段嬌嬌，康建軍，于健龍，楊自輝，王鎖民

(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 民勤 733300)

白刺(Nitrariatangutorum)屬蒺藜科白刺屬(Nitraria)，是我國(guó)西北干旱荒漠區(qū)的優(yōu)勢(shì)建群種[1-2]，具有極強(qiáng)的抗旱、耐鹽堿和耐瘠薄能力，同時(shí)又是我國(guó)名貴中藥材鎖陽(yáng)(Cynomoriumsongaricum)的寄主，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，由于人類的掠奪式開(kāi)發(fā)和自然環(huán)境的惡化，這一重要野生資源植物出現(xiàn)了生長(zhǎng)不良或大面積死亡的現(xiàn)象[3-4]。因此，對(duì)白刺栽培管理進(jìn)行研究對(duì)有效保護(hù)并合理利用這一野生資源具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，Na+在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著十分重要的作用。Wang等[5]研究認(rèn)為，多漿旱生植物適應(yīng)干旱環(huán)境的有效策略之一是吸收并積累Na+，而不是拒排Na+。進(jìn)一步的室內(nèi)研究[6]表明，50 mmol/L NaCl不但能顯著促進(jìn)多漿旱生植物霸王(Zygophyllumxanthoxylum)的生長(zhǎng)并提高其抗旱能力，而且能改善霸王幼苗在-0.5 MPa滲透脅迫下的光合能力，提高霸王植株的抗脅迫能力[7]?？梢?jiàn)，Na+在促進(jìn)多漿旱生植物的生長(zhǎng)和增強(qiáng)其抗逆性方面起著重要的作用?；谏鲜鲅芯?，王鎖民等[8]通過(guò)室內(nèi)盆栽方法成功研制出一種能顯著促進(jìn)荒漠多漿旱生植物生長(zhǎng)并提高其抗旱性的鈉復(fù)合肥。在蘭州市室外盆栽條件下，該鈉復(fù)合肥有效地促進(jìn)了霸王、梭梭(Haloxylonammodendron)、紅砂(Reaumuriasongarica)和白刺的生長(zhǎng)，并提高了其抗旱能力[9-10]?？到ㄜ姷萚11]在甘肅民勤對(duì)施用鈉復(fù)合肥盆栽培育的梭梭沙地移栽后的試驗(yàn)表明，鈉復(fù)合肥能顯著促進(jìn)干旱荒漠區(qū)梭梭的生長(zhǎng)，但有關(guān)該鈉復(fù)合肥對(duì)荒漠區(qū)白刺生長(zhǎng)及抗旱性的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究以甘肅民勤荒漠區(qū)為試驗(yàn)點(diǎn)，研究施用鈉復(fù)合肥對(duì)白刺生長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境的影響，以期為大批量繁育抗旱性強(qiáng)的白刺植株及荒漠區(qū)植被的恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)的重建提供理論及實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況 研究區(qū)位于甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(38°34′ N，102°58′ E)，平均海拔1 378 m，年均氣溫7.6 ℃；≥10 ℃年積溫3 036.4 ℃·d，年均降水量113.2 mm，年蒸發(fā)量2 644.0 mm，屬典型的干旱荒漠氣候。多年來(lái)，由于上游來(lái)水逐年減少，地下水嚴(yán)重超采，地下水位以年均0.5 m以上的速度下降，現(xiàn)已下降為20 m以下；試驗(yàn)地0～50 cm沙層含水量約0.5%，土壤干旱。植被主要為大面積退化的白刺灌叢和衰敗的栽培梭梭林，生態(tài)環(huán)境非常脆弱[12]。

1.2供試材料和供試肥料 試驗(yàn)用白刺種子于2009年8月底采自甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，千粒重為38.8 g，平均發(fā)芽率為69%；供試肥料為磷酸二銨和蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院牧草逆境生理與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的鈉復(fù)合肥[8]。

1.3供試土壤 供試土壤為甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站當(dāng)?shù)赝寥?，土壤非常貧瘠，全氮含量?1.6 μmol/g，全磷含量5.28 μmol/g，Na+含量13.27 μmol/g，K+含量10.49 μmol/g，pH值7.8。

1.4材料培養(yǎng)與處理 2010年4月初，參照王鎖民等[13]的方法，挑選籽粒飽滿的白刺種子進(jìn)行催芽處理。采用26 cm×28 cm一次性黑色塑料營(yíng)養(yǎng)缽育苗，培養(yǎng)地點(diǎn)設(shè)在甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，1)對(duì)照：不施用任何肥料；2)磷酸二銨：施(NH4)2HPO4(與鈉復(fù)合肥含等量的N、P)；3)鈉復(fù)合肥：施研制的鈉復(fù)合肥。每盆裝土壤和肥料的均勻混合物8 kg，每個(gè)處理各80盆。澆足水后將整個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽埋于地表以下，以減少干旱條件下?tīng)I(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)土壤水分的散失，然后將催芽后的白刺種子均勻播于各盆中，每盆穴播20粒，覆蓋濕沙土厚1 cm左右，覆蓋薄膜。待種子出苗后，緩慢揭掉薄膜。其后每隔1周澆水1次，澆水量相同，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)管理使其正常生長(zhǎng)。待白刺植株生長(zhǎng)3個(gè)月后進(jìn)行間苗，每盆保留生長(zhǎng)一致的植株3株，充分澆水后進(jìn)行干旱脅迫，每隔1個(gè)月充分補(bǔ)水1次，補(bǔ)水量相同。10月初生長(zhǎng)期結(jié)束后測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.5測(cè)定指標(biāo)

1.5.1株高、根長(zhǎng)、主莖直徑和主根直徑 用直尺量取株高和根長(zhǎng)，用游標(biāo)卡尺測(cè)定主莖直徑和主根直徑。

1.5.2鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和根冠比 挖出白刺后，快速用蒸餾水沖洗表面灰塵，再用吸水紙吸干表面水分，立即分成根和地上部，分別稱鮮質(zhì)量。后將鮮材料放入105 ℃的烘箱中殺青10 min，再在80 ℃下烘干至質(zhì)量不變，稱干質(zhì)量。

根冠比=根鮮質(zhì)量/地上部鮮質(zhì)量。

1.5.3植株體內(nèi)Na+、K+含量 Na+、K+含量的測(cè)定參考Flowers和Hajibagheri[14]的方法。將烘至質(zhì)量不變的白刺地上部和根系搗碎后浸入10 mL濃度為100 mmol/L冰乙酸中，密封試管，沸水浴2 h后冷卻、過(guò)濾，稀釋適當(dāng)倍數(shù)后在火焰光度計(jì)(2655-00)上測(cè)定Na+、K+含量。

1.5.4土壤中Na+、K+含量 稱取0.5和2.0 g風(fēng)干土樣，分別加入2 mol/L HNO3溶液10 mL和蒸餾水10 mL，振蕩30 min，過(guò)濾，稀釋適當(dāng)倍數(shù)后，在火焰光度計(jì)(2655-00)上測(cè)定離子含量，測(cè)定值分別為交換性和可利用非交換性Na+、K+及水溶性Na+、K+含量。

土壤中鈉鉀離子總量=交換性和可利用非交換性鈉鉀含量+水溶性鈉鉀含量。

1.6數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用SPSS 16.0 (SPSS Inc.，USA)軟件分析，用Excel作圖。

2 結(jié)果

2.1不同處理對(duì)白刺株高、根長(zhǎng)、主莖直徑和主根直徑的影響 鈉復(fù)合肥顯著促進(jìn)了白刺的生長(zhǎng)(表1)。與對(duì)照和施(NH4)2HPO4肥的處理相比，鈉復(fù)合肥培育的白刺株高分別增加了109%和45%，根長(zhǎng)分別增加了95%和57%，主莖直徑分別增加了83%和43%，主根直徑分別增加了85%和22%。

2.2不同處理對(duì)白刺鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和根冠比的影響 鈉復(fù)合肥的施用顯著增加了白刺的生物量(圖1)。與對(duì)照和施(NH4)2HPO4肥的處理相比，鈉復(fù)合肥培育的白刺地上部鮮質(zhì)量分別增加了272%和81%，根系鮮質(zhì)量分別增加了170%和49%(圖1A)；白刺地上部干質(zhì)量分別增加了323%和102%，根系干質(zhì)量分別增加了187%和59%(圖1B)。鈉復(fù)合肥的施用顯著降低了白刺的根冠比(P<0.05)，與對(duì)照和施(NH4)2HPO4肥的處理相比，其根冠比分別降低了38%和21%(圖1C)。

表1 白刺株高、根長(zhǎng)、主莖直徑和主根直徑的變化

圖1 不同施肥處理對(duì)白刺鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和根冠比的影響

2.3不同處理對(duì)植株體內(nèi)Na+、K+含量和Na+/K+的影響 鈉復(fù)合肥顯著提高了白刺體內(nèi)Na+含量(圖2A)。與對(duì)照和施(NH4)2HPO4肥的處理相比，鈉復(fù)合肥培育的白刺地上部中積累的Na+分別增加了49%和24%，根中積累的Na+分別增加了14%和11%。不同處理之間白刺地上部和根中K+含量差異不顯著(圖2B)。與對(duì)照和施(NH4)2HPO4肥的處理相比，植株地上部中Na+/K+分別提高了62%和29%，而根中Na+/K+無(wú)顯著差異(圖2C)。

圖2 不同施肥處理對(duì)白刺體內(nèi)Na+、K+含量和Na+/K+的影響

2.4施用鈉復(fù)合肥后白刺體內(nèi)和土壤中Na+含量的動(dòng)態(tài)變化 鈉復(fù)合肥育苗缽?fù)寥乐蠳a+施用量為162 mg/kg。當(dāng)白刺生長(zhǎng)期結(jié)束后，育苗缽?fù)寥乐蠳a+施用量的22%被白刺植株吸收，67%殘留在盆中，11%淋失到育苗缽?fù)獾耐寥乐?，淋失的Na+占育苗前土壤中Na+含量的6%。殘留在育苗缽中的Na+將會(huì)進(jìn)一步被白刺吸收直到被充分利用(表2)。

表2 鈉復(fù)合肥中Na+含量的動(dòng)態(tài)變化

3 討論

干旱荒漠區(qū)的氣候環(huán)境對(duì)植物的生存和繁衍極其嚴(yán)苛。在長(zhǎng)期進(jìn)化中，荒漠植物形成了一系列特殊的形態(tài)和生理抗旱機(jī)制。近年來(lái)的研究表明，荒漠多漿旱生植物能從含鹽量很低的干旱土壤中吸收大量的Na+并儲(chǔ)存在植株地上部，作為一種有益的滲透調(diào)節(jié)劑以維持體內(nèi)較低的水勢(shì)而促進(jìn)植物吸水[5，15]，Na+也可通過(guò)刺激植物根系生長(zhǎng)而提高對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[6，16]，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。本研究表明，與對(duì)照和施(NH4)2HPO4肥相比，生長(zhǎng)期結(jié)束后，鈉復(fù)合肥的施用顯著促進(jìn)了白刺根系和地上部的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，也使植株的主根和主莖顯著增粗，從而提高植株對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸能力，有利于白刺的快速生長(zhǎng)。同時(shí)，鈉復(fù)合肥促進(jìn)了白刺根系的伸長(zhǎng)和加粗，進(jìn)一步提高了植株“根系提水作用”，增加了淺層土壤水分，使植株能繼續(xù)從表層土壤中吸收養(yǎng)分以促進(jìn)生長(zhǎng)[17-19]。

在干旱脅迫下，Na+的區(qū)域化作用引起植物細(xì)胞吸水膨脹，促進(jìn)細(xì)胞分裂和體積增加，進(jìn)而增大光合葉面積，使植物獲得較多的碳水化合物[20]。同時(shí)，Na+能夠替代K+調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞膨壓，有效控制CO2的進(jìn)入，也可以激活葉綠素生物合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶[21-22]及PSΠ活性[7]，從而提高植物的光合效率和生物量。本研究表明，與對(duì)照和施(NH4)2HPO4肥相比，鈉復(fù)合肥的施用顯著增加了植株地上部和根系的生物量，證明Na+在白刺生長(zhǎng)中起重要作用。此外，生長(zhǎng)期結(jié)束后，鈉復(fù)合肥的施用降低了白刺的根冠比，這與鈉復(fù)合肥顯著提高霸王和梭梭植株的根冠比結(jié)果相反[9，11]，這可能是由于霸王和梭梭屬于深根系植物[23]，Na+可促進(jìn)其根系的向下生長(zhǎng)，而白刺屬于淺根系植物[24]，Na+則促進(jìn)白刺植株側(cè)根的伸展和地上部的生長(zhǎng)。

植物體內(nèi)存在一系列復(fù)雜的抗旱機(jī)制，其中滲透調(diào)節(jié)是主要的生理適應(yīng)機(jī)制之一。一般認(rèn)為，植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要為無(wú)機(jī)離子和有機(jī)可溶性物質(zhì)。對(duì)于荒漠旱生植物而言，在土壤含鹽量非常低的條件下，體內(nèi)會(huì)儲(chǔ)存大量的Na+和K+，且Na+的累積量超過(guò)K+，表明Na+是其抵御干旱脅迫的有益滲透調(diào)節(jié)劑[5，25-26]。李景平等[27]對(duì)3種荒漠植物紅砂、白刺和刺蓬(Cornulacaalaschanica)體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)機(jī)能的研究發(fā)現(xiàn)，Na+在其適應(yīng)干旱環(huán)境中所起的滲透調(diào)節(jié)作用顯著強(qiáng)于K+、Ca2+和可溶性糖等，并且地上部大于根系。本研究表明，施用鈉復(fù)合肥顯著促進(jìn)Na+在白刺地上部的積累，對(duì)K+含量無(wú)顯著影響，說(shuō)明在植株體內(nèi)Na+在代替K+行使?jié)B透調(diào)節(jié)功能方面起著重要作用[28]。除此之外，鈉復(fù)合肥中含有的硅也可能在植株抗旱性方面起著重要作用。研究表明，硅在植物體表形成特殊的“角質(zhì)-雙硅層”結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可降低植株蒸騰[29-30]，減少體內(nèi)水分散失；硅還可改變植物在逆境中的形態(tài)結(jié)構(gòu)，如減小功能葉與莖的夾角[31]，增大植株的受光面積，從而提高其光合能力。目前通過(guò)施硅提高小麥(Triticumaestivum)和玉米(Zeamays)等禾本科植物抗旱性的報(bào)道已有很多[32]，康建軍等[注]康建軍,王鎖民,楊自輝.鈉硅互作提高梭梭抗旱性的研究[J].中國(guó)沙漠(已接受).首次在藜科植物梭梭中進(jìn)行了施硅研究，發(fā)現(xiàn)施加適量的NaCl或H2SiO3均可顯著促進(jìn)梭梭植株的生長(zhǎng)并提高其抗旱性，而且適量的鈉硅互作要比單施鈉或單施硅更能顯著促進(jìn)梭梭植株生長(zhǎng)并提高其抗旱性。然而，對(duì)蒺藜科植物施入硅的研究報(bào)道較少，施硅對(duì)蒺藜科植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響還有待于進(jìn)一步的研究。

已有研究[33]表明，土壤中含有一定量鹽分是白刺正常生長(zhǎng)、繁殖的條件之一。本研究中施用的鈉復(fù)合肥中Na+含量為162 mg/kg，每盆裝土8 kg，即每盆施Na+量為1 296 mg。當(dāng)生長(zhǎng)期結(jié)束后，Na+施用量的22%被白刺植株吸收，67%殘留在盆中，這部分Na+可作為白刺在沙地長(zhǎng)年生長(zhǎng)的Na+來(lái)源，可不斷促進(jìn)白刺植株生長(zhǎng)并提高其抗旱能力。另外，在試驗(yàn)過(guò)程中，Na+施用量的11%淋失到盆外土壤中，其占育苗前土壤中Na+的6%，說(shuō)明鈉復(fù)合肥的施用對(duì)當(dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)環(huán)境造成的危害較小。

4 結(jié)論

與不施肥和施(NH4)2HPO4肥相比，鈉復(fù)合肥培育的白刺株高、根長(zhǎng)、主莖直徑、主根直徑、地上部和根系的生物量均有顯著增加，且地上部的促進(jìn)效果更為顯著；同時(shí)鈉復(fù)合肥的施用也顯著增強(qiáng)了白刺的抗旱性，初步證實(shí)了鈉復(fù)合肥在促進(jìn)白刺生長(zhǎng)并提高其抗逆性方面起著重要作用。施用鈉復(fù)合肥盆栽育苗能有效降低Na+營(yíng)養(yǎng)的淋失，提高白刺對(duì)Na+的利用效率，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)環(huán)境造成的危害較小。

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