水肥耦合对辽西北沙地胡枝子（Lespedeza bicalor Turca)生态生理特性的影响
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摘要
荒漠化是国际社会高度重视的环境问题之一。防治荒漠化的有效途径是利用生物措施和工程措施使退化的生态系统得以恢复。胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)是章古台地区固沙效果最好的乡土树种之一,具有抗旱耐寒耐贫瘠的特性,其发达的主根和侧根上的大量根瘤,有防风固沙,改良土壤的作用,为科尔沁沙地乃至其他沙地地区提供优良的生物固沙材料。在半干旱地区,植物生长通常受水分和养分的制约。因此如何合理利用水肥促进沙地植物生长成为学者们研究的课题。本文采用312-D最优饱和试验设计,在辽西北典型的半干旱地区——章古台开展了水肥耦合实验,研究了不同水肥处理对章古台地区2年生胡枝子幼苗株高,地径,生物量,叶绿素含量,叶片水势,过氧化物酶(POD),丙二醛(MDA),脯氨酸,超氧化物歧化酶(SOD)指标的影响。通过分别建立胡枝子上述9项指标与水分、氮肥、磷肥之间的水肥回归数学模型,旨在找出水肥耦合的定量配比关系,弄清水肥耦合影响胡枝子各指标的机理。为提高半干旱沙地水分和肥料利用效率,优化胡枝子生产中的水肥管理提供理论依据。主要研究结果如下：
株高与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=67.799+4.082X1+0.864X2+0.401 X12-0.750X22-3.360X32-0.446X1X2-0.665 X1X3+1.098X2X3。过多的氮和磷会抑制胡枝子株高的生长,水分则促进其增加。最适合株高生长的条件为土壤含水率17.52%,施氮266.822 kg.hm-2-455.140 kg.hm-2,施磷380.374 kg.hm-2附近。地径与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=7.865+0.365 X1+0.332 X2+0.263 X3-0.186 X12-0.346X22+0.319 X1X2+0.208 X2X3。胡枝子地径随着水分和氮的增加先增后减,随着磷的增加先减少后增加。最适合地径生长的条件为土壤含水率15.98%～17.52%,施氮455.140 kg.hm-2,施磷760.748 kg.hm-2附近。生物量与W(X1),N(X2), P(X3)三因子的数学模型为：7=15.498+5.047X1+3.906X2+0.571 X12-1.164X22-1. 489X32+0.444X1X2-0.890 X1X3+0.545X2X3。胡枝子生物量随着氮,磷的增加先增后减,随着水分的增加而增加。生物量获得最大值的条件为土壤含水率17.52%,施氮78.505 kg.hm-2～455.140 kg.hm-2,施磷190.187 kg.hm-2～380.374 kg.hm-2附近。
叶绿素含量与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=40.495+1.398 X1+0.791 X2+0.569X3-0.605 X22+0.452 X2X3.胡枝子叶绿素含量随着氮,磷的增加先增后减,随着水分的增加一直增加。叶绿素含量的最适条件为土壤含水率17.52%,施氮455.140 kg.hm-2,施磷760.748 kg.hm-2附近；叶片水势与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=-2.877+0.250X1+0.086X3-0.028X12+1.128X32-0.038X1X2+0.033X1X3-0.058X2X3。叶片水势随着水分的增加而增加,随着磷的增加先增加后减少。水势的最佳条件为土壤含水率17.52%,施氮0 kg.hm-2,施磷570.561 kg.hm-2附近。
脯氨酸与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=2.667-1.507X1+0.139X2-0.877X3+0.461 X12+0.851 X22+0.888 X32-0.129X1X2+0.634X1X3。胡枝子脯氨酸含量随着水,氮,磷的增加先减后增。脯氨酸的最佳条件为土壤含水率17.52%,施氮266.822 kg.hm-2,施磷190.187 kg.hm-2-380.374 k g.hm-2附近；过氧化物酶与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=24.690+8.998 X1+2.136X2+6.506 X12-1.455 X22+1.494X1X2-5.165X1X3+2.176X2X3。胡枝子过氧化物酶随着水分的增加先减少后增加,随着施氮量的增加先增后减。过氧化物酶的最适条件为土壤含水率17.52%,施氮533.178 kg.hm-2附近；丙二醛与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=10.591+0.305 X1-1.805 X3+1.127X12+0.892 X22+1.650X32+0.792X1X3-0.545X2X3。胡枝子丙二醛含量随着水分,氮,磷的增加先减少后增加。丙二醛的最佳条件为土壤含水率8.55%～12.26%,施氮266.825 kg.hm-2,施磷570.561 kg.hm-2附近；超氧化物歧化酶(SOD)与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=61.798+5.819X1+1.455X3-2.749 X12-5.089 X22-9.352 X32+4. 132X1X2+1.696X2X3。胡枝子超氧化物歧化酶随着水,氮,磷的增加先增后减。最佳条件为土壤含水率15.98%,施氮266.822 kg.hm-2, X3=0施磷380.374 kg.hm-2附近。
The problem of desertification had been attracted international community's high attention. Biological and engineered measures were considered to be effective ways to resort it. Lespedeza bicolor Turcz,which was considered to be one of the best native species in Zhanggutai areas, has the characteristics of cold resistance and drought resistance. The well developed taproots and root nodules on laterals can fix and improve sandy-soil. Lespedeza bicolor Turcz is excellent biologocal material species in Horqin and even other sandland. In semi-arid areas, plant growth is constrained by water and nutrients. So promoting plant growth by adding water and fertilizer has became one of major measures. With 312-D optimized saturation design, water and fertilizer coupling experiments were conducted on Lespedeza bicolor Turcz in semi-arid area in northwestern of Liaoning province Zhang-gu-tai area. Nine indexes were measured in the experiment:height, radical diameter, biomass, chlorophyllcontent, water potential, proline, peroxidase, malondialdehyde and superoxide. Regressive mathematical models were set up respectively to find out quantitative relationship and mechanism of water and fertilizer coupling. The aim of the experiment was to improve the use efficiency of water and fertilizer in semi-arid sandland and to provide theoretical foundation for optimizing the management of water and fertilizer in the production of Lespedeza bicolor Turcz. The results were as follows:
The mathematical model of height with water(X1), nitrogen(X2) and pho sphorus(X3):Y=67.799+4.082 X1+0.864X2+0.401 X12-0.750X22-3.360 X32-0.44 6X1X2-0.665X1X3+1.098X2X3. Too much nitrogen and phosphorus had inhib ited height growth, but water had promoted height growth. The most suitable conditions for height were water content of soil 17.52%, nitrogen 266.822 kg. hm-2-455.140 kg.hm-2 and phosphorus 380.374 kg.hm-2.The mathematical mode 1 of radical diameterand with water(X1),nitrogen(X2) and phosphorus(X3):Y= 7.865+0.365X1+0.332X2+0.263 X3-0.186X12-0.346X22+0.319X1X2+0.208 X2X3.With the increase of water and nitrogen, radical diameter had increased and then decreased, with the increase of phosphorus decreased and then incr eased. The most suitable condition for radical diameter were water content of soil 15.98%～17.52%, nitrogen 455.140 kg.hm-2 and phosphorus 760.748 kg.h m-2. The mathematical model of biomass with water(X1), nitrogen(X2) and p hos-phorus(X3):Y=15.498+5.047 X,+3.906 X2+0.571 X,2-1.164X22-1.489 X32+0.444X1X2-0.890 X1X3+0.545X2X3. As nitrogen and phosphorus incr eased, biomass increased first and then decreased, as the moisture increased, b iomass increased. The most suitable condition for biomass was about:water c ontent of soil 17.52%, nitrogen 78.505 kg.hm-2～455.140 kg.hm-2 and phosphor us 190.187 kg.hm-2～380.374 kg.hm-2.
The mathematical model of chlorophyll content with water(X,), nitrogen (X2) and phosphorus(X3):Y=40.495+1.398X1+0.791 X2+0.569X3-0.605X22+ 0.452X2X3.With the nitrogen and phosphorus increasment, chlorophyll content had increased first and then decreased, with water increasement. chlorophyll content increased. The most suitable condition for chlorophyll content were w ater content of soil 17.52%, nitrogen 455.140 kg.hm-2 and phosphorus 760.748 kg.hm"2. The mathematical model of water potential with water(X1), nitrogen (X2) and phosphorus(X3):Y=-2.877+0.250X1+0.086X3-0.028 X12+1.128X32-0. 038X1X2+0.033X1X3-0.058 X2X3. Leaf water potential had increased with th e water, with phosphorus increased first and then decreases. The most suitable conditions for water potential were water content of soil 17.52%, nitrogen 0 kg.hm-2 and phosphorus 570.561 kg.hm-2. The mathematical model of proline and water(X1), nitrogen(X2) and phosphorus(X3):Y=2.667-1.507X1+0.139 X2-0.877X3+0.461 X12+0.851 X22+0.888X32-0.129X1X2+0.634 X1X3. With w ater, nitrogen and phosphorus increasement, proline increased first and then de creased. The most suitable condition for proline were water content of soil 17. 52%, nitrogen 266.822 kg.hm-2 and phosphorus 190.187 kg.hm-2-380.374 kg.h m-2). The mathematical model of peroxidase with water(X1), nitrogen(X2) a nd phosphorus(X3):Y=24.690+8.998X1+2.136X2+6.506X12-1.455X22+1.494 X1X2-5.165X1X3+2.176X2X3. With the water incresement, peroxidase had de creased first and then increased. With the increase of nitrogen, peroxidase incr eased first and then decreased. The most suitable condition for peroxidase w ere water content of soil 17.52%, nitrogen 533.178 kg.hm-2. The mathematical model of malondialdehyde with water(X1), nitrogen(X2) and phosphorus(X3): Y=10.591+0.305 X1-1.805 X3+1.127 X12+0.892 X22+1.650X32+0.792X1X3-0.54 5X2X3. As water, nitrogen and phosphorus increased, malondialdehyde decre ased and then increased. The most suitable condition for malondialdehyde w as about:water content of soil 8.55%-12.26%, nitrogen 266.825 kg.hm-2, phos phorus 570.561 kg.hm-2. The mathematical model of superoxide with water (X1), nitrogen(X2), phosphorus(X3):Y=61.798+5.819AX1+1.455X3-2.749X12-5. 089X22-9.352X32+4.132X1X2+1.696X2X3. As water, nitrogen and phosphoru shad increased, superoxide increased first and then decreased. The most suitab le condition for superoxide were water content of soil 15.98%, nitrogen 266.8 22 kg.hm-2 and phosphorus 380.374 kg.hm-2.
株高与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=67.799+4.082X1+0.864X2+0.401 X12-0.750X22-3.360X32-0.446X1X2-0.665 X1X3+1.098X2X3。过多的氮和磷会抑制胡枝子株高的生长,水分则促进其增加。最适合株高生长的条件为土壤含水率17.52%,施氮266.822 kg.hm-2-455.140 kg.hm-2,施磷380.374 kg.hm-2附近。地径与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=7.865+0.365 X1+0.332 X2+0.263 X3-0.186 X12-0.346X22+0.319 X1X2+0.208 X2X3。胡枝子地径随着水分和氮的增加先增后减,随着磷的增加先减少后增加。最适合地径生长的条件为土壤含水率15.98%～17.52%,施氮455.140 kg.hm-2,施磷760.748 kg.hm-2附近。生物量与W(X1),N(X2), P(X3)三因子的数学模型为：7=15.498+5.047X1+3.906X2+0.571 X12-1.164X22-1. 489X32+0.444X1X2-0.890 X1X3+0.545X2X3。胡枝子生物量随着氮,磷的增加先增后减,随着水分的增加而增加。生物量获得最大值的条件为土壤含水率17.52%,施氮78.505 kg.hm-2～455.140 kg.hm-2,施磷190.187 kg.hm-2～380.374 kg.hm-2附近。
叶绿素含量与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=40.495+1.398 X1+0.791 X2+0.569X3-0.605 X22+0.452 X2X3.胡枝子叶绿素含量随着氮,磷的增加先增后减,随着水分的增加一直增加。叶绿素含量的最适条件为土壤含水率17.52%,施氮455.140 kg.hm-2,施磷760.748 kg.hm-2附近；叶片水势与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=-2.877+0.250X1+0.086X3-0.028X12+1.128X32-0.038X1X2+0.033X1X3-0.058X2X3。叶片水势随着水分的增加而增加,随着磷的增加先增加后减少。水势的最佳条件为土壤含水率17.52%,施氮0 kg.hm-2,施磷570.561 kg.hm-2附近。
脯氨酸与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=2.667-1.507X1+0.139X2-0.877X3+0.461 X12+0.851 X22+0.888 X32-0.129X1X2+0.634X1X3。胡枝子脯氨酸含量随着水,氮,磷的增加先减后增。脯氨酸的最佳条件为土壤含水率17.52%,施氮266.822 kg.hm-2,施磷190.187 kg.hm-2-380.374 k g.hm-2附近；过氧化物酶与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=24.690+8.998 X1+2.136X2+6.506 X12-1.455 X22+1.494X1X2-5.165X1X3+2.176X2X3。胡枝子过氧化物酶随着水分的增加先减少后增加,随着施氮量的增加先增后减。过氧化物酶的最适条件为土壤含水率17.52%,施氮533.178 kg.hm-2附近；丙二醛与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=10.591+0.305 X1-1.805 X3+1.127X12+0.892 X22+1.650X32+0.792X1X3-0.545X2X3。胡枝子丙二醛含量随着水分,氮,磷的增加先减少后增加。丙二醛的最佳条件为土壤含水率8.55%～12.26%,施氮266.825 kg.hm-2,施磷570.561 kg.hm-2附近；超氧化物歧化酶(SOD)与W (X1), N (X2), P (X3)三因子的数学模型为：Y=61.798+5.819X1+1.455X3-2.749 X12-5.089 X22-9.352 X32+4. 132X1X2+1.696X2X3。胡枝子超氧化物歧化酶随着水,氮,磷的增加先增后减。最佳条件为土壤含水率15.98%,施氮266.822 kg.hm-2, X3=0施磷380.374 kg.hm-2附近。
The problem of desertification had been attracted international community's high attention. Biological and engineered measures were considered to be effective ways to resort it. Lespedeza bicolor Turcz,which was considered to be one of the best native species in Zhanggutai areas, has the characteristics of cold resistance and drought resistance. The well developed taproots and root nodules on laterals can fix and improve sandy-soil. Lespedeza bicolor Turcz is excellent biologocal material species in Horqin and even other sandland. In semi-arid areas, plant growth is constrained by water and nutrients. So promoting plant growth by adding water and fertilizer has became one of major measures. With 312-D optimized saturation design, water and fertilizer coupling experiments were conducted on Lespedeza bicolor Turcz in semi-arid area in northwestern of Liaoning province Zhang-gu-tai area. Nine indexes were measured in the experiment:height, radical diameter, biomass, chlorophyllcontent, water potential, proline, peroxidase, malondialdehyde and superoxide. Regressive mathematical models were set up respectively to find out quantitative relationship and mechanism of water and fertilizer coupling. The aim of the experiment was to improve the use efficiency of water and fertilizer in semi-arid sandland and to provide theoretical foundation for optimizing the management of water and fertilizer in the production of Lespedeza bicolor Turcz. The results were as follows:
The mathematical model of height with water(X1), nitrogen(X2) and pho sphorus(X3):Y=67.799+4.082 X1+0.864X2+0.401 X12-0.750X22-3.360 X32-0.44 6X1X2-0.665X1X3+1.098X2X3. Too much nitrogen and phosphorus had inhib ited height growth, but water had promoted height growth. The most suitable conditions for height were water content of soil 17.52%, nitrogen 266.822 kg. hm-2-455.140 kg.hm-2 and phosphorus 380.374 kg.hm-2.The mathematical mode 1 of radical diameterand with water(X1),nitrogen(X2) and phosphorus(X3):Y= 7.865+0.365X1+0.332X2+0.263 X3-0.186X12-0.346X22+0.319X1X2+0.208 X2X3.With the increase of water and nitrogen, radical diameter had increased and then decreased, with the increase of phosphorus decreased and then incr eased. The most suitable condition for radical diameter were water content of soil 15.98%～17.52%, nitrogen 455.140 kg.hm-2 and phosphorus 760.748 kg.h m-2. The mathematical model of biomass with water(X1), nitrogen(X2) and p hos-phorus(X3):Y=15.498+5.047 X,+3.906 X2+0.571 X,2-1.164X22-1.489 X32+0.444X1X2-0.890 X1X3+0.545X2X3. As nitrogen and phosphorus incr eased, biomass increased first and then decreased, as the moisture increased, b iomass increased. The most suitable condition for biomass was about:water c ontent of soil 17.52%, nitrogen 78.505 kg.hm-2～455.140 kg.hm-2 and phosphor us 190.187 kg.hm-2～380.374 kg.hm-2.
The mathematical model of chlorophyll content with water(X,), nitrogen (X2) and phosphorus(X3):Y=40.495+1.398X1+0.791 X2+0.569X3-0.605X22+ 0.452X2X3.With the nitrogen and phosphorus increasment, chlorophyll content had increased first and then decreased, with water increasement. chlorophyll content increased. The most suitable condition for chlorophyll content were w ater content of soil 17.52%, nitrogen 455.140 kg.hm-2 and phosphorus 760.748 kg.hm"2. The mathematical model of water potential with water(X1), nitrogen (X2) and phosphorus(X3):Y=-2.877+0.250X1+0.086X3-0.028 X12+1.128X32-0. 038X1X2+0.033X1X3-0.058 X2X3. Leaf water potential had increased with th e water, with phosphorus increased first and then decreases. The most suitable conditions for water potential were water content of soil 17.52%, nitrogen 0 kg.hm-2 and phosphorus 570.561 kg.hm-2. The mathematical model of proline and water(X1), nitrogen(X2) and phosphorus(X3):Y=2.667-1.507X1+0.139 X2-0.877X3+0.461 X12+0.851 X22+0.888X32-0.129X1X2+0.634 X1X3. With w ater, nitrogen and phosphorus increasement, proline increased first and then de creased. The most suitable condition for proline were water content of soil 17. 52%, nitrogen 266.822 kg.hm-2 and phosphorus 190.187 kg.hm-2-380.374 kg.h m-2). The mathematical model of peroxidase with water(X1), nitrogen(X2) a nd phosphorus(X3):Y=24.690+8.998X1+2.136X2+6.506X12-1.455X22+1.494 X1X2-5.165X1X3+2.176X2X3. With the water incresement, peroxidase had de creased first and then increased. With the increase of nitrogen, peroxidase incr eased first and then decreased. The most suitable condition for peroxidase w ere water content of soil 17.52%, nitrogen 533.178 kg.hm-2. The mathematical model of malondialdehyde with water(X1), nitrogen(X2) and phosphorus(X3): Y=10.591+0.305 X1-1.805 X3+1.127 X12+0.892 X22+1.650X32+0.792X1X3-0.54 5X2X3. As water, nitrogen and phosphorus increased, malondialdehyde decre ased and then increased. The most suitable condition for malondialdehyde w as about:water content of soil 8.55%-12.26%, nitrogen 266.825 kg.hm-2, phos phorus 570.561 kg.hm-2. The mathematical model of superoxide with water (X1), nitrogen(X2), phosphorus(X3):Y=61.798+5.819AX1+1.455X3-2.749X12-5. 089X22-9.352X32+4.132X1X2+1.696X2X3. As water, nitrogen and phosphoru shad increased, superoxide increased first and then decreased. The most suitab le condition for superoxide were water content of soil 15.98%, nitrogen 266.8 22 kg.hm-2 and phosphorus 380.374 kg.hm-2.
引文
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