張開祥，馬宏秀，孟春梅，李宗飛，王開勇

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

保水劑，稱高吸水性樹脂（Super absorbent resin，SAR）又稱高吸水性聚合物（Super absorbent polymer，SAP），也稱吸水劑、持水劑，是一種含有羧基、羥基等強親水性基團，且具有一定交聯(lián)度的水溶漲型高分子聚合物。高吸水性樹脂有著奇特的吸水性能和保水能力，其吸水量可達自身重量的數(shù)百至數(shù)千倍，并且保水性極強[1]。近年來保水材料在干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛，突出表現(xiàn)在節(jié)水灌溉和生態(tài)修復(fù)兩方面。在節(jié)水灌溉方面，保水材料能夠顯著增加土壤貯水量[2]，提高水分利用率，在土壤干旱的時候，將儲存的養(yǎng)分和水分釋放出來供作物正常生長發(fā)育[3-4]，以此減少作物整個生育期的灌水量[5]，達到農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的目的。在土壤修復(fù)方面，保水材料同樣可發(fā)揮重要的作用。研究表明保水劑可以促進土壤鈉離子、鈣離子的的交換率，有利于鹽分的淋洗，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤的保水保肥能力[6]；也有石膏、腐植酸和聚丙烯酰胺（PAM）結(jié)合對鹽堿地的改良效果最好的報道[7]。在土壤荒漠化治理領(lǐng)域，目前主要采用的修復(fù)技術(shù)有物理、生物和化學(xué)修復(fù)技術(shù)。其中化學(xué)修復(fù)中高分子保水材料應(yīng)用較多，保水材料與沙化土壤混合在一起，使沙化土壤的化學(xué)性質(zhì)得到改善，減小了水分的損失。使用保水材料能明顯提高作物產(chǎn)量、改善土壤理化性質(zhì)[8]。此外，大量試驗表明高分子保水材料可以促進種子出苗及作物生長，增加冬小麥的有效分蘗數(shù)，從而增加小麥產(chǎn)量[9]。王林虹等[2]研究發(fā)現(xiàn)保水材料在促進煙草發(fā)育，提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)方面均有良好效果。但是目前國內(nèi)外關(guān)于保水材料對酸棗幼苗生長狀況及棗田理化性質(zhì)的影響鮮有研究[10]。可見，關(guān)于保水材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用大多集中在節(jié)水農(nóng)業(yè)、土壤修復(fù)及作物增產(chǎn)上。保水材料可以改善土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤微生物發(fā)育，提高土壤有機物的周轉(zhuǎn)利用效率和水肥利用率。因此研究保水材料對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響具有重要的意義。

本研究以酸棗為研究對象，通過大田試驗，探討施用保水材料聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鉀、腐植酸對棗田棗苗生長及不同土層有機碳、氮、磷、鉀的變化特征，分析保水材料對棗田pH、電導(dǎo)率及酸棗種子萌發(fā)的影響，以期為研究保水材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）聚丙烯酰胺土壤調(diào)理劑（本課題組自主研制的土壤保水材料），將聚丙烯酰胺進行改性，提高水溶性效果和作物抗逆功能，每升含聚丙烯酰胺改性材料 20 g。

（2）棉粕型腐植酸土壤調(diào)理劑（本課題組自主研制的土壤保水材料），從棉粕中提取，每升含腐植酸30 g；

（3）聚丙烯酰胺和棉粕型腐植酸為1∶1的混合物。

（4）棉粕型腐植酸和聚丙烯酸鉀為1∶1的混合物，含聚丙烯酸鉀2 g/L。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于2015年進行，分為室內(nèi)盆栽模擬和田間試驗兩部分。由于酸棗種子直播出苗率低，因此前期進行盆栽模擬，盆栽試驗結(jié)束后將酸棗幼苗移栽在大田進行田間試驗。

盆栽模擬試驗于2015年6月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院生態(tài)實驗室進行，試驗土壤取自新疆兵團第八師150團的沙土，堿解氮含量1.34 mg/kg，速效磷含量1.49 mg/kg，速效鉀含量17.00mg/kg，土壤田間持水率為19.60%?；ㄅ枰?guī)格為20 cm×30 cm(直徑×高)，試驗前預(yù)先將沙土自然晾干，將2 kg土裝入盆栽中待用。試驗設(shè)置5個處理（表1），其中CK只需加水，復(fù)合材料P+H、H+K處理中加入單材料各5mL。每個處理重復(fù)5次，每盆中播種30粒酸棗種子。之后每隔3 d澆水1次，出苗后每天記錄出苗個數(shù)，7 d后測定酸棗的出苗率，并計算種子的相對發(fā)芽指數(shù)。

田間試驗于2015年7月在石河子大學(xué)試驗站(N44°18'42.37″，E86°03'20.72″)進行。土壤類型為灰漠土，土壤質(zhì)地為壤土，pH值7.86，堿解氮50.00mg/kg，有效磷 40.40mg/kg，速效鉀 180.00mg/kg，有機質(zhì)12.20 g/kg。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，試驗處理與盆栽試驗相同，每個處理小區(qū)面積8 m2，重復(fù)3次。盆栽試驗30 d后，將酸棗幼苗移栽到對應(yīng)田間處理的小區(qū)內(nèi)，每個小區(qū)12株。試驗各處理（表1）正常灌溉，灌溉和施加材料均采用滴灌方式。在10月初取樣測定土壤理化性質(zhì)及植株根長和莖長。

保水材料施入量依據(jù)宣毓龍等[11]改性高分子肥料對小麥生長及產(chǎn)量的影響研究中得出；田間試驗的各個處理均正常灌溉施肥，灌水量和施肥量依據(jù)郭守斌[12]的紅棗酸棗直播建園栽培技術(shù)規(guī)程中得出。

表1 試驗設(shè)計Tab.1 Experiment design

1.2.2 測定指標(biāo)與方法

盆栽出苗7 d后統(tǒng)計出苗數(shù)，并計算酸棗出苗率和相對發(fā)芽指數(shù)：

出苗率=出苗數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)；

上式中，Gt與Dt分別對應(yīng)當(dāng)天的發(fā)芽種子數(shù)與發(fā)芽時間，t=0，1，2，3，…，n。

于 2015年 10月初取棗田 0-20、20-40、40-60 cm土層土樣進行土壤有機碳、土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀的測定，土壤有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤堿解氮的測定采用堿解擴散法；土壤速效磷的測定采用0.5mol/L NaHCO3浸提法；土壤速效鉀的測定采用NH4OAc浸提-火焰光度法。同時測定各土層土樣的pH、電導(dǎo)率，土壤pH的測定使用PHS-3C型實驗室pH計測定；土壤電導(dǎo)率的測定使用DDS-307電導(dǎo)率儀測定。此外，各處理小區(qū)取5棵植株樣測量其根長和莖長。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理和作圖，用SPSS20.0軟件進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水材料對酸棗出苗率和相對發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖1可知，施用保水材料之后，種子的出苗率和相對發(fā)芽指數(shù)相比 CK均顯著提高，P、H、P+H、H+K處理酸棗種子出苗率依次增加了30.00%、37.77%、55.55%、40.00%；種子相對發(fā)芽指數(shù)的增幅分別為74.98%、163.75%、222.89%、73.07%。其中施加P+H材料促進酸棗種子萌發(fā)的效果最好。

圖1 不同保水材料處理酸棗種子出苗率及相對發(fā)芽指數(shù)Fig.1 Germination rate and relative germination index of different water retaining materials

2.2 不同保水材料對酸棗幼苗莖長和根長的影響

圖2 不同保水材料處理酸棗幼苗的莖長和根長Fig.2 Length of stem and root of sour jujube seedlings with different water retaining materials

由圖2可知，P+H處理可以明顯促進酸棗幼苗生長。對于幼苗莖長和根長，P+H處理均顯著高于CK，莖長增幅30.19%，根長增幅為57.58%；其他P、H、H+K處理條件下，莖長與CK無顯著差異，根長均顯著高于 CK，增幅依次為：15.15%、39.39%、24.24%。由圖可知，施用保水材料對酸棗幼苗根部生長的影響大于莖的生長。

2.3 不同保水材料對棗田土壤pH和電導(dǎo)率的影響

由表2可知，施用不同保水材料后，0-20 cm土層土壤pH和CK無顯著差異；20-40 cm土層，H+K處理的pH最高，P+H處理顯著低于CK，較CK減小0.08，P、H處理與CK差異不顯著；40-60 cm土層，P+H處理顯著低于CK及其他處理，較CK減少0.08，其他處理與CK無顯著差異。

由表 3可知，0-20 cm土層的土壤電導(dǎo)率，P、H、P+H、H+K處理均顯著高于 CK，增幅依次為38.04%、94.10%、100.07%、46.51%；20-40 cm 土層，P、H、P+H、H+K處理均顯著低于CK，分別比CK降低 14.23%、4.71%、16.22%、12.21%；40-60 cm 土層各處理的電導(dǎo)率同樣顯著低于CK，分別降低11.67%、18.68%、15.62%、13.82%。

表2 不同保水材料處理棗田0-60 cm土層土壤pH值Tab.2 Soil pH of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

表3 不同保水材料處理棗田0-60 cm土層土壤電導(dǎo)率μm/cmTab.3 Soil conductivity of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4 不同保水材料對棗田土壤養(yǎng)分的影響

2.4.1 不同保水材料對棗田有機碳含量的影響

由圖3可知，0-20 cm土層各處理的土壤有機碳含量均在8 g/kg以上，不同材料處理較CK變幅為-20%-10%，各處理的土壤有機碳含量依次為P＞CK＞P+H＞H+K＞H，處理間差異顯著；20-40 cm土層有機碳含量為6-9 g/kg，P處理的有機碳含量顯著高于CK及其他處理，H、P+H、H+K處理顯著低于CK；40-60 cm土層的有機碳含量為5-7 g/kg，P處理與CK之間差異不顯著，均顯著高于其他處理，P+H處理顯著高于H、H+K處理，H處理和H+K處理之間差異不顯著。

圖3 不同保水材料處理棗田0-60 cm土層土壤有機碳含量Fig.3 Soil organic carbon content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.2 不同保水材料對棗田堿解氮含量的影響

由圖4可知，0-20 cm土層各處理的土壤堿解氮含量均在37 mg/kg以上，P+H處理、P處理的堿解氮含量顯著高于CK和其他處理，較CK增幅分別為64.86%、24.32%，H處理和H+K處理與 CK之間無明顯差異；20-40 cm土層土壤堿解氮含量為32-48 mg/kg，P+H處理、P處理堿解氮含量顯著高于CK和其他處理，較CK的增幅分別為41.18%和17.65%；40-60 cm土層土壤堿解氮含量低于0-40 cm，其中P+H處理、H處理顯著高于CK。

圖4 不同保水材料處理棗田0-60 cm土層土壤堿解氮含量Fig.4 Content of alkali hydrolyzable nitrogen of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.3 不同保水材料對棗田速效磷含量的影響

由圖5可知，各層土壤速效磷含量由表層向下呈遞減趨勢。在0-20 cm土層中，P+H處理的土壤速效磷含量顯著高于其他各處理，較CK的增幅為30.31%，P處理顯著高于CK、H、H+K處理，較CK的增幅為6.03%；20-40 cm土層的土壤速效磷含量集中在10.01-14.85mg/kg，P+H處理顯著高于其他處理，較CK增幅為32.59%，P處理和H處理之間差異不顯著，但顯著高于CK；40-60 cm土層的土壤速效磷含量低于10.86 mg/kg，其中P+H處理顯著高于其他處理，較CK增幅為14.68%，P、H處理與CK無顯著差異。

圖5 不同保水材料處理棗田0-60 cm土層的土壤速效磷含量Fig.5 Soil available phosphorus content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.4 不同保水材料對棗田速效鉀含量的影響

由圖6可知，施用保水材料可顯著增加土壤速效鉀含量。0-20 cm土層P+H處理，速效鉀含量顯著高于其他處理，較 CK增幅 39.13%，P、H、H+K處理之間差異不顯著，均顯著高于CK，增幅分別為18.30%、14.19%、16.62%；20-40 cm 土層施加保水材料處理均顯著高于CK，增幅依次為8.55%、19.45%、19.48%、22.13%；在 40-60 cm 土層中，P+H處理的速效鉀含量顯著高于其他處理，較CK增幅為20.11%，H+K處理的速效鉀含量顯著高于CK，H處理與CK差異不顯著。

圖6 不同保水材料處理棗田0-60 cm土層的土壤速效鉀含量Fig.6 Soil available potassium content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

3 討論

保水劑的主要作用是將植物一時不能利用的降水或灌溉水盡可能貯蓄起來，而持續(xù)地供應(yīng)植物水分。本研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺材料和腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料施入土壤可顯著增加0-60 cm土層的土壤有機碳含量，腐植酸材料和腐植酸-聚丙烯酸鉀復(fù)合材料均顯著降低了有機碳含量。其原因可能是高分子保水材料抑制土壤微生物生長，從而減少土壤有機碳的分解，腐植酸保水材料促進土壤微生物繁殖，進而增加有機碳的分解，大量研究表明，腐植酸可以增加土壤微生物數(shù)量[13-14]，劉洋等[15]研究表明保水劑可以使土壤微生物數(shù)量下降。因此，本試驗后期將會對土壤微生物及C/N進行深入研究。有研究表明，保水材料可以提高土壤養(yǎng)分含量，進而促進作物生長[16-19]，本研究與前人研究結(jié)果一致，保水材料可以顯著保持土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀含量，其中以腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料效果最佳。由于土壤養(yǎng)分含量高，酸棗幼苗的莖長和根長也顯著的增長。此外，本研究中0-20 cm土層，腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料處理的土壤電導(dǎo)率值顯著升高，20-60 cm土層顯著降低，同時20-60 cm土層的土壤pH值隨之降低，說明施入腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合保水材料可以顯著改善土壤理化性質(zhì)，研究結(jié)果與馬斌等[8]研究一致。

大量研究[20-21]表明，一定濃度的保水材料可以促進種子萌發(fā)，本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果相同，保水材料可以促進酸棗種子萌發(fā)，其原因可能是保水材料吸附較多的水分，為種子發(fā)芽提供良好的環(huán)境；也有可能是保水材料吸附在種子表面形成一層保護膜，保水材料吸收大量的水分為種子萌發(fā)提供前提條件。目前的研究大多針對保水劑初次使用后對土壤理化性狀的改善，保水劑長期使用后對土壤環(huán)境的影響報道較少，在保水劑的使用過程中，隨著使用時間的推移，保水劑對土壤性質(zhì)改善的效果變化還有待研究。

4 結(jié)論

施用保水材料可以顯著改善棗田土壤理化性質(zhì)，為作物生長提供良好的環(huán)境。施用保水材料均顯著提高酸棗種子出苗率和相對發(fā)芽指數(shù)，同時促進酸棗幼苗根長和莖長生長。聚丙烯酰胺材料和腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料均可提高0-60 cm土層土壤有機碳、土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，從而促進酸棗幼苗生長，其中腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料的施用對改善土壤理化性質(zhì)的效果最佳。因此，建議在干旱地區(qū)中低產(chǎn)棗田推廣施用腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合保水材料，以改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

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