不同土壤水分条件下硅对坪用高羊茅种子出苗及生物学特性的影响

刘慧霞，王康英，郭兴华

（1.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州730030；2.兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州730020）

随着草坪绿地功能的多元化和城市居民对其依赖性的增强，我国草地绿地面积将不断增长［1］，这些大面积的草坪绿地均需灌溉而维持生长和健康［2］，客观上加剧了我国灌溉水资源短缺的困境。坪用高羊茅（Festuca arundinacea）是我国常见的三大草坪草种之一，广泛用于城市园林绿化、运动场建设和公路护坡［3］。高羊茅草坪绿地从建植时的出苗到成坪后的管理，均需要灌溉维持土壤含水量，确保种子正常出苗和植株的健康生长，但灌溉水并没有完全用于高羊茅的生理活动，部分因蒸腾而散失，部分通过土壤下渗随地下水流走，量化高羊茅草坪绿地正常生长所需的最低用水量，有利于节约水资源。有限灌溉是应对干旱半干旱地区水资源短缺的重要手段［4］，指将有限的灌溉水合理分配在植物生长的各个时期，满足植物正常生长发育的需求［5］。草坪绿地的管理目标是维持其健康生长，而不是获取单位面积高产（籽实或营养体），因此，按照最低需水量灌溉不会影响高羊茅草坪绿地的美观和质量。研究不同土壤含水量对高羊茅种子出苗和植株生长的影响，有利于计量高羊茅草坪绿地不同发育期正常生长所需的最低灌溉量。

国际上生物节水的研究趋势是增加各种管理因子之间的协同效应，实现既节水又节约资源的目标，其中水肥耦合成为目前研究热点［6］。目前，草坪绿地建植和管理中大量施氮肥和磷肥，而过量的氮肥和磷肥引发的水体富营养化和非点源污染成为城市生态和农业生产中的突出环境问题［7］，因此，选择环境友好型肥料部分代替氮磷成为草坪绿地土壤养分管理的主要趋势。硅是众多矿质元素中不会因过量对植物和土壤产生危害的矿质元素之一［8］，特别是自2005年Epstein和Bloom［9］重新界定植物生长发育必需元素定义后，硅被列为植物生长发育必需元素的可能性逐渐增加，其对植物生长发育的作用引起空前关注［10］。硅能够提高大豆（Glycinemax）［11］和小麦（Triticumaestivum）［12］的抗旱性，以及紫花苜蓿（Medicagosativa）［4］、水稻 （Oryzasativa）［13］和玉米（Zea mays）［14］的水分利用效率。虽然添加硅在适宜土壤水分条件下能够显著促进高羊茅株高生长和分蘖，增加生物量［15］，但硅对高羊茅的有益性是否受土壤水分变化的影响，尚需科学试验提供证据。

本研究采用盆栽试验研究了不同土壤水分条件下硅对高羊茅种子出苗及生物学特性的影响，为高羊茅草坪绿地建植和管理中实施计量灌溉和施用硅肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

盆栽试验于2008年在兰州大学草地农业科技学院自制的通风、透光、遮雨的室外塑料大棚内进行。选用直径20cm，高17cm的塑料水桶。土壤采用广布于黄土高原的黄绵土，pH值为8.65，有机质含量3.389%，全氮含量125.8mg／kg，速效磷4.34mg／kg，速效钾132.8mg／kg，速效硅（SiO2）140mg／kg（用pH＝4的醋酸缓冲液提取，硅钼蓝比色法测定［16］）。前期研究结果表明，在每kg黄绵土（有效硅含量140mg／kg）分别添加0.05，0.10，0.25，0.40，0.55g硅酸钠时，0.40g的处理较其他浓度显著提前高羊茅种子初始萌发时间，促进其叶长和株高生长以及分蘖，增加生物量［15］。因此，本试验设置4个水分梯度，分别为土壤饱和含水量的30%，45%，60%和75%，每个水分梯度分为添加硅（＋Si）和对照（－Si）两个处理，共8个处理，每个处理重复3次，共计24个盆。根据Fortmeier和Shubert［17］的研究表明，盐害中真正起作用的是Na＋而不是Cl－，也不是2种离子的共同作用。本试验硅源为硅酸钠，施硅浓度为0.40g／kg（Si／干土），此浓度对高羊茅最为有效，对照Na＋用氯化钠平衡。每盆装土3.5kg（干土），装土时将硅酸钠和氯化钠药品分别与土壤充分混合均匀，不加其他营养元素。高羊茅选用产自美国的红象品种，人工挑选饱满均一的种子，于2008年8月26日播种，每盆100粒种子。试验期间通过每日称重法保证盆里土壤含水量相对稳定，实际土壤含水量分别为30%±2%，45%±2%，60%±2%和75%±2%。盆摆放在遮雨棚的中间位置以防雨水进入，每天上午随机挪动盆位置，保证各盆受光均匀。

1.2 测定指标

1.2.1 出苗率和保苗率 记录每个处理开始出第1株苗的时间，并记作初始出苗时间。自第1株出苗开始，每隔1d于19：00记录每盆中的出苗数和死亡苗数，每出1株苗，均采用直径3mm的橡皮圈套住标记，以便区别于次日出的苗，当幼苗地上部分逐渐变黄至干枯后即为死亡，从盆中拔出，而变黄后又逐渐变绿的不记作死亡，计数至每盆连续5d内出苗数变化不超过1株为止。出苗率指每个盆中出苗株数占总播种粒数的百分数。保苗率指每个盆中最后实际保留苗数。

1.2.2 形态学指标测定 当每个处理出苗基本稳定，幼苗总数不发生变化时，每盆随机选取10株（如不足10株，全部选择），把直径6mm的橡皮管剪成3mm长小段，套在随机选取的10株高羊茅基部（同时除去原有标记出苗的橡皮圈），用于统计每株分蘖数。在牙签的一端贴上标签纸，标签纸上标号1～10，另一端插入橡皮圈基部，定期观测株高、叶长和叶宽。

株高：9月19日开始用直尺测量每盆中标号的10株高羊茅的株高，每隔10d上午9点测量，测至10月29日。

分蘖数和叶片数：9月19日开始计数每盆中标号的10株高羊茅的分蘖数和叶片数，每隔10d下午7点计数，计数至10月29日。

叶长、叶宽和生物量：试验结束时，10月29日测定叶长和叶宽，测量叶宽、叶长时选取标号植株下数第2片成熟叶，用游标卡尺测量叶片最宽处为叶宽（mm），直尺测量叶长（cm），每盆共测定10个叶片。

茎叶和根系生物量：小心挖出标记的10株高羊茅植物，特别是挖根系时，然后将其从根茎处剪断，在85℃的烘箱内烘24h，至恒重，然后分别测定茎叶和根系生物量干重。

1.2.3 植物体内硅含量 植物样品中硅含量采用氢氧化钠熔融硅钼蓝比色法测定［16］。

1.3 统计分析

数据均采用SPSS软件包分析方差、计算标准误、检验差异显著性，采用Excel软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分条件下硅对高羊茅出苗数特征的影响

土壤含水量对高羊茅出苗具有明显的影响，土壤含水量为饱和含水量的30%时，施硅与对照均无高羊茅出苗记录（图1）。当土壤含水量大于饱和含水量的45%，硅提前了坪用高羊茅的初始出苗时间，硅处理的高羊茅初始出苗时间为9月1日，而对照处理在土壤含水量为饱和含水量的60%和75%时，初始出苗时间为9月2日，土壤含水量为饱和含水量的45%时，初始出苗时间为9月3日。当土壤含水量大于或者等于饱和含水量的45%时，施硅和对照的高羊茅出苗率均随着时间延长先增加后趋于稳定，但出苗速率影响存在分异，当土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%时，硅处理明显加快了出苗速率，表现为出苗曲线的斜率较大。硅对坪用高羊茅保苗率影响与土壤含水量有关，当土壤含水量为饱和含水量的45%时，硅对高羊茅保苗率没有显著影响，而当土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%，硅显著增加了高羊茅的保苗率（P＜0.05）。土壤含水量为饱和含水量的60%和75%时，硅处理使高羊茅保苗率较对照分别增加了50%和74%，而土壤含水量为饱和含水量的60%时，添加硅的出苗总数远远大于土壤含水量为饱和含水量的75%时不添加硅的出苗总数，这说明土壤含水量较低时，可以通过添加硅提前坪用高羊茅初始出苗时间，加快出苗速度，增加出苗数，有利于草坪绿地建植成功。

图1 不同土壤水分条件下硅对高羊茅出苗过程的影响Fig.1 Effect of supply silicon on seedling numbers of tall fescue under the different soil moisture

2.2 不同土壤水分条件下硅对高羊茅株高的影响

不同测定时期，添加硅和对照高羊茅株高均随着土壤含水量增加而显著增加（P＜0.05）（表1）。添加硅整体上能够促进高羊茅株高生长，但同时受到土壤含水量的制约，当土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%时，各个测定时期均表现为硅显著促进了高羊茅株高生长（P＜0.05），而当土壤含水量为饱和含水量的45%时，硅对高羊茅株高生长的促进效应仅表现在后期。土壤含水量为饱和含水量的60%时，添加硅的株高与土壤含水量为饱和含水量的75%时不添加硅的株高相近，说明土壤含水量较低时，可以通过添加硅促进坪用高羊茅的株高生长。

2.3 不同土壤水分条件下硅对高羊茅分蘖数的影响

坪用高羊茅分蘖数不仅反映其利用土壤营养物质的潜力，而且增大合成有机物质的面积，加强占据地面的能力。试验结果表明，添加硅和对照系列中高羊茅分蘖数对土壤含水量变化的响应趋同，表现为土壤含水量对高羊茅生长初期的分蘖数影响不明显（表2），但随着生长时间延长，单株分蘖数增多，高土壤含水量条件下高羊茅分蘖数显著大于低土壤含水量条件下的分蘖数（P＜0.05）。土壤含水量为饱和含水量的45%时，硅对高羊茅分蘖数没有显著影响，而土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%时，硅显著促进了高羊茅的分蘖（P＜0.05），并随着生长时间延长效果更加明显。土壤含水量为饱和含水量的60%时，添加硅的分蘖数与土壤含水量为饱和含水量的75%时不添加硅的分蘖数相近，这说明土壤含水量较低时，可通过添加硅促进坪用高羊茅的分蘖。

2.4 不同土壤水分条件下硅对高羊茅叶长和叶宽的影响

添加硅和对照系列中坪用高羊茅叶长随着土壤含水量增加而显著增加（表3）。高羊茅叶长对添加硅的响应与土壤含水量有关，当土壤含水量为饱和含水量的45%时，硅对高羊茅叶长没有显著影响，而土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%时，添加硅显著增加了高羊茅的叶长（P＜0.05）。虽然随着土壤含水量增加，高羊茅叶宽逐渐增大，但硅对高羊茅叶宽没有显著影响。土壤含水量为饱和含水量的60%时添加硅的叶长与土壤含水量为饱和含水量的75%时不添加硅的叶长相近，说明土壤含水量较低时，添加硅有利于坪用高羊茅叶长的生长。

表1 不同土壤水分条件下硅处理对高羊茅株高的影响Table 1 Effect of addition of silicon on plant height of tall fescue under the different soil moisture cm

表2 不同土壤水分梯度下硅处理对高羊茅分蘖数的影响Table 2 Effect of addition of silicon on tiller number per plant of tall fescue under the different soil moisture

2.5 不同土壤水分条件下硅对高羊茅茎叶和根系生物量的影响

添加硅和对照系列中高羊茅总生物量和茎叶生物量随着土壤含水量增加而显著增加（P＜0.05）（表4），而高羊茅根系生物量随着土壤含水量增加的变化趋势出现分异，硅处理时根系生物量随土壤含水量增加而显著增加（P＜0.05），但对照处理的根系生物量随着土壤含水量增加而变化不显著。添加硅对高羊茅总生物量、茎叶和根系生物量影响与土壤含水量有关，当土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%时，硅显著增加了高羊茅总生物量、茎叶和根系生物量（P＜0.05），而当土壤含水量为饱和含水量的45%时，硅对高羊茅总生物量、茎叶和根系生物量没有显著影响。土壤含水量为饱和含水量的60%时添加硅的茎叶和总生物量与土壤含水量为饱和含水量的75%时不添加硅的茎叶和总生物量差异不大，说明土壤含水量较低时，添加硅促进了坪用高羊茅茎叶和总生物量的积累。

表3 不同土壤水分梯度下硅处理对高羊茅的叶长和叶宽的影响Table 3 Effect of supply silicon on leaf area，leaf length and width of tall fescue under the different soil moisture

2.6 高羊茅根系和茎叶内硅含量

土壤含水量对坪用高羊茅根系和茎叶内硅含量的影响具有分异性，表现为对照系列中根系内硅含量对土壤含水量变化没有显著响应（表5），茎叶内硅含量随着土壤含水量增加具有显著增加的趋势（P＜0.05），但添加硅根系内硅含量随着土壤含水量增加具有显著增加趋势（P＜0.05），茎叶内硅含量对土壤含水量变化响应不显著。无论土壤水分条件如何变化，坪用高羊茅体内硅含量沉积整体表现为根系大于茎叶，即坪用高羊茅体内硅沉积发生部位主要在根系组织。当土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%时，添加硅显著增加了坪用高羊茅根系和茎叶内硅含量，而当土壤含水量为饱和含水量的45%时，添加硅显著增加了高羊茅茎叶内硅含量（P＜0.05），但对根系内硅含量没有显著影响。

表4 不同水分梯度下硅处理对高羊茅生物量的影响Table 4 Effect of addition of silicon on biomass of tall fescue under the different soil moisture g／10株Plants

3 讨论

3.1 坪用高羊茅出苗和幼苗生长对土壤含水量需求具有分异特征

表5 高羊茅根系和茎叶内的硅含量Table 5 The Si concentration in shoots and roots of tall fescue plants %

土壤含水量影响植物的正常生长发育，但不同植物对土壤水分亏缺的响应存在一定分异。干旱植物在长期演化过程中逐渐形成自我适应机制［3］，但一般的土壤水分亏缺就能严重影响湿生植物的生长发育。坪用高羊茅虽然具有一定的抗旱性，但一旦土壤水分亏缺时，干旱胁迫仍然影响其正常生长发育［17］，所以，长期灌溉是维持高羊茅草坪绿地健康的保障。为应对灌溉水资源日趋亏缺的局面，确定最低灌溉量是坪用高羊茅草坪管理中计量灌溉的重要科学问题。本研究结果表明，当土壤含水量小于或者等于饱和含水量的30%时，坪用高羊茅没有出苗，说明土壤水分极度亏缺限制了高羊茅的出苗，而添加硅仍然无法改善高羊茅不出苗的现象，只有土壤含水量超过饱和含水量的45%时，高羊茅才能出苗，说明坪用高羊茅出苗阶段的土壤含水量不能低于饱和含水量的45%，但当土壤含水量分别为饱和含水量的60%和75%时，土壤含水量对坪用高羊茅种子的出苗没有明显影响，说明土壤含水量为饱和含水量的60%即可满足坪用高羊茅种子出苗需求。坪用高羊茅种子出苗时期土壤含水量应该为饱和含水量的45%～60%，也就是灌溉所需的最低土壤含水量，低于此值高羊茅种子不出苗，高于此值则造成水资源浪费。土壤含水量为饱和含水量的75%时，高羊茅的株高、分蘖、叶长和生物量均明显大于土壤含水量为饱和含水量的60%时，说明土壤含水量为饱和含水量的75%的条件更有利于坪用高羊茅建植后的生长，因此，坪用高羊茅建植成功后所需的土壤含水量应该等于或者大于饱和含水量的75%。这说明坪用高羊茅在种子出苗时期和成坪管理期对土壤含水量的最低需求存在一定差异，实际管理中应该分期实施。

3.2 硅对坪用高羊茅生长促进作用与土壤含水量的关系

硅对高羊茅种子出苗和植株生长的影响与土壤含水量密切相关，当土壤含水量大于或者等于饱和含水量的60%，添加硅不仅提前了高羊茅种子初始出苗时间，缩短种子集中出苗时期，提高出苗率，而且促进其株高和叶长生长，增加分蘖、叶面积和生物量，这与硅促进小麦［12］、玉米［14］、水稻［18］、甘蔗（Saccharumofficinarum）［19］、竹子（Phyllostachysheterocyla）［20］等作物营养生长的结果一致，而与硅对冈茅属盐生植物Spartinaanglica［21］和豆科植物豇豆（Vignaunguiculata）［16］的影响不一致，又与硅能够缩短玉米［22］和大豆［23］种子的发芽天数，增加玉米［22］、黄瓜（Cucumissativus）［24］和紫花苜蓿［25］种子发芽率的结果相似。当土壤含水量为饱和含水量的45%时，硅对高羊茅种子出苗和植株生长均无明显影响。硅对高羊茅生长的影响受土壤含水量约束的现象趋同于硅对紫花苜蓿生长发育影响，但2种植物的响应过程存在分异。对紫花苜蓿而言，当土壤含水量为饱和含水量的35%和80%时，硅对其生物量没有明显影响，当土壤含水量为饱和含水量的50%和65%时，硅提高其生物量的增幅分别为41%和14%［4］，但对坪用高羊茅而言，土壤含水量较高时，硅仍然发挥积极的作用，仅在土壤含水量较低时不发挥作用，说明硅对植物种子出苗和生长的促进作用不仅因物种生物学特性而存在差异，而且同一物种也因土壤含水量不同而存在差异，这是因为紫花苜蓿属直根系植株，且不耐涝，过高土壤含水量会抑制根系的活力［4］，而高羊茅属于须根系植物，长期适应于灌溉条件，对较高土壤含水量具有较强的适应性［17］。因此，当土壤含水量达到一定程度时，添加硅不仅能够通过增加高羊茅出苗率而提高草坪绿地的密度，可以减少播量，缩短成坪时间，节约建植成本，而且还能促进高羊茅的正常生长。

本研究结果表明，土壤含水量为饱和含水量的60%时，添加硅处理的高羊茅株高、叶长、叶宽、分蘖数和生物量与土壤含水量为饱和含水量75%时对照的株高、叶长、叶宽、分蘖数和生物量差异不显著，说明添加硅能够降低高羊茅建植成功后所需土壤含水量，即添加硅可使高羊茅成坪后管理所需的最低土壤含水量从饱和含水量的75%降低到60%，因此，添加硅能够减少高羊茅草坪绿地管理中的灌溉量，实现节约灌溉的目标。

不同生境下高羊茅的出苗多少和快慢直接关系到草坪建植的成功与否，本研究结果表明，只有土壤含水量大于或等于饱和含水量的60%时，硅才能有益于高羊茅成坪和健康生长，而当土壤含水量小于或者等于饱和含水量的45%时，添加硅对高羊茅的生长发育没有明显影响。添加硅可以降低高羊茅成坪后管理所需的最低土壤含水量，说明坪用高羊茅建植和后期管理中，采用硅肥不仅能够实现水肥耦合，而且能够减少灌溉量，为我国高羊茅草坪绿地管理提供了应对水资源短缺的途径。

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