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(長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010)

1 研究背景

土壤侵蝕已成為全球性的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題之一，坡耕地是土壤侵蝕發(fā)生的主要策源地。我國(guó)山丘面積占總面積2/3，坡耕地在我國(guó)耕地面積中占有很大比例，在現(xiàn)有人口壓力下，陡坡農(nóng)耕地將作為重要的農(nóng)業(yè)資源長(zhǎng)期存在。坡耕地嚴(yán)重的水土流失使山區(qū)丘陵土層變薄，養(yǎng)分流失，保水能力變差，土地生產(chǎn)力低下，嚴(yán)重阻礙山地丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。近年來(lái)，坡耕地水土流失受到越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注。

有效地控制坡耕地的土壤侵蝕，才能減少營(yíng)養(yǎng)元素的流失，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，維持現(xiàn)有可耕地的面積和肥力，最大限度地增加糧食產(chǎn)量，同時(shí)減少入河泥沙，降低下游洪澇災(zāi)害的頻率和危害程度，提高水利工程的防洪灌溉效益，控制源于坡耕地的面源污染。因此，我國(guó)從2010—2020年，擬投入2 000億元對(duì)水土流失的主要策源地坡耕地進(jìn)行治理，治理面積預(yù)計(jì)達(dá)到1億畝(約6.67×106hm2)。2009年和2010年中央一號(hào)文件明確提出要啟動(dòng)坡耕地水土流失綜合整治工程；2015年和2016年中央一號(hào)文件提出要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生態(tài)治理以及推進(jìn)水土流失綜合治理。在全國(guó)水土保持規(guī)劃(2015—2030年)中，將“坡耕地水土流失綜合治理”列為重點(diǎn)治理項(xiàng)目。坡耕地的土壤侵蝕是水土保持工作中面臨的主要矛盾和問(wèn)題，只有切實(shí)搞好坡耕地的土壤侵蝕防治，才能抓住治理的重點(diǎn)，有效地推進(jìn)水土保持工作[2]。此外，坡耕地的土壤侵蝕問(wèn)題與農(nóng)業(yè)、糧食安全、生態(tài)環(huán)境等一系列關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大問(wèn)題緊密相連，歷來(lái)為世界上飽受水土流失危害的各國(guó)所重視[3]。因此，如何通過(guò)一種高新抗蝕增肥材料減少坡耕地水土流失，增加土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量，成為未來(lái)水土流失防治技術(shù)研究發(fā)展的新思路。W-OH固化劑是一種親水性的復(fù)合材料，它以水為固化劑，形成抱水性好的彈性固化體。前人研究表明，W-OH固化劑在沙化地植物修復(fù)中應(yīng)用時(shí)，植物可以在W-OH固結(jié)層上較好地生長(zhǎng)[4-5]。然而W-OH固化劑在坡耕地水土流失防治中的應(yīng)用以及應(yīng)用后該固化劑對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響尚不明確。

本研究分析了在坡耕地應(yīng)用水土流失防治新材料W-OH固化劑對(duì)土壤的抗蝕效果及對(duì)大豆和玉米2種農(nóng)作物植株高度、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的影響，研究結(jié)果將為后續(xù)坡耕地的水土流失治理提供有益的借鑒和參考。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)選在長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所控制試驗(yàn)區(qū)，該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水充沛，多年平均氣溫為16.6 ℃，多年平均降水量為270 mm。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)24個(gè)盆栽，每個(gè)盆栽規(guī)格30 cm×40 cm×50 cm，設(shè)計(jì)2種作物(玉米和大豆)，W-OH溶液濃度做4個(gè)處理，分別為0%，1%，3%，5%，每種作物每個(gè)處理均做3個(gè)重復(fù)?；ㄅ璺謩e裝紫色土土樣后進(jìn)行播種，然后按照純氮256.5 kg/hm2、五氧化二磷240 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各盆土進(jìn)行施肥，并對(duì)盆栽土表噴施設(shè)計(jì)濃度的W-OH溶液。對(duì)各盆栽進(jìn)行掛牌標(biāo)注，注明序號(hào)、土壤類(lèi)型、作物品種、處理和重復(fù)情況。

2.2 試驗(yàn)方法

土壤濺蝕量的測(cè)定：對(duì)降雨過(guò)程發(fā)生前濺蝕盤(pán)的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量，得到濺蝕盤(pán)的初始質(zhì)量，降雨過(guò)程結(jié)束后，將濺蝕盤(pán)取出置于105 ℃烘干至恒重并稱(chēng)質(zhì)量。2次質(zhì)量的差即為土壤的濺蝕量。

葉片氣體交換參數(shù)的測(cè)定：光強(qiáng)通過(guò)Li-6400人工光源分別控制在1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，20 μmol/mol，CO2濃度通過(guò)氣袋控制在380±5 μmol/mol，葉室溫度、濕度分別控制在25℃、70%±5%。對(duì)測(cè)定的光響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行非直角雙曲線(xiàn)模型[6]分析，得到葉片最大凈光合速率。在光響應(yīng)曲線(xiàn)測(cè)定過(guò)程中測(cè)得飽和光強(qiáng)下的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。

圖1 不同W-OH溶液濃度處理下的土壤濺蝕量Fig.1 Variation in soil splash erosion against W-OH concentration

3 研究結(jié)果

3.1 不同W-OH溶液濃度處理對(duì)土壤濺蝕量的影響

對(duì)不同W-OH溶液濃度處理下濺蝕盤(pán)質(zhì)量的變化進(jìn)行分析(見(jiàn)圖1)，結(jié)果顯示未噴施W-OH溶液的盆栽濺蝕盤(pán)的質(zhì)量變化最大，隨W-OH溶液濃度的增加，濺蝕盤(pán)的質(zhì)量變化逐漸減小，W-OH溶液濃度1%，3%，5%時(shí)濺蝕盤(pán)的質(zhì)量變化分別較對(duì)照組(W-OH溶液濃度0%)降低了12%，54%，65%。

3.2 不同W-OH溶液濃度處理對(duì)大豆和玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

3.2.1 不同W-OH溶液濃度處理對(duì)大豆和玉米株高的影響

經(jīng)W-OH溶液處理后，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，對(duì)不同濃度處理下大豆植株高度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2(a)所示：大豆植株在3%和5%濃度下均出現(xiàn)死亡；在低濃度(1%)處理下的大豆植株長(zhǎng)勢(shì)較好，植株高度由對(duì)照組的14.8 cm增加至16.1 cm，約增加了8%。不同W-OH溶液濃度處理下的玉米植株高度如圖2(b)所示?？傮w趨勢(shì)表現(xiàn)為：1%濃度的W-OH溶液處理下的植株高度較對(duì)照組出現(xiàn)明顯下降，約下降38%；然而，當(dāng)繼續(xù)增加W-OH溶液濃度至3%時(shí)，玉米株高出現(xiàn)一定程度的上升，較對(duì)照組的植株高度約降低31%；繼續(xù)增加溶液濃度至5%時(shí)，玉米株高又出現(xiàn)下降，較對(duì)照組約減小45%。

圖2 不同W-OH溶液濃度處理下的大豆和玉米植株高度Fig.2 Variation in plant height of soybean and maize against W-OH concentration

3.2.2 不同W-OH溶液濃度處理對(duì)大豆和玉米凈光合速率的影響

對(duì)不同W-OH溶液濃度處理下大豆葉片的最大凈光合速率進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3(a))，結(jié)果顯示低濃度的W-OH溶液(1%)對(duì)大豆凈光合速率有明顯促進(jìn)作用，由對(duì)照組的6.9 μmol/(m2s)增加至8.4 μmol/(m2s)，較對(duì)照組約增加了21%。對(duì)大豆葉片光合速率進(jìn)行測(cè)定時(shí)，3%和5% W-OH溶液濃度處理下的大豆均已死亡。不同W-OH溶液濃度處理下玉米的凈光合速率總體呈現(xiàn)先升高又下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3(b))，結(jié)果顯示：低、中W-OH溶液濃度(1%和3%)處理下玉米的凈光合速率較對(duì)照組分別增加了3%和17%；高W-OH溶液濃度(5%)處理下玉米的凈光合速率較對(duì)照組降低了4%。

圖3 不同W-OH溶液濃度處理下的大豆和玉米最大凈光合速率Fig.3 Variation in maximum net photosynthetic rate of soybean and maize against W-OH concentration

3.2.3 不同W-OH溶液濃度處理對(duì)大豆和玉米氣孔導(dǎo)度的影響

對(duì)不同W-OH溶液濃度處理下大豆氣孔導(dǎo)度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4(a)所示。低W-OH溶液濃度(1%)對(duì)大豆氣孔導(dǎo)度有明顯促進(jìn)作用，與對(duì)照組相比，約增加了12%。3%和5%濃度處理下的大豆均死亡。不同W-OH溶液濃度處理下玉米的氣孔導(dǎo)度總體呈現(xiàn)先升高又下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖4(b))。低、中W-OH溶液濃度(1%和3%)處理下玉米的氣孔導(dǎo)度較對(duì)照組分別增加了34%和79%；高W-OH溶液濃度(5%)處理下玉米的氣孔導(dǎo)度較對(duì)照組的增加程度降低為 41%。

圖4 不同W-OH溶液濃度下大豆和玉米的氣孔導(dǎo)度Fig.4 Variation in stomatal conductance of soybean and maize against W-OH concentration

4 討論與結(jié)論

低W-OH溶液濃度(1%)促進(jìn)大豆植株高度、最大凈光合速率和氣孔導(dǎo)度，而中、高W-OH溶液濃度(3%和5%)處理下大豆植株出現(xiàn)死亡。不同W-OH溶液濃度處理下玉米最大凈光合速率和氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。大豆和玉米對(duì)W-OH溶液的響應(yīng)存在差異，玉米對(duì)中、高W-OH溶液濃度的耐性強(qiáng)度高于大豆。上述結(jié)果可能是由于噴施不同濃度W-OH溶液后，土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化，對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)：

不同W-OH溶液濃度處理下濺蝕盤(pán)質(zhì)量的變化結(jié)果表明隨著W-OH溶液濃度的增加，土壤的濺蝕量逐漸降低。這是由于噴施W-OH溶液后，該材料在土壤表層形成一層固結(jié)層，且噴施的W-OH溶液濃度越高，該材料對(duì)土壤的固結(jié)作用越明顯，發(fā)生的土壤濺蝕就越弱。此外，固結(jié)層的存在可能還會(huì)導(dǎo)致水土流失量的降低，這就使得噴施該材料后土壤中營(yíng)養(yǎng)元素較對(duì)照組有所增加。因此，噴施W-OH溶液后產(chǎn)生促進(jìn)作物生長(zhǎng)的保土保肥的正效應(yīng)。

噴施的W-OH溶液在發(fā)揮保土保肥正效應(yīng)的同時(shí)可能也會(huì)改變土壤的透氣性。該材料在土壤表層形成固結(jié)層，且濃度越高對(duì)土壤的“封閉”程度越大，土壤透氣性越差，導(dǎo)致作物根部CO2濃度聚集、O2濃度低，阻礙作物根呼吸。因此，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)。此外，試驗(yàn)期間通過(guò)觀察不同處

理下作物幼苗基部，可以發(fā)現(xiàn)W-OH溶液的噴施濃度越高，在根部形成的擾動(dòng)土越多，在幼苗基部形成孔隙越大，越容易形成優(yōu)勢(shì)流，而不是均勻下滲。這是由于W-OH溶液在土壤形成固結(jié)層后，土壤表面的水迅速在幼苗根部的孔隙處形成優(yōu)勢(shì)流，水流進(jìn)入土壤導(dǎo)致土壤內(nèi)澇，影響植物生長(zhǎng)，這也對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

綜上分析，大豆在噴施中、高濃度的W-OH溶液后出現(xiàn)死亡,說(shuō)明大豆對(duì)這2種處理產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的耐性較玉米差，玉米的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)大部分隨W-OH溶液濃度的增加大致呈先增加后降低趨勢(shì)，在3% W-OH溶液濃度處理下的生長(zhǎng)指標(biāo)最高，說(shuō)明該濃度的W-OH溶液對(duì)玉米生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最為明顯。