胡杭麗,王進鑫,2,馬 戌,萬小楠,張龍廷,陳 印,項 通

(1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100；2.西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點試驗室，陜西 楊凌 712100； 3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

煤炭是我國重要的一次性能源，煤炭開采在促進國民經濟發(fā)展的同時，也給礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境和生態(tài)安全帶來了威脅[1]。特別是在煤炭開采過程中排放的煤矸石，是產量最高、占地最多的一種工業(yè)固體廢棄物[2]，其堆積不僅會占用大量土地、損毀原地貌和植被[3-4]，若自燃還會產生有害氣體，降水淋溶也會導致重金屬污染，從而嚴重破壞礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境[5]。眾多研究表明，植被恢復是改善采煤跡地生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)綠色發(fā)展的前提和重要手段[6]。

西北干旱荒漠區(qū)是我國重要的煤炭基地之一，近年來隨著能源需求的日益增長，大量的煤矸石山等采煤跡地亟待恢復植被。然而由于地處干旱荒漠區(qū)，水資源匱乏，年平均降水量低，通常只有180～230 mm，難以滿足植物正常生長對水分的需要，人工植被恢復初期必須進行灌溉補水，才能確保植被定居、生長。此外，西北干旱荒漠區(qū)采煤跡地多位于嚴重沙質荒漠化區(qū)[7]，植被恢復還面臨著土壤養(yǎng)分貧瘠[8]，保水、保肥能力差等諸多問題。

為了建設綠色礦山，盡快恢復西北干旱荒漠區(qū)煤矸石山植被，我們以西北地區(qū)多年生景觀生態(tài)型草本植物蜀葵(Althaearosea)和沙打旺(Astragalusadsurgens)為研究對象。前者花色鮮艷美觀，根系發(fā)達，適應性強，繁殖系數(shù)高，耐寒、耐旱，特別是耐鹽堿，在含鹽0.6%、pH8.9的土壤中仍能正常生長；后者抗逆性強，耐旱、耐寒、抗風蝕和耐沙埋[9]。以葉片水分利用效率作為綜合評價干旱荒漠區(qū)植物生長適宜程度的生理生態(tài)指標[10-11]，對兩種典型草本植物的水肥耦合效應進行模擬研究，試圖闡明采煤跡地蜀葵和沙打旺葉片水分利用效率對水肥耦合的響應規(guī)律，并通過模型尋優(yōu)得出最優(yōu)水肥搭配，旨在以最少的水分、養(yǎng)分投入，產出較多的干物質[12]，即提高草本植物的水分利用效率，以達到生態(tài)效益最大化和植被恢復的目的，為西北干旱荒漠區(qū)煤矸石山植被恢復提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤來自寧夏靈武市羊場灣煤礦排矸場取土場，由表層沙土和母質3∶1混合而成，將土壤過0.5 cm篩作為盆栽基質。經測定土壤的容重為1.44 g·cm-3，田間持水量13.5%，土壤pH值8.54，含鹽量0.77 g·kg-1，有機質2.4 g·kg-1，堿解氮9.14 mg·kg-1，有效磷4.92 mg·kg-1，速效鉀58.89 mg·kg-1，氮磷含量低于寧夏靈武天然草地[13]。與全國土壤養(yǎng)分含量分級標準[14]比較，除速效鉀處于中等水平外，有效磷處于低水平，有機質、堿解氮尚不到極低水平的一半，養(yǎng)分極度缺乏。

供試草本植物蜀葵(Althaearosea(Linn.) Cavan)和沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)種子，從寧夏遠聲綠陽草業(yè)生態(tài)工程有限公司購買，種子產自寧夏本地。氮肥和磷肥分別為尿素(含N 46%)和重過磷酸鈣(含P2O546%)。

1.2 試驗設計

盆栽試驗采用三因素五水平二次回歸通用旋轉組合設計。根據(jù)試驗土壤肥力狀況，靈武排矸場土壤速效鉀含量屬中等水平，基本能滿足蜀葵和沙打旺的正常生長要求，因此試驗設計時不考慮鉀肥。沙打旺屬豆科植物，具根瘤菌，可將空氣中的氮素轉化利用，但對磷肥的需求相對較高[15]。因此，蜀葵和沙打旺的設計施氮、磷量略有不同。通過查找資料和開展預試驗，土壤相對含水量下限確定為30%，以保證植物的正常存活。設計土壤相對含水量(Z1)、施氮量(Z2)和施磷量(Z3)3因素，各因素試驗水平見表1。施氮量、磷量分別為純N和P2O5用量，實際化肥施用量需根據(jù)質量百分比進行換算。其中第j因素的上、下水平分別為Z2j、Z1j，根據(jù)二次回歸通用旋轉組合設計確定各因素的零水平Z0j和變化間距Δj：

表1 蜀葵和沙打旺三因素五水平編碼值Table 1 Three-factor and five-level coding values of Althaea rosea and Astragalus adsurgens

Z0j=0.5(Z1j+Z2j)

(1)

Δj=(Z2j-Z0j)/γ

(2)

土壤相對含水量(Z1)、施氮量(Z2)、施磷量(Z3)三因素的編碼值分別記為X1、X2、X3，根據(jù)(3)式進行計算。

Xij=(Zij-Z0j)/Δj

(3)

試驗于2019年3—8月在陜西省楊凌示范區(qū)西北農林科技大學南校區(qū)的干旱實驗大棚內進行。盆栽試驗于2019年3月中旬開始播種，植物長出3片真葉(4月20日)時間苗，每盆保留10株長勢一致的幼苗。從6月1日開始，每天8∶00通過稱重法控制盆栽土壤相對含水量。N素總量的30%、40%、30%分別于5月19日、6月10日、6月24日采用水溶法施入土壤，P素總量的50%、50%分別于5月19日、6月10采用穴施法施入土壤。

1.3 測定指標與方法

采用便攜式光合儀(CIRAS-3)分別于7月10日和8月1日8∶00—12∶00，選擇每個處理向陽、健康且完全伸展的成熟葉片，每間隔1 h測定1次，每個處理測定8次，測定指標為葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)。瞬時水分利用效率(WUE)為凈光合速率和蒸騰速率的比值，8組分別計算后再求平均值[16]，得到兩種植物不同處理的WUE。將植株挖出并清洗，殺青并烘干至重量維持不變，樣品冷卻至室溫后稱重，重復8次求平均值作為單株生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理，測定數(shù)據(jù)取算數(shù)平均值；采用DPS軟件建立水肥耦合回歸模型，進行單因素效應分析、交互效應分析和模型尋優(yōu)；采用Design-Expert 8.0.6軟件繪制耦合效應圖。

2 結果與分析

2.1 蜀葵和沙打旺水肥耦合回歸模型建立及檢驗

根據(jù)表2，以水分利用效率(WUE)為因變量，X1、X2、X3為自變量，對兩種草本植物蜀葵和沙打旺進行多元線性回歸分析。

表2 試驗設計方案與結果Table 2 Experiment design and results

WUE1=1.126-0.229X1+0.163X2-0.017X3+

0.044X1X3-0.066X2X3

(4)

WUE2=1.156+0.118X1+0.013X2-0.030X3-

0.044X1X3-0.009X2X3

(5)

式中,WUE1為蜀葵的水分利用效率，WUE2為沙打旺的水分利用效率，X1為土壤相對含水量的編碼值，X2為施氮量的編碼值，X3為施磷量的編碼值。

(4)式回歸顯著性檢驗結果：F1=4.536F0.05(9,10)=3.02，回歸關系極顯著(P<0.01)。說明建立的回歸模型具有代表性，可作為蜀葵的WUE預測模型。(5)式回歸顯著性檢驗結果：F1=1.294F0.05(9,10)=3.02，回歸關系顯著(P<0.05)。說明建立的回歸模型具有代表性，可作為沙打旺的WUE預測模型。

在α=0.10顯著水平下，剔除不顯著項后，得到簡化后的回歸方程：

(6)

WUE2=1.156+0.118X1-0.111X1X2

(7)

2.2 蜀葵和沙打旺水肥耦合回歸模型主效應分析

回歸模型的偏回歸系數(shù)已標準化，可以直接從一次項系數(shù)絕對值判斷各因素對目標函數(shù)的影響大小。三因素對蜀葵的WUE的影響順序為X1>X2>X3，即土壤相對含水量>施氮量>施磷量，說明土壤相對含水量對蜀葵WUE影響最大，施氮量次之，施磷量影響程度最小。其中X2為正效應，即施氮量增加促進了蜀葵WUE提高；X1和X3為負效應，即土壤相對含水量和施磷量增加阻礙了蜀葵WUE提高。三因素對沙打旺的WUE的影響順序為X1>X3>X2，即土壤相對含水量>施磷量>施氮量，說明土壤相對含水量對沙打旺WUE影響最大，施磷量次之，施氮量影響程度最小。其中X1和X2為正效應，即土壤相對含水量和施氮量增加促進了沙打旺WUE提高；X3為負效應，即施磷量增加降低了沙打旺WUE。

2.3 蜀葵和沙打旺水肥耦合回歸模型單因素效應分析

單因素效應分析是將分析因素以外的因素固定為0水平，僅考慮單一因素對目標函數(shù)的影響。根據(jù)單因素偏回歸方程，作單因素效應函數(shù)圖(圖1)。蜀葵的偏回歸子模型中，土壤相對含水量和施磷量的二次項系數(shù)為正值，拋物線開口向上；施氮量的二次項系數(shù)為負值，開口向下。沙打旺的偏回歸子模型中，土壤相對含水量的二次項系數(shù)為負值，拋物線開口向下；施氮量和施磷量的二次項系數(shù)為正值，開口向上。

圖1 水分利用效率單因素效應分析Fig.1 Single factor effects of water use efficiency

由圖1a可知：蜀葵的WUE隨土壤相對含水量的增加而減小[17-18]，說明灌水量增多不能提高蜀葵的WUE。土壤相對含水量編碼值為-1.682時，最大WUE為1.713 μmol·mmol-1。施氮量編碼值由-1.682增加到0.967水平時，WUE從0.614 μmol·mmol-1增至1.205 μmol·mmol-1，之后WUE隨施氮量增加逐漸下降至1.161 μmol·mmol-1，說明合適的施氮量能促進蜀葵WUE的提升，過多或過少都不利于增加蜀葵的WUE。施磷量對蜀葵的水分利用效率幾乎無影響。

由圖1b可知：沙打旺的WUE隨土壤相對含水量的增加而增大，從0.932 μmol·mmol-1增加到1.328 μmol·mmol-1。沙打旺WUE在土壤相對含水量取最大值時出現(xiàn)最大值，可能土壤相對含水量設計上限偏低。施氮量編碼值由-1.682增至-0.424時，沙打旺的WUE稍有下降，最小值為1.164 μmol·mmol-1，之后WUE緩慢增加到1.222 μmol·mmol-1。施磷量水平由-1.682增至0.611時，沙打旺的WUE呈下降趨勢，最小值為1.147 μmol·mmol-1，之后沙打旺WUE不斷增大至1.175 μmol·mmol-1。

2.4 蜀葵和沙打旺水肥耦合回歸模型交互作用分析

三因素交互作用分析，是將某一因素固定為0水平，分析另外二因素耦合對因變量的影響。蜀葵交互作用的顯著性檢驗結果為：X1X2(土壤相對含水量×施氮量)>X2X3(施氮量×施磷量)>X1X3(土壤相對含水量×施磷量)，但交互效應均不顯著(P>0.05)。

沙打旺葉片水分利用效率的三因素交互作用顯著性檢驗結果為：X1X2(土壤相對含水量×施氮量)>X1X3(土壤相對含水量×施磷量)>X2X3(施氮量×施磷量)。其中只有X1X2對沙打旺的水分利用效率有顯著影響(P=0.0145<0.05)，X1X3和X2X3沒有通過顯著性檢驗。因此這里僅分析X1X2(土壤相對含水量×施氮量)對沙打旺葉片水分利用效率的交互作用。

沙打旺土壤相對含水量和施氮量二因素耦合交互方程為：

(8)

由圖2可得，X1的編碼值臨界點為0，X2的編碼值臨界點為0.84。當土壤相對含水量、施氮量小于臨界點，隨著二因素的增加，WUE增加，產生耦合協(xié)同效應；大于臨界點時，WUE隨二因素的增加而降低，產生負效應，說明過量水肥不利于提高沙打旺WUE[19]。

注：X1是土壤相對含水量的編碼值，X2是施氮量的編碼值。Note: X1 is the coding value of soil relative water content, and X2 is the coding value of nitrogen application amount.圖2 土壤相對含水量與施氮量對沙打旺水分利用效率的耦合效應Fig.2 Coupling effect of soil relative water content and nitrogen application amount on water use efficiency of Astragalus adsurgens

X1<0，X2>0.84時，固定土壤相對含水量，WUE隨施氮量增加而增加，說明此時施氮量對WUE影響更大。X1>0，X2<0.84時，固定施氮量，沙打旺WUE隨土壤相對含水量增加而增加，這與單因素效應分析結果一致，說明此時土壤相對含水量是WUE主要影響因素。當X1編碼值為1.682，X2編碼值為-1.682時，最大WUE為1.415 μmol·mmol-1。

2.5 蜀葵和沙打旺水肥耦合回歸模型尋優(yōu)

水分利用效率用于綜合評價植物生長適宜程度，生物量是評價植物干物質產出的重要指標，綜合二者分析得出兩種植物的水肥優(yōu)化方案，既保證了植物的存活，也有利于植物的旺盛生長。采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行模型尋優(yōu)，三因素五水平共組成了35種(125種)方案。根據(jù)DPS數(shù)據(jù)處理軟件給出的95%上下限置信區(qū)間，由公式Zij=XijΔj+Z0j換算得到優(yōu)化方案(土壤相對含水量、施氮量、施磷量)的上下限，實際化肥施用量需根據(jù)化肥質量百分數(shù)進行換算。

蜀葵WUE>1.12 μmol·mmol-1的組合有50個，蜀葵生物量>3.54 g·株-1的方案有43個。蜀葵的三因素優(yōu)化方案見表3和表4，可見水、氮、磷的施用范圍有重疊部分。三因素一致范圍內，可認為是水肥用量較低時水分利用效率較高，且干物質產出較多的蜀葵優(yōu)化方案：土壤相對含水量37.6%～40.9%，施氮量153.1～178.5 kg·hm-2，施磷量89.4～120.4 kg·hm-2。

表3 蜀葵水分利用效率>1.12 μmol·mmol-1的優(yōu)化方案Table 3 Prioritization scheme of Althaea rosea with water use efficiency >1.12 μmol·mmol-1

表4 蜀葵生物量>3.54 g·株-1的優(yōu)化方案Table 4 Prioritization scheme of Althaea rosea with biomass >3.54 g·plant-1

沙打旺WUE>1.18 μmol·mmol-1的組合有40個，沙打旺生物量>3.17 g·株-1的方案有45個。沙打旺的三因素優(yōu)化方案見表5和表6，可見水、氮、磷的施用范圍有重疊部分。三因素一致范圍內，可認為是水肥用量較低時水分利用效率較高，且干物質產出較多的沙打旺優(yōu)化方案：土壤相對含水量69.0%～70.6%，施氮量61.8～94.6 kg·hm-2，施磷量109.9～170.1 kg·hm-2。

表5 沙打旺水分利用效率>1.18 μmol·mmol-1的優(yōu)化方案Table 5 Prioritization scheme of Astragalus adsurgens with water use efficiency >1.18 μmol·mmol-1

表6 沙打旺生物量>3.17 g·株-1的優(yōu)化方案Table 6 Prioritization scheme of Astragalus adsurgenswith biomass >3.17 g·plant-1

3 討 論

水、氮、磷3因素對蜀葵WUE的影響順序為土壤相對含水量>施氮量>施磷量，對沙打旺WUE的影響順序為土壤相對含水量>施磷量>施氮量。灌水量、施肥量對兩種植物葉片WUE的影響程度是不同的，土壤相對含水量對兩種草本植物WUE的影響重要性大于施肥量，這與張新燕等[20]、于文穎等[21]得出的試驗結果一致。

灌水量影響氣孔開合程度，進而影響光合過程和蒸騰過程[22-23]，因此植物的WUE出現(xiàn)變化。蜀葵的WUE隨土壤相對含水量的增加逐漸減小，可能是因為土壤水分出現(xiàn)虧缺時，氣孔開度較低，由于光合作用對氣孔開度的依賴性小于蒸騰作用[24]，所以土壤相對含水量較低時葉片WUE較高[25-26]，這與種培芳等[27]研究干旱脅迫對甘肅5種經濟林木WUE影響時得到的結論一致。沙打旺WUE隨土壤相對含水量的增加而逐漸升高，可能是因為氣孔導度隨土壤相對含水量的增加而逐漸下降[28]，WUE隨氣孔導度下降而增加；也可能是因為土壤相對含水量增加，能被植物利用的水分增加，蒸騰強度增大[29]，植物WUE降低。邢英英等[30]研究得出，灌水影響了土壤中的水分和養(yǎng)分環(huán)境，一定范圍內根系生長和土壤水分表現(xiàn)出正相關關系，這與本文得出的結論一致。隨著土壤相對含水量的增加，沙打旺的WUE可能出現(xiàn)最大值后下降，即WUE隨土壤相對含水量增大先增大后減小，是否存在最大值尚需要進一步開展研究。施肥對植物WUE產生影響，可能是因為肥料促進了植物根系的發(fā)育，影響了根系的吸水能力，也可能是因為對郁閉度和土壤水分蒸發(fā)量產生了影響，還可能是影響了葉片水勢和土壤水勢[31]。

水肥是影響植物WUE的重要因素，“以肥調水”[32-33]、“以水促肥”對于提高草本植物WUE有十分重要的作用。水肥耦合效應對植物可產生3種效應，即協(xié)同效應、疊加效應和拮抗效應。相比于只進行水分管理或養(yǎng)分管理，水肥耦合效應對WUE的促進效果更好，本文得到的試驗結果證明了這一點，馬戌等[34]也得出了類似的結論。分析沙打旺二因素交互效應時得出的耦合影響順序，與Wang等[35]研究水、氮、磷兩兩因素耦合對茶樹干物質的影響順序一致。當水分虧缺時，可以通過增施氮肥提高WUE；氮肥不足時，可以通過增加灌水提高WUE，這充分驗證了水肥作用的互補性，土壤水分(施氮量)的降低可用增施氮肥(提高土壤相對含水量)進行補償[36]。根據(jù)水肥耦合協(xié)同互補效應，施用氮肥和磷肥一定程度上彌補了蜀葵對水分的需要，即施用一定量的氮磷肥后可減少灌水；且進行試驗設計時已考慮土壤相對含水量下限可以保證植物的正常存活，蜀葵是耐旱植物，綜合兩方面考慮蜀葵的優(yōu)化方案是可行的。孫善文等[37]研究得出，干旱環(huán)境中植物水分利用效率提高可能是因為葉片表面絨毛增加了邊界阻力和減少了水分蒸騰，同時提高了對土壤水的利用程度，充分解釋了蜀葵的耐旱性。

植物水分利用效率(WUE)的測定，因研究尺度不同而異[38]，可以分為葉片水平、個體水平和群體水平。植物個體WUE可用葉片瞬時WUE進行估算，兩者在生理生態(tài)學意義上是一致的。葉片水平上的水分利用效率可以揭示植物內在的耗水機制，為植被合理灌水與施肥提供依據(jù)，對干旱區(qū)植被恢復與保育有著十分重要的作用。本研究分析了水肥耦合對兩種植物葉片瞬時WUE的影響，接下來將繼續(xù)探究水肥耦合對植物個體和群體水平上WUE的影響。在盆栽試驗結論的指導下，在西北煤矸石礦區(qū)進行重復試驗，進一步完善水肥耦合優(yōu)化方案，指導生產實踐活動。

4 結 論

1)土壤水分條件是影響蜀葵和沙打旺葉片水分利用效率的首要因素；施氮、施磷對葉片水分利用效率的影響程度因植物種類不同而異。

2)三因素對蜀葵葉片水分利用效率的影響順序：土壤相對含水量>施氮量>施磷量，因素間交互作用不顯著。蜀葵的水肥耦合優(yōu)化方案為土壤相對含水量37.6%～40.9%，施氮量153.1～178.5 kg·hm-2，施磷量89.4～120.4 kg·hm-2。

3)三因素對沙打旺葉片水分利用效率的影響順序：土壤相對含水量>施磷量>施氮量；二因素耦合對沙打旺水分利用效率的影響顯著，順序為水氮>水磷>氮磷。沙打旺的水肥耦合優(yōu)化方案為土壤相對含水量69.0%～70.6%，施氮量61.8～94.6 kg·hm-2，施磷量109.9～170.1 kg·hm-2。