保水剂用量对矿区紫花苜蓿生长的影响

陈艺超,孙保平,张建锋,宋双双,李智勇,陈 串

(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

中国北方矿区气候干旱、少雨,水分是该地区限制植被重建的主要因子。采矿过程中,矿区生态环境遭到极大破坏,水土流失加剧,植物难以生长,生态修复难度加大[1]。紫花苜蓿是我国常见的水土保持植物,抗旱能力强,适应性广,常作为干旱矿区植被重建先锋草种[2]。保水剂是一种具有超高吸水保水能力的高分子聚合物,能吸收自身质量几百倍的水分,其吸收的水分可以缓慢释放[3],供作物吸收利用,从而改善土壤结构,增强土壤保水性能,缓解植物所受水分胁迫[4],增强植物光合强度[5],提高水分利用率[67],延长植物生存期,在干旱地区应用保水剂能够有效促进植被恢复,防止水土流失。国内外对保水剂开展了诸多研究[89],但主要集中在农林业生产方面[1011],对保水剂在矿山废弃地植被重建中的应用效果研究不足;因此,研究保水剂对干旱矿区土壤条件下紫花苜蓿生长的影响具有重要意义。本研究通过盆栽控制实验,对比不同保水剂施用浓度下的矿区土壤水分、土壤养分质量分数、紫花苜蓿光合生理指标和生长指标,探讨保水剂对矿区土壤和紫花苜蓿生长状况的影响,并得出干旱矿区紫花苜蓿栽植中保水剂的最佳用量,以期为矿区植被重建中保水剂的应用提供实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2016年5月1日开始在北京林业大学八家园林苗圃进行。试验用保水剂为台湾塑胶工业股份有限公司生产的“台丽保AG101”,是一种以高纯度丙烯酸为主要原料制成的高吸水性树脂,其组成成分为交联丙烯酸钠盐,粒径分布在150～850 μm之间,质量浓度约为650 g/L,纯净水吸水倍率大于300倍。采用盆栽方式栽培,选用多年生紫花苜蓿(Medicago sativa),其抗旱性强、耐贫瘠,水土保持作用显著。试验用花盆为盆口直径21 cm、盆底直径16 cm、盆高23 cm的有孔塑料花盆。盆栽土壤取自白云鄂博铁矿石尾矿区,主要以细砂砾为主,其土壤基本理化性质如下：颗粒组成为粗砂粒0.9%、细砂粒68.2%、粉砂粒30.9%;有机质16.14 g/kg;全氮 0.31 g/kg、全磷3.31 g/kg、全钾19.09 g/kg;速效氮 30.95 mg/kg、速效磷 3.37 mg/kg、速效钾41.00 mg/kg。土壤田间持水量采用环刀法取样测得为27.43%。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 实验布设 筛去矿区土中的杂质和石砾,每盆放置矿区土壤3.33 kg,加入基施肥料并混匀,每盆肥料施用量为尿素0.70 g,过磷酸钙3.65 g,硫酸钾1.55 g。保水剂质量分数分别设置为0(CK)、0.15%(A1)、0.30%(A2)、0.45%(A3)、0.60%(A4)及0.90%(A5),共6种,每个处理设3个重复。将花盆上部2/3的土壤与相应用量的保水剂混合,紫花苜蓿种子撒播在该层混合土壤之上,最后覆盖一层约2 cm厚的土壤并压实,浇足水,待紫花苜蓿正常生长后,于2016年7月—2016年9月进行干旱胁迫试验。试验开始后浇1次透水,之后不再浇水,每天观察并记录。

1.2.2 指标测定 采用MPM-160B手持式土壤水分测定仪测定不同胁迫时间的土壤含水率(SRWC);采用Li-6400P光合测定系统(Li-Cor,美国)测定植物的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等生理指标,选用2 cm×3 cm标准叶室进行测量,测定时选择生长状况良好、生长状况尽可能一致的叶片,测量的叶片面积约为5 cm2,选择晴天10：30―12：00进行测定,自然光照,每个处理3个重复。计算叶片水分利用效率(WUE)。对植物叶片进行随机取样,使用分光光度法测定叶片的叶绿素总量。

测定植物的生存期,植株生存期为干旱胁迫开始到植株顶芽枯死的时间;试验结束后,采用整株收获法,于105℃杀青15 min,90℃烘干至恒质量,分别称量植株地上部分和根的干质量,计算生物量及根冠比;盆栽土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定,全氮采用凯氏定氮法测定,全磷采用氢氟酸 高氯酸消化 钼锑抗比色法测定,全钾采用氢氧化钠碱熔火焰光度法测定,速效氮、速效磷均采用全自动化学分析仪测定,速效钾采用乙酸铵浸提 火焰光度法进行测定。土壤水分测定和土壤采集均在含有保水剂的土层。

1.2.3 数据分析 测定数据采用SPSS 22.0软件进行方差分析,采用LSD多重比较法进行各处理间差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同质量分数保水剂对紫花苜蓿存活期的影响

观察统计结果表明：不同质量分数保水剂的处理随干旱持续出现症状不同,存在较大差异。对照组出现胁迫症状较严重且时间较早,A2、A3受胁迫程度较轻。如表1所示,各处理存活时间表现为：A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,处理组较对照组存活时间延长6.16% ～35.05%。经方差分析,除 A3外,A2与其余各处理均存在显著差异。

表1 不同质量分数保水剂对紫花苜蓿存活期的影响Tab.1 Effects of different concentrations of SAP on the survival time of Medicago sativa

2.2 不同质量分数保水剂对土壤含水率的影响

结果(图1)表明随胁迫时间延长,土壤含水率呈下降趋势。A1、A2、A3及对照组在胁迫开始12 d时,土壤含水率大幅下降,此时A4下降缓慢,A5基本保持平稳;与胁迫开始时相比,A1、A2、A3及对照组在胁迫开始20 d时土壤含水率下降约50%,随后下降幅度明显减小;A4及A5分别在胁迫开始后24 d,32 d时土壤含水率几乎降至最低。与胁迫开始时相比,各处理在胁迫结束时土壤含水率下降值依次为：A5(23.20%)＜A4(23.93%)＜A3(24.50%)＜A2(24.73%)＜A1(25.17%)＜CK(25.43%)。与对照相比,添加保水剂的处理土壤含水率提高1.04%～8.78%,可见施用保水剂能够减少土壤水分的蒸发,保持土壤水分。

图1 不同质量分数保水剂处理土壤含水率变化Fig.1 Changes of soil moisture content under different concentrations of SAP

2.3 不同质量分数保水剂对土壤养分的影响

由表2可知：与对照组相比,多数添加保水剂的处理其有机质质量分数发生明显下降,下降值为2.45%～10.03%。土壤全氮质量分数高低次序为A2=A3＞A1＞A4＞A5＞CK、全磷A2＞A3＞A1＞A5＞CK＞A4、全钾A2＞A1＞A3＞A4＞A5＞CK,与对照相比分别提高13.40% ～35.54%、2.61% ～18.93%和8.53%～15.89%。各处理土壤速效氮质量分数高低次序为A3＞A4＞A2＞CK＞A5＞A1,速效磷为A3＞A2＞A1＞A4＞A5＞CK,速效钾为A4＞A2＞A3＞A5＞A1＞CK,与对照相比分别提高5.88% ～47.02%、17.88% ～101.73%和12.5% ～31.55%。综合来看,A2、A3及A4处理对土壤速效养分保蓄效果较好。

表2 不同质量分数保水剂对土壤养分的影响Tab.2 Effects of different concentrations of SAPon soil nutrients

2.4 不同质量分数保水剂对紫花苜蓿光合特性的影响

如图2所示：整个胁迫试验期间,紫花苜蓿各处理Pn、Tr及Gs对土壤水分趋势响应规律相似,随土壤含水率减小,Pn、Tr及Gs先增大后减小。Pn、Tr及Gs均在胁迫开始12 d左右逐渐下降,A2及A3处理Pn下降幅度较缓,其他处理大幅下降。随土壤含水率减小,Ci先增大后减小,在胁迫后期,Ci又急剧增大。处理A2、A3分别在胁迫开始28 d、24 d,其他处理在胁迫开始20 d左右Ci值急剧增大。

各处理间 Pn、Tr、Gs、Ci及 WUE 大小关系均为A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK;其中,A2、A3处理Pn、Tr、Gs均与对照有显著差异,Ci值A2处理与对照有显著差异。与对照组相比,添加保水剂的各处理Pn、Tr、Gs、Ci及 WUE 分别增长 8.94% ～ 96.96%、5.64% ～61.12%、14.17% ～135.05%、14.85% ～49.71%和1.08% ～16.48%。干旱胁迫前期,Pn上升速率大于Tr,WUE持续增大。除A2外,其他各组随干旱胁迫程度的增强,WUE下降幅度较大,说明干旱胁迫后期Pn下降幅度显著大于Tr,水分胁迫降低了紫花苜蓿叶片的光合强度,严重影响了其正常能量生产和传递。A2处理下紫花苜蓿在干旱胁迫后期仍有较高的水分利用效率,与其他各组有显著差异。

由图3可知：添加保水剂的处理叶片叶绿素质量分数显著高于对照组,各处理叶绿素总量整体呈下降趋势。在胁迫20 d内,叶绿素质量分数变化较缓;在胁迫20 d起至胁迫结束,叶绿素质量分数大幅下降。添加保水剂的各处理叶绿素质量分数下降幅度高低表现为A4＞A5＞A1＞A2＞A3,下降幅度分别为 87.97%、87.51%、84.71%、83.96% 和77.86%,对照组下降幅度最大,为88.81%。叶绿素总量大小关系为A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,添加保水剂各处理较对照组增加9.48%～30.29%。A2与A4、A5和对照组差异显著(P＜0.05)。

2.5 不同质量分数保水剂对紫花苜蓿生物量、根冠比的影响

试验结果(表3)表明,不同处理间生物量、根冠比总体差异显著,生物量大小表现为：A2＞A3＞A1＞A4＞A5＞CK,添加保水剂的各处理生物量均高于对照组,较对照组增加17.01% ～61.96%,其中A2与其他各处理差异显著。除A5以外,其他各组根冠比均与对照有显著差异,对照组根冠比显著大于试验组。

图2 不同质量分数保水剂处理紫花苜蓿光合气体交换参数变化Fig.2 Changes of photosynthetic gas exchange parameter of Medicago sativa under different concentrations of SAP

图3 不同质量分数保水剂处理紫花苜蓿叶绿素质量分数变化Fig.3 Changes of chlorophyll content of Medicago sativa under different concentrations of SAP

3 结论和讨论

本研究结果表明,随干旱时间延长,对照组较早出现胁迫症状,添加保水剂时紫花苜蓿存活时间较长,A2、A3处理对其生存期延长效果较为显著。

施用保水剂可使土壤含水率增加,土壤水分下降速率降低。这是因为施用保水剂后,土壤中毛管孔隙度增加,使得土壤毛管持水量增加,且土壤团聚体含量增加,土壤水分蒸发减少。相关研究表明,保水剂能促进土壤团粒结构形成,改善土壤通透性,减少土面蒸发,增加土壤孔隙持水量[12]。与对照相比,添加保水剂的处理中多数有机质质量分数下降,且土壤中速效养分质量分数增加,这可能是由于保水剂施用于土壤,在一定程度上能够改善土壤结构及水热状况,使土壤微生物数量和活性增加,土壤中有机物更易分解矿化,因此有机质质量分数降低。刘世亮等[13]的研究曾得出类似结论。多数施用保水剂的处理土壤速效养分质量分数显著高于对照组,说明保水剂对土壤养分有较好的保蓄作用,也可能是由于保水剂的施用使得土壤孔隙度增大,根系分泌物增加,促使土壤中缓效养分分解释放,因而速效养分质量分数增加[14]。紫花苜蓿是一种固氮植物,对土壤速效氮有较好改良作用[15],保水剂的施用促进了紫花苜蓿生长,同时促进了速效氮的积累。保水剂在土壤中的最终分解产物会释放出部分氮素,增加土壤中总氮及速效氮质量分数,这也是土壤中速效氮质量分数增加的原因之一。添加保水剂的处理全磷、速效磷和全钾、速效钾与对照相比均有不同程度的提高,原因可能是保水剂对K+及NO3-具有较强的吸附作用,因此土壤中养分流失量降低[16]。本试验用土为矿区废弃地土壤,其有机质质量分数较高,但速效养分质量分数较低。试验证明,添加保水剂能够改良矿区土壤养分质量分数,有助于植被恢复。

表3 不同质量分数保水剂对紫花苜蓿生物量和根冠比的影响Tab.3 Effects of different concentrations of SAP on the biomass and root/shoot ratio of Medicago sativa

保水剂对土壤水分、养分的改善显著表现在植物生理生态指标方面。试验表明：加入保水剂的处理较对照组光合作用强度均有不同程度的提高,说明保水剂能够缓解干旱胁迫对植物的伤害,提高植物光合作用强度,其中A2各项指标均高于其他处理。有研究表明,干旱胁迫会导致叶片气孔关闭,严重时甚至损伤叶肉细胞、降低光合酶的活性,使植物光合速率降低[17]。另有研究表明：Pn的降低有气孔限制和非气孔限制两方面因素,当Pn和Ci变化方向相同,两者同时减小,Pn下降主要是由气孔限制引起,否则Pn的下降要归因于叶肉细胞羧化能力降低[18]。本次实验结果表明：干旱胁迫后期,紫花苜蓿胞间CO2浓度与净光合速率变化趋势相反,Ci值随干旱胁迫时间延长而增大,这说明重度干旱胁迫下净光合速率降低主要是由叶肉细胞光合活性下降引起的,非气孔限制起主要作用,此时紫花苜蓿发生了光合作用由气孔限制向非气孔限制的机制转变。且A2、A3处理发生机制转变的时间晚于其他处理,说明该浓度保水剂处理能够缓解干旱胁迫对叶肉细胞造成的伤害,实验结论与前人的研究结论一致[5,19]。干旱会对植物叶绿体造成伤害,不仅影响叶绿素合成,而且导致已形成的叶绿素分解加速,造成叶片中叶绿素质量分数降低[20]。试验结果表明,添加保水剂处理的叶绿素总量整体高于对照组,说明保水剂能减少叶绿素在干旱胁迫条件下的破坏与分解,有利于光合作用进行,其中A2处理效果较好,与植物光合气体交换参数结论一致。保水剂对植物光合强度及叶绿素质量分数均有提高,可能是由于保水剂对土壤水分、养分含量有所改善,从而间接提高了植物的生理活动强度。试验各处理根冠比均低于对照,说明土壤含水率较低时会刺激根冠生长,以扩大根系吸收面积,有利于植物吸收土壤中的水分及营养物质。这与杨永辉等[21]和林武星等[22]的研究结果一致。紫花苜蓿光合指标及生物量最优处理与土壤养分基本一致,进一步说明保水剂对土壤养分的改善有利于植物生长,且对土壤养分与生长状况的改善是同步的。

本研究发现：施用保水剂能够改良土壤,使紫花苜蓿生理、生长指标增强;但并非施加保水剂浓度越大,效果越好,这可能是由于保水剂浓度过高会影响土壤结构,造成土壤板结,水分分配能力下降,植物不能有效利用水分,从而使其生长受阻,这与前人研究结果一致[23]。

4 结论

1)综合不同质量分数保水剂对于各指标的施用效果及经济因素,建议在矿区废弃地紫花苜蓿种植中施用保水剂质量分数为0.30%～0.45%。保水剂的施用能够延长紫花苜蓿的存活时间,存活时间最大值出现在A2、A3处理,最优处理比对照延长14.29% ～35.05%。

2)保水剂的施用能够有效改善土壤水分、养分状况。添加保水剂的处理土壤含水率增加,土壤水分下降速率降低,土壤含水率随保水剂质量分数增大而增加。保水剂的施用能够有效保蓄土壤养分,土壤全氮、全磷和全钾质量分数最大值出现在A2处理,与对照相比分别增加35.54%、18.93%和15.89%;土壤速效氮及速效磷质量分数最大值出现在A3处理,与对照相比分别增加47.02%和101.73%;土壤速效钾质量分数最大值出现在A4处理,与对照相比增加28.57%。综合来看,A2、A3、A4处理对土壤养分改善效果较好,且保水剂对速效养分质量分数改善效果比全效养分更好。

3)紫花苜蓿净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水分利用效率及叶绿素质量分数最大值均出现在A2处理,分别比对照增加96.96% 、61.12% 、135.05% 、49.71% 、16.48% 和30.29%,随保水剂质量分数增大各指标值减小,但仍大于对照组。保水剂的施用能够使紫花苜蓿生物量增加,根冠比减小。生物量最大值出现在A2处理,较对照增加61.96%,随保水剂质量分数增大而减小。保水剂通过影响土壤水分、养分状况间接改善植物的生理生态状况,缓解干旱胁迫对叶肉细胞造成的伤害,提高紫花苜蓿的光合作用强度和水分利用效率,减少叶绿素破坏分解,从而减轻水分胁迫对植物生长的影响。