沙地赖草苗期建植与根系发育影响因素研究

姚海燕,2，肖宗伟，张培珠，李 佩，梁小利，何文兴

(1. 济南大学 生物科学与技术学院，山东 济南 250022；2. 山东省无棣县土壤肥料工作站，山东 无棣 251900)

草原沙漠化是土壤退化的一种特殊现象，因过度放牧、滥采等人为活动，再加上干旱、多风等气象因素共同作用，使得原生植物遭到破坏，土壤质量下降，最终导致草原沙漠化[1-2]。草地沙化已经成为日趋严重的全球性问题。目前中国约有90%的天然草地已经或者正在经受着不同水平的退化和沙化，并且仍在以每年约1.5×106hm2的速度在减少，因此，防止草地进一步沙化以及对沙化草地的恢复，是一项时效性要求很高的课题。赖草(Leymussecalinus)是典型的多年生根茎型禾草，以克隆生殖为主要的繁殖方式，不仅具有很强的抗逆能力，而且具有较高的饲草应用价值[3]，分布范围广，是用于植被恢复的优质备选牧草之一[4]，尤其适合于流动、半流动沙丘、裸沙斑块植被恢复。赖草作为防风固沙、水土保持及植被恢复常用材料之一，尽管其成株具有很强的抗逆性，但是幼苗期的存活率非常低，对外界抵抗能力较弱，因此，研究赖草幼苗在沙地中的定植情况以及影响其定植与根系发育的因素，对于解决退化、沙化草地植被恢复具有重要的意义。选择适宜的定植期，不仅对移栽植成活率有重要影响，而且对种苗后期生长发育起决定性作用。

本文中通过设置不同氮磷比例、营养浓度、光周期和干旱交替等不同处理，初步研究了影响赖草定植及根系发育的影响因素，旨在为沙化草地植被恢复尤其是赖草实生苗移栽定植实验奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1 实验材料及制备

实验所用赖草种子来自内蒙古农业大学牧草研究室，育苗用50 cm×50 cm×30 cm(长度×宽度×高度)塑料盆，盆底在塑料隔板上铺上尼龙布，在盆里铺厚度为20 cm左右的细河沙，平整后将籽粒饱满种子播撒在沙子上，播种深度0.5～1 cm，浇水保持沙子湿润，置于25 ℃条件下发芽。待幼苗生长至三叶期末时进行实验处理，挑选植株健壮、无病虫害、生长状态基本一致的幼苗材料，将其移栽至另外的相同大小的塑料盆中，盆中铺25 cm厚沙子，每盆种植24株，共4行6列，行距为8 cm，列距为5 cm，种植深度为2 cm，浇水至浸透沙子，置25 ℃、12 h光照温室中培养1周，期间每隔3天浇水一次，每次、每盆浇水1 000 mL。

1.2 实验处理

实验于温室(约25 ℃)中进行，设置了氮磷含量比例、营养浓度梯度、光周期和干旱交替4种处理。

1.2.1 氮磷含量比例处理

采用氮肥和磷肥2种肥料共同处理赖草幼苗，4种处理组合见表1。

实验中施用的氮肥(N的摩尔分数为46%)、磷肥(P2O5的摩尔分数为12%)和复合肥(氮 ∶磷 ∶钾的物质的量比为 1 ∶1 ∶1，摩尔分数为40%)均为固体肥，将肥料磨成粉末用于施加(实验中忽略培养基沙子自身所含养分)。经预实验所得出的最适氮肥16 g/m2,磷肥80 g/m2，所以适量氮、磷肥施加量分别是4、20 g。为了研究过量施肥对根系发育的作用，设定过量的施肥为适量的2倍，即过量氮、过量磷施加量分别是8、40 g。肥料处理每2周1次，处理3次，每隔3 d浇水1次，每次1 000 mL，每种处理组合一盆材料，置于25 ℃、12 h光照温室内培养。

表1 肥料处理

1.2.2 营养浓度梯度处理

营养梯度采用固体复合肥(N ∶P ∶K物质的量比为 1 ∶1 ∶1，摩尔分数为40%)料进行处理，设置了3个梯度分别是高、中度、低营养，即施加量为8、4、1 g。每隔2周施肥处理1次，共处理3次，每隔3 d浇水1次，每次1 000 mL，置于25 ℃、12 h光照温室内培养。

1.2.3 不同光周期处理

光周期设置2组，分别是8、12 h光照，在处理的过程中不予以施加任何肥料，并每隔3 d浇水1次，每次1 000 mL，分别置于25 ℃、8 h和25 ℃、12 h光照条件下培养，与其他3组处理条件的材料同时收获。

1.2.4 干旱交替处理

一组正常浇水，每隔3 d浇水1次，每次1 000 mL；另一组采取干旱交替处理，2周浇水1次，水量与正常浇水量相同(1 000 mL)，根据其叶片和沙子含水量判断其程度，保持两者其他条件一致，置于25 ℃、12 h光照温室内培养，与其他3组同时收获。

温室内培养光照以日光灯为光源，所有实验材料在处理7周后进行收获，测定各项指标。

取样测定单株各项数据指标。首先，取出的植株用清水将根部的沙子洗净，吸水纸吸干水分后分别测定地上、地下长度以及根的数量；然后将根系与地上部分用剪刀分开，分别称取鲜质量mf；之后，将植株放入烘箱中105 ℃杀青30 min，72 ℃条件下烘干72 h至恒重；最后，称取干质量md。

1.3 数据测定

1.3.1 根长和株高测定

随机取10株完整的赖草实生苗，测定其根长和株高。

1.3.2 侧根数量的测定

随机取10株赖草实生苗，测定其侧根的数量。

1.3.3 地上、地下部分含水量测定

随机取10株完整的赖草实生苗，分别剪取地上、地下部分称取鲜质量(mf),放入烘箱于105 ℃杀青30 min；然后，72 ℃烘72 h至恒重，称取干质量(md)。含水质量分数wH2O的计算公式如下：

(1)

1.3.4 根冠质量比的测定

根冠质量比(简称根冠比)为赖草地下部分的鲜质量与地上部分的鲜质量之比。

1.4 数据分析

所得的数据用SPSS18.0和Microsoft Excel 2010进行作图统计与分析，分析采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著性差异法(LSD)进行显著性差异检验(显著性水平α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对叶片含水量和根冠比的影响

植物叶片含水量是反映植物生长状况的重要指标。不同实验处理后赖草幼苗叶片和根系相对含水量以及根冠比的数据见表2。由表中数据可以看出，除了干旱处理组，其他组根冠比都没有显著性差异。干旱交替处理条件下的根冠比显著大于正常浇水组的根冠比(α<0.05)。光周期和营养梯度处理组的叶片相对含水量都没有显著性差异(α>0.05)，且2组的叶片相对含水量远高于其他2组的。营养梯度组中低营养条件下相对含水量最高，(质量分数，以下同)为75.01%，光周期组中8 h光照条件下叶片相对含水量最高，为74.91%。干旱交替处理条件下的叶片相对含水量为17.30%，显著低于正常浇水条件下的65.06%(α<0.05)。赖草幼苗在过量氮处理条件下，叶片相对含水量显著低于适量氮的处理(α<0.05)，而适量氮、过量磷处理的赖草幼苗，其叶片含水量显著低于适量氮、适量磷处理的叶片相对含水量(α<0.05)。干旱胁迫条件下其根系相对含水量最低，为17.11%，显著低于正常浇水条件下为26.89%的相对含水量。过量氮、过量磷处理情况下根系相对含水量显著高于适量磷的2种处理(α<0.05)。高营养和适度营养处理下的根系相对含水量显著高于低营养条件下赖草的(α<0.05)。12 h光照条件下赖草根系相对含水量为35.13%，8 h光照条件下26.73%，两者具有显著的差异(α<0.05)，说明干旱处理和过量氮肥处理会影响地上部分的生长。

表2 不同实验处理对叶片相对含水量和根冠比的影响

2.2 不同氮磷比对根系发育的影响

氮、磷是根系和植株生长必需元素。图1为不同氮磷比处理后赖草根长和侧根数的变化。从图中可以看出，过量氮处理条件下赖草幼苗根长度、侧根数比适量氮组中都显著低很多(α<0.05)。过量氮、过量磷处理条件下与过量氮、适量磷处理条件下根长度存在显著差异，过量氮、过量磷处理的根长度更短(α<0.05)，为2.8 cm。分析原因，可能是过量氮对赖草幼苗根系的发育产生了抑制，而磷可以在一定限度内对氮的抑制作用具有缓解的作用。

同时，适量氮磷处理的赖草材料中出现了根茎和分蘖，而在其他处理中并没有出现。

(a)根长度(b)侧根数量ONOP—过量氮、过量磷;ONMP—过量氮、适量磷;MNOP—适量氮、过量磷;MNMP—适量氮、适量磷;不同小写字母表示处理间差异显著(α<0.05)。图1 不同氮磷比处理后赖草根长和侧根数的变化

2.3 营养浓度梯度对根系分化的影响

图2为不同营养梯度下赖草根长和侧根数的变化。从图中可以看出，赖草根长随着低营养到高营养呈现显著的递增趋势，高营养浓度处理条件下赖草幼苗各项测定指标都显著比其他条件下高(α<0.05)，高营养条件下平均根长度为16.57 cm，而低营养条件下根长度仅为7 cm，差异显著(α<0.05)，而且在高营养和中度营养实验处理中，幼苗分化出根茎及分蘖，而低浓度营养处理组并没有分蘖和根茎产生。高营养处理组中无论是分蘖芽的大小还是数量，均比中度营养要发育要好；赖草幼苗长势与其他2组相比，茎杆更粗壮，根系更发达。

2.4 干旱交替胁迫对根系发育的影响

图3为干旱处理对赖草根长和侧根数的影响。可以看出，干旱交替处理对赖草幼苗的生长有显著的影响。干旱交替处理条件下赖草幼苗的根长度与侧根数显著小于正常浇水组(α<0.05)，其最小平均根长度为4.73 cm，平均侧根数为8.2。另外，在2种处理条件下没有发现分蘖和根茎出现的植株，说明干旱交替处理会抑制根系发育和分蘖、根茎的产生。

(a)根长度(b)侧根数量不同小写字母表示处理间差异显著(α<0.05)。图2 不同营养梯度下赖草根长和侧根数的变化

(a)根长度(b)侧根数量不同小写字母表示处理间差异显著(α<0.05)。图3 干旱处理对赖草根长和侧根数的影响

2.5 不同光周期对根系发育的影响

图4为不同光周期对赖草根长和侧根数的影响。从图中可以看出，12 h光照处理的平均根长度为13.13 cm，8 h光照处理的平均根长为7.69 cm，两者差异显著(α<0.05)。12 h光照处理下平均侧根数为6.7，明显多于8 h光照的侧根数(α<0.05)。同时发现，12 h光照时赖草幼苗的根系发育明显快于8 h光照处理组，12 h光照处理下赖草幼苗根部开始有分蘖芽和根茎的产生，且根数和长度明显比8 h光照下的数值大。另外，12 h光照下赖草幼苗的长势比8 h处理组好。

(a)根长度(b)侧根数量不同小写字母表示处理间差异显著(α<0.05)。图4 不同光周期对赖草根长和侧根数的影响

3 讨论与结论

3.1 营养对赖草幼苗发育的影响

根系是植物吸收水分和无机养分的重要器官，其发育程度也是衡量植物健壮的重要指标[5]。与成株相比，赖草处于幼苗期时，其长势弱，当环境剧烈变化或者出现逆境胁迫时，幼苗易死亡，而幼苗根系发育的快慢，是决定其能否快速定植并适应环境变化及逆境的重要指标。

过量氮、过量磷处理赖草幼苗后，在一定程度上限制了赖草幼苗根系的生长，尤其是当两者同时过量时根的生长受到严重影响，此时的根长度和侧根数量较正常处理组都显著减少，根长度是2.8 cm、侧根数量为6；氮、磷过量处理组地上、地下干湿质量也明显减小。过量氮、过量磷的处理显著降低了叶片的相对含水量，为23.05%。Malamy等[6]研究发现高碳氮比抑制根系发育，尤其是侧根的发育。在适量氮、磷处理下，赖草实生苗会发育出根茎及分蘖，说明过量的氮供给会抑制分蘖、推迟根茎的产生。Zhang等[7]的研究也发现高氮处理会抑制侧根的伸长生长。总之，在生产实践中，赖草幼苗期要适量控制施加氮肥，过量的氮不仅会抑制赖草幼苗根系的生长，而且也会有损土壤的质量。而在根系含水量上，过量氮和适量氮处理组中，在施用过量磷肥时，根系含水量要高于适量磷的含水量，在株高上的表现也是一样，其原因可能是过量的磷虽然抑制根系的发育，但是具有保持根系水分和促进地上部分生长的效应，这种效应在梁银丽等[8]在氮磷对小麦根系生理特征的研究中也得到了证实，高磷可以提高土壤水势，而高氮情况下却会降低土壤水势。Borch等[9]对菜豆的研究发现，缺磷条件下菜豆的侧根长度、数目和总根长度减小，但是不影响主根的长度。据此可以推断主根的长度受到氮的影响，而过量的磷可以增加幼苗的含水量，同时促进植物地上生物量的累积。

对赖草幼苗发育而言，与单纯提高氮肥、磷肥相比，在施用复合肥时，提高营养供给，对其生长具有重要的促进作用。随着营养供应量的增加，赖草幼苗地上、地下生物量都相应增加，高营养处理的赖草幼苗其根长、株高与侧根数都显著增加，说明适当提高均衡的营养供给，可以促进根的生长及侧根的发生，以及分蘖和根茎的产生，同时也可促进地上和地下生物量的合成。

3.2 干旱交替处理对赖草根系发育的影响

根系是植物水分吸收的重要器官。研究表明，植物的根系越发达其吸收水能力越强，抗旱能力也越强[10]。实验通过对赖草幼苗干旱交替胁迫，发现其根长度和侧根数量尽管显著减小，但根冠比却增大，且根系相对含水量显著低于正常浇水处理的，叶片相对含水量也显著降低，为17.30%。Smucher等[11]发现，土壤水分减少会使得根冠比增大，这与本实验的研究结果一致。干旱交替处理的根冠比要显著大于正常浇水的根冠比，说明地上生物量显著的减少。干旱交替处理和正常浇水之间的株高差异不显著，可能是干旱处理一段时间后再施加水分，导致幼苗的补偿生长，株高差异不显著。除了这种形态学的变化外，干旱胁迫还会造成脯氨酸[12]、抗氧化酶类超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等[13]的积累，但是重度胁迫会使抗氧化酶的作用减弱或消失[14]，因此，考虑为了使赖草幼苗能在沙化草地成功定植、维持后续旺盛生长，需要在苗期适当控制基质水分，以促进根系发育，即在适度干旱处理与及时补充水分之间掌握好平衡，最终保障赖草存活并完成株系繁殖。

3.3 光周期对赖草幼苗发育的影响

光是植物生长不可缺少的非生物因素，其对植物的影响作用机制也十分复杂。许多植物的生长受到光周期的影响，光周期不同植物发育的进程也会随之改变。通过对赖草幼苗进行不同光周期处理实验，发现长日照处理可以显著促进赖草根长的延伸，同时也增加了地上、地下生物量。有研究发现，适当延长光周期可以促进甜椒的生根[15]；也有研究发现，缩短光周期可以促进稻苗根系的伸长[16]。光周期对幼苗生长的调控，可能是通过光刺激使植物体内生长调节物质受到光周期的调节，进而影响植物根系吸收营养物质的能力实现的[17]。另外，光周期的适当延长有助于光合作用，使植物体内的营养物质有更多积累，生物量更高，因此在生产实践中，尤其是人工草地建植和沙化草地植被恢复中，可以综合考虑各项气象因子，在光照充足的季节进行种苗建植有利于其定植和生长。

为了实现赖草幼苗成功在沙化草地定植，并维持旺盛的后续生长，需要根据具体生产实践情况，在苗期适量的施加矿质肥料，控制光照时长和基质中的水分含量，从而有效促进根系的发育，为赖草后续营养生长和生殖生长奠定基础。