羧甲基纖維素鈉對紅海欖幼苗生長和土壤養分的影響

李 婷，林 梓，朱立安，李 玫，陳粵超，陳玉軍

（1.廣東省科學院生態環境與土壤研究所 華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心 廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東廣州 510650；2.中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東廣州 510520；3.廣東湛江紅樹林國家級自然保護區管理局，廣東湛江 524088）

紅樹林是位于熱帶和亞熱帶潮間帶獨特的木本植物群落，由常綠灌木和小喬木群落組成，具有較高的初級生產力水平，被認為是世界上碳儲量最高的生態系統之一[1-2]。由于受周期性潮水浸淹，其生態環境獨特，具有保護物種多樣性、維持生態平衡、提供食物和原材料、凈化水質、防洪固堤及作為休閑旅游和科普宣傳教育場所等功能[3-4]。受人為活動、氣候變化等影響，紅樹林生態系統面臨巨大威脅，全球紅樹林正以每年1%～2%的速度迅速減少[5-7]。研究表明，以目前每年約1%的速度計算，紅樹林大量碳（C）儲量（956 MgC/hm2）被破壞，將導致每年向大氣層額外釋放約133 Tg 碳，加劇全球氣候變暖[8]。1990 年以來，對紅樹林生態系統功能的認識日益加深，我國大部分天然紅樹林已被納入國家級或區域性紅樹林保護區，并開展了大量紅樹林恢復工程，對緩解局部乃至全球氣候變化具有重要意義[2]。2020 年8 月，自然資源部、國家林業和草原局聯合發布《紅樹林保護修復專項行動計劃（2020—2025年）》，提出至2025年營造和修復紅樹林18 800 hm2。由于多種人為或生物學原因，現存尚未實現造林的潮間帶灘涂基本為沿海砂礫質海灘等困難立地，造林難度大[9-10]。

羧甲基纖維素鈉（Sodium Carboxymethyl Cellulose，CMC）為陰離子水溶性聚合物，具有來源廣、成本低、無毒無害和易被土壤微生物降解等優點；其黏稠度高，可增加土壤顆粒間的凝聚力，具有良好的保水效果，已被廣泛應用于土壤結構改善[11-15]。Ning 等[11]研究發現，施加CMC 能顯著降低砂壤土吸水性和水分入滲性，可作為砂壤土適宜的保水劑；吳軍虎等[13]研究表明，粉砂質壤土土壤0.25 mm 以上的水穩性團聚體含量隨CMC 含量增加而增加，土壤持水能力增強；喜銀巧等[14]研究發現，施加CMC可增加風沙土內聚力，提高土壤抗剪強度，達到保水固沙的效果，促進沙區流沙固定和退化生態恢復；哈麗代姆·居麥等[15]研究發現，施加CMC 可降低土壤水分入滲，抑制土面蒸發，改善土壤水分運動特征。CMC 可通過改善土壤結構，提高土壤持水能力，抑制土面蒸發，具有保水控鹽、改良砂礫質沿海土壤的巨大潛力。有研究表明，施加CMC 可提高水稻（Oryzasativa）生物量、產量，促進高羊茅（Festuca elata）品種可奇思種子萌發和胚芽苗生長[16-17]。目前，CMC 對紅樹植物胚軸的促生作用尚缺乏相關研究報道。本研究以紅海欖（Rhizophorastylosa）胚軸為研究對象，開展淹浸模擬試驗，分析不同CMC 施用量對沿海砂礫質土壤的改良效果及其對紅樹生長的影響，確定CMC 在砂礫質土壤改良中的最適宜用量，以期提高砂礫質土壤紅樹林造林成功率，為CMC在砂礫質土壤中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自廣東省茂名市電白區水東灣沿岸（110°00′E，21°50′N），基本理化性質為pH 值5.93、有機質含量2.36 g/kg、全氮（N）含量0.63 g/kg、全磷（P）含量0.74 g/kg、全鉀（K）含量4.43 g/kg、堿解氮含量29.40 mg/kg、速效磷含量18.11 mg/kg 和速效鉀含量252.25 mg/kg。供試紅海欖胚軸采自水東灣紅樹林分布區，采集的胚軸均成熟、發育良好且無病蟲害，長度為（30.13±0.26）cm。供試CMC，粘度5 000 左右，購于河北天越環保科技有限公司。供試菌劑為復合菌劑，主要菌種為巨大芽孢桿菌（Bacillusmegaterium）和膠凍樣類芽孢桿菌（Paenibacillusmucilaginosus），有效活菌數≥1.0 億/克，購于河北閏沃生物技術有限公司。供試污泥發酵肥來自廣東省科學院生態環境與土壤研究所，基本理化性質為pH 值6.87、有機質含量423.5 g/kg、水溶性碳含量21.80g/kg、總氮含量24.3 g/kg、水溶性氮含量7.80 g/kg、電導率3.18 ms/cm 和種子萌芽指數（GI）值96.90%。

1.2 試驗設置

采用室內淹浸模擬試驗，在中國林業科學研究院熱帶林業研究所潮汐模擬實驗室中進行；試驗時間為2021 年9 月3 日—2022 年11 月22 日，共445天。將風干過篩的土樣充分混合后，分別稱取1.5 kg，置于口徑13.5 cm、高10.7 cm 且內襯塑料袋的塑料盆中。

設置不同CMC 施用量，搭配污泥發酵肥和復合生物菌劑，污泥發酵肥與土樣按質量比5.0%進行混合，復合生物菌劑與土樣按質量比0.2%均勻層施于4～5 cm土層處。設5個CMC施用量處理，即CMC與土樣按質量比1.6%、2.4%、3.2%、4.0%和4.8%進行混合，分別記為C1、C2、C3、C4和C5；另設兩個對照，分別為不施用改良劑處理（CK）及僅施用5.0%污泥發酵肥和0.2%復合生物菌劑處理（C0）。共7 個處理，每處理重復3次，共21盆，每盆種植1粒胚軸。

自動潮汐模擬槽裝置分為上槽和下槽，上槽為培養槽，下槽為儲水槽，長×寬×高為1.20 m×0.70 m×0.45 m，最大淹水深度為0.40 m；盆栽塑料盆深為0.107 m，地上部分淹水深度為0.30 m。使用水泵連接上下槽，水泵速率為12 L/min，采用定時器控制漲潮和退潮時間。共設置7 對模擬槽，槽內水由速溶海鹽和自來水配制而成，鹽度為10‰，每周對槽內水體鹽度進行校正。試驗模擬半日潮，每日淹水8 h。試驗期間，室內最高氣溫38.7 ℃，最低氣溫為21.4 ℃，日平均氣溫為28.9 ℃。

1.3 指標測定

植株收獲前，采用直尺測量株高，采用游標卡尺測量地徑，同時記錄葉片數；分別收獲植株地上部葉片和莖及地下部根系，洗凈后105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，采用電子天平稱重并記錄干重。

去除土壤表層植株凋落物后，輕輕刮取1～2 cm表層土壤，取出根系并挑選出細根后，將土壤輕輕捏碎混合均勻；取一半存于4 ℃冰箱，用于測定土壤硝態氮、銨態氮和速效磷含量；另一半置于通風處風干，過篩后用于測定土壤pH 值及有機質、全氮、全磷、全鉀和速效鉀含量。

供試土壤pH值采用電位法（m∶V=1∶10），Sartorius PB-10型酸度計和Sartorius pH/ATC 復合電極測定；有機質含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；全氮含量采用硫酸消煮，堿解擴散法測定；全磷和全鉀含量采用氫氧化鈉熔融法，分別采用鉬銻抗比色法和火焰光度計測定；硝態氮含量采用紫外分光光度法測定；銨態氮含量采用靛酚藍比色法測定；速效磷含量采用0.5 mol/L 碳酸氫鈉（pH 值8.5，m∶V=1∶20）浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1.0 mol/L乙酸銨浸提，火焰光度計測定[18]。

1.4 數據處理

采用Excel 2010 軟件對試驗數據進行統計；采用SPSS 21.0軟件進行數據分析，對所有數據進行正態性和方差齊性檢驗，對不同施用量處理進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用Tukey檢驗；采用Origin 2021 軟件繪圖。生態化學計量比均為摩爾比。

2 結果與分析

2.1 CMC改良劑對紅海欖幼苗生長的影響

施用CMC 改良劑極顯著影響紅海欖幼苗地徑（P<0.01），對株高和葉片數均影響不顯著（圖1）。紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數均在CK 下最小，分別為22.40 cm、3.29 mm 和10.00；隨CMC 施用量增加，紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數整體均呈先增后減的趨勢，均在C4 處理下最大，分別為31.03 cm、5.08 mm 和13.67。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下紅海欖幼苗株高均增加。除C0 和C5 處理外，其他處理下紅海欖幼苗地徑均顯著大于CK（P<0.05）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下紅海欖幼苗葉片數均增加。

圖1 CMC改良劑對紅海欖幼苗生長的影響Fig.1 Effects of CMC amendments on growths of R.stylosa seedlings

2.2 CMC改良劑對紅海欖幼苗生物量的影響

施用CMC 改良劑極顯著影響紅海欖幼苗根和葉生物量（P<0.01），對莖生物量影響不顯著（圖2）。紅海欖幼苗根、莖和葉生物量均在CK 下最低，分別為2.32、1.30 和2.02 g；隨CMC 施用量增加，紅海欖幼苗根、莖和葉生物量整體均呈先增后減的趨勢，均在C4 處理下最大，分別為3.81、1.77 和4.40 g。與CK相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5處理下紅海欖幼苗根生物量均增加；C4處理下紅海欖幼苗根生物量顯著大于CK、C0、C1 和C3 處理（P<0.05）。與CK 相比，紅海欖幼苗莖生物量在C0、C1、C2、C3、C4 和C5處理下均增加。與CK 相比，除C0、C1 處理外，其他處理下紅海欖幼苗葉生物量均顯著增加（P<0.05）；C2、C4處理下紅海欖幼苗葉生物量均顯著大于CK、C0、C1和C3處理（P<0.05）。

圖2 CMC改良劑對紅海欖幼苗生物量的影響Fig.2 Effects of CMC amendments on biomass of R.stylosa seedlings

2.3 CMC改良劑對土壤pH值和養分的影響

施用CMC 改良劑顯著或極顯著影響土壤有機質（P<0.01）、全氮（P<0.01）、全磷（P<0.05）和全鉀（P<0.01）含量，對土壤pH 值影響不顯著（表1）。與CK相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5處理下土壤有機質含量均顯著增加（P<0.05）；C2 處理下土壤有機質含量最高（35.51 g/kg）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5 處理下土壤全氮含量均增加；C5 處理下土壤全氮含量最高（4.21 g/kg），與其他處理均差異顯著（P<0.05）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下土壤全磷含量均增加；C2處理下土壤全磷含量最高（1.29 g/kg），與CK 差異顯著（P<0.05）。與CK相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下土壤全鉀含量均顯著增加（P<0.05）；C5 處理下土壤全鉀含量最高（13.73 g/kg）。

表1 CMC改良劑對土壤pH值及有機質和全效養分的影響Tab.1 Effects of CMC amendments on pH,organic matter and total nutrients of soils

施用CMC 改良劑極顯著影響土壤硝態氮（P<0.01）、銨態氮（P<0.01）、速效磷（P<0.01）和速效鉀（P<0.01）含量（表2）。CK 下土壤硝態氮含量最高（0.76 mg/kg），與除C4 處理外的其他處理均差異顯著（P<0.05）。土壤銨態氮含量在C0 下最高（3.34 mg/kg），與其他處理均差異顯著（P<0.05），在C2、C3和C4 處理下均略高于CK。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4 和C5 處理下土壤速效磷含量均增加，除C5處理外，均達到顯著水平（P<0.05）；C3 處理下土壤速效磷含量最高（28.75 mg/kg），與C2 和C5 處理均差異顯著（P<0.05）。與CK 相比，C0、C1、C2、C3、C4和C5處理下土壤速效鉀含量均顯著增加（P<0.05）；C5 處理下土壤速效鉀含量最高（117.78 mg/kg），與C0和C2處理均差異顯著（P<0.05）。

表2 CMC改良劑對土壤速效養分的影響Tab.2 Effects of CMC amendments on available nutrients of soils(mg/kg)

2.4 CMC改良劑對土壤化學計量比的影響

不同處理下，土壤C∶N、C∶P 和N∶P 均差異顯著（P<0.05）（表3）。不同CMC 施用量處理下土壤C∶N為4.40～19.77，平均C∶N 為10.96；CK 下土壤C∶N 最小（2.53），與C0、C1、C2 和C3 處理均差異顯著（P<0.05）。不同CMC 施用量處理下土壤C∶P 為6.22～8.88，平均C∶P 為7.03；CK 下土壤C∶P 最小（1.48），與其他處理均差異顯著（P<0.05）。不同CMC 施用量處理下土壤N∶P 為0.44～1.39，平均N∶P 為0.81；C5 處理下土壤N∶P 最大，與C4 處理外的其他處理均差異顯著（P<0.05）。

表3 CMC改良劑對土壤化學計量比的影響Tab.3 Effects of CMC amendments on soil stoichiometric ratios

2.5 紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH值、養分和化學計量比的關系

紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH 值、養分和化學計量比的相關關系存在差異（表4）。紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數與土壤有機質含量和C∶P均呈極顯著或顯著正相關（P<0.01，P<0.05）；株高與土壤C∶N呈顯著正相關（P<0.05）；地徑與土壤全鉀、速效磷和速效鉀含量均呈極顯著正相關（P<0.01），與土壤全磷含量和C∶N 均呈顯著正相關（P<0.05）；葉片數與土壤全鉀含量呈顯著正相關（P<0.05）。根生物量與土壤全鉀含量呈顯著正相關（P<0.05），與土壤C∶P 呈極顯著正相關（P<0.01）；葉生物量與土壤有機質、全鉀和速效鉀含量及C∶P 均呈極顯著正相關（P<0.01）。

表4 紅海欖幼苗生長量、生物量與土壤pH值、養分和化學計量比的相關性分析Tab.4 Correlation analysis on growths,biomass of R.stylosa seedlings and soil pH,nutrients,stoichiometric ratios

3 討 論

施用CMC 改良劑可促進植株生長，提高植株生物量，這已在較多作物上得到證實。研究表明，5克/盆CMC 可使水稻生物量和產量分別增加228.7%和324.2%[16]；施加1.0%和2.0% CMC 可使小麥地上部分生物量分別提高221.0%和229.0%[19]；CMC 施用量為100 和500 kg/hm2時，谷子產量分別增加6.4%和5.7%[20]。本研究中，施用CMC 改良劑的紅海欖幼苗株高、地徑和葉片數及根、莖和葉生物量均增加，以4.0%CMC 處理的效果最好，與上述研究結果相似。究其原因，一方面是由于CMC 可通過提高土壤非毛管孔隙度、促進水穩定性團聚體形成等改善土壤結構，提高土壤持水能力，抑制土面蒸發，保水控鹽[11-15]，可滿足紅海欖幼苗生長過程中對土壤水分和氧氣等的需求，為其生長創造適宜的土壤環境；另一方面，CMC 可對土壤溶液中的養分離子產生一定吸附作用，同時可通過膠凝作用與土壤中的養分復合，具有保肥效果，對養分釋放具有緩釋作用，改善土壤養分狀況，提高養分利用效率[19-21]，滿足紅海欖幼苗生長過程中對養分的需求，促進紅海欖幼苗生長。本研究中，紅海欖幼苗生長量與生物量均在4.0%CMC 處理下最大，4.8%CMC 處理下均有所下降，與已有報道結果相似[19-20]。這可能是由于施用過量CMC 致使土壤板結，土壤通氣性降低，紅海欖幼苗根系伸長受阻，且CMC 持水能力高，易與幼苗爭奪水分[19]，影響紅海欖幼苗生長和生物量積累。本研究中，3.2%CMC 處理的表現較差，這可能是由于試驗過程中，該處理的盆栽位于潮汐裝置的邊緣位置，受環境因素影響。

土壤養分是作物生長發育、生物量積累的基礎，土壤養分供應充足是作物高產的關鍵。本研究中，不同CMC 施用量處理下土壤有機質、全鉀和速效鉀含量均顯著增加，土壤全氮、全磷和速效磷含量均增加。研究表明，酸性土壤施用CMC 可提高土壤有效磷和有效鉀含量[16]；施用2.0%和3.0% CMC可使黃土高原新造土壤有效鉀含量分別增加60.40%和74.96%[19]；施加0.05%和0.10% CMC 可使耕層土壤速效磷含量分別增加51.22%和35.77%[22]。本研究結果與上述研究結果相似，進一步說明CMC對土壤養分具有吸附、固持作用，具有提高養分利用效率和減少養分流失的作用[20,22-23]。土壤C∶N 可反映有機質來源和分解狀態及其對土壤肥力的潛在貢獻，與土壤有機碳分解速率成反比[24]；C∶P 可反映土壤磷礦化能力，與土壤磷的有效性成反比[25-26]；N∶P 可反映土壤氮飽和狀態和土壤養分限制閾值，其值小于14 時土壤受氮限制，大于16 時土壤受磷限制[26-27]。本研究中不同CMC施用量處理下土壤平均C∶N、C∶P 和N∶P 分別為10.96、7.03 和0.81，表明土壤有機質礦化速率較快，土壤磷有效性較高，處于氮限制狀態。

4 結 論

本試驗條件下，不同CMC 施用量與污泥發酵肥和復合生物菌劑混施顯著影響紅海欖幼苗生長量、生物量積累及土壤養分和化學計量比，可改善土壤養分狀況，促進紅海欖幼苗生長和生物量積累，可作為沿海困難立地砂礫質土壤的改良劑。推薦CMC 施用量為4.0%。在實際應用中需注意施用量和施用時期，過高施用量對土壤結構有破壞作用，抑制作物生長。本研究基于室內潮汐模擬控制試驗，研究結果在實際潮汐環境中的應用效果還需進一步驗證。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：李婷、林梓負責試驗實施和論文撰寫；朱立安負責試驗設計與調查和數據分析；李玫負責數據收集與分析；陳粵超、陳玉軍負責試驗設計。