邢 磊 ，楊世琦

(1.中國農業(yè)科學院 農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081;2.農業(yè)部農業(yè)環(huán)境與氣候變化重點開放實驗室，北京 100081)

干旱缺水是制約中國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，而且隨著全球氣候不斷變化，干旱發(fā)生的頻率和強度有逐年增加的趨勢，這種現(xiàn)象在干旱區(qū)和半干旱區(qū)尤為明顯[1]。黃土高原是中國獨特的陸地類型和生態(tài)環(huán)境區(qū)域，總面積達62.68×104km2[2]，將近70%的地面被深厚的黃土層覆蓋。黃土高原大部分地區(qū)年降水量少，春旱十分嚴重，是中國旱作農業(yè)的重點區(qū)域，受到水資源短缺和季節(jié)分配與作物生長需水關鍵期錯位的雙重影響，農作物產量低而且產量不穩(wěn)[3]。針對干旱地區(qū)水分缺失的情況，保水劑具有廣闊的應用前景。目前應用的保水劑多為高分子有機聚合物，對水分有較強的吸持能力，常見的保水劑能夠吸持自身質量300～800倍的水[4-5]。保水劑在吸收水分的同時，能夠改良土壤結構，促進土壤團粒的形成，蓄水保墑，從而提高土壤水分的利用率[6]。保水劑與肥料復合一體化施用是一項重要的水肥調控技術[7-8]，有研究表明，保水劑和氮肥、磷肥混施用于小麥、番茄、馬鈴薯等作物能夠有效地提高肥料利用率[9-11]。但目前應用較多的聚丙烯酸鹽類保水劑容易與土壤中鈣、鎂、錳等二價金屬離子發(fā)生反應，保水劑的吸水倍數(shù)和作用效果會受到一定影響[12]。而且有些保水劑在某些條件下會分解產生有毒物質[13]，所以長期使用存在一定潛在風險，可能會對土壤、環(huán)境造成不良影響。改性纖維素作為天然生物基材料，來源廣泛、無危險副產品產物，近些年來成為研究領域的熱點。依靠纖維素表面的羥基通過引入官能團或者其他元素改變纖維素部分化學結果和性能使其成為具有特殊功能的大分子物質[14]，改性后的纖維素在保持原有優(yōu)良特性的基礎上又具有引入官能團或其他元素賦予的新性能。但目前改性纖維素多應用于食品[15]、醫(yī)藥[16]、建筑[17]、廢水處理[18]和造紙[19]等行業(yè)，關于改性纖維素的土壤應用尚未見報道。根據(jù)上述現(xiàn)狀，本研究采用改性纖維素與黃土高原新造土壤混合，通過盆栽試驗探究改性纖維素對小麥生長及土壤水分、養(yǎng)分的影響效果，為改性纖維素在農田中實際應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所實驗室進行，供試土壤采自陜西省延安市安塞區(qū)南溝村，土壤為黃土高原新造土壤，取0～20 cm耕層土壤，其中硝態(tài)氮質量分數(shù)25.412 mg·kg-1，銨態(tài)氮質量分數(shù)7.92 mg·kg-1，全氮質量分數(shù)0.802 g·kg-1，全磷質量分數(shù)0.472 g·kg-1，全鉀質量分數(shù)11.942 mg·kg-1，有機質質量分數(shù)3.08 g·kg-1，土壤pH 8.22。試驗小麥品種為‘濟麥21號’，供試化肥為尿素和磷酸二銨(含N-P2O5-K2O為14-43-0)，供試改性纖維素共3種，分別為羧甲基纖維素銨(CMC-NH4)、羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)和羧甲基纖維素鉀(CMC-K)，其中CMC-Na為白色粉末狀，CMC-NH4和CMC-K為白色絮狀。CMC-NH4、CMC-Na、CMC-K 3種材料實測蒸餾水中吸水倍率分別為102.2、49.7和134.9。

盆栽試驗花盆內徑15 cm，高度12 cm。盆栽于2017-12-14填裝，稱取1 kg過6 mm篩的風干土，按土壤質量比的0.5%、1%、1.5%、2%和3%將改性纖維素與土壤混合均勻后，將部分土壤置入花盆中，均勻播種5粒小麥后，將剩余土壤均勻蓋于小麥上方，蓋土厚度約為3 cm。播種后澆蒸餾水潤濕土壤至剛好有水流出，共200 mL，按照對照處理小麥生長所需水分，每間隔5 d澆水1次，整個試驗過程50 d共澆水1 700 mL，50 d后停止?jié)菜M行干旱處理。

1.2 試驗設計

本試驗共設置16個處理，每個處理設置3個重復(表1)：對照組不施加纖維素，處理A施加CMC-NH4，處理B施加CMC-Na，處理C施加CMC-K，施加量按照土壤質量比的0.5%、1.0%、1.5%、2%和3%，分別施入5、10、15、20 g和30 g。每個處理施尿素0.12 g，施磷酸二銨0.03 g[20]，與土壤混合均勻后一起置入花盆中。16個處理在培養(yǎng)中條件均保持一致。

表1 盆栽處理設置Table 1 Treatments of pot experiment

1.3 指標測定及方法

盆栽試驗于2017-12-14開始，12月17日CK處理最先出苗，12月20日進行株高指標的觀測；在小麥生長過程中，間隔5 d進行澆水，澆水前進行土壤稱重，小麥生長50 d后停止?jié)菜M行干旱處理，在干旱處理20 d后將植株地上部分80 ℃烘干至恒質量測定干質量。并取盆栽土壤進行烘干稱重測量土壤質量含水量。采用土壤緊實度儀(德國STEPS41010)測定土壤緊實度；采用梅特勒-托利多pH計測定土壤pH；采用直尺測量土壤表面結皮厚度并觀察土壤成塊性；采用稱重法稱量澆水過程中土壤流到花盆托盤中的土壤流失量；采用堿解擴散法測土壤堿解氮、采用鉬銻抗比色法測土壤速效磷；采用火焰光度法測土壤有效鉀。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013進行歸納與整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0軟件ANOVA進行單因素方差分析，采用LSD法檢驗各處理平均數(shù)在P<0.05水平的差異顯著性，采用Origin8.5軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同改性纖維素對盆栽土壤水分的影響

間隔5 d稱量土壤質量，與對照組做差進行比較，研究改性纖維素對土壤的保水作用。由圖1可知，添加CMC-NH4有利于提高土壤保水能力，隨著CMC-NH4質量分數(shù)升高，土壤水分質量呈增加趨勢，A5處理與對照相比水分增加量最多可達260.83 g。由圖2可知，施加CMC-Na對土壤保水能力有所提高，除B5處理外，其余處理變化趨勢基本一致，土壤水分質量隨施加CMC-Na質量分數(shù)升高而增加。由圖3可知，施加CMC-K同樣會提高土壤水分質量，但除C1處理外，其他處理增加土壤含水量的能力差異不大，總體差異、變化規(guī)律性比CMC-NH4和CMC-Na處理低。

進行干旱處理后盆栽土壤含水量如圖4，3種纖維素施入土壤中，土壤含水量都隨著纖維素質量分數(shù)升高呈現(xiàn)增高趨勢，其中施加CMC-Na變化趨勢最為明顯。除A1、C1 2個處理外，其余處理與對照均存在顯著性差異。在施加CMC-NH4的土壤中，A2、A3、A4、A5 4個處理間均存在顯著性差異，A1、A2間無顯著性差異，A1與CK間無顯著性差異。在施加CMC-Na的土壤中,各處理間均存在顯著性差異且土壤含水量均顯著高于CK，在所有處理中，B5土壤含水量最高，與其他15個處理間均存在顯著性差異。當3種纖維素施加同等量時，施加CMC-Na比施加其他2種纖維素的土壤含水量高，說明CMC-Na保水性最好。在施加CMC-K的土壤中，C5與其他4個處理間差異顯著，但C1、C2、C3、C4處理間變化規(guī)律較小，與澆水過程土壤水分質量分數(shù)結果一致。由圖4可知，C3、C4、C5處理土壤含水量均顯著低于施加同等量CMC-NH4、CMC-K的土壤含水量，說明CMC-K在3種纖維素處理中保水能力最弱。

圖1 施加CMC-NH4土壤水分質量變化Fig.1 Changes of CMC-NH4 application on soil moisture

圖2 施加CMC-Na土壤水分質量變化Fig.2 Changes of CMC-Na application on soil moisture

圖3 施加CMC-K土壤水分質量變化Fig.3 Change map of CMC-K application on soil moisture

圖柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同 Different small letters indicated significant difference among treatments(P<0.05) ,the same below

圖4不同處理土壤含水量
Fig.4Soilmoisturecontentindifferenttreatments

2.2 不同改性纖維素對小麥植株生長的影響

由圖5可知，施加CMC-NH4會影響小麥出苗速率，小麥株高隨著纖維素質量分數(shù)增高呈現(xiàn)降低趨勢，在小麥生長約30 d時，CK處理小麥出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象、小麥植株變矮，A1和A2處理株高高于CK；高質量分數(shù)A5處理對小麥生長影響較大，該處理小麥株高顯著低于其他處理。由圖6可知，施加CMC-Na小麥株高高于施加CMC-NH4小麥。除B5處理小麥株高顯著低于CK處理外，其余處理小麥在長至30 d時均高于CK。與施加CMC-NH4不同的是，施加CMC-Na后期，隨著質量分數(shù)升高小麥株高呈現(xiàn)增加趨勢。由圖7可知，施加CMC-K對小麥生長有促進作用，與前2組處理不同的是，高質量分數(shù)C5處理小麥沒有表現(xiàn)出明顯被抑制狀態(tài)，在后期株高反而高于CK。低質量分數(shù)CMC-K對小麥生長促進作用更為明顯，C1在生長約10 d時已高于CK，在所有處理中生長狀況最好，C組處理小麥后期生長株高均顯著高于CK。

圖5 施加CMC-NH4小麥株高變化Fig.5 Changes of CMC-NH4application on plant height

圖6 施加CMC-Na小麥株高變化Fig.6 Changes of CMC-Na application on plant height

圖7 施加CMC-K小麥株高變化Fig.7 Changes of CMC-K application on plant height

由圖8可知，A1、A2、A3處理與對照處理相比能夠顯著提高小麥地上部分生物量，而A5處理生物量顯著低于對照處理。由圖9可知，B1、B2、B3、B4都能夠顯著提高小麥生物量，其中B2和B4處理小麥生物量較高，分別較對照提高了221%和229%。由圖10可知，C1處理生物量顯著高于對照，而C4、C5處理生物量顯著低于對照。3種纖維素中，施加CMC-NH4最有利于小麥苗期生物量積累，3%的纖維素不僅不利于生物量的積累，反而對生物量的積累產生一定抑制作用。

圖8 施加CMC-NH4小麥生物量變化Fig.8 Changes of CMC-NH4application on wheat biomass

圖9 施加CMC-Na小麥生物量變化Fig.9 Changes of CMC-K application on wheat biomass

圖10 施加CMC-K小麥生物量變化Fig.10 Changes of CMC-NH4 application on wheat biomass

2.3 不同改性纖維素對土壤理化性狀的影響

如表2所示，施加纖維素后對土壤理化性狀有所改變。施加CMC-NH4和CMC-K能夠降低土壤pH，而CMC-Na呈堿性，施加后土壤pH升高。新造土壤土質疏松，加入纖維素材料后增強土壤粘合性，其中加入CMC-Na后土壤緊實度增強效果最為顯著，土壤成塊性明顯，硬度增強。施加CMC-NH4后，A2、A3處理土壤結塊，硬度增強；A4、A5土壤表層變硬。施加CMC-K對土壤物理性狀改變較小。對盆栽土壤澆水過程總流失量稱量發(fā)現(xiàn)，施加纖維材料有利于減少土壤在澆水過程中隨水分的流失，施加CMC-NH4和CMC-K都隨著纖維素質量分數(shù)增高流失量增大，而施加CMC-Na后，除B1處理外，隨質量分數(shù)增大流失量呈減少趨勢，但施加纖維素的土壤流失量較之于對照有明顯減少。由表中可以看出，CMC-Na對土壤理化性狀改變較大，而CMC-K對土壤理化性狀影響最小。

表2 施加改性纖維素各處理土壤理化性狀Table 2 Application of modified cellulose soil physical and chemical properties

2.4 不同改性纖維素對土壤養(yǎng)分的影響

如表3所示，施加CMC-NH4后，土壤中堿解氮質量分數(shù)隨CMC-NH4用量的增加而顯著增加，施用CMC-NH4能夠有效地補充土壤氮素養(yǎng)分。施加CMC-Na后，土壤中速效磷質量分數(shù)顯著低于對照，而土壤有效鉀質量分數(shù)在CMC-Na質量分數(shù)為2%以上時顯著性增加。施加CMC-K后，土壤中有效鉀質量分數(shù)顯著高于對照，隨CMC-K用量的增加土壤中有效鉀質量分數(shù)呈顯著增加趨勢，說明CMC-K能夠為土壤提供鉀素養(yǎng)分，但土壤堿解氮質量分數(shù)處理間無顯著差異，土壤速效磷質量分數(shù)顯著低于對照。

表3 施用改性纖維素各處理土壤養(yǎng)分比較Table 3 Comparison of soil nutrients in modified cellulose

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same column indicated significant difference among treatments(P<0.05).

3 討 論

纖維素具有吸收和保蓄水分的作用。本研究結果表明，3種纖維素均具有一定吸收、保蓄水分的能力，施入土壤后具有良好的吸水性，吸水膨脹形成水凝膠[21]。改性后的纖維素比表面積增大[22]，通過包裹等物理吸附將土壤中的水分和養(yǎng)分固定在纖維素中，并在后期進行緩慢的釋放，從而能夠提高水肥的利用效率。在小麥生長過程中，纖維素能夠減少水分的無效蒸發(fā)，提高土壤含水量。由于3種纖維素取代度和粘度不同，在施入土壤后表現(xiàn)的吸水效果也不相同[23]。在土壤干旱脅迫中，纖維素能夠將吸收的水分緩慢釋放，增強土壤的保水能力，與前人的研究結果相一致[24]。隨著纖維素質量分數(shù)的升高，土壤含水量呈增加趨勢，這與宋海燕等[25]的研究結果一致。

適宜質量分數(shù)改性纖維素對小麥生長有一定促進作用，不同纖維素處理對小麥生長的影響存在差異。施加纖維素的土壤能夠涵養(yǎng)水分并將其供應給小麥[26]，保證小麥的正常生長。但添加3% CMC-NH4和CMC-Na對小麥生長產生阻礙作用，推測可能的原因是纖維素質量分數(shù)過高導致土壤板結，土壤的通氣性下降[27]，對小麥出芽和生長的阻力太大；也可能由于纖維素吸水倍率高，纖維素在小麥出苗階段與其爭奪土壤中水分，導致小麥出苗率低生長受阻。施加適量質量分數(shù)的纖維素有利于小麥地上部分生物量的積累，其中以CMC-Na效果最為顯著，這與楊永輝等[28]對冬小麥生物量研究結果一致。施加纖維素為0.1%時，都會顯著增加小麥生物量，而施加質量分數(shù)為3%時，不僅對生物量積累沒有促進作用，反而會產生阻礙作用。由于纖維素質量分數(shù)過高導致吸水量大，從而與小麥根系爭奪水分影響小麥株高以及生物量的積累。通過小麥株高和生物量積累說明纖維素的施加質量分數(shù)并非越多越好，只有適量才能夠有效促進小麥生長，過高過低的施用量均達不到最佳的作用效果。

施加改性纖維素對土壤理化性質有所改變。延安安塞區(qū)新造土壤pH為8.22，施加溶于水后呈酸性的CMC-NH4能夠降低土壤pH，而施加CMC-Na和CMC-K會使土壤pH升高，前人研究表明，當pH為6.5時是小麥種子萌發(fā)以及幼苗生長的最適值[29]。施加纖維素能夠改善土壤結構，白文波等[30]研究發(fā)現(xiàn)土壤中加入保水劑能夠使土壤體積膨脹、總孔隙度增加、密度降低。在本研究中發(fā)現(xiàn)，施加CMC-Na土壤緊實度顯著增強，由于CMC-Na具有較強的極性[31]，在土壤中會使土壤粘合度增強，土壤硬度提高，緊實度增強。土壤施加CMC-Na后粘合作用較強，澆水時水分無法及時吸收，水流失的同時會帶動土壤一起流失。施加CMC-NH4對土壤流失有減少作用，隨著CMC-NH4質量分數(shù)升高，土壤流失量呈現(xiàn)增加趨勢，由于低質量分數(shù)纖維素成塊性好土壤粘合作用強，纖維素恰好能吸附土壤水分使其不流失。CMC-K作為3種纖維素中吸水速率最快的材料，其自身極性小，施入土壤后不會出現(xiàn)結塊現(xiàn)象，但對減少土壤流失同樣具有顯著效果。

養(yǎng)分積累是生物量積累的基礎，也是作物產量形成的基礎，提高養(yǎng)分吸收能力、保證養(yǎng)分充足的供應是作物高產的關鍵[9]。改性纖維素與保水劑類似，能夠吸附土壤中的養(yǎng)分并在后期進行緩慢釋放，從而能夠減少可溶性養(yǎng)分的淋溶流失，使養(yǎng)分能夠提供植物生長需求[32]。不同的是，CMC-NH4和CMC-K在改性后纖維素中包含的氮元素和鉀元素也能夠為植物生長提供養(yǎng)分。本研究中發(fā)現(xiàn)，施加CMC-NH4土壤堿解氮質量分數(shù)顯著高于對照處理，而且隨著CMC-NH4質量分數(shù)升高土壤堿解氮質量分數(shù)顯著增高，說明CMC-NH4中氮素能夠釋放到土壤當中，氮的供給是決定作物產量最重要的因素[33]。前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤中加入保水劑對尿素有很好的緩釋作用，緩控釋肥能夠顯著提高肥料的利用效率，甚至效果超過分次施肥處理[34]，施加CMC-NH4后不僅可以滿足植物對氮素的需求，同時也能夠保證纖維素在后期的持續(xù)供氮能力[35]。鉀元素參與作物光合作用、光呼吸以及作物生長發(fā)育過程[36]，作物利用鉀元素會使得根際土壤中鉀濃度低于土壤中水溶性鉀濃度(0.1～1 mol·L-1)[37]，缺乏鉀元素會影響作物生長甚至會影響作物質量和產量[38]。施用CMC-K后土壤有效鉀質量分數(shù)顯著提高，說明CMC-K中鉀元素能夠釋放到土壤當中，后期能夠對作物增產有促進作用[39]。但土壤中速效磷質量分數(shù)相比于對照顯著降低，推測CMC-K會與磷酸二銨發(fā)生置換反應，反應中磷被消耗；或由于CMC-K中可能含有雜質(鈣、鎂離子)與磷酸二銨反應產生無法直接被作物利用的沉淀。纖維素施于土壤后能夠吸附土壤養(yǎng)分并有較好的固持作用，與前人研究結果一致[40]，但土壤中速效磷質量分數(shù)顯著低于對照處理，說明纖維素對土壤磷素的吸持或活化能力較弱，這與馬征等[41]研究保水劑對土壤磷的研究結果一致。

施加改性纖維素不僅對土壤水分、養(yǎng)分起到保蓄作用，在作物需要時供給作物，同時也能夠提供作物生長所需的養(yǎng)分，能夠減少化肥的使用，減少化肥分次施入產生的勞動成本，也可以減少化肥對生態(tài)環(huán)境的破壞以及對資源可持續(xù)利用的威脅。但質量分數(shù)過高會對土壤理化性狀改變較大，會影響小麥出苗以及正常的生長過程。綜合土壤水分、作物生長、土壤理化性狀和土壤養(yǎng)分的變化情況，纖維素材料的質量分數(shù)過低過高均不能達到理想作用效果。

4 結 論

(1)改性纖維素能夠提高土壤含水量，減少土壤水分蒸發(fā)，隨著纖維素質量分數(shù)升高土壤含水量呈增加趨勢。再進行干旱處理后，纖維素中水分能夠釋放。施加3% CMC-Na，土壤含水量最高，證明CMC-Na保水效果最好。

(2)纖維素在保水的同時也有一定保肥效果，能夠吸附土壤中養(yǎng)分并在后期進行釋放，能夠提高養(yǎng)分利用效率。除此之外，CMC-NH4和CMC-K能夠分別提高植株生長所需要的氮素和鉀元素，一定程度可減少化肥的用量從而減少化肥對環(huán)境的破壞作用。

(3)適宜質量分數(shù)的改性纖維素對小麥植株生長有一定促進作用，3種纖維素對小麥株高促進作用為CMC-Na>CMC-K>CMC-NH4。低質量分數(shù)纖維素有利于小麥生長及地上部分生物量積累而纖維素質量分數(shù)過高對小麥生長會有一定抑制作用。田間施用量應低于3%，施用時間宜在植株出苗后進行側施，以減少纖維素對小麥出苗的影響。

(4)土壤施加改性纖維素后對其理化性狀產生一定改變，施加纖維素后，土壤成塊性增強，表面形成結皮，能夠在一定程度上減少澆水過程中產生的土壤流失量，使土壤粘合作用增強。但由于CMC-Na和CMC-K均為堿性纖維素，在黃土高原弱堿性土壤中施用量要進行適當控制。

(5)綜合土壤水分、養(yǎng)分、物理性狀和小麥植株生長情況進行比較，施加纖維素有利于土壤水分和養(yǎng)分的保持以及后期釋放，將土壤中水分和養(yǎng)分供給植株，促進植株生長以及生物量的積累，而且能夠增強土壤粘合作用。纖維素最佳施用量為土壤質量的0.5%～1%，纖維素施加方法為植株出苗后進行開溝側施。