EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草生长及水分利用效率的影响

刘月梅，张兴昌

(1 西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2 延安职业技术学院，陕西 延安 716000；3 中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

黄土边坡的绿化防护是谋求保护自然环境、美化道路景观、缓解交通公害、实现可持续发展的重要手段之一。然而植物与边坡土体的作用是相互的，一方面植物的生存和生长离不开土体环境，另一方面植物可以通过力学锚固效应和水文效应增加坡面的稳定性，实现边坡的生态防护[1-4]。因此，黄土边坡生态防护植被建设必须与边坡土壤防护有机结合起来，在确保边坡土体稳定的前提下，尽最大可能促进植被生长。要实现黄土边坡生态防护的护坡和绿化双重功能，对黄土性土壤进行改良势在必行。

EN-1土壤固化剂是一种土工复合材料，含有多种有机、无机成分，其性能是通过与土壤发生一系列的物理化学反应来胶结土壤颗粒、增加土体稳定性[5-7]。研究表明，EN-1土壤固化剂可以使黄土性土壤干密度增加，土壤抗剪强度、抗蚀性、抗渗性和水稳性团聚体含量提高[8-11]，有利于黄土边坡稳定，且施用适量的土壤固化剂对植物光合作用及根系吸收均有促进作用[12]。

黄土边坡大多土壤肥力较低、营养溃乏，植物生长缓慢，而土壤中水肥状况是土壤肥力的重要指标。大量研究表明，氮素是调节植物生命活动的主要因子，它可以通过调节植物的光合、蒸腾及呼吸作用等生理代谢提高叶片光合能力，进而促进植物生长，增加植物生物量，从而提高植物的水分利用效率[13-15]。因此，利用EN-1土壤固化剂改变植物生长的土壤环境，探讨固化剂、N肥及土壤体积质量对植物生长的影响具有重要意义。本研究以黄土地区典型土壤黄绵土和常见植物黑麦草为研究对象[16]，研究固化剂对黑麦草生长状况、根系特征及水分利用效率的影响，以期为提高黄土边坡植物生物量和边坡土壤稳定性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试黑麦草 供试黑麦草为丹麦丹农种子有限公司生产的“玲珑”坪用品种。试验前对种子进行品质鉴定后发现，种子的发芽率为76.3%，纯净度为98%，千粒质量为3.76 g。

1.1.2 土壤固化剂 供试土壤固化剂为美国CSS技术公司生产的路邦EN-1土壤固化剂，是一种高浓缩的酸性酱棕黑色有机溶液，能将土壤中的矿物质和土壤颗粒分解，使其重新结晶形成金属盐，保持土壤持久稳定。EN-1土壤固化剂在浓缩状态下无挥发性、不燃烧，硫酸含量大于1%，表面活性剂含量6%，密度1.709 g/cm3，沸点282 ℃，25 ℃时相对体积质量为1.70，pH 1.05，稀释后无任何危害，对生态环境无破坏、对环保无影响。

1.1.3 供试土样 供试土样为采自陕西省安塞县的弃耕地耕层黄绵土，其土壤类型为砂壤土，pH 8.58，有机质含量3.08 g/kg，总氮含量0.37 g/kg，土壤颗粒直径≥0.02 mm的占67.93%， 0.002～0.02 mm的占18.61%，<0.002 mm的占13.46%。

1.2 试验设计

试验设计变量分别为EN-1土壤固化剂(以干土质量计)、N肥和土壤体积质量，共12个处理，各处理方案见表1。

1.3 测定项目及方法

盆栽试验于2010-08-2011-02在陕西杨凌中国科学院水土保持研究所气候模拟大厅内进行，控制温室日间温度为20～25 ℃，夜间温度为15～18 ℃，每天光照12 h。

将供试土壤风干后过2 mm筛，按16%[9，17]的土壤质量含水率取一定量的水，并在水中加入一定比例的固化剂，搅拌均匀后用洒壶分层洒入土中拌匀，用塑料防水布盖好密闭24 h，使土壤水分分布均匀，然后按照设计体积质量分层装入塑料桶(1.4 g/cm3处理边装边用木棰砸实)，再盖上塑料防水布于室温下养护10 d[8-9]用于播种黑麦草。播种采用穴播，每盆固定34穴，每穴4粒。在苗期保持充足的水分供应，待出苗整齐后，每穴固定1株，之后按土壤田间持水量的75%～80%控水。

表 1 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量盆栽试验设计方案

黑麦草生长过程中，定期测定黑麦草株高。黑麦草分蘖数和根系特征测定采用收获法：首先，将植株地上部分齐地面收获，清点每株黑麦草分蘖数后于105 ℃下杀青0.5 h，再在75～80 ℃下烘至恒质量后用千分位天平称质量；最后，将整盆根系取出冲洗，称取5 g鲜根进行扫描，其余根系烘干，测定根生物量。鲜根形态特征测定先用扫描仪在300 dpi像素下扫描成TIF图像文件，然后用DT-SCAN图像分析软件计算根表面积、根长、根径及根密度等指标，最后将扫描后的根样烘干后称其质量。

蒸散耗水量采用水量平衡法计算，每日17:00称取每盆处理质量后，按试验设定含水量(标准值)加水；以同土壤体积质量未种黑麦草盆为对照，称量值与标准值之差为当日蒸散耗水量，再减去对照盆水的减少量即为每盆蒸散耗水量。水分利用效率(WUE)为水分处理期间每盆植株总生物量/总蒸散耗水量。

1.4 数据处理与分析

所有试验数据均为3次测定的算术平均值，试验数据用SAS 9.0软件进行方差分析和相关分析，并在0.05显著水平上进行Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草生长的影响

2.1.1 株 高 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草株高的影响见图1。

图1 不同处理对黑麦草株高的影响

由图1可以看出，在黄绵土中黑麦草株高的变化规律基本相同，但在黑麦草不同生长阶段，不同处理略有差异。盆栽2周时不同处理黑麦草株高差异不明显，说明在黑麦草生长初期，EN-1固化剂、N肥和土壤体积质量对黑麦草株高影响不显著。盆栽3周时，EN-1固化剂、N肥和土壤体积质量对黑麦草株高均有显著影响，但黑麦草株高与固化剂用量及土壤体积质量不成正比，说明土壤中加入一定量的固化剂、N肥，采用适当的土壤体积质量对黑麦草的生长有促进作用。盆栽4周以上时，各处理黑麦草株高的规律基本稳定，G3N2R2处理黑麦草株高最高，G2N2R3和G2N0R2处理黑麦草株高较低；各处理间差异均显著(P<0.05)；随着固化剂用量的增加，黑麦草株高呈先增高后降低的趋势，且均高于相应对照；固化剂用量为0.15%时黑麦草株高最高；随着N肥水平增加，黑麦草株高逐渐增大；土壤体积质量1.2和1.3 g/cm3处理间差异不显著，但均高于1.4 g/cm3处理。

综上所述可知，土壤中加入固化剂可以提升黑麦草株高，但固化剂用量与株高不成正比；在试验范围内，施N量增加可以提升黑麦草株高；土壤体积质量过大不利于黑麦草生长。在试验范围内，黄绵土高N肥处理的黑麦草株高高于高固化剂用量处理，说明N肥对黑麦草株高的影响大于固化剂。

2.1.2 分蘖数 从图2可以看出，不同固化剂用量处理之间黑麦草分蘖数差异显著(P<0.05)，固化剂用量为0.15%时黑麦草分蘖数最多；土壤体积质量1.3 g/cm3处理黑麦草分蘖数略多于1.2 g/cm3处理，但差异不显著，这可能是由于土壤和水自身重力的作用，导致低土壤体积质量(1.2 g/cm3)处理表层土壤体积质量加大，影响了黑麦草生长。

由图2可以看出，随着固化剂用量增加，黑麦草分蘖数呈先增加后减小的趋势，且均高于对照(G0N2R2)；随着N肥水平增加，黑麦草分蘖数逐渐增加，除对照(G2N0R2)外，其他N肥处理间差异不显著；与不施N肥处理相比，不加固化剂处理的分蘖数较少，说明土壤中施入适量固化剂对黑麦草分蘖有利。

图2 不同处理对黑麦草分蘖数的影响

2.1.3 生物量 由图3可以看出，随着固化剂用量增加，黑麦草根生物量和总生物量均呈先增加后减小的趋势，且均高于对照(G0N2R2)，固化剂用量为0.15%时黑麦草根生物量和总生物量均最大，说明固化剂对黑麦草的生长有促进作用；不同固化剂用量处理间黑麦草总生物量差异不显著，固化剂用量0.05%，0.10%和0.20%处理间黑麦草根生物量差异不显著。黑麦草根生物量由大到小的N肥处理依次是G2N1R2、G2N0R2、G2N2R2、G2N3R2，但G2N0R2和G2N2R2处理间差异不显著；不同N肥处理间黑麦草总生物量差异不显著，说明N肥对黑麦草总生物量的影响不显著。土壤体积质量1.3 g/cm3处理黑麦草根生物量最大，1.4 g/cm3处理根生物量最小；随着土壤体积质量加大，黑麦草总生物量逐渐减少，但1.2和1.4 g/cm3处理间差异不显著。

图3 不同处理对黑麦草根生物量(A)和总生物量(B)的影响

从图3还可以看出，12个处理中G3N2R2处理根生物量最大，G2N2R3处理根生物量最小；G2N2R1处理总生物量最大，G0N2R2处理总生物量最小，说明土壤体积质量对黑麦草根生长影响较大，固化剂对黑麦草根系生长影响较大。

综上所述可知，固化剂和N肥对黑麦草的生长均有促进作用，但相比较而言，N肥对黑麦草地上部分的生长促进作用较大；过高的土壤体积质量对黑麦草地上和地下部分的生长均有抑制作用。

2.2 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草根系特征的影响

从图4可以看出，各处理中以G3N2R2处理黑麦草根表面积、根长、根径和根密度最大，G3N2R2、G2N0R2、G2N1R2、G2N2R2、G2N3R2处理之间黑麦草根径差异不显著，但均高于其他处理。

图4 不同处理对黑麦草根长(A)、根表面积(B)、根密度(C)和根径(D)的影响

由图4可以看出，相同土壤体积质量、相同N肥条件下，固化剂用量0，0.05%与0.10%处理间黑麦草根表面积差异不显著，固化剂用量0.15%和0.20%处理间根表面积差异也不显著，但均高于前3个处理；固化剂用量对黑麦草根长和根密度影响均显著(P<0.05)，黑麦草根长、根密度从大到小的固化剂用量依次为0.15%，0.20%，0.10%，0.05%和0，说明固化剂可以促进黑麦草根系生长，增加根密度；固化剂用量为0.15%时，黑麦草的根表面积、根长、根密度和根径分别比对照G0N2R2高37.60%，13.46%，14.16%和51.80%，说明固化剂对黑麦草根表面积和根径影响较大，土壤中添加适量的固化剂可以显著增加黑麦草根表面积和根径。相同土壤体积质量、相同固化剂用量条件下，随着N肥水平提高，黑麦草根表面积、根长和根密度均逐渐增大，G2N3R2处理根表面积、根长和根密度比对照G2N0R2分别高25.20%，19.92%和18.92%；随着N肥水平提高，黑麦草根径呈先增大后减小的趋势，且均高于对照，但不同N肥处理间差异不显著。因此，为促进黑麦草根系生长，应该选择最适的N肥施用量，这样在促进黑麦草生长的同时，尽可能降低生产成本。相同固化剂用量、相同N肥条件下，土壤体积质量1.2和1.3 g/cm3处理黑麦草根表面积、根长和根密度差异均不显著，但与1.4 g/cm3处理相比差异显著，且各指标值均大于1.4 g/cm3处理；1.3和1.4 g/cm3处理间黑麦草根径差异不显著，但显著高于土壤体积质量1.2 g/cm3处理(P<0.05)。

综上所述可知，固化剂对黑麦草根系生长有促进作用，且以固化剂用量0.15%较为适宜。土壤中施入一定量的N肥对黑麦草根系生长有促进作用，但施N量越大性价比不高。为保证黑麦草健康生长，应选择中低土壤体积质量，兼顾黄土边坡土壤抗蚀性，黄绵土体积质量以1.3 g/cm3较为适宜。

2.3 EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草WUE的影响

EN-1固化剂、N肥与土壤体积质量对黑麦草WUE的影响见图5。

图5 不同处理对黑麦草水分利用效率(WUE)的影响

从图5可以看出，不同处理黑麦草水分利用效率差异显著(P<0.05)，其中，G3N2R2处理水分利用效率最高，G2N2R3处理水分利用效率最低；相同土壤体积质量、相同N肥条件下，随着固化剂用量增加，黑麦草水分利用效率逐渐提高，但固化剂用量0，0.05%，0.10%处理间差异不显著，说明固化剂可以提高黑麦草水分利用效率，但固化剂用量较低时提高效果不明显；相同土壤体积质量、相同固化剂用量条件下，不同N肥处理间差异不显著；相同固化剂用量、相同N肥条件下，随着土壤体积质量增加，黑麦草水分利用效率逐渐降低，但1.2和1.3 g/cm3处理间差异不显著。

2.4 黑麦草各指标的相关性分析

对盆栽各处理黑麦草生物量及根系特征各指标(总生物量、根生物量、分蘖数、根表面积、根长、根径)进行相关分析，结果见表2。由表2可知，黑麦草总生物量与分蘖数、根长呈极显著正相关，与根表面积呈显著正相关；根生物量与分蘖数、根表面积呈显著正相关；分蘖数与根表面积、根长呈极显著正相关；根表面积与根长呈极显著正相关；其他各指标之间差异不显著。说明黄绵土土壤条件下，黑麦草生物量与根系各指标之间关系密切。

表 2 黑麦草各指标的相关分析

3 讨 论

本研究结果表明，黄绵土同一土壤体积质量条件下，不同固化剂用量处理对黑麦草株高、根表面积和根径等影响显著，且随固化剂用量的增加均呈先增后减的趋势，说明黑麦草生物量的增加不仅与EN-1固化剂有关，还与土壤物理性质密切相关。有研究表明，EN-1固化剂有利于改善土壤结构、增加土壤饱和导水率和有机质含量；但是随着固化剂用量的增大，土壤水分有效性和pH值降低，而且固化剂用量越大，降幅越大[8-10]。由此可见，无论土壤中是否施入N肥，并没有改变固化剂促进植物生长这一规律[12]。

土壤中施入N肥可以增加植物功能叶叶面积，提高叶绿素和可溶性蛋白含量，增大根干质量和不定根总长度，影响其他营养元素的吸收，最终达到提高植物生物量的目的，且随着N肥施用量提高，效果越显著[18-21]。本试验结果表明，随着N肥水平提高，黄绵土土壤环境下，黑麦草株高、根长、根表面积、根密度均有逐渐增大的趋势，同时也说明，土壤中加入固化剂并没有影响N肥对植物生长的促进作用，N肥与固化剂的交互作用不明显。有研究表明，施N量过高有可能降低某些植物(如黑麦草)的可溶性糖含量，导致土壤中微生物活性降低，不利于植物的生长，同时N肥利用率降低，成本提高且污染环境[22-26]。另外，N肥效果的发挥与降水、气温密切相关[27-28]，黄土边坡处于干旱、高温地带，N肥难以充分发挥其肥效。黄绵土土壤环境下不同N肥水平对黑麦草生物量影响差异不显著，说明N肥可以促进黑麦草的生长，但考虑到经济效益及长期施用的效果，N肥用量应根据土壤性质等综合确定，不同固化土壤环境条件下N肥适宜用量有待于进一步研究。从本试验结果来看，随着土壤体积质量增加，固化剂用量有减小的趋势，但固化剂并没有改变因土壤体积质量增加，土壤透气性变差带来的黑麦草生长受抑这一基本现象，说明固化剂用量与土壤体积质量存在一定的交互作用，但并没有改变土壤紧实对植物生长所带来的胁迫。

4 结 论

1)无论土壤中是否加入固化剂，N肥和土壤体积质量对黑麦草生长及水分利用效率均有影响。随着土壤体积质量增加，黑麦草株高、总生物量、根长、根表面积等均呈下降趋势，但在中(1.3 g/cm3)、低(1.2 g/cm3)土壤体积质量条件下差异不显著。随着N肥水平提高，黑麦草株高、生物量、根长、根表面积逐渐提高，但不同N肥水平间差异不显著。固化剂用量对黑麦草株高、根表面积和根径等影响显著，且均呈先增后减的趋势，但与固化剂用量不成正比。

2)黄绵土土壤环境下，土壤体积质量1.3 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化剂用量0.15%处理黑麦草根生物量最大，土壤体积质量1.2 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化剂用量0.10%处理黑麦草总生物量最大。

3)随着固化剂用量增加，黑麦草水分利用效率逐渐提高，但固化剂用量在0～0.10%差异不显著。土壤体积质量1.3 g/cm3、N肥用量200 mg/kg、固化剂用量0.15%处理黑麦草的WUE最高。

4)在兼顾土壤抗蚀与植物生长的情况下，建议黄绵土边坡土壤体积质量为1.3 g/cm3、固化剂用量为0.15%较适宜，N肥用量根据土壤性质等综合确定。

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