不同植生基质配比对宽叶雀稗种子萌发及幼苗生理的影响

曾思毅，孙 娜，秦雪龙，蔡丽平，梁锋娜，靳 城，于 乐，侯晓龙

（1. 福建农林大学林学院, 福建 福州 350002；2. 南方红壤区水土保持国家林业局和草原局重点实验室, 福建 福州 350002；3. 海峡两岸红壤区水土保持协同创新中心，福建 福州 350002）

随着社会经济快速发展，资源开采、基础设施建设等生产建设项目增多，在南方地区形成大量边坡，造成土壤松散、抗蚀性低，极易发生严重的水土流失，甚至造成崩塌滑坡等地质灾害[1]，导致生态环境恶化，对区域社会经济产生严重威胁，严重影响当地人们生活和生产活动，甚至生命财产安全[2]，因此边坡治理成为该区域生产建设工程和生态文明建设急需解决的重要生态问题。

当前边坡治理主要有工程措施、植物措施和生物措施与工程措施相结合的复合措施[3]，植物措施一般只适用于坡度较缓、立地条件良好的边坡上，可直接在坡面植树种草[4]，而大多数的高陡坡、石质性边坡、质地坚硬的边坡上植物难以直接定植或生长[5]，此类边坡大多采用锚杆、锚索、抗滑桩等稳定固定工程和挡土墙、砌石、喷水泥浆等硬质坡面防护工程[6]，硬质坡面防护工程稳定性和防护效果好，但成本高，且缺乏生态效益[7]。为此当前生产上大多提倡因地制宜，采用工程措施与植物措施相结合的复合型措施。复合型措施既能加固边坡稳定性，又可提高边坡生态效应[8-9]。然而高陡坡、石质性边坡、质地坚硬的边坡缺乏植物定居的土壤环境，需要通过植生工程创造使植物能够在高陡的硬质坡面生长的环境[4]。而喷混植生技术是当前在边坡治理中被广泛应用的复绿技术，是植生工程的核心技术，通过植物在基质上生长发育后与坡面形成一个统一的护坡体系，从而达到加固与绿化坡面的作用，将工程与生态紧密结合[10]，具有施工快、需要的人力少等较高的经济效益和生态社会效益[11-12]。

喷混植生技术的核心之一是植生基质[13]，植生基质应具有极强的抗干旱能力，以及植物生长的养分供应能力和通气条件，才能保证植物在其上生长[14-16]。植生基质主要由土壤、有机质材料、固结剂、保水剂、肥料、水、植物种子等按一定比例混合组成[5,13,17]，而其中有机质材料、保水剂直接关系到基质的保水性能，是决定植物能够在基质中植物种子萌发的关键性因素。理想的植生基材应既要符合植生工程技术要求，又要来源广泛、成本低廉[16]，从而降低植生工程成本。近些年，食用菌人工栽培技术快速发展，每年有大量废弃菌渣，对环境造成一定的影响，废弃菌渣的主要成分为富含纤维有机质材料，而且食用菌培养过程残留大量的营养成分，其养分较高、保水能力良好[18-20]，菌渣是已经粉碎的有机质材料，不需要再处理，可以直接利用，是植生基材中非常良好的有机质成料。喷植的植生工程中含有植物种子的喷播基质往往喷播厚度仅3～5 cm，为增加基质的保水性，需添加保水剂以提高抗干旱能力，基质的保水能力直接影响植物种子萌发与幼苗生长。目前关于菌渣在喷混植生中应用的研究较少，其合适用量及其与保水剂复合对植物萌发影响尚不清楚，而这是探索菌渣在植生工程中成功应用的关键。

宽叶雀稗(Paspalum wettsteinii)为多年生禾本科雀稗属草本植物，生长速度快，分蘖能力强，根系发达，对干旱、土壤瘠薄、酸性土壤等恶劣条件表现出较强的适应性[21-22]，因此在我国南方地区得以推广应用，在水土保持、改善地区恶劣生态环境等方面发挥着重要作用[23-24]，已经成为我国南方水土流失、边坡治理中被广泛应用的草种，是植被恢复中理想的先锋草本植物[25]。但以菌渣为有机质材料的植生基质对植物种子的萌发生长尚不清楚，因此，本研究选择菌渣作为喷混植生基质的有机质材料，以南方水土保持先锋草本植物宽叶雀稗为植生植物材料，配置不同土壤与菌渣比例，添加不同粘结剂的植生基质，研究不同基材配比对宽叶雀稗种子萌发生长的影响，得出适宜植物护坡工程中宽叶雀稗生长的基材配比，以期为边坡治理选择基质方案提供可行性思路，也为南方的生态条件和生态景观恢复提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用宽叶雀稗种子购买于福建厦门三水园林公司，试验基质中的菌渣来源于福建农林大学菌草所食用菌培养的废弃菌棒，粘结保水剂采用聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAM)，购自北京金元易生态环境股份有限公司。

1.2 试验设计

试验在福建农林大学校田间实验室内进行，试验前先将宽叶雀稗种子在浓度为0.3%的高锰酸钾溶液中浸泡30 min，之后将种子用纯水清洗干净并浸泡于纯水中24 h，供试验备用[26]。萌发试验基质采用不同基材组成按不同比例充分混拌均匀作为植生基质，基材组成为土壤 : 菌渣配比 + PAM + 水泥 + 肥料 + 水，试验设计5个土壤 : 菌渣配比(4 : 0、3 : 1、2 : 2、1 : 3、0 : 4)和4个不同PAM添加量(0、0.5%、1.0%、2.0%)，采用双因素多水平完全随机试验设计，每种处理的其他成分相同，水含量50 kg·m-3，肥料采用复合肥(N : P : K = 1 : 1 : 1 = 15%)，施用量为1 g·kg-1，水泥含量为基质的3%，试验共计20种处理，具体基材配比设置如表1所列。

表1 基材配比设计Table 1 Base material ratio design

按照上述相同试验设计处理，配置不同植生基质，采用花盆(直径23 cm，高20 cm)作为发芽试验容器，发芽培养基质环境模拟喷混植生土壤环境，底部为土壤、面层为试验植生基质，在花盆下部放入10 cm的土壤作为底土，将含有宽叶雀稗种子的不同处理植生基质搅拌均匀后置于底土上方，植生基质厚度为5 cm，每盆基质中含80颗种子，每个处理重复3盆。试验期浇水保持湿润，每日观察记录发芽生长情况。

1.3 测定指标

1.3.1种子发芽生长指标测定

在发芽试验期间，每日观察记录宽叶雀稗发芽情况，直至发芽稳定后7 d，并计算其发芽率、发芽势、发芽趋势；发芽试验结束后，收获宽叶雀稗叶片，使用游标卡尺和电子天平对其苗高和生物量进行测定，并由此计算其发芽指数和活力指数。

发芽率(germination percentage,GP) = 发芽种子数/供试种子数 × 100%；

发芽势(germination energy,GE) = 发芽高峰期时发芽种子数/供试种子数 × 100%；

式中：Gt为时间t的发芽数，Dt为相应的发芽天数，S为幼苗鲜重。

1.3.2幼苗生理指标测定

在发芽期结束后，收集幼苗叶片进行幼苗生理指标测定。叶绿素含量采用乙醇丙酮法[27]测定。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性采用核黄素-NBT法测定，过氧化氢酶(catalase, CAT)活性采用紫外吸收法测定，过氧化物酶(peroxidase, POD)活性采用愈创木酚法测定[28]；丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法测定[29]；可溶性蛋白含量(soluble protein, Spr)采用考马斯亮蓝法进行测定[30]。

1.4 数据统计与分析

采用 Excel 和SPSS 21.0对试验数据进行统计分析，采用 SPSS 软件进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(Duncan)，为便于比较不同基材配比下宽叶雀稗种子发芽生长情况，在5种土壤 : 菌渣配比的基材中设置不同 PAM 添加量进行对比。图表中方差分析数据均使用 3 个重复的平均值分析并用Origin 64作图。

2 结果与分析

2.1 不同植生基材配比对宽叶雀稗种子萌发的影响

2.1.1对宽叶雀稗种子发芽过程的影响

不同PAM添加量、土壤 : 菌渣比例均对宽叶雀稗种子的发芽过程有影响(图1)。不同土壤 : 菌渣配比对初期(第1 - 5天)的宽叶雀稗种子萌发影响较小，不同配比之间的萌发率差异小，中期(第6 -15天)种子快速萌发期，不同配比之间萌发率差异明显，后期(第16天之后)较少萌发，基本停止。PAM添加量对宽叶雀稗种子的发芽过程影响与土壤 : 菌渣配比有关，当土壤 : 菌渣比为0 : 4时，PAM添加量2.0%对发芽过程具有促进作用；其余3种土壤菌渣配比，PAM添加2.0%时对种子发芽有一定的抑制作用。

图1 不同基质配比中宽叶雀稗种子发芽过程Figure 1 Germination of Paspalum wettsteinii seeds in different substrate ratios

2.1.2对宽叶雀稗种子发芽特征的影响

不同土壤 : 菌渣配比对宽叶雀稗种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均有较大影响(图2)。随着土壤 : 菌渣比减小，萌发指标总体呈上升趋势，即菌渣含量增加有利于宽叶雀稗种子萌发，土壤 :菌渣比为0 : 4时均达到最大值，但不同萌发指标存在一定差异，随着菌渣含量的增加，PAM添加量1.0%的发芽率、发芽势均上升，其余添加量的基材中发芽率和发芽势先上升后下降再大幅上升，而发芽指数总体先下降后上升。PAM添加量对种子萌发特征影响与土壤菌渣配比有关，总体上差异较小，但2.0%添加量对萌发有较明显抑制作用。

图2 不同植生基材配比对宽叶雀稗种子萌发特征的影响Figure 2 Effects of different substrate ratios on seed germination characteristics of Paspalum wettsteinii

2.1.3不同基材与宽叶雀稗种子发芽指标双因素方差分析

土壤 : 菌渣配比对发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数4个萌发指标均存在极显著影响(P＜ 0.01)(表2)，而PAM添加量和两者交互作用对萌发指标影响不显著(P＞ 0.05)。这表明土壤 : 菌渣配比对种子萌发影响显著(P＜ 0.05)，而PAM添加量和两者交互作用对种子萌发影响较小。

表2 宽叶雀稗种子发芽指标双因素方差分析Table 2 Multivariate analysis of variance of seed germination index of Paspalum wettsteinii

2.2 不同植生基材配比对宽叶雀稗萌发幼苗生长与生理的影响

2.2.1对宽叶雀稗萌发幼苗生长的影响

当土壤 : 菌渣比≥ 1时，随着菌渣比例的增加幼苗苗高显著增加(P＜ 0.05)，而幼苗鲜重随着菌渣比例增加虽然有所增加，但差异较小；当土壤 : 菌渣比＜ 1时，随着菌渣比例的增加幼苗苗高的变化较小，但幼苗鲜重则随菌渣比例增加而显著增加(P＜0.05) (图3)。添加PAM后，除土壤 : 菌渣比2 : 2的苗高差异较大外，不同处理间的差异较小，说明PAM添加对幼苗生长影响较小，除了土壤 : 菌渣比0 : 4的鲜重及土壤 : 菌渣比3 : 1，PAM 1.0%的苗高外，PAM 2.0%的苗高、鲜重均为最小。

图3 不同植生基材配比对宽叶雀稗生长的影响Figure 3 Effect of different substrate ratio on growth of Paspalum wettsteinii

2.2.2不同植生基材配比对宽叶雀稗幼苗生理的影响

不同土壤 : 菌渣比对宽叶雀稗幼苗生理具有影响，但不同指标变化特征不同(图4)。基质中添加菌渣后，叶绿素含量和POD活性呈先降低后升高的趋势；SOD活性和CAT活性在土壤 : 菌渣比相等时较高，其余比例时，菌渣的添加会降低SOD活性，而对CAT活性有一定的促进作用；MDA含量在添加菌渣后整体较未添加菌渣的处理高；随着菌渣含量的增加，幼苗可溶性蛋白含量整体呈下降趋势，而在添加菌渣的处理中PAM添加会提升可溶性蛋白含量。

图4 不同植生基材配比对宽叶雀稗幼苗生理的影响Figure 4 Effects of different substrate ratios on the physiology of Paspalum wettsteinii seedlings

2.2.3不同植生基材配比与宽叶雀稗幼苗生长指标双因素方差分析

不同基质配比与宽叶雀稗幼苗生长指标双因素方差分析(表3)表明，土壤 : 菌渣比对宽叶雀稗幼苗的鲜重、苗高、叶绿素总量、CAT、MDA、POD、SOD和蛋白8个指标均存在极显著影响(P＜ 0.01)；PAM添加量对除鲜重、苗高和叶绿素总量之外的指标影响极显著(P＜ 0.01)；两者的交互作用对鲜重和苗高影响不显著(P＞ 0.05)，对幼苗其他生理指标存在极显著影响(P＜ 0.01)。

表3 宽叶雀稗幼苗生长指标双因素方差分析Table 3 Multivariate analysis of variance of germination and growth index of Paspalum wettsteinii

3 讨论

3.1 植生基材对植物种子萌发生长的影响

植物种子萌发需要合适的环境条件，喷混植生技术的植生基材的组成及其配比直接影响植生基质的性质，进而影响植物种子的萌发与生长[31]。

研究表明，在土壤中混入不同的基材对植物种子萌发生长具有一定的影响。冯晶晶[32]使用筛分土、石砾混合配制的植生基质提高了石场迹地植被覆盖度和生长适宜性，对植被生长有促进作用；于丽双[33]试验发现，添加适量菌渣对水稻(Oryza sativa)生长有促进作用，菌渣比例过低会导致基质容重过大、孔隙度过小、基质通透性较差，不利于苗的生长，从而降低出苗率。本研究结果表明，随着土壤比例的减小和菌渣比例的增大，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、鲜重、苗高总体呈上升趋势，这可能是因为宽叶雀稗种子与基质混拌后，菌渣比例高的基质硬度小，通透性较好，且菌渣营养物质含量丰富，为种子萌发生长提供了良好的条件。多数基质栽培试验使用草炭作为有机质，白龙强等[34]在番茄(Lycopersicon esculentum)栽培试验基质中添加了草炭，提升了番茄产量，促进了番茄的生长发育，说明在基质中添加有机质对植物的萌发生长具有促进作用。本研究中加入菌渣后，促进了宽叶雀稗的种子萌发和幼苗生长，菌渣相比传统的草炭具有价格低廉和可废物利用的优点，且本研究中添加的PAM增强了基质的粘结力，松散的菌渣经过处理后在需要大量栽培植物的治理工程中更具优势。

保水剂过量添加对植物生长会有抑制作用。有研究表明PAM含量较高时会对类芦(Neyraudia reynaudiana)种子的萌发产生抑制作用[35]；侯冠男[36]发现过量的PAM会使小麦(Triticum aestivum)生长受阻，从而导致小麦减产。本研究得出，当PAM添加量为2.0%时，种子萌发受到一定抑制，这可能是PAM含量较高时，会与种子萌发竞争水分，减少种子水分摄入，进而影响种子萌发。李萍萍等[37]认为未腐熟的食用菌渣直接用作蔬菜的培育基质时，营养元素不稳定，存在蔬菜发芽率低、生长势弱、苗发黄严重等问题。本研究中添加菌渣的植生基质未发生幼苗出叶较慢等问题，原因可能是宽叶雀稗作为水土保持应用的常用草种，具有较强抗逆性，且添加了粘结保水剂、肥料，使基质具有较好的保水性，同时也具有一定的肥力，能够满足幼苗的早期生长。

3.2 植生基材对植物幼苗生理的影响

植物生理指标是评价植物生长的重要因素。在土壤中添加有机质会对植物的生理特性产生影响。有研究表明[33,38]适宜的菌渣含量会提升幼苗中超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性，而过多的菌渣含量会有一定影响，本研究中土壤 : 菌渣配比为2 : 2时的SOD和CAT活性总体上大于其余4个配比，与上述研究结论相似；土壤比例最大的处理与菌渣比例最大的处理的POD活性总体大于其余处理，说明适量菌渣的添加对幼苗POD活性有一定抑制作用。从叶绿素含量来看，通过混合泥炭、珍珠岩、木糠和土壤组成的新基质栽培出来的降香黄檀(Dalbergia odorifera)幼苗，叶绿素含量高于原本只有土壤的情况[30]，本研究相同PAM添加量条件下，土壤比例较大的基质中宽叶雀稗幼苗叶绿素含量总体大于菌渣比例较大的基质中幼苗叶绿素含量，这可能是因为菌渣含量较高虽然提高了基质中的养分含量，但是菌渣质地较轻，含量过多可能不利于根系的生长，导致叶绿素含量较低，说明光合作用较弱[39]，而本研究中各土壤 : 菌渣配比间差异不大的原因可能是添加了PAM之后减轻了菌渣质地较轻带来的影响。

添加保水剂对植物体中MDA的含量具有影响。有研究发现[40]施用保水剂可以降低烟叶(Nicotiana tabacum) MDA含量；PAM 可以增加黑麦草(Lolium multiflorum)的可溶性蛋白质的含量，降低黑麦草的丙二醛含量，改善生理抗逆性[41]。本研究在添加了PAM后，幼苗可溶性蛋白含量总体上有一定的增加；土壤 : 菌渣比为0 : 4的处理中PAM添加量对MDA影响显著，且随着PAM添加量增加，MDA含量下降，原因是随着施加量的增大，减弱了宽叶雀稗可能受到的逆境的影响，使得MDA含量降低；土壤 : 菌渣配比大的处理中MDA含量受PAM影响较小，可能是因为PAM所具有的粘结性能，对材质较松弛的菌渣效果明显，而对土壤质地紧实的处理未产生显著影响。

4 结论

植生基材配比影响宽叶雀稗种子的发芽。不同植生基材配比中宽叶雀稗种子的发芽过程具有相同趋势，不同土壤 : 菌渣配比对初期的宽叶雀稗种子萌发影响较小，中期时不同配比之间萌发率差异变大，后期萌发维持在一定的水平。土壤 : 菌渣配比对宽叶雀稗种子发芽率有显著影响，随着菌渣比例的增大，宽叶雀稗种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、呈总体上升趋势，土壤 : 菌渣0 : 4的最大，显著大于其他配比，土壤 : 菌渣4 : 0的最小。

植生基材配比影响宽叶雀稗幼苗的生长。不同植生基材配比中宽叶雀稗种子的生长指标变化具有相同趋势，土壤 : 菌渣配比对宽叶雀稗幼苗生长有显著影响，随着菌渣比例的增大，宽叶雀稗种子苗高、鲜重呈总体上升趋势，土壤 : 菌渣0 : 4的最大，显著大于其他配比，土壤 : 菌渣的最小；植生基材配比对幼苗生理指标存在影响，但不同生理指标规律不同。综合表明，菌渣含量高、PAM添加量0.5%～1.0%的基质对宽叶雀稗种子萌发和幼苗生长较理想。