不同覆土厚度對玉米苗期根系生長的影響

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國。煤炭約占我國一次性能源消費(fèi)量的74%,但煤炭開采在促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時,造成大量土地的沉陷損毀。據(jù)統(tǒng)計,因采煤造成的土地沉陷面積已超過400萬hm2,并且仍以每年3.3~4.7萬hm2的速度增加。我國土地復(fù)墾現(xiàn)已形成了多種成熟的復(fù)墾技術(shù)模式,但常見的非充填復(fù)墾技術(shù)耕地恢復(fù)率較低。充填復(fù)墾雖能較高程度的恢復(fù)耕地,但充填材料供源不足、環(huán)境風(fēng)險較大成為制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。基于此,我國一些學(xué)者提出了利用黃河泥沙充填采煤沉陷區(qū)以恢復(fù)耕地的方法,以克服以往充填技術(shù)中充填材料不足的難題,為高效率恢復(fù)耕地創(chuàng)造了可能。但是,黃河泥沙充填層一般由自然堆砌的泥沙構(gòu)成,不能較好地保持水土、涵蓄養(yǎng)分,必須覆蓋一定的表土才能進(jìn)行作物耕種。我國東部平原地區(qū)地下潛水位較高,沉陷后積水情況嚴(yán)重,大量優(yōu)質(zhì)良田浸沒于積水中,造成大量表土資源損失,成為限制土地復(fù)墾事業(yè)發(fā)展的重要因素之一。因此,設(shè)計既經(jīng)濟(jì)又能保證農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的最優(yōu)覆土厚度對引黃河泥沙充填復(fù)墾工程具有重要的意義。目前,國內(nèi)外對塌陷區(qū)矸石充填復(fù)墾耕地覆土厚度和粉煤灰充填復(fù)墾最佳覆土厚度均有所研究,而對引黃河泥沙充填復(fù)墾最優(yōu)覆土厚度的研究還鮮有報道。本試驗的目的是通過室內(nèi)的試驗?zāi)M黃河泥沙充填復(fù)墾后農(nóng)田的基本狀況,設(shè)置不同覆土厚度,通過對比分析各組處理間供試玉米苗期根系的生長特性和抗逆性差異,找出促進(jìn)玉米苗期根系生長效果最佳的覆土厚度,從而為復(fù)墾施工過程中表土覆蓋厚度的選擇提供參考依據(jù),達(dá)到節(jié)約土壤、保障耕地資源的目的。許多研究證明,農(nóng)作物對礦質(zhì)養(yǎng)分和水分的吸收能力與根系的發(fā)育以及在土壤中的分布有關(guān)[7,8,9,10,11,12,13]。根系活力是一種較客觀地反映根系生命活動的生理指標(biāo),可以反映根系新陳代謝作用的強(qiáng)弱,為植物營養(yǎng)研究提供依據(jù)。在作物抗逆性機(jī)制研究過程中發(fā)現(xiàn),SOD、POD及CAT等生物酶活性與可溶性蛋白含量都與作物抗逆性呈顯著相關(guān),丙二醛(MDA)為細(xì)胞脂過氧化指標(biāo),它既是過氧化產(chǎn)物,又可強(qiáng)烈地與細(xì)胞內(nèi)各種成份發(fā)生反應(yīng),使多種酶和膜系統(tǒng)遭受嚴(yán)重?fù)p傷,而丙二醛是細(xì)胞膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一,常被廣泛用作脂質(zhì)氧化的指標(biāo),它的數(shù)量的多少能夠代表膜脂過氧化的程度,也可間接反映植物組織的抗氧化能力的強(qiáng)弱。因此,研究不同覆土厚度下根系抗氧化保護(hù)酶活性及膜脂過氧化產(chǎn)物的變化,可為優(yōu)選最佳覆土厚度提供一定的理論基礎(chǔ)。1材料和方法1.1試驗用玉米品種本試驗所用黃河泥沙取自濟(jì)寧段黃河淺灘;表土的主要來源是原有未破壞農(nóng)田;試驗選用的玉米品種為當(dāng)?shù)胤N植較為廣泛的‘農(nóng)華101’,采購于北京金色農(nóng)華種業(yè)科技有限公司。由于復(fù)墾以后的土地主要為農(nóng)業(yè)用地,因此理化性質(zhì)選擇方面?zhèn)戎赜谵r(nóng)用指標(biāo),測試分析結(jié)果如表1。1.2方法1.2.1覆土厚度對種子催芽的影響試驗于2013年在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)溫室內(nèi)進(jìn)行,選用160mm直徑的PVC管作為重構(gòu)土壤層次的模具,共設(shè)6個不同覆土厚度處理(泥沙高度設(shè)置均為60cm)和1個對照處理(全覆土),覆土厚度分別為0,20,40,60,70,80和90cm(全覆土CK),并在不同覆土厚度下每組設(shè)3個重復(fù)。試驗時需將20cm表層土壤與肥料充分混勻,裝入PVC管,播種前,先將種子用2%NaClO消毒10min,然后用蒸餾水清洗干凈,室溫下浸泡7~8h后,在22℃恒溫箱內(nèi),催芽3d,挑選發(fā)芽一致的種子播種。玉米生長期間,用稱重法控制土壤含水量,當(dāng)土壤水分不足時需及時補(bǔ)充水分,疏松土壤,其它管理同大田。1.2.2根系活力測定待玉米幼苗生長30d(五葉期)左右,先用剪刀將玉米苗出土點(diǎn)剪斷,分為地上部分和地下部分,用清水洗凈,再用去離子水沖洗,并用吸水紙吸干表面水分,用烘干法測定地下所有根系部分和地上部分的干重,并通過計算地下部分與地上部分的的干重之比得到根冠比;根長用網(wǎng)格交叉法測定;根表面積根據(jù)直接計算法求得;根系活力一般采用TTC還原法測定,以還原產(chǎn)生的三苯基甲腙(TTF)量表示其活力大小,TTC還原量表示脫氫酶活性并作為根系活力的指標(biāo);丙二醛含量用硫代巴比妥酸法測定;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測定。1.2.3數(shù)據(jù)分析2結(jié)果與分析2.1不同土壤覆蓋層的厚度對玉米根系的生長特性有影響2.1.1不同覆土厚度對玉米生育期根冠比的影響根冠比是衡量地下部分與地上部分是否協(xié)調(diào)的一個重要指標(biāo),通過測定根冠比,可以了解植物地下部分與地上部分的分布及二者之間的關(guān)系,反應(yīng)兩者之間的相關(guān)性。從圖2可以看出,不同覆土厚度對玉米苗期根冠比的影響具有顯著性差異(P<0.05),隨著覆土厚度的增加,根冠比呈顯著性減少的趨勢。當(dāng)覆土20,40,60cm時,苗期玉米的根冠比無顯著性差異,但與無覆土、覆土70cm、全覆土處理組呈顯著性差異(P<0.05);覆土60cm與覆土80cm之間,覆土70,80cm與全覆土之間無顯著性差異(P>0.05)。因此,單從苗期玉米根冠比這一單一指標(biāo)考慮,適宜苗期玉米生長發(fā)育的最優(yōu)覆土厚度在70cm左右。2.1.2覆土厚度對玉米幼苗根系活力的影響由圖3可知,覆土40,60cm處理下根表面積與不覆土、覆土20,70,80cm、全覆土之間呈顯著性差異(P<0.05),而覆土40與60cm之間無顯著性差異(P>0.05),當(dāng)覆土厚度達(dá)到70cm時,根表面積顯著增大,為不覆土、覆土20,40,60cm的2.8,2.1,1.4,1.5倍,但與覆土80cm、全覆土三者之間無顯著性差異(P>0.05),因此單從苗期玉米根表面積這一單一指標(biāo)考慮,適宜苗期玉米生長發(fā)育的最優(yōu)覆土厚度在70cm左右。由圖4可以看出,隨著覆土厚度的增加,玉米苗期根系活力顯著增大(P<0.05),根系吸收水分、養(yǎng)分的能力逐漸增強(qiáng),覆土80cm與無覆土、覆土20,40,60,70cm相比均呈顯著性差異(P<0.05),分別為無覆土、覆土20,40,60,70cm的2.5,2.1,1.9,1.7,1.3倍,而覆土20與40cm之間根系活力無顯著性差異(P>0.05),全覆土與覆土80cm相比根系活力提高了5%,幅度變化比較小,差異性不顯著。因此,單從苗期玉米根系活力這一單一指標(biāo)考慮,適宜苗期玉米生長發(fā)育的最優(yōu)覆土厚度在80cm左右。2.2玉米苗的抗逆性對不同土壤覆蓋層厚度的響應(yīng)2.2.1玉米苗的sda含量對不同土壤覆蓋層的厚度做出了回應(yīng)2.2.2不同覆土厚度對玉米可溶性蛋白的影響由圖6可以看出,隨著覆土厚度的增加,可溶性蛋白的含量逐漸減少,無覆土與覆土20,60,70cm之間可溶性蛋白含量存在顯著性差異(P<0.05),而覆土厚度20與40cm之間無顯著性差異(P>0.05),待覆土厚度超過70cm之后,可溶性蛋白含量雖有所減少,但與覆土70cm處理時無顯著性差異(P>0.05),這是因為覆土厚度的薄厚直接影響玉米根系獲取水分的多少,當(dāng)處于薄覆土條件下,玉米根系會產(chǎn)生一些可溶性蛋白起到脫水保護(hù)功能,這與趙麗英、葛體達(dá)等人的相關(guān)研究一致。因此,單從苗期玉米根系可溶性蛋白含量這一單一指標(biāo)考慮,適宜苗期玉米生長發(fā)育的最優(yōu)覆土厚度在70cm左右。2.3活力的相關(guān)性由表2可以發(fā)現(xiàn),玉米的根系生長特性指標(biāo)與抗逆性指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性,且不同指標(biāo)間相關(guān)性程度不一樣。從分析結(jié)果上看,玉米苗期根系生物量與根冠比呈極顯著性負(fù)相關(guān),與根表面積、根系活力呈顯著性正相關(guān);根冠比與根表面積呈極顯著性負(fù)相關(guān),與根系活力呈顯著性負(fù)相關(guān);根表面積與根系活力呈極顯著性正相關(guān),表明根表面積和根系生物量越大,則根系活力越強(qiáng),而根冠比越小。丙二醛與根系生物量呈極顯著性負(fù)相關(guān),與根冠比呈極顯著性正相關(guān),與根表面積呈顯著性負(fù)相關(guān);可溶性蛋白與根系生物量、根表面積、根系活力呈極顯著性負(fù)相關(guān),與根冠比呈極顯著性正相關(guān),表明當(dāng)苗期玉米受到不同程度的脅迫作用時,根系生物量、根表面積、根系活力會有所減少,為使作物機(jī)能處于正常水平,植株機(jī)體可通過增加抗逆性指標(biāo)丙二醛和可溶性蛋白含量的方式,來避免植物體受到損害。3覆土厚度對玉米根系生物量的影響(1)本研究通過測定玉米苗期的根系生物量、根冠比、根表面積、根系活力等常規(guī)性指標(biāo),以及丙二醛(MDA)、可溶性蛋白含量等抗逆性指標(biāo),研究了不同覆土厚度下玉米根系生長發(fā)育的動態(tài)變化和生長特征的內(nèi)在機(jī)理。不同覆土厚度對以上指標(biāo)均具有顯著性影響(P<0.05),隨著覆土厚度的增加,常規(guī)性指標(biāo)根系生物量、根表面積、根系活力均顯著性增加,根冠比顯著性減少;抗逆性指標(biāo)丙二醛(MDA)含量及可溶性蛋白含量隨覆土厚度的增加顯著性減少,通過顯著性分析綜合各指標(biāo)得出,適宜玉米苗期根系生長的最優(yōu)覆土厚度為60~80cm。(2)耕地資源有限,黃河泥沙作為較為理想的充填物質(zhì),不能較好的起到保持水土、涵蓄養(yǎng)分的作用,必須覆蓋一定的表土才能進(jìn)行作物耕種。鑒于此,在表土中加入一定改良劑,來增強(qiáng)其保水保肥性還有待做進(jìn)一步的研究,從而為進(jìn)一步研究黃河泥沙充填復(fù)墾工程,減少復(fù)墾施工過程中的表土覆蓋,達(dá)到節(jié)約土壤、保障耕地資源的目的提供一定的科學(xué)依據(jù)。采用SPSS17.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,用Origin8.5軟件繪制圖表。由圖1可以看出,隨著覆土厚度的增加,玉米苗期根系生物量顯著增大(P<0.05),覆土厚度20cm處理下根系生物量與無覆土呈顯著性差異(P<0.05),與覆土厚度40cm無顯著性差異(P>0.05)。當(dāng)覆土厚度達(dá)到60cm時,根系生物量與無覆土、覆土20,40cm相比顯著增大(P<0.05),分別提高了75%,25%,19%,與覆土70,80cm、全覆土無顯著性差異(P>0.05),雖然全覆土處理時,根系生物量達(dá)到最大值,但增長幅度已不顯著,因此,單從苗期玉米根系生物量這一單一指標(biāo)考慮,適宜苗期玉米生長發(fā)育的最優(yōu)覆土厚度在60cm左右。由圖5可以看出,隨著覆土厚度的增加,玉米苗期根系中丙二醛