硅酸鹽水泥含量對(duì)種基盤特性的影響

趙佳愉，伍紅燕，史蔚林，宋桂龍

(北京林業(yè)大學(xué) 草業(yè)與草原學(xué)院，北京 100083)

植被生長(zhǎng)和構(gòu)建過(guò)程中，苗木初期的生長(zhǎng)質(zhì)量是決定造林后苗木成活率和生長(zhǎng)的最重要因素，而根系的擴(kuò)展特性是評(píng)價(jià)苗木質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[1-4]。采用經(jīng)過(guò)改良的固體塊狀土壤為植物生長(zhǎng)的基質(zhì)，在塊狀固體土壤的中心留下播種孔，作為種子的生育基礎(chǔ)，然后將其埋于土中，再進(jìn)行覆土和播種，這種塊狀固體土壤稱為種基盤(seed-base )，這種技術(shù)稱為種基盤綠化技術(shù)(seed-base technology )[5]。該技術(shù)是邊坡苗木栽植的常用方法，是一項(xiàng)加速植被恢復(fù)進(jìn)程的重要措施[6-7]，主要用于解決傳統(tǒng)容器苗存在的盤根、移栽后適應(yīng)性差、根系擴(kuò)展受阻等問(wèn)題，可大大提高苗木的成活率，抗逆性。其最大的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)造林季節(jié)的限制，尤其適合于立地條件差及自然條件惡劣的高陡邊坡[8-11]。

當(dāng)種子發(fā)芽后由于四周土壁硬度較高，植物須根側(cè)向伸展受到種基盤的束縛，而主根生長(zhǎng)受到促進(jìn)，并在重力作用下向下方延伸，形成了主根粗壯且須根少的效果[12]。將已經(jīng)育好的種基盤移栽至邊坡，一周左右主根就可扎進(jìn)邊坡土壤或巖石裂隙，須根也能迅速向內(nèi)生長(zhǎng)并在土壤層中形成網(wǎng)絡(luò)狀[13]。

我國(guó)的種基盤綠化技術(shù)研究開始于21世紀(jì)初。對(duì)北京土石山區(qū)和河北濱海鹽堿地的基盤法造林技術(shù)進(jìn)行的研究，表明種基盤具有一定阻隔鹽堿的作用[14]。在太行山南麓3種不同的立地條件下，采用種基盤造林方法，對(duì)8個(gè)擬選造林樹種進(jìn)行了出苗試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：臭椿、胡枝子、金合歡80℃溫水處理適應(yīng)性較強(qiáng)[15]。通過(guò)添加土壤活性改良劑，有效地提高了種基盤基質(zhì)的透水性和吸水速率，降低了其表面蒸發(fā)量，并促進(jìn)了植物的地上部生長(zhǎng)[1]。在基盤配方中增加海藻復(fù)混肥，種基盤造林成活率會(huì)隨之降低；粘合劑用量的多少對(duì)種基盤造林的成活率影響不顯著[16]。對(duì)種基盤育苗和營(yíng)養(yǎng)缽育苗的方法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)種基盤能有效促進(jìn)樹木的主根沿著重力方向生長(zhǎng)，使主根通直且發(fā)達(dá)，而側(cè)根粗壯且分布較均勻，而營(yíng)養(yǎng)缽苗的主根不明顯，須根系盤繞現(xiàn)象嚴(yán)重[17]，在水分脅迫條件下，種基盤育苗比營(yíng)養(yǎng)缽育苗更能促進(jìn)苗木的生長(zhǎng)[18]。

相比于傳統(tǒng)的苗木移栽和營(yíng)養(yǎng)體移栽方法，種基盤外壁通過(guò)對(duì)苗木須根的側(cè)向伸展進(jìn)行束縛，從而促進(jìn)主根的向下生長(zhǎng)，提高抗旱性及成活率。種基盤的核心技術(shù)在于基盤的抗壓強(qiáng)度、保水性和根系擴(kuò)展方面，基質(zhì)添加物不同，種基盤的特性變化很大，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)種基盤材料選擇及配比對(duì)其強(qiáng)度的研究較少。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同水泥添加濃度的種基盤進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、保水性及根系擴(kuò)展情況的研究，分析不同添加濃度下的應(yīng)用效果，以期為種基盤綠化提供理論及技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

種基盤基質(zhì)材料主要包括土壤、草炭、復(fù)合肥、保水劑和普通硅酸鹽水泥。先將硅酸鹽水泥之外的基質(zhì)進(jìn)行混合，土壤和泥炭按1∶1(V/V)混合，加入保水劑、復(fù)合肥，保水劑占干土重的0.2‰(W/W)，復(fù)合肥(史丹利公司生產(chǎn)，N-P2O5-K2O的養(yǎng)分比例為15-15-15)占干土重的1‰(W/W)，攪拌均勻后，形成基質(zhì)混合物。

試驗(yàn)選用的土壤土質(zhì)為壤土，自然風(fēng)干，過(guò)5 mm篩，土壤理化性質(zhì)見表1。

草炭，能夠較好地改良土壤，增加植物根部的透水透氣性，作為肥料營(yíng)養(yǎng)成分的載體，防止養(yǎng)分直接流失。

保水劑(SAP)是人工合成的高分子長(zhǎng)鏈聚合物，主要成分為聚丙烯酸鹽和聚丙烯酰胺共聚體，可增加植物對(duì)水分的吸收、儲(chǔ)存和釋放；降低土壤的固結(jié)，提高土壤的通風(fēng)性和土壤活性。

普通硅酸鹽水泥(河北燕新建材集團(tuán)有限公司生產(chǎn))，高標(biāo)號(hào)42.5級(jí)，是一種膠凝材料，基材中加入水泥能提高土體強(qiáng)度。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在北京林業(yè)大學(xué)八家試驗(yàn)地。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，按質(zhì)量比將6個(gè)濃度硅酸鹽水泥分別與基質(zhì)混合物混合，6個(gè)濃度分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%(W/W)，設(shè)置未添加水泥(0%)為對(duì)照(CK)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。混合均勻后用種基盤成型器壓制成型。

使用的種基盤用自制模具制作，基盤規(guī)格為D=10 cm、H=10 cm的圓柱體，中間有一個(gè)孔徑為4 cm的貫通孔，孔四周有4個(gè)2 cm的通氣槽。需先將土、草炭等粉碎成細(xì)末，同時(shí)清除堅(jiān)硬雜物，再按照配方添加各種所需試驗(yàn)材料，然后充分?jǐn)噭蚋鞣N材料。所使用的種基盤規(guī)格如圖1所示。

供試植物為紫穗槐，播種前用熱水浸種。播種時(shí)應(yīng)先在種基盤的中央孔處加入占其總體積2/3的壤土，然后再加入一定量的水，使壤土下沉積實(shí)，再加入土進(jìn)行覆蓋，覆蓋的土用壤土并加入一定比例的草炭混勻，加至離基盤頂部約1 cm，播種后用覆蓋土把種子蓋上，輕輕壓實(shí)，澆水。出苗后種基盤內(nèi)每穴只留苗1株，注意苗期水分保持和雜草防除。

圖1 種基盤Fig.1 Diagram of the seed base

1.3 指標(biāo)與測(cè)量方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度 采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(山東耐測(cè)智能設(shè)備有限公司生產(chǎn))。種基盤壓制成型后，中心孔內(nèi)覆土、澆水、壓實(shí)，在種基盤含水率分別為15%、20%、25%的條件下測(cè)定其抗壓強(qiáng)度(KN)，記錄峰值，即所能承受的最大強(qiáng)度。

1.3.3 根系擴(kuò)展特性 采用根系掃描的方法。待所育苗生長(zhǎng)3個(gè)月后，用鑷子和毛刷將根系挖出，每個(gè)濃度各取一株，盡量保證根系的完整構(gòu)型，記錄根系的分布情況，帶回實(shí)驗(yàn)室，清水沖洗干凈后帶回實(shí)驗(yàn)室用根系掃描儀進(jìn)行根系掃描。

測(cè)量種基盤中心孔內(nèi)和孔外根的長(zhǎng)度占總根長(zhǎng)的比例及不同徑級(jí)根系的長(zhǎng)度。根系長(zhǎng)度的測(cè)量采用Epson Twain Pro(32bit)掃描儀和根系分析應(yīng)用系統(tǒng)WinRhIZO，掃描根系時(shí)，根據(jù)根系的直徑(d)進(jìn)行分級(jí)處理，將0 mm4 mm的根系定義為粗根。

1.4 數(shù)據(jù)分析

原始數(shù)據(jù)采用Excel 2019整理，SPSS 23.0軟件進(jìn)行分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，并利用最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)不同數(shù)據(jù)組間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

相同含水率下，隨著水泥含量的升高，種基盤的強(qiáng)度逐漸升高，均高于對(duì)照；在不同水泥含量下，隨著種基盤含水率的升高，基盤的強(qiáng)度均逐漸降低(表2)。種基盤含水率為15%時(shí)，基盤抗壓強(qiáng)度隨著水泥含量的增加而增強(qiáng)，但2%、4%、6%、8%的處理間基盤強(qiáng)度差異不顯著，12%處理基盤強(qiáng)度與其他處理之間差異顯著；10%處理與2%、12%處理之間差異顯著，但與其他處理之間差異不顯著，且均高于含水率在20%和25%時(shí)的基盤強(qiáng)度，說(shuō)明種基盤含水率越低，水泥用量越高，越有利于基盤的穩(wěn)定。

表2 不同水泥用量下種基盤的抗壓強(qiáng)度

種基盤含水率在20%的情況下，水泥含量為2%、4%、6%、8%時(shí)，基盤強(qiáng)度無(wú)顯著差異，水泥含量為10%和12%時(shí)，基盤強(qiáng)度存在顯著差異。種基盤含水率在25%的情況下，水泥含量為2%、4%、6%、8%時(shí)，基盤強(qiáng)度無(wú)顯著差異，但與其他水平之間存在顯著性差異；水泥含量為10%和12%時(shí)，基盤強(qiáng)度無(wú)顯著差異。

2.2 保水特性

水泥基質(zhì)配方的累計(jì)蒸發(fā)量和飽和含水率均高于對(duì)照(表3)。隨著水泥含量的增加，水泥基質(zhì)配方的飽和含水率呈降低的趨勢(shì)，水泥含量為4%、8%、12%時(shí)無(wú)顯著差異，三者與其他水平之間也無(wú)差異；而水泥含量為2%和6%時(shí)無(wú)顯著差異，但二者與對(duì)照有顯著差異。隨著水泥含量的升高，蒸發(fā)失水比呈升高的趨勢(shì)，水泥含量在 2%、4%時(shí)，蒸發(fā)失水比低于對(duì)照，但差異不顯著，說(shuō)明水泥含量在2%和4%時(shí)對(duì)基質(zhì)蒸發(fā)有一定抑制效果。

表3 種基盤的累計(jì)蒸發(fā)量、飽和含水量和蒸發(fā)失水比

2.3 根系擴(kuò)展特性

水泥含量在10%、12%時(shí)，種基盤外壁強(qiáng)度大，中心孔內(nèi)的根系長(zhǎng)度比例高于孔外根系的長(zhǎng)度比例，其他處理下，孔外的根系長(zhǎng)度比例均高于孔內(nèi)根系的長(zhǎng)度比例，說(shuō)明水泥含量為2%、4%、6%、8%時(shí)，根系擴(kuò)展性好(表4)。

隨著水泥含量的增加，種基盤中心孔內(nèi)、孔外根系總根長(zhǎng)度逐漸降低，當(dāng)水泥含量超過(guò)8%時(shí)，總根長(zhǎng)度低于對(duì)照，水泥含量為2%、4%、6%時(shí)的根系總根長(zhǎng)度分別比對(duì)照高出38.5%、21.4%、15.7%。水泥含量為2%時(shí)根系總根長(zhǎng)與其他水平之間差異顯著，水泥含量為4%、6%時(shí)，二者間總根長(zhǎng)差異不顯著，但與其他水平之間差異顯著(表4)。

表4 根系長(zhǎng)度及比例

從種基盤中心孔內(nèi)及孔外兩個(gè)位置來(lái)看，不同徑級(jí)根系長(zhǎng)度占總根長(zhǎng)的比例均為細(xì)根遠(yuǎn)大于中根和粗根；不同水泥含量下，不同徑級(jí)根系長(zhǎng)度占總根長(zhǎng)的比例為細(xì)根遠(yuǎn)大于中根及粗根。在紫穗槐的地下根系中，細(xì)根的長(zhǎng)度比例最大，中根和粗根間差異不明顯(P<0.05)，在7個(gè)水泥含量中，細(xì)根的長(zhǎng)度比例都在九成以上，而中根及粗根總長(zhǎng)度所占比不到一成(表5)。

表5 不同徑級(jí)根系長(zhǎng)度的比例

3 討論

對(duì)于不同水泥添加濃度的種基盤，含水率越低，水泥含量越高，基盤強(qiáng)度越高，越有利于種基盤的穩(wěn)定。種基盤在3個(gè)供試含水率，在低水泥含量時(shí)(2%、4%、6%、8%)，隨著水泥含量的升高，基盤強(qiáng)度逐漸升高，基盤越穩(wěn)定，但其強(qiáng)度之間差異不顯著(P<0.05)。種基盤抗壓強(qiáng)度的提升會(huì)更好地束縛須根的側(cè)向延伸，以保證主根向深處下扎。但是水泥用量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致種基盤pH值增加，不利于植物的生長(zhǎng)，因此研發(fā)既能保證基質(zhì)強(qiáng)度又不對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生過(guò)大影響的低堿水泥是目前亟待解決的問(wèn)題。

飽和含水量反映出基質(zhì)混合物對(duì)水分的容量大小[19]。隨著水泥含量的增加，水泥基質(zhì)配方的飽和含水率呈降低的趨勢(shì)，說(shuō)明水泥含量越低，基質(zhì)持水效果越好，主要原因是水泥會(huì)堵塞土壤孔隙，與水分競(jìng)爭(zhēng)土壤內(nèi)部空間。隨著水泥含量的升高，蒸發(fā)失水比呈升高的趨勢(shì)，水泥含量在2%、4%時(shí)，蒸發(fā)失水比低于對(duì)照，但差異不顯著，這說(shuō)明水泥含量在2%、4%時(shí)，其對(duì)基質(zhì)蒸發(fā)有一定抑制效果。這與云波蘭等[20]在復(fù)合海藻肥(SCF)和土壤防蝕劑(SED)兩種改良劑對(duì)種基盤的吸水保水性能研究上的結(jié)果一致，低濃度對(duì)種基盤水分的蒸發(fā)有一定的抑制作用，高濃度效果不明顯或效果相反。這可能是由于硅酸鹽水泥會(huì)在基材表面形成一層保護(hù)膜，抑制水分子的向大氣擴(kuò)散。本研究可對(duì)降水量稀少的干旱、半干地區(qū)的種基盤培育過(guò)程中的水分利用提供一定的理論和技術(shù)支持。

通過(guò)試驗(yàn)得出，水泥用量為2%、4%、6%時(shí)的根系總根長(zhǎng)度分別比對(duì)照高出38.5%、21.4%、15.7%，其余水平下均低于對(duì)照。水泥用量為2%時(shí)根系總根長(zhǎng)與其他水平之間差異顯著(P<0.05)，水泥用量為4%、6%時(shí)，總根長(zhǎng)之間差異不顯著(P<0.05)，細(xì)根的長(zhǎng)度比例均高于90%。因此，當(dāng)水泥用量低于8%時(shí)，水泥系列種基盤有利于植物的生長(zhǎng)和根系擴(kuò)展，主要原因可能是過(guò)多水泥的添加會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)孔隙度大幅降低，不利于扎根和擴(kuò)展，所以在工程綠化中要嚴(yán)格控制水泥的用量，使其既能保證一定的強(qiáng)度又不對(duì)植物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生太大負(fù)面影響。本研究結(jié)果是馮志培等[21]的種基盤顯著提高了側(cè)柏幼苗的根尖數(shù)和根系直徑研究結(jié)果的補(bǔ)充，從不同的方面驗(yàn)證了種基盤對(duì)植物根系形態(tài)變化的影響。

在種基盤中添加硅酸鹽水泥的目的是在有限的條件下保障種基盤的強(qiáng)度，有利于種基盤的育苗、運(yùn)輸和移栽，所以添加硅酸鹽水泥后植物生長(zhǎng)情況的好壞是對(duì)其效應(yīng)的最直接的評(píng)價(jià)。當(dāng)種基盤含水率在15%時(shí)，強(qiáng)度較高，適宜于基盤的運(yùn)輸、移栽。綜合水泥的添加對(duì)種基盤強(qiáng)度、保水性及根系擴(kuò)展情況的影響，其適宜用量為2%左右時(shí)效果最好。

4 結(jié)論

對(duì)于不同水泥濃度的種基盤，含水率越低，水泥含量越高的情況下，基盤強(qiáng)度越高，越有利于種基盤的穩(wěn)定；隨著水泥含量的增加，水泥基質(zhì)配方的飽和含水量呈降低的趨勢(shì)，蒸發(fā)失水比呈升高的趨勢(shì)；低水泥含量(2%、4%、6%)下，根系總長(zhǎng)度高于對(duì)照，有利于根系的擴(kuò)展，而水泥添加濃度過(guò)高則對(duì)根系生長(zhǎng)不利。