沙地賴草苗期建植與根系發(fā)育影響因素研究

姚海燕,2，肖宗偉，張培珠，李 佩，梁小利，何文興

(1. 濟(jì)南大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2. 山東省無(wú)棣縣土壤肥料工作站，山東 無(wú)棣 251900)

草原沙漠化是土壤退化的一種特殊現(xiàn)象，因過(guò)度放牧、濫采等人為活動(dòng)，再加上干旱、多風(fēng)等氣象因素共同作用，使得原生植物遭到破壞，土壤質(zhì)量下降，最終導(dǎo)致草原沙漠化[1-2]。草地沙化已經(jīng)成為日趨嚴(yán)重的全球性問(wèn)題。目前中國(guó)約有90%的天然草地已經(jīng)或者正在經(jīng)受著不同水平的退化和沙化，并且仍在以每年約1.5×106hm2的速度在減少，因此，防止草地進(jìn)一步沙化以及對(duì)沙化草地的恢復(fù)，是一項(xiàng)時(shí)效性要求很高的課題。賴草(Leymussecalinus)是典型的多年生根莖型禾草，以克隆生殖為主要的繁殖方式，不僅具有很強(qiáng)的抗逆能力，而且具有較高的飼草應(yīng)用價(jià)值[3]，分布范圍廣，是用于植被恢復(fù)的優(yōu)質(zhì)備選牧草之一[4]，尤其適合于流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘、裸沙斑塊植被恢復(fù)。賴草作為防風(fēng)固沙、水土保持及植被恢復(fù)常用材料之一，盡管其成株具有很強(qiáng)的抗逆性，但是幼苗期的存活率非常低，對(duì)外界抵抗能力較弱，因此，研究賴草幼苗在沙地中的定植情況以及影響其定植與根系發(fā)育的因素，對(duì)于解決退化、沙化草地植被恢復(fù)具有重要的意義。選擇適宜的定植期，不僅對(duì)移栽植成活率有重要影響，而且對(duì)種苗后期生長(zhǎng)發(fā)育起決定性作用。

本文中通過(guò)設(shè)置不同氮磷比例、營(yíng)養(yǎng)濃度、光周期和干旱交替等不同處理，初步研究了影響賴草定植及根系發(fā)育的影響因素，旨在為沙化草地植被恢復(fù)尤其是賴草實(shí)生苗移栽定植實(shí)驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及制備

實(shí)驗(yàn)所用賴草種子來(lái)自內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草研究室，育苗用50 cm×50 cm×30 cm(長(zhǎng)度×寬度×高度)塑料盆，盆底在塑料隔板上鋪上尼龍布，在盆里鋪厚度為20 cm左右的細(xì)河沙，平整后將籽粒飽滿種子播撒在沙子上，播種深度0.5～1 cm，澆水保持沙子濕潤(rùn)，置于25 ℃條件下發(fā)芽。待幼苗生長(zhǎng)至三葉期末時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理，挑選植株健壯、無(wú)病蟲(chóng)害、生長(zhǎng)狀態(tài)基本一致的幼苗材料，將其移栽至另外的相同大小的塑料盆中，盆中鋪25 cm厚沙子，每盆種植24株，共4行6列，行距為8 cm，列距為5 cm，種植深度為2 cm，澆水至浸透沙子，置25 ℃、12 h光照溫室中培養(yǎng)1周，期間每隔3天澆水一次，每次、每盆澆水1 000 mL。

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

實(shí)驗(yàn)于溫室(約25 ℃)中進(jìn)行，設(shè)置了氮磷含量比例、營(yíng)養(yǎng)濃度梯度、光周期和干旱交替4種處理。

1.2.1 氮磷含量比例處理

采用氮肥和磷肥2種肥料共同處理賴草幼苗，4種處理組合見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)中施用的氮肥(N的摩爾分?jǐn)?shù)為46%)、磷肥(P2O5的摩爾分?jǐn)?shù)為12%)和復(fù)合肥(氮 ∶磷 ∶鉀的物質(zhì)的量比為 1 ∶1 ∶1，摩爾分?jǐn)?shù)為40%)均為固體肥，將肥料磨成粉末用于施加(實(shí)驗(yàn)中忽略培養(yǎng)基沙子自身所含養(yǎng)分)。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)所得出的最適氮肥16 g/m2,磷肥80 g/m2，所以適量氮、磷肥施加量分別是4、20 g。為了研究過(guò)量施肥對(duì)根系發(fā)育的作用，設(shè)定過(guò)量的施肥為適量的2倍，即過(guò)量氮、過(guò)量磷施加量分別是8、40 g。肥料處理每2周1次，處理3次，每隔3 d澆水1次，每次1 000 mL，每種處理組合一盆材料，置于25 ℃、12 h光照溫室內(nèi)培養(yǎng)。

表1 肥料處理

1.2.2 營(yíng)養(yǎng)濃度梯度處理

營(yíng)養(yǎng)梯度采用固體復(fù)合肥(N ∶P ∶K物質(zhì)的量比為 1 ∶1 ∶1，摩爾分?jǐn)?shù)為40%)料進(jìn)行處理，設(shè)置了3個(gè)梯度分別是高、中度、低營(yíng)養(yǎng)，即施加量為8、4、1 g。每隔2周施肥處理1次，共處理3次，每隔3 d澆水1次，每次1 000 mL，置于25 ℃、12 h光照溫室內(nèi)培養(yǎng)。

1.2.3 不同光周期處理

光周期設(shè)置2組，分別是8、12 h光照，在處理的過(guò)程中不予以施加任何肥料，并每隔3 d澆水1次，每次1 000 mL，分別置于25 ℃、8 h和25 ℃、12 h光照條件下培養(yǎng)，與其他3組處理?xiàng)l件的材料同時(shí)收獲。

1.2.4 干旱交替處理

一組正常澆水，每隔3 d澆水1次，每次1 000 mL；另一組采取干旱交替處理，2周澆水1次，水量與正常澆水量相同(1 000 mL)，根據(jù)其葉片和沙子含水量判斷其程度，保持兩者其他條件一致，置于25 ℃、12 h光照溫室內(nèi)培養(yǎng)，與其他3組同時(shí)收獲。

溫室內(nèi)培養(yǎng)光照以日光燈為光源，所有實(shí)驗(yàn)材料在處理7周后進(jìn)行收獲，測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

取樣測(cè)定單株各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)。首先，取出的植株用清水將根部的沙子洗凈，吸水紙吸干水分后分別測(cè)定地上、地下長(zhǎng)度以及根的數(shù)量；然后將根系與地上部分用剪刀分開(kāi)，分別稱取鮮質(zhì)量mf；之后，將植株放入烘箱中105 ℃殺青30 min，72 ℃條件下烘干72 h至恒重；最后，稱取干質(zhì)量md。

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)定

1.3.1 根長(zhǎng)和株高測(cè)定

隨機(jī)取10株完整的賴草實(shí)生苗，測(cè)定其根長(zhǎng)和株高。

1.3.2 側(cè)根數(shù)量的測(cè)定

隨機(jī)取10株賴草實(shí)生苗，測(cè)定其側(cè)根的數(shù)量。

1.3.3 地上、地下部分含水量測(cè)定

隨機(jī)取10株完整的賴草實(shí)生苗，分別剪取地上、地下部分稱取鮮質(zhì)量(mf),放入烘箱于105 ℃殺青30 min；然后，72 ℃烘72 h至恒重，稱取干質(zhì)量(md)。含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)wH2O的計(jì)算公式如下：

(1)

1.3.4 根冠質(zhì)量比的測(cè)定

根冠質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱根冠比)為賴草地下部分的鮮質(zhì)量與地上部分的鮮質(zhì)量之比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所得的數(shù)據(jù)用SPSS18.0和Microsoft Excel 2010進(jìn)行作圖統(tǒng)計(jì)與分析，分析采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)(顯著性水平α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)葉片含水量和根冠比的影響

植物葉片含水量是反映植物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。不同實(shí)驗(yàn)處理后賴草幼苗葉片和根系相對(duì)含水量以及根冠比的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表中數(shù)據(jù)可以看出，除了干旱處理組，其他組根冠比都沒(méi)有顯著性差異。干旱交替處理?xiàng)l件下的根冠比顯著大于正常澆水組的根冠比(α<0.05)。光周期和營(yíng)養(yǎng)梯度處理組的葉片相對(duì)含水量都沒(méi)有顯著性差異(α>0.05)，且2組的葉片相對(duì)含水量遠(yuǎn)高于其他2組的。營(yíng)養(yǎng)梯度組中低營(yíng)養(yǎng)條件下相對(duì)含水量最高，(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同)為75.01%，光周期組中8 h光照條件下葉片相對(duì)含水量最高，為74.91%。干旱交替處理?xiàng)l件下的葉片相對(duì)含水量為17.30%，顯著低于正常澆水條件下的65.06%(α<0.05)。賴草幼苗在過(guò)量氮處理?xiàng)l件下，葉片相對(duì)含水量顯著低于適量氮的處理(α<0.05)，而適量氮、過(guò)量磷處理的賴草幼苗，其葉片含水量顯著低于適量氮、適量磷處理的葉片相對(duì)含水量(α<0.05)。干旱脅迫條件下其根系相對(duì)含水量最低，為17.11%，顯著低于正常澆水條件下為26.89%的相對(duì)含水量。過(guò)量氮、過(guò)量磷處理情況下根系相對(duì)含水量顯著高于適量磷的2種處理(α<0.05)。高營(yíng)養(yǎng)和適度營(yíng)養(yǎng)處理下的根系相對(duì)含水量顯著高于低營(yíng)養(yǎng)條件下賴草的(α<0.05)。12 h光照條件下賴草根系相對(duì)含水量為35.13%，8 h光照條件下26.73%，兩者具有顯著的差異(α<0.05)，說(shuō)明干旱處理和過(guò)量氮肥處理會(huì)影響地上部分的生長(zhǎng)。

表2 不同實(shí)驗(yàn)處理對(duì)葉片相對(duì)含水量和根冠比的影響

2.2 不同氮磷比對(duì)根系發(fā)育的影響

氮、磷是根系和植株生長(zhǎng)必需元素。圖1為不同氮磷比處理后賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的變化。從圖中可以看出，過(guò)量氮處理?xiàng)l件下賴草幼苗根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)比適量氮組中都顯著低很多(α<0.05)。過(guò)量氮、過(guò)量磷處理?xiàng)l件下與過(guò)量氮、適量磷處理?xiàng)l件下根長(zhǎng)度存在顯著差異，過(guò)量氮、過(guò)量磷處理的根長(zhǎng)度更短(α<0.05)，為2.8 cm。分析原因，可能是過(guò)量氮對(duì)賴草幼苗根系的發(fā)育產(chǎn)生了抑制，而磷可以在一定限度內(nèi)對(duì)氮的抑制作用具有緩解的作用。

同時(shí)，適量氮磷處理的賴草材料中出現(xiàn)了根莖和分蘗，而在其他處理中并沒(méi)有出現(xiàn)。

(a)根長(zhǎng)度(b)側(cè)根數(shù)量ONOP—過(guò)量氮、過(guò)量磷;ONMP—過(guò)量氮、適量磷;MNOP—適量氮、過(guò)量磷;MNMP—適量氮、適量磷;不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(α<0.05)。圖1 不同氮磷比處理后賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的變化

2.3 營(yíng)養(yǎng)濃度梯度對(duì)根系分化的影響

圖2為不同營(yíng)養(yǎng)梯度下賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的變化。從圖中可以看出，賴草根長(zhǎng)隨著低營(yíng)養(yǎng)到高營(yíng)養(yǎng)呈現(xiàn)顯著的遞增趨勢(shì)，高營(yíng)養(yǎng)濃度處理?xiàng)l件下賴草幼苗各項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)都顯著比其他條件下高(α<0.05)，高營(yíng)養(yǎng)條件下平均根長(zhǎng)度為16.57 cm，而低營(yíng)養(yǎng)條件下根長(zhǎng)度僅為7 cm，差異顯著(α<0.05)，而且在高營(yíng)養(yǎng)和中度營(yíng)養(yǎng)實(shí)驗(yàn)處理中，幼苗分化出根莖及分蘗，而低濃度營(yíng)養(yǎng)處理組并沒(méi)有分蘗和根莖產(chǎn)生。高營(yíng)養(yǎng)處理組中無(wú)論是分蘗芽的大小還是數(shù)量，均比中度營(yíng)養(yǎng)要發(fā)育要好；賴草幼苗長(zhǎng)勢(shì)與其他2組相比，莖桿更粗壯，根系更發(fā)達(dá)。

2.4 干旱交替脅迫對(duì)根系發(fā)育的影響

圖3為干旱處理對(duì)賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的影響?？梢钥闯觯珊到惶嫣幚韺?duì)賴草幼苗的生長(zhǎng)有顯著的影響。干旱交替處理?xiàng)l件下賴草幼苗的根長(zhǎng)度與側(cè)根數(shù)顯著小于正常澆水組(α<0.05)，其最小平均根長(zhǎng)度為4.73 cm，平均側(cè)根數(shù)為8.2。另外，在2種處理?xiàng)l件下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)分蘗和根莖出現(xiàn)的植株，說(shuō)明干旱交替處理會(huì)抑制根系發(fā)育和分蘗、根莖的產(chǎn)生。

(a)根長(zhǎng)度(b)側(cè)根數(shù)量不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(α<0.05)。圖2 不同營(yíng)養(yǎng)梯度下賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的變化

(a)根長(zhǎng)度(b)側(cè)根數(shù)量不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(α<0.05)。圖3 干旱處理對(duì)賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的影響

2.5 不同光周期對(duì)根系發(fā)育的影響

圖4為不同光周期對(duì)賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的影響。從圖中可以看出，12 h光照處理的平均根長(zhǎng)度為13.13 cm，8 h光照處理的平均根長(zhǎng)為7.69 cm，兩者差異顯著(α<0.05)。12 h光照處理下平均側(cè)根數(shù)為6.7，明顯多于8 h光照的側(cè)根數(shù)(α<0.05)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，12 h光照時(shí)賴草幼苗的根系發(fā)育明顯快于8 h光照處理組，12 h光照處理下賴草幼苗根部開(kāi)始有分蘗芽和根莖的產(chǎn)生，且根數(shù)和長(zhǎng)度明顯比8 h光照下的數(shù)值大。另外，12 h光照下賴草幼苗的長(zhǎng)勢(shì)比8 h處理組好。

(a)根長(zhǎng)度(b)側(cè)根數(shù)量不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(α<0.05)。圖4 不同光周期對(duì)賴草根長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 營(yíng)養(yǎng)對(duì)賴草幼苗發(fā)育的影響

根系是植物吸收水分和無(wú)機(jī)養(yǎng)分的重要器官，其發(fā)育程度也是衡量植物健壯的重要指標(biāo)[5]。與成株相比，賴草處于幼苗期時(shí)，其長(zhǎng)勢(shì)弱，當(dāng)環(huán)境劇烈變化或者出現(xiàn)逆境脅迫時(shí)，幼苗易死亡，而幼苗根系發(fā)育的快慢，是決定其能否快速定植并適應(yīng)環(huán)境變化及逆境的重要指標(biāo)。

過(guò)量氮、過(guò)量磷處理賴草幼苗后，在一定程度上限制了賴草幼苗根系的生長(zhǎng)，尤其是當(dāng)兩者同時(shí)過(guò)量時(shí)根的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響，此時(shí)的根長(zhǎng)度和側(cè)根數(shù)量較正常處理組都顯著減少，根長(zhǎng)度是2.8 cm、側(cè)根數(shù)量為6；氮、磷過(guò)量處理組地上、地下干濕質(zhì)量也明顯減小。過(guò)量氮、過(guò)量磷的處理顯著降低了葉片的相對(duì)含水量，為23.05%。Malamy等[6]研究發(fā)現(xiàn)高碳氮比抑制根系發(fā)育，尤其是側(cè)根的發(fā)育。在適量氮、磷處理下，賴草實(shí)生苗會(huì)發(fā)育出根莖及分蘗，說(shuō)明過(guò)量的氮供給會(huì)抑制分蘗、推遲根莖的產(chǎn)生。Zhang等[7]的研究也發(fā)現(xiàn)高氮處理會(huì)抑制側(cè)根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)?？傊?，在生產(chǎn)實(shí)踐中，賴草幼苗期要適量控制施加氮肥，過(guò)量的氮不僅會(huì)抑制賴草幼苗根系的生長(zhǎng)，而且也會(huì)有損土壤的質(zhì)量。而在根系含水量上，過(guò)量氮和適量氮處理組中，在施用過(guò)量磷肥時(shí)，根系含水量要高于適量磷的含水量，在株高上的表現(xiàn)也是一樣，其原因可能是過(guò)量的磷雖然抑制根系的發(fā)育，但是具有保持根系水分和促進(jìn)地上部分生長(zhǎng)的效應(yīng)，這種效應(yīng)在梁銀麗等[8]在氮磷對(duì)小麥根系生理特征的研究中也得到了證實(shí)，高磷可以提高土壤水勢(shì)，而高氮情況下卻會(huì)降低土壤水勢(shì)。Borch等[9]對(duì)菜豆的研究發(fā)現(xiàn)，缺磷條件下菜豆的側(cè)根長(zhǎng)度、數(shù)目和總根長(zhǎng)度減小，但是不影響主根的長(zhǎng)度。據(jù)此可以推斷主根的長(zhǎng)度受到氮的影響，而過(guò)量的磷可以增加幼苗的含水量，同時(shí)促進(jìn)植物地上生物量的累積。

對(duì)賴草幼苗發(fā)育而言，與單純提高氮肥、磷肥相比，在施用復(fù)合肥時(shí)，提高營(yíng)養(yǎng)供給，對(duì)其生長(zhǎng)具有重要的促進(jìn)作用。隨著營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)量的增加，賴草幼苗地上、地下生物量都相應(yīng)增加，高營(yíng)養(yǎng)處理的賴草幼苗其根長(zhǎng)、株高與側(cè)根數(shù)都顯著增加，說(shuō)明適當(dāng)提高均衡的營(yíng)養(yǎng)供給，可以促進(jìn)根的生長(zhǎng)及側(cè)根的發(fā)生，以及分蘗和根莖的產(chǎn)生，同時(shí)也可促進(jìn)地上和地下生物量的合成。

3.2 干旱交替處理對(duì)賴草根系發(fā)育的影響

根系是植物水分吸收的重要器官。研究表明，植物的根系越發(fā)達(dá)其吸收水能力越強(qiáng)，抗旱能力也越強(qiáng)[10]。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)賴草幼苗干旱交替脅迫，發(fā)現(xiàn)其根長(zhǎng)度和側(cè)根數(shù)量盡管顯著減小，但根冠比卻增大，且根系相對(duì)含水量顯著低于正常澆水處理的，葉片相對(duì)含水量也顯著降低，為17.30%。Smucher等[11]發(fā)現(xiàn)，土壤水分減少會(huì)使得根冠比增大，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果一致。干旱交替處理的根冠比要顯著大于正常澆水的根冠比，說(shuō)明地上生物量顯著的減少。干旱交替處理和正常澆水之間的株高差異不顯著，可能是干旱處理一段時(shí)間后再施加水分，導(dǎo)致幼苗的補(bǔ)償生長(zhǎng)，株高差異不顯著。除了這種形態(tài)學(xué)的變化外，干旱脅迫還會(huì)造成脯氨酸[12]、抗氧化酶類(lèi)超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)等[13]的積累，但是重度脅迫會(huì)使抗氧化酶的作用減弱或消失[14]，因此，考慮為了使賴草幼苗能在沙化草地成功定植、維持后續(xù)旺盛生長(zhǎng)，需要在苗期適當(dāng)控制基質(zhì)水分，以促進(jìn)根系發(fā)育，即在適度干旱處理與及時(shí)補(bǔ)充水分之間掌握好平衡，最終保障賴草存活并完成株系繁殖。

3.3 光周期對(duì)賴草幼苗發(fā)育的影響

光是植物生長(zhǎng)不可缺少的非生物因素，其對(duì)植物的影響作用機(jī)制也十分復(fù)雜。許多植物的生長(zhǎng)受到光周期的影響，光周期不同植物發(fā)育的進(jìn)程也會(huì)隨之改變。通過(guò)對(duì)賴草幼苗進(jìn)行不同光周期處理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)日照處理可以顯著促進(jìn)賴草根長(zhǎng)的延伸，同時(shí)也增加了地上、地下生物量。有研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)延長(zhǎng)光周期可以促進(jìn)甜椒的生根[15]；也有研究發(fā)現(xiàn)，縮短光周期可以促進(jìn)稻苗根系的伸長(zhǎng)[16]。光周期對(duì)幼苗生長(zhǎng)的調(diào)控，可能是通過(guò)光刺激使植物體內(nèi)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)受到光周期的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響植物根系吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力實(shí)現(xiàn)的[17]。另外，光周期的適當(dāng)延長(zhǎng)有助于光合作用，使植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有更多積累，生物量更高，因此在生產(chǎn)實(shí)踐中，尤其是人工草地建植和沙化草地植被恢復(fù)中，可以綜合考慮各項(xiàng)氣象因子，在光照充足的季節(jié)進(jìn)行種苗建植有利于其定植和生長(zhǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)賴草幼苗成功在沙化草地定植，并維持旺盛的后續(xù)生長(zhǎng)，需要根據(jù)具體生產(chǎn)實(shí)踐情況，在苗期適量的施加礦質(zhì)肥料，控制光照時(shí)長(zhǎng)和基質(zhì)中的水分含量，從而有效促進(jìn)根系的發(fā)育，為賴草后續(xù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。