羧甲基纤维素钠对红海榄幼苗生长和土壤养分的影响

李 婷，林 梓，朱立安，李 玫，陈粤超，陈玉军

（1.广东省科学院生态环境与土壤研究所 华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心 广东省农业环境综合治理重点实验室，广东广州 510650；2.中国林业科学研究院热带林业研究所，广东广州 510520；3.广东湛江红树林国家级自然保护区管理局，广东湛江 524088）

红树林是位于热带和亚热带潮间带独特的木本植物群落，由常绿灌木和小乔木群落组成，具有较高的初级生产力水平，被认为是世界上碳储量最高的生态系统之一[1-2]。由于受周期性潮水浸淹，其生态环境独特，具有保护物种多样性、维持生态平衡、提供食物和原材料、净化水质、防洪固堤及作为休闲旅游和科普宣传教育场所等功能[3-4]。受人为活动、气候变化等影响，红树林生态系统面临巨大威胁，全球红树林正以每年1%～2%的速度迅速减少[5-7]。研究表明，以目前每年约1%的速度计算，红树林大量碳（C）储量（956 MgC/hm2）被破坏，将导致每年向大气层额外释放约133 Tg 碳，加剧全球气候变暖[8]。1990 年以来，对红树林生态系统功能的认识日益加深，我国大部分天然红树林已被纳入国家级或区域性红树林保护区，并开展了大量红树林恢复工程，对缓解局部乃至全球气候变化具有重要意义[2]。2020 年8 月，自然资源部、国家林业和草原局联合发布《红树林保护修复专项行动计划（2020—2025年）》，提出至2025年营造和修复红树林18 800 hm2。由于多种人为或生物学原因，现存尚未实现造林的潮间带滩涂基本为沿海砂砾质海滩等困难立地，造林难度大[9-10]。

羧甲基纤维素钠（Sodium Carboxymethyl Cellulose，CMC）为阴离子水溶性聚合物，具有来源广、成本低、无毒无害和易被土壤微生物降解等优点；其黏稠度高，可增加土壤颗粒间的凝聚力，具有良好的保水效果，已被广泛应用于土壤结构改善[11-15]。Ning 等[11]研究发现，施加CMC 能显著降低砂壤土吸水性和水分入渗性，可作为砂壤土适宜的保水剂；吴军虎等[13]研究表明，粉砂质壤土土壤0.25 mm 以上的水稳性团聚体含量随CMC 含量增加而增加，土壤持水能力增强；喜银巧等[14]研究发现，施加CMC可增加风沙土内聚力，提高土壤抗剪强度，达到保水固沙的效果，促进沙区流沙固定和退化生态恢复；哈丽代姆·居麦等[15]研究发现，施加CMC 可降低土壤水分入渗，抑制土面蒸发，改善土壤水分运动特征。CMC 可通过改善土壤结构，提高土壤持水能力，抑制土面蒸发，具有保水控盐、改良砂砾质沿海土壤的巨大潜力。有研究表明，施加CMC 可提高水稻（Oryzasativa）生物量、产量，促进高羊茅（Festuca elata）品种可奇思种子萌发和胚芽苗生长[16-17]。目前，CMC 对红树植物胚轴的促生作用尚缺乏相关研究报道。本研究以红海榄（Rhizophorastylosa）胚轴为研究对象，开展淹浸模拟试验，分析不同CMC 施用量对沿海砂砾质土壤的改良效果及其对红树生长的影响，确定CMC 在砂砾质土壤改良中的最适宜用量，以期提高砂砾质土壤红树林造林成功率，为CMC在砂砾质土壤中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自广东省茂名市电白区水东湾沿岸（110°00′E，21°50′N），基本理化性质为pH 值5.93、有机质含量2.36 g/kg、全氮（N）含量0.63 g/kg、全磷（P）含量0.74 g/kg、全钾（K）含量4.43 g/kg、碱解氮含量29.40 mg/kg、速效磷含量18.11 mg/kg 和速效钾含量252.25 mg/kg。供试红海榄胚轴采自水东湾红树林分布区，采集的胚轴均成熟、发育良好且无病虫害，长度为（30.13±0.26）cm。供试CMC，粘度5 000 左右，购于河北天越环保科技有限公司。供试菌剂为复合菌剂，主要菌种为巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）和胶冻样类芽孢杆菌（Paenibacillusmucilaginosus），有效活菌数≥1.0 亿/克，购于河北闰沃生物技术有限公司。供试污泥发酵肥来自广东省科学院生态环境与土壤研究所，基本理化性质为pH 值6.87、有机质含量423.5 g/kg、水溶性碳含量21.80g/kg、总氮含量24.3 g/kg、水溶性氮含量7.80 g/kg、电导率3.18 ms/cm 和种子萌芽指数（GI）值96.90%。

1.2 试验设置

采用室内淹浸模拟试验，在中国林业科学研究院热带林业研究所潮汐模拟实验室中进行；试验时间为2021 年9 月3 日—2022 年11 月22 日，共445天。将风干过筛的土样充分混合后，分别称取1.5 kg，置于口径13.5 cm、高10.7 cm 且内衬塑料袋的塑料盆中。

设置不同CMC 施用量，搭配污泥发酵肥和复合生物菌剂，污泥发酵肥与土样按质量比5.0%进行混合，复合生物菌剂与土样按质量比0.2%均匀层施于4～5 cm土层处。设5个CMC施用量处理，即CMC与土样按质量比1.6%、2.4%、3.2%、4.0%和4.8%进行混合，分别记为C1、C2、C3、C4和C5；另设两个对照，分别为不施用改良剂处理（CK）及仅施用5.0%污泥发酵肥和0.2%复合生物菌剂处理（C0）。共7 个处理，每处理重复3次，共21盆，每盆种植1粒胚轴。

自动潮汐模拟槽装置分为上槽和下槽，上槽为培养槽，下槽为储水槽，长×宽×高为1.20 m×0.70 m×0.45 m，最大淹水深度为0.40 m；盆栽塑料盆深为0.107 m，地上部分淹水深度为0.30 m。使用水泵连接上下槽，水泵速率为12 L/min，采用定时器控制涨潮和退潮时间。共设置7 对模拟槽，槽内水由速溶海盐和自来水配制而成，盐度为10‰，每周对槽内水体盐度进行校正。试验模拟半日潮，每日淹水8 h。试验期间，室内最高气温38.7 ℃，最低气温为21.4 ℃，日平均气温为28.9 ℃。

1.3 指标测定

植株收获前，采用直尺测量株高，采用游标卡尺测量地径，同时记录叶片数；分别收获植株地上部叶片和茎及地下部根系，洗净后105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，采用电子天平称重并记录干重。

去除土壤表层植株凋落物后，轻轻刮取1～2 cm表层土壤，取出根系并挑选出细根后，将土壤轻轻捏碎混合均匀；取一半存于4 ℃冰箱，用于测定土壤硝态氮、铵态氮和速效磷含量；另一半置于通风处风干，过筛后用于测定土壤pH 值及有机质、全氮、全磷、全钾和速效钾含量。

供试土壤pH值采用电位法（m∶V=1∶10），Sartorius PB-10型酸度计和Sartorius pH/ATC 复合电极测定；有机质含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定；全氮含量采用硫酸消煮，碱解扩散法测定；全磷和全钾含量采用氢氧化钠熔融法，分别采用钼锑抗比色法和火焰光度计测定；硝态氮含量采用紫外分光光度法测定；铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定；速效磷含量采用0.5 mol/L 碳酸氢钠（pH 值8.5，m∶V=1∶20）浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1.0 mol/L乙酸铵浸提，火焰光度计测定[18]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件对试验数据进行统计；采用SPSS 21.0软件进行数据分析，对所有数据进行正态性和方差齐性检验，对不同施用量处理进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用Tukey检验；采用Origin 2021 软件绘图。生态化学计量比均为摩尔比。

2 结果与分析

2.1 CMC改良剂对红海榄幼苗生长的影响

施用CMC 改良剂极显著影响红海榄幼苗地径（P<0.01），对株高和叶片数均影响不显著（图1）。红海榄幼苗株高、地径和叶片数均在CK 下最小，分别为22.40 cm、3.29 mm 和10.00；随CMC 施用量增加，红海榄幼苗株高、地径和叶片数整体均呈先增后减的趋势，均在C4 处理下最大，分别为31.03 cm、5.08 mm 和13.67。与CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 处理下红海榄幼苗株高均增加。除C0 和C5 处理外，其他处理下红海榄幼苗地径均显著大于CK（P<0.05）。与CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 处理下红海榄幼苗叶片数均增加。

图1 CMC改良剂对红海榄幼苗生长的影响Fig.1 Effects of CMC amendments on growths of R.stylosa seedlings

2.2 CMC改良剂对红海榄幼苗生物量的影响

施用CMC 改良剂极显著影响红海榄幼苗根和叶生物量（P<0.01），对茎生物量影响不显著（图2）。红海榄幼苗根、茎和叶生物量均在CK 下最低，分别为2.32、1.30 和2.02 g；随CMC 施用量增加，红海榄幼苗根、茎和叶生物量整体均呈先增后减的趋势，均在C4 处理下最大，分别为3.81、1.77 和4.40 g。与CK相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5处理下红海榄幼苗根生物量均增加；C4处理下红海榄幼苗根生物量显著大于CK、C0、C1 和C3 处理（P<0.05）。与CK 相比，红海榄幼苗茎生物量在C0、C1、C2、C3、C4 和C5处理下均增加。与CK 相比，除C0、C1 处理外，其他处理下红海榄幼苗叶生物量均显著增加（P<0.05）；C2、C4处理下红海榄幼苗叶生物量均显著大于CK、C0、C1和C3处理（P<0.05）。

图2 CMC改良剂对红海榄幼苗生物量的影响Fig.2 Effects of CMC amendments on biomass of R.stylosa seedlings

2.3 CMC改良剂对土壤pH值和养分的影响

施用CMC 改良剂显著或极显著影响土壤有机质（P<0.01）、全氮（P<0.01）、全磷（P<0.05）和全钾（P<0.01）含量，对土壤pH 值影响不显著（表1）。与CK相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5处理下土壤有机质含量均显著增加（P<0.05）；C2 处理下土壤有机质含量最高（35.51 g/kg）。与CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5 处理下土壤全氮含量均增加；C5 处理下土壤全氮含量最高（4.21 g/kg），与其他处理均差异显著（P<0.05）。与CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 处理下土壤全磷含量均增加；C2处理下土壤全磷含量最高（1.29 g/kg），与CK 差异显著（P<0.05）。与CK相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 处理下土壤全钾含量均显著增加（P<0.05）；C5 处理下土壤全钾含量最高（13.73 g/kg）。

表1 CMC改良剂对土壤pH值及有机质和全效养分的影响Tab.1 Effects of CMC amendments on pH,organic matter and total nutrients of soils

施用CMC 改良剂极显著影响土壤硝态氮（P<0.01）、铵态氮（P<0.01）、速效磷（P<0.01）和速效钾（P<0.01）含量（表2）。CK 下土壤硝态氮含量最高（0.76 mg/kg），与除C4 处理外的其他处理均差异显著（P<0.05）。土壤铵态氮含量在C0 下最高（3.34 mg/kg），与其他处理均差异显著（P<0.05），在C2、C3和C4 处理下均略高于CK。与CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 处理下土壤速效磷含量均增加，除C5处理外，均达到显著水平（P<0.05）；C3 处理下土壤速效磷含量最高（28.75 mg/kg），与C2 和C5 处理均差异显著（P<0.05）。与CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5处理下土壤速效钾含量均显著增加（P<0.05）；C5 处理下土壤速效钾含量最高（117.78 mg/kg），与C0和C2处理均差异显著（P<0.05）。

表2 CMC改良剂对土壤速效养分的影响Tab.2 Effects of CMC amendments on available nutrients of soils(mg/kg)

2.4 CMC改良剂对土壤化学计量比的影响

不同处理下，土壤C∶N、C∶P 和N∶P 均差异显著（P<0.05）（表3）。不同CMC 施用量处理下土壤C∶N为4.40～19.77，平均C∶N 为10.96；CK 下土壤C∶N 最小（2.53），与C0、C1、C2 和C3 处理均差异显著（P<0.05）。不同CMC 施用量处理下土壤C∶P 为6.22～8.88，平均C∶P 为7.03；CK 下土壤C∶P 最小（1.48），与其他处理均差异显著（P<0.05）。不同CMC 施用量处理下土壤N∶P 为0.44～1.39，平均N∶P 为0.81；C5 处理下土壤N∶P 最大，与C4 处理外的其他处理均差异显著（P<0.05）。

表3 CMC改良剂对土壤化学计量比的影响Tab.3 Effects of CMC amendments on soil stoichiometric ratios

2.5 红海榄幼苗生长量、生物量与土壤pH值、养分和化学计量比的关系

红海榄幼苗生长量、生物量与土壤pH 值、养分和化学计量比的相关关系存在差异（表4）。红海榄幼苗株高、地径和叶片数与土壤有机质含量和C∶P均呈极显著或显著正相关（P<0.01，P<0.05）；株高与土壤C∶N呈显著正相关（P<0.05）；地径与土壤全钾、速效磷和速效钾含量均呈极显著正相关（P<0.01），与土壤全磷含量和C∶N 均呈显著正相关（P<0.05）；叶片数与土壤全钾含量呈显著正相关（P<0.05）。根生物量与土壤全钾含量呈显著正相关（P<0.05），与土壤C∶P 呈极显著正相关（P<0.01）；叶生物量与土壤有机质、全钾和速效钾含量及C∶P 均呈极显著正相关（P<0.01）。

表4 红海榄幼苗生长量、生物量与土壤pH值、养分和化学计量比的相关性分析Tab.4 Correlation analysis on growths,biomass of R.stylosa seedlings and soil pH,nutrients,stoichiometric ratios

3 讨 论

施用CMC 改良剂可促进植株生长，提高植株生物量，这已在较多作物上得到证实。研究表明，5克/盆CMC 可使水稻生物量和产量分别增加228.7%和324.2%[16]；施加1.0%和2.0% CMC 可使小麦地上部分生物量分别提高221.0%和229.0%[19]；CMC 施用量为100 和500 kg/hm2时，谷子产量分别增加6.4%和5.7%[20]。本研究中，施用CMC 改良剂的红海榄幼苗株高、地径和叶片数及根、茎和叶生物量均增加，以4.0%CMC 处理的效果最好，与上述研究结果相似。究其原因，一方面是由于CMC 可通过提高土壤非毛管孔隙度、促进水稳定性团聚体形成等改善土壤结构，提高土壤持水能力，抑制土面蒸发，保水控盐[11-15]，可满足红海榄幼苗生长过程中对土壤水分和氧气等的需求，为其生长创造适宜的土壤环境；另一方面，CMC 可对土壤溶液中的养分离子产生一定吸附作用，同时可通过胶凝作用与土壤中的养分复合，具有保肥效果，对养分释放具有缓释作用，改善土壤养分状况，提高养分利用效率[19-21]，满足红海榄幼苗生长过程中对养分的需求，促进红海榄幼苗生长。本研究中，红海榄幼苗生长量与生物量均在4.0%CMC 处理下最大，4.8%CMC 处理下均有所下降，与已有报道结果相似[19-20]。这可能是由于施用过量CMC 致使土壤板结，土壤通气性降低，红海榄幼苗根系伸长受阻，且CMC 持水能力高，易与幼苗争夺水分[19]，影响红海榄幼苗生长和生物量积累。本研究中，3.2%CMC 处理的表现较差，这可能是由于试验过程中，该处理的盆栽位于潮汐装置的边缘位置，受环境因素影响。

土壤养分是作物生长发育、生物量积累的基础，土壤养分供应充足是作物高产的关键。本研究中，不同CMC 施用量处理下土壤有机质、全钾和速效钾含量均显著增加，土壤全氮、全磷和速效磷含量均增加。研究表明，酸性土壤施用CMC 可提高土壤有效磷和有效钾含量[16]；施用2.0%和3.0% CMC可使黄土高原新造土壤有效钾含量分别增加60.40%和74.96%[19]；施加0.05%和0.10% CMC 可使耕层土壤速效磷含量分别增加51.22%和35.77%[22]。本研究结果与上述研究结果相似，进一步说明CMC对土壤养分具有吸附、固持作用，具有提高养分利用效率和减少养分流失的作用[20,22-23]。土壤C∶N 可反映有机质来源和分解状态及其对土壤肥力的潜在贡献，与土壤有机碳分解速率成反比[24]；C∶P 可反映土壤磷矿化能力，与土壤磷的有效性成反比[25-26]；N∶P 可反映土壤氮饱和状态和土壤养分限制阈值，其值小于14 时土壤受氮限制，大于16 时土壤受磷限制[26-27]。本研究中不同CMC施用量处理下土壤平均C∶N、C∶P 和N∶P 分别为10.96、7.03 和0.81，表明土壤有机质矿化速率较快，土壤磷有效性较高，处于氮限制状态。

4 结 论

本试验条件下，不同CMC 施用量与污泥发酵肥和复合生物菌剂混施显著影响红海榄幼苗生长量、生物量积累及土壤养分和化学计量比，可改善土壤养分状况，促进红海榄幼苗生长和生物量积累，可作为沿海困难立地砂砾质土壤的改良剂。推荐CMC 施用量为4.0%。在实际应用中需注意施用量和施用时期，过高施用量对土壤结构有破坏作用，抑制作物生长。本研究基于室内潮汐模拟控制试验，研究结果在实际潮汐环境中的应用效果还需进一步验证。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。

作者贡献声明：李婷、林梓负责试验实施和论文撰写；朱立安负责试验设计与调查和数据分析；李玫负责数据收集与分析；陈粤超、陈玉军负责试验设计。