保水劑對煤矸石基質上高羊茅生長及營養吸收的影響

趙陟峰, 王冬梅,趙廷寧

(北京林業大學水土保持學院，北京 100083)

保水劑對煤矸石基質上高羊茅生長及營養吸收的影響

趙陟峰, 王冬梅*,趙廷寧

(北京林業大學水土保持學院，北京 100083)

為探索保水劑對煤矸石廢棄地上高羊茅生長及營養特征的影響，按煤矸石與土壤質量比設3種基質梯度，每種基質分別添加3種質量的保水劑，設對照(CK)，共10種處理。觀測和分析不同處理下高羊茅的生長高度、生物量、營養特征及SPAD值(相對葉綠素含量)，結果顯示：保水劑主要影響高羊茅地上部分的生物量，而煤矸石與土壤的質量比主要影響地下部分的生物量；煤矸石與土壤質量比相同條件下，添加1 g/kg的保水劑即可促進高羊茅的生長，添加2 g/kg保水劑能使高羊茅盡快適應基質環境，使其日均生長率在出苗后第2周達到峰值。煤矸石基質中添加保水劑能促使高羊茅將煤矸石基質中的營養元素從植株地下部分向地上部分轉移，供植株生長需要，基質中添加1 g/kg保水劑時高羊茅對磷的吸收效果最好。此外，添加保水劑能使葉片的SPAD值增加。綜合比較不同處理下高羊茅的株高、生物量、營養特征及葉片的SPAD值認為，處理6(煤矸石與土壤質量比為750∶250、基質中添加2 g保水劑)與處理8(煤矸石與土壤質量比為500∶500、基質中添加1 g保水劑)是適合煤矸石廢棄地上高羊茅生長的較好配比。

保水劑; 煤矸石基質; 生物量; 營養特征; SPAD值

煤矸石是煤礦生產過程中產生的廢渣[1]，產生量一般占原煤的10%—20%[2]。據有關部門統計，我國累計堆放的煤矸石總量約為45億t，年排出量約為3億t。巨量煤矸石自然堆放，既浪費資源，又占壓大量土地，還會導致社會問題和環境問題。煤矸石廢棄地作為一種特殊的采礦廢棄地類型，物理結構不良、高溫、高地熱、持水保肥能力極差[3- 4]，直接在煤矸石山上進行植物栽植很難成活，即使成活也難以養護管理，因此煤矸石山的植被恢復工程必須進行基質改良，通過基質改良最終使得煤矸石山能夠滿足植物生長的需要[5]。保水劑(SAP)是一類高分子吸水樹脂，屬高分子聚合物。其吸持和釋放水分的脹縮性，可使周圍土壤變疏松，從而在一定程度上改善土壤結構；保水劑吸存大量水，具有一定的保溫作用，減少了土壤環境溫度的變化。保水劑的施用還能減緩土壤釋放水的速度[6]，在很大程度上抑制水分蒸發，具有抗旱保墑[7]、改良土壤、水土保持[8]等多項功能。自20世紀80年代初美國農業部北部研究中心最先開發應用以來，保水劑因其特殊的化學成分、物理結構和吸水性能，在農田抗旱保水[9]、作物保苗增產[10- 13]等方面取得了良好的效果。目前，在部分煤矸石山廢棄地植被建設中也已采用保水劑[14]，并取得了一定的成果。但保水劑用量過低，起不到應有的作用；而用量過高時，又嚴重影響土壤通透性，造成根系呼吸困難甚至導致根系腐爛[15]。本研究在煤矸石碎屑中添加不同比例的土壤，得到不同的基質，并在基質中添加不同質量的保水劑。通過觀測不同基質和添加不同保水劑條件下高羊茅的生長狀況和養分含量等，分析不同處理對煤矸石基質改良和對高羊茅生長的影響，以期找出煤矸石廢棄地植被恢復中添加保水劑的合理用量，為保水劑在煤矸石廢棄地植被恢復中的應用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試草種為高羊茅(FestucaarundinaceaL.)，高羊茅是禾本科羊茅屬多年生草本植物。一般養護管理較粗放，是常見冷季型栽植草皮草中抗熱、耐旱性最強的草種[16]，因而被廣泛應用于植被護坡、園林綠化、水土保持等諸多領域。保水劑是由北京漢力淼新技術有限公司提供的聚丙烯酰胺-丙烯酸型高吸水性樹脂。供試煤矸石取自北京市門頭溝區上辛房，煤矸石碎屑最大粒徑為3 cm，粒徑小于0.2 cm的占總體積比的45.50%。煤矸石的pH值為8.82，全氮含量0.17%，有機質含量15.92%，速效磷含量3.53 mg/kg，速效鉀含量78.29 mg/kg。供試土壤取自北京林業大學苗圃地30—40 cm厚的土層，土壤類型為褐土，pH值8.05，全氮含量0.15%，有機質含量1.31%，速效磷含量48.68 mg/kg，速效鉀含量195.11 mg/kg。實驗以裝土1 kg的塑料花盆為培養容器，在北林科技溫室中進行。

1.2 實驗設計

本實驗采用盆栽法進行。實驗按煤矸石與土壤質量比設3種基質梯度，分別是A1(1000∶0)、A2(750∶250)、A3(500∶500)；同種基質條件下分別添加3種不同質量的保水劑，分別為B1(不添加)、B2(添加1 g)、B3(添加2 g)；設對照(CK)試驗做對比，對照處理中煤矸石與土壤質量比為0∶1000，不添加保水劑(表1)。本實驗共10種處理，每種處理設3個重復，生長期試驗共9周。播種的前一天將高羊茅種子用10%H2O2浸泡10 min進行表面消毒，然后用蒸餾水沖洗干凈置于濕潤的濾紙上，在25 ℃恒溫培養箱催芽，種子露白即可播種，播后用基質覆蓋，覆蓋厚度1—2 cm。為了保證植物生長期間不受缺N、K營養的脅迫，播種前以溶液的形式向培養基質中添加適量的底肥(在種植植物前將NH4NO3、KH2PO4和K2SO4按N 100 mg/kg，P 30 mg/kg，K 15 mg/kg的用量均勻混入土壤中)，加入肥料后混合均勻，平衡1周。

表1 試驗分組

1.3 指標測定

苗高測定 不同處理盆缽內各選幼苗5株，用鋼卷尺定期測定苗高并計算日均生長率、凈生長高度等。從出苗第2周開始觀測生長高度，作為背景值。其中：日均生長率(cm/d)=幼苗凈生長高度/處理日數；凈生長高度(cm)=后一次測量幼苗絕對生長高度-前一次測量幼苗絕對生長高度。

生物量的測定 采用烘干法。實驗測定結束后，將獲取的植物從根頸處截斷，分成地上部分和地下部分，稱量鮮重，然后放在烘箱中烘至恒重，用分析天平稱量，分別計算地下和地上生物量。

SPAD值(相對葉綠素含量)的測定 SPAD值也稱綠色度，是一個相對葉綠素含量讀數。SPAD-502葉綠素儀可在幾秒鐘內測量植物葉片單位面積葉片當前葉綠素的相對含量，即SPAD 值。選擇天氣晴朗的時間，利用SPAD- 502型便攜式葉綠素儀測定高羊茅葉片的SPAD值，每個葉片重復測定3次，記載并計算其平均值[17]。

植株中營養元素的測定 植株中養分測定指標包括硝態氮、磷元素、鉀元素，采用常規分析法測定用[18]。

1.4 數據處理

用Microsoft-Excel進行數據的處理和圖表的制作，LSD多重比較法分析各處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同處理下高羊茅的生長高度與生物量

2.1.1 不同處理對高羊茅生長高度的影響

圖1是不同處理下高羊茅生長高度的變化曲線，由圖可知，各處理下高羊茅生長高度的變化呈現一定的規律性，即前3周生長迅速，生長高度變化較快，此后生長速度變慢，高生長曲線較平緩。不同處理比較，當基質中煤矸石與土壤質量比不同時，土壤所占的比例越大，高羊茅的生長高度越高；即3種基質梯度下高羊茅的生長高度為，A3(煤矸石與土壤質量比500∶500)gt;A2(煤矸石與土壤質量比750：250)gt;A1(煤矸石與土壤質量比1000∶0)。基質中添加保水劑后持水能力增強，植株可利用的水分增多，而水分充足有利于植株吸收養分，從而促進植株生長[19]。煤矸石與土壤質量比相同條件下，基質中添加保水劑處理的高羊茅的生長高度大于基質中未添加保水劑的生長高度，但基質中添加1g保水劑(B2)時高羊茅的生長高度大于基質中添加2g保水劑(B3)的生長高度。可見，基質中添加適量的保水劑即可促進高羊茅的生長。處理6(A2B3)的最高生長高度可達28.74 cm，比對照提高10.32%，處理8(A3B2)最高生長高度也比對照提高9.64%。

2.1.2 不同處理下高羊茅生長率的變化

以出苗后首次觀測的生長高度作為背景值，計算不同處理下高羊茅的日均生長率。高羊茅日均生長率的變化如圖2所示，各處理下高羊茅的日均生長率均為出苗初期較大，日均生長率在出苗2—3周時達到最大，此后生長率逐漸下降趨于平穩。各處理中最大日均生長率可達0.83 cm/d(處理6)，處理3、6和9的日均生長率在出苗后第2周達到峰值，而其余處理日均生長率峰值延遲1周出現，這是基質中添加2 g/kg保水劑對基質結構改良的結果，可見按照2 g/kg的比例在煤矸石基質中添加保水劑可以使高羊茅盡快適應基質環境。高羊茅出苗第3周以后生長率下降是因為，經過前3周的生長，基質中的底肥已大多被植株吸收利用，基質中養分含量逐漸降低，植株生長率下降。各處理下高羊茅的日均生長率在出苗后第6周出現小高峰(圖2)，這是保水劑將吸附的水分和養分緩慢釋放出來，供植物生長需要的結果。

圖1 高羊茅生長高度變化曲線Fig.1 Height growth curve of Festuca arundinacea L.

圖2 高羊茅日均生長率Fig.2 Average daily growth rate of Festuca arundinacea L.

2.1.3 不同處理對高羊茅生物量的影響

不同處理下高羊茅植株單株的地上部分鮮重、地下部分鮮重、地上部分干重和地下部分干重如下表(表2)。高羊茅單株地上部分鮮重在0.404—0.533 g/株之間，地下部分鮮重在0.222—0.282 g/株之間。基質中添加保水劑促進了植株生長，使植株的鮮重、干重增加[20]，本實驗各處理下高羊茅單株總鮮重排序為處理8(A3B2)gt;處理9(A3B3)gt;處理6(A2B3)gt;處理5(A2B2)gt;對照(CK)gt;處理7(A3B1)gt;處理4(A2B1)gt;處理3(A1B3)gt;處理2(A1B2)gt;處理1(A1B1)。煤矸石與土壤質量比相同條件下，高羊茅單株地上部分干重和單株總干重均為添加2 g保水劑(B3)gt;添加1g保水劑(B2)gt;不添加保水劑(B1)，而高羊茅單株地下部分干重表現為基質中土壤所占的比例越大，高羊茅單株地下部分干重越小。可見保水劑對高羊茅生物量的影響主要體現在地上部分，而高羊茅地下部分生物量主要受基質中煤矸石與土壤質量比的影響。

2.2 不同處理對高羊茅植株營養特征的影響

2.2.1 不同處理下高羊茅植株的氮含量

N是蛋白質、核酸、磷脂的主要成分，而這三者又是原生質、細胞核和生物膜的重要組成部分[21]，還是酶的主要成分之一，它們在生命活動中占有特殊作用。圖3是不同處理下高羊茅植株地上和地下部分的N含量。從圖3可看出處理1—6高羊茅植株地上部分的N含量高于地下部分，處理7、8、9及對照高羊茅植株地上部分的N含量低于地下部分，這說明當基質中土壤比例較低時，保水劑能促使高羊茅將煤矸石基質中的N吸收、運輸、儲存到植株的地上部分，供植株生長需要。這是因為保水劑通過創建和穩定基質中的水穩性團粒結構來吸附和保持養分元素、抑制營養元素的流失[22]，這些被吸附的氮養分離子在一定的條件下可以緩慢釋放出來供作物使用[23]，提高養分的利用率。除對照外，處理1—9高羊茅植株地下部分的N含量呈現出依次增高的規律，這說明當基質中土壤比例較高時，高羊茅會首先將N蓄積在植株的地下部分，等生長需要時再將N營養從植株地下部分向地上部分轉移，體現了高羊茅對N的富集作用。各處理下高羊茅植株(地上部分和地下部分)中N含量從高到低依次為：處理9(A3B3)gt;處理6(A2B3)gt;處理5(A2B2)gt;處理8(A3B2)gt;對照(CK)gt;處理4(A2B1)gt;處理7(A3B1)gt;處理3(A1B3)gt;處理2(A1B2)gt;處理1(A1B1)。

表2 不同處理下高羊茅單株的生物量

圖3 植株氮含量Fig.3 Plant nitrogen content

圖4 植株磷含量Fig.4 Plant phosphorus content

2.2.2 不同處理下高羊茅植株的磷含量

P元素作為植物生長必不可少的大量元素，在能量轉換、呼吸作用和光合作用中都起關鍵性作用。磷主要以有機磷如核酸、磷脂、植素等的形態存在于植物組織中[24]，本實驗不同處理下高羊茅植株地上部分和地下部分的P含量見圖4，由圖可知羊茅植株地上部分的P含量在80.95—167.05 mg/kg范圍內變化，地下部分的P含量在31.04—78.51 mg/kg之間。除對照外，當煤矸石與土壤質量比相同條件時，基質中添加保水劑處理的高羊茅植株地上部分和地下部分的P含量均大于基質中未添加保水劑的P含量，可見，基質中添加保水劑能促進高羊茅對P的吸收。因為保水劑可以看作高分子電解質組成的離子和水的構成物，它的網孔可以機械的吸收養分離子、分子及微粒，它的分子表面或斷鏈處羧基的負電荷也可以吸附基質中的養分分子[25]，供植物生長需要。但基質中添加1 g保水劑(B2)時高羊茅植株的P含量高于基質中添加2 g保水劑(B3)的P含量，即B2(添加1 g保水劑)gt;B3(添加2 g保水劑)gt;B1(不添加保水劑)。這說明添加1 g/kg的保水劑時對基質中P養分的吸附和解吸能力最佳，此時高羊茅對P的吸收效果最好。

2.2.3 不同處理下高羊茅植株的鉀含量

圖5 植株鉀含量Fig.5 Plant potassium content

K是植物體內多種酶的活化劑，在植物碳水化合物代謝、呼吸作用及蛋白質代謝中起重要作用[26]。施加保水劑可以起到保肥和緩解肥效的雙重作用，圖5是不同處理下高羊茅植株地上部分和地下部分的K含量，K在高羊茅地上和地下部分的含量差異很大，其中對照處理的高羊茅地上部分K含量是地下部分的6.9倍；而處理1—9中，高羊茅地上部分K含量是地下部分的8.3倍—9.8倍。可見，施加保水劑有利用高羊茅將煤矸石基質中的K吸收固定并緩慢釋放轉移到植株的地上部分，供生長需要。添加保水劑基質中不僅存在土壤的化學固定和晶穴固定作用，而且同時存在保水劑的吸收固定和晶穴固定作用、保水劑與土壤膠粒的包閉作用等各種固定作用，使基質的保肥和供肥能力都得到了提高[27]，從而提高了植物對養分的利用率。不同處理下高羊茅植株地上部分和地下部分K含量排序均為處理6(A2B3)gt;處理8(A3B2)gt;處理4(A2B1)gt;處理7(A3B1)gt;處理9(A3B3)gt;處理5(A2B2)gt;處理3(A1B3)gt;處理2(A1B2)gt;處理1(A1B1)gt;對照(CK)。

2.3 不同處理下高羊茅葉片的SPAD值

葉綠素與綠色植物的生長狀況密切相關，它是光合作用的基礎物質，也是植物生長特性、生理變化和營養狀況的重要指標。SPAD值是一個相對葉綠素含量讀數(讀數范圍0—99.9)，與葉綠素含量有顯著的正相關性[28]，研究表明，葉片的SPAD值越大，其實際葉綠素含量越高。SPAD的高低及變化規律能夠反映植物生理活性變化和植物的生長狀況[29- 30]。保水劑通過提高植物的水分利用效率來影響葉片的光合參數，從而使葉片的SPAD值增加，本實驗各處理下高羊茅葉片的SPAD值范圍為39.733—49.633(表3)，不同處理下高羊茅葉片的SPAD值從高到低分別為處理6(A2B3)gt;處理8(A3B2)gt;處理4(A2B1)gt;處理7(A3B1)gt;處理9(A3B3)gt;處理5(A2B2)gt;對照(CK)gt;處理2(A1B2)gt;處理3(A1B3)gt;處理1(A1B1)，與高羊茅植株的株高排序一致。可見，處理6(煤矸石與土壤質量比為750∶250、基質中添加2 g保水劑)與處理8(煤矸石與土壤質量比為500∶500、基質中添加1 g保水劑)是適合煤矸石基質上高羊茅生長的較好配比。

表3 各處理下高羊茅葉片的SPAD值(相對葉綠素含量)

3 結論

煤矸石基質中添加保水劑可促進植株生長，增加生物量。煤矸石與土壤質量比相同條件下，添加1 g/kg的保水劑即可達到促進高羊茅生長的效果；添加2 g/kg的保水劑可以使高羊茅盡快適應基質環境，使其在出苗后第2周的日均生長率達到峰值。保水劑對高羊茅生物量的影響主要體現在地上部分，而基質中煤矸石與土壤的質量比主要影響高羊茅地下部分的生物量。

煤矸石基質中添加保水劑能夠吸附基質中的養分離子并緩慢釋放供植物生長利用。當基質中土壤比例較低時，添加保水劑能促使高羊茅將煤矸石基質中的N、P、K從植株地下部分向地上部分轉移，供植株生長需要。基質中添加1 g/kg的保水劑時高羊茅對磷的吸收效果最好。此外，添加保水劑提高植物的水分利用效率，使葉片的SPAD值增加，進而影響植物的光合作用，。

綜合比較不同處理對高羊茅生長和營養吸收的影響，認為處理6(煤矸石與土壤質量比為750∶250、基質中添加2g保水劑)與處理8(煤矸石與土壤質量比為500∶500、基質中添加1g保水劑)是適合煤矸石廢棄地上高羊茅生長的較好配比。

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TheeffectofsuperabsorbentpolymeronthegrowthandnutritionabsorptionofFestucaarundinaceaL.onanimprovedganguematrix

ZHAO Zhifeng, WANG Dongmei*, ZHAO Tingning

CollegeofSoilandWaterConservation，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China

Super absorbent polymers (SAPs) can absorb water up to a few hundred or even a few thousand times their own mass. Their special physical structure, unique chemical composition, and characteristics of high water absorption capacity allow super absorbent polymers to be widely used in agriculture, horticulture, forestry and other industries to relieve drought and reserve water for farmland, seedling protection, and crop yield improvement. However, the amount of super absorbent polymers applied is an important parameter to evaluate. Applying the incorrect amount can result in either no effect, or soil permeability may be compromised if excess amounts are used. This can cause plant roots to have difficulty breathing or to have root rot. To explore the influence of super absorbent polymers on the growth and nutritional characteristics ofFestucaarundinaceaL. on gangue waste, three matrix gradients were set up with different weight ratios of gangue/soil. The matrix of each gradient was added into the super absorbent polymer in three different qualities. Ten treatments in total, including CK, were set up in this paper. The height growth, biomass, nutritional characteristics and SPAD (Soil and Plant Analyzer Development) value ofFestucaarundinaceaL. under different treatments were observed. The effects of different treatments on the gangue matrix and onFestucaarundinaceaL. growth were analyzed to determine the reasonable dosage of super absorbent polymer to be added to the gangue wasteland for vegetation recovery. This provides a theoretical basis and technical support for this practical application. The results show that adding super absorbent polymers helps strengthen the gangue matrix′s ability to hold water, increasing the water available to the plants, which promotes plant growth and biomass increase. The super absorbent polymer mainly impacts aboveground biomass, while the underground biomass is mainly affected by the weight ratio of the gangue/soil; for treatments where the weight ratio of gangue/soil is the same, adding 1 g/kg super absorbent polymer acceleratesFestucaarundinaceaL. growth; adding 2 g/kg super absorbent polymer to the matrix helpsFestucaarundinaceaL. quickly adapt to the matrix environment and the daily average growth rate reaches peak value 2 weeks after the seedling emergence. Adding super absorbent polymer to a gangue matrix enhances the gangue′s ability to hold fertilizer and to supply nutrients to plants.FestucaarundinaceaL. can promote growth by transferring nutrients in the gangue matrix from underground plant parts to aerial parts. Phosphorus absorption was most efficient when 1 g/kg super absorbent polymer was added. Super absorbent polymers affect photosynthesis parameters of blade leaves by imposing impact on plant water use efficiency. Therefore, adding super absorbent polymers can increase the SPAD value of the blade leaf. From comprehensive comparisons of plant height, biomass, nutrition characteristics and leaf SPAD values ofFestucaarundinaceaL. under different treatments, treatment No. 6 (weight ratio of gangue/soil is 750∶250, with 2 g super absorbent polymer) and treatment No. 8 (weight ratio of gangue/soil is 500∶500, with 1 g super absorbent polymer) were the optimal conditions found to helpFestucaarundinaceaL. grow on gangue waste.

super absorbent polymer； gangue matrix； biomass；nutritional characteristics；SPAD value

國家林業公益性行業科研專項項目(200904030)；國家自然科學基金項目(30872075)

2012- 11- 26;

2013- 05- 29

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dmwang@126.com

10.5846/stxb201211261673

趙陟峰,王冬梅,趙廷寧.保水劑對煤矸石基質上高羊茅生長及營養吸收的影響.生態學報,2013,33(16):5101- 5108.

Zhao Z F, Wang D M, Zhao T N.The effect of super absorbent polymer on the growth and nutrition absorption ofFestucaarundinaceaL. on an improved gangue matrix.Acta Ecologica Sinica,2013,33(16):5101- 5108.