干旱條件下保水劑對丸化沙打旺種子萌發及幼苗生長的影響

楊新樂，王冬梅，汪曉峰

（1.北京林業大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083；2.北京林業大學 生物科學與技術學院，北京100083）

沙打旺（Astragalus adsurgens）是我國沙區飛播進行植被恢復的主要物種之一。然而，由于沙打旺種子小、質量輕［1］，存在快速萌發后易干旱死亡，飛播成活率低等問題。采用種子丸化方法是飛播造林中防止種子漂移等問題的主要方法，其中，在種子丸化中添加保水劑不僅可促進種子萌發，也可促進根系快速延伸至濕沙層以應對干旱脅迫［2］。有研究［3－6］表明，保水劑丸化可顯著提高干旱脅迫下植物種子萌發及幼苗植物水分利用效率。然而，采用丸化形式與保水劑土壤混施情況不同，與混施情況相比，保水劑丸化改變植物種子周圍小空間的土壤水分狀況，對植物生長基質的整體水分影響較小。

文獻［7-8］中報道丸化中添加保水劑含量（保水劑質量／丸化填充物質量）一般在0.05%～5%之間或者更高，且一般針對作物品種，對于干旱區沙打旺等小粒種子的丸化保水劑適宜含量方面卻鮮有研究。本研究以沙打旺為研究對象，在模擬干旱條件下，測定不同保水劑含量丸化時種子萌發與幼苗生長及存活狀況，探究丸化種子添加保水劑適宜量，為改善沙區小粒種子飛播后抗旱成苗提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 丸化種子的選擇

沙打旺系豆科黃茂屬多年生草本植物，根系發達，水分有效利用系數大［9］。本試驗丸化采用的沙打旺種子由內蒙古自治區鄂爾多斯市林業治沙研究所提供，千粒重1.444g，初始發芽率90%。

1.2 丸化添加材料

試驗丸化采用旱可舒保水劑（北京桑松生態科技有限公司），成分為丙烯酰胺及丙烯酸甲共聚物，白色，干燥時顆粒80目，去離子水的吸水倍率為1∶500。本試驗采用的其他丸化添加材料為200目凹凸棒黏土，微黃，比表面積＞350m2／g，pH＝8.5。

1.3 丸化制備過程及檢驗

丸化過程主要包括：（1）按保水劑質量／（保水劑質量＋凹凸棒黏土質量）比例為1%，3%，5%，7%，9%精確稱量丸化材料；（2）將800粒沙打旺種子及10g丸化添加材料（保水劑質量、凹凸棒黏土質量）放入三角瓶中，封口，固定于搖床內，150r／min，震蕩10min；（3）將混勻后材料倒入培養皿，向培養皿中緩慢加入自來水，并不斷攪拌，形成干泥狀；（4）將培養皿中干泥狀材料倒入玻璃板上固定尺寸（10cm×10cm）的模具中，用玻璃板壓成餅狀，再用刀片切成1cm×1cm的小塊，將切成的小塊放入塑料盆（直徑30cm，深20cm）中，不斷轉動塑料盆，直至成丸，成丸后用風扇快速風干。

將丸粒種子浸水崩解后過100目篩，挑出沙打旺種子，將濾得保水劑烘干，稱量，計算丸粒內保水劑含量，從而確定保水劑與黏土混合比例。隨機抽取每種處理30丸進行測定，最終丸化種子規格為：平均質量（風干后）0.10±0.02g／粒，崩解時間（35±10）s，單粒抗壓強度≥500g，丸化倍率1∶13，丸粒含種子數（7±3）個／粒。試驗所成丸粒種子符合飛播要求［10］。

1.4 試驗設計

1.4.1 萌發及幼苗生長試驗 按照保水劑在丸化添加劑中所占質量分數設置5個處理，保水劑含量分別為1%，3%，5%，7%，9%，裸種為對照（CK）。分別將5個處理與對照各30粒播種于花盆（頂部內徑15 cm，底部內徑12cm，高15cm）中，覆土0.5cm，每個處理3盆。

1.4.2 抗旱試驗 另設抗旱試驗，處理與萌發及生長試驗相同，裸種為對照（CK）。每盆播種保水劑丸化顆粒20粒，對照每盆播種沙打旺裸種20粒，播種后供水充足，2周后待沙打旺幼苗萌發數量不變，間苗，每盆保留幼苗10棵，每個處理4盆。

1.5 盆栽試驗試驗管理條件及指標測定

1.5.1 萌發及幼苗生長試驗 盆栽試驗在北京林業大學溫室中進行。盆栽基質為沙土，過1mm篩，使用前烘干（140℃，48h），土壤飽和含水量為（21.99±1.82）%，田間持水量為（10.12±1.10）%，穩定滲透速率為（2.21±0.22）mm／min，沙土飽和含水量與毛烏素沙丘飽和含水量接近［11］，田間持水量略低，穩定滲透速率略高［12］，干旱條件為土壤質量含水量的2%～5%，這與毛烏素沙地5—9月份，0—40cm土壤平均水分含量基本一致［13－14］。

試驗每盆裝干沙2kg，播種后覆沙320g，每次澆水前后進行稱重，以便控制盆中土壤水分含量。播種后澆水致盆中沙土含水量達5%，每隔4h稱重，待土壤水分含量達到2%時，再次澆水至土壤含水量的5%，使沙打旺萌發時土壤水分含量始終在2%～5%波動。播種后每隔24h記錄盆中的發芽數量直至每盆中發芽數量穩定，萌發速率用每日累計發芽數／穩定發芽數表示，其中，穩定發芽數是指播種2周后，不再變化的幼苗數量。播種8周后，傾斜花盆，輕微抖動，沙土大部分倒出，挑出幼苗，自來水反復沖洗，注意幼苗根系完整，24h內測定幼苗單株根長和根表面積。1.5.2 抗旱試驗 試驗所用土壤基質與萌發及生長試驗相同，播種后澆水，使土壤水分含量在17.5%～19.5%（飽和含水量80%～90%）波動，2周后待沙打旺幼苗萌發數量不變時間苗，每盆保留幼苗10棵，澆水至土壤飽和含水量，此后不再澆水，之后每日17：00記錄枯黃及萎蔫幼苗數量，并拍照保存。

沙打旺植株任意葉片出現變黃時即判定為幼苗枯黃，沙打旺植株所有葉片出現卷曲時即判定為幼苗萎蔫，枯黃速率以每天累計枯黃數量／總留苗數量表示，萎蔫速率以每天累計萎蔫數量／總留苗數量表示。停止供水后的14d隨機取葉片樣本進行脯氨酸及可溶性糖含量的測定，間苗第22d，所有處理沙打旺幼苗葉片全部卷曲，間苗第24d灌水充足，24～29d內萎蔫幼苗無復綠情況，此時收獲，進行幼苗單株根長、根表面積指標測定。

根長、根表面積的測定采用根系掃描分析系統（WinRHIZO）；脯氨酸測定采用磺基水楊酸比色法，可溶性糖測定采用蒽酮比色法［15］。

試驗數據采用Excel和SPPS 18.0軟件進行統計及分析。

2 結果與分析

2.1 萌發及幼苗生長試驗

沙打旺種子萌發速率用每日累計發芽數／穩定發芽數表示。對播種后8，10，12d的發芽情況進行方差分析表明（表1），在萌發前期（8～10d），7%處理發芽速率較其他處理差異顯著，添加保水劑含量在1%時，初期發芽較裸種慢，可能是因為丸化強度限制了保水劑作用的發揮。播種后第10d，添加保水劑含量為7%，9%時，種子萌發速率分別較對照快70%和63.19%，且和其他處理有顯著差異；試驗添加保水劑含量在1%～7%范圍時發芽速率逐漸提高，9%的保水劑含量較7%時發芽速率低，這是由于溫室內蒸發量較大時，適量地添加保水劑可以保持種子周圍更多的水分，可以促進丸化顆粒內部種子的萌發［16］；在發芽后期（12d），種子發芽數受保水劑含量影響不顯著。

干旱條件下，根系會改變自身形態結構和構型，幼苗根長、根表面積等根系特征因而受到影響［17］，由此，幼苗根長、根表面積可作為衡量幼苗生長的指標。幼苗單株根長、根表面積分析結果（表2）表明，保水劑含量為7%處理幼苗根長較其他處理有顯著差別，較對照提高19.36%，其他處理較裸種無顯著差別，保水劑含量在3%～9%時根長呈現先上升后下降的趨勢，保水劑的使用量存在著拐點［18］，并非越高越好；根表面積數據顯示，保水劑含量在7%時根表面積最大，較裸種提高45.26%，裸種根表面積和其他保水劑濃度相比并無差別，對根長、根表面積進行相關性分析，兩者相關系數及其雙側檢驗的概率分別為0.855和0.000，二者顯著正相關，說明幼苗根長、根表面積在處理間規律基本一致。

對第8和第10天的發芽速率和收獲時根長進行相關性分析，發現沙打旺幼苗根長與萌發前期（第8天）發芽速率顯著相關（相關系數為0.174 5，雙側檢驗的概率為0.007），與萌發后期（第10天）發芽速率不顯著相關（相關系數為0.137，雙側檢驗的概率為0.036），從發芽、水分管理條件等綜合考慮，保水劑處理種子促使種子萌發速率大，幼苗根長、根表面積較大，可以吸收更多的水分，有利于幼苗生長。

表1 丸化保水劑含量對沙打旺種子萌發速率的影響

表2 丸化保水劑含量對沙打旺幼苗根長、根表面積的影響

2.2 抗旱試驗

2.2.1 沙打旺幼苗枯黃—萎蔫的過程 沙打旺幼苗在干旱脅迫過程中出現明顯的反應，正常幼苗頂葉和靠近根部兩小葉綠色飽滿，所有處理及對照在停止供水9～17d內，靠近根部的兩個小葉首先出現枯黃的癥狀，頂部小葉顏色變淺，停止供水15～22d，底部兩小葉及頂部小葉卷曲萎蔫，沙打旺幼苗逐步死亡。

2.2.2 保水劑對沙打旺幼苗枯黃、萎蔫速率及根長的影響 沙打旺枯黃速率以每天累計枯黃數量／總留苗數量表示，萎蔫速率以每天累計萎蔫數量／總留苗數量表示。圖1所示，在抗旱試驗前期（間苗后9～13d），丸化保水劑含量越高，枯黃速率越慢，間苗后13d，5%，7%處理較對照幼苗枯黃數量分別減少了15.58%和22.07%；隨著旱情加重，保水劑含量對幼苗枯黃速率影響逐漸減弱（斜率逐漸降低），在間苗后17～19d，所有處理幼苗大部分萎蔫（圖2），原因是抗旱試驗后期，土壤水分含量極低，持續干旱情況對植物產生永久性的損傷［19］。對萎蔫后收獲的幼苗根長、根表面積進行單因素方差分析（表3）發現，萎蔫幼苗根長、根表面積隨著丸化保水劑含量增加而提高，5%，7%和9%處理較對照幼苗根長增加11.90%，27.53%和53.81%，根表面積增加24.68%，11.03%和59.79%。

圖1 沙打旺幼苗枯黃速率變化

圖2 沙打旺幼苗萎蔫速率變化

表3 丸化保水劑含量對沙打旺萎蔫時根長、根表面積影響

2.2.3 保水劑對沙打旺幼苗葉片脯氨酸及可溶性糖含量的影響 在干旱環境下，植物為維持體內水分含量，會在胞內主動積累一些溶質。由于胞內溶質增多，滲透勢下降，細胞就可從外界吸水，調節胞內膨壓，從而維持胞內的正常生理活動［20－21］。因此，植物體內可溶性糖及脯氨酸含量可作為保水劑包衣處理后抗旱試驗生理指標。如圖3所示，沙打旺幼苗葉片脯氨酸含量隨保水劑濃度增加逐漸減小，多重比較（S-N-K）顯示，保水劑含量在1%～5%時脯氨酸水平與對照無顯著差異，7%和9%處理差異顯著，與對照相比，幼苗葉片脯氨酸含量分別降低了13.1%，13.6%。沙打旺幼苗葉片可溶性糖含量隨保水劑濃度增加逐漸減小，與葉片脯氨酸含量變化趨勢一致，CK，1%與3%處理差異顯著，5%，7%，9%與1%，3%處理差異顯著，5%，7%，9%處理較對照幼苗葉片可溶性糖含量分別降低了20.33%，22.85%，19.08%。幼苗葉片中脯氨酸和可溶性糖含量的測定證明丸化添加保水劑減少沙打旺幼苗在干旱條件下滲透調節物質的積累，有助于延長幼苗承受干旱脅迫的時間。

圖3 丸化保水劑含量對沙打旺幼苗葉片滲透調節物質的影響

3 結果討論

（1）種子萌發期及幼苗生長階段周圍土壤水勢是種子及幼苗根系吸水的決定因素，保水劑丸化可以改變植物種子周圍小空間的土壤水分狀況，其含量多少決定了在相同水分含量時土壤水勢的高低。萌發及生長試驗顯示，丸化保水劑含量低（1%，3%）對種子及幼苗周圍土壤水勢改變效果不明顯，萌發及幼苗根系與裸種無顯著差別，丸化保水劑含量過高（9%），種子萌發速率及幼苗根系有所下降，這種拐點的出現可能是在土壤水分含量過低，保水劑不能保持足夠的水分，此時可能出現保水劑與種子或幼苗根系爭水的現象［22］，因此丸化添加保水劑含量有一定的范圍，這與土壤水分條件及植物不同階段吸水能力有關。

（2）根據試驗研究，干旱條件下，種子初期的萌發速率會影響幼苗的生長，種子初期萌發速率越大，幼苗生長狀況越好，反之生長狀況越差。因而推測出沙區種子定植存在著以下現象：降雨過后沙區種子可以迅速萌發生長，若其根系在干旱來臨之前能夠到達濕沙層，則幼苗成活。沙打旺等小粒種子在干旱沙區飛播造林中可以從兩個方面提高成活率，一是提高小粒種子初期萌發的速率；二是改良種子周圍環境，保證水分的充足。本試驗研究發現，添加保水劑丸化后加快了沙打旺的萌發速率，適量的保水劑含量可顯著促進沙打旺幼苗根系生長。

（3）保水劑丸化在實際中可能存在局限性。試驗表明，丸化中添加適量保水劑可提高沙打旺幼苗萌發速度及幼苗根系生長，然而在實際應用中還存在著以下問題，大規模保水劑丸化工藝，添加保水劑含量高，丸化顆粒易崩解，不宜運輸，應用粘合劑后，丸化強度大，可能影響出苗。

4 結論

（1）萌發及幼苗生長試驗中，7%丸化保水劑含量處理促進沙打旺種子萌發及幼苗生長。發芽初期（8～10d），沙打旺種子丸化添保水劑含量高利于沙打旺萌發，播種后第10d，保水劑含量7%，9%處理種子萌發速率較對照分別快了70%和63.19%，保水劑含量在7%時，沙打旺幼苗根長、根表面積較裸種提高19.36%，45.26%。

（2）抗旱試驗中，5%，7%和9%丸化保水劑含量處理提高沙打旺幼苗的抗旱能力。沙打旺幼苗停止供水后，底部兩片子葉首先枯黃萎蔫，進而頂部小葉萎蔫死亡；采用保水劑丸化間苗后第13d，5%和7%處理較對照幼苗枯黃數量分別減少了15.58%和22.07%，對幼苗萎蔫速率影響不明顯；萎蔫幼苗的根長、根表面積隨著保水劑濃度的提高而增加，5%，7%，9%處理較對照根長分別增加11.90%，27.53%和53.81%，根表面積分別增加了24.68%，11.03%，59.79%；沙打旺幼苗葉片內脯氨酸、可溶性糖含量與對照相比，7%，9%處理幼苗葉片脯氨酸含量分別降低了13.1%和13.6%；5%，7%和9%處理較對照幼苗葉片可溶性糖含量分別降低了20.33%，22.85%，19.08%。

（3）根據萌發及生長試驗、抗旱試驗數據綜合分析，沙打旺丸化添加保水劑適宜含量為7%～9%。

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