不同种植方式下对土壤厚度和水分减少的响应探究

孙源

（淮安生物工程高等职业学校，江苏 淮安 223001）

植物的生理生化过程会产生底物与能量，植物在光合作用下对空气中的CO2产生同化作用，得到自身生长需要的碳，利用根系在土壤内吸收氮、磷为生物分子的一部分。上述3 种元素是植物生长期间必要的营养元素，也是细胞结构物质的一部分，对于植物生长及生理生化调节具有非常重要的意义。根据现有研究发现，植物对碳、氮、磷3 种元素的代谢与循环进行调节，可以改善元素吸收、积累机制，从而快速适应环境变化。要想实现植物健康生长，需要探讨不同种植方式与营养元素对于植物生长期间土壤、水分的要求。

1 不同种植方式下两种植物营养元素适应的必要性

处于干旱条件下，植物吸收与运输养分的效果会受到影响，其中氮与磷两种元素含量与积累量减少，使植物体内各个器官中所有的营养元素分配发生变化。此时如果土壤浅薄，将会降低土壤内部养分总量[1]。因为浅薄土壤无法有效保水，水分蒸发比较快，将会加重干旱，降低植物中营养元素积累量。

例如我国西南部很多地区存在岩溶干旱、土层厚薄不均的现象，导致植物生长受到严重限制。水分与土壤资源少，分布均匀性差。但是当地生长植物形态却具有很强的可塑性，而且生理调节能力高，可以规避环境中一些不良因素的干扰，使植物适应性得到提升。这些地区所有适生物种角质层、蜡质层厚，表皮毛、根系相对发达，根冠比、水分利用率高，而且具有较强的渗透调节性与抗氧化保护性能。然而若想提高有限资源的利用率，需要考虑到当地植物的生态位分化现象，即利用生态位互补的方式，规避资源缺失带来的共存物种抑制性。

基于以上分析，同时结合现有研究，采用混种方式种植深根植物苇状羊茅、浅根植物黑麦草，总生物量、地面生物量并未受到明显影响。换言之，两种植物不存在显著的竞争效应[2]。但需要注意的是，土壤与水分资源一旦减少，必然会导致两种植物地下竞争。建议采取差异化生长策略与生理策略，前者如根系生长与生物量分配，后者如光合调节与水分利用，帮助植物快速适应不利的生长环境。

2 基于不同种植方式的两种草本植物的碳、氮、磷3 种营养元素对土壤厚度和水分减少的响应试验

2.1 试验准备

2.1.1 试验参数

开展种植方式对不同草本营养元素影响的试验，选择深根植物苇状羊茅、浅根植物黑麦草进行分析。试验土壤选择黄色石灰土，其理化性状如下：pH 值为7.4，有机质0.34%，全氮0.28 g/kg，全磷0.39 g/kg，全钾23.7 g/kg，田间持水量39.8%。试验过程中涉及土壤厚度、水分、种植方式，主要采用随机方式进行设计。

2.1.2 试验容器与样品

试验准备阶段，选定土壤厚度（T）为对照土壤厚度与浅土，对照土壤厚度为15 cm，用TCK 表示，浅土厚度为5 cm，用TS 表示。试验采用两种厚度不同的自制栽培容器，依次在容器中放入重量分别为1 500 g、500 g 的干土。

试验人员选择长势与大小相同、株高20 cm 的幼苗，将其移栽到容器内，放置在透明雨棚内。试验分别采用单种、混种两种方法，每盆移栽两株，确定所有幼苗存活且已经适应环境后开始试验，并进行水分处理。按照所在地区降水量以及试验容器的规格，计算得出日平均降水量，并作为对照水分处理的依据。此次试验在已有对照水平的基础上再减少70%水分，将其作为干旱处理依据，确定水分胁迫为中度干旱胁迫。当水分处理已经进行69 d时，试验人员每间隔3 d 浇水1次，共浇水22 次。

2.1.3 采集土样与测定结果

不同类型的土壤厚度与水分处理，需要提前设置好无植物生长空白处理条件，期间需开展水分处理，为土壤含水率测定提供参考。一般在水分处理之前，试验人员采取5 点取样法采集土样，并应用称重法测定土壤含水量。对照组与浅土组土壤含水量经过测定，结果依次是21.5%、20.8%，为偏湿生境。干旱组与浅土、干旱组土壤含水量经过测定，依次是9.0%与7.5%，为中旱生境。

2.2 试验过程

2.2.1 样品处理与测量

试验人员分别在地上与地下采样，将植物地上部分与根系放置在温度为80 ℃的烘箱内，完全烘干之后使用球磨仪研磨处理，研磨后放入干燥箱中。随后处理剩余的植株，由试验人员观察植株生长情况，并使用直尺测量。此环节建议采用数字化扫描仪与根系分析系统，检测得出植株的叶面积与总根长。

2.2.2 测定

测定过程中，试验人员称取0.005 g 粉末作为样品，将其用锡纸包裹后，使用元素分析仪检测碳、氮两种元素百分比含量，换算之后便可得知两种元素的具体含量。此环节结束后，试验人员再次称取0.05 g 粉末，放在消解罐内，同时罐内放入2 mL 双氧水、6 mL硝酸，应用微波消解仪消解样品粉末。消解之后的样品粉末转移到50 mL 离心管内定容，利用离子体发射光谱仪，检测得到磷元素浓度，以此为依据得出磷元素的含量。

2.2.3 计算

试验人员根据公式（1）和公式（2）计算得到器官营养元素积累量和根系营养分配比，作为后续试验的参考。

2.2.4 试验数据分析

试验人员可采用双因素方差分析法，获取土壤厚度、种植方法、水分与种植方法、土壤厚度+水分与种植方法等，分析在试验中深根植物苇状羊茅、浅根植物黑麦草中碳、氮、磷元素面临的影响。另外，建议应用独立样本检验法，在土壤厚度、水分处理相同的情况下，面对相同物种，使用差异化种植法，观察差异显著性。此次试验中涉及的数据应用SPSS 22.0 软件进行分析。

2.3 试验结果与分析

根据试验结果，分别从植物生长情况、不同营养元素含量与积累量、营养元素分配-根系营养元素分配比几个方面进行分析。

2.3.1 植物生长情况

深根植物苇状羊茅、浅根植物黑麦草的生长情况见表1。可以确定的是，不管采用单种种植还是混种种植，苇状羊茅与黑麦草测定得出的株高、总根长与叶面积等，分别在浅土、干旱、浅土+干旱的条件下进行处理，其降低程度存在显著差异。

表1 苇状羊茅与黑麦草生长参数

基于不同的资源水平下，苇状羊茅与黑麦草株高、叶面积，无论是单种还是混种，均没有明显差别。其中混种方法下的对照水平苇状羊茅总根长比单种更高。如果处于低资源水平，苇状羊茅与黑麦草显著低于单种，或与单种没有明显差异。黑麦草总根长处于不同资源水平条件时，采用单种与混种没有显著差异。

2.3.2 不同营养元素的含量

试验中观察不同营养元素含量，主要有下面3 种情况。一是采用单种和混种方法，苇状羊茅地上部分碳含量处于低资源水平时呈显著增加状态，根系碳含量没有明显变化。二是对照资源水平条件下，采取混种方法的苇状羊茅地上部分碳含量高于单种6.6%，根系碳含量和单种没有显著差别。三是处于低资源水平时，采用混种方法的苇状羊茅地上部分、根系的碳含量，只是在干旱组时存在显著高于单种方法的情况。

另外，试验中发现，单种、混种这两种种植方式，黑麦草地上碳含量位于低资源水平时显著低于对照组；根系碳含量和对照组相比，两者之间没有显著差异。基于对照资源水平，采用混种的黑麦草地上部分碳含量和单种相比，两者并无显著差异，根系碳含量与单种方法相比，增加2%左右。处于低资源水平时，黑麦草地上与根系的碳含量，无论是单种还是混种，均没有显著差异。根据上述分析，苇状羊茅地上碳含量只是在T、种植方法（PP）存在交互作用时存在显著差异，而根系碳含量只是在水分处理（W）、PP交互作用条件下存在显著差异。对比黑麦草，地上与根系两个部分的碳含量，处于T 与PP、W 与PP、T+W 与PP交互作用条件下，都没有显著差异。

测定氮含量时，采用单种与混种两种方法，种植于浅土的苇状羊茅、黑麦草两种植物，地上与根系的氮含量呈显著降低状态，干旱与浅土+干旱处理这两种处理条件下显著增加。基于不同的资源水平，单种、混种两种种植方法并没有显著差异。试验人员采用两因素方差分析法分析发现，苇状羊茅与黑麦草地上、根系中包含的氮元素含量，分别在T 与PP、W 与PP、T+W 与PP交互作用的情况下，差异不显著。

测定磷含量时，试验人员分别针对单种与混种两种种植方式展开对比，发现两种方法在低资源水平条件下，苇状羊茅地上与根系两个部分的磷含量和对照组相比，前者呈显著降低趋势。采取混种方法时，苇状羊茅地上的磷含量在所有资源水平条件下，对比单种方法没有显著差异[3]。另外，对照资源水平条件下的苇状羊茅根系磷含量与单种方法相比，前者显著增加了30%。在浅土、干旱、浅土+干旱这3 种处理方式中，对比单种种植法有明显的增长，增长程度依次是70%、73.5%、25.7%。综上，黑麦草采用单种与混种的方法，地上与根系部分的磷含量，处于低资源水平条件下和对照组相比存在显著降低的情况。所有资源水平条件下，采取混种方法的苇状羊茅地上与根系磷含量和单种方法相比，两者之间并不存在显著差异。

2.3.3 3 种营养元素积累量

苇状羊茅地上与根系部分3 种营养元素的总积累量，处于低资源水平条件下，与对照组相比呈显著降低/不变趋势。基于对照资源水平，采取混种方法的苇状羊茅根系营养元素积累量，和单种方法相比，呈显著增多的趋势，增加幅度约为118.1%、100.2%、174.5%。黑麦草在低资源水平下的地上、根系总营养元素积累量，分别应用单种、混种两种方法，和对照组相比呈显著降低状态。低资源水平时单种与混种没有显著差异。

2.3.4 营养元素分配-根系营养元素分配比

试验中观察浅土组的苇状羊茅根系3 种营养元素分配比，分别采用单种、混种两种方法，观察发现这两种方法下的营养元素显著增加。干旱组与浅土+干旱组两个条件下，苇状羊茅根系3 种营养元素分配比，只有单种种植时会增多，采用混种种植时则会减少。

3 讨论与启示

第一，碳、氮、磷3 种元素对于植物生长过程非常重要，其中碳元素属于结构性元素，氮、磷属于功能性元素，彼此之间相互作用，促进植物正常生长。

第二，植物中包含的碳、氮、磷元素，可以真实反映出植物面对干旱胁迫时作出的抵抗对策、适应方法。碳含量高代表植物对于外部不利环境抵抗能力高，氮、磷含量高则表示植物获取资源、利用率高。

第三，植物中包含的营养元素积累量，主要是通过植株各部分产生的生物量、养分含量确定，对于植物而言是评判其生长潜力的关键性指标。此次试验分析，浅土组与干旱组分别针对两种植物地上、根系、整株部分3 种营养元素积累量展开，同时考虑到单种与混种方法之间的区别，在试验中降低趋势明显。在土壤厚度+水分两种资源同时减少的情况下，降低幅度高于单种资源。由此可见，土壤厚度与水分资源供给水平一旦降低，必然会对植物营养元素积累量产生抑制作用。

第四，对照资源水平条件下，采用混种方法的苇状羊茅地上碳含量与单种方法相比，前者较高，可见处于该条件下受到生态位分化影响，混种方法下的苇状羊茅水分经过吸收、利用后，会产生大量水分、养分，使植物的碳固定水平、植株体内有机化合物含量得到提升，这有利于加强植株环境胁迫防御性能。另外，黑麦草采用混种方法时的根系碳含量与单种方法相比显著提高，可见黑麦草作为浅根植物，通常和深根植物发生竞争之后，为了能够吸收到大量水分与养分，会为根系提供更多叶片固定碳，使根系加快生长。采用混种方式的黑麦草，受到低资源水平影响，可能会采取减少根系元素分配的方式，通过小根系规避与深根植物竞争。

4 结束语

根据对苇状羊茅、黑麦草两种植物的试验分析发现，采用单种、混种两种方法对不同的营养元素会产生差异化影响。一方面，植物生长过程中对土壤厚度、水分减少产生响应，尤其需要增强不良环境的适应性，改善植物营养元素含量、积累量。另一方面，结合植物生长情况科学选择种植方式同样非常重要，有利于提高植物竞争力、资源获取能力、防御能力，在不同环境下积极响应竞争，以免资源减少之后对植物生长产生抑制作用，从而保证植物健康生长。