魏 賢 陳瑞環(huán) 王 萍 劉 云 姚榮江 王火焰楊勁松 董元華

（1 蘭州交通大學化學與生物工程學院，蘭州 730070 ）

（2 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室（南京土壤研究所），南京 210008 ）

（3 中國科學院大學，北京 100049 ）

水資源短缺與肥料利用率低已成為制約我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩個重要因素。首先，我國水資源分布不均，季節(jié)與區(qū)域差異性較顯著，農業(yè)用水效率較低且受旱土地逐年增加［1］；其次，我國化肥施用量大、利用率低的現象普遍存在,低土壤水分含量導致養(yǎng)分有效性降低，大量灌溉導致土壤養(yǎng)分淋失［2-3］。因此，在現階段如何同時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，通常能夠在短時間內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，而且可以反復吸水［4］。當前市場上的保水劑以丙烯酸類和丙烯酰胺類為主，也有許多學者利用天然高分子材料如淀粉、纖維素、殼聚糖等進行接枝反應合成保水劑［5-8］，其產品具有較好的保水和持水性能，展示出了良好的應用潛能和發(fā)展前景。目前，已經有較多文獻報道了保水劑施用在土壤中所起的作用：研究發(fā)現保水劑能夠改善土壤理化性質［9-10］、優(yōu)化土壤界面環(huán)境［11］、提高土壤微生物活性［12-13］，常用其進行土壤改良［14-15］、抗旱保苗［4,16］、防風固沙［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，加之在農業(yè)生產中過多地施用化肥造成土壤陽離子含量增加，當保水劑施入土壤時，土壤中大量的陽離子使其吸收效率急劇降低，限制了它在農業(yè)方面的應用。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為研究對象，通過鉀肥淋溶試驗和改良的霍格蘭氏營養(yǎng)液澆注玉米盆栽試驗，研究SWDP在沙子中的保水保肥效果以及其對不同條件下玉米生長的影響，以期確定SWDP對于土壤保水保肥的重要性，同時對SWDP在沙子中的持續(xù)性作用進行初步研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗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）；改良的霍格蘭氏營養(yǎng)液（自來水配制，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 試驗設計

本研究進行了鉀肥淋溶試驗和連續(xù)兩茬玉米盆栽試驗。其中，鉀肥淋溶試驗參照杜建軍等［21］的“間接土柱淋溶法”，于2014年5月4日至5月30日在中國科學院南京土壤研究所溫室（32。03′14.40′N，118。48′0.29′ E）進行。溫室內空氣相對濕度為78%，6—8月日平均氣溫36℃，9—11月日平均氣溫為29℃，年均日照時數1 863 h。試驗過程中不經特殊光照處理。試驗所用沙子用去離子水沖洗并風干過10目篩后備用。選取上述淋溶柱12個，在淋溶柱下端墊上一層中速定性濾紙。稱取12份250 g風干沙，灌入12個淋溶柱作為墊層，人為壓實使其達到一定的緊實度（容重為1.38 g·cm-3）。再稱取12份250 g的風干沙，按SWDP投加量設置4個處理，即SWDP投加量分別為0（空白）、0.5、1.0和2.0 g·kg-1沙子，每處理設置3個重復。在上述4個處理的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生)。去除出水口封口膜，為防止淋溶過程中產生水分蒸發(fā)損失，用帶蓋輸液器分別向12個淋溶柱中緩慢滴加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1次，共4次，分別收集4次的淋溶液并定容。

玉米盆栽試驗于同年（2014年）6月21日在中國科學院南京土壤研究所溫室內進行，試驗分為干旱缺水模擬與正常供水兩組,同樣以沙子代替土壤，將沙子風干后過5目篩。試驗玉米先對其進行催芽，后選取芽長生長一致的幼苗移至盆中，覆沙厚度約1～2 cm，每個試驗盆的用沙量為15 kg（風干沙，容重控制在1.38 g·cm-3）。盆栽試驗在控制其他因素（土壤初始含水量、加水量、肥料投加量）不變的情況下，按SWDP投加量設置4個處理，即SWDP投加量分別為0（空白）、0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子，每處理設置3個重復。在玉米生長的整個過程中，不同時期澆注不同濃度的霍格蘭氏營養(yǎng)液，注意于靠近花盆內壁附近緩慢澆注，防止側漏及擾動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營養(yǎng)液，6 h后再澆100 mL自來水。其中，干旱缺水模擬組，在出苗后按上述營養(yǎng)液加自來水的方法澆注一個月后停止供應，兩個月后觀察幼苗存活狀況。正常供水組，在出苗后按營養(yǎng)液加自來水的方法連續(xù)澆注至兩個月后（8月25日）收獲玉米植株。同時，為進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結束后，連續(xù)進行第二茬種植（不額外投加保水劑），試驗用種及具體步驟與第一茬相同，于8月30日進行種植，11月3日收獲（兩茬玉米植株出苗后的生長期均為兩個月）。

1.3 測定方法

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

1.4 數據分析

上述試驗數據均采用Microsoft Excel 2007進行平均值和標準差的計算，用R 3.1.2軟件對不同SWDP投加量處理下各指標的差異顯著性進行了單因素方差分析（One-way ANOVA），顯著性水平為0.05，所得結果用Origin 8.5進行繪圖。

2 結 果

2.1 保水劑對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，過于嚴重的溶脹效應導致淋溶柱堵塞，無淋溶液滴出。因此，僅能對SWDP投加量為0.5 g·kg-1沙子和1.0 g·kg-1沙子時淋溶液中鉀素含量進行測定，每次淋溶液中鉀素含量及最終累積量見表1。在4次淋溶結束后，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，當SWDP與沙子的質量比為1.0 g·kg-1時，淋溶液中的鉀素含量反而高于空白處理，這可能是因為該處理鉀素在第一次淋溶時保留得多，后續(xù)淋溶相對較高。

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 保水劑對玉米生長狀況與形態(tài)指標的影響

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

表2 保水劑不同投加量對玉米存活時間的影響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投加量兩茬玉米植株株高、莖粗、干重、鮮重及最大葉面積結果見表3。經計算發(fā)現，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），相對于空白處理，當SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時，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），相對于空白處理，當SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時，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的加入對于玉米植株各形態(tài)指標的影響，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，當保水劑加入土壤時，其作用最大化需要一定的老化時間。

表3 保水劑不同投加量對兩茬玉米生長與形態(tài)指標的影響Table 3 Effects of addition of SWDP on growth and morphological indexes of the two seasons of maize relative to application rate

2.3 保水劑對玉米葉綠素含量及N、P、K吸收量的影響

分別對正常供水條件下兩茬玉米的葉綠素含量及N、P、K吸收量進行測定。結果表明，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投加量的增加呈現出遞增的趨勢。與空白處理相比，當SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時，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，SWDP的加入對于兩茬玉米葉片葉綠素含量也有一定的提高作用，當SWDP投加量為0.5、1.0和1.5 g·kg-1沙子時，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沙子的兩處理相對于空白差異顯著(P ＜ 0.05)，第二茬玉米葉片葉綠素含量僅有在SWDP投加量為1.5 g·kg-1沙子時，顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)，相對空白處理，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，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)定土壤結構、降低土壤容重和促進土壤團聚體的形成［23］。本研究中將保水劑SWDP加入沙子中進行鉀肥淋溶試驗時發(fā)現，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SWDP加入量過高時甚至出現堵塞出水口的現象。這是因為加入沙子中的SWDP遇水時，在其自身溶脹增大的同時能夠將沙子粘合結成團塊狀，使得沙子的透水性降低，減少了沙子中的水分流失。同時，SWDP分子能夠通過離子交換與表面吸附作用對肥料中的K+進行吸附，將K+與沙子包裹在其中，進而使得鉀素的流失降低［23-24］。

將保水劑SWDP加入沙子中進行盆栽試驗時發(fā)現，SWDP的加入不僅能夠延長干旱缺水條件下玉米植株的存活時間，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，這是因為保水劑的加入能夠有效降低沙子中水肥的蒸發(fā)和淋溶損失，使得植物生長時擁有更好的土壤環(huán)境與充足的水肥供應，進而增加植株根系活力、葉面厚度、氣孔數量和內部導管大小等［25-27］。

N、P、K是玉米植株生長發(fā)育的必需養(yǎng)分，其含量的高低直接關系到玉米植株能否正常生長。為提高植物對土壤肥料的利用效率，有學者［23］在土壤中加入多種保水劑進行土壤保水保肥試驗，發(fā)現鈉鹽型保水劑（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土壤氮肥的利用效率，但是對于鉀肥而言，效果卻不太明顯，其原因是由于Na+和K+的電性電量相同，理化性質相近，對K+的吸持能力弱。而本研究中發(fā)現，SWDP的加入對于玉米植株N、P、K含量均有明顯的促進作用。雖然同屬于鈉鹽型保水劑，但是SWDP具有耐鹽性的優(yōu)勢，能夠吸收大量的鹽溶液［20］，使得土壤保水保肥效果增強。SWDP分子加入沙子時，自身吸水溶脹后將大量的無機離子和養(yǎng)分包裹在其中，同時通過靜電引力、范德華力、離子交換力、螯合等機制增強了對養(yǎng)分的吸附作用，使得植物生長所需的水溶性養(yǎng)分能夠保留在保水劑分子中，待植物生長發(fā)育需要時緩慢釋放，以達到提高植株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用的關鍵因素。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，通過加入螯合劑制備交聯(lián)型高吸水樹脂，能夠有效提高保水劑的耐鹽性，其產品在生理鹽水中的吸收效率可達190 g·g-1，但是在聚合過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，生產成本大大降低，但是其在生理鹽水中的吸收效率會明顯下降；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，產品均價約為每千克20元，而本研究中所使用的保水劑不僅耐鹽性高，且其制造成本相對較低（每千克造價僅為7元左右）。

現階段，尚未發(fā)現有關保水劑施入土壤后持續(xù)利用效果的研究。本研究中，為進一步探討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結束后，連續(xù)進行第二茬種植（不額外投加保水劑），對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吸收量進行測定，發(fā)現相比第一茬玉米植株，SWDP的加入對于玉米植株生長發(fā)育的促進作用在第二茬中更加明顯。產生這種現象的原因尚不明確，可能是因為SWDP施入土壤后需要一定的老化時間其作用才能達到最大化。目前，本研究進行了簡單的前期玉米盆栽試驗，并未對其整個生育期及產量影響進行測定，尚需進行大田試驗進一步研究。

4 結 論

本研究在純沙基質中加入保水劑SWDP，能夠顯著提高沙子的保水保肥作用，促進玉米植株的生長發(fā)育；即使在缺水的條件下，保水劑的加入也能夠延長植株的存活時間。因此，在中國干旱漏水漏肥的砂質土壤中此類保水劑對植物正常生長和發(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用提供依據。