黃腐酸有機肥對鹽脅迫下刺槐幼苗生長的影響

高云曉 龐元湘 毛培利 李業(yè)宇 祁 琳 郭龍梅 曹幫華

( 山東農(nóng)業(yè)大學林學院，黃河下游森林培育國家林業(yè)局重點實驗室，國家林業(yè)局泰山森林生態(tài)定位站，山東 泰安 271018)

鹽堿地是地球陸地上分布最廣的土壤類型之一，約占陸地總面積的25%[1]。中國的鹽堿化耕地約3.33×107hm2以上[2]，其中濱海鹽堿地有10×105hm2。由于鹽脅迫對大部分植物的生長發(fā)育都有抑制作用，這使得鹽堿地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)受到了極大的限制，尤其是以人工林為主體的森林生態(tài)系統(tǒng)的建立。黃河三角洲地區(qū)刺槐林的大面積衰退就是一個典型的例子。鹽脅迫下，木本植物的生長、根系發(fā)育、光合生理等[3]都受到顯著抑制。由滲透脅迫造成的生理干旱和因大量吸收鈉離子（Na+）、氯離子（Cl-）造成的離子毒害被認為是鹽脅迫對植物產(chǎn)生傷害的主要機理[4]。施肥尤其是氮（N）、磷（P）、鉀（K）肥可以有效緩解鹽脅迫對植物的抑制程度。鹽脅迫下施肥可降低植株Na+含量[5]、提高生長速率[6]、增加光合[7]、減少能耗、增加生長素含量[6]。在鹽脅迫條件下，植株通過對養(yǎng)分的最大化吸收和對體內(nèi)激素的重新調(diào)配以此提高生物量、促進生長，對抗鹽脅迫[8]。目前對于木本植物的研究主要集中在施用N、P、K及糞便有機肥對鹽脅迫的改良方面且改良程度與土壤含鹽量的高低密切關(guān)系上。辛承松等[7]通過比較高肥和低肥鹽土盆栽棉花(Gossypium hirsutum)的生長發(fā)育和生理特征，認為通過提高鹽堿地的肥力能增加棉花養(yǎng)分吸收，減輕鹽害，且中高鹽條件下效果最顯著。Chen等[9]發(fā)現(xiàn)在中、低度鹽分土壤中增施N肥可促進棉花生長，高鹽條件下增施N肥的增產(chǎn)效果不明顯。對于林木在不同土壤含鹽量下的施肥及施肥方法，目前研究還較少。林業(yè)生產(chǎn)中施用的肥料主要是N、P和K肥，但在常規(guī)施肥條件下N、P、K肥尤其是N肥的當季利用率均比較低，且較容易流失[10]。黃腐酸（FA）是一種新型肥料，是植酸類分子量較小的高分子有機化合物，含有多種活性官能團，易被植物吸收，有較強的生物活性[11]，具有改良土壤物理結(jié)構(gòu)、促進植物生長、提高植物品質(zhì)、肥效持久等優(yōu)良特性[12]。前人研究表明，F(xiàn)A可以提高農(nóng)作物和草本類植物的葉片蒸騰速率，使植株和土壤保持較多的水分，同時促進根系發(fā)育，增強根系活力，并提高多種合成酶活性和葉綠素含量，提高鹽脅迫下植物生存能力[10，13]。武應(yīng)霞等[14]和張亞飛等[15]研究發(fā)現(xiàn)FA可提高歐美楊（Populus euramericana）的光合作用和桃樹（Amygdalus persica）的總根長與根系活力。但總體來看FA對木本植物的影響目前研究很少，尤其是鹽脅迫下對木本植物的影響還未開展系統(tǒng)研究。

刺槐(Robinia pseudoacacia)是黃河三角洲地區(qū)重要的木本植物，對減少自然災(zāi)害具有顯著的保護作用[16]。自20世紀70年代中期，刺槐被廣泛種植，主要分布在大汶流自然保護區(qū)和黃河故道附近，至今刺槐林保存面積仍達8000 hm2[17-18]。但近年來，刺槐林出現(xiàn)了嚴重的衰退，大面積的林地都出現(xiàn)了枯梢現(xiàn)象，甚至是死亡。鄧偉等[19]研究發(fā)現(xiàn)，近年來自然因素及發(fā)展鹽業(yè)、漁業(yè)等人類活動加劇了黃河三角洲濕地土壤鹽漬化程度。董海鳳等[20]認為土壤鹽漬化導致生態(tài)系統(tǒng)脆弱、抗干擾能力差，是人工林退化的主要原因。深入研究刺槐的耐鹽性，有助于刺槐的耐鹽機制的完善，對鹽堿地區(qū)刺槐栽植具有重要的意義。本研究通過盆栽試驗?zāi)M鹽漬化環(huán)境，分析了鹽脅迫對刺槐幼苗的生長、光合生理、根系、生物量分配的影響；同時研究了鹽脅迫下添加黃腐酸有機肥對刺槐幼苗生長的改良效果及改良程度，以期為黃河三角洲地區(qū)衰退的刺槐人工林改造提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗苗木為山東農(nóng)業(yè)大學林學試驗站1年生刺槐幼苗，平均高度為120 cm，平均地徑為9.5 mm。試驗在林學試驗站溫室（117°09′ E，36°10′ N）進行。

1.2 試驗設(shè)計

2017年4月15日，將1年生刺槐幼苗栽植到25 cm×30 cm×30 cm（底徑×上口徑×高）的容器（盆）中，每盆定植1株，試驗設(shè)置高鹽（HS）和低鹽（LS）2個處理。HS的土壤取自山東省東營市天鵝湖（118°5′ E，38°15′ N）附近的原位鹽堿土，LS的土壤由高鹽處理的土壤與林學試驗站非鹽堿土按1∶1比例配置而成，各處理土壤各指標如表1。每個鹽分梯度設(shè)置5個不同濃度FA有機肥處理，分別為1.17、2.33、3.50、4.67、9.33 g/盆，記作 T1、T2、T3、T4、T5，每個處理10次重復，共計100盆。FA成分為黃腐酸≥12%、有機質(zhì)≥40%、巨大芽孢桿菌+膠凍樣芽孢桿菌≥0.5億個/g。盆底部配有塑料托盤防止鹽分流失，苗木生長期間常規(guī)澆水除草管理，澆水量以保證苗木正常生長為基礎(chǔ)，既不使盆土粘稠積水，又不使盆土板結(jié)。試驗期間利用溫室水簾等保持溫室內(nèi)溫度濕度，保證刺槐正常生長壞境。

表1 低鹽處理和高鹽處理土壤指標Table 1 Soil indicators of low salt treatment and high salt treatment

2017年5月10日，統(tǒng)計刺槐幼苗成活率，對存活的苗木按照施肥梯度設(shè)計添加FA并測定幼苗地徑。施肥方法是將FA顆粒均勻埋在盆深8 cm左右刺槐幼苗根系主要分布范圍內(nèi)。

1.3 試驗方法

1.3.1 最大凈光合測定

2017年8月2日，用便攜式光合儀CIRAS-2（PP system，USA）測定最大凈光合速率（Pn），在HS和LS中各選擇3株幼苗葉片進行光響應(yīng)曲線測定。使用開放氣路，葉片溫度25 ℃，外界CO2濃度 360～380 μmol/mol。測定前葉片先將在光合作用飽和光強下誘導30 min，測定時光強由強到弱，依次設(shè)定光量子通量密度（PFD）為2000、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、75、50、25、0 μmol/（m2·s），每一光強下停留200 s。根據(jù)光響應(yīng)曲線，得出最大光飽和光強為1200 μmol /（m2·s），并在此光強下進行Pn的測定。

1.3.2 相對生長速率、根系特征及生物量比測定

2017年8月26日利用游標卡尺（精確到0.05 mm）測量苗木地徑，然后將幼苗全部挖出，分解成根、莖、葉3部分，根系則放在尼龍網(wǎng)篩上用流水緩緩沖洗干凈，獲得整株根系，沖洗時在根系下面放置100目篩以防止脫落的根系被水沖走。把根、莖、葉裝入信封放入烘箱，在105 ℃下殺青20 min，然后在85 ℃下烘干至恒定質(zhì)量并稱量。由于苗木根系較多，每株苗木選擇1條完整的一級根，用WinRHIZO STD 1600根系掃描儀(Regent Instruments，Cannada)分析掃描圖片獲取根系長度和根系表面積。按公式（1）～（6）計算如下指標。

式中：W為幼苗地徑，t為幼苗生長時間，1代表試驗開始，2代表試驗結(jié)束。

1.4 分析方法

所有數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件進行分析，采用雙因子方差分析比較了RGR、Pn、葉片含水量、生物量分配和根系特征指標的差異。如果差異顯著，再用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較。同時，將以上各個指標進行了相關(guān)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 鹽脅迫下施肥處理對刺槐苗木相對生長速率的影響

LS和HS下刺槐盆栽苗木成活率分別為73.3%和38.3%。由圖1可知，隨著施肥量的增加，RGR在HS和LS脅迫下都是先增加后降低，在施肥濃度為T4時達到最大值。雙因素方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對刺槐苗木成活率及RGR有著極顯著的影響（P＜0.01），施肥處理對RGR有著顯著的影響（P＜0.05），二者之間沒有顯著的交互作用（表2）。鹽脅迫下，LS比HS有著高的RGR，HS比LS的RGR平均降低9.6%。

圖1 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗相對生長速率變化Fig. 1 Changes of relative growth rate of R. pseudoacaciaseedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.2 鹽脅迫和施肥處理對刺槐苗木最大凈光合速率和葉片含水量的影響

由圖2可知，隨施肥量的增加，LS和HS下的Pn和葉片含水量均隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，在施肥濃度T4時達到最大值。雙因素方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對Pn無顯著影響，但對葉片含水量有顯著影響（P＜0.05），LS比HS有著高的含水量。施肥處理對Pn有著極顯著的影響（P＜0.01），對葉片含水量有顯著影響（P＜0.05）（表2）。鹽脅迫和施肥均對Pn和葉片含水量沒有顯著的交互作用（表2）。LS和HS在T4時的Pn分別為 11.47 μmol/（m2·s）和 10.01 μmol/（m2·s），葉片含水量分別為69.7%和67.7%。

表2 鹽脅迫和施肥處理對刺槐幼苗生長、光合、生物量分配和根系指標的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis of growth， photosynthesis， biomass distribution and roots indices of R. pseudoacacia seedlings under salt stress and fertilization treatments

圖2 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗Pn和葉片含水量變化Fig. 2 Changes of Pn and leaf water content of R. pseudoacacia seedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.3 鹽脅迫和施肥處理對刺槐苗木生物量分配的影響

由圖3 可知，鹽脅迫下隨施肥濃度的增加，刺槐不同器官的生物量分配有著不同的變化格局。方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對SMR和LMR有顯著影響（P＜0.05），對RMR無顯著影響。鹽脅迫下，LS比HS有著低的SMR和高的LMR。施肥處理對RMR、SMR、LMR均無顯著的影響，鹽脅迫與施肥處理對RMR、SMR、LMR均沒有顯著的交互作用（表2）。

圖3 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗生物量分配變化Fig. 3 Changes of biomass distribution of R. pseudoacacia seedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.4 鹽脅迫和施肥處理對根系特征的影響

由圖4 可知，隨著施肥量的增加，SRL和SRA呈增加趨勢。雙因素方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對SRL影響顯著（P＜0.05），對SRA影響極顯著（P＜0.01）；施肥對 SRL影響極顯著（P＜0.01），但對SRA影響不顯著；二者對SRL有著極顯著（P＜0.01）的交互作用，對SRA有顯著（P＜0.05）的交互作用（表2）。

圖4 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗根系變化Fig. 4 Changes of root system of R. pseudoacacia seedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.5 生長、生理與形態(tài)指標之間的相關(guān)分析

由表3看出，RGR與Pn成顯著正相關(guān)（P＜0.05），與葉片含水量、LMR成極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。而Pn與葉含水量成極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。這表明刺槐生長與光合生理密切相關(guān)。同時，RGR與SRA成顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與RMR沒有顯著相關(guān)性，表明根系形態(tài)的調(diào)整是刺槐適應(yīng)鹽脅迫的重要方式。LMR與SMR成顯著負相關(guān)（P＜0.05），與 SRA成極顯著正相關(guān)（P＜0.01），表明在生物量分配上存在著權(quán)衡。

表3 鹽脅迫和施肥處理對刺槐幼苗生長、光合、生物量分配和根系指標的相關(guān)性分析Table 3 Correlation Analysis of growth， photosynthesis， biomass distribution and roots indices of R. pseudoacacia seedlings under salt stress and fertilization treatments

3 結(jié)論與討論

存活和生長是評價植物耐鹽能力的主要指標。本研究中LS和HS下的成活率表明，刺槐有一定的耐鹽能力，但在HS下其存活率大大降低，這與其他人的研究結(jié)果一致[21]。大量研究表明，鹽脅迫下植物的生長受到顯著抑制是一個普遍現(xiàn)象[22]。本研究表明，在添加FA后，隨施肥量的增加，刺槐幼苗的RGR逐漸增加，表明施肥對鹽脅迫下的刺槐生長有著顯著的改善作用。這與段留生等[23]對棉花施用FA，提高棉花幼苗生長基數(shù)的研究是一致的。相關(guān)分析表明，刺槐幼苗的RGR與Pn、葉片含水量、LMR和SRA成顯著正相關(guān)。植物生物量的累積依賴于群體光合速率，而群體光合速率又與單葉的光合能力密切有關(guān)[24]，水分是影響光合作用的主要因素之一[25]。受到鹽脅迫時，植株葉片含水量會下降，遭受水分脅迫，影響葉片的蒸騰作用和光合作用。相關(guān)分析表明，刺槐幼苗的RGR與Pn成顯著正相關(guān)，與葉片含水量、LMR比成極顯著正相關(guān)，Pn與葉含水量成極顯著正相關(guān)。隨著施肥量的增加，刺槐幼苗的Pn和葉片含水量均先增加后降低，這表明鹽脅迫下添加FA能夠在一定程度上提高刺槐幼苗的葉片含水量，進而提高其光合能力和相對生長速率，緩解了鹽脅迫下的生理干旱程度。但添加FA超過4.67 g/盆(T4)后，RGR、葉片含水量和Pn降低。由此表明，刺槐幼苗在鹽脅迫下對FA有著一定的適應(yīng)范圍。但關(guān)于添加FA過量造成刺槐幼苗生長降低的原因并不清楚，還需要進一步研究。

生物量分配是反應(yīng)植物適應(yīng)能力的重要研究內(nèi)容。植物通過產(chǎn)生不同數(shù)量的根、莖、葉等器官，對資源進行重新分配，用以獲取生命活動所需的光和營養(yǎng)物質(zhì)[26]。管博等[27]通過對黃河三角洲堿蓬（Suaeda salsa）研究發(fā)現(xiàn)，鹽地堿蓬幼苗生物量隨著鹽濃度增加，LMR增大，RMR降低。蘆葦（Phragmites australis）在HS條件時地上部分尤其是SMR增加，而地下部分如根狀莖的比例減少[28]。本研究中，鹽脅迫顯著地影響莖和葉生物量的分配。相關(guān)分析表明，RGR與LMR成極顯著正相關(guān)，與SMR成顯著負相關(guān)。而高的葉生物量投入有利于植物整體光合能力的增加[29]，因此是LS下刺槐幼苗RGR高于HS的重要原因。FA對刺槐幼苗的RMR、SMR、LMR沒有顯著影響，表明在土壤鹽脅迫下FA對各個器官的分配影響并未達到最優(yōu)[30]。

根系是植物吸收水分、養(yǎng)分的主要器官。鹽脅迫下，根系是首先的感知器官[31-32]。根系形態(tài)對土壤養(yǎng)分的反應(yīng)很敏感[33]，根系的分布直接影響植物擁有土壤水分和營養(yǎng)空間的大小[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，LS與HS脅迫下SRL均隨施肥量增加顯著增加，但RMR并沒有顯著變化。有研究表明，鹽脅迫植物會通過改變根系形態(tài)而部分補償根系生物量分配的降低造成的不良影響[35]。這表明添加FA促進了刺槐改變根系形態(tài)提高其在鹽脅迫下的水分養(yǎng)分的吸收。相關(guān)分析表明，SRA與RGR成顯著正相關(guān)，這表明根系形態(tài)的調(diào)整尤其是表面積的增加有助于提高鹽脅迫下刺槐幼苗對養(yǎng)分和水分的吸收效率，進而改善了幼苗生長。同時，SRA、LMR成顯著正相關(guān)，表明刺槐幼苗在地上和地下對鹽脅迫有著很強的協(xié)同性，這與Mao等[3]的研究結(jié)果一致。而植物地上部與地下部的協(xié)同性是其適應(yīng)環(huán)境的重要機制之一[36]。

黃河三角洲是世界上典型的濱海鹽堿地，較高的土壤含鹽量限制了大部分植物的生長，嚴重影響了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，尤其是喬木人工林的發(fā)展。刺槐林是該地區(qū)面積最大的喬木人工林，嚴重的衰退大大限制了其生態(tài)功能的發(fā)揮。本研究發(fā)現(xiàn)，刺槐雖有一定的耐鹽能力，但在HS下存活率顯著降低，僅為38.3%。鹽脅迫下刺槐幼苗生長受到顯著抑制，表現(xiàn)在RGR、SRL和SRA都顯著降低。添加FA可以在一定程度上緩解鹽脅迫，增加RGR、Pn、SRL。而鹽脅迫下添加FA后刺槐幼苗提高葉片含水量，表明FA可以緩解鹽脅迫下刺槐體內(nèi)生理干旱，這是添加黃腐酸提高葉片Pn和RGR的重要機制。在此基礎(chǔ)上，進一步研究不同林齡刺槐林對FA的響應(yīng)機制，有助于黃河三角洲地區(qū)刺槐人工林的恢復與重建。