李丹陽 王 寧 常 昱 匡 旭 王立瑩 宮 磊 李 浩

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

兩種不同生物質(zhì)結(jié)皮制劑影響沙地植被恢復(fù)的盆栽試驗(yàn)研究*

李丹陽 王 寧#常 昱 匡 旭 王立瑩 宮 磊 李 浩

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

為探討兩種不同的生物質(zhì)結(jié)皮制劑對沙地植被恢復(fù)的影響，進(jìn)行了沙土盆栽試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)兩個(gè)處理(T1和T2)，1個(gè)對照(CK)，其中T1為結(jié)皮制劑1(木質(zhì)素磺酸鈉+纖維素)+復(fù)合肥料+植物種子，T2為結(jié)皮制劑2(木質(zhì)素磺酸鈣+纖維素)+復(fù)合肥料+植物種子，CK為復(fù)合肥料+植物種子。對每個(gè)處理的土壤含水率、結(jié)皮硬度、物種多樣性、生物量、植株含水率、植株莖高、植株基徑等指標(biāo)進(jìn)行觀測。結(jié)果表明：與CK相比，T1和T2均可顯著提高沙土含水率、植株含水率、結(jié)皮硬度與生物量，并提升物種多樣性。T2與T1相比，處理效果更優(yōu)。

生物質(zhì)結(jié)皮制劑 植被恢復(fù) 沙土

人工生物質(zhì)結(jié)皮技術(shù)是近年來沙地植被恢復(fù)的一種新思路、新方法[1-3]。人工生物質(zhì)結(jié)皮是指以來源于植物的木質(zhì)素和纖維素為功能性生物高分子材料，人工將其與表層土壤/砂混合制作形成的結(jié)皮，其從組成上區(qū)別于生物結(jié)皮和化學(xué)結(jié)皮[4]。生物結(jié)皮雖可以促進(jìn)成土過程和土壤的發(fā)育，但該方法研究多集中于天然結(jié)皮，在沙地應(yīng)用中困難較大，實(shí)際應(yīng)用不多[5-6]；化學(xué)結(jié)皮雖具有結(jié)皮速度快、強(qiáng)度高、固沙效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，但在環(huán)境安全性、使用成本、后期養(yǎng)護(hù)成本等方面有不同程度的缺陷，且化學(xué)結(jié)皮更多以固定表土為主要目的，植被恢復(fù)功能方面考慮較少[7]。生物高分子材料曾被用于植被恢復(fù)研究，現(xiàn)仍處于探索研究階段。人工生物質(zhì)結(jié)皮是在荒漠化土地表層使用生物高分子材料形成結(jié)皮，其成分中的木質(zhì)素是一種天然高分子材料[8]，加入少量的短纖維或其他可溶性高分子化合物，再添加一些表面活性劑和起泡劑。人工生物質(zhì)結(jié)皮有很好的浸潤性，具有活化土壤種子庫等功能，植物的幼苗長出時(shí)，可自行頂破；另外，它會(huì)逐漸降解，變成腐殖酸肥料，降解前覆蓋在土壤表面，降低地表蒸發(fā)，提高地溫，改善土壤環(huán)境條件；同時(shí)，由于木質(zhì)素有殺菌的作用和吸收紫外線的能力，還能幫助植物提高抗病能力[9]5-6。人工生物質(zhì)結(jié)皮的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境友好、施工簡便、無須后期養(yǎng)護(hù)，且成本低、見效快，材料成本低于1元/m2，明顯低于其他方法所用成本[10]，可迅速改良荒漠化土地，為植物生長創(chuàng)造良好的生長條件,提高生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)的質(zhì)量和效率。王瑞君等[11]140和舒鑫等[12]370曾應(yīng)用該方法分別在甘肅民勤沙地和山西黃土地區(qū)進(jìn)行過嘗試，效果良好。

本試驗(yàn)是在前人研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)了人工生物質(zhì)結(jié)皮制劑(以下簡稱結(jié)皮制劑)成分，并在沙土盆栽上做試驗(yàn)，對比觀測結(jié)皮制劑T1和T2在沙土上的保水性能、結(jié)皮硬度、物種多樣性、植株長勢等指標(biāo)上的差異，確定更有利于沙地植被恢復(fù)的結(jié)皮制劑配方，以利于今后在沙漠化治理或生態(tài)修復(fù)過程中提高生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)的質(zhì)量和效率。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省大慶市高新區(qū)黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校內(nèi)西北角試驗(yàn)地。該試驗(yàn)地地處北溫帶亞歐大陸性季風(fēng)區(qū)內(nèi)，為半濕潤的溫帶氣候型，年平均降水量為440.2 mm，年平均蒸發(fā)量為1 603.2 mm，年平均風(fēng)速為4.1 m/s，最大風(fēng)速為29.9 m/s，土壤類型為典型的鹽化草甸土，植被群落為羊草群落。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用盆栽，其中盆的直徑為30 cm，盆中裝滿沙土，并將盆擺放到地勢平坦、有陽光直射、通風(fēng)性較好、四面無遮擋物的地方，且盆的擺放均勻一致。試驗(yàn)材料分為結(jié)皮制劑、復(fù)合肥料、植物種子3個(gè)部分。結(jié)皮制劑主要包括木質(zhì)素(木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣)、纖維素等成分(木質(zhì)素和纖維素均為山東某股份有限公司生產(chǎn))，具有固定表土、吸濕保水、抗蒸發(fā)及營養(yǎng)植物等功能[9]6；復(fù)合肥料為某化肥股份有限公司生產(chǎn)；人工播種的植物種子包括紫花苜蓿(Medicagosativa)、波斯菊(CosmosbipinnataCav.)。2015年5月23日，將沙土裝入盆中，同時(shí)按干河沙∶結(jié)皮制劑(體積比)=3∶1混合成結(jié)皮基質(zhì)組分，在沙土表層播撒植物種子、復(fù)合肥料及結(jié)皮基質(zhì)組分，復(fù)合肥料施用量約為15 g/m2，人工播撒紫花苜蓿種子和波斯菊種子(用量均約為10 g/m2)，最后，噴灑適量水(約2.5 L/m2)用以溶解結(jié)皮制劑組分，此后不再對各盆栽進(jìn)行任何處理。試驗(yàn)設(shè)置T1(結(jié)皮制劑1(木質(zhì)素磺酸鈉+纖維素)+復(fù)合肥料+植物種子)、T2(結(jié)皮制劑2(木質(zhì)素磺酸鈣+纖維素)+復(fù)合肥料+植物種子)、CK(復(fù)合肥料+植物種子，作為對照)3個(gè)試驗(yàn)處理，每個(gè)試驗(yàn)處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集和分析

2015年5月23日至9月18日每月選取連續(xù)多天無降雨日利用土壤水分速測儀(TR-19型)測定沙土表層5 cm深處含水率，6月27日使用土壤緊實(shí)度儀(SC-900型)對結(jié)皮硬度進(jìn)行測量，7月10日對不同處理的物種多樣性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，9月30日對各處理植物生長指標(biāo)和生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。豐富度、多樣性指數(shù)(包括Gleason指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù))和Pielou均勻度指數(shù)等指標(biāo)的計(jì)算參考文獻(xiàn)[13]。

運(yùn)用Excel 2010和SPSS 11.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 沙土含水率

從圖1可以看出，2015年5月23日，各處理間沙土含水率沒有顯著差異；6月20日，T1和T2間沙土含水率差異不顯著，但T1、T2與CK差異顯著；7—9月各處理間沙土含水率均差異顯著，且均表現(xiàn)出T2>T1>CK，T1相比CK，沙土含水率提高90.00%±6.82%，T2相比CK沙土含水率提高142.93%±28.75%，T2相比T1沙土含水率提高28.07%±16.62%。結(jié)果表明，結(jié)皮制劑具有較好的保水性，使得種子容易發(fā)芽和存活，相比較而言，結(jié)皮制劑2可以更有效提高沙土含水率。此研究結(jié)果與王瑞君等[11]143和舒鑫等[12]371-372的試驗(yàn)結(jié)果相似。

注：遵從多重比較的字母標(biāo)記法，不同字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)，圖2、表3同。

圖1不同處理對沙土含水率的影響
Fig.1 Effect of different treatments on moisture of sandy soil

2.2 結(jié)皮硬度

大慶市年平均風(fēng)速為4.1 m/s,最大風(fēng)速為29.9 m/s，且每年6級以上大風(fēng)的平均天數(shù)在28 d以上，這對于風(fēng)蝕沙區(qū)植被恢復(fù)極為不利。王瑞君等[11]144研究認(rèn)為結(jié)皮制劑能在一定時(shí)間固定流沙，為植物體提供安全而穩(wěn)定的生長和發(fā)育環(huán)境，從而有利于植物種子侵入、發(fā)芽，充分利用土壤種子庫促進(jìn)沙地植被恢復(fù)。對不同處理的結(jié)皮硬度進(jìn)行測量，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，不同處理的結(jié)皮硬度差異顯著，結(jié)皮硬度大小表現(xiàn)為T2((161.00±12.77) kPa)>T1((112.67±9.29) kPa)>CK((71.00±3.61) kPa)，表明生物結(jié)皮具有很好的固沙能力，其固沙作用可以保障植被恢復(fù)需要的基本生態(tài)環(huán)境條件，為植株生長發(fā)育提供了較好的基礎(chǔ)條件。

圖2 不同處理對結(jié)皮硬度的影響Fig.2 Effect of different treatments on crust hardness

2.3 物種多樣性

SIMPOSON[14]、沈有信等[15]和馮海云等[16]都認(rèn)為沙地是一個(gè)十分豐富的種子庫，只是由于極端環(huán)境條件的限制造成種子不能萌發(fā)，或者短暫萌發(fā)后死亡。因此，只要能改善沙地的極端環(huán)境條件，就可能促使沙層內(nèi)種子萌發(fā)、生長。結(jié)皮處理正是基于這一點(diǎn)，通過人工方法改善近地表層生態(tài)環(huán)境，達(dá)到充分利用沙層內(nèi)種子庫恢復(fù)沙地植被的目的。

由表1可以看出，進(jìn)行結(jié)皮處理(T1和T2)的沙土，其豐富度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)相對較高，且T2處理效果優(yōu)于T1，而無結(jié)皮處理(CK)的植物生長較弱，其多樣性指數(shù)較低。T2除人工播種的波斯菊和紫花苜蓿外，還出現(xiàn)稗(Echinochloacrusgalli)、凹頭莧(AmaranthuslividusL.)、野大豆(GlycinesojaSieb. et Zucc)、馬齒莧(PortulacaoleraceaL.)、灰藋(ChenopodiumalbumL.)等植物，共涉及6個(gè)科7個(gè)屬7個(gè)種；T1出現(xiàn)了6個(gè)種，相比T2未見灰藋；CK出現(xiàn)了5個(gè)種(見表2)。可見，T2更能改善植物生長的土壤營養(yǎng)和水分條件，植物易于發(fā)芽和生長。本研究各多樣性指數(shù)均低于舒鑫等[12]373在黃土山區(qū)公路邊坡試驗(yàn)研究結(jié)果，原因可能在于本試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)面積較小，但都反映出經(jīng)結(jié)皮處理后各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于對照。

表1 不同處理下的物種多樣性指數(shù)

表2 不同處理下出現(xiàn)的植物及其分類學(xué)地位1)

注：1)+為在該處理內(nèi)出現(xiàn)了某種植物，-為未出現(xiàn)。

2.4 植物生長指標(biāo)

對各處理的植物莖高、基徑、植株含水率和生物量進(jìn)行測定，結(jié)果見表3。從表3可以看出，各植物生長指標(biāo)在經(jīng)結(jié)皮處理后和CK均差異顯著，表明結(jié)皮處理后，所種植物儲(chǔ)存了較多營養(yǎng)物質(zhì)。有望實(shí)現(xiàn)物理治沙向植被治沙的自然過渡，并形成以鄉(xiāng)土植物種為主的植被群落。T2和T1相比，除植株含水率差異不顯著外，其余指標(biāo)均差異顯著，表現(xiàn)為T2>T1。李美君等[17]的研究結(jié)果與本研究結(jié)果相反，其認(rèn)為生物結(jié)皮的形成阻礙了有效降水的入滲和植被對水分及肥料的吸收，同時(shí)也不利于植被的出苗，因此會(huì)造成植被蓋度和生物量等指標(biāo)的降低。造成差異的原因可能在于，在沙地植被恢復(fù)初期，結(jié)皮處理可以為植物生長提供良好的生長微環(huán)境，而當(dāng)結(jié)皮達(dá)到一定的蓋度和厚度時(shí)，會(huì)與周邊植物產(chǎn)生競爭作用，可能影響植被的正常生長。

表3 不同處理下的植物生長指標(biāo)1)

注：1)生物量以各處理全部植物的干質(zhì)量計(jì)算，植株含水率、莖高和基徑等指標(biāo)以優(yōu)勢種波斯菊計(jì)。

3 結(jié)論與展望

兩種結(jié)皮制劑施用于沙土，均可顯著提高沙土含水率、植株含水率、結(jié)皮硬度、生物量，并提升物種多樣性，具有改善土壤環(huán)境條件、活化土壤種子庫、增加生物量等功能，可起到較好的植被恢復(fù)效果。經(jīng)結(jié)皮處理后，有望實(shí)現(xiàn)物理治沙向植被治沙的自然過渡，并形成以鄉(xiāng)土植物種為主的植被群落。各指標(biāo)相比較而言，T2處理效果優(yōu)于T1。

本研究采用的是盆栽試驗(yàn)，所以在試驗(yàn)期間并不能觀測到結(jié)皮制劑對大面積流沙的影響，只是在理論上進(jìn)行了一些有益探討，下一步可以應(yīng)用結(jié)皮制劑2在大面積沙土上進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得更好的實(shí)踐數(shù)據(jù)。

[1] WAN T,AO J,MA X L.Preparation of poly (AA-AM) water super absorbent by inverse microemulsion polymerization[J].Journal of Applied Polymer Science,2008,110(6):3859-3864.

[2] IBRAHIM S M,KARIMAN M,SALMAWI E,et al.Synthesis of crosslinked superabsorbent carboxymethyl cellulose/acryl-amide hydrogels through electron-beam irradiation[J].Journal of Applied Polymer Science,2007,104(3):2003-2008.

[3] 魯小珍，金永燦，楊益琴，等．木質(zhì)素固沙材料應(yīng)用于沙漠化地區(qū)植被恢復(fù)的研究[J]．林業(yè)科學(xué)，2005，41(4)：67-71．

[4] 王瑞君，王百田，張帆，等．人工生物質(zhì)結(jié)皮對黃土邊坡微生態(tài)環(huán)境及植被恢復(fù)的影響[J]．中國水土保持科學(xué)，2015，13(2)：77-82．

[5] 楊永勝．毛烏素沙地生物結(jié)皮對土壤水分和風(fēng)蝕的影響[D]．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012．

[6] 張軍紅，吳波，賈子毅，等．毛烏素沙地油蒿植冠下生物結(jié)皮分布特征及其影響因素研究[J]．林業(yè)科學(xué)研究，2010，23(6)：866-871．

[7] 鐵生年，姜雄，汪長安．化學(xué)固沙材料研究進(jìn)展[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2013，27(5)：71-75．

[8] 蔣挺大．木質(zhì)素[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001．

[9] 李忠正．可再生生物質(zhì)資源——木質(zhì)素的研究[J]．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，36(1)．

[10] 龔福華，何興東，彭小玉，等．塔里木沙漠公路不同固沙體系的性能與成本比較[J]．中國沙漠，2001，21(1)：45-49．

[11] 王瑞君，陳正華，王百田，等．生物質(zhì)結(jié)皮制劑在民勤流動(dòng)沙區(qū)恢復(fù)植被的作用[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(9)．

[12] 舒鑫，王百田，曹遠(yuǎn)博，等．人工生物質(zhì)結(jié)皮在黃土山區(qū)公路邊坡應(yīng)用的初探[J]．四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，32(4)．

[13] 盛連喜．環(huán)境生態(tài)學(xué)導(dǎo)論[M]．2版．北京：高等教育出版社，2009．

[14] SIMPOSON R L.Ecology of soil seed banks[M].Sandiego:Academic Press,1989:3-8.

[15] 沈有信，趙春燕．中國土壤種子庫研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20(2)：467-473．

[16] 馮海云，何利平，朱明奕，等．國內(nèi)外土壤種子庫研究情況對比分析[J]．環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38(3)：152-157．

[17] 李美君，杜慶，張克斌，等．北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被數(shù)量波動(dòng)特征——以寧夏鹽池縣為例[J]．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44(1)：48-51．

Primarystudyonpotexperimentoftwobiomasscrustpreparationsinaffectingsandvegetationrestoration

LIDanyang,WANGNing,CHANGYu,KUANGXu,WANGLiying,GONGLei,LIHao.

(CollegeofAgronomy,HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity,DaqingHeilongjiang163319)

In order to explore the effect of the two different biomass crust preparations in sand vegetation restoration,the pot experiment with sandy soil was done firstly. The experiments were included two crust treatments (T1 and T2) and a control test (CK). T1 contained curst preparation 1 (sodium lignosulfonate+cellulose),compound fertilizer and plant seeds,T2 contained curst preparation 2 (calcium lignosulfonate+cellulose),compound fertilizer and plant seeds,and CK contained compound fertilizer and plant seeds. Humidity of soil,crust hardness,biodiversity (species richness,Gleason index,Simpson index,Shannon-Weiner index and Pielou evenness index),biomass and plant growth condition (plant moisture content,stem height and plant base diameter) were investigated in the test periods. The results showed that the T1 and T2 could significantly improve the soil moisture,plant water content,crust hardness and biomass,and increase species diversity. The performance of T2 was better than that of T1.

biomass crust preparation； vegetation restoration； sandy soil

李丹陽，女，1993年生，本科，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。#

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*黑龍江省教育廳大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“一種新型環(huán)保人工生物質(zhì)結(jié)皮制劑”(No.201510223023)；大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目“人工生物質(zhì)結(jié)皮促進(jìn)沙地植被恢復(fù)技術(shù)研究”(No.zd-2016-133)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.017

2016-10-12)