馬 戌, 王進鑫, 張玉玉, 胡杭麗

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100 )

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中產(chǎn)生的一種排放量最大、占地最多、污染最嚴重的固體廢棄物，其資源化利用率相對較低[1-2]。在我國，煤矸石山植被恢復總是在覆土后采用工程措施和林草措施相結(jié)合而進行的。盡管煤矸石山植被恢復已初見成效，但是煤矸石覆土土層很薄，土壤物理結(jié)構(gòu)不良，保水持水能力很差，養(yǎng)分極端貧瘠，氮磷鉀及有機質(zhì)含量極低，植物生長發(fā)育所需的水分和養(yǎng)分嚴重匱乏[3-4]，致使林草成活率低、保存率低，植被恢復難度高，綠化工程投資大等問題還遠遠沒有解決。目前，已有的研究多集中于水分、溫度、鹽害、養(yǎng)分等單一限制性因子[5-8]，而關(guān)于各因素交互效應(yīng)對煤矸石山植被恢復影響的研究鮮有報道。對西北干旱荒漠區(qū)煤矸石山植被恢復而言，水分和養(yǎng)分是維持植物生長的關(guān)鍵因子，合理的水肥條件是植物長勢良好的重要保證。研究表明水肥耦合有利于提高林草生產(chǎn)力和水肥利用效率，促進光合作用，增加生物量積累[9-10]。谷裕等[11]認為礦區(qū)植被恢復與土壤水分和養(yǎng)分之間存在復雜的交互效應(yīng)，兩者相互依存且制約，土壤養(yǎng)分特性相對于土壤水分對礦區(qū)植物生長的影響更大。但是也有研究認為土壤水分比土壤養(yǎng)分特性對礦區(qū)植物生長的影響更大[12-13]。因此，研究西北干旱荒漠區(qū)植物光合及生物量的水肥耦合規(guī)律，明確其最優(yōu)水肥方案是煤矸石山植被恢復亟待解決的核心問題。

Huang等[14]認為西北干旱荒漠區(qū)煤矸石山植被恢復，應(yīng)該以草本植物為主?；谖鞅钡貐^(qū)土壤結(jié)構(gòu)差、水分短缺、氣候惡劣等立地條件與適生植物調(diào)查[15-18]，草木樨和蒙古冰草適應(yīng)性和抗逆性強，耐寒、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿，根系發(fā)達，生長迅速，生物量大，防風固沙能力強，是西北干旱荒漠區(qū)采煤跡地植被恢復的先鋒牧草。因此，本文以草木樨和蒙古冰草為研究對象，探討不同水肥條件對煤矸石土壤上2種典型草本植物光合及生物量的影響規(guī)律，從而確定西北煤矸石山植被恢復的最優(yōu)水肥方案，必將為西北干旱荒漠區(qū)采煤跡地植被重建與保育提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選取白花草木樨(MelilotusalbusDesr.)和蒙古冰草(AgropyronmongolicumKeng)作為供試材料，其種子均購于寧夏遠聲綠陽草業(yè)生態(tài)工程有限公司，采摘于寧夏當?shù)?。試驗所需氮肥和磷肥分別為尿素(含氮46%)和重過磷酸鈣(含P2O546%)，其中尿素溶于水后隨水施入土壤，重過磷酸鈣以穴施方式施入土壤。

1.2 供試土壤

試驗供試土樣由表層沙土和母質(zhì)3∶1混合而成，于2019年3月取自寧夏靈武羊場灣排矸場，過0.5 cm篩作為栽培基質(zhì)。土壤理化性質(zhì)為:土壤田間最大持水量13.50 %，容重1.44 g/cm3，總孔隙度31.36 %，pH 8.54，土壤水溶性鹽總量0.77 g/kg，有機質(zhì)2.40 g/kg，堿解氮9.14 mg/kg，有效磷4.92 mg/kg，有效鉀58.89 mg/kg。土壤結(jié)構(gòu)性較差，蓄水保墑能力差，氮、磷元素含量較低，鉀元素含量較高，因此，試驗僅對氮肥和磷肥進行研究。

1.3 試驗設(shè)計與方法

盆栽試驗采用3因素(土壤相對含水量、施氮量和施磷量)5水平二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，分別以草木樨和蒙古冰草的葉片凈光合速率、水分利用效率和單株總生物量(干重)為目標函數(shù)構(gòu)建二次回歸模型。γ=1.682，中心試驗點m0=6，每種牧草設(shè)有20個處理，每個處理10個重復。根據(jù)供試土壤基礎(chǔ)肥力狀況，結(jié)合當?shù)亟涤炅?、水肥施用量以及草木樨和蒙古冰草生長發(fā)發(fā)育的水肥特性，從而確定了2種牧草的三因素水平上下限，其編碼值見表1。設(shè)計土壤相對含水量、施氮量和施磷量3個因素依次為Z1，Z2，Z3，其中第j個因素的上、下水平分別為Z2j，Z1j，根據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計確定各因素的零水平Z0j和變化間距Δj如下:

表1 試驗因素水平及編碼值

式中:Z1為土壤相對含水量;Z2為施氮量;Z3為施磷量;Z2j,Z1j分別為第j個因素的上、下水平;Z0j為各因素的零水平;Δj為各因素的變化間距;γ=1.682。

對各因素各水平進行編碼，土壤相對含水量、施氮量和施磷量的編碼值分別記為X1，X2和X3，其編碼值計算公式如下:

式中:Xij為各因素各水平的編碼值;X1為土壤相對含水量的編碼值;X2為施氮量的編碼值;X3為施磷量的編碼值;Δj為各因素的變化間距。

試驗地點位于西北農(nóng)林科技大學南校區(qū)溫室大棚，于2019年3月15日進行播種，充分灌水，待其幼苗長出3片真葉(即4月20日)時進行間苗，每盆保留10株長勢相對一致的幼苗。試驗從6月1日開始每天早上8：00通過稱重法按照設(shè)計重量補水，使各處理盆栽土壤相對含水量維持在設(shè)定的水平范圍(如80%±5%)至試驗結(jié)束，同時根據(jù)試驗方案，將尿素總量的30%，40%，30%分別于5月19日、6月10日、6月24日采用水溶法施入土壤，重過磷酸鈣總量的一半分別于5月19日和6月10采用穴施法施入土壤。

采用便攜式光合儀(CIRAS-3)分別于7月25月、8月1日對2種牧草進行兩次光合測定，主要包括葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)等指標。選定一個晴朗的上午，從8：00—12：00選擇草木樨和蒙古冰草各處理完全伸展的成熟葉片進行光合測定，每種牧草每個處理重復8次，求平均值即為其光合參數(shù)。

試驗結(jié)束后(8月21日)，挖出所有植株，清洗并用吸水紙吸干根系表面的水分，先在100～105℃殺青10 min，然后把烘箱的溫度降到70～80℃左右，烘至恒重，將干樣放入干燥器中冷卻至室溫，取出稱重，重復10次，求得平均值即為單株生物量(B)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與整理;采用Design-Expert 8.0.6軟件建立2種牧草水肥耦合回歸模型，用ANOVA程序做方差分析，t檢驗法對模型回歸系數(shù)進行顯著性檢驗，響應(yīng)面分析交互效應(yīng)，采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對2種牧草的水肥耦合回歸模型進行約束條件下的模型尋優(yōu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合回歸模型的建立及檢驗

將不同水肥條件下草木樨和蒙古冰草的葉片凈光合速率、水分利用效率和生物量列于表2中，采用Design-Expert軟件對表2試驗結(jié)果進行多元線性回歸分析，分別建立其關(guān)于3個因素的二次回歸模型(1)，(2)，(3)，(4)，(5)和(6):

表2 試驗方案設(shè)計與結(jié)果統(tǒng)計表

(1)

(2)

0.10X2X3

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:Pn1和Pn2分別表示草木樨和蒙古冰草的葉片凈光合速率[μmol/(m2·s)];WUE1和WUE2分別表示其葉片水分利用效率(μmol/mmol);B1和B2分別表示其單株生物量(g/株);X1為土壤相對含水量編碼值;X2為施氮量編碼值;X3為施磷量編碼值。

水肥耦合回歸模型經(jīng)顯著性檢驗，F(xiàn)1F0.05(9,10)=3.02，表明草木樨和蒙古冰草的水肥耦合回歸模型均達到了顯著水平(p<0.05)。說明建立的二次回歸模型都具有代表性，對西北煤矸石山草木樨和蒙古冰草葉片凈光合速率、水分利用效率和生物量進行預(yù)測，具有較高的可靠性。

2.2 主因子效應(yīng)分析

通過對草木樨和蒙古冰草葉片凈光合速率、水分利用效率和生物量水肥耦合回歸模型的偏回歸系數(shù)進行標準化，比較其絕對值大小可直接判斷各因素對目標函數(shù)的影響程度。

從上述回歸方程可知，草木樨和蒙古冰草水肥耦合回歸模型的一次項系數(shù)為正值，說明在試驗設(shè)計范圍內(nèi)，土壤水分、氮肥和磷肥各因子均對2種牧草葉片凈光合速率、水分利用效率和生物量具有明顯地促進作用。三因素對草木樨光合及生物量的影響程度從大到小為土壤相對含水量>施磷量>施氮量，蒙古冰草為土壤相對含水量>施氮量>施磷量。由此可知，在試驗區(qū)，草木樨和蒙古冰草光合及生物量對土壤水分的響應(yīng)最為敏感，磷肥對草木樨生長發(fā)育的貢獻大于氮肥，氮肥對于蒙古冰草的貢獻大于磷肥，這可能是因為豆科牧草本身具有一定固氮能力，施用少量氮肥就可以滿足草木樨等豆科牧草的生長發(fā)育[19]，禾本科牧草因其本身沒有固氮能力，要想改變其生長特性和提高其生物量就必須增施適量氮肥，磷肥可以促進禾本科植物的固氮作用[20]。

2.3 單因子效應(yīng)分析

2.3.1 凈光合速率回歸模型單因子效應(yīng)分析 采用降維法得到土壤水分、施氮量和施磷量對2種牧草葉片凈光合速率的偏回歸子模型，可知草木樨的二次項系數(shù)均為負值，蒙古冰草均為正值，據(jù)其描繪出相應(yīng)變化曲線(圖1)。其中草木樨葉片凈光合速率隨著水肥用量的增加呈現(xiàn)開口向下的拋物線變化(圖1A)，說明其隨著水肥用量的增加先顯著升高后降低，最大值在水肥設(shè)計范圍之間，符合報酬遞減率。而蒙古冰草葉片凈光合速率隨著水氮用量的增加呈現(xiàn)開口向上的拋物線變化(圖1B)，其在水肥用量最大時達到最大值，水肥設(shè)計上限過小。由圖1可以明顯看出，在相對處理條件下，草木樨葉片凈光合速率遠高于蒙古冰草。

圖1 土壤水分、氮肥和磷肥單因素對2種牧草凈光合速率的單因子效應(yīng)

2.3.2 水分利用效率回歸模型單因子效應(yīng)分析 根據(jù)土壤水分、施氮量和施磷量對2種牧草葉片水分利用效率的偏回歸子模型，草木樨和蒙古冰草的二次項系數(shù)均為負值，描繪出其葉片水分利用效率隨著水肥用量的增加均呈現(xiàn)開口向下的拋物線變化曲線(圖2)。說明草木樨和蒙古冰草葉片水分利用效率均隨著水肥用量的增加先升高后顯著降低，即在適量的水肥用量時其達到最大值，此后隨著水肥用量的繼續(xù)增加逐漸降低。這可能是因為隨著肥料的增加草木樨凈光合速先增大后減小，蒸騰速率變化不大，而且蒙古冰草蒸騰速率的增加幅度大于凈光合速率，致使其水分利用效率也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

從圖2可以看出；在試驗設(shè)計范圍內(nèi)，土壤水分由-1.682增加至0.10時，草木樨水分利用效率由1.03 μmol/mmol升高至最大值為1.34 μmol/mmol，此后逐漸降低至1.11 μmol/mmol。氮肥為0.06時，水分利用效率升高至最大值為1.34 μmol/mmol，磷肥為0.33時，水分利用效率升高至最大值為1.35 μmol/mmol，此后逐漸降低(圖2A)。土壤水分由-1.682增加至0.75時，蒙古冰草水分利用效率由0.53 μmol/mmol升高至最大值為0.88 μmol/mmol，此后逐漸降低至0.83 μmol/mmol。氮肥從-1.682增加到1.682時，蒙古冰草水分利用效率從0.73 μmol/mmol不斷升高至最大值為0.96 μmol/mmol，磷肥為-0.03時，水分利用效率升高至最大值為0.85 μmol/mmol，此后逐漸降低至0.79 μmol/mmol(圖2B)。在相同處理條件下，草木樨葉片水分利用效率明顯大于蒙古冰草。

圖2 土壤水分、氮肥和磷肥單因素對2種牧草水分利用效率的單因子效應(yīng)

2.3.3 生物量回歸模型單因子效應(yīng)分析 根據(jù)土壤水分、施氮量和施磷量對2種牧草單株生物量的偏回歸子模型，草木樨和蒙古冰草的水分與磷肥的二次項系數(shù)均為正值，氮肥二次項系數(shù)為負值，描繪出相應(yīng)的變化曲線(圖3)。

結(jié)果表明草木樨和蒙古冰草生物量均隨著土壤水分和施磷量的增加顯著升高，隨著施氮量的不斷增加先升高后降低。從圖3可以明顯看出，土壤水分對2種牧草的生物量具有顯著的促進作用，肥料對草木樨增產(chǎn)不明顯(圖3A)，氮肥對蒙古冰草的增產(chǎn)作用大于磷肥(圖3B)。在相同處理條件下，草木樨生物量明顯遠大于蒙古冰草。

圖3 土壤水分、氮肥和磷肥單因素對2種牧草生物量的單因子效應(yīng)

2.4 因子間交互效應(yīng)分析

圖4 蒙古冰草凈光合速率氮磷交互效應(yīng)

由上述方程和圖4可以看出:當X2和X3均為-1.682時蒙古冰草葉片凈光合速率最小，即不施氮肥和磷肥時，凈光合速率最小為4.39 μmol/(m2·s)。蒙古冰草葉片凈光合速率隨著施氮量和施磷量的增加而緩慢增大。當X2=1.682且X3=-1.682時凈光合速率最大，即施氮量為240.0 kg/hm2且不施磷量時，凈光合速率達到最大值為9.40 μmol/(m2·s)。氮磷耦合作用對蒙古冰草的凈光合速率表現(xiàn)為負效應(yīng)，說明隨著氮或磷的增加，蒙古冰草凈光合速率會隨著另一因素的增加而降低，其中，氮肥對蒙古冰草凈光合速率的增幅遠大于磷肥，磷肥會消減氮肥的肥效作用。

由上述方程和圖5可以看出;當X1和X2均為-1.682時草木樨葉片水分利用效率最小，即土壤相對含水量為30.0%且不施氮肥時，水分利用效率最小為0.57 μmol/mmol。草木樨葉片水分利用效率隨著水氮的增加先升高后降低。當草木樨水分利用效率最大時，X1=0.14和X2=-0.03是臨界效應(yīng)分界點，即土壤相對含水量為57.09%且施氮量為98.22 kg/hm2時，葉片水分利用效率達到最大值為1.34 μmol/mmol，此后逐漸降低。說明在臨界效應(yīng)分界點之前水氮與草木樨水分利用效率呈正相關(guān)，即適量的土壤水分和氮肥可以相互促進，不斷提高草木樨水分利用效率，反之呈負相關(guān)。

圖5 草木樨水分利用效率水氮交互效應(yīng)

由上述方程和圖6可以看出:當X1和X3均為-1.682時草木樨生物量最小，即土壤相對含水量為30.0%和不施磷肥時，生物量最小為0.42 g/株。當X1=1.682和X3=-1.682，即土壤相對含水量為80%和不施磷肥時，生物量達到最大值為5.46 g/株。說明草木樨生物量隨著水磷施用量的增加不斷升高，水磷交互作用對草木樨具有顯著的增長作用，但是在高水分條件下，草木樨對磷肥的需求量較低。

圖6 草木樨生物量水磷交互效應(yīng)

2.5 模型尋優(yōu)

2.5.1 草木樨的最優(yōu)水肥方案 在試驗結(jié)果分析及模型擬合的基礎(chǔ)上，采用Design-Expert軟件對草木樨光合及生物量的回歸模型在約束條件下進行模型尋優(yōu)，其約束條件為水肥使用量最小的基礎(chǔ)上使其光合及生物量達到最大，由此得到當X1=0.12，X2=-0.14，X3=-1.16時，草木樨凈光合速率最大為12.61 μmol/(m2·s)，水分利用效率最大為1.21 μmol/mmol，生物量最大為3.23 g/株。根據(jù)試驗所得的水肥耦合回歸模型，每個因素取5個水平:1.682,1，0，-1和-1.682，以所有處理的試驗結(jié)果平均值作為系統(tǒng)優(yōu)化栽培方案的指標臨界值，采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對53=125個方案進行尋優(yōu)。在125個方案中，凈光合速率大于10.64 μmol/(m2·s)

的組合有50個，生物量高于2.78 g/株的方案共有65個，其水、氮和磷最優(yōu)組合方案見表3和表4。

表3 草木樨凈光合速率大于10.64 μmol/(m2·s)的尋優(yōu)方案及頻率

表4 草木樨生物量大于2.78 g/株的尋優(yōu)方案及頻率

綜合表3和表4中凈光合速率和生物量的最優(yōu)方案，兩者的水肥施用量范圍基本一致，為增加試驗結(jié)果的準確性與可靠性，可將其相交部分視為在水肥用量較低的基礎(chǔ)上要使得草木樨生長發(fā)育良好的最優(yōu)水肥方案:土壤相對含水量68.44%～71.84%，施氮量82.09～102.92 kg/hm2，施磷量139.92～192.58 kg/hm2。

2.5.2 蒙古冰草的的最優(yōu)水肥方案 采用Design-Expert軟件對草木樨光合及生物量的回歸模型在約束條件下進行模型尋優(yōu)，當X1=0.16，X2=-1.56，X3=-1.68時，蒙古冰草凈光合速率最大為8.67 μmol/(m2·s)，水分利用效率為最大0.98 μmol/mmol，生物量最大為0.34 g/株。每個因素取5個水平:1.682,1，0，-1和-1.682，組成125個方案，其中，凈光合速率大于6.37 μmol/(m2·s)的組合有53個，生物量高于0.38 g/株的方案共有65個，其水、氮和磷最優(yōu)組合方案見表5和表6。

表5 蒙古冰草凈光合速率大于6.37 μmol/(m2·s)的尋優(yōu)方案及頻率

表6 蒙古冰草生物量大于0.38 g/株的尋優(yōu)方案及頻率

綜合表5和表6中凈光合速率和生物量的最優(yōu)方案，兩者的水肥施用量范圍基本一致，為增加試驗結(jié)果的準確性與可靠性，可將其相交部分視為在水肥用量較低的基礎(chǔ)上要使得蒙古冰草生長發(fā)育良好的最優(yōu)水肥方案:土壤相對含水量65.33%～71.11%，施氮量138.40～172.62 kg/hm2，施磷量82.09～117.91 kg/hm2。

3 討 論

在西北干旱荒漠區(qū)，水分是植被恢復的限制性因子，土壤水分對林草的生長發(fā)育影響深遠[21]，當土壤相對含水量較低時，植物的生長生理指標都會受到不良的影響[22]。草木樨和蒙古冰草的氣體交換參數(shù)多在土壤相對含水量為80%時較高，這與馬宇飛[23]研究中草木樨光合作用最適宜點在相對田間持水量78.4%的結(jié)果相近。磷肥對草木樨生長發(fā)育的貢獻大于氮肥，氮肥對于蒙古冰草的貢獻大于磷肥，這與前人的研究結(jié)果基本一致[24-25]。在相同處理條件下，草木樨的光合及生物量都顯著高于蒙古冰草，姜慧敏[26]通過比較豆科牧草與禾本科牧草的生理生態(tài)指標，也認為豆科牧草的光合參數(shù)均大于禾本科牧草。因此，西北干旱荒漠區(qū)采煤跡地植被恢復應(yīng)該首選草木樨，其次是蒙古冰草。

水肥耦合效應(yīng)對植物可產(chǎn)生3種不同的結(jié)果或現(xiàn)象，即協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)，從試驗結(jié)果可以看出，不同水肥條件下草木樨的凈光合速率等光合參數(shù)明顯高于只灌水或只施氮量或只施磷肥。Bronson等[27]也發(fā)現(xiàn)水肥耦合能較好地促進植物生長，提高水分和養(yǎng)分的利用效率，其效果比只進行水分管理和養(yǎng)分管理更好。尹光華等[28]認為水肥耦合是通過擴大葉面積、提高葉片蒸騰速率、增加葉綠素含量、增大葉片氣孔導度、降低胞內(nèi)二氧化碳濃度來促進葉片光合作用的。杜靈通等[29]通過近17 a來寧東煤炭基地植被生態(tài)系統(tǒng)特征調(diào)查，表明植被生態(tài)系統(tǒng)蒸散增長率比生產(chǎn)力增長速率更快，這是導致區(qū)域水分利用效率下降的根本原因。在干旱脅迫條件下，適量施磷有利于促進植物根系發(fā)達，增強其抗旱性，在少磷或缺磷的條件下，草木樨蒸騰速率變化不大，凈光合速率明顯下降從而導致其生物量降低。蒙古冰草水分利用效率與土壤相對含水量或施氮量均呈正相關(guān)關(guān)系，施磷量對其水分利用效率的影響較小，因而在種植蒙古冰草的水肥管理過程中施氮量應(yīng)多于施磷量，草木樨則相反，這與試驗相符合。

4 結(jié) 論

(1) 試驗建立了2種牧草光合及生物量的水肥耦合回歸模型，均達到了顯著水平且具有很強的代表性，適應(yīng)于預(yù)測西北干旱荒漠區(qū)煤矸石山土壤上不同水肥條件下草木樨和蒙古冰草的光合速率、水分利用效率和生物量。

(2) 土壤水分對2種牧草的光合及生物量最敏感;磷肥對草木樨生長發(fā)育的貢獻大于氮肥，氮肥對蒙古冰草的貢獻大于磷肥;三因素交互作用對2種牧草水分利用效率的影響程度從大到小均是水氮>水磷>氮磷;對于生物量的三因素交互作用大小而言，草木樨為水磷>水氮>氮磷，蒙古冰草為水氮>氮磷>水磷。

(3) 草木樨的光合及生物量均遠大于蒙古冰草，西北煤矸石山植被恢復的草本植物首選草木樨，其最優(yōu)水肥方案為:土壤相對含水量68.44%～71.84%，施氮量82.09～102.92 kg/hm2，施磷量139.92～192.58 kg/hm2。其次是蒙古冰草，其最優(yōu)水肥方案為:土壤相對含水量65.33%～71.11%，施氮量138.40～172.62 kg/hm2，施磷量82.09～117.91 kg/hm2。