喬雪濤,何 俊,范秀華,孫兆軍,*

1 北京林業(yè)大學理學院, 北京 100083 2 寧夏大學新技術應用研究開發(fā)中心, 銀川 750021

次生鹽堿化是指由于不合理的人為措施的干擾與破壞,所引發(fā)土壤發(fā)生鹽堿化的過程,易發(fā)生于具有潛在鹽堿化因素如氣候條件干旱、降水稀少、地下水位較高的地區(qū)[1]。大量研究表明,過度開墾使得多年生深根的本土植物被一年生淺根植物(農(nóng)作物)所替換,以及長期不合理灌溉,引起地下潛水上升,導致深層的鹽分隨潛水不斷上升并累積到地表,是引發(fā)灌區(qū)土地次生鹽堿化的主要原因[2]。統(tǒng)計表明,我國西北地區(qū)鹽堿化土地面積達2216×104hm2,約占全國鹽堿地總面積的60%,其中由于灌溉方式不當而引發(fā)的次生鹽堿地面積約140×104hm2,占全國次生鹽堿化土地總面積的70%,已嚴重影響了當?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的恢復,因此,引黃灌區(qū)次生鹽堿地的防治與植被恢復是當前迫切需要解決的問題[3- 4]。

國內(nèi)外許多研究者針對次生鹽堿地區(qū)存在的科學難題進行了深入研究,發(fā)現(xiàn)通過恢復和栽種優(yōu)勢深根植物,能夠增加土壤有機質(zhì),改善土壤結(jié)構(gòu)與環(huán)境,降低地下水位,調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候,有助于將水文功能恢復到原始狀態(tài),恢復植被的同時達到控鹽改土的目的[2,5- 7]。但次生鹽堿地土壤鹽分高,水分有效性差,直接栽植會由于鹽脅迫與干旱脅迫導致林木生長狀況差,造林的成活率低,植被恢復困難[7]。以往的研究表明在地表覆蓋秸稈能減少土表水分蒸發(fā),改善土壤水熱狀況,活化土壤養(yǎng)分,抑制鹽分表聚；在地下鋪設秸稈層能夠打破長時間淺耕形成的堅固犁底層,阻斷土壤毛細管的連續(xù)性,降低潛水蒸發(fā),阻隔鹽分上行,防止根層鹽化[6- 7]。但這些研究大多只注重秸稈層對鹽堿土壤的水鹽變化、改良利用及其對環(huán)境的危害等方面,而對地上植物的生長、生理和受脅迫等植被恢復狀況研究較少。

植物光合作用與植物的生長環(huán)境具有密切的相關性,如適宜的環(huán)境會促進植物原有的光合潛能發(fā)揮,通過研究植物光合特性能夠有效反映出植物對生長環(huán)境的適應機制[8- 12]。同時,植物在不同的環(huán)境條件以及不同的生長發(fā)育階段,其體內(nèi)色素含量、營養(yǎng)狀態(tài)以及生理生化狀況會發(fā)生不同的變化,從而導致植物反射光譜發(fā)生變化[8- 9]。利用光譜與光合特性能反映植被體內(nèi)光合色素、生長狀態(tài)以及受脅迫等情況[11-14]。因此本研究以西北灌區(qū)典型的次生鹽堿地為例,在土壤水鹽變化的基礎上,通過分析不同措施下植物光譜及光合特性變化,研究速生楊反射光譜及光合生理特性對不同秸稈層的響應。探究不同秸稈層的地上速生楊光合速率、色素含量、營養(yǎng)狀況以及受脅迫等情況,對進一步研究利用植物的反射光譜及光合特性等生理指標評估各類鹽堿地改良措施的生態(tài)效益具有重要意義,以期為引黃灌區(qū)次生鹽堿地的土壤改良與植被恢復提供理論指導。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

試驗地選在寧夏北部銀川平原的青銅峽灌區(qū)(38°01′N,105°57′E),是引黃灌區(qū)次生鹽堿地主要分布區(qū)。處于我國西北內(nèi)陸干旱與半干旱地區(qū),屬中溫帶大陸性氣候。四季分明,晝夜溫差較大,年平均氣溫8.3—8.6℃。全年日照時數(shù)2955 h,無霜期176 d。氣候條件干燥,降水極少,年均降水量僅為193—203 mm。試驗地為典型引黃灌區(qū)次生鹽堿地,在試驗開始前為棄耕的裸荒地,土地表層鹽分表聚明顯,地表有鹽霜和結(jié)皮,屬重度鹽堿地。在裸荒前種植過玉米(Zeamays)、枸杞(Lyciumchinense)。試驗地0—80 cm土層土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗地土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗材料與設計

速生楊是西北干旱與半干旱地區(qū)農(nóng)田防護林和防風固沙林的主要樹種,生長迅速,生物量大,易繁殖,根系發(fā)達,生長季吸收養(yǎng)分能力強,蒸騰作用高,適應能力強,在森林生態(tài)系統(tǒng)中占主導地位[15- 16]。2016年4月,本試驗選取樹齡為2年的速生楊帶根苗作為試驗樹種,截干栽植,截干高度2.46—2.89 m。試驗設無任何處理為對照(空白對照,CK)、填埋秸稈層(B)、覆蓋秸稈層(M)和填埋配合覆蓋秸稈層(B+M),4種處理。選取干燥的玉米秸稈,切碎為10 cm左右作秸稈層材料。根據(jù)前人對有關秸稈層的研究,結(jié)合本試驗速生楊根系深度、秸稈厚度以及當?shù)氐叵滤疃?將填埋深度設為距離地表80 cm處,覆蓋量和填埋量都設為7000 kg/hm2[6-7]。在地表覆蓋秸稈后,其表面鋪設5 cm土,起到固定秸稈的作用。把試驗地規(guī)劃分為4個區(qū)組,每個區(qū)組規(guī)劃分為3個小區(qū),把4種處理隨機分配到4個區(qū)組,每個小區(qū)1個處理,每個處理3次重復。相鄰區(qū)組之間的間隔為6 m；每個小區(qū)規(guī)格為9 m×9 m,相鄰小區(qū)之間的間隔為3 m。每小區(qū)栽植9棵,株間行距3 m×3 m,栽植穴的規(guī)格1 m×1 m×1 m。采用定額灌溉的方式,考慮當?shù)氐臍夂蛞蛩?、灌溉周期與農(nóng)耕實際情況,將灌溉額度定為200 mm,在4月至10月進行灌溉,每30天灌溉一次[17]。

1.3 試驗測定內(nèi)容及方法

1.3.1光譜參數(shù)

本試驗利用Unispec-SC光譜儀(PPSYSTEM,USA)測量葉片反射光譜,其波長測定范圍310—1130 nm,掃描波長間隔3.3 nm,鹵光燈的光強100%,整合時間4 ms,重復掃描次數(shù)為3次。為確保葉片采集的可靠性和普遍性,選取有代表性頂部向陽處的成熟葉片,每個小區(qū)隨機選3棵速生楊,每個處理共選9棵,每棵采集3片葉片,每片葉測3點不同位置。利用Multispec 5.1軟件對光譜儀測量數(shù)據(jù)進行處理,得到光譜反射率Rλ,其中Rλ表示葉片反射與參比反射的比值,λ為波長。本研究選用了已被廣泛證實較能反應葉片特征結(jié)構(gòu)以及適合無損光學檢測的光譜指數(shù)及公式(表2)。

表2 本研究中所用的反射光譜指數(shù)

Chl NDVI：葉綠素歸一化指數(shù),Chl normalized difference index；mND705：改良紅邊歸一化植被指數(shù),Modified red edge normalized difference vegetation index；mSR705：改良歸一化差值指數(shù),Modified red edge ratio；SIPI：結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù),Structure-insensitive pigment index；PSRI：植物衰老反射指數(shù),Plant senescence reflectance index；PRI：生理反射指數(shù),Physiological reflectance index

利用光譜歸一化微分分析,將反射光譜的數(shù)據(jù)進行一階微分處理,具體計算公式為：

R′(λi)=(R(λi)-R(λi-1))/(λi+1-λi-1)

式中,λi是波段i的波長值,R(λi)是λi的光譜反射率值,R′(λi)是第i波段的一階微分數(shù)值。并在680—750 nm范圍內(nèi)確定紅邊位置[14,23]。

1.3.2光合參數(shù)

本試驗利用LI- 6400光合作用分析儀(Li-cor,USA),選擇天氣晴朗的時期測定速生楊的光合特性。測定速生楊葉片的凈光合速率(Pn,μmol m-2s-1)、蒸騰速率(Tr,mmol m-2s-1)、氣孔導度(Gs,mmol m-2s-1)、胞間CO2濃度(Ci,μmol/mol)和葉片水分利用效率(LWUE,μmol CO2/mmol H2O)等光合指標,同時記錄環(huán)境CO2濃度(Ca,μmolCO2/mol)、光合有效輻射(PAR,μmol m-2s-1)等環(huán)境因子。

利用非直角雙曲線模型對光響應過程模型擬合分析,模型的具體表達式為：

式中,Pn為凈光合速率, 為表觀量子效率(mol/mol)；PAR為光合有效輻射(μmol m-2s-1)；Pnmax為最大凈光合速率(μmol m-2s-1)；Rd為暗呼吸速率(μmol m-2s-1)[24- 25]。

1.3.3土壤參數(shù)

用管式不銹鋼土鉆采集土壤樣品。土壤含水量的測定采用烘干法。土壤含鹽量是采集的土壤經(jīng)過風干后去雜質(zhì),磨碎并過2 mm篩。以土水比1∶5提取土壤溶液上清液,用MP- 522電導儀測電導率,土壤含鹽量如下計算公式[26]:

Si=EC1∶5×0.064×5×10/1000

式中,Si表示第i土層含鹽量(g/kg)；EC1∶5為土水比1∶5的土壤浸提液電導率(dS/m)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著極差法(LSD),在0.05水平上檢驗不同處理測定結(jié)果的差異顯著性,利用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜特征對秸稈層的響應

2.1.1反射光譜特征

圖1所示,不同秸稈層的速生楊反射光譜曲線的整體趨勢表現(xiàn)出一定的規(guī)律。可見光(400—760 nm)范圍,由于葉綠素對于綠色光反射作用極強,而吸收藍光與紅光進行光合作用,因此在綠光(550 nm)處有一小的反射峰,藍光(450 nm)和紅光(670 nm)處有兩個吸收谷。在700—800 nm存在反射的陡坡,在1100 nm附近出現(xiàn)峰值。這是由于葉片內(nèi)海綿組織對800—1300 nm的近紅外波段強烈反射,導致在光譜曲線上形成了最高反射峰。

光譜噪聲會對光譜微分技術造成影響,采樣時的光照、氣候情況等都會導致測量的光譜曲線結(jié)果產(chǎn)生一定的差異,通過微分變換,將原始光譜數(shù)據(jù)進行一階微分處理,能夠減少背景噪聲的影響進而提高生化參數(shù)的監(jiān)測效果[23]。紅邊位置是植物反射光譜中最明顯的光譜特征之一,是指在紅光范圍(680—750 nm)的光譜反射率的一階微分值達到最大時所對應的波長,由于紅邊特征不受葉片結(jié)構(gòu)的影響,因此適用于更廣泛的植物檢測,紅邊位置與葉綠素的熒光具有很強的相關性,葉綠素含量越高,紅光區(qū)域吸收越多,紅邊就會向長波移動[18]。由圖1可知,有秸稈層的B、M和B+M的在680—750 nm的反射光譜一階導數(shù)最大值所對應的波長位置均在CK的長波方向處,按各處理峰頂點所對應的波長位置大小順序是：B+M>B>M>CK。

圖1 不同秸稈層的速生楊反射光譜曲線和紅光波段(680—750 nm)一階導數(shù)曲線Fig.1 The spectral reflectance and first derivative in red area (680—750 nm) of fast-growing poplar leaves under different straw interlayersCK：空白對照,Blank control；B：填埋秸稈層,Bury straw interlayer；M：覆蓋秸稈層,Straw mulching；B+M：填埋配合覆蓋秸稈層,Straw interlayer plus straw mulching

2.1.2反射光譜指數(shù)

不同秸稈層對土壤水鹽運移及環(huán)境條件影響不同,引發(fā)地上植物體內(nèi)色素含量、營養(yǎng)狀態(tài)以及生理生化狀況發(fā)生相應變化,導致速生楊葉片反射光譜指數(shù)發(fā)生變化(圖2)。葉綠素歸一化指數(shù)(Chl NDVI)以及改良歸一化差值指數(shù)(mSR705)與葉綠素的含量呈線性關系[18-19]。B、M和B+M的mSR705與Chl NDVI均顯著大于CK(P<0.05),其中B最大,B+M次之。改良紅邊歸一化植被指數(shù)(mND705)與葉綠素含量具有極高的相關性[19]。方差分析表明,B與B+M的mND705均大于其他處理(P<0.05),其中B+M最大,B其次。B和B+M兩種處理都具有填埋的秸稈層,表明填埋秸稈層可以顯著提高速生楊葉片的葉綠素含量。結(jié)構(gòu)無關色素指數(shù)(SIPI)是反映類胡蘿卜素與葉綠素a比值的光譜指數(shù)[20],B、M和B+M的SIPI均比CK的高(P<0.05),其大小關系為B>M>B+M>CK。植物衰老反射指數(shù)(PSRI)是與類胡蘿卜素和葉綠素比值高度相關的指數(shù)[21],有秸稈的三種處理PSRI均小于CK,且各處理間差異顯著(P<0.05),大小關系排序為CK>B+M>M>B,表明秸稈層可以顯著改變地上速生楊葉片的類胡蘿卜素含量。光化學反射指數(shù)(PRI)與葉黃素循環(huán)中的色素含量呈負相關,當色素含量發(fā)生變化,過多的輻射會被葉黃素循環(huán)中的色素吸收,而無法進行光合作用,所以當PRI低時,其光合速率就低[22]。圖2中CK和M的PRI之間無顯著差異(P>0.05),而B與B+M顯著高于其他處理(P<0.05),根據(jù)PRI結(jié)果所示,B與B+M比其他處理的地上速生楊光合速率水平要高。

圖2 不同秸稈層的速生楊葉片光譜指數(shù)變化Fig.2 Changes of the reflectance spectrum indices of fast-growing poplar leaves under different straw interlayersChl NDVI：葉綠素歸一化指數(shù),Chl normalized difference index；mND705：改良紅邊歸一化植被指數(shù),Modified red edge normalized difference vegetation index；mSR705：改良歸一化差值指數(shù),Modified red edge ratio；SIPI：結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù),Structure-insensitive pigment index；PSRI：植物衰老反射指數(shù),Plant senescence reflectance index；PRI：生理反射指數(shù),Physiological reflectance index

2.2 光合特性對秸稈層的響應

2.2.1光合氣體交換參數(shù)

速生楊的Pn、Tr、Gs、Ci以及LWUE等光合氣體交換參數(shù)對不同秸稈層的響應是不同的,并且在不同生長時期也是不同的(表3)。隨著時間的變化,4種處理的Pn表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。與對照組CK相比,B+M提高了不同時期速生楊的Pn,其前期(5月)、中期(7月)和末期(9月)的Pn分別比CK高0.73%、28.07%和24.56%。B與M在中、后期的Pn與B+M表現(xiàn)出相同的變化趨勢,并且都顯著高于CK,但均低于B+M。秸稈層明顯有助于提高速生楊在不同生長期的Pn,其中,B+M的Pn提高的效果最好。從作用時期看,各處理在中期對速生楊Pn提高的幅度最大。各處理Gs隨著時間變化,呈現(xiàn)降低的趨勢,總體上B、M與B+M的氣孔導度均比CK大(P<0.05)。各處理的Pn、Gs和Tr呈現(xiàn)相同的變化趨勢,原因是一方面,由于速生楊的Tr受氣孔大小調(diào)節(jié),因此Gs較高,Tr也較大,因此4種處理速生楊的Tr變化趨勢與Gs相同。另一方面,速生楊會由于Pn的迅速下降,通過降低Tr來提高LWUE。速生楊LWUE總體呈降低的趨勢,前期差異不明顯,中后期B、M、B+M的LWUE均比CK大(P<0.05)。而速生楊的Ci隨著時間的變化趨勢與Pn、Gs和Tr不同,各處理間在中期差異不顯著,前期和后期B+M均顯著大于CK(P<0.05)。

表3 生長季各階段不同秸稈層的速生楊光合參數(shù)

同列具有不用字母表示處理間差異顯著(P<0.05);CK：空白對照,Blank control；B：填埋秸稈層,Bury straw interlayer；M：覆蓋秸稈層,Straw mulching；B+M：填埋配合覆蓋秸稈層,Straw interlayer plus straw mulching

2.2.2光響應曲線與特征參數(shù)

圖3 不同秸稈層的速生楊葉片凈光合速率的光響應及其模擬 Fig.3 Photosynthetic rate-light response curves and simulation of fast-growing poplar under different straw interlayers

如圖3所示,不同秸稈層的速生楊光合作用的光響應過程及其特征參數(shù)均發(fā)生了顯著變化。不同處理的速生楊凈光合速率(Pn)隨著光合有效輻射(PAR)的升高,整體上呈相似的變化趨勢,均先迅速增加,然后逐漸變緩。在弱光條件下(PAR≤200 μmol m-2s-1),Pn隨著PAR的增加呈線性升高,表明PAR是光合作用的主導因子,但4種處理間Pn對PAR的響應差異不明顯(P>0.05)。隨著PAR繼續(xù)增加,當PAR>200 μmol m-2s-1,Pn上升至最大凈光合速率(Pnmax),PAR增至飽和點(LSP),約250 μmol m-2s-1,在此階段Pn隨著PAR增加呈曲線上升,表明PAR不是該階段的主導因子,大氣溫濕度、Ca、Ci等生理生態(tài)因子也對速生楊的光合作用產(chǎn)生重要影響。當PAR超過LSP,各處理Pn隨著PAR增加而無明顯變化,光響應曲線趨于平緩。

如表4所示,空白對照組CK代表了自然狀況下速生楊光響應參數(shù)值。方差分析表明,與CK相比,有秸稈層的三種處理的光響應參數(shù)呈顯著差異。B、M和B+M的Pnmax與LSP都顯著提高(P<0.05),其中B+M最高,B和M次之,CK最低。LCP和Rd差異水平結(jié)果相同,處理M大于CK(P<0.05),B與B+M均小于CK,其中B最小。

2.3 土壤水鹽變化

2.3.1土壤含水量

圖4表示5月、7月和9月灌溉后30天內(nèi)的土壤含水量變化。隨著時間推進,4種處理的土壤含水量均逐漸下降,但下降程度具有差異。CK為空白處理,其含水量下降程度高,一個灌溉周期后的值最低；與CK對比發(fā)現(xiàn),B、M和B+M均一定程度改變了土壤含水量的下降速度,并提高灌溉后的土壤含水量,其中處理B+M蓄水效果較好,表明秸稈層均能夠提高土壤含水量,其中填埋秸稈層的蓄水效果最好。

表4 速生楊葉片光合作用光響應參數(shù)直角雙曲線修正模型擬合值

圖4 不同秸稈層在不同時期土壤含水量變化Fig.4 Soil water content in the different stages under different straw interlayers

2.3.2土壤鹽分含量

由圖5可以看出,隨著時間推移,不同處理條件,土壤鹽分含量總體呈降低趨勢,但降低程度具有明顯差異。與空白對照組CK相比,B與B+M在不同時期的土壤鹽分含量均低于其他處理(P<0.05),但處理B與B+M間無顯著差異(P>0.05)。處理M也能夠降低不同時期的鹽分含量,但鹽分均高于處理B與B+M(P<0.05)。表明秸稈層能夠顯著降低不同時期土壤鹽分含量,并且填埋秸稈層的抑鹽效果要高于覆蓋秸稈層。從不同的月份來看,5月份各處理鹽分含量相對較高,原因是可能是5月份僅進行了一次灌溉,未完全發(fā)揮出秸稈的淋洗作用,隨著時間的推進,灌溉次數(shù)的增加,各處理的鹽分均有所下降,其中有填埋秸稈層的處理B與B+M土壤鹽分含量降低程度最大。

圖5 不同秸稈層在不同時期土壤鹽分含量Fig.5 Soil salt content in the different stages under different straw interlayers

3 討論

光合作用是所有綠色植物中極為復雜和最基本的生理過程,其機制涉及各種組分,包括光合色素和光系統(tǒng),電子傳遞系統(tǒng)和二氧化碳減少途徑,因此任何由脅迫引起的損害都可能影響綠色植物的整體光合能力[10,27]。同時,光合作用是植物生產(chǎn)力高低的決定因素和對環(huán)境脅迫程度的反應指標[28]。本試驗所在的西北干旱與半干旱地區(qū),降水少,蒸發(fā)量大,土壤水分大量無效蒸發(fā)以及土壤鹽分積聚,所導致的干旱脅迫和鹽脅迫是限制本地區(qū)植被成活的重要原因[3- 4]。Chaves等人研究表明鹽脅迫會抑制或破壞植物光系統(tǒng)的部分功能,電子傳遞系統(tǒng)以及光合作用的能量,使得植物葉片中的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及酶活性等明顯降低,導致光合作用下降；水分脅迫通過氣孔限制和葉肉細胞光合活性下降的非氣孔限制兩種機制引發(fā)植物光合效率降低[12]。在本試驗中,5月處于改良前期,土壤鹽分較高且差異不明顯,各處理的速生楊凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度等光合氣體交換參數(shù)之間差異不明顯,與其他時期相比光合效率水平較低,其原因主要是鹽脅迫引起的。經(jīng)過數(shù)月的灌溉和降水的淋洗作用,在7月與9月,與空白對照組相比,地下填埋秸稈層的B與B+M土壤鹽分下降到較低水平,B和B+M明顯提升不同時期地上速生楊Pn、Tr、Gs,表明填埋秸稈層對速生楊的光合作用效能及其光能利用效率產(chǎn)生了明顯的提升作用。另外,葉片水分利用效率(LWUE)的大小可以反映出植物對逆境的適應能力[29-30]。在前期,各處理土壤水鹽環(huán)境大致相同,各處理的LWUE差異不明顯；中后期,B+M的 LWUE 高于CK和其他處理,表明填埋搭配覆蓋秸稈層處理后的水鹽環(huán)境更適合速生楊生長。這與王琳琳等對刺槐的研究結(jié)果相符[28]。最大凈光合速率(Pnmax)體現(xiàn)了植物對強光的利用能力,飽和光強(LSP)和光補償點(LCP)表示對光能(強光和弱光)的利用能力和程度,表觀量子效率(Φ)表征了植物對弱光的利用能力,暗呼吸速率(Rd)表示植物的線粒體呼吸[29]。B、M和B+M的最大凈光合速率與飽和光強均顯著提高,表示具有秸稈層的處理提升了速生楊的有機物的合成能力以及強光的利用能力和程度。B和B+M其中光補償點和暗呼吸速率明顯降低,M則相反,表示填埋秸稈層的處理提升了速生楊對弱光的利用能力和程度,并降低植物的呼吸消耗。

植物的光譜特性是指植物受電磁波作用時,會在某些特定的波段,由于電子躍遷、分子振動和轉(zhuǎn)動等復雜作用,形成能夠反映物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成的光譜吸收與反射特征,這種對不同波長位置光譜的響應特性叫植物的光譜特性[14]。植物光譜特性與植物的色素含量、水分含量、以及營養(yǎng)狀況密切相關,通過光譜可以檢測和分析植物的生長狀況、光合能力及受脅迫程度等生理狀況[12,27,31- 32]。本試驗中,處理B+M的速生楊葉片光合色素含量最高,光合特性以及營養(yǎng)狀況最好,紅邊位置以及其他光譜參數(shù)的結(jié)果與CK相比都有顯著提升。而處理B與M也可以顯著提升速生楊光合色素量和光合特性,表明秸稈層對緩解灌區(qū)次生鹽堿地速生楊生長所受脅迫具有積極的作用,其中處理B+M的效果最好。光化學反射指數(shù)(PRI)與植物葉片光能利用效率呈正相關,能夠反映不同植物在不同營養(yǎng)條件和不同生長階段的光能利用效率,因為PRI與葉黃素循環(huán)中的色素含量呈負相關,當色素含量發(fā)生變化,過多的輻射會被葉黃素循環(huán)中的色素吸收,而無法進行光合作用,所以當PRI低時,其光合速率就低[33-34]。本試驗中,PRI所與光合特性所反應的結(jié)果較為一致,進一步表明了秸稈層對提升灌區(qū)次生鹽堿地植物光合效率具有積極的作用。另外,本試驗兩種與葉片光合色素含量相關的光譜指數(shù)SIPI和PSRI所得出來的結(jié)果稍有差異,這是由于反應葉片色素的特征光譜指數(shù)會因植被類型、生長階段以及取樣方案的不同而有所差異,因此在選擇利用光譜分析技術更準確的研究植被時,要根據(jù)具體的研究對象和條件,通過更進一步的研究篩選出最適宜該試驗植物光譜特征的指數(shù)。

引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會產(chǎn)生的大量秸稈廢棄物,探究利用秸稈層改良灌區(qū)次生鹽堿地是一種重要、有效的秸稈利用方式,也是一種合理、因地制宜的土壤改良方式。不僅能夠避免造成環(huán)境污染和資源浪費,還能增加土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分,改善土壤水鹽脅迫環(huán)境。本研究中,土壤水鹽變化的結(jié)果表明,與對照組CK對比,B、M和B+M土壤含水量較高,B和B+M的鹽分含量低,由此可知,在地表覆蓋秸稈層的處理M雖然能夠提高了土壤含水量,但降低土壤鹽分的作用較弱,而栽植穴底部具有秸稈層的處理B和B+M有助于提高土壤水分,有效降低土壤鹽分,起到控鹽保水的效果,這與趙永敢等人的研究結(jié)果相一致[35]。結(jié)合土壤的水鹽的變化來看,不同秸稈層對土壤水鹽調(diào)控程度不同,造成各處理的土壤環(huán)境條件不同,影響地上速生楊生理狀況發(fā)生相應變化,填埋秸稈層為速生楊根層創(chuàng)造了較適宜的水鹽土壤環(huán)境,從而減輕了水鹽脅迫對速生楊光譜與光合特性的抑制作用。

在以往對次生鹽堿地土壤改良與植被恢復的研究當中,一般較為注重土壤改良狀況,而在植被恢復方面,對于農(nóng)作物一般看其產(chǎn)量或生物量的多少,而對于具有生態(tài)效益的非經(jīng)濟植物,利用傳統(tǒng)的化學分析法檢測植物生理狀況,操作步驟繁瑣,花費時間較長,還會對植物造成一定的損傷,更不利于對同一植物的生長狀況、光合效率和受脅迫等情況進行長期動態(tài)監(jiān)測。而通過檢測植物光譜與光合特性可以揭示出地上植物生長及生理狀況的變化,不僅迅速、準確、無損傷,并且通過一次測定就可以分析出光合色素、生長狀態(tài)以及受脅迫等生理狀況,基于此,可以通過更進一步研究,探索利用植物的光譜及光合特性評估各類鹽堿地改良措施的植被恢復效益,對各類改良措施的植被恢復狀況進行更為高效且準確的評估。

4 結(jié)論

速生楊的光譜及光合特性對不同秸稈層的響應是不同的,秸稈層有助于提升灌區(qū)次生鹽堿地中速生楊的光譜及光合等生理狀況。B、M和B+M均能顯著提升速生楊葉片的最大凈光合速率與飽和光強,其中,B和B+M還明顯降低速生楊葉片的光補償點和暗呼吸速率,M則不行。B和B+M均顯著提高速生楊葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度等光合參數(shù)。另外,B+M的速生楊葉片光合色素含量最高,營養(yǎng)狀況最好,并且其他光譜參數(shù)結(jié)果與CK相比都有顯著提高。處理B和M也可以顯著提高速生楊葉片光合色素含量和營養(yǎng)等生理狀況,但效果均不如B+M。

不同秸稈層對土壤的水鹽調(diào)控程度不同,秸稈層能夠改善灌區(qū)次生鹽堿地的高鹽、干旱的土壤環(huán)境,減輕鹽脅迫與干旱脅迫對速生楊生理狀況的抑制作用,從而引起速生楊光譜與光合狀況發(fā)生相應變化。B與B+M均能降低不同時期的土壤鹽分含量,且兩處理間無顯著差異,然而,B+M在不同時期提高土壤含水量的效果均高于B。M也能降低土壤鹽分和提升土壤含水量,但不同時期的效果均不如處理B+M。

綜合試驗結(jié)果,在引黃灌區(qū)次生鹽堿地,不同秸稈層均能不同程度的調(diào)節(jié)土壤水鹽變化,緩解速生楊所受水鹽脅迫,提升速生楊光譜與光合特性,其中B+M秸稈層模式效果最佳。