我国是世界上干旱面积大、水资源严重不足的国家之一, 干旱半干旱地区面积约占国土面积的一半, 其中80 %分布在西北地区(孙国武, 1997)。干旱缺水已成为该地区恢复森林植被、改善生态环境最为主要的限制因子。降水稀少加之林业用地的复杂性, 干旱半干旱地区造林非常困难, 采取有效的抗旱造林技术措施, 已成为解决该地区造林成活率和保存率、促进林木生长的技术关键。为此, 人们开发研制了具有化学保墒作用的高吸水性树脂(王九龄等, 1991a; 尹国平等, 2001), 降低植物蒸腾的抗蒸腾剂(腾文元, 1992), 多种生长调节剂、延缓剂、矿质元素、小分子化合物等来调节植物水分利用, 增强植物抗旱性(邓西平, 1990)。

固体水种植技术是20世纪90年代末国际上最新研制成功的一种新技术。固体水(solid water), 又称干水(dry water或driwater), 是一种用高新技术将普通水固化, 使水的物理性质发生巨大变化, 变成不流动、不挥发、0 ℃不结冰、100 ℃不融化的固态物质。这种固态物质具有生物降解性能, 可用作植物的长效水源。固体水是由普通水固化而成, 98%的成分为水, 在土壤微生物的作用下缓慢释水, 供植物长期吸收利用。固体水降解后, 无残留, 不污染土壤, 在自然环境恶劣、沙化严重地区植树造林使用, 可有效地保护生态环境, 提高绿化速度, 加速荒漠化治理。美英法等发达国家相继投入较大的人力物力进行固体水的研制开发与推广应用。1998年, 美国应用固体水技术在撒哈拉沙漠中心地带, 种植2×10⁶株树苗, 成活率达93 %。于是, 许多阿拉伯国家纷纷开始引进固体水技术, 1999年该技术产品在北非的销售额超过了1 ×10⁸美元(www.driwater.com, 1999)。虽然目前国际上对固体水产品有较多的相关介绍, 但是, 有关固体水在抗旱造林应用研究方面的报道不多(周平等, 2002)。本文针对固体水的释水规律、时效性及影响因子进行了研究, 以期为固体水在抗旱造林中的推广应用提供科学的依据。

1 试验材料与方法 1.1 试验材料

试验材料选用北方主要造林树种3 a生油松(Pinus tabulaeformis)和侧柏(Platycladus orientalis)苗木, 固体水为深圳市艾德迈尔科技有限公司生产的最新产品。

1.2 试验设计

本试验每个树种共设5个固体水处理, 3个对照, 每个处理和对照均设3次重复。

5个固体水处理:3个纯固体水处理s1、s2、s3(瓶装截面积分别为25、38、50 cm²); 2个加剂固体水处理ss2、ss3(瓶装截面积分别为3、50 cm²)(加剂固体水=纯固体水+植物生长调节剂, 植物生长调节剂的浓度为20 mg·kg^-1);

3个对照:CK1为无固体水不浇水干旱处理; CK2为无固体水正常浇水处理; CKs1、CKs2和CKs3为固体水无苗对照处理(瓶装截面积分别为25、38、50 cm²)。

供试树种在移植盆栽培养2个月后, 在温室条件下进行固体水处理, 其中侧柏(CB)处理从8月1日开始, 油松(YS)处理从8月14日开始。处理时将固体水放入口径横截面积分别为19和25 cm²的矿泉水瓶中(固体水重量为530 g ±10 g), 经紫外光消毒30 min后, 分别按口径横截面积为25、38、50 cm²的处理方式, 将固体水单边排列放入盆栽土壤中。放置固体水后, 开始进行自然干旱处理, 每隔5 ~ 10 d测定固体水下降高度、土壤含水量、微生物种类及含量, 以及苗木水分生理指标。

1.3 测定指标 1.3.1 苗木生长状况

观测苗木的根茎比值、新根量及分布等;

1.3.2 苗木水分状况

应用压力室测定苗木叶水势, 用烘干法测定叶含水量;

1.3.3 苗木光合速率与蒸腾速率

应用Lico-6200便携式光合作用分析系统(美国)测定;

1.3.4 土壤水分状况

应用MPM-160水分探测计(美国)测定土壤体积含水量;

1.3.5 土壤微生物

测定土壤微生物种类及数量;

1.3.6 固体水释放速率

观测各种处理的固体水下降速度。

2 结果与分析 2.1 固体水释水规律 2.1.1 固体水释水量

从图 1和图 2可以看出, 在纯固体水s1, s2, s3三个不同横截面积的处理中, 固体水释水总量随切口横截面积(固体水与土壤直接接触的面积)的增加而增大, 在加剂固体水ss2和ss3处理中, 也出现相同的趋势, 这表明固体水释水量的多少与切口横截面积的大小有很大关系, 切口横截面积越大, 固体水释水量越多。在侧柏处理苗中(图 1), s2和ss2截面积均为38cm², s3和ss3截面积均为50cm², 但ss2和ss3固体水释水总量分别大于s2和s3, 即在相同时间内, 加剂固体水释水量大于纯固体水的释水量。但在油松处理苗中(图 2), 情况正好相反, ss2和ss3释水总量分别小于s2和s3, 即在相同时间内, 加剂固体水释水总量小于纯固体水释水总量。这表明不同树种对加剂固体水的释水量有不同的影响, 这可能与不同树种根际周围的微生物种类和含量有关。而油松和侧柏中使用的加剂固体水在最初的10 d内释水量均相对较少, 侧柏加剂固体水ss2和ss3释水量分别为纯固体水s2和s3的0.58倍和0.69倍, 油松加剂固体水ss2和ss3释水量分别为纯固体水s2和s3的0.58倍和0.65倍, 说明加剂固体水比纯固体水在使用初期释水更为缓慢, 释水量相对比较稳定。

从图 1和图 2中还可以看出, 在固体水释水的初期阶段各处理释水量均相对较小, 以后的各阶段中释水量相对较大, 而且趋于稳定。说明固体水从埋于植物根系到稳定释放有一个过渡的时间。此段时间(约10 d)为固体水的诱导期, 在诱导期内, 固体水释放的水量较少, 因而对于新移栽的苗木, 在使用固体水时, 要浇一定的水, 以保证初期苗木的成活。

2.1.2 固体水日释水量

从图 3和图 4可以看出, 固体水的日释水量与其横截面积有很密切的关系, 横截面积愈大, 日释水量愈多, 且呈良好的线性关系, 表明横截面积是影响固体水释水量的重要因素之一。由线性方程可知, 在侧柏处理中, 横截面积为20、30、40、50 cm²的固体水, 其日释水量分别为3.85、5.35、6.85、8.35 g, 相对应的油松中日释水量分别为5.19、6.97、8.75、10.05 g。因而在同一外界条件下, 可以设计不同的横截面积来得到不同的日释水量; 继而, 根据日释水量和固体水的有效期(从固体水开始释放到完全耗尽的时间为固体水的向植物提供水分的有效期)来确定固体水总量。由于在有效期内单位时间释放水量的多少可以由固体水与土壤直接接触的横截面积来确定, 因而可以根据不同植物对水分的不同需求来设计固体水的横截面积。

2.1.3 不同处理固体水日下降高度

从表 1中可以看出, 不同处理的固体水日下降高度比较稳定一致, 表明固体水日下降高度与其横截面积的大小关系不大, 其中侧柏纯固体水的日下降高度(0.18 ~0.20 cm·d^-1)低于加剂固体水(0.24 ~ 0.26 cm·d^-1)。而油松则相反, 不但其纯固体水日下降高度(0.24~ 0.32 cm·d^-1)明显高于侧柏处理, 也高于其加剂固体水(0.22 ~ 0.28 cm·d^-1)。这种纯固体水在不同树种处理中出现相反结果的原因尚待进一步探讨, 可能与固体水放置一段时间有关, 也可能与其土壤微生物数量有关。另外, 加剂固体水的日下降高度相对稳定(日均下降高度为0.25 cm·d^-1), 表明固体水添加植物生长调节剂后, 可以保持固体水的释放稳定性而少受外界不良环境的影响。

2.1.4 固体水释水速率

从表 1可以看出, 与侧柏同期处理的无苗纯固体水(8月1日处理), 其释水速率平均为0.19 g·cm^-2d^-1, 与油松同期处理的无苗纯固体水释水速率为0.29 g·cm^-2d^-1(8月14日处理), 说明固体水放置过久, 其释水速率有增加的趋势, 这可能与固体水灭菌程度有关。在有苗的各种纯固体水处理中, 其释水速率与其相对应的无苗纯固体水处理的释水速率是基本一致的, 其中侧柏处理的释水速率平均值为0.18 g·cm^-2d^-1(相对应无苗为0.19 g·cm^-2d^-1), 而油松处理的释水速率平均值为0.26 g·cm^-2d^-1(相对应无苗为0.29 g·cm^-2d^-1), 说明固体水的释水速率与其放置时间长短有关, 而与栽植的树种关系不大。另外, 固体水加剂后, 不同处理时间对其释水速率的影响较小, 其平均值保持在0.23 g·cm^-2d^-1左右, 表明加剂后有利于固体水的稳定释放, 这与上述结果是一致的。

2.2 固体水时效性分析

从固体水的使用时间来看, 根据测得的固体水释水速率, 对于1kg包装的固体水而言, 在正常情况下, s1, s2, s3, ss2, ss3五种处理固体水持续供水时间, 可依次维持在213、139、119、106、92 d; 放置一段时间后, 虽然固体水释水速率加快, 但五种处理持续供水时间仍然可维持在176、98、67、125、76 d。也就是说, 面积为25 ~ 50 cm²的1kg固体水(无论是纯固体水还是加剂固体水), 在正常情况下可维持供水3个月以上, 即使在放置一段时间后, 供水时间也至少可以维持2个月以上。

从固体水的使用效果来看, 固体水的用量虽然相对较少, 但仍可以减轻在无其它灌溉条件下苗木的水分胁迫状况(见表 2)。干旱处理25d后, 受旱侧柏和油松的叶水势分别下降到-5.55和-2.17MPa; 干旱45d后, 侧柏叶水势已低于-6MPa, 而油松叶水势下降到-3.08MPa, 处于死亡临界点(李吉跃, 1991)。使用固体水后, s1、s2和s3处理的苗木水分胁迫较轻(侧柏和油松叶水势分别为-1.48 ~-2.89MPa和-1.20 ~ -1.75MPa), 而且45d后s2和s3苗木的水势还有恢复的趋势(侧柏和油松叶水势分别恢复到-1.02 ~ -1.28MPa和-1.45 ~ -1.50MPa)。这充分表明, 使用固体水有助于维持苗木的水分状况, 减轻苗木的水分胁迫。可以说, 固体水以一种全新的概念———节水恒湿灌溉, 最大限度地减少水资源的浪费, 同时持续不断地供给植物水分, 便于植物有效利用水分来维持其正常生长。

2.3 影响固体水释放的因素 2.3.1 土壤微生物

固体水是一种集微生物、化学技术为一体的生态环保产品, 其自身具有生物降解功能, 一旦它接触到微生物, 就会缓慢降解释放出水分。用牛肉蛋白胨培养基培养细菌, 马铃薯蔗糖培养基培养真菌, 来测定使用固体水后, 各处理苗木根系附近与固体水相接触处的土壤微生物的数量。细菌所取土壤悬液体积分数为10^-3, 10^-4, 10^-5, 10^-6, 真菌所取土壤悬液体积分数为10^-3, 10^-4, 10^-5, 每个培养基重复3次, 然后置于恒温箱中培养, 操作过程严格在无菌条件下进行。

结果表明, 在未使用固体水的对照土壤中, 微生物数量为1.11 ×10⁵个·mL^-1。使用固体水后, 土壤微生物数量有不同程度的增加, 微生物主要为杆菌, 其次为球菌。球菌为单球或双球, 不运动, 杆菌为长杆, 中杆和微小杆, 微小杆运动剧烈, 球菌与杆菌常在一起生长, 很难分开, 可能有共生作用, 此菌生长速度快, 在弱酸条件下生长旺盛。

在使用固体水的供试苗木土壤中, 固体水的日释水量随土壤微生物的增加而增加, 两者呈良好的对数关系(见图 5和图 6)。在侧柏处理苗土壤中, 加剂固体水的微生物数量比相同接触面积的纯固体水的土壤微生物多, 在油松处理苗土壤中, 情况则相反, 加剂固体水的微生物比纯固体水的少, 这与固体水的释水量是一致的。这就进一步解释了在图 1、图 2及表 1中所得出的结果, 即对于一定的横截面积, 用于侧柏的加剂固体水释水总量大于纯固体水, 而用于油松的加剂固体水释水总量则小于纯固体水, 这与降解固体水的微生物总量有直接关系, 降解固体水的微生物总量决定了固体水的释水量。由于固体水日释水量与土壤微生物数量呈良好的对数关系, 固体水的日释水量随横截面积的增加而增大, 微生物数量也随横截面积的增加而增大(表 3), 因而在同一土壤条件下, 不同横截面积对固体水释水量大小的影响主要是通过与固体水接触的微生物数量的多少来实现的。这也同时说明了固体水只能被微生物逐渐降解, 进而被植物吸收利用。

2.3.2 环境因素

从图 1、2与图 7比较中可以发现, 固体水释水状况与各环境因子(土壤温度及空气温、湿度)的变化没有密切的相关关系, 表明温度及湿度的变化并不直接影响固体水的释放。但是, 由于温度和湿度会影响到土壤中微生物的活性, 因而可能间接影响固体水释水量的变化。固体水释水状况受环境因子的影响规律有待于进一步研究。

3 结论与建议

本试验所用的固体水总释水量随切口横截面积的增加而增加, 其日释水高度与释水速率均相对稳定, 平均日释水速率为0.23 g·cm^-2d^-1, 平均下降高度为0.24cm·d^-1。若要使固体水的有效期为90 d, 其包装的长度规格应为21.6 cm。从油松和侧柏使用固体水的效果来看, 应选用横截面积为38 cm²以上的固体水。

本文选用的1 kg包装的固体水至少可以持续2个月供给植物水分。从固体水开始降解到完全耗尽所用的时间为固体水的有效期, 这一时间的长短及在有效期内释放水量的多少, 是可以通过固体水包装的几何尺寸调节的。因而可以根据不同植物需水量, 预先设定单位时间的供水量, 也可以根据不同地区气候的差异, 设定固体水有效期的长短。一般将有效期设定为1个月、2个月或3个月, 如有特殊需要, 有效期可以设定得更长。

影响固体水释放的因素主要有与固体水接触的微生物和固体水切口横截面积, 其中与固体水接触的微生物直接决定了固体水的释水量, 与固体水接触的微生物越多, 固体水降解得越快, 两者之间呈良好的对数关系; 在土壤条件一致的情况下, 固体水释水量与横截面积为线性关系, 切口的横截面积越大, 固体水释水量越多。