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    鲜海带生物酶解有机液肥对沙木蓼生长和土壤理化性质的影响

    李惋瑾, 王若水, 肖辉杰, 王百田, 张克斌, 刘青青, 郭冰寒

    李惋瑾, 王若水, 肖辉杰, 王百田, 张克斌, 刘青青, 郭冰寒. 鲜海带生物酶解有机液肥对沙木蓼生长和土壤理化性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 62-72. DOI: 10.13332/j.1000-1522.20170269
    引用本文: 李惋瑾, 王若水, 肖辉杰, 王百田, 张克斌, 刘青青, 郭冰寒. 鲜海带生物酶解有机液肥对沙木蓼生长和土壤理化性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 62-72. DOI: 10.13332/j.1000-1522.20170269
    Li Wanjin, Wang Ruoshui, Xiao Huijie, Wang Baitian, Zhang Kebin, Liu Qingqing, Guo Binghan. Effects of fresh seaweed bio-enzymatic organic fertilizer on the growth and soil physicochemical properties of Atraphaxis bracteata[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 62-72. DOI: 10.13332/j.1000-1522.20170269
    Citation: Li Wanjin, Wang Ruoshui, Xiao Huijie, Wang Baitian, Zhang Kebin, Liu Qingqing, Guo Binghan. Effects of fresh seaweed bio-enzymatic organic fertilizer on the growth and soil physicochemical properties of Atraphaxis bracteata[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 62-72. DOI: 10.13332/j.1000-1522.20170269

    鲜海带生物酶解有机液肥对沙木蓼生长和土壤理化性质的影响

    基金项目: 

    基于荒漠化防治和盐碱地改良的海藻肥施用技术 2016HXFWSBXY002

    国家人力资源和社会保障部留学人员科技活动项目择优资助项目 

    林业公益性行业科研专项 201504402-3

    详细信息
      作者简介:

      李惋瑾。主要研究方向:荒漠化防治。Email:1429634479@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

      责任作者:

      肖辉杰,博士,副教授。主要研究方向:林业生态、森林水文、盐碱地治理。Email:herr_xiao@hotmail.com 地址:同上

    • 中图分类号: S728.4

    Effects of fresh seaweed bio-enzymatic organic fertilizer on the growth and soil physicochemical properties of Atraphaxis bracteata

    • 摘要:
      目的为提高荒漠沙地植被的存活率和覆盖度,本文以毛乌素沙地西南缘的沙木蓼为研究对象,通过施用鲜海带生物酶解有机液肥,研究其对沙地土壤理化性质和沙木蓼生长及群落物种多样性的影响。
      方法采用不同梯度的鲜海带生物酶解有机液肥对沙木蓼进行1年的试验,利用土壤水分测定仪测量土壤含水率,凯氏定氮法测定土壤全氮含量,重铬酸钾滴定法测定土壤有机质含量,公式法计算群落物种多样性。
      结果(1) 该有机液肥有效地增加了土壤0~10 cm层的含水率,且施用冲施肥研究区的土壤含水率较叶面肥研究区的高10.6%。(2)土壤0~20 cm层的全氮和有机质的含量随着施肥量的增加而增加,并在施肥量为15 mL/m2时,达到最高,与对照间差异显著(P < 0.05),且叶面肥处理的有机质含量远高于冲施肥。(3)该有机液肥有效地促进了沙木蓼的生长,沙木蓼地径、株高和新梢增长量均随着施肥量增加而呈先增加后减小的趋势,在施肥量为6 mL/m2时达到最大,与对照差异显著(P < 0.05),且冲施肥的效果要比叶面肥更优。(4)该有机液肥增加了沙木蓼群落的物种组成、Margalef物种丰富度指数、Simpson优势度指数和Shannon-Wiener多样性指数。
      结论鲜海带生物酶解有机液肥能够增加毛乌素沙地土壤水分与养分的含量,促进沙木蓼的生长,有助于毛乌素沙地植被的恢复,更好地发挥其生态效益。
      Abstract:
      ObjectiveIn order to improve the survival rate and coverage of desert vegetation, a field experiment by adding fresh seaweed bio-enzymatic liquid organic fertilizer on the Atraphaxis bracteata located in the southwest of Mu Us Desert, Ningxia of northwestern China, was carried out to study its effect on soil physicochemical properties, growth and community species diversity of Atraphaxis bracteata in desert ecosystems.
      MethodUsing a different gradient of fresh seaweed bio-enzymatic organic fertilizer to conduct a one-year test on Atraphaxis bracteata, the soil moisture was measured by soil moisture meter, soil total nitrogen was measured by Kjeldahl method, soil organic matter was measured by potassium dichromate titration, and species diversity was calculated by formula method.
      Result(1) Fresh seaweed biological enzyme liquid organic fertilizer can increase soil moisture content in 0-10 cm layer effectively, and the soil moisture content of flush fertilization was 10.6% higher than that of foliar fertilizer application area. (2) The content of soil total nitrogen and organic matter in 0-20 cm layer increased with the increase of fertilizing amount and reached peak value when the fertilizing amount was 15 mL/m2, and there was significant difference compared with control (P < 0.05). The content of organic matter treated with foliar fertilizer was much higher than that of flush fertilizer. (3) The fresh liquid organic fertilizer promoted the growth of Atraphaxis bracteata effectively, the growth of its ground diameter, plant height and new shoot all increased first and then decreased with the increase of fertilizing amount, and reached peak value when the fertilizing amount was 6 mL/m2, and there was significant difference compared with control (P < 0.05). The effect of flush fertilization was better than foliar fertilizer. (4) The fresh seaweed bio-enzymatic liquid organic fertilizer increased the species composition, Margalef species richness index, Simpson dominance index and Shannon-Wiener diversity index of Atraphaxis bracteata.
      ConclusionFresh seaweed bio-enzymatic liquid organic fertilizer can increase the content of soil moisture and nutrients in Mu Us Desert, promote the growth of Atraphaxis bracteata, contributes to the restoration of vegetation in Mu Us Desert, and then the vegetation can give better play to the ecological benefits.
    • 在农林业生产中,植物常遭受重金属等各种土壤条件胁迫。铅(Pb)是重金属污染物中影响较严重的元素之一,又是植物非必需元素,其在组织中大量积累会引起植物体内细胞膜脂过氧化,最终影响生长和品质[1-2],因此修复Pb胁迫土壤具有重要意义。作为生态修复的重要内容之一,植物修复已成为近年来国际环境领域研究的热点[3]。在Pb胁迫土壤的植物修复中,特别是在植物生长初期,如何提高植物适应性和存活力尤其引人关注。

      作为一种天然螯合剂,土壤中各种来源的有机酸显著影响重金属在土壤中的迁移转化行为及植物有效性,在控制Pb等重金属生物毒性方面发挥重要作用[4-5]。植物对重金属的解毒机制包括外部排斥和内部耐受两类,这两类机制中有机酸均起重要作用[6-7]。外部排斥机制即有机酸与金属离子形成稳定的金属配位体复合物,阻止金属离子进入植物体内或避免其在根部敏感位点累积;内部耐受机制即有机酸可与进入植物体内的金属离子螯合,使其转化为无毒或毒性较小的结合形态[7-8]。在重金属胁迫下,植物一般通过多种机制的联合以防止中毒,但植物种类不同解毒机制也不同[7]。有机酸还显著影响Pb胁迫下植物的多种生理生化特性、生长和生物量分配格局,最终提高Pb胁迫土壤上植物的生态适应性及土壤修复效率[4]。有机酸对上述指标的影响,不仅与植物种类有关,还与有机酸种类和浓度、Pb胁迫程度和处理时间等密切相关[11]。目前,有机酸提高植物适应性的作用已在一些植物上证实,如欧洲油菜(Brassica napus)、马蔺(Iris lactea var. chinensis)等,有机酸种类涉及草酸、柠檬酸和水杨酸等,测定指标涉及电导率、可溶性蛋白含量、Pb吸收和生物量积累等[9-11]。值得指出的是,除上述常规指标外,叶绿素荧光参数、根系形态特性和养分元素吸收也是鉴定植物抗逆性的重要指标,是植物适应土壤环境的基础[12];且F0Fv/FmFv/F0等荧光指标、比根长等根系形态特征及Fe等养分元素吸收状况对Pb胁迫都非常敏感[13-14]。但目前,外源有机酸影响植物对土壤Pb胁迫的适应性研究仍集中在农业领域,在林业领域相对较少,特别是如何影响Pb胁迫下林木的叶绿素荧光参数、根系形态特性和营养元素吸收运输还鲜见报道。

      我国东北林区有一定面积的矿山土急需复垦,如黑龙江省伊春西林铅锌矿等。这些立地条件下,Pb胁迫普遍存在。长白落叶松(Larix olgensis)是东北山区的重要乡土树种,因成活率高和对环境要求不甚严格,就成为Pb胁迫矿山土植被恢复和林业复垦的先锋树种。但在较严重的Pb胁迫下,其成活和生长仍受较大限制,特别是初期“造林不成活”现象普遍存在。通过前人研究可以假设,外源有机酸亦能在苗期提高长白落叶松对Pb胁迫的适应性和抗性。但目前,有机酸如何影响Pb胁迫下长白落叶松幼苗的生态适应性还未见报道。草酸和柠檬酸是我国东北林区森林凋落物淋洗液中存在的2种优势有机酸,数量均较为可观[15]。本文模拟此区长白落叶松凋落物淋洗液中草酸和柠檬酸浓度范围[15],通过外源添加不同浓度草酸或柠檬酸溶液,系统研究了不同处理时间下,有机酸对长白落叶松幼苗多种生理生化特性、Pb及养分元素吸收及生长的影响,特别是首次揭示了有机酸如何影响Pb胁迫下苗木的叶绿素荧光参数、根系形态特征及养分元素吸收状况。研究旨在探讨有机酸对Pb胁迫下苗木生态适应性的调控意义及机制,从而为有机酸应用于Pb矿区废弃地的植被恢复提供生理生态学理论依据,也能为Pb胁迫土壤的有效利用开辟新思路。

      实验在东北林业大学帽儿山实验林场温室内进行。长白落叶松种子选种、消毒、雪藏催芽后,2016年4月末播种于塑料育苗盆(底径16.2 cm、上口径18.4 cm、高20.0 cm),覆土料为质地均一、无杂质的A1层暗棕壤(本区地带性土壤,基本性质见表 1)。土壤采自林场内长白落叶松人工林下,去除根系、土壤动物等,自然风干1 d,装盆,每盆5.5 kg。每盆育苗60株,盆上沿土壤空出2~3 cm以浇水、有机酸和Pb处理。2016年5月末间苗,每盆剩30株(由于当地气候条件限制,苗木生长缓慢,出苗1个月时平均苗高仅4.3 cm,平均地径1.05 cm,这样的密度有利于形成良好的种群优势,而不会产生生长空间的竞争)。

      表  1  供试A1层暗棕壤的基本性质
      Table  1.  Selected properties of A1 horizon of dark brown forest soil used in the experiment
      土壤层次
      Soil layer
      pH值
      pH value (H2O)
      阳离子交换量
      Cation exchange capacity/(cmol·kg-1)
      有机质
      Organic matter/ (g·kg-1)
      全氮
      Total N/ (g·kg-1)
      全磷
      Total P/ (g·kg-1)
      速效磷
      Available P/ (mg·kg-1)
      土壤质地
      Soil texture
      黏粒Clay (<2 μm)/ (g·kg-1) 草酸含量
      Oxalic acid concentration/(μg·kg-1)
      柠檬酸含量
      Citric acid concentration/(μg·kg-1)
      A1 5.32 40.2 107.9 6.39 2.08 45.8 壤质
      Loamy texture
      135 310.98 139.83
      注:30 mmol/L NH4F+25 mmol/L HCl浸提法;A1为暗棕壤层。下同。Notes: means extracted with 30 mmol/L NH4F+25 mmol/L HCl; A1 means horizon of dark brown forest soil. The same below.
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      缓苗1月后,将Pb(NO3)2溶液均匀地添加到土壤中以进行Pb胁迫处理,使土壤内Pb2+含量达100 mg/kg(依前期调查的黑龙江省伊春西林铅锌矿区土壤Pb含量设定)。Pb处理10 d后,采取灌根方式进行外源有机酸添加处理[草酸(OA)或柠檬酸(CA)],使土壤内有机酸浓度分别达0、0.04、0.2、1.0和2.0 mmol/kg。另外,在长白落叶松苗期,由于其根系生长慢且发育不完全[16],还采用类似叶面施肥的方式进行了有机酸喷施[17]。具体讲:将有机酸溶液(浓度分别为0、0.2、1.0、5.0和10.0 mmol/L)均匀地喷施在苗木叶片的上、下表面,以叶面均匀湿润为止。实验处理见表 2。有机酸以有机盐形式添加(pH 5.16,仿当地土壤溶液平均pH值),每天1次,共7 d,均在早晨08:00进行。土壤无Pb胁迫、等量蒸馏水处理为对照(CK)。由于当地气候寒冷,温室育苗最早也得在4月末进行,8月下旬叶片已开始变黄脱落,不能再进行相关指标的准确测定。综合考虑出苗、缓苗、Pb胁迫和有机酸处理等时间,分别在有机酸处理后第10、20、30天采样分析。每处理栽10盆苗,每个处理时间10个重复,3个时间共300盆。

      表  2  实验设计(10、20、30 d均进行如下处理)
      Table  2.  Experimental layout (each of the treatments below was sampled after 10, 20, or 30 days)
      处理Treatment 土壤处理Soil treatment 有机酸类型Kind of organic acid 有机酸浓度Concentration of organic acid/(mmol·L-1)
      CK A1、无Pb
      A1, no Pb
      0
      T1 A1+Pb 0
      T2 A1+Pb OA 0.2
      T3 A1+Pb OA 1.0
      T4 A1+Pb OA 5.0
      T5 A1+Pb OA 10.0
      T6 A1+Pb CA 0.2
      T7 A1+Pb CA 1.0
      T8 A1+Pb CA 5.0
      T9 A1+Pb CA 10.0
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      在各处理10盆苗木中,随机采集中部叶片(约2.0 g),立即、分别用上海雷磁DDS-6700电导仪和考马斯亮蓝G-250染色法测定相对电导率和可溶性蛋白含量。再随机采集苗木中部叶片,把采过叶片的幼苗小心地从土中取出(避免根系损伤),采集 < 2 mm细根。叶片和细根用蒸馏水洗净擦干,105 ℃下杀青15 min,70 ℃下烘至恒质量,粉碎,过2 mm尼龙筛,用微波消解ICP-MS法测定叶片和细根Pb、Mg和Fe含量。每处理重复3次。

      每处理选3株幼苗暗处理20 min后,选取完整叶片用LI-6400 XT便携式光合仪(Licor,US)测定叶绿素荧光指标。通过测得的F0(初始荧光)和Fm(最大荧光),计算得到Fv/FmFv/F0,其中Fv=Fm-F0。每处理重复3次。

      在各处理10盆苗木中,每处理随机选3株幼苗,小心地将根系取出,用去离子水洗净,用滤纸小心吸干,用枝剪将根、茎和叶分开,再用根系分析仪(Win-RHI Z0-2004a,Canada)测定根系形态,得到表面积、长度、体积和平均直径,并计算得到比根长(长度/干质量)。

      在各处理10盆苗木中,每处理选15株幼苗,小心地从盆中取出,将茎、叶和根分开,用去离子水洗净吸干,105 ℃下杀青15 min,60 ℃下烘至恒质量,得到各部分干质量及平均值。

      用SPSS 18.0对数据进行统计分析,采用Duncan新复极差法对所有指标数据进行差异显著性检验(P < 0.05)。

      与对照(CK)比,Pb胁迫(T1)增加苗木叶片相对电导率,说明叶片细胞膜受损,且时间越长损伤越重。与无有机酸处理(T1)相比,草酸和柠檬酸显著降低Pb胁迫下苗木的相对电导率,2种有机酸均在10.0 mmol/L效果最好,柠檬酸强于草酸,不同时间效果为30 d>10 d>20 d(图 1)。

      图  1  有机酸处理后长白落叶松叶片的相对电导率
      不同字母表示差异显著(P < 0.05)。
      Figure  1.  Relative conductivity of Larix olgensis leaves with different organic acids
      Bars labeled with different letters are significantly different (P < 0.05).

      与CK相比,苗木叶片可溶性蛋白含量在Pb胁迫后(T1)降低(时间越长降幅越大),但有机酸处理后显著提高,所有处理均达显著水平,5.0或10.0 mmol/L效果最好,2种有机酸增幅均为10 d>30 d>20 d,柠檬酸作用强于草酸(图 2)。

      图  2  有机酸处理后长白落叶松叶片的可溶性蛋白含量
      Figure  2.  Soluble protein contents of Larix olgensis leaves with different organic acid treatments

      Pb胁迫显著影响叶片叶绿素荧光指标,F0升高,FmFvFv/FmFv/F0均降低。有机酸使上述指标均向相反方向变化,变化幅度与其浓度大体呈正相关,一般10.0 mmol/L变幅最大。不同时间内各指标变幅不同:F0为30 d>20 d>10 d,Fm为30 d>10 d>20 d,Fv为30 d>20 d>10 d,Fv/FmFv/F0为30 d>20 d>10 d。除少数0.2 mmol/L处理外,柠檬酸影响均强于草酸(图 3)。

      图  3  有机酸处理后长白落叶松叶片的叶绿素荧光参数
      Figure  3.  Chlorophyll fluorescence parameters of Larix olgensis leaves induced by different organic acids

      Pb胁迫显著影响苗木根系形态特征,表面积、长度、体积和比根长降低,时间越长降幅越大,但平均直径增加。有机酸使上述指标向相反方向变化,大都以10.0 mmol/L影响最显著,柠檬酸强于草酸。表面积、长度、体积、比根长和平均直径时间序列分别为30 d>20 d>10 d,30 d>20 d>10 d,30 d>20 d>10 d,10 d>20 d>30 d和10 d>30 d>20 d(图 4)。

      图  4  有机酸处理后长白落叶松幼苗的根系形态特征
      Figure  4.  Root morphological parameters of Larix olgensis seedlings induced by different organic acids

      Pb胁迫显著增加细根和叶片Pb含量,且在根部强烈积累。有机酸使细根和叶片Pb含量先降后增,大多在10.0 mmol/L时仍低于有机酸0组(T1)。对于根系Pb积累,草酸影响大多强于柠檬酸,叶片则相反。不同有机酸浓度和处理时间内无明显规律。Pb胁迫增加细根和叶片Fe含量及细根Mg含量,但降低叶片Mg含量。有机酸降低细根和叶片Mg含量,但增加Fe含量,大多在10.0 mmol/L变幅最大。不同时间内细根Mg含量降幅为30 d>20 d>10 d,Fe含量增幅为10 d>20 d>30 d;叶片Mg含量降幅为30 d>20 d>10 d,Fe含量增幅为30 d>10 d>20 d。除极少数处理外,柠檬酸效果强于草酸(图 5)。

      图  5  有机酸处理后长白落叶松细根和叶片Pb及营养元素含量
      Figure  5.  Pb and nutrient contents in fine roots and leaves of Larix olgensis seedlings with organic acid treatments

      与CK相比,Pb胁迫显著降低苗木的根、茎和叶干质量,但有机酸处理后各部分干重量大多显著增加,一般10.0或5.0 mmol/L增加效果最显著,不同时间的增加效果为20 d>30 d>10 d,柠檬酸效果强于同浓度草酸(图 6)。

      图  6  有机酸处理后长白落叶松的根、茎和叶干质量
      △ OA叶OA leaf ▲ CA叶CA leaf ○ OA茎OA stem ● CA茎CA stem □ OA根OA root ■ CA根CA root
      Figure  6.  Dry mass of root, stem and leaf of Larix olgensis seedlings with organic acid treatments

      Pb胁迫显著增加长白落叶松叶片相对电导率和质膜透性(图 1),可能Pb与细胞膜上的磷脂作用形成正磷酸盐、焦磷酸盐,从而改变膜结构;或者Pb被细胞壁上果胶酸吸附,改变了细胞壁弹性和塑性,损害了壁的生理功能[18]。本结果与玉米(Zea mays)[18]、海榄雌(Avicennia marina)[19]等研究一致。Pb胁迫下,草酸和柠檬酸显著降低长白落叶松相对电导率(图 1),说明有机酸减缓了电解质渗出和细胞膜损伤,能通过提高质膜系统稳定性诱导苗木适应性,此结果与柠檬酸和草酸对马蔺[9]、柠檬酸对灯心草(Juncus effuses)[20]等研究一致。

      作为渗透调节物质,可溶性蛋白含量能反映植物总体代谢状况及抗逆性[21]。Pb降低长白落叶松叶片可溶性蛋白含量(图 2),说明此时苗木体内代谢改变及蛋白质合成受阻,且时间延长影响增大。Pb胁迫下蜡熟期玉米、镉(Cd)污染下苎麻(Plagiomnium acutum)等研究也如此,且随重金属浓度升高而下降[18, 22]。但也有人认为,Pb等胁迫下,植物除合成蛋白质以络合进入体内的重金属离子、降低其危害外,可溶性蛋白含量上升还能增加细胞渗透浓度和功能蛋白数量,有助于维持细胞正常代谢[23]

      外源有机酸提高长白落叶松可溶性蛋白含量(图 2),说明此时苗木的生理生化反应与代谢活动都显著增强,进而能从渗透调节角度提高苗木对Pb胁迫的适应性。同样,1.5和4 mmol/L柠檬酸也使苎麻叶片和根系可溶性蛋白含量分别增加2.9和6.4 mg/g,但高浓度草酸(9 mmol/L)却使叶片含量降低3.1 mg/g[22]

      Pb诱导长白落叶松叶片F0显著上升(图 3),这与Pb、Cd胁迫下银芽柳(Salix leucopithecia)、云南樟(Cinnamomum glanduliferum)等研究一致[24-25],且增加越多损伤越重[26]。但Pb降低黑麦草(Lolium perenne)F0,随其浓度而下降,可能因为Pb降低叶绿素含量,使捕获和传递给PSII反应中心的光能减少、电子传递受阻[27]。Pb还降低长白落叶松Fv/FmFv/F0(图 3),说明Pb离子抑制光合作用原初反应,使其开放程度和捕获激发能效率下降,这可能与其抑制叶绿素合成有关,或由于Pb竞争性抑制放氧复合体中23kd蛋白上Ca2+和Cl-结合位点,从而阻止电子从PSII向PSI传递[28]。本结果与云南樟[25]、尖叶走灯藓(Plagiomnium cuspidatum)[29]、玉米[30]、黑麦草[31]等研究一致。但也有不同报道,如100 μmol/L和0.25 mmol/L Pb分别对柳条莫丝(Fontinalis antipyretica)和玉米Fv/Fm影响均不明显[28, 32]。Pb引起Fv/FmFv/F0变化一般与其浓度显著正相关[28, 33],且有明显的时间效应,时间越长长白落叶松Fv/FmFv/F0降幅越大(图 3),但高浓度Pb使湿地匍灯藓(Plagiomnium acutum)Fv/F0第1天即明显降低,低浓度则先增后降[34]

      有机酸如何影响植物(特别是重金属胁迫下)叶绿素荧光参数目前还鲜见报道。Pb等重金属可能通过影响水裂解端电子流而降低PSII原初光能捕获能力和电子传输能力[35],抑制点主要在光系统II氧化面[36]。Pb还刺激PSII核心蛋白磷酸化,影响PSII复合物稳定性和D1蛋白降解速率[30]。Pb和柠檬酸存在下,田青(Sesbania drummondii)幼苗Fv/FmFv/F0不变,光合效率正常[37];但Pb和草酸或柠檬酸处理下,长白落叶松F0降低,Fv/FmFv/F0升高(图 3),说明有机酸明显抑制Pb引起的PSII光合反应中心损伤,有效缓解反应中心吸收的光能用于电子传递量子产额的降幅,减轻光合电子传递和光抑制,提高了光合活性。上述差异可能与植物类型、Pb处理方式和水平及有机酸浓度等不同有关。

      Pb降低长白落叶松根系表面积、长度、体积和比根长(图 4),说明Pb已超过苗木耐受范围,并抑制根系纵向生长,这与高羊茅(Festuca elata)、多年生黑麦草[38]、马蔺[10]及麻疯树(Jatropha curcas)[39]等研究一致。Pb还增加苗木根系平均直径(图 4),即使根系变粗膨大,可能因为Pb影响了根细胞增殖和分化,特别是根尖细胞的分裂分化。Pb对根系毒害明显强于芽等其他器官[40-41],可能因为根最先感受毒害,根细胞壁上还有能大量固定Pb离子的交换位点,根尖吸收Pb后诱发过量的自由基产生,从而伤害根系代谢中的琥珀酸脱氢酶等,降低根系活力,并抑制其向地上部转移[42]

      有机酸明显促进Pb胁迫下长白落叶松生长(图 6),可能原因包括:1)有机酸益于叶绿素荧光、可溶性蛋白等生理特性(图 1~3),这不但能提高光合速率促进有机物积累,还有益于水和无机盐运输。2)有机酸促进根系生长(图 4),这能缓解Pb对根系活力和生理功能的限制,还增加苗木与土壤的接触面积及Fe等养分的吸收利用(图 5),减缓Pb胁迫导致的某些养分吸收利用受抑而引起的干物质积累减少。Pb也破坏菲白竹(Pleioblastus fortunei)体内矿质营养平衡,特别是打破Na+/K+平衡是Pb毒害主要原因[43]。本结果与柠檬酸、草酸等对马蔺影响一致[9]。对长白落叶松生理特性和养分吸收的影响柠檬酸均强于草酸,对生长影响也如此。

      外源有机酸能缓解植物的重金属中毒症状,在植物对重金属的外部排斥(即避性机制)和内部耐受等机制中均发挥重要作用[7-8, 44]如柠檬酸和酒石酸分别可减轻Pb、Cd对萝卜(Raphanus sativus)的毒害[45],柠檬酸还促进Pb和Cd从其根系向地上部的转运[46]。本研究发现,较低浓度草酸和柠檬酸处理时,长白落叶松幼苗细根和叶片Pb含量降低,说明此时苗木对Pb胁迫的解毒机制主要体现在外部排斥机制。5.0~10.0 mmol/L较高浓度有机酸处理时,苗木体内Pb含量升高,则此时内部耐受机制发挥的作用更大,但也不排除2种机制同时起作用的可能性。

      1) 长白落叶松幼苗对Pb胁迫响应明显,叶片细胞膜透性和F0提高,叶片可溶性蛋白含量、FmFvFv/FmFv/F0,根系表面积、长度、体积和比根长都降低,细根和叶片Pb含量显著增加,叶片Mg含量及根、茎和叶干质量降低,且时间越长影响越大。

      2) 外源草酸和柠檬酸使上述生理生化和根系形态指标均向相反方向变化,显著增加苗木各部分干质量,因此外源有机酸对提高长白落叶松对Pb胁迫土壤的生态适应性有积极意义。

      3) 较低浓度草酸和柠檬酸对苗木解毒Pb胁迫的机制主要体现在外部排斥机制,5.0~10.0 mmol/L较高浓度处理时则内部耐受机制作用更大,但也不排除2种机制同时起作用的可能性。

      4) 外源有机酸对苗木生态适应性的影响,一般在20或30 d、5.0或10.0 mmol/L效果最好,且柠檬酸强于草酸。

    • 图  1   试验小区布设图

      CK.对照组;Y.叶面肥;C.冲施肥。数字表示肥料用量,单位为mL/m2

      Figure  1.   Layout of experimental plots

      CK, control; Y, foliar fertilizer; C, flush fertilizer. The numbers represent the amount of fertilizer, the unit is mL/m2.

      图  2   2016年7—8月降雨量与土壤蒸发量

      Figure  2.   Rainfall and soil evaporation during July to August in 2016

      图  3   冲施肥对沙木蓼土壤含水率的影响

      不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

      Figure  3.   Effects of flush fertilizer on the soil water content of Atraphaxis bracteata

      Different letters indicate significant difference among treatments at P < 0.05 level. The same below.

      图  4   叶面肥对沙木蓼土壤含水率的影响

      Figure  4.   Effects of foliar fertilizer on soil water content of Atraphaxis bracteata

      图  5   施肥对土壤全氮的影响

      Figure  5.   Effects of fertilization on soil total nitrogen

      图  6   施肥对土壤有机质的影响

      Figure  6.   Effects of fertilization on soil organic matter

      图  7   施肥对沙木蓼地径增长量的影响

      Figure  7.   Effects of fertilization on the growth of ground diameter of Atraphaxis bracteata

      图  8   施肥对沙木蓼株高增长量的影响

      Figure  8.   Effects of fertilization on the tree height increment of Atraphaxis bracteata

      图  9   施肥对沙木蓼新梢生长的影响

      Figure  9.   Effects of fertilization on the growth of Atraphaxis bracteata new shoots

      9   施肥对沙木蓼群落物种多样性的影响

      不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

      9.   Effects of fertilization on the species diversity of Atraphaxis bracteata

      Different letters indicate significant difference among treatments at P < 0.05 level.

      表  1   沙木蓼地径与株高的原始值分析

      Table  1   Analysis on original values of ground diameter and tree height of Atraphaxis bracteata

      cm
      施肥处理
      Fertilization treatment
      植物指标
      Plant index
      肥料用量Fertilizing amount
      0 3 mL/m2 6 mL/m2 9 mL/m2 12 mL/m2 15 mL/m2
      冲施肥Flush fertilizer 地径Ground diameter 0.50a 0.49a 0.53a 0.54a 0.57a 0.53a
      株高Plant height 104.87a 103.87a 119.67a 104.93a 106.40a 104.93a
      叶面肥Foliar fertilizer 地径Ground diameter 0.50a 0.53a 0.49a 0.54a 0.56a 0.55a
      株高Plant height 104.87a 103.33a 100.33a 108.73a 108.60a 104.67a
      注:不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P>0.05)。Note: different lowercases mean significant difference among varied treatments at P>0.05 level.
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      表  2   鲜海带生物酶解有机液肥主要成分

      Table  2   Main ingredients of fresh seaweed bio-enzymatic liquid organic fertilizer

      液肥
      Liquid fertilizer
      主要成分
      Main component
      叶面肥
      Foliar fertilizer
      海带酶解液、海藻多糖、海藻蛋白、甘露醇、甜菜碱、赤霉素、吲哚乙酸、脱落酸、氨基酸等Kelp hydrolysate, seaweed polysaccharide, seaweed protein, mannitol, betaine, gibberellin, indoleacetic acid, abscisic acid, amino acid, etc
      冲施肥
      Flush fertilizer
      海带纤维、有机质、海藻多糖、吲哚乙酸、海藻蛋白、甘露醇、甜菜碱等Kelp fiber, organic matter, seaweed polysaccharide, indoleacetic acid, seaweed protein, mannitol, betaine, etc
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      表  3   小区施肥用量

      Table  3   Fertilizing amount in 3 plots

      肥料用量
      Fertilizing amount/(mL·m-2)
      小区肥料用量
      Community fertilizing amount/mL
      小区用水量
      Community water consumption/mL
      小区补水量
      Community water recharge/mL
      0 0 27 000 0
      3 27 5 400 21 600
      6 54 10 800 16 200
      9 81 16 200 10 800
      12 108 21 600 5 400
      15 135 27 000 0
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      表  4   不同梯度冲施肥处理的物种相对丰度

      Table  4   Relative abundance of species in different gradient treatments of flush fertilizer

      物种名称Species name CK 3 mL/m2 6 mL/m2 9 mL/m2 12 mL/m2 15 mL/m2
      杨柴Hedysarum fruticosum 44.84 23.88 22.09 19.06 16.08 14.53
      白蒿Artimisiae sphaerocephala 25.82 21.70 0 6.36 22.99 39.40
      油蒿Artemisia ordosica 20.92 9.20 0 10.00 0 0
      冰草Agropyron cristatum 8.42 0 22.42 24.57 0 9.53
      芦苇Phragmites australis 0 14.48 6.30 0 0 12.15
      狗尾草Setaria viridis 0 17.70 19.76 18.66 15.54 12.37
      砂蓝刺头Echinops gmelini 0 13.49 0 0 0 6.36
      沙蓬Agriophyllum squarrosum 0 14.56 5.39 0 0 0
      角蒿Incarvillea sinensis 0 0 0 0 4.53 0
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      表  5   不同梯度叶面肥处理的物种相对丰度

      Table  5   Relative abundance of species in different gradient treatments of foliar fertilizer

      物种名称Species name CK 2 mL/m2 4 mL/m2 6 mL/m2 8 mL/m2 10 mL/m2
      杨柴Hedysarum fruticosum 58.33 29.67 15.06 18.62 13.47 12.75
      白蒿Artimisiae sphaerocephala 0 34.71 7.10 31.36 27.99 19.52
      油蒿Artemisia ordosica 41.67 6.56 8.87 23.11 11.92 17.27
      冰草Agropyron cristatum 0 24.56 21.89 21.07 22.57 16.53
      芦苇Phragmites australias 0 0 12.32 0 6.57 12.52
      狗尾草Setaria viridis 0 9.56 11.42 14.18 15.94 7.28
      针茅Stipa capillata 0 0 10.59 0 0 6.40
      花棒Hedysarum scoparium 0 0 0 10.61 0 0
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    出版历程
    • 收稿日期:  2017-07-25
    • 修回日期:  2018-01-22
    • 发布日期:  2018-06-30

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