膨潤土與有機肥對風沙地披堿草多項生理特性的影響

卜繁迪,王東升,蔣明宇,呂崇源

(遼寧工程技術大學環境科學與工程學院,遼寧阜新 123000)

土地沙化已成為困擾全球的一個重要生態環境問題,據統計,沙化土地面積已達到1.73×106km2,占土地總面積的18.03%[1-2]。土地沙化形成的風沙土,其本身顆粒較粗糙,土壤膠體含量偏低,保水保肥能力較差,進而土壤中有機質與細粒物質流失嚴重,導致土壤進一步粗化、肥力逐步下降的惡性循環,土地生產力愈加衰退,作物抗逆能力降低,土壤病蟲害加劇,不利于作物生長發育。因此開展風沙土改良和修復研究對維持農業、經濟以及環境可持續發展具有重要意義。

近年來關于土壤改良劑的研究呈上升趨勢,主要涉及土壤改良劑對土壤理化性質及植物生長發育方面的影響[3-4],但研究成果在不同作物與不同區域間差異較大。披堿草屬禾本科多年生草本植物,用于放牧且有飼用價值,是潛在的優良草坪草資源[5],具有抗風沙、耐旱、耐寒、耐鹽堿等優點[6],在植被恢復、護坡、防風固沙等方面有重要作用,在環境保護與生態恢復工作中扮演著重要角色。因此, 開展披堿草種植資源的研究對我國農業發展及生態恢復建設具有深遠意義。

膨潤土素有“萬能黏土”稱號,是國內外開發較早、應用較廣泛的礦物性黏土,屬于硅酸鹽類非金屬礦物質[7]。易杰祥等[8]研究發現膨潤土可增加鹽基離子總量和陽離子交換量,降低交換性酸含量土壤酸度,明顯促進植株的發芽、生長和作物產量。膨潤土主成分是蒙脫石,屬于硅酸鹽類的天然物質,具有較高的陽離子交換量,而且其獨特的晶體結構具有很好的保水蓄水能力[9-10]。有機肥主要來自植物或動物,添加到農田土壤中后,它是具有能為作物提供養分的基礎功能的高含碳量物質。由于原材料成本較低且方便易得,在改善土壤結構、提升土壤保水保肥能力、促進作物生長[11]等方面作用顯著。邱曉麗等[12]研究表明生物有機肥對于提高土壤的生物活性、改善馬鈴薯的根際環境有幫助,進而提高了馬鈴薯根系活力,增加了馬鈴薯塊莖產量。張奇等[13]研究表明長期施用有機肥在培肥土壤、保障農作物增產、穩產方面有顯著作用。該研究從披堿草不同生育期抗氧化酶活性、細胞膜系統、滲透調節物質、葉綠素含量等方面進行分析,比較膨潤土與有機肥對其不同生育期幼苗生理特性的影響效果,旨在優化肥料配施方式、改善風沙地土壤肥力和土地生產能力,為章古臺風沙地改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況該試驗在遼寧省風沙地治理與利用研究所試驗基地內進行,地點位于遼寧省阜新市彰武縣北部的章古臺鎮,地理位置為122°23′～122°33′E、42°39′～42°43′N。該區地處科爾沁沙地東南部,屬于半干旱大陸性季風氣候。年平均氣溫6.8 ℃,極端最高溫度43.2 ℃,極端最低氣溫-33.4 ℃,年降雨量為474 mm,降雨多集中在6—8月。供試土壤類型為風沙土,試驗前對未施加土壤改良劑的樣地進行土壤理化性質的測定,其中土壤pH為5.75,土壤含水率為31.66%,有機質含量為0.94 g/kg,堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為22.18、8.98和42.63 mg/kg,全氮、全磷、全鉀含量分別為 0.19、0.11和1.61 g/kg。

1.2 試驗材料披堿草由遼寧省風沙地治理與利用研究所提供;膨潤土為以蒙脫石為主的非金屬礦產;有機肥為腐熟馬糞。

1.3 試驗設計試驗于2021年6月初開始播種,行距30 cm,條播,播深3～5 cm,播量10 kg/hm2。播種前將土地翻耕,除雜耙平,避免雜草與幼苗爭奪水肥。播前灌溉,采用河水漫灌,灌溉量以灌透為止。其他田間管理與當地傳統管理相同。設計5個處理,即CK(空白對照)、T1(1.0 kg/m2有機肥)、T2(5.0 kg/m2膨潤土)、T3(5.0 kg/m2膨潤土+1.5 kg/m2有機肥)、T4(5.0 kg/m2膨潤土+1.0 kg/m2有機肥)。每個處理3次重復,各處理小區面積為16 m2(4 m×4 m),共15個小區,樣區之間相距1 m,隨機排列。

1.4 樣品采集與生理指標測定每個處理樣地隨機按行取長為1 m樣方,選取各處理中長勢相似的披堿草幼苗,植株完整取出。使用米尺(精度0.1 cm)現場測定株高;將植株從莖基部剪開,獲得完整的地上和根系部分,采用稱重法測其含水率;用蒸餾水沖洗干凈,吸干水分,在105 ℃殺青30 min,70 ℃下烘干至恒重測定其干重;葉綠素含量采用TYS-A型葉綠素儀(北京中科維禾儀器有限公司生產)測定。采用氮藍四(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創木酚比色法測定過氧化物酶(POD)活性;采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶(CAT)活性;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法進行測定[14];脯氨酸含量采用茚三酮比色法進行測定[15]。

1.5 統計分析采用Excel 2013軟件進行數據處理和作圖,采用SPSS 23.0統計分析軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對披堿草各生育期抗氧化酶活性的影響

2.1.1SOD活性。由圖1可知,各處理披堿草SOD活性隨著生育時期的不斷推進呈現先升高后降低的變化趨勢。不同處理對披堿草各生育期SOD活性變化的影響不一致。在拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理披堿草SOD活性表現為T4>T3>T2>T1>CK,且施加土壤改良劑處理的披堿草SOD活性均高于CK處理,其中,拔節期T4、T3、T2和T1處理披堿草SOD活性分別較CK提高了26.07%、20.79%、12.87%、7.26%,抽穗期分別較CK提高了25.22%、17.97%、14.78%、5.80%,灌漿期分別較CK提高了32.71%、25.56%、21.43%和5.26%,成熟期分別較CK提高了33.51%、27.83%、22.16%和10.82%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖1 不同處理對披堿草各生育期SOD活性的影響Fig.1 Effect of different treatments on SOD activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.1.2POD活性。由圖2可知,各處理披堿草POD活性隨著生育時期的不斷推進呈現先升高后降低的變化趨勢。不同處理對披堿草各生育期POD活性的影響不一致。在拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理披堿草POD活性表現為T4>T3>T2>T1>CK,且施加土壤改良劑處理的披堿草SOD活性均顯著高于CK處理(P<0.05),其中,拔節期T4、T3、T2和T1處理披堿草POD活性分別較CK提高了45.55%、37.17%、27.75%、17.28%,抽穗期分別較CK提高了31.91%、25.23%、20.97%、6.99%,灌漿期分別較CK提高了32.71%、25.56%、21.43%、5.26%,成熟期分別較CK提高了27.57%、20.60%、14.62%和6.31%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖2 不同處理對披堿草各生育期POD活性的影響Fig.2 Effect of different treatments on POD activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.1.3CAT活性。由圖3可知,隨著生育時期的不斷推進,披堿草CAT活性表現不一致,但均以T4處理的CAT活性最大。在拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理披堿草CAT活性表現為T4>T3>T2>T1>CK,施用土壤改良劑處理的CAT活性均顯著高于CK處理(P<0.05),其中,拔節期T4、T3、T2和T1處理披堿草CAT活性分別較CK提高了50.50%、42.57%、29.70%、11.39%,抽穗期分別較CK處理提高了54.58%、40.24%、18.33%和10.76%,灌漿期分別較CK處理提高了63.53%、42.11%、29.32%、21.43%,成熟期分別較CK提高了65.37%、41.34%、21.91%和13.07%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖3 不同處理對披堿草各生育期CAT活性的影響Fig.3 Effect of different treatments on CAT activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.2 不同處理對披堿草各生育期MDA含量的影響由圖4可知,各處理披堿草MDA含量隨著生育時期的不斷推進呈現先降低后升高的變化趨勢。不同處理對披堿草各生育期MDA含量的影響不一致。施加土壤改良劑處理的披堿草MDA含量較CK處理均有所減少,且拔節期、灌漿期和成熟期施加土壤改良劑處理的披堿草MDA含量均顯著低于CK處理(P<0.05);其中拔節期T4、T3、T2和T1處理披堿草MDA含量分別較CK降低了30.05%、20.69%、14.29%、5.42%,抽穗期分別較CK降低了22.56%、19.87%、15.82%和2.69%,灌漿期分別較CK降低了30.72%、22.61%、18.26%和4.64%,成熟期分別較CK降低了25.95%、19.53%、14.87%和11.37%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖4 不同處理對披堿草各生育期MDA含量的影響Fig.4 Effect of different treatments on MDA content of Elymus dahuricus at different growth stages

2.3 不同處理對披堿草各生育期脯氨酸含量的影響由圖5可知,各處理披堿草脯氨酸含量隨著生育時期的不斷推進總體上呈現升高趨勢。不同處理對披堿草各生育期脯氨酸含量的影響不一致。在拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期,T4、T3、T2和T1處理的脯氨酸含量均高于CK。拔節期T4、T3、T2和T1處理披堿草脯氨酸含量分別較CK提高了34.51%、26.99%、14.60%、6.64%,抽穗期分別較CK提高了50.83%、35.54%、19.42%、9.50%,灌漿期分別較CK提高了36.84%、42.11%、29.32%、21.43%,成熟期分別較CK提高了39.58%、33.57%、24.38%、13.07%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖5 不同處理對披堿草各生育期脯氨酸含量的影響Fig.5 Effect of different treatments on proline content of Elymus dahuricus at different growth stages

2.4 不同處理對披堿草各生育期葉綠素含量的影響由圖6可知,隨著生育時期的不斷推進,披堿草葉片葉綠素含量呈現先升高后降低的趨勢。各生育期各處理披堿草葉片葉綠素含量表現不一致,但均以T4處理的葉綠素含量最高。在拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期,各處理的葉綠素含量表現為T4>T3>T2>T1>CK,施用土壤改良劑處理的葉片葉綠素含量較CK均顯著增加(P<0.05)。拔節期T4、T3、T2和T1處理披堿草葉綠素含量分別較CK提高了20.53%、15.56%、7.95%、5.30%,抽穗期分別較CK提高了25.22%、17.97%、14.78%、5.80%,灌漿期分別較CK提高了32.71%、25.56%、21.43%、5.26%,成熟期分別較CK提高了43.30%、31.44%、22.16%、10.82%。

注:不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).圖6 不同處理對披堿草各生育期葉綠素含量的影響Fig.6 Effect of different treatments on chlorophyll content of Elymus dahuricus at different growth stages

3 討論與結論

土壤沙化會影響作物的生理特性,該研究中施用不同處理的膨潤土及有機肥對披堿草各生育期SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸含量及葉綠素含量的影響不一致,但均表現為T4處理的披堿草各生育期顯著高于空白對照CK(P<0.05),而MDA含量各處理均低于CK,T4處理下為最小值,說明T4處理對披堿草生理特性的影響更為明顯。施用不同處理的土壤改良劑對披堿草各生育期SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸含量及葉綠素含量均有所提高,MDA含量有不同程度降低,說明膨潤土和有機肥均可促進披堿草的生理特性變化,提高其生物量,這可能與膨潤土和有機肥提高作物對養分的利用效率繼而促進作物生長發育有關[16]。抗氧化酶SOD、POD、CAT能夠有效清除過量積累的活性,披堿草可以通過施加膨潤土和有機肥來提高SOD、POD、CAT活性,從而產生了氧自由基來抵御風沙環境,這是植物對風沙環境脅迫的適應性反應。不同處理的土壤改良劑能降低葉片MDA含量,減輕風沙環境引起的膜脂過氧化反應,從而緩解風沙環境對披堿草細胞膜造成的傷害。膨潤土與有機肥能夠通過提高脯氨酸的積累來維持滲透平衡,保護細胞結構,增強植株耐旱抗風沙性能。施用土壤改良劑能提高披堿草對養分的吸收,促進披堿草植株的生長發育,降低葉片MDA含量,提高了披堿草SOD、POD、CAT活性,有助于葉綠素含量和脯氨酸含量的積累。

適量的膨潤土與有機肥等土壤改良劑的施用,可提高作物生長發育,不同配施處理下T4處理(5.0 kg/m2膨潤土+1.0 kg/m2有機肥)效果最佳,但該試驗年限較短,仍需長期試驗觀察對其效果進行評價。下一步試驗應延長試驗年限,探究影響披堿草生長發育的機制、土壤的性狀變化以及改良措施之長久效果,旨在為促進風沙地的改良與生產實踐提供技術支撐。