在河北干旱区, 水分是植物生长与生态恢复的主要限制因子, 水分的低效利用, 导致该地区植被建设中土壤水分浪费、土壤干层、生态经济效益低下和植物生长不良等现象^[1-2], 如何减少土壤水分的流失, 提高植物对土壤水分的利用效率, 是当今水土保持工作必须关心的问题。而保水剂(super absorbent polymers, SAP)的出现, 恰恰填补了这一空缺。农用抗旱保水剂是一种高吸水性树脂, 是一种吸水能力特别强的功能高分子材料, 可以吸收其自身质量成百上千倍的水供植物利用, 无毒无害, 在土壤中可以自行降解, 不会污染地下水资源, 农业上人们将其比喻为“微型水库”^[3-4]。黄占斌等^[5-6]将保水剂在农业水肥保持与高效利用方面, 做了深入研究。说明SAP可通过改善植物根际土壤结构, 提高土壤供水效率, 促进植物吸水, 其可用范围非常广。笔者通过研究不同用量保水剂对4种植物生长和根系形态的影响, 以期为中国北方干旱区植被造林提供较为科学的依据及参考。

选用的保水剂(SAP)为台丽保AG101, 台湾塑胶工业股份有限公司生产, 为交联丙烯酸钠盐, 粒径150~850 μm之间, 密度650 g/L。吸水倍率大于300倍, 在1 L水中加入1 g该保水剂, 其pH值6~7, 残留丙烯酸350×10^-6, 无毒无污染。

采用的苗木有丁香(Syzygium aromaticum)、红瑞木(Swida alba Opiz)、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)和白蜡(Fraxinus chinensis Roxb.), 均为1年生种间同规格苗木, 苗高分别为30、30、5和30 cm。用土取自河北省张家口市, 用于栽植苗木的花盆规格为高30 cm, 盆口直径25 cm, 盆底直径18 cm。测量仪器有钢卷尺和50分度游标卡尺。

试验地为北京林业大学苗圃基地。根据台丽保AG101保水剂的使用方法和用量, 每盆栽植1株植物, 每种植物设置5个保水剂用量梯度, 另设一组对照(CK)。每个用量梯度设置3组重复试验, 试验共72个盆栽样本。保水剂用量梯度见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 保水剂用量水平 Table 1 Amount level of water-retaining agent 保水剂用量 Amount of water-retaining agent/(g·plant-1) 试验编号 Test number 组别 Group 0 CK 对照组  CK 5 T1 10 T2 20 T3 试验组 Test group 30 T4 50 T5

表 1 保水剂用量水平 Table 1 Amount level of water-retaining agent

2016年4月开始种植, 首先在花盆底层铺垫3 cm厚土壤, 再将相当于花盆容积3/5的土壤和保水剂充分混合后装入花盆, 栽植苗木, 并在其上覆土约5 cm, 对照组不添加保水剂, 只装入土壤。为保证苗木存活, 每周浇水1 000 mL, 第2个月开始每周浇水500 mL, 并在8月1日充足浇水后暂停浇水, 进行水分控制, 测量土壤湿度, 之后恢复正常浇水。拔除盆栽实验地周围的灌草, 四周搭建铁架, 并用通用隔水透光塑料膜遮盖试验地, 以排除自然降水对试验产生的影响。12月将全部植物取出, 并送回实验室测定。

1) 苗木株高、地径测量。按实验计划时间, 用钢卷尺和游标卡尺分别测量每株植物的株高、地径。

2) 植物生物量测量。试验结束后, 将植株取出花盆, 用去离子水洗净根部, 置于实验室晾干后, 分离地上与地下部分, 分别装入牛皮纸信封中, 全部放入烘箱, 60 ℃烘干至恒质量, 此时分别测量地上部分与地下部分植物体干质量。

3) 苗木其余生长指标测量。将洗净的根部用WinRHIZO根系扫描仪及数据分析软件, 对根长、根表面积、根系平均直径、根尖数以及分叉数进行分析。

4) 土壤含水量测量。选取8月份连续15 d, 在第一次充分等量浇水后, 每隔2 d用土壤水分测量仪(HH2)测量一次土壤含水量, 共测量8次。

采用Microsoft Excel 2016进行数据统计与初步分析, IBM SPSS statistics 20.0进行方差、显著性检验和分析。

由图 1可知, 在第1次充分浇水后, 4种树种的初始含水量差距不大, 随着时间的推移, 其土壤含水量迅速下降, 并在第11天后, 土壤含水量趋于平稳, 第15天的土壤含水量均为T5＞T4＞T3＞T2＞T1＞CK, T5土壤含水量为CK的2倍, 可见该保水剂对土壤水分有很好的保持作用。

图 1(Figure 1)

图 1 4种植被的土壤含水量变化特征 Figure 1 Changes of soil moisture content of 4 vegetation types

从图 2看出:4种植物总生物量与地下生物量变化规律基本相同, 均高于CK。与CK相比, 丁香的总生物量各处理较CK分别增加36.58%、60.75%、61.06%、44.01%和20.98%, 相邻组别差异显著, T3处理的总生物量达到最大, 为62.25 g; 红瑞木总生物量较CK分别增加39.33%、66.07%、80.78%、57.8%和22.11%, 相邻组别差异显著, 且在T3处理下, 植物总生物量达到最大, 为58.14 g; 油松的总生物量较CK分别增加33.2%、27.12%、12.74%、-13.56%和-22.57%。在保水剂浓度较高时, 同样受到抑制, 可见对油松来说, 当保水剂浓度＞20 g/株时, 其对植物生物量生长的抑制作用愈加明显。白蜡各处理中, T2处理下总生物量最高, 但随着保水剂浓度的增加, 对根系生长的抑制作用也愈加明显, 各处理分别高于对照组22.53%、36.04%、33.80%、8.9%和-3.4%, 各组间差异较为显著。

图 2(Figure 2)

图中字母表示差异显著性指标, 下同。The letters indicate the significance of difference, the same below. 图 2 4种植物生物量变化特征 Figure 2 Changing characteristics of biomass of 4 plants

经过半年生长, 期间为保证植株存活进行适量浇水, 分别测定4种植物株高和地径。由图 3得出, T3处理对丁香株高影响最大, 10月份最大值为66 cm, T5处理＜CK, 即当保水剂浓度为T5时, 丁香株高生长受到抑制; 红瑞木株高最大值也出现在当保水剂浓度为T3时, 10月份株高最大值达到106.85 cm, 各组并未出现抑制现象; 油松株高最大值出现在T1时, 达到18.6 cm, 随着保水剂浓度的增加, 油松株高不断减小, 组间差异愈加显著, T4、T5处理均＜CK, 可见较高用量保水剂对油松株高生长有明显的抑制作用; 白蜡株高最大值出现在保水剂浓度为T2时, 达到113 cm, 组间差异不明显, T5处理株高＜CK, 出现了抑制株高生长的现象。地径最大值与株高最大值都出现在相同的保水剂浓度时, 4种植物地径的生长规律与株高的生长规律基本相同。

图 3(Figure 3)

图 3 4种植物10月份株高、地径生长情况 Figure 3 Growth rates of plant height and ground diameter of 4 plants in October

由表 2可知, 丁香根系各指标随着保水剂用量的增加变化规律基本相同。根长、根表面积、平均直径、根尖数和分叉数均在T3时达到最大值, 分别比对照组高出56.92%、21.51%、38.1%、56.38%和48.41%。显著性分析表明, 这5项指标在保水剂用量为T1和T5时, 已经没有显著性差异, 可见各指标变化趋势都为先增加后减少。红瑞木的5项指标中, 各指标变化趋势均为先增加后减少, 在T3时全部达到最大值, 根长、根表面积、平均直径、根尖数和分叉数分别高出对照组105.56%、21.32%、34.1%、24.53%和49.17%。

表 2(Table 2)

表 2 不同用量保水剂对2种灌木植物根系形态的影响 Table 2 Effects of water-retaining agent in different dosage on the root morphology of two shrub species 植被 Vegetation 组别 Group 根长 Root length/cm 表面积 Surface area/cm2 平均直径 Average diameter/mm 根尖数 Apical number 分叉数 Bifurcation number 丁香 Syzygium aromaticum CK 2 105.99±61.89d 1 475.62±119.65bc 1.26±0.13d 5 481±524d 18 382±1 274c T1 2 328.17±297.2d 1 349.89±45.20cd 1.28±0.06d 6 826±764c 22 266±955b T2 2 747.14±198.78c 1 621.36±138.34b 1.50±0.14bc 7 486±179bc 22 662±2 035b T3 3 304.63±48.21a 1 792.97±23.56a 1.68±0.11a 8 572±486a 27 281±2 852a T4 2 955.92±79.66bc 1 579.40±45.75b 1.42±0.12c 7 857±237ab 23 759±2 470b T5 2 167.26±152.26d 1 267.61±59.06d 1.31±0.05d 6 887±763c 23 468±455b 红瑞木 Swida alba Opiz CK 2 387.43±224.64c 1 114.91±41.46b 0.88±0.01e 5 406±670d 18 164±1 431d T1 3 108.22±863.78c 1 172.51±137.39b 0.90±0.01e 5 301±170d 23 694±1 693bc T2 4 455.55±7.45ab 1 260.45±123.89b 1.07±0.05bc 5 651±150c 26 350±1 303ab T3 4 914.78±769.05a 1 352.60±93.18a 1.18±0.06a 6 732±504a 27 096±1 766a T4 3 904.84±805.79ab 1 174.08±73.19b 1.06±0.02c 6 023±210b 24 203±4 307b T5 3 411.32±293.86bc 1 113.32±39.74b 1.01±0.04de 5 418±221cd 20 673±2 274cd

表 2 不同用量保水剂对2种灌木植物根系形态的影响 Table 2 Effects of water-retaining agent in different dosage on the root morphology of two shrub species

由表 3可知, 油松的根长、根表面积、根平均直径、根尖数和分叉数都随着保水剂用量的增加而逐渐减小, 最大值均出现在T1时, 相较于对照组分别提高29.6%、53.98%、17.89%、19.38%和35.89%, 各指标T4、T5值均＜CK, 根系生长受到抑制; 白蜡树种各指标变化浮动较大, 5项指标的最大值均出现在T2时, 较对照组分别提高33.3%、10.2%、40.9%、54.69%和30.84%, 最小值均出现在T5时, 且＜CK, 根系生长受到抑制。

表 3(Table 3)

表 3 不同用量保水剂对2种乔木树种根系形态的影响 Table 3 Effects of water-retaining agent in different dosage on the root morphology of 2 tree species 植被 Vegetation 组别 Group 根长 Root length/cm 表面积 Surface area/cm2 平均直径 Average diameter/mm 根尖数 Apical number 分叉数 Bifurcation number 油松 Pinus tabulaeformis Carr CK 474.21±40.61c 151.82±10.13b 0.95±0.95ab 2 724±58b 3 355±85c T1 604.56±96.36a 233.77±38.06a 1.12±1.12a 3 252±72a 4 559±576a T2 522.98±84.14b 170.79±11.95b 1.12±1.12a 2 865±164b 3 968±365b T3 507.13±42.54c 146.54±15.19b 1.06±1.05ab 2 704±107b 3 120±107d T4 462.86±39.14cd 144.97±18.05b 0.88±0.88bc 2 234±63c 2 263±150d T5 352.77±15.87d 103.16±2.19c 0.84±0.87c 1 821±96d 1 878±104e 白蜡  Fraxinus chinensis Roxb CK 3 404.12±212.50bc 1 490.10±226.14ab 1.27±0.38c 12 236±1 186cd 22 531±3 860d T1 3 822.60±230.39b 1 493.30±219.26ab 1.51±0.04bc 16 539±1 128ab 24 351±4 194bc T2 4 538.71±307.65a 1 642.36±131.17a 1.79±0.21a 18 928±493a 29 479±4 391a T3 3 686.15±152.13b 1 607.40±182.89ab 1.78±0.22a 14 664±1 802bc 28 463±4 359a T4 3 104.10±88.25c 1 311.21±135.73bc 1.57±0.12ab 12 207±2 393cd 22 468±3 930c T5 1 859.27±331.23d 1 275.09±118.30c 1.21±0.15c 10 035±1 889d 18 653±3 641d

表 3 不同用量保水剂对2种乔木树种根系形态的影响 Table 3 Effects of water-retaining agent in different dosage on the root morphology of 2 tree species

4种植物的生物量与根系形态变化趋势基本相同, 灌木树种丁香和红瑞木的最大生物量都出现在20 g/株时, 呈现先增大后减小的变化趋势, 油松和白蜡生物量最大值分别出现在5和10 g/株时, 其生物量逐渐减小, 较高浓度保水剂出现了抑制作用, 出现这种现象是因为保水剂用量超过了植物的最适用量。有研究表明, 保水剂对土壤含水量的影响是保水剂吸水后, 其本身可以膨胀, 使得土壤疏松, 总孔隙度增加, 并且改善土壤通气能力, 其膨胀体可使得水溶液处于非离析状态^[7]。当土壤施用保水剂后, 土壤水分蒸发受到抑制, 原本理化性质相对稳定的土壤便发生了改变, 保水剂吸水后, 体积不断膨胀, 土壤空隙中的水分呈现增加趋势, 从而提高土壤水保持能力^[8-9], 并且其保水能力随着保水剂的增加会逐渐增强, 可保证植物在干旱胁迫环境中, 同样可以吸收维持其自身生长的水分^[10-12]。若加入过量保水剂, 一方面其吸水膨胀后, 必然会堵塞土壤原有孔隙, 使得土壤大孔隙不断地减少, 土壤水分配能力下降, 实际上就是抑制了土壤中水分的运动, 从而保水性能有所下降^[13-15], 另一方面会吸持土壤水分量相对偏移, 植物吸收水分量相对减小, 不仅不能促进植物的生长, 反而会抑制植物的根系发育, 从而影响植物各生长指标的增加, 使得植物出现生长受阻^[16-17]。

不同树种之间出现的生长差异, 还取决于不同树种对水分的适应性。不同植物幼苗生长以及不同的生长发育阶段需水量有所差异, 2种乔木幼苗较灌木对土壤水分更为敏感^[18-19], 油松和白蜡幼苗生长所需的最适水量较丁香、红瑞木更低, 故其幼苗在土壤低含水量时生长较好。这与国内外研究一致, 也就解释了土壤含水量会随着SAP浓度的增加而提高, 但植物生物量反而会减小的原因。

植物根是植物生长最重要的部分, 是植被与土壤进行物质和能量交换的重要器官, 其形态的生长分布状况直接反映植被对土壤养分的吸收能力, 对植被的地上部分生长起到决定性的作用。有研究表明, 保水剂可以显著增加根密度和根生物量^[20-22], 这样就解释了图 2中根系生物量和植被总生物量生长变化规律完全一致的原因。由表 2和表 3可知, 4种植物的5项根系生长指标最大值, 均与其生物量最大值所对应的保水剂浓度相同, 再次可以证明根系的生长可以直接影响植被地上部分的生长, 并且由此可以判断出, 4种植物在河北干旱地区种植时最适宜的保水剂用量^[23-24]。

1) 保水剂施用于土壤显著影响植物生物量。2种灌木(丁香、红瑞木)生物量随土壤保水剂用量增加, 呈现先增大后减小趋势, T1~T5的总生物量均为2倍CK生物量, 生物量增加最大分别为61.02%和80.78%;2种乔木中, 油松生物量随保水剂用量的增加而持续减少, 只有T1~T3的总生物量＞CK; 白蜡生物量随着保水剂浓度的增大, 先增加后减少, 仅在T1~T4的总生物量＞CK。比较发现, 灌木幼苗较乔木幼苗的保水剂可受用范围更广。

2) 保水剂的施用显著影响植物株高和地径的生长。丁香和红瑞木的株高、地径最大值均出现在T3时, 变化趋势为先增大后减小; 油松的株高、地径最大值出现在T1时, 且随着保水剂浓度的增加而逐渐减小, 并产生了抑制现象; 白蜡株高、地径的最大值出现在T2时, 随着保水剂浓度的继续增加, 其中长持续减小, 在T4、T5处理也出现了生长抑制现象。

3) 保水剂的施用显著影响了植物的根系形态, 而4种植物根系形态的变化规律与其生物量基本相同, 丁香和红瑞木5项指标最大值均出现在T3时, 油松和白蜡分别为T1和T2。相比CK而言, 在T1至T5范围内, 任何浓度的保水剂对丁香与红瑞木根系生长均起到促进作用, 而对油松和白蜡并非如此, 说明较高浓度保水剂处理, 已不利于油松和白蜡幼苗根系的生长。

综上认为, 在河北干旱区植被造林中, 丁香保水剂最适用量为20 g/株, 红瑞木保水剂最适用量为20 g/株, 油松为5 g/株, 白蜡为10 g/株。