EN-1固化劑、N肥與土壤體積質(zhì)量對黑麥草生長及水分利用效率的影響

劉月梅，張興昌

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000；3 中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

黃土邊坡的綠化防護(hù)是謀求保護(hù)自然環(huán)境、美化道路景觀、緩解交通公害、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。然而植物與邊坡土體的作用是相互的，一方面植物的生存和生長離不開土體環(huán)境，另一方面植物可以通過力學(xué)錨固效應(yīng)和水文效應(yīng)增加坡面的穩(wěn)定性，實現(xiàn)邊坡的生態(tài)防護(hù)[1-4]。因此，黃土邊坡生態(tài)防護(hù)植被建設(shè)必須與邊坡土壤防護(hù)有機結(jié)合起來，在確保邊坡土體穩(wěn)定的前提下，盡最大可能促進(jìn)植被生長。要實現(xiàn)黃土邊坡生態(tài)防護(hù)的護(hù)坡和綠化雙重功能，對黃土性土壤進(jìn)行改良勢在必行。

EN-1土壤固化劑是一種土工復(fù)合材料，含有多種有機、無機成分，其性能是通過與土壤發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)來膠結(jié)土壤顆粒、增加土體穩(wěn)定性[5-7]。研究表明，EN-1土壤固化劑可以使黃土性土壤干密度增加，土壤抗剪強度、抗蝕性、抗?jié)B性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量提高[8-11]，有利于黃土邊坡穩(wěn)定，且施用適量的土壤固化劑對植物光合作用及根系吸收均有促進(jìn)作用[12]。

黃土邊坡大多土壤肥力較低、營養(yǎng)潰乏，植物生長緩慢，而土壤中水肥狀況是土壤肥力的重要指標(biāo)。大量研究表明，氮素是調(diào)節(jié)植物生命活動的主要因子，它可以通過調(diào)節(jié)植物的光合、蒸騰及呼吸作用等生理代謝提高葉片光合能力，進(jìn)而促進(jìn)植物生長，增加植物生物量，從而提高植物的水分利用效率[13-15]。因此，利用EN-1土壤固化劑改變植物生長的土壤環(huán)境，探討固化劑、N肥及土壤體積質(zhì)量對植物生長的影響具有重要意義。本研究以黃土地區(qū)典型土壤黃綿土和常見植物黑麥草為研究對象[16]，研究固化劑對黑麥草生長狀況、根系特征及水分利用效率的影響，以期為提高黃土邊坡植物生物量和邊坡土壤穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試黑麥草 供試黑麥草為丹麥丹農(nóng)種子有限公司生產(chǎn)的“玲瓏”坪用品種。試驗前對種子進(jìn)行品質(zhì)鑒定后發(fā)現(xiàn)，種子的發(fā)芽率為76.3%，純凈度為98%，千粒質(zhì)量為3.76 g。

1.1.2 土壤固化劑 供試土壤固化劑為美國CSS技術(shù)公司生產(chǎn)的路邦EN-1土壤固化劑，是一種高濃縮的酸性醬棕黑色有機溶液，能將土壤中的礦物質(zhì)和土壤顆粒分解，使其重新結(jié)晶形成金屬鹽，保持土壤持久穩(wěn)定。EN-1土壤固化劑在濃縮狀態(tài)下無揮發(fā)性、不燃燒，硫酸含量大于1%，表面活性劑含量6%，密度1.709 g/cm3，沸點282 ℃，25 ℃時相對體積質(zhì)量為1.70，pH 1.05，稀釋后無任何危害，對生態(tài)環(huán)境無破壞、對環(huán)保無影響。

1.1.3 供試土樣 供試土樣為采自陜西省安塞縣的棄耕地耕層黃綿土，其土壤類型為砂壤土，pH 8.58，有機質(zhì)含量3.08 g/kg，總氮含量0.37 g/kg，土壤顆粒直徑≥0.02 mm的占67.93%， 0.002～0.02 mm的占18.61%，<0.002 mm的占13.46%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計變量分別為EN-1土壤固化劑(以干土質(zhì)量計)、N肥和土壤體積質(zhì)量，共12個處理，各處理方案見表1。

1.3 測定項目及方法

盆栽試驗于2010-08-2011-02在陜西楊凌中國科學(xué)院水土保持研究所氣候模擬大廳內(nèi)進(jìn)行，控制溫室日間溫度為20～25 ℃，夜間溫度為15～18 ℃，每天光照12 h。

將供試土壤風(fēng)干后過2 mm篩，按16%[9，17]的土壤質(zhì)量含水率取一定量的水，并在水中加入一定比例的固化劑，攪拌均勻后用灑壺分層灑入土中拌勻，用塑料防水布蓋好密閉24 h，使土壤水分分布均勻，然后按照設(shè)計體積質(zhì)量分層裝入塑料桶(1.4 g/cm3處理邊裝邊用木棰砸實)，再蓋上塑料防水布于室溫下養(yǎng)護(hù)10 d[8-9]用于播種黑麥草。播種采用穴播，每盆固定34穴，每穴4粒。在苗期保持充足的水分供應(yīng)，待出苗整齊后，每穴固定1株，之后按土壤田間持水量的75%～80%控水。

表 1 EN-1固化劑、N肥與土壤體積質(zhì)量盆栽試驗設(shè)計方案

黑麥草生長過程中，定期測定黑麥草株高。黑麥草分蘗數(shù)和根系特征測定采用收獲法：首先，將植株地上部分齊地面收獲，清點每株黑麥草分蘗數(shù)后于105 ℃下殺青0.5 h，再在75～80 ℃下烘至恒質(zhì)量后用千分位天平稱質(zhì)量；最后，將整盆根系取出沖洗，稱取5 g鮮根進(jìn)行掃描，其余根系烘干，測定根生物量。鮮根形態(tài)特征測定先用掃描儀在300 dpi像素下掃描成TIF圖像文件，然后用DT-SCAN圖像分析軟件計算根表面積、根長、根徑及根密度等指標(biāo)，最后將掃描后的根樣烘干后稱其質(zhì)量。

蒸散耗水量采用水量平衡法計算，每日17:00稱取每盆處理質(zhì)量后，按試驗設(shè)定含水量(標(biāo)準(zhǔn)值)加水；以同土壤體積質(zhì)量未種黑麥草盆為對照，稱量值與標(biāo)準(zhǔn)值之差為當(dāng)日蒸散耗水量，再減去對照盆水的減少量即為每盆蒸散耗水量。水分利用效率(WUE)為水分處理期間每盆植株總生物量/總蒸散耗水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗數(shù)據(jù)均為3次測定的算術(shù)平均值，試驗數(shù)據(jù)用SAS 9.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，并在0.05顯著水平上進(jìn)行Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 EN-1固化劑、N肥與土壤體積質(zhì)量對黑麥草生長的影響

2.1.1 株 高 EN-1固化劑、N肥與土壤體積質(zhì)量對黑麥草株高的影響見圖1。

圖1 不同處理對黑麥草株高的影響

由圖1可以看出，在黃綿土中黑麥草株高的變化規(guī)律基本相同，但在黑麥草不同生長階段，不同處理略有差異。盆栽2周時不同處理黑麥草株高差異不明顯，說明在黑麥草生長初期，EN-1固化劑、N肥和土壤體積質(zhì)量對黑麥草株高影響不顯著。盆栽3周時，EN-1固化劑、N肥和土壤體積質(zhì)量對黑麥草株高均有顯著影響，但黑麥草株高與固化劑用量及土壤體積質(zhì)量不成正比，說明土壤中加入一定量的固化劑、N肥，采用適當(dāng)?shù)耐寥荔w積質(zhì)量對黑麥草的生長有促進(jìn)作用。盆栽4周以上時，各處理黑麥草株高的規(guī)律基本穩(wěn)定，G3N2R2處理黑麥草株高最高，G2N2R3和G2N0R2處理黑麥草株高較低；各處理間差異均顯著(P<0.05)；隨著固化劑用量的增加，黑麥草株高呈先增高后降低的趨勢，且均高于相應(yīng)對照；固化劑用量為0.15%時黑麥草株高最高；隨著N肥水平增加，黑麥草株高逐漸增大；土壤體積質(zhì)量1.2和1.3 g/cm3處理間差異不顯著，但均高于1.4 g/cm3處理。

綜上所述可知，土壤中加入固化劑可以提升黑麥草株高，但固化劑用量與株高不成正比；在試驗范圍內(nèi)，施N量增加可以提升黑麥草株高；土壤體積質(zhì)量過大不利于黑麥草生長。在試驗范圍內(nèi)，黃綿土高N肥處理的黑麥草株高高于高固化劑用量處理，說明N肥對黑麥草株高的影響大于固化劑。

2.1.2 分蘗數(shù) 從圖2可以看出，不同固化劑用量處理之間黑麥草分蘗數(shù)差異顯著(P<0.05)，固化劑用量為0.15%時黑麥草分蘗數(shù)最多；土壤體積質(zhì)量1.3 g/cm3處理黑麥草分蘗數(shù)略多于1.2 g/cm3處理，但差異不顯著，這可能是由于土壤和水自身重力的作用，導(dǎo)致低土壤體積質(zhì)量(1.2 g/cm3)處理表層土壤體積質(zhì)量加大，影響了黑麥草生長。

由圖2可以看出，隨著固化劑用量增加，黑麥草分蘗數(shù)呈先增加后減小的趨勢，且均高于對照(G0N2R2)；隨著N肥水平增加，黑麥草分蘗數(shù)逐漸增加，除對照(G2N0R2)外，其他N肥處理間差異不顯著；與不施N肥處理相比，不加固化劑處理的分蘗數(shù)較少，說明土壤中施入適量固化劑對黑麥草分蘗有利。

圖2 不同處理對黑麥草分蘗數(shù)的影響

2.1.3 生物量 由圖3可以看出，隨著固化劑用量增加，黑麥草根生物量和總生物量均呈先增加后減小的趨勢，且均高于對照(G0N2R2)，固化劑用量為0.15%時黑麥草根生物量和總生物量均最大，說明固化劑對黑麥草的生長有促進(jìn)作用；不同固化劑用量處理間黑麥草總生物量差異不顯著，固化劑用量0.05%，0.10%和0.20%處理間黑麥草根生物量差異不顯著。黑麥草根生物量由大到小的N肥處理依次是G2N1R2、G2N0R2、G2N2R2、G2N3R2，但G2N0R2和G2N2R2處理間差異不顯著；不同N肥處理間黑麥草總生物量差異不顯著，說明N肥對黑麥草總生物量的影響不顯著。土壤體積質(zhì)量1.3 g/cm3處理黑麥草根生物量最大，1.4 g/cm3處理根生物量最小；隨著土壤體積質(zhì)量加大，黑麥草總生物量逐漸減少，但1.2和1.4 g/cm3處理間差異不顯著。

圖3 不同處理對黑麥草根生物量(A)和總生物量(B)的影響

從圖3還可以看出，12個處理中G3N2R2處理根生物量最大，G2N2R3處理根生物量最??；G2N2R1處理總生物量最大，G0N2R2處理總生物量最小，說明土壤體積質(zhì)量對黑麥草根生長影響較大，固化劑對黑麥草根系生長影響較大。

綜上所述可知，固化劑和N肥對黑麥草的生長均有促進(jìn)作用，但相比較而言，N肥對黑麥草地上部分的生長促進(jìn)作用較大；過高的土壤體積質(zhì)量對黑麥草地上和地下部分的生長均有抑制作用。

2.2 EN-1固化劑、N肥與土壤體積質(zhì)量對黑麥草根系特征的影響

從圖4可以看出，各處理中以G3N2R2處理黑麥草根表面積、根長、根徑和根密度最大，G3N2R2、G2N0R2、G2N1R2、G2N2R2、G2N3R2處理之間黑麥草根徑差異不顯著，但均高于其他處理。

圖4 不同處理對黑麥草根長(A)、根表面積(B)、根密度(C)和根徑(D)的影響

由圖4可以看出，相同土壤體積質(zhì)量、相同N肥條件下，固化劑用量0，0.05%與0.10%處理間黑麥草根表面積差異不顯著，固化劑用量0.15%和0.20%處理間根表面積差異也不顯著，但均高于前3個處理；固化劑用量對黑麥草根長和根密度影響均顯著(P<0.05)，黑麥草根長、根密度從大到小的固化劑用量依次為0.15%，0.20%，0.10%，0.05%和0，說明固化劑可以促進(jìn)黑麥草根系生長，增加根密度；固化劑用量為0.15%時，黑麥草的根表面積、根長、根密度和根徑分別比對照G0N2R2高37.60%，13.46%，14.16%和51.80%，說明固化劑對黑麥草根表面積和根徑影響較大，土壤中添加適量的固化劑可以顯著增加黑麥草根表面積和根徑。相同土壤體積質(zhì)量、相同固化劑用量條件下，隨著N肥水平提高，黑麥草根表面積、根長和根密度均逐漸增大，G2N3R2處理根表面積、根長和根密度比對照G2N0R2分別高25.20%，19.92%和18.92%；隨著N肥水平提高，黑麥草根徑呈先增大后減小的趨勢，且均高于對照，但不同N肥處理間差異不顯著。因此，為促進(jìn)黑麥草根系生長，應(yīng)該選擇最適的N肥施用量，這樣在促進(jìn)黑麥草生長的同時，盡可能降低生產(chǎn)成本。相同固化劑用量、相同N肥條件下，土壤體積質(zhì)量1.2和1.3 g/cm3處理黑麥草根表面積、根長和根密度差異均不顯著，但與1.4 g/cm3處理相比差異顯著，且各指標(biāo)值均大于1.4 g/cm3處理；1.3和1.4 g/cm3處理間黑麥草根徑差異不顯著，但顯著高于土壤體積質(zhì)量1.2 g/cm3處理(P<0.05)。

綜上所述可知，固化劑對黑麥草根系生長有促進(jìn)作用，且以固化劑用量0.15%較為適宜。土壤中施入一定量的N肥對黑麥草根系生長有促進(jìn)作用，但施N量越大性價比不高。為保證黑麥草健康生長，應(yīng)選擇中低土壤體積質(zhì)量，兼顧黃土邊坡土壤抗蝕性，黃綿土體積質(zhì)量以1.3 g/cm3較為適宜。

2.3 EN-1固化劑、N肥與土壤體積質(zhì)量對黑麥草WUE的影響

EN-1固化劑、N肥與土壤體積質(zhì)量對黑麥草WUE的影響見圖5。

圖5 不同處理對黑麥草水分利用效率(WUE)的影響

從圖5可以看出，不同處理黑麥草水分利用效率差異顯著(P<0.05)，其中，G3N2R2處理水分利用效率最高，G2N2R3處理水分利用效率最低；相同土壤體積質(zhì)量、相同N肥條件下，隨著固化劑用量增加，黑麥草水分利用效率逐漸提高，但固化劑用量0，0.05%，0.10%處理間差異不顯著，說明固化劑可以提高黑麥草水分利用效率，但固化劑用量較低時提高效果不明顯；相同土壤體積質(zhì)量、相同固化劑用量條件下，不同N肥處理間差異不顯著；相同固化劑用量、相同N肥條件下，隨著土壤體積質(zhì)量增加，黑麥草水分利用效率逐漸降低，但1.2和1.3 g/cm3處理間差異不顯著。

2.4 黑麥草各指標(biāo)的相關(guān)性分析

對盆栽各處理黑麥草生物量及根系特征各指標(biāo)(總生物量、根生物量、分蘗數(shù)、根表面積、根長、根徑)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表2。由表2可知，黑麥草總生物量與分蘗數(shù)、根長呈極顯著正相關(guān)，與根表面積呈顯著正相關(guān)；根生物量與分蘗數(shù)、根表面積呈顯著正相關(guān)；分蘗數(shù)與根表面積、根長呈極顯著正相關(guān)；根表面積與根長呈極顯著正相關(guān)；其他各指標(biāo)之間差異不顯著。說明黃綿土土壤條件下，黑麥草生物量與根系各指標(biāo)之間關(guān)系密切。

表 2 黑麥草各指標(biāo)的相關(guān)分析

3 討 論

本研究結(jié)果表明，黃綿土同一土壤體積質(zhì)量條件下，不同固化劑用量處理對黑麥草株高、根表面積和根徑等影響顯著，且隨固化劑用量的增加均呈先增后減的趨勢，說明黑麥草生物量的增加不僅與EN-1固化劑有關(guān)，還與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)。有研究表明，EN-1固化劑有利于改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤飽和導(dǎo)水率和有機質(zhì)含量；但是隨著固化劑用量的增大，土壤水分有效性和pH值降低，而且固化劑用量越大，降幅越大[8-10]。由此可見，無論土壤中是否施入N肥，并沒有改變固化劑促進(jìn)植物生長這一規(guī)律[12]。

土壤中施入N肥可以增加植物功能葉葉面積，提高葉綠素和可溶性蛋白含量，增大根干質(zhì)量和不定根總長度，影響其他營養(yǎng)元素的吸收，最終達(dá)到提高植物生物量的目的，且隨著N肥施用量提高，效果越顯著[18-21]。本試驗結(jié)果表明，隨著N肥水平提高，黃綿土土壤環(huán)境下，黑麥草株高、根長、根表面積、根密度均有逐漸增大的趨勢，同時也說明，土壤中加入固化劑并沒有影響N肥對植物生長的促進(jìn)作用，N肥與固化劑的交互作用不明顯。有研究表明，施N量過高有可能降低某些植物(如黑麥草)的可溶性糖含量，導(dǎo)致土壤中微生物活性降低，不利于植物的生長，同時N肥利用率降低，成本提高且污染環(huán)境[22-26]。另外，N肥效果的發(fā)揮與降水、氣溫密切相關(guān)[27-28]，黃土邊坡處于干旱、高溫地帶，N肥難以充分發(fā)揮其肥效。黃綿土土壤環(huán)境下不同N肥水平對黑麥草生物量影響差異不顯著，說明N肥可以促進(jìn)黑麥草的生長，但考慮到經(jīng)濟效益及長期施用的效果，N肥用量應(yīng)根據(jù)土壤性質(zhì)等綜合確定，不同固化土壤環(huán)境條件下N肥適宜用量有待于進(jìn)一步研究。從本試驗結(jié)果來看，隨著土壤體積質(zhì)量增加，固化劑用量有減小的趨勢，但固化劑并沒有改變因土壤體積質(zhì)量增加，土壤透氣性變差帶來的黑麥草生長受抑這一基本現(xiàn)象，說明固化劑用量與土壤體積質(zhì)量存在一定的交互作用，但并沒有改變土壤緊實對植物生長所帶來的脅迫。

4 結(jié) 論

1)無論土壤中是否加入固化劑，N肥和土壤體積質(zhì)量對黑麥草生長及水分利用效率均有影響。隨著土壤體積質(zhì)量增加，黑麥草株高、總生物量、根長、根表面積等均呈下降趨勢，但在中(1.3 g/cm3)、低(1.2 g/cm3)土壤體積質(zhì)量條件下差異不顯著。隨著N肥水平提高，黑麥草株高、生物量、根長、根表面積逐漸提高，但不同N肥水平間差異不顯著。固化劑用量對黑麥草株高、根表面積和根徑等影響顯著，且均呈先增后減的趨勢，但與固化劑用量不成正比。

2)黃綿土土壤環(huán)境下，土壤體積質(zhì)量1.3 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化劑用量0.15%處理黑麥草根生物量最大，土壤體積質(zhì)量1.2 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化劑用量0.10%處理黑麥草總生物量最大。

3)隨著固化劑用量增加，黑麥草水分利用效率逐漸提高，但固化劑用量在0～0.10%差異不顯著。土壤體積質(zhì)量1.3 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化劑用量0.15%處理黑麥草的WUE最高。

4)在兼顧土壤抗蝕與植物生長的情況下，建議黃綿土邊坡土壤體積質(zhì)量為1.3 g/cm3、固化劑用量為0.15%較適宜，N肥用量根據(jù)土壤性質(zhì)等綜合確定。

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