生態修復保水劑對土壤水分蒸發和種子萌發的影響

張 端，李德富，柳 燕，馬煜婷，李 昂

(蘭州城市學院 地理與環境工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

我國西北地區日照強烈、干旱少雨，年均降雨量不足400 mm，且多為無效降雨。水資源嚴重短缺造成該區植被稀疏、土壤貧瘠，地表風蝕沙化和鹽堿問題日趨嚴重[1]。如何提高降水在土壤中的存留時間和調控缺水時期的土壤水分，以及提高降水和水資源的利用率，已成為該地區近年來生態修復和提高旱作農田產量的熱點問題[2]。

保水劑作為一種具有超強吸水和保水能力的高分子聚合物，可吸持超自身重量數百倍的水分，并能夠促進土壤團粒形成，改善土壤結構，提高土壤的保水和保肥能力[2～4]。當植物需水時，保水劑又能緩慢釋放所吸持水分，保證植物正常生長。在干旱、半干旱地區，水分是限制植物生長和分布的主要限制因素，運用保水劑可提高土壤含水量，并能在植物生長的關鍵時期為其提供必要的水分。如李興等研究發現[5]，施用保水劑可促進梭梭和白梭梭種子萌發和幼苗根系生長；楊永輝等研究發現[6]，施用保水劑可降低冬小麥根系質膜透性和可溶性糖含量，提高根系活力。許多保水劑使用說明經常提到要合理使用，過少達不到抗旱、保水作用，過多會造成浪費、起不到更好使用效果。干旱地區使用保水劑可提高土壤含水率，但長期過量使用將使土壤中存有大量保水劑，這對植物種子萌發有何影響卻鮮有文獻報道。為此，本文研究了生態修復保水劑過量使用對植物種子萌發的影響，據此為荒漠植被恢復和旱作農田建設提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 材料

供試生態修復保水劑RQ-350、綠豆和小麥種子均為市場供應商品，購于蘭州市安寧區種子市場。為減小保水劑粒徑影響，試驗前研磨保水劑并過0.5 mm土樣篩。試驗在蘭州城市學院地理與環境工程學院生態與微生物實驗室進行。

2.2 方法

2.2.1 保水劑對水分蒸發的影響

試驗設4種保水劑質量濃度處理，即質量濃度分別為0.00%(CK)、0.67%、3.33%和6.00%。具體操作步驟為：取300 g蒸餾水若干份，分別添加0、2、10和18 g生態修復保水劑，制成質量濃度為0.00%(CK)，0.67%，3.33%和6.00%混合液，分別裝于直徑160 mm、高80 mm塑料盤中。每個處理重復2次，隨機放置在實驗室試驗臺上。間隔數天稱重并計算每個處理的水分蒸發量。

2.2.2 保水劑對種子萌發的影響

小麥和綠豆種子萌發試驗分別設2種處理，即不添加保水劑處理(CK)和添加保水劑處理。具體操作步驟為：首先將保水劑和水配成0.00%(CK)和6.00%質量濃度混合液，分別裝于直徑120 mm、高15 mm塑料盤中，然后將50粒小麥(或綠豆)種子均勻撒在盤內，最后在種子表層覆蓋3層消毒紙巾。每個處理重復3次，隨機放置在實驗室試驗臺上。種子萌發以胚根出現為標志，每24 h觀測1次，并記錄發芽種子數。試驗持續至3 d萌發總數沒有變化為止。

3 結果與分析

3.1 水分蒸發量間差異

從圖1可以看出，隨著時間的推移，不同處理的水分蒸發率均呈逐漸增加趨勢，至第16 d，水分蒸發率在47.2%～52.4%間變化。就添加保水劑處理而言，其水分蒸發率較不添加保水劑處理低，并隨著保水劑含量的增加呈顯著降低趨勢。如到第12 d，保水劑質量濃度為0.67%、3.33%和6.00%混合液的水分蒸發率較對照減少了1.94%、6.78%和7.26%；第16 d分別降低了2.48%、6.73%和9.92%；單因素方差分析顯示，不同處理間差異顯著(p<0.05)。

圖1 不同處理水分蒸發變化動態

3.2 種子萌發率間差異

以往研究表明，添加保水劑可提高種子萌發率[5]。就小麥種子發芽率而言(圖2)，在不添加保水劑處理中，小麥種子發芽率達94%，而在保水劑質量濃度為6.00%處理中，小麥種子發芽率僅為6%，單因素方差分析顯示，二者間差異極顯著(p<0.01)。就綠豆種子發芽率而言(圖3)，在添加保水劑處理中，綠豆種子的發芽率僅為8%，而在不添加保水劑處理中，綠豆種子發芽率達54%，方差分析顯示，處理間也存在極顯著的差異。綜合以上，當生態修復保水劑質量濃度達到6.00%時，將對小麥和綠豆種子的萌發造成極顯著的抑制作用。

4 討論及結論

目前，人類面臨諸多環境問題，其中持續性干旱已成為制約生態修復和農業發展的主要問題之一。我國西北地區嚴重缺水，造成許多耕地退化和土壤荒漠化，嚴重影響該區農業發展和生態環境建設。近年來，保水劑作為一種化學抗旱節水增產技術受到廣泛重視。保水劑被稱為“微型土壤水庫”，在水分充足條件下能夠吸收自重數百倍甚至上千倍水分；當土壤干旱缺水條件時，可緩慢釋放所吸持水肥、并為植物提供必要水肥[2]。相關研究顯示，耕地施用保水劑后，可實現“供水、節水、防蒸、促成活”的一措多效結果[4]。周客等研究也顯示[3]，保水劑層施量越大，上層含水率越高。本研究也顯示，隨著保水劑量的增加，水溶液的蒸發率呈顯著降低趨勢，表明施用保水劑可防止水分蒸發。這與前人研究結果相一致[4]。

圖2 不同處理對小麥種子萌發的影響

圖3 不同處理對綠豆種子萌發的影響

種子萌發期和幼苗期是植物整個生活周期中最重要的階段，是植物群落建成的關鍵階段，提高農作物出苗率和成苗率是農田作物穩產、高產的基礎[5]。干旱、半干旱地區限制植被生長的主要因子是水分。保水劑具有高吸水性，能夠吸附大量水分并在干旱條件下緩慢釋放。相關研究表明施用保水劑可提高小麥出苗率，有利于小麥生長發育，增產幅度可達19.20%[2]。也有研究表明，0.25%濃度保水劑可提高種子發芽率，但當濃度超過0.5%時將會抑制種子萌發[7,8]。本研究也顯示，當生態修復保水劑濃度較高時，將會嚴重抑制種子萌發。這可能是由于農林業廣泛使用的多為聚丙烯酸-無機礦物復合型保水劑[8]，其中含有大量無機鹽離子；當保水劑施用量過多后，水溶液中可溶性鹽離子濃度過高，將使種子受到鹽脅迫(圖4)，從而抑制種子萌發。大田試驗(圖5)也顯示，小麥地施用過量保水劑將抑制小麥生長。

圖4 不同處理鹽離子析出對比

圖5 小麥施用保水劑效果

綜合以上可知，施用生態修復保水劑可減弱水分蒸發速率，過量施用生態修復保水劑將抑制種子萌發。為了滿足生產實際需要，推廣使用保水劑前還需結合當地氣候、土壤等條件，進行必要的深入研究。