生態(tài)修復(fù)保水劑對(duì)土壤水分蒸發(fā)和種子萌發(fā)的影響

張 端，李德富，柳 燕，馬煜婷，李 昂

(蘭州城市學(xué)院 地理與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

我國(guó)西北地區(qū)日照強(qiáng)烈、干旱少雨，年均降雨量不足400 mm，且多為無效降雨。水資源嚴(yán)重短缺造成該區(qū)植被稀疏、土壤貧瘠，地表風(fēng)蝕沙化和鹽堿問題日趨嚴(yán)重[1]。如何提高降水在土壤中的存留時(shí)間和調(diào)控缺水時(shí)期的土壤水分，以及提高降水和水資源的利用率，已成為該地區(qū)近年來生態(tài)修復(fù)和提高旱作農(nóng)田產(chǎn)量的熱點(diǎn)問題[2]。

保水劑作為一種具有超強(qiáng)吸水和保水能力的高分子聚合物，可吸持超自身重量數(shù)百倍的水分，并能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的保水和保肥能力[2～4]。當(dāng)植物需水時(shí)，保水劑又能緩慢釋放所吸持水分，保證植物正常生長(zhǎng)。在干旱、半干旱地區(qū)，水分是限制植物生長(zhǎng)和分布的主要限制因素，運(yùn)用保水劑可提高土壤含水量，并能在植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期為其提供必要的水分。如李興等研究發(fā)現(xiàn)[5]，施用保水劑可促進(jìn)梭梭和白梭梭種子萌發(fā)和幼苗根系生長(zhǎng)；楊永輝等研究發(fā)現(xiàn)[6]，施用保水劑可降低冬小麥根系質(zhì)膜透性和可溶性糖含量，提高根系活力。許多保水劑使用說明經(jīng)常提到要合理使用，過少達(dá)不到抗旱、保水作用，過多會(huì)造成浪費(fèi)、起不到更好使用效果。干旱地區(qū)使用保水劑可提高土壤含水率，但長(zhǎng)期過量使用將使土壤中存有大量保水劑，這對(duì)植物種子萌發(fā)有何影響卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本文研究了生態(tài)修復(fù)保水劑過量使用對(duì)植物種子萌發(fā)的影響，據(jù)此為荒漠植被恢復(fù)和旱作農(nóng)田建設(shè)提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 材料

供試生態(tài)修復(fù)保水劑RQ-350、綠豆和小麥種子均為市場(chǎng)供應(yīng)商品，購(gòu)于蘭州市安寧區(qū)種子市場(chǎng)。為減小保水劑粒徑影響，試驗(yàn)前研磨保水劑并過0.5 mm土樣篩。試驗(yàn)在蘭州城市學(xué)院地理與環(huán)境工程學(xué)院生態(tài)與微生物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

2.2 方法

2.2.1 保水劑對(duì)水分蒸發(fā)的影響

試驗(yàn)設(shè)4種保水劑質(zhì)量濃度處理，即質(zhì)量濃度分別為0.00%(CK)、0.67%、3.33%和6.00%。具體操作步驟為：取300 g蒸餾水若干份，分別添加0、2、10和18 g生態(tài)修復(fù)保水劑，制成質(zhì)量濃度為0.00%(CK)，0.67%，3.33%和6.00%混合液，分別裝于直徑160 mm、高80 mm塑料盤中。每個(gè)處理重復(fù)2次，隨機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)上。間隔數(shù)天稱重并計(jì)算每個(gè)處理的水分蒸發(fā)量。

2.2.2 保水劑對(duì)種子萌發(fā)的影響

小麥和綠豆種子萌發(fā)試驗(yàn)分別設(shè)2種處理，即不添加保水劑處理(CK)和添加保水劑處理。具體操作步驟為：首先將保水劑和水配成0.00%(CK)和6.00%質(zhì)量濃度混合液，分別裝于直徑120 mm、高15 mm塑料盤中，然后將50粒小麥(或綠豆)種子均勻撒在盤內(nèi)，最后在種子表層覆蓋3層消毒紙巾。每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)上。種子萌發(fā)以胚根出現(xiàn)為標(biāo)志，每24 h觀測(cè)1次，并記錄發(fā)芽種子數(shù)。試驗(yàn)持續(xù)至3 d萌發(fā)總數(shù)沒有變化為止。

3 結(jié)果與分析

3.1 水分蒸發(fā)量間差異

從圖1可以看出，隨著時(shí)間的推移，不同處理的水分蒸發(fā)率均呈逐漸增加趨勢(shì)，至第16 d，水分蒸發(fā)率在47.2%～52.4%間變化。就添加保水劑處理而言，其水分蒸發(fā)率較不添加保水劑處理低，并隨著保水劑含量的增加呈顯著降低趨勢(shì)。如到第12 d，保水劑質(zhì)量濃度為0.67%、3.33%和6.00%混合液的水分蒸發(fā)率較對(duì)照減少了1.94%、6.78%和7.26%；第16 d分別降低了2.48%、6.73%和9.92%；單因素方差分析顯示，不同處理間差異顯著(p<0.05)。

圖1 不同處理水分蒸發(fā)變化動(dòng)態(tài)

3.2 種子萌發(fā)率間差異

以往研究表明，添加保水劑可提高種子萌發(fā)率[5]。就小麥種子發(fā)芽率而言(圖2)，在不添加保水劑處理中，小麥種子發(fā)芽率達(dá)94%，而在保水劑質(zhì)量濃度為6.00%處理中，小麥種子發(fā)芽率僅為6%，單因素方差分析顯示，二者間差異極顯著(p<0.01)。就綠豆種子發(fā)芽率而言(圖3)，在添加保水劑處理中，綠豆種子的發(fā)芽率僅為8%，而在不添加保水劑處理中，綠豆種子發(fā)芽率達(dá)54%，方差分析顯示，處理間也存在極顯著的差異。綜合以上，當(dāng)生態(tài)修復(fù)保水劑質(zhì)量濃度達(dá)到6.00%時(shí)，將對(duì)小麥和綠豆種子的萌發(fā)造成極顯著的抑制作用。

4 討論及結(jié)論

目前，人類面臨諸多環(huán)境問題，其中持續(xù)性干旱已成為制約生態(tài)修復(fù)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要問題之一。我國(guó)西北地區(qū)嚴(yán)重缺水，造成許多耕地退化和土壤荒漠化，嚴(yán)重影響該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。近年來，保水劑作為一種化學(xué)抗旱節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)受到廣泛重視。保水劑被稱為“微型土壤水庫(kù)”，在水分充足條件下能夠吸收自重?cái)?shù)百倍甚至上千倍水分；當(dāng)土壤干旱缺水條件時(shí)，可緩慢釋放所吸持水肥、并為植物提供必要水肥[2]。相關(guān)研究顯示，耕地施用保水劑后，可實(shí)現(xiàn)“供水、節(jié)水、防蒸、促成活”的一措多效結(jié)果[4]。周客等研究也顯示[3]，保水劑層施量越大，上層含水率越高。本研究也顯示，隨著保水劑量的增加，水溶液的蒸發(fā)率呈顯著降低趨勢(shì)，表明施用保水劑可防止水分蒸發(fā)。這與前人研究結(jié)果相一致[4]。

圖2 不同處理對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響

圖3 不同處理對(duì)綠豆種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)期和幼苗期是植物整個(gè)生活周期中最重要的階段，是植物群落建成的關(guān)鍵階段，提高農(nóng)作物出苗率和成苗率是農(nóng)田作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的基礎(chǔ)[5]。干旱、半干旱地區(qū)限制植被生長(zhǎng)的主要因子是水分。保水劑具有高吸水性，能夠吸附大量水分并在干旱條件下緩慢釋放。相關(guān)研究表明施用保水劑可提高小麥出苗率，有利于小麥生長(zhǎng)發(fā)育，增產(chǎn)幅度可達(dá)19.20%[2]。也有研究表明，0.25%濃度保水劑可提高種子發(fā)芽率，但當(dāng)濃度超過0.5%時(shí)將會(huì)抑制種子萌發(fā)[7,8]。本研究也顯示，當(dāng)生態(tài)修復(fù)保水劑濃度較高時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重抑制種子萌發(fā)。這可能是由于農(nóng)林業(yè)廣泛使用的多為聚丙烯酸-無機(jī)礦物復(fù)合型保水劑[8]，其中含有大量無機(jī)鹽離子；當(dāng)保水劑施用量過多后，水溶液中可溶性鹽離子濃度過高，將使種子受到鹽脅迫(圖4)，從而抑制種子萌發(fā)。大田試驗(yàn)(圖5)也顯示，小麥地施用過量保水劑將抑制小麥生長(zhǎng)。

圖4 不同處理鹽離子析出對(duì)比

圖5 小麥?zhǔn)┯帽Ｋ畡┬Ч?/p>

綜合以上可知，施用生態(tài)修復(fù)保水劑可減弱水分蒸發(fā)速率，過量施用生態(tài)修復(fù)保水劑將抑制種子萌發(fā)。為了滿足生產(chǎn)實(shí)際需要，推廣使用保水劑前還需結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、土壤等條件，進(jìn)行必要的深入研究。