張易帆 劉家 王雪 艾應偉

了解保水劑和水泥對人工土壤鉀素的影響有助于提高土壤鉀素有效性，有利于邊坡的植被恢復.本文以保水劑和水泥為基質(zhì)原材料，選用L9（32）正交表進行試驗，研究不同保水劑和水泥含量對土壤鉀素形態(tài)的影響以及作用機制.結(jié)果表明，保水劑和水泥顯著增加土壤速效鉀、非交換性鉀、水溶性鉀、特殊吸附鉀和非特殊吸附鉀含量，而土壤全鉀和礦物鉀含量均有不同程度地減少.同時，0.30%保水劑和4%水泥能顯著提高黑麥草的發(fā)芽率，但是過量的保水劑和水泥則明顯降低了種子的發(fā)芽率.相關(guān)性分析表明，土壤pH與土壤有機質(zhì)是影響土壤鉀素有效性的重要因子.保水劑和水泥的施用可提高土壤中速效鉀和非交換性鉀的含量，促進土壤鉀素組分之間的轉(zhuǎn)化，提升土壤鉀素有效性.

保水劑； 水泥； 切挖邊坡； 人工土壤； 土壤鉀素

S156.2A2023.016002

收稿日期： 2022-04-03

基金項目： 國家自然科學基金（41971056）； 國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0504903）

作者簡介： 張易帆（1998-）， 女， 四川成都人， 研究領(lǐng)域為修復生態(tài)學. E-mail： zhangyifan02_10@163.com

通訊作者： 艾應偉. E-mail： aiyw99@sohu.com

Effects of super absorbent polymers and cement content on artificial soil potassium in cut slope

ZHANG Yi-Fan， LIU Jia， WANG Xue， AI Ying-Wei

（Key Laboratory of Bio-Resources and Eco-Enviroment of Ministry of Education， College of Life Sciences， Sichuan University，? Chengdu 610065， China）

Understanding the effect of super absorbent polymers （SAP） and cement on artificial soil potassium is helpful to improve the availability of soil potassium， which is beneficial to vegetation restoration of the slope. In this paper， SAP and cement were used as matrix raw materials， and the L9 （32） orthogonal table was used to conduct the effects of different SAP and cement contents on soil potassium form and mechanism of action. The results showed that SAP and cement significantly increased the contents of soil rapidly available potassium， non-exchangeable potassium， water-soluble potassium， special adsorbed potassium and non-special adsorbed potassium， while the contents of total soil potassium and mineral potassium decreased to varying degrees. At the same time， 0.30% SAP and 4% cement can significantly improve the germination rate of ryegrass， but excessive SAP and cement significantly reduce the germination rate of seeds. Correlation analysis showed that soil pH and organic matter were important factors affecting soil potassium availability. The application of SAP and cement can increase the content of rapidly available potassium and non-exchangeable potassium in the soil， promote the conversion between soil potassium components and improve the availability of soil potassium.

Super absorbent polymers; Cement; Cut slope; Artificial soil; Soil potassium

1 引 言

人工土壤作為一種切挖邊坡修復過程中的特殊噴播基質(zhì)，含有土壤、水泥、保水劑、復合肥料和腐殖質(zhì)等材料，其中往往將保水劑和水泥作為植生基層的重要組成部分添加到人工土壤中.保水劑是一種高分子聚合物，不僅可以提高土壤的透水、透氣和保水性能，還能改善土壤的團塊結(jié)構(gòu)，減少土壤養(yǎng)分淋溶損失，進而提高土壤養(yǎng)分和植物種子的發(fā)芽率［1］.但是保水劑重復吸收、釋放水分這一獨特特性對土壤理化性質(zhì)和根系生長會產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響，過量的保水劑卻會降低根系的抗拉強度和受力［2］.水泥是一種堿性極強的多元聚合物，主要成分是硅酸鹽，其主要作用是通過與植物纖維的協(xié)同作用，提高基質(zhì)的粘著性和邊坡的穩(wěn)定性［3］.但是隨著基質(zhì)中水泥含量的增加，種子的發(fā)芽和生長明顯受到抑制.

鉀素與植物體內(nèi)生理生化活動以及抗旱性密切相關(guān)，缺鉀會導致植物葉片變黃、組織壞死、影響植物的光合作用和干重，對邊坡植被的恢復均有不同程度的影響.土壤中鉀素有效性受礦物鉀、非交換性鉀、交換性鉀和水溶性鉀四種相互轉(zhuǎn)化的形態(tài)控制，各形態(tài)的轉(zhuǎn)化處于一個動態(tài)平衡過程［4，5］.土壤鉀素形態(tài)受粘土礦物類型、土壤水分、陪伴例子、pH和有機質(zhì)等因素綜合影響，而保水劑和水泥能改變土壤結(jié)構(gòu)、水分狀況、pH和有機質(zhì)等.因此，研究保水劑和水泥不同水平下土壤鉀素組分的動態(tài)變化具有重要意義.然而，目前對于切挖邊坡人工土壤中鉀素的固定和釋放過程還缺乏相關(guān)研究，保水劑和水泥含量對鉀素組分的遷移轉(zhuǎn)化是否有影響還尚未明確，探討土壤鉀素對不同保水劑和水泥添加量的響應將為其改善土壤肥力提供理論基礎(chǔ).

2 材料與方法

2.1 材 料

本研究采用室內(nèi)模擬試驗的方法，供試土壤于2018年8月采集位于四川省阿壩州藏族羌族自治州松潘縣川主寺地區(qū)X120-雪山梁隧道口附近（北緯32°46′，東經(jīng)103°38′）未進行修復的切挖邊坡土壤，質(zhì)地為壤土，有機質(zhì)含量6.23 g/kg，pH為8.45，全鉀含量1.78 g/kg，全氮含量0.38 g/kg，全磷含量0.40 g/kg.保水劑選用聚丙烯酰胺（C3H5NO）n（河南鵬捷環(huán)?？萍加邢薰荆噙x擇普通硅酸鹽水泥（峨眉山水泥有限公司）；植物選擇多年生黑麥草（Lolium perenne L.）.

2.2 方 法

2.2.1 試驗設(shè)計 本實驗選用保水劑和水泥兩個因素進行正交實驗設(shè)計，保水劑（A）和水泥（B）分別設(shè)置3個水平（用各因素占風干土的百分比表示）：A1：0.15%、A2：0.30%和A3：0.45%；B1：4%、B2：8%和B3：12%.通過正交實驗設(shè)計共有9個處理，分別為H1（A1B1），H2（A1B2），H3（A1B3），H4（A2B1），H5（A2B2），H6（A2B3），H7（A3B1），H8（A3B2），H9（A3B3）同時設(shè)置未添加保水劑和水泥的處理為對照（CK）.在模擬試驗中將500 g風干土與不同添加量的保水劑和水泥拌勻，裝在11 cm × 15 cm×8 cm（高×盆口直徑×盆底直徑）塑料容器中.每個處理均加入0.5 g （約328粒）黑麥草種子，由于種子埋土過深會影響其發(fā)芽受阻，所以播種后用基質(zhì)覆蓋約2 cm左右.試驗共計32 d，模擬試驗過程中保證溫度、濕度等培養(yǎng)條件均一致.在培養(yǎng)開始時對盆栽進行充分澆灌，并在植物生長32 d后不對植物進行澆水管護，使其自然生長.試驗結(jié)束后，用鑷子剔除礫石、樹根，風干后過1 mm、0.149 mm篩備用.

2.2.2 土壤樣品分析測定 土壤全鉀（TK）采用NaOH 熔融浸提；土壤水溶性鉀（WSK）用去離子水浸提；土壤速效鉀（RAK）采用1 mol/L 中性NH4OAC浸提；土壤酸溶性鉀用 1 mol/L 熱HNO3浸提；土壤非交換性鉀（NEK）=酸溶性鉀-速效鉀；土壤非特殊吸附鉀（NSAK）=0.5 mol/L中性Mg（OAc）2·4H2O浸提鉀-水溶性鉀；土壤特殊吸附鉀（SAK）=RAK-醋酸鎂浸提鉀；礦物鉀（MK）=TK-酸溶性鉀；以上鉀素含量均用火焰光度計（FP 640，上海悅豐儀器儀表有限公司）測定.土壤pH值采用電位法測定；土壤有機質(zhì)（SOM）采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤含水量采用烘干法測定.

2.2.3 發(fā)芽率測定 盆栽試驗模擬32 d后，測定不同處理黑麥草種子的發(fā)芽率.發(fā)芽率（GR）=發(fā)芽種子數(shù) / 供試種子數(shù)（約328粒） ×100%.

2.2.4 統(tǒng)計分析 使用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Origin 2021 進行繪圖.

3 結(jié) 果

3.1 不同保水劑水平下土壤中各鉀素含量特征

圖1a為不同保水劑水平下土壤TK、MK、NEK和RAK的含量.由表3可得保水劑對土壤TK 和MK含量存在顯著影響（P<0.05），對土壤NEK、RAK含量是極顯著影響（P<0.01）.土壤TK、MK含量隨著保水劑的添加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，CK處理土壤TK和MK含量顯著高于其他處理組.而土壤NEK、RAK含量隨著保水劑含量的增加而增加，不同水平之間均達到顯著水平（P<0.05）.相較于CK處理，保水劑0.15%、0.30%、0.45%水平下土壤NEK含量分別增加34.94%、60.60%和84%，土壤RAK含量分別增加450.22%、613.78和646.17%.

不同保水劑水平下土壤NSAK、WSK和SAK含量如圖1b所示.根據(jù)表1可知保水劑對土壤NSAK、WSK和SAK含量的影響都達到極顯著水平（P<0.01）.不同保水劑添加下土壤NSAK含量表現(xiàn)為0.45%組>0.15%組>0.30%組>CK，0.15%和0.30%之間沒有顯著差異.土壤WSK含量大小為0.30%組>0.45%組>0.15%組>CK，保水劑0.30%和0.45%水平與0.15%、CK之間差異顯著（P<0.01）.土壤SAK含量隨著保水劑含量的增加而增加，且不同處理之間均存在顯著差異（P<0.05）.極差分析（表1）可知，保水劑是影響土壤NEK、RAK和SAK含量的主要因素.

3.2 不同水泥水平下土壤中各鉀素含量特征

不同水泥水平下土壤各鉀素含量如圖2所示.土壤TK、MK、NEK和RAK含量對水泥的響應均達到極顯著水平（P<0.01）.土壤TK、MK含量隨著水泥含量的增加逐漸降低，土壤TK含量在CK、4%、8%之間無顯著差異，而當水泥水平達到12%時，土壤TK含量顯著降低（P<0.05）.土壤MK含量大小在不同水泥添加水平下與土壤TK表現(xiàn)一致，其中4%與8%添加水平含量沒有明顯差異.土壤NEK、RAK含量隨著水泥添加水平的增加而增加，即12%組>8%組>4%組>CK.不同水泥添加水平之間土壤RAK含量差異顯著（P<0.05）.

不同水泥含量土壤NSAK、WSK和SAK含量如圖2b所示.水泥對土壤NSAK、WSK和SAK含量有極顯著影響（P<0.01），且表現(xiàn)出隨著水泥的增加不斷升高的趨勢，即12%組>8%組>4%組>CK.不同水泥水平之間的土壤WSK和SAK含量均有顯著差異（P<0.05）.由表1可知，水泥是影響土壤TK、MK、WSK和NSAK含量的主要因素.

3.3 不同保水劑和水泥水平對發(fā)芽率的影響

不同保水劑和水泥水平對發(fā)芽率都有極顯著影響（P<0.01）.在保水劑不同添加水平下，發(fā)芽率大小為0.15%>0.30%>CK>0.45%，其中0.30%與對照CK沒有顯著差異，0.45%水平下發(fā)芽率顯著低于對照組.在不同水泥添加水平下，發(fā)芽率大小為4%>CK>8%>12%，12%水泥添加顯著降低種子發(fā)芽率（P<0.05）.由表3可知保水劑、水泥二者交互作用對發(fā)芽率也有極顯著差異（P<0.01），根據(jù)圖3可得H4處理發(fā)芽率最高，為66.32%，與H1處理沒有顯著差異.H9處理發(fā)芽率最低（5.41%），明顯低于對照組，并且與H6、H8處理不存在顯著差異.H2、H3、H5和H7與CK處理差異不顯著.通過表2可得，水泥是主要影響發(fā)芽率的因素.

3.4 不同保水劑和水泥下人工土壤pH和SOM含量變化

圖4a為不同保水劑添加水平下土壤pH和SOM含量的變化，保水劑對土壤pH值沒有顯著影響，對土壤SOM含量影響顯著（P<0.05）.不同保水劑水平之間土壤pH差異不顯著，均顯著高于CK處理的pH（7.89）.土壤SOM含量在不同保水劑水平下表現(xiàn)為CK、0.30%、0.45%、0.15%依次降低，CK處理土壤SOM含量顯著高于其他水平（P<0.05）.

圖4b為不同水泥添加水平下土壤pH和SOM含量的變化.水泥對土壤pH和SOM含量均達到極顯著影響（P<0.01）.土壤pH隨著水泥的增加而上升，即12%、8%、4%、CK依次降低，且不同處理之間均有顯著差異（P<0.05）.土壤SOM含量變化趨勢則隨著水泥的增加而降低，表現(xiàn)為CK>4%>8%>12%.其中CK處理SOM含量顯著高于其他處理（P<0.05）.

3.5 不同基質(zhì)土壤含水量的變化

不同基質(zhì)土壤含水量變化如圖5所示.相較于CK，添加了保水劑和水泥的處理均對土壤含水量的升高有明顯的促進作用.在持續(xù)的測定下，對照組土壤含水量在第1 d為最大值，為19.64%，隨后呈不斷下降的趨勢，0～16 d時下降速度比16～32 d下降速度快.H1～H9處理均在第4 d達到含水量最大值，其中H5含水量最大，為30.81%.H1～H3處理總體速度較H4～H9處理平緩，H4～H9處理在4～16 d急劇下降后趨于平緩.干旱處理32 d后，H4～H9以及CK處理含水量保持在1.5%左右，H1、H2和H3處理在第32 d時土壤含水量分別為2.18%、5.52%、6.56%，H3處理在第32 d時土壤含水量最高.

3.6 土壤鉀素組分與pH、SOM以及發(fā)芽率之間的相關(guān)性分析

通過對土壤鉀素組分與pH、SOM以及發(fā)芽率之間的相關(guān)性分析，由表3可知，發(fā)芽率與TK、MK之間呈正相關(guān)關(guān)系，但是不顯著，與WSK之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與NEK、RAK、NSAK和SAK之間呈負相關(guān)關(guān)系，但是不顯著.土壤pH與土壤TK之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與土壤MK之間呈極顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與WSK之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與RAK、NSAK、SAK之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）.土壤SOM與RAK、SAK、NSAK之間呈極顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與NEK、WSK之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.05）.

4 討 論

4.1 保水劑添加量對土壤鉀素的影響

土壤水分是影響土壤鉀素形態(tài)之間相互遷移轉(zhuǎn)化的重要因素，而保水劑擁有大量親水基團，能顯著提高土壤持水能力［6］.本文研究表明保水劑的添加能在短期內(nèi)顯著增加土壤含水量，而土壤水分充足的條件下會加快鉀離子的釋放.這是由于土壤含水量的增加，相對而言土壤中鉀離子濃度減少，促進固定鉀的釋放，土壤WSK含量增加［7］.充足的RAK是植物生長的重要條件，本研究表明添加保水劑后，土壤RAK的含量均顯著增加，說明保水劑的添加能增加土壤鉀素有效性，這可能是由于保水劑通過改善供水條件和土壤結(jié)構(gòu)促進根系分泌物和根長密度增加，加快了土壤中“遲有效態(tài)鉀”或“無效態(tài)鉀”分解以及釋放，使得土壤中RAK含量升高［8］.土壤RAK和NEK的增加還得益于保水劑能提高土壤細菌豐度和微生物活性，其中溶鉀細菌能釋放土壤MK，增加RAK和NEK的含量［9］.添加保水劑的處理中SOM含量降低，這與劉世亮等［10］的研究結(jié)果一致.同時SOM與有效鉀之間呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，這是由于SOM的減少會促進氧化還原電位的上升，導致土壤礦物負電荷減少，從而降低土壤對鉀離子的親和力，所以有機質(zhì)含量的減少能降低土壤對鉀離子的固定，從而導致土壤溶液中的鉀離子增加［11］.

4.2 水泥添加量對土壤鉀素的影響

本文研究結(jié)果表明，添加水泥能顯著增加土壤RAK含量和土壤pH，且土壤RAK與pH之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與熊柳梅等［12］的研究結(jié)果一致.這可能是由于土壤pH的升高能增加土壤中交換性鹽基離子的含量，這使得土壤中有效態(tài)鉀素形態(tài)含量大幅度增加［13］.水泥的添加還能顯著增加NEK的含量，原因可能是緩解土壤酸化能增加土壤NEK的含量［14］.土壤TK和MK含量在添加保水劑和水泥后都有所減少，這與劉洋等［15］的研究結(jié)果不一致，這可能是水泥的添加增加了土壤中碳酸鈣的含量，而鈣的富集作用會對全鉀含量產(chǎn)生一定的稀釋作用［16］.MK含量的降低還有可能是因為黑麥草根系的活化作用，黑麥草對MK的釋放有顯著的促進作用，黑麥草對鉀素的需求會使鉀素之間的動態(tài)平衡轉(zhuǎn)向鉀的凈釋放［17］.

4.3 保水劑和水泥添加量對植物發(fā)芽率的影響

本研究發(fā)現(xiàn)保水劑會顯著促進種子的萌發(fā)，且在保水劑含量為0.3%時發(fā)芽率最好，這與Yang等的［18］研究結(jié)果相同.同時適當?shù)乃嘁矔岣叻N子的發(fā)芽率，但是水泥含量的增加會使發(fā)芽率逐漸下降，這是因為水泥添加在增大土壤粘聚力的同時也會顯著提高土壤的pH值，從而抑制種子的萌發(fā)［19］.本實驗中水泥添加量大于8%時，發(fā)芽率明顯下降，而水泥含量為4%時黑麥草發(fā)芽率最高，這與張麗穎和孫永章［20］的研究結(jié)果一致.因此，在保證邊坡穩(wěn)定性的同時，要根據(jù)植被適宜的生存環(huán)境來進行保水劑和水泥的合理施用，從而保證邊坡生態(tài)恢復效果的最大化.

5 結(jié) 論

施用保水劑和水泥對土壤TK和MK含量均有不同程度的降低，而土壤WSK、RAK、NEK、SAK和NSAK含量顯著提升.這說明在切挖邊坡的生態(tài)修復中添加保水劑和水泥既能增強土壤持水性能和土壤強度，還能促進土壤鉀素組分之間的轉(zhuǎn)化，提升土壤鉀素有效性，利于植物的生長.此外，保水劑和水泥在一定范圍內(nèi)能顯著提高黑麥草種子的發(fā)芽率，保水劑含量超過0.45%、水泥含量超過12%會對發(fā)芽率起到明顯的抑制作用.保水劑和水泥通過自身的特性直接影響和改變土壤的pH值和SOM來間接影響土壤鉀素形態(tài).SOM的增加會降低土壤鉀素有效性，促進鉀素固定；土壤的pH值升高會增加有效鉀的含量，但是過高的pH值會阻礙植物的萌發(fā).基于本研究，綜合考慮保水劑和水泥對速效鉀含量、種子發(fā)芽率以及經(jīng)濟因素，建議使用0.30%的保水劑和4%的水泥.

參考文獻：

［1］ 侯賢清， 李榮， 何文壽， 等. 保水劑施用量對旱作土壤理化性質(zhì)及馬鈴薯生長的影響［J］. 水土保持學報， 2015， 29： 325.

［2］ Li C， Jia Z H， Peng X N， et al. Functions of mineral-solubilizing microbes and a water retaining agent for the remediation of abandoned mine sites［J］. Sci Total Environ， 2021， 761： 143215.

［3］ Chen S N， Ai X Y， Dong T Y， et al. The physico-chemical properties and structural characteristics of artificial soil for cut slope restoration in Southwestern China ［J］. Sci Rep： UK， 2016， 6： 20565.

［4］ 王亞瓊， 牛文全， 王婕， 等. 生物炭對土壤團聚體和鉀素的影響［J］. 中國農(nóng)村水利水電， 2020（6）： 92.

［5］ 叢日環(huán)， 李小坤， 魯劍巍. 土壤鉀素轉(zhuǎn)化的影響因素及其研究進展［J］. 華中農(nóng)業(yè)大學學報， 2007， 26： 7.

［6］ Ai F J， Yin X Z， Hu R C， et al. Research into the super-absorbent polymers on agricultural water ［J］. Agr Water Manage， 2021， 245： 106513.

［7］ 霍娜， 王宏庭. 水分對土壤鉀素植物有效性的影響研究進展［J］. 山西農(nóng)業(yè)科學， 2014， 42： 1330.

［8］ Liao R K， Yang P L， Yu H L， et al. Establishing and validating a root water uptake model under the effects of superabsorbent polymers ［J］. Land Degrad Dev， 2018， 29： 1478.

［9］ Khani A G， Enayatizamir N， Masir M N. Impact of plant growth promoting rhizobacteria on different forms of soil potassium under wheat cultivation ［J］. Lett Appl Microbiol， 2019， 68： 514.

［10］ 劉世亮， 寇太記， 介曉磊， 等. 保水劑對玉米生長和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化供應的影響研究［J］. 河南農(nóng)業(yè)大學學報， 2005， 39： 146.

［11］ Wang F L， Huang P M. Effects of organic matter on the rate of potassium adsorption by soils ［J］. Can J Soil Sci， 2001， 81： 325.

［12］ 熊柳梅， 周柳強， 謝如林， 等. 香蕉地土壤pH的空間變異及其對土壤速效鉀的影響［J］.廣西農(nóng)業(yè)科學， 2006， 37： 40.

［13］ 王亞瓊， 牛文全， 段曉輝， 等. 生物炭對關(guān)中塿土不同形態(tài)鉀素含量的影響［J］. 東北農(nóng)業(yè)科學， 2021， 46： 43.

［14］ Liu K L， Han T F， Huang J， et al. Links between potassium of soil aggregates and pH levels in acidic soils under long-term fertilization regimes ［J］. Soil Till Res， 2020， 197： 104480.

［15］ 劉洋， 史薪鈺， 陳夢華， 等. 不同保水措施對退化干旱山地新植核桃園土壤養(yǎng)分和微生物的影響［J］. 水土保持通報， 2015， 35： 5.

［16］ Jalali M. Effect of sodium and magnesium on kinetics of potassium release in some calcareous soils of western Iran ［J］. Geoderma， 2008， 145： 207.

［17］ Wang J G， Zhang F S， Cao Y P， et al. Effect of plant types on release of mineral potassium from gneiss ［J］. Nutr Cycl Agroecosys， 2000， 56： 37.

［18］ Yang L X， Yang Y， Chen Z， et al. Influence of super absorbent polymer on soil water retention， seed germination and plant survivals for rocky slopes eco-engineering ［J］. Ecol Eng， 2014， 62： 27.

［19］ Xiao H L， Huang J， Ma Q， et al. Experimental study on the soil mixture to promote vegetation for slope protection and landslide prevention ［J］. Landslides， 2017， 14： 287.

［20］ 張麗穎， 孫永章. 水泥基質(zhì)對植物種子發(fā)芽及幼苗生長的影響［J］. 河北農(nóng)業(yè)科學， 2010， 14： 3.