有機無機復合保水材料對玉米苗期土壤水分及幼苗生長的影響

余 高，陳 芬，謝英荷，趙曉東，鄭海霞，譚杰斌

(1.銅仁學院 農(nóng)林工程與規(guī)劃學院，貴州 銅仁 554300； 2.山西農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院， 山西 太谷 030801； 3.寧鄉(xiāng)豐裕生物科技有限公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410600)

玉米在生長期內(nèi)對水分狀況反應敏感，干旱影響玉米生長發(fā)育的各個階段，是造成玉米產(chǎn)量不穩(wěn)的重要原因之一[1-2]。保水劑是一種化學節(jié)水材料[3-5]，施用于土壤可以增強土壤保水保肥性能，減少無效蒸發(fā)，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進作物生長發(fā)育，提高水肥利用率[6-7]，在干旱、半干旱地區(qū)，被稱作農(nóng)作物干旱時的“微型水庫”[8-9]。

相關(guān)研究表明，在農(nóng)作物生產(chǎn)中合理施用保水劑，可有效提高土壤含水量，緩解干旱對作物造成的傷害，促進作物的生長發(fā)育[10-20]。余高等[21]研究結(jié)果表明，有機-無機復合保水材料能在短期內(nèi)明顯提高土壤含水量，在0～20 cm土層較不施保水材料處理顯著提高8.46%，在20～40 cm土層顯著提高6.15%。程紅勝等[22]研究表明，生物炭基保水劑可以有效提高土壤飽和含水率，較不施保水材料處理提高13.31%～13.54%。張麗華等[23]研究表明，施用保水劑可極顯著提高玉米產(chǎn)量、土壤水分含量及水分利用效率，且細粒型優(yōu)于顆粒型，細粒型最佳施用量為45 kg/hm2，顆粒型最佳施用量為60 kg/hm2。侯賢清等[24]研究表明，穴施保水劑可有效改善馬鈴薯關(guān)鍵生育時期土壤水分狀況，促進作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，以施用60～90 kg/hm2沃特保水劑處理增產(chǎn)和提高作物水分利用效率效果最佳。潘勇剛等[25]研究表明，當保水劑施用量為 30 kg/hm2時，玉米產(chǎn)量最高。綜上，不同研究結(jié)果間的差異較大，說明不同類型保水劑或者同一類型保水劑在不同地區(qū)、不同氣候、不同土壤中的應用效果差異較大，使得實際生產(chǎn)中保水劑的應用效果也千差萬別[26-27]。

目前，在以玉米為主要農(nóng)作物的北方干旱、半干旱地區(qū)，有關(guān)保水材料的報道大多以無機材料為主，而有機無機復合保水材料的應用研究鮮有報道。為此，研究有機無機復合保水材料對玉米苗期土壤水分及生長的影響，為北方干旱、半干旱地區(qū)玉米生產(chǎn)節(jié)水抗旱和保水劑合理施用提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

保水材料：本試驗首先選取目前市場上使用較多且保水性能較好的保水材料聚丙烯酰胺(PAM，吸水倍率為360倍)、凹凸棒土(NA，吸水倍率為3.25倍)和腐植酸(FA，吸水倍率為1.75倍)3種保水材料，然后又結(jié)合山西省實際，選取了原材料普遍存在且成本低廉的農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈炭(CB，吸水倍率為7.5倍)，共4種材料作為本試驗的供試保水材料。

供試土壤：本試驗所用土壤取自山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院試驗站基地0～20 cm土壤，為石灰性褐土，經(jīng)自然風干后備用。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

供試作物：玉米品種先玉335。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Tab.1 The basic properties of the tested soil

1.2 試驗設計

玉米桶栽試驗于2015年4月25日在山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院試驗基地的溫室內(nèi)進行。為最大限度發(fā)揮有機無機復合保水材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的經(jīng)濟效益，參照已報道的保水劑最佳施用量[23-24]以及謝英荷團隊前期的研究成果[21]，本試驗共設5個處理，分別為對照(不施保水材料處理，CK)、T1處理(PAM∶NA∶FA∶CB=4∶3∶2∶1)、T2處理(PAM∶NA∶FA∶CB=4∶3∶1∶2)、T3處理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶2∶1)、T4處理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶1∶2)。同時，除CK外，每個處理保水材料的施用量分別設4個水平：0.013、0.027、0.040、0.053 g/kg，各處理及不同施用量均設3個重復。桶栽試驗所用塑料桶直徑為50 cm，深為40 cm，每桶裝風干土10 kg，均施入等量尿素0.1 g/kg，不施磷肥和鉀肥。將土、保水材料和尿素充分混勻后裝入桶中，播種前，一次性灌溉2 400 mL自來水，每隔24 h稱量桶栽一次，測定其保水效果(即土壤水分蒸發(fā)率)，5 d后每桶播10粒玉米種子，深度為5～6 cm。10 d后根據(jù)玉米出苗情況進行間苗，每桶保留4株長勢一致的植株，苗期根據(jù)蒸發(fā)量同時段等量澆水。于玉米苗期后期(6月10日)進行土壤和植物樣品的采集，測定土壤含水率，玉米株高、莖粗、葉面積和干物質(zhì)積累量。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤水分指標 測定土壤含水率，并計算土壤累積水分蒸發(fā)率。其中，土壤含水率=(土壤水質(zhì)量/烘干土質(zhì)量)×100%，土壤水分累積蒸發(fā)率=[(原始土壤水質(zhì)量-蒸發(fā)后土壤水質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量]×100%。

1.3.2 玉米生長發(fā)育指標 分別采用直尺、游標卡尺測定玉米株高、莖粗。測定玉米各葉片的葉長和最大葉寬，計算葉面積。葉面積=葉長×葉寬×0.75。收獲玉米幼苗，于105 ℃ 殺青30 min，然后70 ℃ 烘干至恒質(zhì)量，即得干物質(zhì)積累量。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機無機復合保水材料對玉米苗期土壤水分累積蒸發(fā)率的影響

由圖1可知，當盆栽土壤中的有機無機復合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時，各處理土壤水分累積蒸發(fā)率均隨著時間的延長而逐漸增加，總體上不同時間土壤水分累積蒸發(fā)率均表現(xiàn)為T4

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P≤0.05),下同

2.2 有機無機復合保水材料對玉米苗期土壤含水率的影響

由圖2可知，當有機無機復合保水材料施用量為0.013 ～0.053 g/kg時，不同有機無機復合保水材料處理的土壤含水率均顯著高于CK，同時，T4處理的土壤含水率均最高，顯著高于T1、T2處理，但與T3處理差異不顯著。當有機無機復合保水材料施用量為0.013 g/kg時，T4處理的土壤含水率為11.78%，分別較CK、T1、T2處理顯著提高33.9%、7.6%、8.4%；當有機無機復合保水材料施用量為0.027 g/kg時，T4處理的土壤含水率分別較CK、T1、T2處理顯著提高53.6%、15.4%、15.1%；當有機無機復合保水材料施用量為0.040 g/kg時，T4處理的土壤含水率分別較CK、T1、T2處理顯著提高72.7%、14.2%、14.7%；當有機無機復合保水材料施用量為0.053 g/kg時，T4處理的土壤含水率分別較CK、T1、T2處理顯著提高83.6%、7.3%、8.9%。由圖2還可以看出，當有機無機復合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時，不同有機無機復合保水材料處理的土壤含水率均隨著復合保水材料施用量的增加而呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其中，以有機無機復合保水材料施用量為0.053 g/kg的T4處理土壤含水率最高，保墑效果最好。說明有機無機復合保水材料的施用量越高，土壤含水率越高，保墑效果越好。

圖2 有機無機復合保水材料對玉米苗期土壤含水率的影響 Fig.2 Effects of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on soil moisture content at seedling stage

2.3 有機無機復合保水材料對玉米幼苗生長的影響

由表2—4可知，在同一施用量水平下，不同有機無機復合保水材料處理的玉米株高、葉面積和莖粗均顯著高于CK，且在同一施用量水平下，不同有機無機復合保水材料處理玉米植株的生長表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2>CK。當有機無機復合保水材料施用量為0.013 g/kg時，T4處理玉米株高分別較CK、T2處理顯著提高55.1%、7.8%，但與T1、T3處理均無顯著差異；葉面積分別較CK、T1、T2處理顯著提高33.3%、10.8%、14.3%，但與T3處理無顯著差異；莖粗分別較CK、T2處理顯著提高53.2%、22.0%，但與T1、T3處理均無顯著差異。同樣，當有機無機復合保水材料施用量為0.027 g/kg時，T4處理的玉米株高、葉面積和莖粗均顯著高于CK、T1、T2處理。當有機無機復合保水材料施用量為0.040 g/kg時，除T1、T3處理外，T4處理玉米株高和莖粗均顯著高于CK和T2處理，T4處理的葉面積顯著高于CK、T1、T2、T3處理。當有機無機復合保水材料施用量為0.053 g/kg時，T4處理的玉米株高顯著高于CK、T1、T2處理，葉面積顯著高于CK、T1、T2、T3處理，莖粗顯著高于CK、T2處理。另外，對于同一有機無機復合保水材料處理，不同施用量對玉米長勢的影響表現(xiàn)為0.053 g/kg>0.040 g/kg>0.027 g/kg>0.013 g/kg，說明當有機無機復合保水材料施用量為0.053 g/kg時，對玉米長勢具有明顯的促進作用。

表2 有機無機復合保水材料對玉米幼苗株高的影響Tab.2 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on plant height of maize seedling cm

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P≤0.05),下同。

Notes: The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments(P≤0.05),the same below.

表3 有機無機復合保水材料對玉米幼苗單株總?cè)~面積的影響

Tab.3 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on leaf area per plant of maize seedlingcm2

表4 有機無機復合保水材料對玉米幼苗莖粗的影響

Tab.4 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on stem diameter of maize seedling cm

2.4 有機無機復合保水材料對玉米幼苗干物質(zhì)積累量的影響

由圖3可知，當有機無機復合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時，不同有機無機復合保水材料處理的玉米幼苗干物質(zhì)積累量均顯著高于CK，且在同一施用量水平下，不同有機無機復合保水材料處理玉米幼苗干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2>CK。當有機無機復合保水材料施用量為0.013 g/kg時，T4處理玉米幼苗干物質(zhì)積累量較其他處理提高2.8%～19.0%；當有機無機復合保水材料施用量分別為0.027、0.040、0.053 g/kg時，T4處理分別較其他處理提高2.2%～20.8%、2.3%～28.5%、7.5%～36.1%。由圖3還可以看出，同一有機無機復合保水材料處理，不同施用量對玉米幼苗干物質(zhì)積累量的影響表現(xiàn)為0.053 g/kg>0.040 g/kg>0.027 g/kg>0.013 g/kg，說明當有機無機復合保水材料施用量為0.053 g/kg時，玉米幼苗干物質(zhì)積累量最高。

圖3 有機無機復合保水材料對玉米幼苗干物質(zhì)積累量的影響 Fig.3 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on dry matter accumulation of maize seedling

3 結(jié)論與討論

土壤蒸發(fā)是造成土壤水分大量損失的主要途徑，造成水資源浪費，同時還會引起土壤鹽漬化和地下水污染物表聚等環(huán)境問題[28]，而保水劑的施入可以有效抑制土壤水分蒸發(fā)[29]。本研究結(jié)果表明，不同有機無機復合保水材料處理的土壤水分累積蒸發(fā)率總體上均顯著低于CK，具體表現(xiàn)為T4

本研究結(jié)果表明，當有機無機復合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時，不同有機無機復合保水材料處理的土壤含水率均顯著高于CK，這與張麗華等[23]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因為施用保水劑可明顯提高土壤蓄水、保水能力，在水分充足時，保水劑將大量水分吸收并阻滲在土壤內(nèi)；水分不足時，保水劑又將吸收的水分慢慢釋放出來供植株根系吸收利用，而CK土壤內(nèi)多余水分會因滲漏、蒸發(fā)和蒸騰作用而使土壤含水率降低[23]。本研究結(jié)果還表明，有機無機復合保水材料的施用量是影響土壤含水率的重要因素之一，施用量越高，土壤含水率越高，保墑效果越好，反之，土壤含水率越低，保墑效果越差，這與王猛等[31]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因為有機無機復合保水材料施用量的增加可以有效減少土壤水分蒸發(fā)、滲透和植株蒸騰，從而使土壤含水率增加[23]。

有研究表明，有機無機復合保水材料的施入可以有效促進作物的生長發(fā)育[10-12]。本研究結(jié)果表明，在同一施用量水平下，不同有機無機復合保水材料處理的玉米幼苗株高、葉面積、莖粗和干物質(zhì)積累量均顯著高于CK，具體表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2>CK，這與馬征等[32]、張蕊等[33]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因為有機無機復合保水材料的施入可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)和水分狀況，加速土壤有機質(zhì)的分解與礦化，促進土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應，保蓄土壤的有效養(yǎng)分[22]，從而促進玉米的生長發(fā)育。本研究結(jié)果還表明，當有機無機復合保水材料施用量為0.053 g/kg時，對玉米幼苗長勢具有明顯的促進作用，此時，玉米幼苗株高、葉面積、莖粗以及干物質(zhì)累積量均為最佳，這與程闖勝等[2]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因為當保水材料施用量為0.053 g/kg時，能有效改善玉米的生長環(huán)境，為其生長提供相對穩(wěn)定的水分環(huán)境[2]，同時有機無機復合保水材料的施入，使得水分和養(yǎng)分間表現(xiàn)出較好的協(xié)同效應，促進玉米植株的生長[34]，從而為增產(chǎn)增收奠定了一定的基礎。

綜上所述，在本試驗條件下，有機無機復合保水材料為T4處理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶1∶2)、施用量為0.053 g/kg時，降低土壤累積蒸發(fā)率、提高玉米苗期土壤含水率、促進玉米苗期生長的效果最好。