有機-無機復合保水材料對旱地麥田土壤水分及酶活性的影響

余 高，陳 芬，謝英荷，趙曉東，張鐵全，侯建偉

(1.銅仁學院烏江學院，貴州 銅仁 554300；2. 山西農業大學資源與環境學院，山西 太谷 030801；3. 加拿大農業部溫室與加工作物研究中心，哈羅 N0R1G0 加拿大)

由于我國水資源的嚴重短缺，導致水資源成為制約我國干旱、半干旱地區農業可持續發展的重要影響因素之一，因此，提高水資源的利用率是實現農業可持續發展的重要途徑[1-3]。保水劑作為一種農業上新型的化學節水材料[4-7]，具有其獨特的吸水能力和保水功能，能夠吸收比自身原來體積和重量數倍乃至數百倍的水分，吸水后形成的水凝膠可以緩慢地釋放水分，以便提供作物利用[8]。同時，保水劑可以提高土壤的保水保肥性能，減少土壤無效蒸發，改良土壤結構，促進作物根系的生長發育，并能明顯提高肥料利用率[9,10]，因此在農業領域，人們把它比喻成為“微型水庫”[11]。

近年來，關于保水劑的研究主要集中于對土壤吸水、保水性能及土壤物理性狀的影響方面[12-14]。楊紅善等[3]研究結果表明，有機無機復合保水劑對土壤的含水量、土壤團粒結構、孔隙度以及土壤的pH值和電導率等土壤物理和化學性能方面均有著明顯的改善效果；劉瑞鳳等[12]研究結果表明，土壤含水量、土壤中大于 0. 25 mm團聚體含量、土壤pH值以及陽離子交換量均會隨著PAA-atta復合保水劑施用量的增加，而逐漸增大；楊逵等[13]研究結果表明，復合保水劑對沙土也具有良好的改良作用；李晶晶等[8]研究結果表明，有機-無機復合保水劑的保水保肥效果明顯好于腐殖酸型多功能保水劑；冉艷玲等[14]研究結果表明，施用保水劑能夠有效增強土壤“孔隙”的持水性能，從而提高土壤有效水貯量。然而有機無機復合保水劑對土壤微生物酶活性的影響卻鮮有報道。

為此，本試驗研究了有機-無機復合保水材料對旱地麥田土壤水分和酶活性的影響，以期為有機-無機復合保水材料的應用研究提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試區概況

本試驗設在山西省臨汾市洪洞縣劉家垣鎮東梁村的旱地麥田(111°30′～112°50′E 和36°05′～36°23′N)，年均氣溫12.6 ℃，降水量490 mm左右(降雨主要集中在7-9月)，屬于典型的暖溫帶大陸性季風氣候。供試土壤為石灰性褐土，耕層土壤的全氮含量為0.75 g/kg，土壤硝態氮含量為12.25 mg/kg，土壤有效磷含量為12.61 mg/kg，土壤有效鉀含量為235.66 mg/kg，土壤有機質含量為14.35 g/kg。

1.2 供試材料

本試驗所使用有機-無機復合保水材料由山西農業大學資源環境學院實驗室研制，主要由高分子聚合物PAM、凹凸棒土、腐殖酸、風化煤和生物質炭等材料復合而成；供試作物為長8744號小麥品種。

1.3 試驗設計

本試驗共設置了4個處理，每個處理均重復4次，試驗小區采用隨機區組排列設計，各小區的面積為170～470 m2。處理一為對照，即測土配方施肥，并采用露地條播的方式播種；處理二為有機-無機復合保水材料處理，即在對照的基礎上，施入自制的有機-無機復合保水材料產品225 kg/hm2；處理三為壟膜溝播處理，即在對照的基礎上，采用壟上覆膜、溝內播種的方式；處理四為平膜穴播處理，即在對照的基礎上，采用在小麥播種時全地面平鋪地膜、且在膜上覆土穴播的方式。具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案Tab.1 The experiment design

本試驗于冬小麥播種后90 d采集土樣，取樣深度為0～20 cm和20～40 cm。試驗大田所施用的氮、磷、鉀肥分別為尿素(46%N)、過磷酸鈣(11%P2O5)和氯化鉀(60% K2O)，所有肥料和有機-無機復合保水材料均是作為底肥在播前便施入土壤后翻入耕層耙平。

1.4 分析項目與測定方法

(1)土壤含水量的測定：采用烘干法[15]。

(2)土壤酶活性的測定：過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法；脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[16]。

1.5 數據分析

運用Excel2013和SPASS 20 對試驗數據進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對旱地麥田土壤含水量的影響

有機-無機復合保水材料由于其特有的組成和分子結構，通過反復的吸釋水分，從而起到節水、保水保肥的作用[1,8]。由圖1可知，不同處理的土壤含水量均明顯高于對照(p≤0.05)，且各處理0～20 cm土層的土壤含水量均高于20～40 cm土層的土壤含水量，但差異較小。在0～20 cm土層，不同處理的土壤含水量為12.05%～13.07%，有機-無機復合保水材料處理土壤含水量最高，較對照處理提高8.46%(p≤0.05)，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。同樣，在20～40 cm土層，不同處理的土壤含水量為11.87%～12.83%，有機-無機復合保水材料處理較對照處理提高6.15%(p≤0.05)，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。說明了在土壤中施入有機-無機復合保水材料可以蓄水保墑，有效抑制土壤水分的蒸發，提高土壤含水量，且有機-無機復合保水材料與壟膜溝播及平膜穴播可以達到同樣的蓄水保墑效果。

圖1 不同處理對旱地麥田土壤含水量的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil water in dryland wheat

2.2 不同處理對旱地麥田土壤酶活性的影響

2.2.1 不同處理對旱地麥田土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤過氧化氫酶活性可表征土壤腐殖化強度大小和有機質積累程度[17-18]。由圖2可知，不同土層，不同處理土壤過氧化氫酶活性均明顯高于對照(p≤0.05)，且隨著土層深度的增加，土壤過氧化氫酶活性呈降低趨勢，但0～20 cm土層與20～40 cm土層的土氧化氫酶活性差異較小。在0～20 cm土層，不同處理的土壤過氧化氫酶活性為1.50～1.69 mmol/(g·h)，其中，有機-無機復合保水材料處理的土壤過氧化氫酶活性最高，分別較對照、壟膜溝播處理提高15.91%和10.03%(p≤0.05)，但與平膜穴播處理差異不明顯(p≤0.05)。同樣，在20～40 cm土層，不同處理的土壤過氧化氫酶活性為1.44～1.61 mmol/(g·h)，有機-無機復合保水材料處理較對照處理提高12.90%(p≤0.05)，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。可見，有機-無機復合保水材料的施入，可以有效的提高土壤的含水量，改變土壤微生物群落結構和生理特性，提高土壤微生物活性，進而提高土壤過氧化氫酶的活性。

圖2 不同處理對旱地麥田土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil catalase activity in dryland wheat

2.2.2 不同處理對旱地麥田土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶活性是土壤肥力評價的重要指標之一，其活性的高低可以反映出土壤的熟化程度和肥力水平，同時，它是一種參與土壤有機碳循環的酶，對土壤中易溶性營養物質的增加起著非常重要的作用[16,19]。由圖3可以看出，不同土層，不同處理土壤蔗糖酶活性均明顯高于對照(p≤0.05)，且0～20 cm土層的土壤蔗糖酶活性均明顯高于20～40 cm土層(p≤0.05)。在0～20 cm土層，不同處理的土壤蔗糖酶活性為13.50～22.14 mmol/(g·h)，其中，有機-無機復合保水材料處理的土壤蔗糖酶活性最高，分別較對照、壟膜溝播處理提高39.06%、16.58%(p≤0.05)，但與平膜穴播處理之間差異不明顯(p≤0.05)。同樣，在20～40 cm土層，不同處理的蔗糖酶活性為9.52～14.04 mmol/(g·h)，其中，有機-無機復合保水材料處理的土壤蔗糖酶活性較對照處理提高34.09%(p≤0.05)，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。以上結果說明了有機-無機復合保水材料可以使土壤保持較好的墑情，改善土壤的水熱狀況，有利于微生物的生長繁殖，從而增加土壤蔗糖酶活性，但由于有機-無機復合保水材料施入土壤表層，且當地降雨稀少，導致保水材料大部分存在于0～20 cm土層，進而使20～40 cm土層土壤蔗糖酶活性略低于壟膜溝播、平膜穴播處理。

圖3 不同處理對旱地麥田土壤蔗糖酶活性的影響Fig.3 Effects of different treatments on soil sucrase activity in dryland wheat

2.2.3 不同處理對旱地麥田土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶活性可以反映土壤有機態氮向有效態氮的轉化能力及無機態氮的供應能力[20]。由圖4可知，不同土層，不同處理土壤脲酶活性均明顯高于對照(p≤0.05)，且隨著土層深度的增加，土壤脲酶呈降低趨勢，但0～20 cm土層與20～40 cm土層的土壤土壤脲酶差異較小。在0～20 cm土層，不同處理的土壤脲酶活性為1.69～2.05 mmol/(g·h)，其中，有機-無機復合保水材料處理的土壤脲酶活性最高，分別較對照、壟膜溝播處理提高23.35%、9.47%(p≤0.05)，但與平膜穴播處理之間差異不明顯(p≤0.05)。同樣，在20～40 cm土層，不同處理的土壤脲酶活性為1.66～1.95 mmol/(g·h)，有機-無機復合保水材料處理土壤脲酶活性較對照處理提高12.11%(p≤0.05)，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。此結果進一步證明了短時間內，有機-無機復合保水材料基本處于0～20 cm土層，因此對20～40 cm土層的土壤酶活性影響較小，但隨著時間的推進和降雨灌溉，有機-無機復合保水材料將會對20～40 cm土層的土壤酶活性產生較大影響。

圖4 不同處理對旱地麥田土壤脲酶活性的影響Fig.4 Effects of different treatments on soil urease activity in dryland wheat

2.2.4 不同處理對旱地麥田土壤堿性磷酸酶活性的影響

磷酸酶在土壤磷素循環轉化過程中起著非常重要的作用，其活性的高低對土壤中有機磷分解轉化及其生物有效性有直接的影響作用[21]。土壤中的磷酸酶分為酸性、中性和堿性三種，在不同酸堿性土壤中3種磷酸酶的比例不同[22,23]。因本試驗地土壤偏弱堿性，故只對土壤堿性磷酸酶活性做了測定分析。由圖5可以看出，0～20 cm土層各處理的土壤堿性磷酸酶活性均明顯高于20～40 cm土層(p≤0.05)。在0～20 cm土層，不同處理的土壤堿性磷酸酶活性為0.99～1.15 mmol/(g·h)，其中，有機-無機復合保水材料處理的土壤堿性磷酸酶活性較對照處理提高16.07%(p≤0.05)，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。同樣，在20～40 cm土層，不同處理的土壤堿性磷酸酶活性分別為0.63～0.86 mmol/(g·h)，有機-無機復合保水材料處理土壤堿性磷酸酶活性較對照處理提高了33.60%(p≤0.05)，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。此結果進一步證明了短時間內，有機-無機復合保水材料基本處于0～20 cm土層，因此對20～40 cm土層的土壤酶活性影響較小。

圖5 不同處理對旱地麥田土壤堿性磷酸酶活性的影響Fig.4 Effects of different treatments on soil alkaline phosphate activity in dryland wheat

2.3 土壤含水量與土壤酶活性的關系

土壤含水量與土壤酶活性的關系見表2中的擬合方程，其中，Y1、Y2、Y3、Y4為0～20 cm土層各處理的土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性；x1、x2、x3、x4為0～20 cm土層各處理的土壤含水量(%)；同樣，Y5、Y6、Y7、Y8為20～40 cm土層各處理的土壤酶活性，x5、x6、x7、x8為20～40 cm土層各處理的土壤含水量。由表1可知，在0～20 cm土層，不同處理的土壤含水量與土壤酶活性均呈顯著正相關(p≤0.05)；在20～40 cm土層，土壤含水量與土壤過氧化氫酶活性呈顯著正相關(p≤0.05)，而與蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性相關性不顯著。表明土壤含水量的高低會明顯影響土壤酶活性，含水量越高，土壤酶活性越高，反之，土壤酶活性越低，且這種作用在0～20 cm土層尤為明顯。

表2 土壤含水量與土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性的擬合方程Tab.2 Fitted equations of soil water and soil catalase, sucrase, urease and alkaline phosphatase activities

3 討 論

保水劑是用強吸水性高分子樹脂制成的一種具有超高吸水性能和保水能力的高分子聚合物，具有特殊的保水、節水與抗旱性能[24-26]。本試驗研究結果表明，有機-無機復合保水材料能在短期內迅速提高土壤含水量，降低土壤無效蒸發，達到與壟膜溝播和平膜穴播相同的保水效果。謝英荷[27]等人研究結果表明，壟膜溝播和平膜穴播可以有效的改善旱地土壤水分狀況，提高作物水分利用效率，尤其在季節性干旱嚴重的山西旱作麥田區效果更為明顯。因此，在旱作麥田區，可以考慮將旱地麥田覆膜保水措施改為施用有機-無機復合保水材料，以達到土壤的蓄水保墑效果。

有機無機復合保水劑可以通過改善土壤水分狀況而提高酶活性，為土壤微生物提供理想的生存環境，從而對土壤酶種類和活性產生不同程度的直接或間接影響[28,29]。本試驗研究結果表明，與對照相比，有機-無機復合保水材料能明顯提高土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶的活性，這與李倩[28]、車明超[29]等的研究結果一致。而曲貴偉等[30]的研究結果表明，使用聚丙烯酸鉀和聚丙烯酰胺配比雖然可以提高土壤蔗糖酶和磷酸酶活性，但卻對土壤脲酶活性有顯著的抑制作用，與本研究結果略有差異。分析其原因，可能與土壤類型、土壤質地及保水劑類型不同有關[28]。本研究結果還表明，0～20 cm土層的土壤酶活性均高于20～40 cm土層，且土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶尤為明顯。究其原因，主要是因為有機-無機復合保水材料施入表層土壤時間較短，而當地降雨稀少，因此大部分有機-無機復合保水材料仍存在于0～20 cm表層土壤中，從而導致0～20 cm土層的土壤酶活性較高。

本試驗研究結果還表明，無論是0～20 cm土層，還是20～40 cm土層，不同處理的土壤含水量與土壤酶活性均呈正相關，這與王杰等[31]的研究結果基本一致。究其原因，土壤中水分的增加，會改變土壤微生物群落結構和生理特性，提高土壤微生物活性，有利于土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶相關類群微生物的生長[32]。

武繼承等[33]研究表明，保水劑與地面覆蓋相結合處理的土壤含水量遠遠高于單一的秸稈覆蓋和常規種植。因此，探索將有機-無機復合保水材料同壟膜溝播和平膜穴播等種植方式相結合并應用于大田試驗研究，有利于發揮農業節水技術集成效應，對旱作農業的可持續發展具有重要意義，這值得在今后進一步進行研究與推廣應用。

4 結 語

(1)不同土層，有機-無機復合保水材料處理的土壤含水量均明顯高于對照，但與壟膜溝播、平膜穴播處理之間差異均不明顯(p≤0.05)。

(2)與對照相比，有機-無機復合保水材料能明顯提高土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶的活性。且不同處理0～20 cm土層的土壤酶活性均高于20～40 cm土層，其中，土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶尤為明顯。

(3)在0～20 cm土層，不同處理的土壤含水量與土壤酶活性均呈顯著正相關(p≤0.05)；在20～40 cm土層，土壤含水量與土壤過氧化氫酶活性呈顯著正相關(p≤0.05)，而土壤含水量與蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性相關性不顯著。