聚天冬氨酸施用量对胡杨幼苗功能性状和生长的影响1)

李春艳 汪琴 赵海涛 韩路 王海珍

(塔里木大学，新疆阿拉尔，843300)

水分是限制干旱区植物生长、生存的关键因子，直接决定植被恢复的成效。保水剂是一种通过改善植物根土界面环境[1]、供给植物水分的化学节水技术[2]，不仅能有效地改善土壤理化性质[3]、蓄持水肥，而且能增强植物抗旱性[4]、提高植物光合速率、水分利用率[3，5]和造林成活率[6]，其已在土壤改良[7]、水土保持[8]等方面展现出良好的应用前景。目前，市场上保水剂以聚丙烯酰胺类和丙烯酸类为主，还有较多利用聚多糖基(淀粉、纤维素、壳聚糖等)、氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸等)等材料接枝或聚合生成的保水剂[1]。但有些保水剂(如聚丙烯酸酯、阳离子型聚丙烯酰胺等)影响土壤质量(如孔隙堵塞、板结)[9]、难降解且残留物具有毒性(如丙烯酰胺单体)，对土壤环境造成二次污染[10]。聚天冬氨酸(PASP)是由天冬氨酸或马来酸酐经化学聚合得到的高分子氨基酸聚合物，因含有大量的亲水性羧基和酰胺基团可发生螯合反应，具有良好的水溶性、超强的吸附性、生物相容性及生物可降解性，是可彻底被生物降解的无毒无污染的环保新材料[2，4，11-12]。因而在干旱区植被恢复中，可在植物根系周围土壤中添加绿色聚天冬氨酸来代替会产生有害物质的保水剂，不仅可改良土壤质量、提高林木移栽成活率、促进林木生长与成林，还可解决土壤环境污染问题[10-12]。目前，环保型聚天冬氨酸保水剂大多应用在玉米、烤烟、黄瓜等粮经作物上且施用量、施用效果因作物种类不同而异[4，11-12，15-16]。然而，聚天冬氨酸保水剂在生态恢复中应用较少[6，17]，对其适宜用量、作用机理、水分调控机制、综合技术规范等缺乏深入研究，制约了聚天冬氨酸在农林业上的广泛应用与推广。因此，开展环保型聚天冬氨酸保水剂对荒漠植物生长的影响和施用方法、施用量及技术规程的研究，对指导干旱荒漠区节水抗旱造林和植被恢复具有重要意义。本文以塔里木干旱荒漠区建群种―胡杨幼苗为研究对象，对比分析根施不同聚天冬氨酸用量下胡杨幼苗功能性状和生长指标的变化，以期筛选和确定聚天冬氨酸保水剂在干旱区节水抗旱造林中的适宜施用量，为极端干旱区荒漠植被恢复和防风固沙林营建、保水剂的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

试验在新疆阿拉尔市塔里木大学农业试验站外围沙荒地进行，土壤类型为沙土，pH=8.74。选择当地乡土乔木树种2年生胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)幼苗为供试植物。试验用保水剂为北京化工大学提供的聚天冬氨酸(PSAP)，吸水(纯水)倍数为300倍[2]。

1.1 试验方法

试验采用完全随机区组设计，根施不同用量聚天冬氨酸保水剂，设置5个处理：对照(不施保水剂)、5、10、15、20 g/株。每小区种植4行，行长4 m，行距50 cm，株距50 cm，小区面积8 m2，每个小区栽植32株胡杨幼苗，重复3次。2019年4月13号移栽，挖30 cm深的栽植穴，按各处理保水剂用量拌沙施于胡杨幼苗根系周围，回填沙土，轻提苗并踩实，再覆土高于地表5 cm。当天移栽完成后立即充分灌溉，使根土密接，5月初再浇1次水；以后生长期不再浇水，自然生长，田间常规管理。

生长指标测定。2019年5月1日各小区随机选择10株幼苗挂牌标记，用米尺测量株高，游标卡尺测量地径并做好标记。生长中期、后期分别于7月18日、9月25日分别测量株高，地径和当年生小枝长。

植物功能性状与生物量测定。2019年8月25日各小区随机选择5株幼苗，每株剪取中上部当年生小枝3个，装入自封袋带回实验室放入冰箱保鲜层中储存，全部样品在12 h内测完。计数每个小枝上的叶片数，用游标卡尺测量叶主脉两侧约2 mm处的厚度(每叶2个点)，平均值即叶厚度。用扫描仪扫描获得每个小枝上的叶片图像，再用Image J软件测量出每个小枝上的总叶面积，使用电子天平(万分之一)称量上述叶片鲜质量，再置于烘箱中80 ℃、48 h烘干至恒质量，称取总叶干质量。同时，用米尺测量小枝长度并称其鲜质量，80 ℃烘干称取小枝茎干质量。于10月3号，地上与地下生物量分别采用收获法、人工挖掘法，带回实验室80 ℃、48 h烘干至恒质量，称量地上与地下生物量。

叶水分生理指标测定。选用各小区测定功能性状的5株幼苗，每株剪取植株中上部当年生小枝中部10个叶片装入自封袋中。迅速带回实验室称鲜质量，再置于盛清水烧杯中黑暗吸水24 h至饱和，取出用吸水纸擦干后称取饱和鲜质量，放入烘箱80 ℃烘至恒质量，称干质量。计算叶片含水量、相对含水量、相对水分亏缺[20]及叶干物质含量(LDMC)[18]。植物功能性状与水分生理指标计算参照文献[18-20]，公式如下：

叶面积=总叶面积/叶片数，

(1)

叶干质量=总叶干质量/叶片数，

(2)

比叶面积=总叶面积/总叶干质量，

(3)

叶组织密度=总叶干质量/(叶面积×叶厚)，

(4)

出叶强度=叶片数/小枝干质量，

(5)

叶面积比=总叶面积/小枝茎干质量，

(6)

叶茎质量比=总叶干质量/小枝茎干质量，

(7)

叶干物质质量分数=叶干质量/叶饱和鲜质量，

(8)

相对水分亏缺=[(叶饱和鲜质量-叶鲜质量)/(叶饱和

鲜质量-叶干质量)]×100%。

(9)

叶绿素质量分数测定：剪取上述各处理5株当年生小枝中部叶片并剪碎，置于体积分数80%丙酮的100 mL容量瓶中，黑暗保存48 h至叶片褪绿，取出过滤，采用分光光度法测定叶绿素质量分数。叶绿素a、叶绿素b与类胡萝卜素质量分数计算参照文献[20]。

土壤质量含水量的测定：与植物功能性状测定同步，各处理随机选择5株幼苗，在距幼苗主茎10 cm处用土钻分别钻取0～20、20～40 cm土壤，装入铝盒带回实验室烘干。

1.2 数据处理

计算不同保水剂用量胡杨幼苗各测定指标的算术平均值和标准差，利用单因素方差分析(ANOVA)和Duncan法检验各处理间测定指标的差异性；利用线性、非线性回归的方法建立胡杨幼苗生长指标与保水剂用量的函数关系，筛选最优方程，求极值。统计过程采用SPSS 19.0完成，用Origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 保水剂不同用量下胡杨幼苗叶片和土壤含水量的变化

表1可见，在土层(d)0

表1 不同处理下幼苗叶片和土壤含水量的变化

胡杨幼苗叶片含水量、相对含水量均随保水剂用量的增加而增大，于15 g/株处理达最大，之后则降低；而对照相对水分亏缺则最高，15 g/株处理的相对水分亏缺最低。15 g/株处理叶片含水量、相对含水量分别比对照高18.39%、19.49%，相对水分亏缺则比对照低26.22%。15、20 g/株处理叶片含水量与5、10 g/株、对照之间差异显著(P<0.05)，4种处理叶片相对含水量与对照差异均显著(P<0.05)，15、20 g/株处理相对水分亏缺与对照的差异显著(P<0.05)。表明15、20 g/株处理能明显提高胡杨幼苗水分含量，减轻干旱缺水对胡杨生长的不利影响。

2.2 保水剂不同用量下胡杨幼苗叶功能性状的变化

表2可见，胡杨叶面积、比叶面积、叶干质量、叶干物质质量分数随保水剂用量增加而增大，除比叶面积外均于15 g/株处理达最大，之后随施用量增大而降低；叶厚度、叶组织密度则呈相反变化，对照则最大。15 g/株处理叶面积、叶干质量、叶干物质质量分数分别比对照高31.80%、17.73%、16.00%，叶厚度、叶组织密度分别比对照降低38.99%、31.46%；10 g/株处理比叶面积最高，比对照高20.32%。方差分析表明，除叶干质量外，15 g/株处理叶面积、比叶面积、叶干物质质量分数、叶厚度、叶组织密度均与对照差异显著(P<0.05)，10、20 g/株处理比叶面积、叶组织密度、叶干物质质量分数与对照差异显著(P<0.05)。表明随保水剂用量增加，胡杨幼苗光合面积、捕获与利用光能及制造光合产物的能力逐步提升，而20 g/株处理则有所降低。

本文用出叶强度、叶面积比、叶茎质量比来表征展叶效率[19]，反映植株光捕获效率和光合效率。表2可见，胡杨幼苗出叶强度、叶面积比、叶茎质量比均随保水剂用量的增加而增加，于15 g/株处理达最大，之后则降低，4种处理展叶效率均高于对照。方差分析表明，除叶茎质量比外，15 g/株处理出叶强度、叶面积比与对照差异显著(P<0.05)，10 g/株处理叶面积比、20 g/株处理出叶强度与对照差异显著(P<0.05)。15 g/株处理出叶强度、叶面积比、叶茎质量比分别比对照高42.62%、39.47%、5.95%，反映出单位质量茎所支撑的叶数量和叶面积增大，光能捕获效率增强。

表2 不同处理下胡杨幼苗叶功能性状的变化

2.3 保水剂不同用量下胡杨幼苗光合色素质量分数的变化

表3可见，胡杨幼苗叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素与类胡萝卜素质量分数均随保水剂用量增加而增大，至20 g/株色素质量分数略有降低。4种保水剂用量叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素与类胡萝卜素质量分数均与对照差异显著(P<0.05)，15、20与5 g/株处理间显著差异(P<0.05)。15 g/株叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素与类胡萝卜素质量分数最高，分别比对照高56.29%、83.74%、61.63%、55.39%。表明施用保水剂能提高胡杨幼苗叶片光合色素质量分数，有利于增强胡杨光能捕获和光合效率，其中15 g/株效果较好。

表3 不同处理下胡杨幼苗光合色素质量分数的变化

2.4 保水剂不同用量下胡杨幼苗生长量的变化

表4可见，幼苗株高、地径和当年生小枝长度、直径、总叶面积、生物量均随保水剂用量增加而增大，至15 g/株达最高，分别比对照高36.37%、38.25%、23.74%、18.61%、69.07%、44.77%，总叶面积增幅最大。除5 g/株处理外，5个生长指标均与对照差异显著(P<0.05)。15 g/株处理株高、地径与其它3种处理差异显著(P<0.05)，且其总叶面积、小枝生物量与5 g/株处理间差异显著(P<0.05)。4种处理幼苗地上生物量与整株生物量均与对照差异显著(P<0.05)，15 g/株处理地上、整株生物量最高。

表4 不同处理下胡杨幼苗生长量的变化

表5可见，4种处理株高、地径和小枝长度绝对生长速率、相对生长速率均高于对照，其中15 g/株处理株高、地径绝对生长速率和地径相对生长速率与对照差异显著(P<0.05)，但4种处理之间无显著差异(P>0.05)。15 g/株处理株高、地径和小枝长度绝对、相对生长速率均最高，分别比CK高56.01%，47.34%，23.72%；9.68%，42.86%，5.07%，表明15 g/株处理对胡杨幼苗生长最有利，枝叶和生物量增幅最大。

表5 不同处理下胡杨幼苗生长速率的变化

2.5 胡杨幼苗生长指标与保水剂用量的关系

图1可见，采用线性、非线性回归方法对9个反映胡杨幼苗生长状况的指标与保水剂用量进行拟合，结果显示一元二次方程效果最优(R2最大，P<0.01)。通过对一元二次方程求导，得出曲线拐点，即保水剂的最佳用量为12.42～15.52 g/株。对9个生长指标的峰值对应的保水剂用量求平均值，得出根施最佳保水剂用量为13.7 g/株。

图1 保水剂不同用量与胡杨幼苗生长的关系

3 结论与讨论

聚天冬氨酸(PASP)是一种吸水、保水能力强的新型环境友好型保水剂，既能完全降解又具有螯合功能，降解产物能促进植物生长发育，已应用于干旱半干旱区农林种植[3-4，10-12，15-16，21]。研究发现，根施聚天冬氨酸保水剂能提高土壤含水量，减轻水分胁迫而改善植物水分状况，进而提高叶片含水量和光合色素质量分数、叶片光合面积，从而提高幼苗光能捕获利用效率和光合碳同化能力，促进幼苗生长，这与王婷等[6]、曹本福等[11]、黄毅等[12]、姜雯等[21]研究结果一致。因为聚天冬氨酸保水剂能将水分、养分富集到农作物根系的周围[11-12]，增强根系吸水能力[21]而促进植物生长，且生长过程中缓慢释放水分而减轻水分限制，且其分解过程中释放氨和CO2，提高土壤养分含量及养分吸收[2，11-12，15]，从而促进光合色素合成、叶面积扩大、资源获取及增加碳同化产物。其中15 g/株处理胡杨幼苗叶片含水量、光合色素含量、叶面积、比叶面积、叶干物质量和展叶效率最高，相对水分亏缺最低，而20 g/株处理则出现降低，这可能由于保水剂施用量过多时，保水剂颗粒吸水膨胀后会阻塞土壤孔隙，降低土壤通透性使得土壤水的分配能力下降，抑制土壤中水分运动和根系活动，植物吸收水分、养分量相对减小[22]，从而抑制了根系与地上部分生长。表明保水剂用量增加并不总能促进植物生长、提高资源获取效率和干物质生产。可见，根施15 g/株保水剂显著提升干旱荒漠区土壤持水保水能力，提高了胡杨幼苗光合面积、光合色素质量分数与光能捕获利用效率，从而增加干物质生产。

施用保水剂可降低土壤密度、改善土壤结构，提高植物光合速率和水分、养分利用效率，促进植物生长发育和增产[2，4，6-7，11-12，15]。本研究发现，根施聚天冬氨酸保水剂能促进胡杨幼苗株高、地径生长速率，提高叶面积和增加地上、整株生物量。这是由于聚天冬氨酸保水剂可增加物理性粘粒含量和水稳性团聚体、改善土壤结构[7-8，23]和提高土壤总孔隙度及持水能力[8]，且通过羧基、酰胺等基团富集和活化根部土壤养分，抑制了氨挥发和减少了磷的固定与沉积，从而达到缓解干旱，增强作物对肥料、水分的吸收，促进幼苗生长发育[4，11-12]。但保水剂不同用量对胡杨幼苗生长的影响存在差异，施用量为15 g/株时幼苗株高、地径和当年生小枝长度、生物量、总叶面积均达到最大；施用量为20 g/株时幼苗各项生长指标均有所降低，表明保水剂施用量偏大时，影响胡杨幼苗对水分、养分吸收及其生长，这与前人研究结果相一致[11-12，15]。分析其原因可能是聚天冬氨酸为多肽高分子聚合物，其羧基、酰基和酰胺基具有极强的螯合、分散、吸附等能力[12]，吸附较多养分而增强了保肥性[23]；当聚天冬氨酸用量超过一定量时，吸水量越多，养分吸持量就越高，土壤中的水分、养分在团聚体运移而使土壤中含水量降低[23]，导致植物生长所需水分、养分无法满足植物生长。此外，保水剂吸水、蓄水能力除与保水剂性质、粒径、施用量、土壤质地等有关外，还受土壤水溶液离子浓度的影响，尤其南疆土壤普遍含盐、pH值较高，影响了其吸水性能，施用量明显高于黄毅等[12]报道结果。利用线性、非线性回归方法对胡杨幼苗生长指标与保水剂用量进行拟合，筛选出保水剂适宜用量为12.42～15.52 g/株。因此，干旱区根施聚天冬氨酸保水剂用量合理范围为12.42～15.52 g/株，其能吸附、保蓄较多的土壤水分，有效缓解干旱缺水对幼苗生长的伤害，促进胡杨幼苗正常生长发育。本试验结果为干旱荒漠区利用聚天门冬氨酸保水剂开展荒漠植被恢复提供了一定的理论依据，但由于试验设计和条件的限制，对于是否存在更合适的聚天门冬氨酸用量以及施用方式、次数均有待进一步开展研究。根施聚天冬氨酸保水剂能提高土壤、叶片含水量，提高幼苗叶片光合色素质量分数和光能捕获利用效率，促进枝叶生长和干物质生产。干旱荒漠区节水抗旱造林实践中，聚天冬氨酸保水剂适宜施用量为12.42～15.52 g/株。