卜繁迪,王东升,蒋明宇,吕崇源

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新 123000)

土地沙化已成为困扰全球的一个重要生态环境问题,据统计,沙化土地面积已达到1.73×106km2,占土地总面积的18.03%[1-2]。土地沙化形成的风沙土,其本身颗粒较粗糙,土壤胶体含量偏低,保水保肥能力较差,进而土壤中有机质与细粒物质流失严重,导致土壤进一步粗化、肥力逐步下降的恶性循环,土地生产力愈加衰退,作物抗逆能力降低,土壤病虫害加剧,不利于作物生长发育。因此开展风沙土改良和修复研究对维持农业、经济以及环境可持续发展具有重要意义。

近年来关于土壤改良剂的研究呈上升趋势,主要涉及土壤改良剂对土壤理化性质及植物生长发育方面的影响[3-4],但研究成果在不同作物与不同区域间差异较大。披碱草属禾本科多年生草本植物,用于放牧且有饲用价值,是潜在的优良草坪草资源[5],具有抗风沙、耐旱、耐寒、耐盐碱等优点[6],在植被恢复、护坡、防风固沙等方面有重要作用,在环境保护与生态恢复工作中扮演着重要角色。因此, 开展披碱草种植资源的研究对我国农业发展及生态恢复建设具有深远意义。

膨润土素有“万能黏土”称号,是国内外开发较早、应用较广泛的矿物性黏土,属于硅酸盐类非金属矿物质[7]。易杰祥等[8]研究发现膨润土可增加盐基离子总量和阳离子交换量,降低交换性酸含量土壤酸度,明显促进植株的发芽、生长和作物产量。膨润土主成分是蒙脱石,属于硅酸盐类的天然物质,具有较高的阳离子交换量,而且其独特的晶体结构具有很好的保水蓄水能力[9-10]。有机肥主要来自植物或动物,添加到农田土壤中后,它是具有能为作物提供养分的基础功能的高含碳量物质。由于原材料成本较低且方便易得,在改善土壤结构、提升土壤保水保肥能力、促进作物生长[11]等方面作用显著。邱晓丽等[12]研究表明生物有机肥对于提高土壤的生物活性、改善马铃薯的根际环境有帮助,进而提高了马铃薯根系活力,增加了马铃薯块茎产量。张奇等[13]研究表明长期施用有机肥在培肥土壤、保障农作物增产、稳产方面有显著作用。该研究从披碱草不同生育期抗氧化酶活性、细胞膜系统、渗透调节物质、叶绿素含量等方面进行分析,比较膨润土与有机肥对其不同生育期幼苗生理特性的影响效果,旨在优化肥料配施方式、改善风沙地土壤肥力和土地生产能力,为章古台风沙地改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况该试验在辽宁省风沙地治理与利用研究所试验基地内进行,地点位于辽宁省阜新市彰武县北部的章古台镇,地理位置为122°23′～122°33′E、42°39′～42°43′N。该区地处科尔沁沙地东南部,属于半干旱大陆性季风气候。年平均气温6.8 ℃,极端最高温度43.2 ℃,极端最低气温-33.4 ℃,年降雨量为474 mm,降雨多集中在6—8月。供试土壤类型为风沙土,试验前对未施加土壤改良剂的样地进行土壤理化性质的测定,其中土壤pH为5.75,土壤含水率为31.66%,有机质含量为0.94 g/kg,碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为22.18、8.98和42.63 mg/kg,全氮、全磷、全钾含量分别为 0.19、0.11和1.61 g/kg。

1.2 试验材料披碱草由辽宁省风沙地治理与利用研究所提供;膨润土为以蒙脱石为主的非金属矿产;有机肥为腐熟马粪。

1.3 试验设计试验于2021年6月初开始播种,行距30 cm,条播,播深3～5 cm,播量10 kg/hm2。播种前将土地翻耕,除杂耙平,避免杂草与幼苗争夺水肥。播前灌溉,采用河水漫灌,灌溉量以灌透为止。其他田间管理与当地传统管理相同。设计5个处理,即CK(空白对照)、T1(1.0 kg/m2有机肥)、T2(5.0 kg/m2膨润土)、T3(5.0 kg/m2膨润土+1.5 kg/m2有机肥)、T4(5.0 kg/m2膨润土+1.0 kg/m2有机肥)。每个处理3次重复,各处理小区面积为16 m2(4 m×4 m),共15个小区,样区之间相距1 m,随机排列。

1.4 样品采集与生理指标测定每个处理样地随机按行取长为1 m样方,选取各处理中长势相似的披碱草幼苗,植株完整取出。使用米尺(精度0.1 cm)现场测定株高;将植株从茎基部剪开,获得完整的地上和根系部分,采用称重法测其含水率;用蒸馏水冲洗干净,吸干水分,在105 ℃杀青30 min,70 ℃下烘干至恒重测定其干重;叶绿素含量采用TYS-A型叶绿素仪(北京中科维禾仪器有限公司生产)测定。采用氮蓝四(NBT)法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈创木酚比色法测定过氧化物酶(POD)活性;采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)活性;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法进行测定[14];脯氨酸含量采用茚三酮比色法进行测定[15]。

1.5 统计分析采用Excel 2013软件进行数据处理和作图,采用SPSS 23.0统计分析软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对披碱草各生育期抗氧化酶活性的影响

2.1.1SOD活性。由图1可知,各处理披碱草SOD活性随着生育时期的不断推进呈现先升高后降低的变化趋势。不同处理对披碱草各生育期SOD活性变化的影响不一致。在拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期,各处理披碱草SOD活性表现为T4>T3>T2>T1>CK,且施加土壤改良剂处理的披碱草SOD活性均高于CK处理,其中,拔节期T4、T3、T2和T1处理披碱草SOD活性分别较CK提高了26.07%、20.79%、12.87%、7.26%,抽穗期分别较CK提高了25.22%、17.97%、14.78%、5.80%,灌浆期分别较CK提高了32.71%、25.56%、21.43%和5.26%,成熟期分别较CK提高了33.51%、27.83%、22.16%和10.82%。

注:不同小写字母表示同一生育期不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).图1 不同处理对披碱草各生育期SOD活性的影响Fig.1 Effect of different treatments on SOD activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.1.2POD活性。由图2可知,各处理披碱草POD活性随着生育时期的不断推进呈现先升高后降低的变化趋势。不同处理对披碱草各生育期POD活性的影响不一致。在拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期,各处理披碱草POD活性表现为T4>T3>T2>T1>CK,且施加土壤改良剂处理的披碱草SOD活性均显著高于CK处理(P<0.05),其中,拔节期T4、T3、T2和T1处理披碱草POD活性分别较CK提高了45.55%、37.17%、27.75%、17.28%,抽穗期分别较CK提高了31.91%、25.23%、20.97%、6.99%,灌浆期分别较CK提高了32.71%、25.56%、21.43%、5.26%,成熟期分别较CK提高了27.57%、20.60%、14.62%和6.31%。

注:不同小写字母表示同一生育期不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).图2 不同处理对披碱草各生育期POD活性的影响Fig.2 Effect of different treatments on POD activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.1.3CAT活性。由图3可知,随着生育时期的不断推进,披碱草CAT活性表现不一致,但均以T4处理的CAT活性最大。在拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期,各处理披碱草CAT活性表现为T4>T3>T2>T1>CK,施用土壤改良剂处理的CAT活性均显著高于CK处理(P<0.05),其中,拔节期T4、T3、T2和T1处理披碱草CAT活性分别较CK提高了50.50%、42.57%、29.70%、11.39%,抽穗期分别较CK处理提高了54.58%、40.24%、18.33%和10.76%,灌浆期分别较CK处理提高了63.53%、42.11%、29.32%、21.43%,成熟期分别较CK提高了65.37%、41.34%、21.91%和13.07%。

注:不同小写字母表示同一生育期不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).图3 不同处理对披碱草各生育期CAT活性的影响Fig.3 Effect of different treatments on CAT activity of Elymus dahuricus at different growth stages

2.2 不同处理对披碱草各生育期MDA含量的影响由图4可知,各处理披碱草MDA含量随着生育时期的不断推进呈现先降低后升高的变化趋势。不同处理对披碱草各生育期MDA含量的影响不一致。施加土壤改良剂处理的披碱草MDA含量较CK处理均有所减少,且拔节期、灌浆期和成熟期施加土壤改良剂处理的披碱草MDA含量均显著低于CK处理(P<0.05);其中拔节期T4、T3、T2和T1处理披碱草MDA含量分别较CK降低了30.05%、20.69%、14.29%、5.42%,抽穗期分别较CK降低了22.56%、19.87%、15.82%和2.69%,灌浆期分别较CK降低了30.72%、22.61%、18.26%和4.64%,成熟期分别较CK降低了25.95%、19.53%、14.87%和11.37%。

注:不同小写字母表示同一生育期不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).图4 不同处理对披碱草各生育期MDA含量的影响Fig.4 Effect of different treatments on MDA content of Elymus dahuricus at different growth stages

2.3 不同处理对披碱草各生育期脯氨酸含量的影响由图5可知,各处理披碱草脯氨酸含量随着生育时期的不断推进总体上呈现升高趋势。不同处理对披碱草各生育期脯氨酸含量的影响不一致。在拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期,T4、T3、T2和T1处理的脯氨酸含量均高于CK。拔节期T4、T3、T2和T1处理披碱草脯氨酸含量分别较CK提高了34.51%、26.99%、14.60%、6.64%,抽穗期分别较CK提高了50.83%、35.54%、19.42%、9.50%,灌浆期分别较CK提高了36.84%、42.11%、29.32%、21.43%,成熟期分别较CK提高了39.58%、33.57%、24.38%、13.07%。

注:不同小写字母表示同一生育期不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).图5 不同处理对披碱草各生育期脯氨酸含量的影响Fig.5 Effect of different treatments on proline content of Elymus dahuricus at different growth stages

2.4 不同处理对披碱草各生育期叶绿素含量的影响由图6可知,随着生育时期的不断推进,披碱草叶片叶绿素含量呈现先升高后降低的趋势。各生育期各处理披碱草叶片叶绿素含量表现不一致,但均以T4处理的叶绿素含量最高。在拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期,各处理的叶绿素含量表现为T4>T3>T2>T1>CK,施用土壤改良剂处理的叶片叶绿素含量较CK均显著增加(P<0.05)。拔节期T4、T3、T2和T1处理披碱草叶绿素含量分别较CK提高了20.53%、15.56%、7.95%、5.30%,抽穗期分别较CK提高了25.22%、17.97%、14.78%、5.80%,灌浆期分别较CK提高了32.71%、25.56%、21.43%、5.26%,成熟期分别较CK提高了43.30%、31.44%、22.16%、10.82%。

注:不同小写字母表示同一生育期不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercases indicate significant differences between different treatments during the same growth stage(P<0.05).图6 不同处理对披碱草各生育期叶绿素含量的影响Fig.6 Effect of different treatments on chlorophyll content of Elymus dahuricus at different growth stages

3 讨论与结论

土壤沙化会影响作物的生理特性,该研究中施用不同处理的膨润土及有机肥对披碱草各生育期SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸含量及叶绿素含量的影响不一致,但均表现为T4处理的披碱草各生育期显著高于空白对照CK(P<0.05),而MDA含量各处理均低于CK,T4处理下为最小值,说明T4处理对披碱草生理特性的影响更为明显。施用不同处理的土壤改良剂对披碱草各生育期SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸含量及叶绿素含量均有所提高,MDA含量有不同程度降低,说明膨润土和有机肥均可促进披碱草的生理特性变化,提高其生物量,这可能与膨润土和有机肥提高作物对养分的利用效率继而促进作物生长发育有关[16]。抗氧化酶SOD、POD、CAT能够有效清除过量积累的活性,披碱草可以通过施加膨润土和有机肥来提高SOD、POD、CAT活性,从而产生了氧自由基来抵御风沙环境,这是植物对风沙环境胁迫的适应性反应。不同处理的土壤改良剂能降低叶片MDA含量,减轻风沙环境引起的膜脂过氧化反应,从而缓解风沙环境对披碱草细胞膜造成的伤害。膨润土与有机肥能够通过提高脯氨酸的积累来维持渗透平衡,保护细胞结构,增强植株耐旱抗风沙性能。施用土壤改良剂能提高披碱草对养分的吸收,促进披碱草植株的生长发育,降低叶片MDA含量,提高了披碱草SOD、POD、CAT活性,有助于叶绿素含量和脯氨酸含量的积累。

适量的膨润土与有机肥等土壤改良剂的施用,可提高作物生长发育,不同配施处理下T4处理(5.0 kg/m2膨润土+1.0 kg/m2有机肥)效果最佳,但该试验年限较短,仍需长期试验观察对其效果进行评价。下一步试验应延长试验年限,探究影响披碱草生长发育的机制、土壤的性状变化以及改良措施之长久效果,旨在为促进风沙地的改良与生产实践提供技术支撑。