硅酸鹽水泥含量對種基盤特性的影響

趙佳愉，伍紅燕，史蔚林，宋桂龍

(北京林業(yè)大學 草業(yè)與草原學院，北京 100083)

植被生長和構建過程中，苗木初期的生長質(zhì)量是決定造林后苗木成活率和生長的最重要因素，而根系的擴展特性是評價苗木質(zhì)量的一個重要指標[1-4]。采用經(jīng)過改良的固體塊狀土壤為植物生長的基質(zhì)，在塊狀固體土壤的中心留下播種孔，作為種子的生育基礎，然后將其埋于土中，再進行覆土和播種，這種塊狀固體土壤稱為種基盤(seed-base )，這種技術稱為種基盤綠化技術(seed-base technology )[5]。該技術是邊坡苗木栽植的常用方法，是一項加速植被恢復進程的重要措施[6-7]，主要用于解決傳統(tǒng)容器苗存在的盤根、移栽后適應性差、根系擴展受阻等問題，可大大提高苗木的成活率，抗逆性。其最大的優(yōu)勢在于無造林季節(jié)的限制，尤其適合于立地條件差及自然條件惡劣的高陡邊坡[8-11]。

當種子發(fā)芽后由于四周土壁硬度較高，植物須根側(cè)向伸展受到種基盤的束縛，而主根生長受到促進，并在重力作用下向下方延伸，形成了主根粗壯且須根少的效果[12]。將已經(jīng)育好的種基盤移栽至邊坡，一周左右主根就可扎進邊坡土壤或巖石裂隙，須根也能迅速向內(nèi)生長并在土壤層中形成網(wǎng)絡狀[13]。

我國的種基盤綠化技術研究開始于21世紀初。對北京土石山區(qū)和河北濱海鹽堿地的基盤法造林技術進行的研究，表明種基盤具有一定阻隔鹽堿的作用[14]。在太行山南麓3種不同的立地條件下，采用種基盤造林方法，對8個擬選造林樹種進行了出苗試驗研究，結(jié)果表明：臭椿、胡枝子、金合歡80℃溫水處理適應性較強[15]。通過添加土壤活性改良劑，有效地提高了種基盤基質(zhì)的透水性和吸水速率，降低了其表面蒸發(fā)量，并促進了植物的地上部生長[1]。在基盤配方中增加海藻復混肥，種基盤造林成活率會隨之降低；粘合劑用量的多少對種基盤造林的成活率影響不顯著[16]。對種基盤育苗和營養(yǎng)缽育苗的方法進行對比，發(fā)現(xiàn)種基盤能有效促進樹木的主根沿著重力方向生長，使主根通直且發(fā)達，而側(cè)根粗壯且分布較均勻，而營養(yǎng)缽苗的主根不明顯，須根系盤繞現(xiàn)象嚴重[17]，在水分脅迫條件下，種基盤育苗比營養(yǎng)缽育苗更能促進苗木的生長[18]。

相比于傳統(tǒng)的苗木移栽和營養(yǎng)體移栽方法，種基盤外壁通過對苗木須根的側(cè)向伸展進行束縛，從而促進主根的向下生長，提高抗旱性及成活率。種基盤的核心技術在于基盤的抗壓強度、保水性和根系擴展方面，基質(zhì)添加物不同，種基盤的特性變化很大，而目前國內(nèi)對種基盤材料選擇及配比對其強度的研究較少。本試驗通過對不同水泥添加濃度的種基盤進行抗壓強度、保水性及根系擴展情況的研究，分析不同添加濃度下的應用效果，以期為種基盤綠化提供理論及技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

種基盤基質(zhì)材料主要包括土壤、草炭、復合肥、保水劑和普通硅酸鹽水泥。先將硅酸鹽水泥之外的基質(zhì)進行混合，土壤和泥炭按1∶1(V/V)混合，加入保水劑、復合肥，保水劑占干土重的0.2‰(W/W)，復合肥(史丹利公司生產(chǎn)，N-P2O5-K2O的養(yǎng)分比例為15-15-15)占干土重的1‰(W/W)，攪拌均勻后，形成基質(zhì)混合物。

試驗選用的土壤土質(zhì)為壤土，自然風干，過5 mm篩，土壤理化性質(zhì)見表1。

草炭，能夠較好地改良土壤，增加植物根部的透水透氣性，作為肥料營養(yǎng)成分的載體，防止養(yǎng)分直接流失。

保水劑(SAP)是人工合成的高分子長鏈聚合物，主要成分為聚丙烯酸鹽和聚丙烯酰胺共聚體，可增加植物對水分的吸收、儲存和釋放；降低土壤的固結(jié)，提高土壤的通風性和土壤活性。

普通硅酸鹽水泥(河北燕新建材集團有限公司生產(chǎn))，高標號42.5級，是一種膠凝材料，基材中加入水泥能提高土體強度。

試驗地點選在北京林業(yè)大學八家試驗地。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設計

采用單因子試驗設計，按質(zhì)量比將6個濃度硅酸鹽水泥分別與基質(zhì)混合物混合，6個濃度分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%(W/W)，設置未添加水泥(0%)為對照(CK)，每個處理3個重復。混合均勻后用種基盤成型器壓制成型。

使用的種基盤用自制模具制作，基盤規(guī)格為D=10 cm、H=10 cm的圓柱體，中間有一個孔徑為4 cm的貫通孔，孔四周有4個2 cm的通氣槽。需先將土、草炭等粉碎成細末，同時清除堅硬雜物，再按照配方添加各種所需試驗材料，然后充分攪勻各種材料。所使用的種基盤規(guī)格如圖1所示。

供試植物為紫穗槐，播種前用熱水浸種。播種時應先在種基盤的中央孔處加入占其總體積2/3的壤土，然后再加入一定量的水，使壤土下沉積實，再加入土進行覆蓋，覆蓋的土用壤土并加入一定比例的草炭混勻，加至離基盤頂部約1 cm，播種后用覆蓋土把種子蓋上，輕輕壓實，澆水。出苗后種基盤內(nèi)每穴只留苗1株，注意苗期水分保持和雜草防除。

圖1 種基盤Fig.1 Diagram of the seed base

1.3 指標與測量方法

1.3.1 抗壓強度 采用微機控制電子萬能試驗機(山東耐測智能設備有限公司生產(chǎn))。種基盤壓制成型后，中心孔內(nèi)覆土、澆水、壓實，在種基盤含水率分別為15%、20%、25%的條件下測定其抗壓強度(KN)，記錄峰值，即所能承受的最大強度。

1.3.3 根系擴展特性 采用根系掃描的方法。待所育苗生長3個月后，用鑷子和毛刷將根系挖出，每個濃度各取一株，盡量保證根系的完整構型，記錄根系的分布情況，帶回實驗室，清水沖洗干凈后帶回實驗室用根系掃描儀進行根系掃描。

測量種基盤中心孔內(nèi)和孔外根的長度占總根長的比例及不同徑級根系的長度。根系長度的測量采用Epson Twain Pro(32bit)掃描儀和根系分析應用系統(tǒng)WinRhIZO，掃描根系時，根據(jù)根系的直徑(d)進行分級處理，將0 mm4 mm的根系定義為粗根。

1.4 數(shù)據(jù)分析

原始數(shù)據(jù)采用Excel 2019整理，SPSS 23.0軟件進行分析，對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，并利用最小顯著差異法(LSD)檢驗不同數(shù)據(jù)組間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

相同含水率下，隨著水泥含量的升高，種基盤的強度逐漸升高，均高于對照；在不同水泥含量下，隨著種基盤含水率的升高，基盤的強度均逐漸降低(表2)。種基盤含水率為15%時，基盤抗壓強度隨著水泥含量的增加而增強，但2%、4%、6%、8%的處理間基盤強度差異不顯著，12%處理基盤強度與其他處理之間差異顯著；10%處理與2%、12%處理之間差異顯著，但與其他處理之間差異不顯著，且均高于含水率在20%和25%時的基盤強度，說明種基盤含水率越低，水泥用量越高，越有利于基盤的穩(wěn)定。

表2 不同水泥用量下種基盤的抗壓強度

種基盤含水率在20%的情況下，水泥含量為2%、4%、6%、8%時，基盤強度無顯著差異，水泥含量為10%和12%時，基盤強度存在顯著差異。種基盤含水率在25%的情況下，水泥含量為2%、4%、6%、8%時，基盤強度無顯著差異，但與其他水平之間存在顯著性差異；水泥含量為10%和12%時，基盤強度無顯著差異。

2.2 保水特性

水泥基質(zhì)配方的累計蒸發(fā)量和飽和含水率均高于對照(表3)。隨著水泥含量的增加，水泥基質(zhì)配方的飽和含水率呈降低的趨勢，水泥含量為4%、8%、12%時無顯著差異，三者與其他水平之間也無差異；而水泥含量為2%和6%時無顯著差異，但二者與對照有顯著差異。隨著水泥含量的升高，蒸發(fā)失水比呈升高的趨勢，水泥含量在 2%、4%時，蒸發(fā)失水比低于對照，但差異不顯著，說明水泥含量在2%和4%時對基質(zhì)蒸發(fā)有一定抑制效果。

表3 種基盤的累計蒸發(fā)量、飽和含水量和蒸發(fā)失水比

2.3 根系擴展特性

水泥含量在10%、12%時，種基盤外壁強度大，中心孔內(nèi)的根系長度比例高于孔外根系的長度比例，其他處理下，孔外的根系長度比例均高于孔內(nèi)根系的長度比例，說明水泥含量為2%、4%、6%、8%時，根系擴展性好(表4)。

隨著水泥含量的增加，種基盤中心孔內(nèi)、孔外根系總根長度逐漸降低，當水泥含量超過8%時，總根長度低于對照，水泥含量為2%、4%、6%時的根系總根長度分別比對照高出38.5%、21.4%、15.7%。水泥含量為2%時根系總根長與其他水平之間差異顯著，水泥含量為4%、6%時，二者間總根長差異不顯著，但與其他水平之間差異顯著(表4)。

表4 根系長度及比例

從種基盤中心孔內(nèi)及孔外兩個位置來看，不同徑級根系長度占總根長的比例均為細根遠大于中根和粗根；不同水泥含量下，不同徑級根系長度占總根長的比例為細根遠大于中根及粗根。在紫穗槐的地下根系中，細根的長度比例最大，中根和粗根間差異不明顯(P<0.05)，在7個水泥含量中，細根的長度比例都在九成以上，而中根及粗根總長度所占比不到一成(表5)。

表5 不同徑級根系長度的比例

3 討論

對于不同水泥添加濃度的種基盤，含水率越低，水泥含量越高，基盤強度越高，越有利于種基盤的穩(wěn)定。種基盤在3個供試含水率，在低水泥含量時(2%、4%、6%、8%)，隨著水泥含量的升高，基盤強度逐漸升高，基盤越穩(wěn)定，但其強度之間差異不顯著(P<0.05)。種基盤抗壓強度的提升會更好地束縛須根的側(cè)向延伸，以保證主根向深處下扎。但是水泥用量過高會導致種基盤pH值增加，不利于植物的生長，因此研發(fā)既能保證基質(zhì)強度又不對植物生長產(chǎn)生過大影響的低堿水泥是目前亟待解決的問題。

飽和含水量反映出基質(zhì)混合物對水分的容量大小[19]。隨著水泥含量的增加，水泥基質(zhì)配方的飽和含水率呈降低的趨勢，說明水泥含量越低，基質(zhì)持水效果越好，主要原因是水泥會堵塞土壤孔隙，與水分競爭土壤內(nèi)部空間。隨著水泥含量的升高，蒸發(fā)失水比呈升高的趨勢，水泥含量在2%、4%時，蒸發(fā)失水比低于對照，但差異不顯著，這說明水泥含量在2%、4%時，其對基質(zhì)蒸發(fā)有一定抑制效果。這與云波蘭等[20]在復合海藻肥(SCF)和土壤防蝕劑(SED)兩種改良劑對種基盤的吸水保水性能研究上的結(jié)果一致，低濃度對種基盤水分的蒸發(fā)有一定的抑制作用，高濃度效果不明顯或效果相反。這可能是由于硅酸鹽水泥會在基材表面形成一層保護膜，抑制水分子的向大氣擴散。本研究可對降水量稀少的干旱、半干地區(qū)的種基盤培育過程中的水分利用提供一定的理論和技術支持。

通過試驗得出，水泥用量為2%、4%、6%時的根系總根長度分別比對照高出38.5%、21.4%、15.7%，其余水平下均低于對照。水泥用量為2%時根系總根長與其他水平之間差異顯著(P<0.05)，水泥用量為4%、6%時，總根長之間差異不顯著(P<0.05)，細根的長度比例均高于90%。因此，當水泥用量低于8%時，水泥系列種基盤有利于植物的生長和根系擴展，主要原因可能是過多水泥的添加會導致基質(zhì)孔隙度大幅降低，不利于扎根和擴展，所以在工程綠化中要嚴格控制水泥的用量，使其既能保證一定的強度又不對植物根系生長產(chǎn)生太大負面影響。本研究結(jié)果是馮志培等[21]的種基盤顯著提高了側(cè)柏幼苗的根尖數(shù)和根系直徑研究結(jié)果的補充，從不同的方面驗證了種基盤對植物根系形態(tài)變化的影響。

在種基盤中添加硅酸鹽水泥的目的是在有限的條件下保障種基盤的強度，有利于種基盤的育苗、運輸和移栽，所以添加硅酸鹽水泥后植物生長情況的好壞是對其效應的最直接的評價。當種基盤含水率在15%時，強度較高，適宜于基盤的運輸、移栽。綜合水泥的添加對種基盤強度、保水性及根系擴展情況的影響，其適宜用量為2%左右時效果最好。

4 結(jié)論

對于不同水泥濃度的種基盤，含水率越低，水泥含量越高的情況下，基盤強度越高，越有利于種基盤的穩(wěn)定；隨著水泥含量的增加，水泥基質(zhì)配方的飽和含水量呈降低的趨勢，蒸發(fā)失水比呈升高的趨勢；低水泥含量(2%、4%、6%)下，根系總長度高于對照，有利于根系的擴展，而水泥添加濃度過高則對根系生長不利。