一種耐鹽型保水劑對(duì)沙培玉米生長(zhǎng)特性的影響*

魏 賢 陳瑞環(huán) 王 萍 劉 云 姚榮江 王火焰楊勁松 董元華

（1 蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，蘭州 730070 ）

（2 中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京土壤研究所），南京 210008 ）

（3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 ）

水資源短缺與肥料利用率低已成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)重要因素。首先，我國(guó)水資源分布不均，季節(jié)與區(qū)域差異性較顯著，農(nóng)業(yè)用水效率較低且受旱土地逐年增加［1］；其次，我國(guó)化肥施用量大、利用率低的現(xiàn)象普遍存在,低土壤水分含量導(dǎo)致養(yǎng)分有效性降低，大量灌溉導(dǎo)致土壤養(yǎng)分淋失［2-3］。因此，在現(xiàn)階段如何同時(shí)提高土壤保水效果和肥料利用率顯得尤為重要。

保水劑是一類具有較高吸水保水能力的高分子聚合物，通常能夠在短時(shí)間內(nèi)吸收自身重量成百甚至上千倍的去離子水，并且吸水后水分不易析出，水分蒸發(fā)量降低，而且可以反復(fù)吸水［4］。當(dāng)前市場(chǎng)上的保水劑以丙烯酸類和丙烯酰胺類為主，也有許多學(xué)者利用天然高分子材料如淀粉、纖維素、殼聚糖等進(jìn)行接枝反應(yīng)合成保水劑［5-8］，其產(chǎn)品具有較好的保水和持水性能，展示出了良好的應(yīng)用潛能和發(fā)展前景。目前，已經(jīng)有較多文獻(xiàn)報(bào)道了保水劑施用在土壤中所起的作用：研究發(fā)現(xiàn)保水劑能夠改善土壤理化性質(zhì)［9-10］、優(yōu)化土壤界面環(huán)境［11］、提高土壤微生物活性［12-13］，常用其進(jìn)行土壤改良［14-15］、抗旱保苗［4,16］、防風(fēng)固沙［17］、水土保持［18-19］等。

然而，傳統(tǒng)的保水劑雖然在去離子水中的吸收效率較高，但其耐鹽性較差，加之在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過(guò)多地施用化肥造成土壤陽(yáng)離子含量增加，當(dāng)保水劑施入土壤時(shí)，土壤中大量的陽(yáng)離子使其吸收效率急劇降低，限制了它在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。在新型保水劑的研發(fā)方面，本課題組已有一定的前期研究工作，如以丙烯酸（Acrylic Acid,AA）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, AMPS）和甲基烯丙基聚氧乙烯醚（Methyl allyl polyethylene ether,HPEG-2400）為單體通過(guò)水溶液聚合法制得耐鹽型保水劑（Salt-tolerant water detaining polymer,SWDP）,該保水劑在去離子水和1.0% KCl溶液中的吸收效率分別為1 787 g·g-1和201 g·g-1［20］。本文以沙子代替土壤模擬沙漠地區(qū)極端條件，以SWDP為研究對(duì)象，通過(guò)鉀肥淋溶試驗(yàn)和改良的霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液澆注玉米盆栽試驗(yàn)，研究SWDP在沙子中的保水保肥效果以及其對(duì)不同條件下玉米生長(zhǎng)的影響，以期確定SWDP對(duì)于土壤保水保肥的重要性，同時(shí)對(duì)SWDP在沙子中的持續(xù)性作用進(jìn)行初步研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用保水劑為前期自制耐鹽保水劑（SWDP），白色粉末狀，主要成分為丙烯酸（AA）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）和甲基烯丙基聚氧乙烯醚（HPEG-2400）［20］。沙子為市售河沙，購(gòu)自南京生健全化玻儀器有限公司。塑料淋溶柱規(guī)格為高30 cm、直徑5 cm；塑料花盆規(guī)格為高25 cm、直徑25 cm。鉀肥為KCl（分析純）；改良的霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液（自來(lái)水配制，省去微量元素）。玉米品種選用鄭單958，該種子具有抗性好、耐干旱、耐高溫的特性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究進(jìn)行了鉀肥淋溶試驗(yàn)和連續(xù)兩茬玉米盆栽試驗(yàn)。其中，鉀肥淋溶試驗(yàn)參照杜建軍等［21］的“間接土柱淋溶法”，于2014年5月4日至5月30日在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室（32。03′14.40′N，118。48′0.29′ E）進(jìn)行。溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度為78%，6—8月日平均氣溫36℃，9—11月日平均氣溫為29℃，年均日照時(shí)數(shù)1 863 h。試驗(yàn)過(guò)程中不經(jīng)特殊光照處理。試驗(yàn)所用沙子用去離子水沖洗并風(fēng)干過(guò)10目篩后備用。選取上述淋溶柱12個(gè)，在淋溶柱下端墊上一層中速定性濾紙。稱取12份250 g風(fēng)干沙，灌入12個(gè)淋溶柱作為墊層，人為壓實(shí)使其達(dá)到一定的緊實(shí)度（容重為1.38 g·cm-3）。再稱取12份250 g的風(fēng)干沙，按SWDP投加量設(shè)置4個(gè)處理，即SWDP投加量分別為0（空白）、0.5、1.0和2.0 g·kg-1沙子，每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。在上述4個(gè)處理的12份樣品中分別加入150 mg的KCl混合均勻，依次加至前述有墊層的淋溶柱中。用封口膜將淋溶柱下端出水口封口后，分別緩慢滴加100 mL去離子水，室溫下密封保存2 d，確保SWDP與水充分接觸(出水口下端有液滴產(chǎn)生)。去除出水口封口膜，為防止淋溶過(guò)程中產(chǎn)生水分蒸發(fā)損失，用帶蓋輸液器分別向12個(gè)淋溶柱中緩慢滴加150 mL去離子水，滴速控制在每分鐘1滴（防止滴速過(guò)快引起的水肥淋溶損失），用250 mL錐形瓶收集淋溶液。此后每6天重復(fù)1次，共4次，分別收集4次的淋溶液并定容。

玉米盆栽試驗(yàn)于同年（2014年）6月21日在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)分為干旱缺水模擬與正常供水兩組,同樣以沙子代替土壤，將沙子風(fēng)干后過(guò)5目篩。試驗(yàn)玉米先對(duì)其進(jìn)行催芽，后選取芽長(zhǎng)生長(zhǎng)一致的幼苗移至盆中，覆沙厚度約1～2 cm，每個(gè)試驗(yàn)盆的用沙量為15 kg（風(fēng)干沙，容重控制在1.38 g·cm-3）。盆栽試驗(yàn)在控制其他因素（土壤初始含水量、加水量、肥料投加量）不變的情況下，按SWDP投加量設(shè)置4個(gè)處理，即SWDP投加量分別為0（空白）、0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子，每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。在玉米生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程中，不同時(shí)期澆注不同濃度的霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液，注意于靠近花盆內(nèi)壁附近緩慢澆注，防止側(cè)漏及擾動(dòng)沙層以暴露玉米根部。出苗期，為防止灼傷幼苗將1/5霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液配置成1/1 000濃度使用，出苗后，配置成1/500濃度使用。每隔2天澆注一次，每次先澆200 mL營(yíng)養(yǎng)液，6 h后再澆100 mL自來(lái)水。其中，干旱缺水模擬組，在出苗后按上述營(yíng)養(yǎng)液加自來(lái)水的方法澆注一個(gè)月后停止供應(yīng)，兩個(gè)月后觀察幼苗存活狀況。正常供水組，在出苗后按營(yíng)養(yǎng)液加自來(lái)水的方法連續(xù)澆注至兩個(gè)月后（8月25日）收獲玉米植株。同時(shí)，為進(jìn)一步探討自制保水劑的可持續(xù)使用效果，正常供水組在第一茬玉米盆栽試驗(yàn)結(jié)束后，連續(xù)進(jìn)行第二茬種植（不額外投加保水劑），試驗(yàn)用種及具體步驟與第一茬相同，于8月30日進(jìn)行種植，11月3日收獲（兩茬玉米植株出苗后的生長(zhǎng)期均為兩個(gè)月）。

1.3 測(cè)定方法

淋溶液中鉀素含量采用火焰光度計(jì)（FP 640型火焰光度計(jì)，上海傲譜分析儀器有限公司）法測(cè)定；玉米植株氮素含量采用凱氏定氮法（UV 8100 B型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京萊伯泰科儀器有限公司) 測(cè)定，鉀素含量采用火焰光度計(jì)法測(cè)定，磷素含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定（700 nm波長(zhǎng)處）［22］；并用卷尺、游標(biāo)卡尺、電子天平和葉面積測(cè)量?jī)x分別對(duì)玉米植株的株高、莖粗、干重、鮮重和最大葉面積進(jìn)行測(cè)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算，用R 3.1.2軟件對(duì)不同SWDP投加量處理下各指標(biāo)的差異顯著性進(jìn)行了單因素方差分析（One-way ANOVA），顯著性水平為0.05，所得結(jié)果用Origin 8.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 保水劑對(duì)鉀肥淋溶累積損失的影響

在SWDP投加量為2.0 g·kg-1沙子時(shí)，過(guò)于嚴(yán)重的溶脹效應(yīng)導(dǎo)致淋溶柱堵塞，無(wú)淋溶液滴出。因此，僅能對(duì)SWDP投加量為0.5 g·kg-1沙子和1.0 g·kg-1沙子時(shí)淋溶液中鉀素含量進(jìn)行測(cè)定，每次淋溶液中鉀素含量及最終累積量見(jiàn)表1。在4次淋溶結(jié)束后，SWDP投加量為0.5 g·kg-1沙子和1.0 g·kg-1沙子的兩處理組鉀素淋溶累積損失量與空白組相比差異顯著（P ＜ 0.05），每個(gè)淋溶柱中鉀素含量分別降低了12.96%和47.85%。值得注意的是，在第二次淋溶時(shí)，當(dāng)SWDP與沙子的質(zhì)量比為1.0 g·kg-1時(shí)，淋溶液中的鉀素含量反而高于空白處理，這可能是因?yàn)樵撎幚礅浰卦诘谝淮瘟苋軙r(shí)保留得多，后續(xù)淋溶相對(duì)較高。

表 1 耐鹽保水劑不同投加量下鉀素累積淋溶量Table 1 Cumulative leaching loss of potassium relative to application rate of the salt-tolerant water detaining polymers (SWDP)

2.2 保水劑對(duì)玉米生長(zhǎng)狀況與形態(tài)指標(biāo)的影響

為研究SWDP的加入對(duì)玉米植株生長(zhǎng)狀況與形態(tài)指標(biāo)的影響，分別進(jìn)行干旱模擬和正常供水兩組盆栽試驗(yàn)。在干旱條件下，不同SWDP加入量玉米植株存活時(shí)間如表2所示，可以看出，SWDP的加入能夠顯著延長(zhǎng)干旱缺水條件下玉米植株的存活時(shí)間（P ＜ 0.05）。與不加SWDP的空白處理相比較，當(dāng)SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時(shí)，玉米植株存活時(shí)間分別延長(zhǎng)了12、19和30 d。

表2 保水劑不同投加量對(duì)玉米存活時(shí)間的影響Table 2 Effect of addition of SWDP on survival time of the maize relative to application rate

正常供水條件下，不同SWDP投加量?jī)刹缬衩字仓曛旮摺⑶o粗、干重、鮮重及最大葉面積結(jié)果見(jiàn)表3。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，第一茬中，不同SWDP投加量處理玉米植株株高、干重和鮮重均有顯著差異（P ＜ 0.05），相對(duì)于空白處理，當(dāng)SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時(shí)，玉米植株株高分別增加了21.53%、35.90%和70.70%，干重分別增加了26.13%、26.60%和31.30%，鮮重分別增加了16.42%、17.16%和20.30%，而對(duì)于玉米植株最大葉面積而言，在第一茬中SWDP投加量為1.0 g·kg-1沙子的處理達(dá)到最大值，顯著大于其他處理（P ＜ 0.05）；此外，不同SWDP投加量的處理對(duì)于第一茬玉米植株的莖粗影響不顯著（P ＞0.05）。第二茬中，不同SWDP投加量的處理玉米植株株高、莖粗、干重、鮮重和最大葉面積均有顯著差異（P ＜ 0.05），相對(duì)于空白處理，當(dāng)SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時(shí)，玉米植株株高分別增加了74.27%、101.2%和110.8%，莖粗分別增加了37.84%、39.90%和46.58%，干重分別增加了86.92%、113.9%和122.0%，鮮重分別增加了121.1%、164.5%和216.4%，最大葉面積分別增加了19.84%、44.08%和46.17%。值得注意的是，SWDP的加入對(duì)于玉米植株各形態(tài)指標(biāo)的影響，相比較于第一茬，在第二茬中更加明顯，這可能與保水劑的性能有關(guān)，當(dāng)保水劑加入土壤時(shí)，其作用最大化需要一定的老化時(shí)間。

表3 保水劑不同投加量對(duì)兩茬玉米生長(zhǎng)與形態(tài)指標(biāo)的影響Table 3 Effects of addition of SWDP on growth and morphological indexes of the two seasons of maize relative to application rate

2.3 保水劑對(duì)玉米葉綠素含量及N、P、K吸收量的影響

分別對(duì)正常供水條件下兩茬玉米的葉綠素含量及N、P、K吸收量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，不同SWDP投加量處理下，兩茬玉米植株的N、P、K吸收量差異顯著（P ＜ 0.05），各處理中玉米植株N、P、K吸收量隨SWDP投加量的增加呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。與空白處理相比，當(dāng)SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時(shí)，第一茬玉米植株氮素吸收量分別增加了8.83%、19.63%和22.39%，磷素吸收量分別增加了29.31%、30.19%和52.38%，鉀素吸收量分別增加了11.61%、18.12%和20.72%。第二茬玉米植株氮素吸收量分別增加了55.50%、117.1%和143.7%，磷素吸收量分別增加了77.12%、161.3%和156.5%，鉀素吸收量分別增加了55.42%、74.13%和84.33%。同時(shí)，SWDP的加入對(duì)于兩茬玉米葉片葉綠素含量也有一定的提高作用，當(dāng)SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時(shí)，第一茬玉米葉片葉綠素含量分別增加了9.89%、31.23%和32.13%，其中，1.0和1.5 g·kg-1沙子的兩處理相對(duì)于空白差異顯著(P ＜ 0.05)，第二茬玉米葉片葉綠素含量?jī)H有在SWDP投加量為1.5 g·kg-1沙子時(shí)，顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)，相對(duì)空白處理，其含量增加了46.78%（圖1）。

圖1 保水劑不同投加量下兩茬玉米植株葉綠素含量及N、P、K吸收量變化趨勢(shì)Fig. 1 Effects of SWDP on contents of chlorophyll and absorptive amount of N, P and K in the two seasons of maize relative to application rate

3 討 論

保水劑加入土壤時(shí)，不僅能夠降低土壤中可溶性養(yǎng)分的淋溶損失，而且能夠穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤容重和促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成［23］。本研究中將保水劑SWDP加入沙子中進(jìn)行鉀肥淋溶試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，SWDP的加入能夠明顯抑制沙子中鉀肥的淋溶損失，且隨其加入量的增加效果越發(fā)明顯（表1），當(dāng)SWDP加入量過(guò)高時(shí)甚至出現(xiàn)堵塞出水口的現(xiàn)象。這是因?yàn)榧尤肷匙又械腟WDP遇水時(shí)，在其自身溶脹增大的同時(shí)能夠?qū)⑸匙诱澈辖Y(jié)成團(tuán)塊狀，使得沙子的透水性降低，減少了沙子中的水分流失。同時(shí)，SWDP分子能夠通過(guò)離子交換與表面吸附作用對(duì)肥料中的K+進(jìn)行吸附，將K+與沙子包裹在其中，進(jìn)而使得鉀素的流失降低［23-24］。

將保水劑SWDP加入沙子中進(jìn)行盆栽試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，SWDP的加入不僅能夠延長(zhǎng)干旱缺水條件下玉米植株的存活時(shí)間，而且能夠顯著提高正常供水條件下玉米植株株高、莖粗、干鮮重和最大葉面積等，這是因?yàn)楸Ｋ畡┑募尤肽軌蛴行Ы档蜕匙又兴实恼舭l(fā)和淋溶損失，使得植物生長(zhǎng)時(shí)擁有更好的土壤環(huán)境與充足的水肥供應(yīng)，進(jìn)而增加植株根系活力、葉面厚度、氣孔數(shù)量和內(nèi)部導(dǎo)管大小等［25-27］。

N、P、K是玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育的必需養(yǎng)分，其含量的高低直接關(guān)系到玉米植株能否正常生長(zhǎng)。為提高植物對(duì)土壤肥料的利用效率，有學(xué)者［23］在土壤中加入多種保水劑進(jìn)行土壤保水保肥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈉鹽型保水劑（聚丙烯酸鈉類，凹凸棒與聚丙烯酸鈉的交聯(lián)物）能夠顯著提高植物對(duì)土壤氮肥的利用效率，但是對(duì)于鉀肥而言，效果卻不太明顯，其原因是由于Na+和K+的電性電量相同，理化性質(zhì)相近，對(duì)K+的吸持能力弱。而本研究中發(fā)現(xiàn)，SWDP的加入對(duì)于玉米植株N、P、K含量均有明顯的促進(jìn)作用。雖然同屬于鈉鹽型保水劑，但是SWDP具有耐鹽性的優(yōu)勢(shì)，能夠吸收大量的鹽溶液［20］，使得土壤保水保肥效果增強(qiáng)。SWDP分子加入沙子時(shí)，自身吸水溶脹后將大量的無(wú)機(jī)離子和養(yǎng)分包裹在其中，同時(shí)通過(guò)靜電引力、范德華力、離子交換力、螯合等機(jī)制增強(qiáng)了對(duì)養(yǎng)分的吸附作用，使得植物生長(zhǎng)所需的水溶性養(yǎng)分能夠保留在保水劑分子中，待植物生長(zhǎng)發(fā)育需要時(shí)緩慢釋放，以達(dá)到提高植株N、P、K含量的效果［23,28］。

保水劑的低耐鹽性與高成本是限制其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前市售保水劑的耐鹽性普遍較低，它們僅能吸收自身重量幾十倍的生理鹽水［29］，而本研究自制的保水劑在1.0% KCl溶液中的吸收效率可達(dá)201 g·g-1［20］。有研究表明［30］，以聚丙烯酸鹽為聚合主體，向其中引入非離子型大單體丙烯酰胺，通過(guò)加入螯合劑制備交聯(lián)型高吸水樹(shù)脂，能夠有效提高保水劑的耐鹽性，其產(chǎn)品在生理鹽水中的吸收效率可達(dá)190 g·g-1，但是在聚合過(guò)程中所使用的丙烯酰胺與螯合劑純度要求高，其成本較高。有研究表明［31-32］，利用小麥秸稈接枝丙烯酸和蕎麥淀粉接枝丙烯酸制備的保水劑，生產(chǎn)成本大大降低，但是其在生理鹽水中的吸收效率會(huì)明顯下降；因此，在保水劑的研發(fā)方面始終很難做到高耐鹽與低成本二者兼顧。目前市售保水劑在生理鹽水中的吸收效率約為50～100 g·g-1，產(chǎn)品均價(jià)約為每千克20元，而本研究中所使用的保水劑不僅耐鹽性高，且其制造成本相對(duì)較低（每千克造價(jià)僅為7元左右）。

現(xiàn)階段，尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)保水劑施入土壤后持續(xù)利用效果的研究。本研究中，為進(jìn)一步探討SWDP的可持續(xù)使用效果，正常供水組在第一茬玉米盆栽試驗(yàn)結(jié)束后，連續(xù)進(jìn)行第二茬種植（不額外投加保水劑），對(duì)第二茬玉米植株的株高、莖粗、干重、鮮重、最大葉面積、葉綠素含量和N、P、K吸收量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)相比第一茬玉米植株，SWDP的加入對(duì)于玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)作用在第二茬中更加明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因尚不明確，可能是因?yàn)镾WDP施入土壤后需要一定的老化時(shí)間其作用才能達(dá)到最大化。目前，本研究進(jìn)行了簡(jiǎn)單的前期玉米盆栽試驗(yàn)，并未對(duì)其整個(gè)生育期及產(chǎn)量影響進(jìn)行測(cè)定，尚需進(jìn)行大田試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本研究在純沙基質(zhì)中加入保水劑SWDP，能夠顯著提高沙子的保水保肥作用，促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)發(fā)育；即使在缺水的條件下，保水劑的加入也能夠延長(zhǎng)植株的存活時(shí)間。因此，在中國(guó)干旱漏水漏肥的砂質(zhì)土壤中此類保水劑對(duì)植物正常生長(zhǎng)和發(fā)育有積極作用，本研究可為SWDP在干旱地區(qū)尤其在荒漠化治理中的應(yīng)用提供依據(jù)。