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半干旱地区风沙土土粒分散、结构性差、养分含量低，土壤水分和养分是干旱区造林的主要限制因子[1]，在林木生长发育关键时期，短期干旱便会影响林木生长，合理科学的节水保肥措施可以有效提高造林成活率[2]。保水剂作为一种高分子材料，反复吸水功能可以有效提高土壤持水能力，近年来，针对保水剂对植物生长影响研究较多，如施加高分子保水材料可以促进玉米、小麦、马铃薯等作物种子萌发，并显著提高作物产量[3-4]。保水材料用于干旱区造林时，也可以有效提高油松、侧柏、紫穗槐等树种的苗木成活率，臭椿的侧根长度及数量、地上部分生物量及根系生物量[5]。微生物菌剂是一种优良的土壤改良剂，微生物菌肥通过土壤微生物分布、酶活性进而影响植物的生长，提高植物抗逆性[6]。常用的枯草芽孢杆菌可以分泌蛋白酶、纤维素酶等多种酶类以及多种维生素，通过提高土壤中养分含量来促进植物生长[7-8]。
当前，微生物菌肥在小麦、燕麦等作物以及番茄、黄瓜等蔬菜中已得到广泛应用[9-12]，而与保水剂混合施用在半干旱区造林中的应用研究较少。刺槐（Robinia pseudoacacia）和山杏（Armeniaca sibirica）因其具有易成活、抗旱能力和适应环境能力强等优良性状，是我国北方地区先锋造林树种[13]，通过使用保水剂和微生物菌剂等材料可以改良土壤水分养分情况，从而达到提高林分质量的目的。植物生长依赖于对土壤水分、养分的利用，如果施加保水剂和菌剂浓度过高，植物根系的吸收作用会因为土壤渗透压增大而被抑制[15]，而浓度过低可能达不到作用效果浓度，植物功能性状是植物对环境变化最直接的响应，株高、地径和植物叶面积等是最便于观测的指标[9]，因此，通过试验手段分析不同浓度下生长情况差异，寻找促进植物生长的最佳浓度，对半干旱区造林工作中环境材料施用具有一定指导意义。
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试验地点位于陕西省榆林市治沙研究所沙地植物园苗圃，海拔约为1 300 m，属温带半干旱大陆性季风气候，冬春季多风，年均风速2.3 m·s−1，年均温7.9~8.6℃，年降雨量约400 mm，日照时数3300~3 700 h，无霜期130~150 d，土壤为风沙土。
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刺槐和山杏苗木分别网购于绿化苗木零售店（江苏）、新晋商苗木种子公司（山西），选取长势健康且高度基本一致的刺槐（1年生）和山杏（2年生）苗木作为试验材料，共计54株。
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试验于2022年4—10月进行，参考材料公司施用建议及保水剂和微生物菌剂在半干旱区应用相关文献[1,5]后，试验设置二因素三水平正交试验，共9组处理（见表1），每种处理3个重复，共54盆。保水剂选择的是山东聊城华丰化工科技有限公司生产的100目吸水倍率600倍的SAP抗旱保水剂，微生物菌剂选择山东绿陇生物科技有限公司生产的活菌360产品，由枯草芽孢杆菌和哈茨木霉菌复配而成，有效活菌数≥10 亿·g−1，含有营养性水溶载体及γ-聚谷氨酸等成分。盆栽试验花盆为塑料花盆，外口径32 cm，高30 cm，底径21 cm，每盆装土11 kg，土壤选择当地风沙土。山杏和刺槐苗用浓度2‰的生根粉溶液浸泡2 h，按设置浓度加入保水剂和微生物菌剂后与土壤混匀，苗木栽植后拍实表面，第一次浇透水，缓苗期一月，期间为保证成活，每周浇一次水，之后两周一次，浇水量2 L·盆−1。
处理 Test treatment T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 保水剂用量
Amount of water-retaining agent (g)0 0 0 20 20 20 30 30 30 微生物菌剂用量
Amount of microbial inoculum (g)0 5 10 0 5 10 0 5 10 Table 1. Application amount of water-retaining agent and microbial inoculum for different treatment
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将苗木种植在花盆中后，用皮尺、游标卡尺测定不同处理下刺槐和山杏苗木的株高和地径初始值，9月末试验结束时再次测定苗木的株高和地径。选取苗木中上部20片叶子使用Yaxin-1241(北京雅欣理仪科技有限公司）叶面积仪测定叶片长、宽、面积和周长等参数。
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试验数据在Excel软件中进行整理，使用SPSS24.0软件进行差异显著性分析，用LSD法（ɑ=0.05）、k值分析法对不同处理数据进行分析，使用Origin2018软件进行图表绘制。
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在不同处理中，刺槐和山杏株高生长量均显示出显著差异性。对照组（T1）刺槐株高生长量最小为40.46 cm，最大值为109.07 cm（T7），是最小值的2.69倍。比较T1，T2，T3三组数据可以发现，单施微生物菌剂可以大幅提高刺槐株高生长量，但不同浓度之间无明显差异，施用微生物菌剂对山杏的株高生长量基本没有影响；20 g·株−1保水剂处理下（T4，T5，T6），不同浓度微生物菌剂对刺槐株高生长没有规律性影响，但随浓度增大，山杏的生长量逐渐减少，出现了抑制作用；保水剂用量30 g·株−1(T7，T8，T9）时，刺槐和山杏生长量随微生物菌剂浓度变化不明显。
0 g·株−1微生物菌剂处理（T1，T4，T7），刺槐株高生长量呈显著增加趋势，20 g·株−1（T4）保水剂浓度最有利于山杏生长；微生物菌剂用量为5 g·株−1时（T2，T5，T8），0 g·株−1保水剂为刺槐株高生长最佳浓度，山杏生长量与保水剂浓度变化呈正相关；10 g·株−1微生物菌剂处理下（T3，T6，T9），刺槐和山杏均呈现“V”形变化。0 g·株−1和30 g·株−1保水剂浓度更有利于植物高生长。综合来看，单施保水剂或者微生物菌剂对刺槐和山杏生长都有明显促进作用，最大用量处理效果最好，同时施用时，10 g·株−1保水剂+30 g·株−1微生物菌剂表现最佳。
Figure 1. Plant height under different treatments
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刺槐的地径生长量介于2.21—6.42 cm之间，最大值在单施10 g·株−1微生物菌剂组（T3），比最小值高出1.9倍，山杏的地径生长量范围在3.83—6.39 cm之间，最大值为6.39 cm（T2），两种植物不同处理之间地径生长量存在显著差异性。0 g·株−1保水剂处理下（T1，T2，T3），10 g·株−1微生物菌剂处理对刺槐地径生长促进最显著，5 g·株−1和0 g·株−1微生物菌剂处理（T2和T3）两组没有显著差异，山杏表现与之不同，微生物菌剂的施用明显提高了地径生长量，但是不同用量之间无显著差异；0 g·株−1保水剂处理下（T4，T5，T6），刺槐和山杏地径生长量随微生物菌剂浓度变化呈“v”字形和倒“v”形，施加微生物菌剂两个处理组刺槐地径生长显著低于对照组，5 g·株−1微生物菌剂对山杏地径生长促进最为显著；30 g·株−1保水剂处理时（T7，T8，T9），山杏和刺槐地径生长量均无显著提高。
对比T1，T4，T7三组数据来看，0 g·株−1微生物菌剂处理下，不同浓度保水剂处理对刺槐和山杏地径生长均无明显促进作用，20 g·株−1保水剂较之30 g·株−1处理山杏地径生长状况更优；5 g·株−1微生物菌剂处理下（T2，T5，T8），刺槐地径生长量随保水剂浓度变化无显著差异，山杏地径生长量在30 g·株−1保水剂处理下明显减少；10 g·株−1微生物菌剂（T3，T6，T9)处理下，保水剂的施用对地径生长产生了抑制作用。通过分析可以看出，单独施加微生物菌剂、20 g·株−1保水剂+5 g·株−1微生物菌剂(T2，T3)对山杏地径生长促进作用明显，除T2处理外，其他组处理对刺槐地径生长均无促进作用。
Figure 2. Ground diameter under different treatments
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不同处理下叶面积表现出较大差异。处理T2和处理T8山杏叶面积大小均显著高于其他处理组，分别是对照组（T1）的160.63%，163.32%。刺槐叶面积最大的是处理组T5，达到978.68 mm²，是最小值的1.64倍，其他处理组叶面积值均大于对照组（595.23 mm²）。0 g·株−1和30 g·株−1保水剂处理中（T1，T2，T3，和T7，T8，T9），随微生物菌剂浓度增加，山杏叶面积变化呈倒“v”形趋势，5 g·株−1微生物菌剂处理下叶片生长状况最佳（T2和T8），20 g·株−1保水剂+5 g·株−1微生物菌剂(T5)施加时山杏叶面积反而低于对照组。刺槐在单施10 g·株−1株微生物菌剂（T2）和20 g·株−1保水剂+5 g·株−1微生物菌剂（T5）混施处理下，叶面积显著大于对照组；保水剂用量为20 g·株−1时，山杏叶面积在不同微生物菌剂浓度处理下叶面积显著低于对照组，10 g·株−1微生物菌剂处理对刺槐叶面积促进作用明显；30 g·株−1保水剂处理下（T7，T8，T9），施加5 g·株−1微生物菌剂对山杏和刺槐叶片生长促进作用均比较显著。
对比T1，T4，T7三组处理，20 g·株−1（T4）保水剂处理下山杏叶面积显著低于对照组，30 g·株−1保水剂（T7）处理下山杏叶面积与对照组无显著差异，刺槐叶面积与对照组相比显著提高。当同样施加5 g·株−1微生物菌剂（T2，T5，T8）时，0 g·株−1保水剂（T2）和30 g·株−1保水剂（T8）处理更有利于山杏叶片生长，刺槐仅在30 g·株−1保水剂处理下体现出了显著的促进作用。施加10 g·株−1微生物菌剂时，刺槐和山杏的叶面积与对照组相比均无明显差异。
Figure 3. Leaf area under different treatments
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由极差R分析可以看出，保水剂对刺槐的株高和叶面积生长影响较之微生物菌剂更为显著，均呈现出先降后升的规律，对地径生长影响作用差异不大。刺槐株高保水剂K值最大的是K3，说明30 g·株−1保水剂为最佳施用浓度，微生物菌剂的K值大小为K3>K2>K1，表明随微生物菌剂浓度的升高，对株高生长促进作用也是逐渐升高。刺槐地径保水剂K值K1>K3>K2，表明保水剂对刺槐地径生长起到了抑制作用，微生物菌剂K值最小值为K2，表明5 g·株−1微生物菌剂用量不利于地径生长。分析叶面积K值可知，30 g·株−1保水剂和5 g·株−1微生物菌剂处理更有利于叶面积的增加。
对于山杏来说，微生物菌剂对株高生长影响比保水剂影响显著，对地径生长量和叶面积的影响差别不大。对比株高K值可以发现，不同水平微生物菌剂和保水剂处理下K值波动较小，30 g·株−1保水剂K值最大，不施加微生物菌剂下株高生长情况最佳。微生物菌剂和保水剂对山杏地径影响规律与刺槐基本一致。20 g·株−1保水剂和5 g·株−1微生物菌剂是叶面积生长的最佳浓度。
株高 Height 地径 Diameter 叶面积 Leaf area 保水剂
Water-retaining
agent微生物菌剂
Microbial
inoculum保水剂
Water-retaining
agent微生物菌剂
Microbial
inoculum保水剂
Water-retaining
agent微生物菌剂
Microbial
inoculum刺槐
Robinia pseudoacaciaK1 234.73 213.73 13.14 11.23 3894.00 2895.03 K2 199.21 238.50 8.74 7.86 2419.30 4157.09 K3 271.86 265.27 9.33 12.13 4143.51 3404.68 R 72.65 51.54 4.4 4.27 1724.21 1264.97 山杏
Armeniaca sibiricaK1 167.23 178.17 16.42 12.86 2066.09 2169.43 K2 172.10 172.33 15.65 16.56 2406.50 2511.58 K3 175.07 163.90 12.13 14.78 2399.81 2191.40 R 7.84 14.27 4.29 3.7 340.41 343.15 Table 2. K-value analysis
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土壤是植物生长发育的物质基础，微生物菌肥含有的菌群通过微生物和相关代谢促进植物生长[16]。通过分析发现，微生物菌剂和保水剂混合施用对两种植物生长均有一定的促进作用，但在不同植物和不同指标上影响程度不同。当配比为仅施加30 g·株−1保水剂（T7）时，对山杏株高的促进作用最为显著，单施20 g·株−1保水剂时（T4）更有利于刺槐株高生长，单施保水剂或者微生物菌剂时，浓度越大促进作用越显著，在混施处理中30 g·株−1保水剂+10 g·株−1微生物菌剂效果最好，综合来看，单施比混施促进作用明显，与宋双双[15]研究油松在环境材料下株高变化规律基本一致。
保水剂和微生物菌剂对苗木地径生长影响规律与株高影响规律存在差异，单施5 g·株−1微生物菌剂（T2）和20 g·株−1保水剂+5 g·株−1微生物菌剂（T5）混施两种处理对山杏地径生长促进作用最为显著，各处理对刺槐的地径生长无显著促进作用，混施处理甚至抑制了刺槐的地径生长，可能原因是由于试验观测周期有限，地径生长量较之株高和叶面积等性状变化量较小，因此无法体现出规律。植物叶片是对环境变化最为敏感的器官，与植物对土壤养分获取关系密切[17]，分析结果表明5g.株-1微生物菌剂（T2）和30 g·株−1保水剂+5 g·株−1微生物菌剂（T8）两种处理下山杏叶面积均值最大，20 g·株−1保水剂+5 g·株−1微生物菌剂（T5）处理刺槐叶面积促进效果最为显著。综合分析发现保水剂对刺槐的株高和叶面积生长影响较之微生物菌剂更为显著，均呈现出先降后升的规律，对地径生长影响作用差异不大。植物生长受多种因素的干扰，下一步将深入研究保水剂和微生物菌剂混施下土壤养分、微生物、酶等多重因子对植物生理生长综合作用机理，为半干旱区科学造林，提升林分质量提供新方法。
Effects of Mixed Application of Water-retaining Agent and Microbial Inoculum on the Growth of Armeniaca sibirica and Robinia pseudoacacia
doi: 10.12172/202211210001
- Received Date: 2022-11-21
- Available Online: 2023-04-07
- Publish Date: 2023-10-25
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Key words:
- Robinia pseudoacacia /
- Prunus armeniaca /
- Water retaining agent /
- Microbial inoculum /
- Plant growth
Abstract: Robinia pseudoacacia and Armeniaca sibirica, commonly used as afforestation trees in semi-arid areas, were used as test materials, and 9 groups of treatments were set up, in which water-retaining agents (0 g plant−1, 20 g·plant−1, 30 g·plant−1) were mixed with microbial inoculums (0 g plant−1, 5 g·plant−1, 10 g·plant−1). The differences of plant functional indexes such as plant height, ground diameter and leaf area under different treatments were analyzed, which provided theoretical basis for the application of water-retaining agent and microbial inoculums in actual afforestation. The results showed 30 g·plant−1 water-retaining agent (T7) concentration had the most significant effect on promoting the height of Robinia pseudoacacia, which was 2.69 times of the control group (T1). 20 g·plant−1 water-retaining agent (T4) had the highest promoting effect on plant height of Armeniaca sibirica, which was 20.94% higher than control group. Under the treatment of 10 g·plant−1 microbial agent (T3) and 5 g·plant−1 microbial agent (T2), the ground diameter growth of Robinia pseudoacacia and Armeniaca sibirica was the largest, reaching 6.42 cmand 6.39 cm, respectively. Mixed application treatment had the best effect on the growth of leaf area, and Robinia pseudoacacia and Armeniaca sibirica reached the maximum value at T8 (30 g·plant−1water retaining agent +5 g·plant−1 microbial agent) and T5 (20 g·plant−1 water retaining agent +5 g·plant−1 microbial agent) respectively. Through K-value analysis, it was found that the effect of water-retaining agent on the growth of plant height and leaf area of Robinia pseudoacacia was more significant than that of microbial inoculants, and both of which showed the law of first decreasing and then increasing, but had little difference on the growth of ground diameter. For Armeniaca sibirica, the effect of microbial inoculants on the growth of plant height was more significant than that of water-retaining agent, and had little difference on the growth of ground diameter and leaf area.
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