烯酸 350 ×10－6，无毒无污染。

采用的苗木有丁香(Syzygium aromaticum)、红瑞木(Swida alba Opiz)、油松(Pinus tabulaeformis Carr．)和白蜡(Fraxinus chinensis Roxb．)，均为 1 年生种间同规格苗木，苗高分别为30、30、5和30 cm。用土取自河北省张家口市，用于栽植苗木的花盆规格为高30 cm，盆口直径25 cm，盆底直径18 cm。测量仪器有钢卷尺和50分度游标卡尺。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验地为北京林业大学苗圃基地。根据台丽保AG101保水剂的使用方法和用量，每盆栽植1株植物，每种植物设置5个保水剂用量梯度，另设一组对照(CK)。每个用量梯度设置3组重复试验，试验共72个盆栽样本。保水剂用量梯度见表1。

表1 保水剂用量水平Tab．1 Amount level of water-retaining agent

1.2.2 试验步骤 2016年4月开始种植，首先在花盆底层铺垫3 cm厚土壤，再将相当于花盆容积3/5的土壤和保水剂充分混合后装入花盆，栽植苗木，并在其上覆土约5 cm，对照组不添加保水剂，只装入土壤。为保证苗木存活，每周浇水1 000 mL，第2个月开始每周浇水500 mL，并在8月1日充足浇水后暂停浇水，进行水分控制，测量土壤湿度，之后恢复正常浇水。拔除盆栽实验地周围的灌草，四周搭建铁架，并用通用隔水透光塑料膜遮盖试验地，以排除自然降水对试验产生的影响。12月将全部植物取出，并送回实验室测定。

1.2.3 测定指标

1)苗木株高、地径测量。按实验计划时间，用钢卷尺和游标卡尺分别测量每株植物的株高、地径。

2)植物生物量测量。试验结束后，将植株取出花盆，用去离子水洗净根部，置于实验室晾干后，分离地上与地下部分，分别装入牛皮纸信封中，全部放入烘箱，60℃烘干至恒质量，此时分别测量地上部分与地下部分植物体干质量。

3)苗木其余生长指标测量。将洗净的根部用WinRHIZO根系扫描仪及数据分析软件，对根长、根表面积、根系平均直径、根尖数以及分叉数进行分析。

4)土壤含水量测量。选取8月份连续15 d，在第一次充分等量浇水后，每隔2 d用土壤水分测量仪(HH2)测量一次土壤含水量，共测量8次。

采用Microsoft Excel 2016进行数据统计与初步分析，IBM SPSS statistics 20.0进行方差、显著性检验和分析。

2 结果与分析

2.1 不同用量保水剂对土壤含水量与植物生物量的影响

由图1可知，在第1次充分浇水后，4种树种的初始含水量差距不大，随着时间的推移，其土壤含水量迅速下降，并在第11天后，土壤含水量趋于平稳，第15天的土壤含水量均为T5＞T4＞T3＞T2＞T1＞CK，T5土壤含水量为CK的2倍，可见该保水剂对土壤水分有很好的保持作用。

图1 4种植被的土壤含水量变化特征Fig．1 Changes of soil moisture content of 4 vegetation types

从图2看出:4种植物总生物量与地下生物量变化规律基本相同，均高于CK。与CK相比，丁香的总生物量各处理较CK分别增加36.58%、60.75%、61.06%、44.01%和20.98%，相邻组别差异显著，T3处理的总生物量达到最大，为62.25 g;红瑞木总生物量较CK分别增加39.33%、66.07%、80.78%、57.8%和22.11%，相邻组别差异显著，且在T3处理下，植物总生物量达到最大，为58.14 g;油松的总生物量较CK分别增加33.2%、27.12%、12.74%、－13.56%和－22.57%。在保水剂浓度较高时，同样受到抑制，可见对油松来说，当保水剂浓度＞20 g/株时，其对植物生物量生长的抑制作用愈加明显。白蜡各处理中，T2处理下总生物量最高，但随着保水剂浓度的增加，对根系生长的抑制作用也愈加明显，各处理分别高于对照组22.53%、36.04%、33.80%、8.9%和－3.4%，各组间差异较为显著。

图2 4种植物生物量变化特征Fig．2 Changing characteristics of biomass of 4 plants

2.2 不同用量保水剂对植物株高、地径的影响

经过半年生长，期间为保证植株存活进行适量浇水，分别测定4种植物株高和地径。由图3得出，T3处理对丁香株高影响最大，10月份最大值为66 cm，T5处理＜CK，即当保水剂浓度为T5时，丁香株高生长受到抑制;红瑞木株高最大值也出现在当保水剂浓度为 T3时，10月份株高最大值达到106.85 cm，各组并未出现抑制现象;油松株高最大值出现在T1时，达到18.6 cm，随着保水剂浓度的增加，油松株高不断减小，组间差异愈加显著，T4、T5处理均＜CK，可见较高用量保水剂对油松株高生长有明显的抑制作用;白蜡株高最大值出现在保水剂浓度为T2时，达到113 cm，组间差异不明显，T5处理株高＜CK，出现了抑制株高生长的现象。地径最大值与株高最大值都出现在相同的保水剂浓度时，4种植物地径的生长规律与株高的生长规律基本相同。

图3 4种植物10月份株高、地径生长情况Fig．3 Growth rates of plant height and ground diameter of 4 plants in October

2.3 不同用量保水剂对植物根系形态的影响

由表2可知，丁香根系各指标随着保水剂用量的增加变化规律基本相同。根长、根表面积、平均直径、根尖数和分叉数均在T3时达到最大值，分别比对照组高出56.92%、21.51%、38.1%、56.38%和48.41%。显著性分析表明，这5项指标在保水剂用量为T1和T5时，已经没有显著性差异，可见各指标变化趋势都为先增加后减少。红瑞木的5项指标中，各指标变化趋势均为先增加后减少，在T3时全部达到最大值，根长、根表面积、平均直径、根尖数和分叉数分别高出对照组 105.56%、21.32%、34.1%、24.53%和49.17%。

由表3可知，油松的根长、根表面积、根平均直径、根尖数和分叉数都随着保水剂用量的增加而逐渐减小，最大值均出现在T1时，相较于对照组分别提高 29.6%、53.98%、17.89%、19.38% 和35.89%，各指标T4、T5值均＜CK，根系生长受到抑制;白蜡树种各指标变化浮动较大，5项指标的最大值均出现在 T2时，较对照组分别提高33.3%、10.2%、40.9%、54.69%和30.84%，最小值均出现在T5时，且＜CK，根系生长受到抑制。

表2 不同用量保水剂对2种灌木植物根系形态的影响Tab．2 Effects of water-retaining agent in different dosage on the root morphology of two shrub species

表3 不同用量保水剂对2种乔木树种根系形态的影响Tab．3 Effects of water-retaining agent in different dosage on the root morphology of 2 tree species

3 讨论

4种植物的生物量与根系形态变化趋势基本相同，灌木树种丁香和红瑞木的最大生物量都出现在20 g/株时，呈现先增大后减小的变化趋势，油松和白蜡生物量最大值分别出现在5和10 g/株时，其生物量逐渐减小，较高浓度保水剂出现了抑制作用，出现这种现象是因为保水剂用量超过了植物的最适用量。有研究表明，保水剂对土壤含水量的影响是保水剂吸水后，其本身可以膨胀，使得土壤疏松，总孔隙度增加，并且改善土壤通气能力，其膨胀体可使得水溶液处于非离析状态［7］。当土壤施用保水剂后，土壤水分蒸发受到抑制，原本理化性质相对稳定的土壤便发生了改变，保水剂吸水后，体积不断膨胀，土壤空隙中的水分呈现增加趋势，从而提高土壤水保持能力［8-9］，并且其保水能力随着保水剂的增加会逐渐增强，可保证植物在干旱胁迫环境中，同样可以吸收维持其自身生长的水分［10-12］。若加入过量保水剂，一方面其吸水膨胀后，必然会堵塞土壤原有孔隙，使得土壤大孔隙不断地减少，土壤水分配能力下降，实际上就是抑制了土壤中水分的运动，从而保水性能有所下降［13-15］，另一方面会吸持土壤水分量相对偏移，植物吸收水分量相对减小，不仅不能促进植物的生长，反而会抑制植物的根系发育，从而影响植物各生长指标的增加，使得植物出现生长受阻［16-17］。

不同树种之间出现的生长差异，还取决于不同树种对水分的适应性。不同植物幼苗生长以及不同的生长发育阶段需水量有所差异，2种乔木幼苗较灌木对土壤水分更为敏感［18-19］，油松和白蜡幼苗生长所需的最适水量较丁香、红瑞木更低，故其幼苗在土壤低含水量时生长较好。这与国内外研究一致，也就解释了土壤含水量会随着SAP浓度的增加而提高，但植物生物量反而会减小的原因。

植物根是植物生长最重要的部分，是植被与土壤进行物质和能量交换的重要器官，其形态的生长分布状况直接反映植被对土壤养分的吸收能力，对植被的地上部分生长起到决定性的作用。有研究表明，保水剂可以显著增加根密度和根生物量［20-22］，这样就解释了图2中根系生物量和植被总生物量生长变化规律完全一致的原因。由表2和表3可知，4种植物的5项根系生长指标最大值，均与其生物量最大值所对应的保水剂浓度相同，再次可以证明根系的生长可以直接影响植被地上部分的生长，并且由此可以判断出，4种植物在河北干旱地区种植时最适宜的保水剂用量［23-24］。

4 结论

1)保水剂施用于土壤显著影响植物生物量。2种灌木(丁香、红瑞木)生物量随土壤保水剂用量增加，呈现先增大后减小趋势，T1～T5的总生物量均为2倍CK生物量，生物量增加最大分别为61.02%和80.78%;2种乔木中，油松生物量随保水剂用量的增加而持续减少，只有T1～T3的总生物量＞CK;白蜡生物量随着保水剂浓度的增大，先增加后减少，仅在T1～T4的总生物量＞CK。比较发现，灌木幼苗较乔木幼苗的保水剂可受用范围更广。

2)保水剂的施用显著影响植物株高和地径的生长。丁香和红瑞木的株高、地径最大值均出现在T3时，变化趋势为先增大后减小;油松的株高、地径最大值出现在T1时，且随着保水剂浓度的增加而逐渐减小，并产生了抑制现象;白蜡株高、地径的最大值出现在T2时，随着保水剂浓度的继续增加，其中长持续减小，在 T4、T5处理也出现了生长抑制现象。

3)保水剂的施用显著影响了植物的根系形态，而4种植物根系形态的变化规律与其生物量基本相同，丁香和红瑞木5项指标最大值均出现在T3时，油松和白蜡分别为T1和T2。相比CK而言，在T1至T5范围内，任何浓度的保水剂对丁香与红瑞木根系生长均起到促进作用，而对油松和白蜡并非如此，说明较高浓度保水剂处理，已不利于油松和白蜡幼苗根系的生长。

综上认为，在河北干旱区植被造林中，丁香保水剂最适用量为20 g/株，红瑞木保水剂最适用量为20 g/株，油松为5 g/株，白蜡为10 g/株。

［1］ 张朝巍，董博，郭天文．保水剂对半干旱区马铃薯产量和水分利用效率的影响［J］．甘肃农业科技，2011(5):7．ZHANG Chaowei，DONG Bo，GUO Tianwen，et al．Effects of water-retaining agent on potato yield and water use efficiency in semi-arid region ［J］．Journal of Gansu Agricultural Sciences，2011(5):7．

［2］ 李炎明，陈云，关新元，等．保水剂在农业中的应用及研究进展 ［J］．新疆农垦科技，2016，39(6):68．LI Yanming，CHEN Yun，GUAN Xinyuan，et al．Application and research progress of water-retaining agent in agriculture［J］．Science and Technology of Farmland Reclamation in Xinjiang，2016，39(6):68．

［3］ 李妍．新型保水剂在干旱区造林中的应用［J］．现代园艺，2011(7):29．LI Yan．Application of new water retaining agent in afforestation in arid area［J］．Modern Gardening，2011(7):29．

［4］ HAOY．Effects of applying water-retaining agent on survival rate in semiarid areas in western Liaoning Province［J］．Protection Forest Science ＆ Technology，2016(2):59．

［5］ 黄占斌，孙朋成，钟建，等．高分子保水剂在土壤水肥保持和污染治理中的应用进展［J］．农业工程学报，2016，32(1):125．HUANG Zhanbin，SUN Pengcheng，ZHONG Jian，et al．Application of polymer water-retaining agent in soil water and fertilizer conservation and pollution control［J］．Journal of Agricultural Engineering，2016，32(1):125．

［6］ 邹超煜，白岗栓，于健，等．保水剂对不同作物水分利用效率及产值的影响［J］．中国农业大学学报，2015，20(5):66．ZOU Chaoyu，BAI Gangshuan，YU Jian，et al．Effects of water-retaining agent on water use efficiency and output value of different crops［J］．Journal of China Agricultural University，2015，20(5):66．

［7］ MING L V．Experiment on application of water retaining agent to afforestation in arid region ［J］．Shaanxi Forest Science＆ Technology，2009(2):79．

［8］ 宋海燕，汪有科，汪星，等．保水剂用量对土壤水分的影响［J］．干旱地区农业研究，2009，27(3):33．SONG Haiyan，WANGYouke，WANGXing，et al．Effect of water-retaining agent on soil moisture［J］．Agricultural Research in Arid Areas，2009，27(3):33．

［9］ 皇甫红芳，李荫藩，李刚，等．不同直径保水剂对土壤水分及燕麦生长的影响［J］．山西农业科学，2017，45(9):1480．HUANGPU Hongfang， LI Yinpan， LI Gang， et al．Effects of different diameter water-retaining agents on soil moisture and oat growth ［J］．Shanxi Agricultural Sciences，2017，45(9):1480．

［10］韩玉国，武亨飞，杨培岭，等．保水剂对土壤的物理性质与水分入渗的动态影响［J］．干旱地区农业研究，2013，31(5):161．HAN Yuguo，WU Hengfei，YANGPeiling，et al．Dynamic effects of water-retaining agent on soil physical properties and water infiltration ［J］．Agricultural Research in Arid Areas，2013，31(5):161．

［11］ HAN Yuguo，YANG Peiling，LUO Yuanpei，et al．Porosity change model for watered super absorbent polymerstreated soil［J］．Environ-mental Earth Sciences，2010(61):1197．

［12］张蕊，耿桂俊，白岗栓．保水剂施用量对土壤水分和番茄生长的影响［J］．中国水土保持科学，2013，11(2):108．ZHANG Rui，GENG Guijun，BAI Gangshuan．Effect of super absorbent polymer on soil moisture and tomato growth［J］．Science of Soil and Water Conservation，2013，11(2):108．

［13］李希，刘玉荣，郑袁明，等．保水剂性能及其农用安全性评价研究进展 ［J］．环境科学，2014，35(1):394．LI Xi，LIU Yurong，ZHENG Yuanming，et al．Research progress of water-retaining agent performance and agricultural safety evaluation［J］．Environmental Science，2014，35(1):394．

［14］ CAO Y，WANG B，GUO H，et al．The effect of super absorbent polymers on soil and water conservation on the terraces of the Loess Plateau ［J］．Ecological Engineering，2017(102):270．

［15］冉艳玲，王益权，张润霞，等．保水剂对土壤持水特性的作用机理研究［J］．干旱地区农业研究，2015，33(5):101．RAN Yanling．WANG Yiquan，ZHANG Runxia，et al．Study on mechanism of water-retaining agent on soil water-holding characteristics［J］．Agricultural Research in the Arid Areas，2015，33(5):101．

［16］马莉．保水剂处理对油松容器苗生长的影响［J］．河北林业科技，2017(1):34．MA Li．Effect of water-retaining agent on the growth of container seedlings of Pinus tabulaeformis Carr［J］．Journal of Hebei Forestry Science and Technology，2017(1):34．

［17］曹远博，王百田，魏婷婷，等．2种型号保水剂的特性及其应用研究 ［J］．水土保持学报，2014，28(4):283．CAO Yuanbo，WANG Baitian，WEI Tingting，et al．Characteristics of two types of water retaining agent and their application［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2014，28(4):283．

［18］ CHIRINO E，VILAGROSA A，VALLEJO R V，et al．U-sing hydrogel and clay to improve the status of seedings for dryland reto-ration［J］．Plant and Soil，2011，344(1/2):99．

［19］刘方春，马海林，马丙尧，等．保水剂对白蜡树容器苗生长及生理特性的影响［J］．南京林业大学学报(自然科学版)，2012，36(6):28．LIU Fangchun，MA Hailin，MA Bingyao，et al．Effects of water-retaining agent on the growth and physiological characteristics of white wax［J］．Journal of Nanjing Forestry University(Natural Science Edition)，2012，36(6):28．

［20］刘方春，马海林，马丙尧，等．容器基质育苗中保水剂对白蜡生长及养分和干物质积累的影响［J］．林业科学，2011，47(9):62．LIU Fangchun，MA Hailin，MA Bingyao，et al．Effects of water-retaining agent on growth，nutrient and dry matter accumulation of wax in container seedling［J］．Forestry Science，2011，47(9):62．

［21］岳鹏鹏，纪晓玲，张静，等．保水剂对高羊茅种子萌发的影响 ［J］．江苏农业科学，2014，42(4):144．YUE Pengpeng，JI Xiaoling，ZHANG Jing，et al．Effect of water-retaining agent on seed germination of tall fescue［J］．Jiangsu Agricultural Sciences，2014，42(4):144．

［22］黄伟，张俊花，朱贵鹏，等．保水剂不同施用方式对马铃薯生长和产量的影响［J］．生态学杂志，2015，34(1):1．HUANG Wei，ZHANGJunhua，ZHU Guipeng，et al．Effects of different uses of water-retaining agent on potato growth and yield［J］．Journal of Ecology，2015，34(1):1．

［23］倪芳，蔡卫兵，蒲双双，等．保水剂对土壤含水量及黑麦草种子萌发的影响［J］．安徽农业科学，2016，44(27):52．NI Fang，CAI Weibing，PU Shuangshuang，et al．Effects of water-retaining agent on soil moisture and seed germination of ryegrass［J］．Anhui Agricultural Sciences，2016，44(27):52．

［24］李晶晶，白岗栓．保水剂在水土保持中的应用及研究进展 ［J］．中国水土保持科学，2012，10(1):114．LI Jingjing，BAI Gangshuan．Application and research progress of water-retaining agent in soil and water conservation［J］．Science and Technology of Soil and Water Conservation in China，2012，10(1):114．