不同土壤改良措施对苏北盐碱地薄壳山核桃生长的影响1)

2022-08-04刘京马洁怡张金池马仕林王宇浩聂晖曹鹏翔

东北林业大学学报 2022年7期

刘京马洁怡张金池马仕林王宇浩聂晖曹鹏翔

(南京林业大学，南京，210037)(江苏盐城大丰林场)

土壤盐碱化作为世界性土壤退化问题，在我国北方干旱半干旱及滨海平原地区尤为严重[1]。江苏省海岸线长达954 km，沿海滩涂以1 300 hm2/a的速率淤涨[2]，这些滩涂(盐碱土)作为土地的后备资源，合理改良和利用沿海盐碱土对农林生态的发展具有重要作用。由于盐碱地土壤结构较差、营养匮乏，利用效率低。随着高浓度离子向土壤表层聚集，土壤理化性质改变，植物受到盐碱渗透胁迫、离子毒害和氧化胁迫，进而造成植物生理干旱及代谢紊乱，导致植物营养不良甚至死亡[3]。目前盐碱土改良措施主要集中在水利、农技、化学和生物等领域[4]，因此通过生物技术措施改良滨海盐碱地，实现土地资源的充分利用具有重要意义[5]。

薄壳山核桃(Caryaillinoinensis)作为材果两用树种[6]，兼具经济价值和生态价值，提高其在盐碱地中的生产力成为苏北海防林建设新的切入点。秸秆和生物炭作为天然有机改良物料，提供的有机碳源及各种元素在保障苗木养分需求的同时，能够改善养分循环，提高植物的光合效率，促进植物干物质合成[7]；同时秸秆隔离层能阻止地下水中盐分随毛管水上行[8]，降低植物根际土壤含盐量。而生物炭的多孔结构能吸附盐分，加快土壤脱盐速率[9]，提高土壤的通气透水性[10]和保持活化养分的作用[11]，为植物根系发育提供生长空间和调控土壤微生态[12]。此外，接种丛枝菌根真菌(AMF)作为生物改良土壤的措施，被证明可以直接影响植物的生理生化代谢过程，有效缓解盐胁迫对植物的伤害[13-14]，因此，丛枝菌根真菌和宿主植物的有机结合将有助于滨海盐碱地的生态修复。现有研究多通过盆栽试验探究生物炭、秸秆、AMF对土壤和植物的改良效用[15-16]，缺乏协同效应及田间试验验证。本研究以薄壳山核桃为试验对象，探究不同土壤改良措施对薄壳山核桃叶片生理生化指标的影响，为苏北地区盐碱地改土措施的选择与提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试地点

研究区位于江苏省东南部，长江三角洲北翼的大丰区(32°56′～33°36′N，120°13′～120°56′E)。区域气候为北亚热带季风气候，冬季温暖，夏季湿热，四季相对分明。该区年均气温14.5 ℃，年均降水量1 042.2 mm，无霜期230 d。土壤为典型的粉砂淤泥质海岸盐渍土，含有大量的可溶性盐。

1.2 试验材料与试验设计

试验材料包括生物碳、秸秆和菌剂。生物炭选用热解和碳化成的粉末状稻壳炭，秸秆由大丰林场提供，摩西斗管囊霉(Glomusmosseae)菌剂(AM)由北京农林科学院植物营养与资源研究所提供。对黄沙基质高温(121 ℃)高压(140 kPa)灭菌2 h，利用玉米和三叶草在黄沙基质上繁殖AM菌株，3个月后得到孢子混合物(包括感染的根碎片、菌丝和沙子)作为接种菌剂。

在江苏省盐城大丰林场进行田间试验，设置5个土壤改良措施分别为：添加生物炭、添加生物炭和菌根真菌菌剂、添加秸秆和菌根真菌菌剂、添加秸秆、添加菌根真菌菌剂。各处理分别为：对照(CK)、添加生物炭(BC)、添加生物炭和菌根真菌菌剂(BC_AM)、添加秸秆和菌根真菌菌剂(ST_AM)、添加秸秆(ST)、添加菌根真菌菌剂(AM)。每种处理18棵，共计108棵。薄壳山核桃在2018年春季播种，生物炭与土壤充分混匀施于苗木周围，秸秆置于地表下主根区40 cm处，以抑制盐分上移；菌剂施于苗木根际，生物炭、秸秆、菌剂混合物每棵苗木施加量均为0.5 kg。

1.3 样品采集和指标测定

分别于2018年7月(一期)、2019年10月(二期)进行野外调查采样，每种处理样地随机选取健康状况良好、长势基本一致的薄壳山核桃3棵作为重复，采集健康无病虫害的成熟功能叶叶片和根放入自封袋并标记样品编号带回实验室，用于各相关生理指标的测定。用游标卡尺和卷尺测定幼苗的地径和苗高，并计算苗高和地径的生长速率。

叶绿素质量分数采用分光光度法[17]测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用氮蓝四唑法[18]，过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法[18]，过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用过氧化氢法[19]，丙二醛(MDA)质量分数的测定采用硫代巴比妥酸法[18]。可溶性糖(SS)质量分数采用蒽酮比色法测定[19]，可溶性蛋白(SP)质量分数采用考马斯亮蓝G-250比色法测定[20]，根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[18]。

1.4 数据处理

采用Excel2016整理数据，SPSS 20.0软件对数据通过单因素方差分析，样本间的差异显著性用Duncan法检验，并分析叶片抗氧化酶活性、渗透调节物质及根系活力与苗木生长的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤改良措施对薄壳山核桃生长的影响

由表1可知，在ST_AM和BC_AM两种处理下，薄壳山核桃的苗高增长率显著高于CK(P<0.05)，幅度分别为70.11%、38.60%。其中，ST_AM处理的植株苗高增长率显著高于ST、AM处理(P<0.05)，幅度分别为45.51%、67.26%；BC_AM处理的植株苗高增长率显著高于BC、AM处理(P<0.05)，幅度分别为28.10%、36.27%。5种土壤改良处理下的薄壳山核桃地径增长率均显著高于CK(P<0.05)。其中，ST_AM处理与ST、AM处理相比，ST_AM处理的植株地径增长率升高了20.55%、41.76%(P<0.05)；BC_AM处理与AM处理相比，BC_AM处理植株的地径增长率提高了24.33%(P<0.05)；但BC_AM与BC处理间地径增长率差异不显著(P>0.05)。此外，ST_AM处理下的薄壳山核桃苗高及地径增长率显著高于其他各处理(P<0.05)，与其他4种处理相比，AM处理对植株苗高和地径增长率的影响较小。

表1 薄壳山核桃生长指标

2.2 土壤改良措施对薄壳山核桃叶绿素质量分数的影响

由表2可知，一期各处理的叶绿素质量分数差异不大；二期各处理与CK间差异变大。二期与一期相比，除ST_AM处理外，二期薄壳山核桃叶片叶绿素质量分数均低于一期；ST_AM、BC_AM、ST、BC处理的叶片叶绿素质量分数显著高于CK(P<0.05)，幅度分别为153.40%、82.98%、68.93%和16.13%，ST_AM处理对薄壳山核桃叶片叶绿素质量分数提升幅度最为显著(P<0.05)。其中，两种混合处理措施对薄壳山核桃叶片叶绿素质量分数的影响显著高于BC、ST和AM处理(P<0.05)。ST_AM处理的植株叶片叶绿素质量分数比ST、AM处理分别升高了50.00%、118.20%；BC_AM处理，植株叶片叶绿素质量分数比BC、AM处理分别升高了43.75%、57.56%，且差异显著(P<0.05)。

2.3 土壤改良措施对薄壳山核桃抗氧化系统的影响

由表3可知，改良一期各改土措施叶片过氧化物酶(POD)活性比CK处理有显著提升(P<0.05)，除AM处理外，其余4种处理的过氧化氢酶(CAT)活性显著升高(P<0.05)。二期各改良处理下植株叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性均显著高于CK(P<0.05)，二期叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)质量分数变化比一期更显著(P<0.05)。ST_AM、BC_AM处理，植株叶片过氧化氢酶(CAT)活性显著高于CK(P<0.05)，分别上升了184.48%、120.31%。ST_AM处理，薄壳山核桃叶片各抗氧化酶活性显著高于ST、AM处理(P<0.05)。叶片丙二醛(MDA)质量分数和抗氧化酶活性对土壤改良措施表现出相反的效应，二期BC_AM、ST_AM、BC、ST、AM处理，薄壳山核桃叶片丙二醛(MDA)质量分数均显著低于CK(P<0.05)，幅度分别为65.90%、53.40%、39.73%、28.92%、17.97%。其中，ST_AM处理的薄壳山核桃叶片丙二醛(MDA)质量分数低于ST、AM处理；BC_AM处理的薄壳山核桃叶片丙二醛(MDA)质量分数低于BC、AM处理，差异均达到显著水平(P<0.05)。5种改良措施中，ST_AM处理对薄壳山核桃叶片抗氧化酶活性的影响最为显著(P<0.05)；BC_AM处理对植株叶片丙二醛(MDA)质量分数的影响最为显著(P<0.05)。

表2 不同土壤改良措施的薄壳山核桃叶片叶绿素质量分数

表3 不同土壤改良措施的薄壳山核桃叶片抗氧化酶活性及叶片丙二醛的质量分数

2.4 土壤改良措施对薄壳山核桃渗透调节系统的影响

由表4可知，一期薄壳山核桃叶片可溶性糖、可溶性蛋白质量分数无显著性差异(P>0.05)；二期叶片可溶性糖、可溶性蛋白质量分数相比一期均有显著提升(P<0.05)。二期除AM处理外，其余土壤改良措施的薄壳山核桃叶片可溶性蛋白一期均显著高于CK处理(P<0.05)；各处理间叶片可溶性糖一期无显著差异(P>0.05)。ST_AM处理的植株叶片可溶性蛋白二期比一期提升幅度最大，显著高于ST、AM处理(P<0.05)，幅度分别为18.43%、92.30%，BC_AM处理的植株叶片可溶性蛋白一期显著高于BC、AM处理(P<0.05)，幅度分别为29.95%、77.99%。

表4 不同土壤改良措施的薄壳山核桃叶片可溶性糖、可溶性蛋白的质量分数

2.5 土壤改良措施对薄壳山核桃根系活力的影响

由表5可知，一期薄壳山核桃根系活力无显著变化(P<0.05)。二期与一期相比，除ST处理外，各处理根系活力均显著提升(P<0.05)。二期ST_AM、BC_AM、AM处理的根系活力显著高于CK处理(P<0.05)，幅度分别为64.26%、30.79%、40.86%。ST_AM处理显著高于ST、AM处理(P<0.05)，幅度分别为45.20%、16.61%。

表5 不同土壤改良措施对薄壳山核桃根系活力的影响

2.6 不同土壤改良措施下各生理生化指标对树木生长的影响

由表6可知，苗木生长指标(苗高、地径)与叶片抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶)和渗透调节物质(可溶性糖、可溶性蛋白)呈明显正相关关系，与丙二醛的质量分数呈明显负相关关系。

表6 叶片抗氧化酶活性、渗透调节物质和根系活力对薄壳山核桃生长的影响

3 讨论

盐胁迫对植物最直观的干扰就是抑制生长，通常会表现为植株矮小、生长停滞、产量降低等[21]。文冠果遭受盐胁迫时，幼苗存活率、株高和基径、不同部位生物量均显著降低[22]，银杏幼树也有类似的研究结果[23]。主要原因一是土壤中过高的盐含量造成的渗透压威胁植物新陈代谢；二是土壤中高浓度离子的离子毒害作用[24]。土壤改良后薄壳山核桃的生长和生理指标与CK相比显著提高(P<0.05)，说明改良措施缓解了薄壳山核桃受到的盐胁迫伤害。

菌剂能提高宿主植物的耐盐性，降低盐害指数[25]。本研究以苗高、地径增长率为生长指标，5组处理均能显著增加薄壳山核桃地径，BC_AM和ST_AM处理显著增加植株苗高。菌剂改良效果较为明显的指标是根系活力，施用菌剂的三组处理的薄壳山核桃根系活力均显著高于CK(P<0.05)。根系是最早感知盐胁迫信号并做出应激反应的器官，较高的根系活力是耐盐植物抵御盐胁迫的重要因素[26]。菌剂能够改变根系中可溶性糖、丙二醛的质量分数等，调节根系渗透压，缓解生理性缺水，通过宿主植物根系菌丝的生长扩大吸水吸肥范围，维持根际微水势梯度[27]。

施用秸秆和生物炭等含碳物料可以改善滨海盐土的物理性状，同时活化土壤或植物残渣中的速效养分，对盐碱土的改良利用及作物生长有积极的影响[28]。本研究中，施用秸秆、生物炭均能促进薄壳山核桃叶片叶绿素的积累，增强了薄壳山核桃在盐碱环境中的生存竞争力。秸秆改良叶绿素效果显著，因为秸秆中适量养分更利于植株生长，加快了根系部位细胞分裂素的合成[29]，从而提高叶绿素质量分数。本研究中，二期叶绿素有整体下降的趋势，原因是取样季节的影响导致叶片光合酶活性受水分亏缺的影响而下降，光合器官活性下降，降低了光合速率[30]。

抗氧化能力是植物抗逆性的关键要素，抗氧化能力与脂质过氧化作用对环境胁迫下植物生长和生理功能具有重要影响[31]。本研究表明，5组处理均能降低丙二醛(MDA)的质量分数，提高叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性以及可溶性糖、可溶性蛋白的质量分数，其中ST_AM对抗氧化系统改良效果最优，BC_AM处理减轻膜脂过氧化损伤的效果更好。可溶性糖和可溶性蛋白在逆境中能通过保持细胞膨压提高保水能力，缓解因盐离子大量进入细胞和植株失水带来的伤害及次生伤害，可溶性糖和可溶性蛋白质量分数与植物的耐盐性呈正相关[32]，但逆境胁迫下蛋白质合成受到抑制并诱导蛋白质的降解，使可溶性蛋白质量分数降低[33]。本试验中，二期可溶性糖和可溶性蛋白质量分数比一期均有显著提升，二期除AM处理外，各处理的可溶性蛋白质量分数均显著高于CK。说明在研究样地条件下施用土壤改良措施后，植物叶片可溶性蛋白应对盐胁迫的调节能力更大，原因是可溶性糖作为能源物质能提供合成新蛋白质所需碳架。

秸秆还田后在腐熟过程中产生如多糖、蛋白质等碳水化合物，从而加强土壤微生物活性[34]，显著提高土壤有机质质量分数，同时提高丛枝菌根真菌的丰富度[35]。丛枝菌根真菌的生长也能促进麦秆还田土壤中蛋白酶、脲酶等与土壤碳氮转化相关的胞外酶的分泌[36]和根际微生物的繁殖、定殖和代谢活性，加快植物根系周围含碳氮有机化合物的水解与转化，提高秸秆中氮素的释放[7]，而秸秆降解能为提供更多的养分。因此，本研究中秸秆与菌剂混施对土壤的改良效果优于单一措施。生物炭能提高土壤中丛枝菌根真菌的侵染率[37]，两者能协同调节土壤微生物与硝化、反硝化相关的基因[38]，影响土壤氮循环。生物炭还能通过调控根系形态和植株含磷量来促进植株对磷的吸收[39]。生物炭促进根际有益菌定殖能力[40]，而且与微生物菌剂结合后能增大土壤活性区域和土壤水中的氧浓度[41]，因此，生物炭与菌剂交互作用显著提高植物的光合特性。

综上所述，5种土壤改良措施施用后，植物通过调节自身抗氧化和渗透调节系统有效降低叶片膜质过氧化程度，从而延缓叶片衰老进程并提高根系活力。其中，ST_AM措施比BC_AM措施对植物生长的影响更显著，这是由于秸秆铺设形成了隔离层，不仅改变了原有土壤性质，而且很好地起到了持水压碱的作用，为薄壳山核桃的生长创造了有利的土壤环境。