聚丙烯酰胺對砂礫質灘涂紅海欖幼苗生長及土壤養分的影響

摘要" ［目的］明確聚丙烯酰胺（PAM）對沿海困難立地砂礫質灘涂的改良作用。［方法］以紅海欖胚軸為供試樣本，通過室內潮汐模擬試驗，研究不同PAM施用量（0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%，分別記為P1、P2、P3、P4、P5）與城市污泥發酵肥、復合生物菌劑混施對紅樹生長和土壤養分的影響。［結果］與CK相比，不同PAM施用量處理下紅海欖幼苗樹高、葉片數分別增加18.75%～48.82%、5.0%～55.0%，地徑顯著增加43.16%～71.43%；根系、莖部生物量分別增加16.41%～87.26%、14.91%～72.75%；葉片生物量顯著增加64.36%～156.93%，根冠比顯著降低15.62%～26.98%。施用PAM對土壤有機質、磷和鉀的全量及速效養分影響較大，與CK相比，不同PAM施用量處理下土壤有機質、全磷、全鉀分別顯著增加623.47%～794.78%、114.49%～142.03%和145.90%～167.24%；速效磷、速效鉀分別顯著增加146.55%～268.12%、24.69%～61.74%。［結論］PAM與城市污泥發酵肥、復合生物菌劑混施可促進紅海欖幼苗生長，保持土壤養分，可作為沿海困難立地砂礫質灘涂的土壤改良劑，推薦PAM施用量為0.75%。

關鍵詞" 聚丙烯酰胺；紅海欖；砂礫質灘涂；土壤養分；土壤改良

中圖分類號" S156.2" 文獻標識碼" A" 文章編號" 0517-6611（2024）05-0057-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Polyacrylamide on Rhizophora stylosa Seedlings Growth and Soil Nutrients in Sandy Beach

LI Ting1， CHEN Yu-jun2， WEI Jun-fa3 et al

（1.Institute of Eco-environmental and Soil Sciences，Guangdong Academy of Sciences/National-Regional Joint Engineering Research Center for Soil Pollution Control and Remediation in South China/Guangdong Key Laboratory of Integrated Agro-environmental Pollution Control and Management， Guangzhou， Guangdong 510650;2.Research Institute of Tropical Forestry， Chinese Academy of Forestry， Guangzhou， Guangdong 510520;3.Guangdong Senlin Greening Corporation， Guangzhou， Guangdong 510520）

Abstract" ［Objective］To clarify the improvement effect of polyacrylamide （PAM） on sandy gravel beach in coastal difficult sites.［Method］ Rhizophora stylosa was used as the research material to explore the effects of different PAM application rates （0.25%， 0.50%， 0.75%， 1.00%， 1.25%， respectively recorded as P1， P2， P3， P4， P5） mixed with silt and compound biological inoculants on plant growth and soil nutrients through tidal-simulation test.［Result］Compared with CK treatment， in different PAM application rates treatments， the tree heights and number of leaves increased to 18.75%-48.82% and 5.0%-55.0%， respectively;the ground diameters significantly increased to 43.16%-71.43%;the roots and stems biomass increased to 16.41%-87.26% and 14.91%-72.75%， respectively;the leaves biomass significantly increased to 64.36%-156.93%， and the root-shoot ratio significantly decreased to 15.62%-26.98%.The application of PAM had a greater impact on soil organic matter， the total and available nutrients of soil phosphorus and potassium， and the soil organic matter， total phosphorus and total potassium significantly increased to 623.47%-794.78%， 114.49%-142.03% and 145.90%-167.24%， respectively;the available phosphorus and available potassium significantly increased to 146.55%-268.12%， 24.69%-61.74%， respectively.［Conclusion］The mixed application of PAM with silt and compound biological inoculants can promote the growth of Rhizophora stylosa seedlings and improve soil nutrients. It can be used as soil conditioner for sandy gravel beach in coastal difficult sites and the recommended application rate of PAM is 0.75%.

Key words" Polyacrylamide;Rhizophora stylosa;Sandy gravel beach;Soil nutrient;Soil improvement

基金項目" 廣東省重點領域研發計劃項目（2020B020214001）；海南省自然科學基金項目（421RC658）；國家自然科學基金項目（41771232）。

作者簡介" 李婷（1994—），女，四川達州人，碩士，從事土壤改良與生態修復研究。*通信作者，副研究員，碩士，從事土壤環境與區域生態研究。

收稿日期" 2023-04-18

紅樹林是生長在25°N～25°S 的熱帶、亞熱帶潮間帶獨特的木本植物群落，其面積僅占全球沿海面積的0.5%，但貢獻了10%～15%的碳儲量［1-2］。由于紅樹林獨特的生境，其對近海碳的生物地球化學循環乃至全球碳收支及平衡具有重要而獨特的作用［1，3］。但由于土地利用類型變化、砍伐、水產養殖、填海造陸和圍墾筑堤等人類活動，在過去的半個多世紀紅樹林的覆蓋面積減少50%［4-6］。中國紅樹林總面積在歷史上曾達2.5×105 hm2，至2019年，中國紅樹林約為2.4×104 hm2［7-8］。在全球氣候變化的背景下，紅樹林生態系統已成為保護和恢復工作的重點，2020年國家提出至2025 年營造和修復紅樹林18 800 hm2，但由于多種人為或生物學原因，現存的尚未實現造林的潮間帶灘涂基本上為沿海砂礫質海灘等困難立地，造林難度大［9］。另研究表明，紅樹林土壤通常缺乏養分，氮、磷和鐵的低有效性被認為是海岸線上沒有紅樹林的原因［10-11］。因此，如何提高沿海砂礫質海灘宜林性，提高該困難立地紅樹林造林成功率尚亟待解決。

聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）是一種水溶性線型高分子聚合物，水溶性好，無毒，具有很強的黏聚作用，在水中會分解為水、二氧化碳、氨態氮等對土壤有益的物質，能顯著改善土壤的物理性狀，農學價值良好［12-13］。王雪等［14］研究表明，PAM施用量為1.5～2.0 g/kg 時，對砂土具有良好的保水和改善土壤團粒結構的效果，而且對保持土壤氮、磷、鉀養分以及減少肥料養分流失有顯著作用；龐春花等［15］研究表明，新型改良劑PAM能顯著改善鹽堿土土壤性質，緩解鹽堿脅迫，提升藜麥產量，且具有較好的經濟效益。此外，PAM在坡地黃綿土、風沙土、尾礦復墾、鹽化黏質耕作土等均有研究［16-19］，其對不同土壤的改良效果存在差異，對不同作物生長亦表現出不同的影響，適宜的PAM施用量對土壤物理性狀、養分流失具有良好的改善作用，對作物生長表現出較好的促進作用［16-20］。但目前PAM在沿海困難立地砂礫質灘涂的應用鮮見相關研究報道，基于此，該研究開展了淹浸模擬試驗，分析不同PAM施用量對沿海困難立地砂礫質灘涂的改良效果和紅樹生長的影響，確定PAM 在造林應用時最適宜用量，為提高沿海困難立地紅樹林造林及育苗提供參考依據。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

供試土壤采自廣東省茂名市電白區水東灣沿岸，基本理化性質：pH為5.93，有機質為2.36 g/kg，全氮為0.63 g/kg，全磷為0.74 g/kg，全鉀為4.43 g/kg，堿解氮為29.40 mg/kg，速效磷為18.11 mg/kg，速效鉀為252.25 mg/kg，質地為砂質土。供試紅海欖胚軸均成熟發育良好、無病蟲害，長度為（30.13±0.26）cm。供試聚丙烯酰胺（PAM），陰離子型，相對分子質量15萬左右，購于鞏義市振宇凈水材料廠。供試菌劑為復合菌劑，主要菌種為巨大芽孢桿菌、膠凍樣類芽孢桿菌，有效活菌數≥1.0億/g，購于河北閏沃生物技術有限公司；供試污泥發酵肥來自廣東省科學院生態環境與土壤研究所，基本指標為pH 6.87、有機質423.5 g/kg、總有機碳175.2 g/kg、水溶性碳21.8 g/kg、總氮24.3 g/kg、水溶性氮7.8 g/kg、電導率3.18 mS/cm、種子發芽指數96.9%。

1.2" 試驗設置

采用室內淹浸模擬試驗，在中國林業科學研究院熱帶林業研究所潮汐模擬實驗室中進行，試驗時間2021年9月3日—2022年11月22日，共445 d。風干過篩的土樣充分混合后，分別稱取1.5 kg置于口徑13.5 cm、高10.7 cm內襯塑料袋的塑料盆中。

設置不同施用量PAM配施污泥發酵肥和復合生物菌劑，污泥發酵肥與土樣按質量比5%進行混合，復合生物菌劑與土樣按質量比0.2%均勻層施于4～5 cm處。其中，設5個PAM施用量梯度，即PAM施用量與土樣按質量比0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%進行混合，分別記為P1、P2、P3、P4、P5；另設不加入改良劑（CK）、單施5%污泥發酵肥和0.2%復合生物菌劑（P0）作為對照處理。共7個處理，每處理重復3次，共21盆。

自動潮汐模擬槽裝置分上槽和下槽，上槽為培養槽，下槽為儲水槽，長×寬×高規格為1.20 m×0.70 m×0.45 m，最大淹水深度為0.4 m，海欖幼苗盆栽盆深0.17 m，幼苗地上部分淹水深度為0.3 m。使用水泵連接上下槽，水泵速率為12 L/min，定時器控制漲潮和退潮的時間。共設置21對模擬槽，槽內水由速溶海鹽與自來水配制而成，鹽度為10‰，每7 d對槽內水體鹽度進行校正。試驗模擬半日潮，每日幼苗淹水8 h。

1.3" 測定指標與方法

植株地上部和地下部分別收獲，洗凈后105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱重并記錄干重。

供試土壤pH采用電位法（m∶V=1∶10），Sartorius PB-10型酸度計和Sartorius pH/ATC復合電極測定；有機質測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法；全氮測定采用硫酸消煮，堿解擴散法；全磷和全鉀采用氫氧化鈉熔融法，分別用鉬銻抗比色法和火焰光度計測定；硝態氮采用紫外分光光度法測定，銨態氮采用靛酚藍比色法測定；有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉（pH 8.5，m∶V=1∶20）浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1.0 mol/L乙酸銨浸提，用火焰光度計測定［21］。

1.4" 數據處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行統計處理，運用SPSS 21.0進行數據分析，對所有數據進行正態性和方差齊性檢驗。對不同施用量處理梯度的差異進行單因素方差（One-way ANOVA）分析，使用Tukey檢驗，Plt;0.05表示差異顯著。使用Origin 2021繪圖。生態化學計量比均為摩爾比。

2" 結果與分析

2.1" PAM改良劑對紅海欖生長量積累的影響

從圖1可以看出，施用PAM改良劑明顯影響紅海欖幼苗樹高、地徑和葉片數，可促進紅海欖幼苗生長量的積累。與CK相比，P0和不同PAM施用量（P1～P5）處理下紅海欖幼苗樹高均有所增加，增幅分別為14.43%、18.75%、29.91%、42.19%、29.58%、48.82%，其中僅P5處理下達到顯著程度，樹高為最大值，但P0和不同PAM施用量處理間無顯著差異。除P0處理外，不同PAM施用量處理下紅海欖幼苗地徑顯著大于CK處理，增幅分別為44.38%、43.16%、71.43%、48.78%和65.50%；紅海欖幼苗地徑在P3處理下為最大值，且P3處理顯著大于P0、P1和P2處理。與CK處理相比，P0和不同PAM施用量處理下紅海欖幼苗葉片數均有增加，增幅分別為20.00%、5.00%、35.00%、50.00%、40.00%、55.00%，其中，僅P3和P5處理下達到顯著程度；紅海欖幼苗葉片數在P5處理下為最大值，在P3和P5處理下紅海欖幼苗葉片數顯著大于P1處理，但P3和P5處理之間無顯著差異。

2.2" PAM改良劑對紅海欖生物量積累的影響

從圖2可以看出，施用PAM改良劑明顯影響紅海欖幼苗根系、莖部和葉片生物量，可促進紅海欖幼苗的生長。紅海欖幼苗根系生物量在P5處理下為最大值，其中，P3和P5處理下紅海欖幼苗根系生物量顯著大于P0、P1和P2處理，而P3和P5處理間無顯著差異；與CK處理相比，P0和不同PAM施用量處理下，紅海欖幼苗根系生物量均有增加，增幅分別為3.10%、16.41%、22.68%、69.33%、36.93%、87.26%，且在P3和P5處理下達到顯著程度。紅海欖幼苗莖部生物量在P0和不同PAM施用量處理下較CK處理均有增加，增幅分別為13.62%、14.91%、18.77%、72.75%、49.23%、49.23%；P3處理下紅海欖幼苗莖部生物量為最大值，較P0、P1處理顯著增加。紅海欖幼苗葉片生物量在P5處理下為最大值，除P0外，不同PAM施用量處理下紅海欖幼苗葉片生物量顯著大于CK處理，增幅分別為64.36%、99.50%、151.73%、90.35%和156.93%；P3和P5處理下紅海欖幼苗葉片生物量顯著大于P0、P1、P2、P4，但P3和P5處理間無顯著差異。

施用PAM改良劑明顯影響紅海欖幼苗根冠比，但不同PAM施用量處理間紅海欖幼苗根冠比無顯著差異，其中，紅海欖幼苗根冠比在P2處理下為最小值。與CK處理相比，除P0處理外，各PAM處理下紅海欖幼苗根冠比顯著降低，降幅分別為19.76%、26.98%、15.62%、21.68%和18.87%。

2.3" PAM改良劑對土壤pH和養分的影響

從表1可以看出，施用PAM改良劑對土壤pH、有機質、全量養分有明顯影響。土壤pH在P0和不同PAM施用量處理下較CK處理均有增加，其中，P2和P5處理下土壤pH較CK處理顯著增加，增幅分別為6.39%和5.21%，但不同PAM施用量處理間土壤pH無顯著差異。P0和不同PAM施用量處理下土壤有機質較CK處理均顯著增加，增幅分別為618.95%、685.37%、623.47%、656.30%、794.78%、686.74%；P4處理下土壤有機質為最大值，顯著大于P0、P2處理，但與其他PAM施用量處理無顯著差異。土壤全氮在P0和不同PAM施用量處理下較CK處理均有增加，僅在P1處理下達到顯著程度，增幅為278.02%；P1處理下土壤全氮為最大值，顯著大于P0、P2、P3和P5處理。土壤全磷在CK處理下為最小值，P0和不同PAM施用量處理下土壤全磷較CK處理顯著增加，增幅分別為81.16%、142.03%、126.09%、114.49%、128.99%、140.58%，但P0和不同PAM施用量處理間無顯著差異。土壤全鉀在CK處理下為最小值，P0和不同PAM施用量處理下土壤全鉀較CK處理顯著增加，增幅分別為133.71%、145.90%、159.81%、167.05%、167.24%、155.05%，但P0和不同PAM施用量處理間無顯著差異。

從表2可以看出，施用PAM改良劑對土壤硝態氮、銨態氮、速效磷和速效鉀有明顯影響。土壤硝態氮和銨態氮在不同PAM施用量處理下，隨施用量的增加呈先增后減的趨勢，在P2處理下為最大值；P2處理下土壤硝態氮顯著大于P0、P3、P4、P5處理，土壤銨態氮顯著大于P1、P4處理；與CK處理相比，P0、P3、P4、P5處理下土壤硝態氮顯著降低，降幅分別為50.00%、64.47%、56.58%、71.05%，P2處理下土壤銨態氮顯著增加97.97%。土壤速效磷在CK處理下為最小值，P0和不同PAM施用量處理下土壤速效磷較CK處理顯著增加，增幅分別為153.35%、194.16%、268.12%、227.95%、146.55%、245.48%，其中，P2處理下土壤速效磷為最大值，顯著大于P0和P4處理。土壤速效鉀在CK處理下為最小值，P0和不同PAM施用量處理下土壤速效鉀較CK處理分別顯著增加23.46%、32.11%、24.69%、32.51%、61.74%、40.74%，其中，P4處理下土壤速效鉀為最大值，顯著大于P0、P1、P2、P3處理。

2.4" PAM改良劑對土壤化學計量比的影響

從表3可以看出，不同處理下土壤C∶N、C∶P、N∶P值均有明顯差異。不同PAM施用量處理下土壤C∶N值為9.21～30.90，平均值為21.53；CK處理下，C∶N值為最小值，較P2、P5處理分別顯著降低84.73%、85.86%。不同PAM施用量處理下土壤C∶P值為8.23～10.07，平均值為8.87；CK處理下，C∶P值為最小值，顯著低于P0和不同PAM施用量處理。不同PAM施用量處理下土壤N∶P值為0.30～0.93，平均值為0.53。

2.5" 紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH、養分的關系

從表4可以看出，紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH、養分的相關關系存在差異。紅海欖幼苗樹高、地徑、葉片數與土壤有機質、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、pH、C∶N、C∶P呈顯著或極顯著正相關，與土壤硝態氮呈顯著或極顯著負相關。紅海欖幼苗根系生物量、莖部生物量、葉片生物量與土壤全磷、全鉀、速效鉀呈顯著或極顯著正相關，與土壤硝態氮呈顯著或極顯著負相關，此外，莖部生物量、葉片生物量與土壤有機質分別呈顯著、極顯著正相關，根系生物量、葉片生物量與C∶N呈極顯著正相關，與土壤N∶P呈顯著負相關。

3" 討論

施用PAM可促進植株生長，提高植株生物量，這已在豆類［22］、玉米［23］、水稻［24］上得到證實。此外，龐春花等［15］研究表明，常規施肥配施0.5 g/kg PAM可使鹽堿地藜麥籽粒產量、有效分枝數、頂穗粒數、頂穗小穗數和千粒質量分別顯著提升78.5%、70.0%、71.5%、67.9%、61.5%；丁寧等［17］研究表明，施用PAM有利于平邑甜茶幼苗的生長，較對照處理可顯著提高植株生長株高和總鮮樣質量，增幅分別為12.06%～59.29%、6.69%～63.95%；戴黎等［25］研究表明，施用22.5 kg/hm2 PAM可使大棚種植草莓產量顯著提高19.11%，平均單果重顯著增加14.51 g。該研究以紅海欖幼苗為研究對象，進一步說明了PAM的普適性。該試驗中，施用PAM促進了紅海欖幼苗的生長和生物量的積累，明顯增加了紅海欖幼苗地徑和葉片生物量，明顯降低了紅海欖幼苗根冠比，提高了樹高、葉片數以及根系、莖部生物量，以1.25% PAM施用量（P5）效果最好，與上述研究具有相似性。究其原因，一方面在于PAM對土壤水穩定性團聚體數量、容重、飽和持水量、凋萎含水量、飽和導水率和有效水范圍等物理指標有明顯的改善效果，可較全面地改善土壤物理性狀［24，26］，為紅海欖幼苗的生長創造良好的土壤環境；另一方面在于PAM作為一種高分子保水劑，可以增加土壤對氮、鉀的吸附固定作用，有效減少氮、鉀的淋溶損失，且PAM對土壤養分具有一定的緩釋作用［17，27］，可滿足紅海欖幼苗生長過程中對養分的需求，促進紅海欖幼苗的生長。

研究表明，PAM施入燕麥田土壤，可提高土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量［28］；PAM與肥料混合施用可使膠園肥穴0～20 cm 土層中硝態氮、速效鉀含量顯著增加138.6%、117.4%，銨態氮含量增加32.7%［29］；PAM施入鹽漬土可使有機質增加4.41%～11.03%，且隨PAM施用量的增加而增加［24］。該研究中，不同PAM施用量處理下土壤有機質、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀均顯著增加，與上述研究具有相似性。這一方面是由于PAM具有強大的吸水和黏合能力，能有效維持土壤團聚體并促進新團聚體的形成，幫助保持良好的土壤結構，同時吸附固定土壤養分，這些特性有利于增加土壤養分的有效性，減少養分的流失［24，27，29］。土壤碳（C）、氮（N）和磷（P）的空間格局及其化學計量特征在養分限制、群落動態、養分利用效率和生物地球化學循環等方面發揮著重要作用［30］。研究表明，土壤C∶N值可反映有機質來源與分解狀態及其對土壤肥力的潛在貢獻，與土壤有機碳分解速率成反比［31］；C∶P值可反映土壤磷礦化能力，與土壤磷的有效性成反比［32-33］；N∶P值可反映土壤氮飽和狀態及土壤養分限制閾值，其值小于14則土壤受氮限制，大于16則土壤受磷限制［33-34］。該研究中，相比CK處理，不同PAM施用量處理下土壤C∶N值均有提高，平均值為21.53；C∶P值均顯著增加，平均值為8.87；而N∶P值無明顯變化，平均值為0.53。這表明不同PAM施用量處理對土壤氮無明顯的促進作用，土壤有機質的分解速率受限于氮含量，處于氮限制狀態，與土壤氮養分無顯著增加相符合。

紅樹林常被報道受氮、磷等養分限制［10-11］。相關分析表明，紅海纜幼苗生長量與土壤有機質、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀呈極顯著或顯著正相關，紅海纜幼苗生物量與土壤全磷、全鉀、速效鉀呈極顯著或顯著正相關，與紅樹苗木生長對養分的需求符合。但紅海纜幼苗生長量、生物量均與土壤硝態氮呈極顯著或顯著負相關。另有研究表明，紅樹林生物量與銨態氮呈正相關，而與硝態氮、亞硝態氮相關性不顯著［35］。這表明不同形態的氮可能會影響紅樹林中氮素的有效性，今后還需進一步研究，以闡明不同形式氮的可獲得性和紅樹林生物量變化背后的機制。

4" 結論

該試驗條件下，不同PAM施用量與污泥發酵肥和復合生物菌劑混施明顯影響紅海欖幼苗生長量、生物量積累及土壤養分、化學計量比，可改善砂礫質土壤養分狀況，促進紅海欖幼苗的生長及生物量積累，以1.25% PAM施用量（P5）效果促生效果最好，由于0.75% PAM施用量（P3）與1.25% PAM施用量處理下紅海欖幼苗生長量、生物量積累及土壤養分、化學計量比基本無顯著差異，為減少種植成本，該研究推薦PAM施用量為0.75%，且該研究基于室內潮汐模擬控制試驗，其在實際潮汐環境中的應用效果還需進一步驗證。

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