高云曉 龐元湘 毛培利 李業(yè)宇 祁 琳 郭龍梅 曹幫華

( 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黃河下游森林培育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)局泰山森林生態(tài)定位站，山東 泰安 271018)

鹽堿地是地球陸地上分布最廣的土壤類型之一，約占陸地總面積的25%[1]。中國(guó)的鹽堿化耕地約3.33×107hm2以上[2]，其中濱海鹽堿地有10×105hm2。由于鹽脅迫對(duì)大部分植物的生長(zhǎng)發(fā)育都有抑制作用，這使得鹽堿地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)受到了極大的限制，尤其是以人工林為主體的森林生態(tài)系統(tǒng)的建立。黃河三角洲地區(qū)刺槐林的大面積衰退就是一個(gè)典型的例子。鹽脅迫下，木本植物的生長(zhǎng)、根系發(fā)育、光合生理等[3]都受到顯著抑制。由滲透脅迫造成的生理干旱和因大量吸收鈉離子（Na+）、氯離子（Cl-）造成的離子毒害被認(rèn)為是鹽脅迫對(duì)植物產(chǎn)生傷害的主要機(jī)理[4]。施肥尤其是氮（N）、磷（P）、鉀（K）肥可以有效緩解鹽脅迫對(duì)植物的抑制程度。鹽脅迫下施肥可降低植株Na+含量[5]、提高生長(zhǎng)速率[6]、增加光合[7]、減少能耗、增加生長(zhǎng)素含量[6]。在鹽脅迫條件下，植株通過(guò)對(duì)養(yǎng)分的最大化吸收和對(duì)體內(nèi)激素的重新調(diào)配以此提高生物量、促進(jìn)生長(zhǎng)，對(duì)抗鹽脅迫[8]。目前對(duì)于木本植物的研究主要集中在施用N、P、K及糞便有機(jī)肥對(duì)鹽脅迫的改良方面且改良程度與土壤含鹽量的高低密切關(guān)系上。辛承松等[7]通過(guò)比較高肥和低肥鹽土盆栽棉花(Gossypium hirsutum)的生長(zhǎng)發(fā)育和生理特征，認(rèn)為通過(guò)提高鹽堿地的肥力能增加棉花養(yǎng)分吸收，減輕鹽害，且中高鹽條件下效果最顯著。Chen等[9]發(fā)現(xiàn)在中、低度鹽分土壤中增施N肥可促進(jìn)棉花生長(zhǎng)，高鹽條件下增施N肥的增產(chǎn)效果不明顯。對(duì)于林木在不同土壤含鹽量下的施肥及施肥方法，目前研究還較少。林業(yè)生產(chǎn)中施用的肥料主要是N、P和K肥，但在常規(guī)施肥條件下N、P、K肥尤其是N肥的當(dāng)季利用率均比較低，且較容易流失[10]。黃腐酸（FA）是一種新型肥料，是植酸類分子量較小的高分子有機(jī)化合物，含有多種活性官能團(tuán)，易被植物吸收，有較強(qiáng)的生物活性[11]，具有改良土壤物理結(jié)構(gòu)、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高植物品質(zhì)、肥效持久等優(yōu)良特性[12]。前人研究表明，F(xiàn)A可以提高農(nóng)作物和草本類植物的葉片蒸騰速率，使植株和土壤保持較多的水分，同時(shí)促進(jìn)根系發(fā)育，增強(qiáng)根系活力，并提高多種合成酶活性和葉綠素含量，提高鹽脅迫下植物生存能力[10，13]。武應(yīng)霞等[14]和張亞飛等[15]研究發(fā)現(xiàn)FA可提高歐美楊（Populus euramericana）的光合作用和桃樹（Amygdalus persica）的總根長(zhǎng)與根系活力。但總體來(lái)看FA對(duì)木本植物的影響目前研究很少，尤其是鹽脅迫下對(duì)木本植物的影響還未開(kāi)展系統(tǒng)研究。

刺槐(Robinia pseudoacacia)是黃河三角洲地區(qū)重要的木本植物，對(duì)減少自然災(zāi)害具有顯著的保護(hù)作用[16]。自20世紀(jì)70年代中期，刺槐被廣泛種植，主要分布在大汶流自然保護(hù)區(qū)和黃河故道附近，至今刺槐林保存面積仍達(dá)8000 hm2[17-18]。但近年來(lái)，刺槐林出現(xiàn)了嚴(yán)重的衰退，大面積的林地都出現(xiàn)了枯梢現(xiàn)象，甚至是死亡。鄧偉等[19]研究發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)自然因素及發(fā)展鹽業(yè)、漁業(yè)等人類活動(dòng)加劇了黃河三角洲濕地土壤鹽漬化程度。董海鳳等[20]認(rèn)為土壤鹽漬化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)脆弱、抗干擾能力差，是人工林退化的主要原因。深入研究刺槐的耐鹽性，有助于刺槐的耐鹽機(jī)制的完善，對(duì)鹽堿地區(qū)刺槐栽植具有重要的意義。本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)?zāi)M鹽漬化環(huán)境，分析了鹽脅迫對(duì)刺槐幼苗的生長(zhǎng)、光合生理、根系、生物量分配的影響；同時(shí)研究了鹽脅迫下添加黃腐酸有機(jī)肥對(duì)刺槐幼苗生長(zhǎng)的改良效果及改良程度，以期為黃河三角洲地區(qū)衰退的刺槐人工林改造提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)苗木為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)試驗(yàn)站1年生刺槐幼苗，平均高度為120 cm，平均地徑為9.5 mm。試驗(yàn)在林學(xué)試驗(yàn)站溫室（117°09′ E，36°10′ N）進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年4月15日，將1年生刺槐幼苗栽植到25 cm×30 cm×30 cm（底徑×上口徑×高）的容器（盆）中，每盆定植1株，試驗(yàn)設(shè)置高鹽（HS）和低鹽（LS）2個(gè)處理。HS的土壤取自山東省東營(yíng)市天鵝湖（118°5′ E，38°15′ N）附近的原位鹽堿土，LS的土壤由高鹽處理的土壤與林學(xué)試驗(yàn)站非鹽堿土按1∶1比例配置而成，各處理土壤各指標(biāo)如表1。每個(gè)鹽分梯度設(shè)置5個(gè)不同濃度FA有機(jī)肥處理，分別為1.17、2.33、3.50、4.67、9.33 g/盆，記作 T1、T2、T3、T4、T5，每個(gè)處理10次重復(fù)，共計(jì)100盆。FA成分為黃腐酸≥12%、有機(jī)質(zhì)≥40%、巨大芽孢桿菌+膠凍樣芽孢桿菌≥0.5億個(gè)/g。盆底部配有塑料托盤防止鹽分流失，苗木生長(zhǎng)期間常規(guī)澆水除草管理，澆水量以保證苗木正常生長(zhǎng)為基礎(chǔ)，既不使盆土粘稠積水，又不使盆土板結(jié)。試驗(yàn)期間利用溫室水簾等保持溫室內(nèi)溫度濕度，保證刺槐正常生長(zhǎng)壞境。

表1 低鹽處理和高鹽處理土壤指標(biāo)Table 1 Soil indicators of low salt treatment and high salt treatment

2017年5月10日，統(tǒng)計(jì)刺槐幼苗成活率，對(duì)存活的苗木按照施肥梯度設(shè)計(jì)添加FA并測(cè)定幼苗地徑。施肥方法是將FA顆粒均勻埋在盆深8 cm左右刺槐幼苗根系主要分布范圍內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 最大凈光合測(cè)定

2017年8月2日，用便攜式光合儀CIRAS-2（PP system，USA）測(cè)定最大凈光合速率（Pn），在HS和LS中各選擇3株幼苗葉片進(jìn)行光響應(yīng)曲線測(cè)定。使用開(kāi)放氣路，葉片溫度25 ℃，外界CO2濃度 360～380 μmol/mol。測(cè)定前葉片先將在光合作用飽和光強(qiáng)下誘導(dǎo)30 min，測(cè)定時(shí)光強(qiáng)由強(qiáng)到弱，依次設(shè)定光量子通量密度（PFD）為2000、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、75、50、25、0 μmol/（m2·s），每一光強(qiáng)下停留200 s。根據(jù)光響應(yīng)曲線，得出最大光飽和光強(qiáng)為1200 μmol /（m2·s），并在此光強(qiáng)下進(jìn)行Pn的測(cè)定。

1.3.2 相對(duì)生長(zhǎng)速率、根系特征及生物量比測(cè)定

2017年8月26日利用游標(biāo)卡尺（精確到0.05 mm）測(cè)量苗木地徑，然后將幼苗全部挖出，分解成根、莖、葉3部分，根系則放在尼龍網(wǎng)篩上用流水緩緩沖洗干凈，獲得整株根系，沖洗時(shí)在根系下面放置100目篩以防止脫落的根系被水沖走。把根、莖、葉裝入信封放入烘箱，在105 ℃下殺青20 min，然后在85 ℃下烘干至恒定質(zhì)量并稱量。由于苗木根系較多，每株苗木選擇1條完整的一級(jí)根，用WinRHIZO STD 1600根系掃描儀(Regent Instruments，Cannada)分析掃描圖片獲取根系長(zhǎng)度和根系表面積。按公式（1）～（6）計(jì)算如下指標(biāo)。

式中：W為幼苗地徑，t為幼苗生長(zhǎng)時(shí)間，1代表試驗(yàn)開(kāi)始，2代表試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 分析方法

所有數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件進(jìn)行分析，采用雙因子方差分析比較了RGR、Pn、葉片含水量、生物量分配和根系特征指標(biāo)的差異。如果差異顯著，再用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。同時(shí)，將以上各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 鹽脅迫下施肥處理對(duì)刺槐苗木相對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

LS和HS下刺槐盆栽苗木成活率分別為73.3%和38.3%。由圖1可知，隨著施肥量的增加，RGR在HS和LS脅迫下都是先增加后降低，在施肥濃度為T4時(shí)達(dá)到最大值。雙因素方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對(duì)刺槐苗木成活率及RGR有著極顯著的影響（P＜0.01），施肥處理對(duì)RGR有著顯著的影響（P＜0.05），二者之間沒(méi)有顯著的交互作用（表2）。鹽脅迫下，LS比HS有著高的RGR，HS比LS的RGR平均降低9.6%。

圖1 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗相對(duì)生長(zhǎng)速率變化Fig. 1 Changes of relative growth rate of R. pseudoacaciaseedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.2 鹽脅迫和施肥處理對(duì)刺槐苗木最大凈光合速率和葉片含水量的影響

由圖2可知，隨施肥量的增加，LS和HS下的Pn和葉片含水量均隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，在施肥濃度T4時(shí)達(dá)到最大值。雙因素方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對(duì)Pn無(wú)顯著影響，但對(duì)葉片含水量有顯著影響（P＜0.05），LS比HS有著高的含水量。施肥處理對(duì)Pn有著極顯著的影響（P＜0.01），對(duì)葉片含水量有顯著影響（P＜0.05）（表2）。鹽脅迫和施肥均對(duì)Pn和葉片含水量沒(méi)有顯著的交互作用（表2）。LS和HS在T4時(shí)的Pn分別為 11.47 μmol/（m2·s）和 10.01 μmol/（m2·s），葉片含水量分別為69.7%和67.7%。

表2 鹽脅迫和施肥處理對(duì)刺槐幼苗生長(zhǎng)、光合、生物量分配和根系指標(biāo)的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis of growth， photosynthesis， biomass distribution and roots indices of R. pseudoacacia seedlings under salt stress and fertilization treatments

圖2 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗Pn和葉片含水量變化Fig. 2 Changes of Pn and leaf water content of R. pseudoacacia seedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.3 鹽脅迫和施肥處理對(duì)刺槐苗木生物量分配的影響

由圖3 可知，鹽脅迫下隨施肥濃度的增加，刺槐不同器官的生物量分配有著不同的變化格局。方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對(duì)SMR和LMR有顯著影響（P＜0.05），對(duì)RMR無(wú)顯著影響。鹽脅迫下，LS比HS有著低的SMR和高的LMR。施肥處理對(duì)RMR、SMR、LMR均無(wú)顯著的影響，鹽脅迫與施肥處理對(duì)RMR、SMR、LMR均沒(méi)有顯著的交互作用（表2）。

圖3 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗生物量分配變化Fig. 3 Changes of biomass distribution of R. pseudoacacia seedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.4 鹽脅迫和施肥處理對(duì)根系特征的影響

由圖4 可知，隨著施肥量的增加，SRL和SRA呈增加趨勢(shì)。雙因素方差分析結(jié)果表明，鹽脅迫對(duì)SRL影響顯著（P＜0.05），對(duì)SRA影響極顯著（P＜0.01）；施肥對(duì) SRL影響極顯著（P＜0.01），但對(duì)SRA影響不顯著；二者對(duì)SRL有著極顯著（P＜0.01）的交互作用，對(duì)SRA有顯著（P＜0.05）的交互作用（表2）。

圖4 鹽脅迫下隨施肥量的增加刺槐幼苗根系變化Fig. 4 Changes of root system of R. pseudoacacia seedlings under salt stress with increasing fertilizer levels

2.5 生長(zhǎng)、生理與形態(tài)指標(biāo)之間的相關(guān)分析

由表3看出，RGR與Pn成顯著正相關(guān)（P＜0.05），與葉片含水量、LMR成極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。而Pn與葉含水量成極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。這表明刺槐生長(zhǎng)與光合生理密切相關(guān)。同時(shí)，RGR與SRA成顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與RMR沒(méi)有顯著相關(guān)性，表明根系形態(tài)的調(diào)整是刺槐適應(yīng)鹽脅迫的重要方式。LMR與SMR成顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與 SRA成極顯著正相關(guān)（P＜0.01），表明在生物量分配上存在著權(quán)衡。

表3 鹽脅迫和施肥處理對(duì)刺槐幼苗生長(zhǎng)、光合、生物量分配和根系指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation Analysis of growth， photosynthesis， biomass distribution and roots indices of R. pseudoacacia seedlings under salt stress and fertilization treatments

3 結(jié)論與討論

存活和生長(zhǎng)是評(píng)價(jià)植物耐鹽能力的主要指標(biāo)。本研究中LS和HS下的成活率表明，刺槐有一定的耐鹽能力，但在HS下其存活率大大降低，這與其他人的研究結(jié)果一致[21]。大量研究表明，鹽脅迫下植物的生長(zhǎng)受到顯著抑制是一個(gè)普遍現(xiàn)象[22]。本研究表明，在添加FA后，隨施肥量的增加，刺槐幼苗的RGR逐漸增加，表明施肥對(duì)鹽脅迫下的刺槐生長(zhǎng)有著顯著的改善作用。這與段留生等[23]對(duì)棉花施用FA，提高棉花幼苗生長(zhǎng)基數(shù)的研究是一致的。相關(guān)分析表明，刺槐幼苗的RGR與Pn、葉片含水量、LMR和SRA成顯著正相關(guān)。植物生物量的累積依賴于群體光合速率，而群體光合速率又與單葉的光合能力密切有關(guān)[24]，水分是影響光合作用的主要因素之一[25]。受到鹽脅迫時(shí)，植株葉片含水量會(huì)下降，遭受水分脅迫，影響葉片的蒸騰作用和光合作用。相關(guān)分析表明，刺槐幼苗的RGR與Pn成顯著正相關(guān)，與葉片含水量、LMR比成極顯著正相關(guān)，Pn與葉含水量成極顯著正相關(guān)。隨著施肥量的增加，刺槐幼苗的Pn和葉片含水量均先增加后降低，這表明鹽脅迫下添加FA能夠在一定程度上提高刺槐幼苗的葉片含水量，進(jìn)而提高其光合能力和相對(duì)生長(zhǎng)速率，緩解了鹽脅迫下的生理干旱程度。但添加FA超過(guò)4.67 g/盆(T4)后，RGR、葉片含水量和Pn降低。由此表明，刺槐幼苗在鹽脅迫下對(duì)FA有著一定的適應(yīng)范圍。但關(guān)于添加FA過(guò)量造成刺槐幼苗生長(zhǎng)降低的原因并不清楚，還需要進(jìn)一步研究。

生物量分配是反應(yīng)植物適應(yīng)能力的重要研究?jī)?nèi)容。植物通過(guò)產(chǎn)生不同數(shù)量的根、莖、葉等器官，對(duì)資源進(jìn)行重新分配，用以獲取生命活動(dòng)所需的光和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[26]。管博等[27]通過(guò)對(duì)黃河三角洲堿蓬（Suaeda salsa）研究發(fā)現(xiàn)，鹽地堿蓬幼苗生物量隨著鹽濃度增加，LMR增大，RMR降低。蘆葦（Phragmites australis）在HS條件時(shí)地上部分尤其是SMR增加，而地下部分如根狀莖的比例減少[28]。本研究中，鹽脅迫顯著地影響莖和葉生物量的分配。相關(guān)分析表明，RGR與LMR成極顯著正相關(guān)，與SMR成顯著負(fù)相關(guān)。而高的葉生物量投入有利于植物整體光合能力的增加[29]，因此是LS下刺槐幼苗RGR高于HS的重要原因。FA對(duì)刺槐幼苗的RMR、SMR、LMR沒(méi)有顯著影響，表明在土壤鹽脅迫下FA對(duì)各個(gè)器官的分配影響并未達(dá)到最優(yōu)[30]。

根系是植物吸收水分、養(yǎng)分的主要器官。鹽脅迫下，根系是首先的感知器官[31-32]。根系形態(tài)對(duì)土壤養(yǎng)分的反應(yīng)很敏感[33]，根系的分布直接影響植物擁有土壤水分和營(yíng)養(yǎng)空間的大小[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，LS與HS脅迫下SRL均隨施肥量增加顯著增加，但RMR并沒(méi)有顯著變化。有研究表明，鹽脅迫植物會(huì)通過(guò)改變根系形態(tài)而部分補(bǔ)償根系生物量分配的降低造成的不良影響[35]。這表明添加FA促進(jìn)了刺槐改變根系形態(tài)提高其在鹽脅迫下的水分養(yǎng)分的吸收。相關(guān)分析表明，SRA與RGR成顯著正相關(guān)，這表明根系形態(tài)的調(diào)整尤其是表面積的增加有助于提高鹽脅迫下刺槐幼苗對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收效率，進(jìn)而改善了幼苗生長(zhǎng)。同時(shí)，SRA、LMR成顯著正相關(guān)，表明刺槐幼苗在地上和地下對(duì)鹽脅迫有著很強(qiáng)的協(xié)同性，這與Mao等[3]的研究結(jié)果一致。而植物地上部與地下部的協(xié)同性是其適應(yīng)環(huán)境的重要機(jī)制之一[36]。

黃河三角洲是世界上典型的濱海鹽堿地，較高的土壤含鹽量限制了大部分植物的生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，尤其是喬木人工林的發(fā)展。刺槐林是該地區(qū)面積最大的喬木人工林，嚴(yán)重的衰退大大限制了其生態(tài)功能的發(fā)揮。本研究發(fā)現(xiàn)，刺槐雖有一定的耐鹽能力，但在HS下存活率顯著降低，僅為38.3%。鹽脅迫下刺槐幼苗生長(zhǎng)受到顯著抑制，表現(xiàn)在RGR、SRL和SRA都顯著降低。添加FA可以在一定程度上緩解鹽脅迫，增加RGR、Pn、SRL。而鹽脅迫下添加FA后刺槐幼苗提高葉片含水量，表明FA可以緩解鹽脅迫下刺槐體內(nèi)生理干旱，這是添加黃腐酸提高葉片Pn和RGR的重要機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同林齡刺槐林對(duì)FA的響應(yīng)機(jī)制，有助于黃河三角洲地區(qū)刺槐人工林的恢復(fù)與重建。