營養(yǎng)型保水劑對風(fēng)沙土理化性質(zhì)和甜菜效益的影響

秦 超

（張掖市水務(wù)局，甘肅 張掖 734000）

甘肅河西走廊氣候干燥，年降水量115～200 mm，年蒸發(fā)量1800～2500 mm，礦物巖石以物理風(fēng)化為主，形成了85萬hm2的風(fēng)沙土[1]。近年來，風(fēng)沙土被農(nóng)戶開墾后種植農(nóng)作物，種植面積逐漸擴大，由于風(fēng)沙土質(zhì)地粗，保水能力弱，作物經(jīng)常受到干旱的威脅，導(dǎo)致產(chǎn)量低而不穩(wěn)。保水劑是一種高分子材料，能吸納本身質(zhì)量幾百甚至上千倍的水，并具有反復(fù)吸水的功能。因此保水劑的作用也越來越引起國內(nèi)外專家的重視。

有關(guān)保水劑前人做了大量的研究工作，王雪酈等[2]采用硫酸銨作為引發(fā)劑制備的保水劑吸水性能最佳。王漓江等[3]研究發(fā)現(xiàn)隨著支鏈淀粉含量的增加，樹脂的吸水倍率、保水性能和吸水速率均有提高。左廣玲等[4]以大豆和玉米秸稈為原料接枝丙烯酸單體制備了高吸水材料。馬鑫等[5]研究發(fā)現(xiàn)施用保水劑可明顯增加土壤微團粒結(jié)構(gòu)，增大土壤持水率。汪亞峰等[6]研究發(fā)現(xiàn)保水劑在短期內(nèi)對＜2 mm土壤團聚體粒徑影響不大，而對于增加＞2 mm土壤團聚體含量效果明顯。李倩等[7]認為穴施PAM保水劑處理有效地提高土壤體積含水量及土壤微生物生物量碳、氮質(zhì)量分數(shù)，顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率。李希等[8]指出在保水劑的應(yīng)用環(huán)節(jié)中，在注重其保水性能的同時，還應(yīng)系統(tǒng)評估保水劑使用對土壤生態(tài)可能造成的影響，特別是對土壤微生物生態(tài)的影響。楊永輝等[9]施用保水劑降低了冬小麥根系質(zhì)膜透性和可溶性糖含量,提高了根系活力。苗娟等[10]以丙烯酰胺、丙烯酸、碳酸鈣為主要原料，制備了高吸水保水劑。KPRao等[11]將高吸水樹脂與其它材料復(fù)合，可以有效地改善其耐鹽性和保水性能。冉艷玲等[12]施用保水劑后，土壤飽和含水量、田間持水量、重力水和有效水均顯著增加。韓玉國等[13]土壤中施用保水劑后，土壤的飽和含水率明顯增加。秦端端等[14]添加保水劑可減少鎘在黑麥草地上部的積累量。侯賢清等[15]施用保水劑耕層粒徑＞0.25mm穩(wěn)定性團聚體數(shù)量較不施保水劑處理有所提高。鄧秀峰等[16]研究發(fā)現(xiàn)隨著保水劑CLP（丙烯酰胺-丙烯酸鉀共聚物）用量的增加，土壤滲出液中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量均依次降低，說明試驗所用保水劑具有保氮的能力。宋雙雙等[17]研究發(fā)現(xiàn)施用高濃度的聚丙烯酸鉀鹽類保水劑能顯著提高土壤田間持水量和水穩(wěn)性團聚體的含量。馬曉凡等[18]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺保水劑在鹽堿土、風(fēng)沙土、棕壤中均具有保水和保肥性能，降低了土壤容重，提高了油菜的產(chǎn)量。

目前有關(guān)保水劑研究存在的主要問題是單一保水劑只具備保水功效，不具備營養(yǎng)功能。因此，研究和開發(fā)集營養(yǎng)、保水為一體的營養(yǎng)型保水劑成為本文研究的關(guān)鍵所在。本文依據(jù)上述存在的問題，選擇改性糠醛渣、營養(yǎng)劑和聚丙烯酰胺保水劑為原料，采用正交試驗方法確定原料間最佳配合比例，在實驗室合成營養(yǎng)型保水劑，并進行田間驗證試驗，以便對營養(yǎng)型保水劑的保水性能和改土效果做出確切的評價。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地概況 試驗于2014—2017年在甘肅河西走廊的張掖市甘州區(qū)沙井鎮(zhèn)壩廟村進行，試驗地海拔高度1485 m，年降水量116 mm，年蒸發(fā)量1850 mm，年平均氣溫7.50℃，全年日照時數(shù)3053 h，無霜期160 d。土壤類型是風(fēng)沙土，0～0.20 m土層含有機質(zhì)10.21 g/kg，堿解氮34.80 mg/kg，速效磷4.96 mg/kg，速效鉀90.88 mg/kg，有效鋅0.39 mg/kg，有效硼0.41 mg/kg，有效鉬0.10 mg/kg，pH值8.34，陽離子交換量（CEC）10.67 cmol/kg，土壤質(zhì)地為細沙土，前茬作物是制種玉米。

1.1.2 參試材料 聚丙烯酰胺保水劑（吸水倍率200 g/g，pH值6.9，粒徑1～2 mm，北京漢力淼新技術(shù)有限公司產(chǎn)品）；尿素（N 46%）；磷酸二銨（N 18%，含 P2O546%）；硫酸鉀（K2O 50%）；硫酸鋅（Zn 23%）；硼酸（B 17.50%）；鉬酸銨（MO54.3%）；自制營養(yǎng)劑（粒徑1～2 mm的硫酸鉀、尿素、磷酸二銨、硫酸鋅、硼酸、鉬酸銨風(fēng)干重量比按 0.5075∶0.3082∶0.1511∶0.0242∶0.0060∶0.0030 混合， 含 N 15.42%，P2O56.95%，K2O 25.38%，Zn 0.56%，B 0.11%，MO0.16%）；改性糠醛渣（在粒徑1～2 mm的風(fēng)干糠醛渣篩中加入4%的碳酸氫銨，將pH值調(diào)整到6.00～6.50，經(jīng)室內(nèi)化驗分析，含有機質(zhì)70.23%、腐殖酸11.63%、全氮0.61%、全磷0.36%、全鉀1.18%，pH值6.04～6.50，臨澤縣匯隆化工有限責(zé)任公司產(chǎn)品）；甜菜品種張?zhí)?01。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗處理 試驗1：營養(yǎng)型保水劑配方篩選。2014年5月8日選擇改性糠醛渣、營養(yǎng)劑和聚丙烯酰胺保水劑為3種原料，每種原料設(shè)計3個梯度施用量，按正交表L9（33）設(shè)計9個處理[19]（表1）。

試驗2：營養(yǎng)型保水劑適宜用量研究。（1）營養(yǎng)型保水劑產(chǎn)品合成：將改性糠醛渣、營養(yǎng)劑、聚丙烯酰胺保水劑風(fēng)干（含水量＜5%）分別粉碎，過粒徑1～2 mm篩。依據(jù)試驗1篩選的配方，將改性糠醛渣、營養(yǎng)劑、聚丙烯酰胺保水劑重量比按0.514∶0.463∶0.023混合攪拌均勻，采用螺旋擠壓造粒機造粒（粒徑4～6 mm），得到營養(yǎng)型保水劑。經(jīng)室內(nèi)化驗分析，含有機質(zhì)36.10%，N 7.39%，P2O53.40%，K2O 12.30%，Zn 0.26%，B 0.05%，MO0.08%。（2）試驗處理：2015—2017每年的5月8日，將上述合成的營養(yǎng)型保水劑施用量梯度設(shè)計為0（CK）、1、2、3、4、5 t/hm2共 6個處理，以處理 1為對照（CK），每個處理重復(fù) 3次，隨機區(qū)組排列。

1.2.2 種植方法 田間試驗小區(qū)面積為32 m2（8 m×4 m），小區(qū)四周筑埂，埂寬30 cm，高35 cm，營養(yǎng)型保水劑在播種前施入20 cm土層做底肥。播種時間為2014—2017每年的5月8日，株距24 cm，行距50 cm。

1.2.3 灌水方法 每個試驗小區(qū)為一個支管單元，在支管單元入口安裝閘閥、壓力表和水表，在甘草溝內(nèi)安裝1條薄壁滴灌帶，滴頭間距30 cm，流量5.60 L/(m·h)，每個支管單元壓力控制在4903 MPa，分別在播種后、播種15 d后、生長盛期、塊根膨大期各灌水1次，每個小區(qū)灌水量為2.69 m3。

1.2.4 樣品采集方法 甜菜收獲時，在試驗小區(qū)內(nèi)按照對角線采樣方法，布置5個樣品采集點，每個點連續(xù)采集10株，測定根體長度、根直徑和單株塊根重，取平均數(shù)進行統(tǒng)計分析，每個試驗小區(qū)單獨收獲，將小區(qū)產(chǎn)量折合成公頃產(chǎn)量進行統(tǒng)計分析。甜菜收獲后在試驗小區(qū)內(nèi)按對角線布置5個樣品采集點，采集0～20 cm耕作層土樣5 kg，用四分法帶回1 kg混合土樣，風(fēng)干15 d，過1 mm篩供室內(nèi)化驗分析。土壤容重、土壤團聚體用環(huán)刀采集原狀土，未進行風(fēng)干。

1.2.5 測定指標(biāo)與方法 甜菜根直徑測定采用游標(biāo)卡尺法；土壤容重測定采用環(huán)刀法；孔隙度采用計算法求得；＞0.25 mm團聚體測定采用干篩法；自然含水量采用烘干法；田間持水量測定采用威爾科克斯法；土壤貯水量按公式（自然含水量×土壤容重×土層深度 ×面積÷1000）求得；飽和蓄水量按公式（面積×總孔隙度×土層深度）求得；毛管蓄水量按公式（面積×毛管孔隙度×土層深度）求得；非毛管蓄水量按公式（面積×非毛管孔隙度×土層深度）求得；有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀法；堿解氮測定采用擴散法；速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用火焰光度計法；pH值測定采用電位法（水土比5∶1）；CEC（陽離子交換量）測定采用乙酸銨—氯化銨法。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理方法 采用SPSS16.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 營養(yǎng)型保水劑配方篩選

將2014年9月30日甜菜收獲后測定數(shù)據(jù)進行方差分析（表1）可以看出，處理3（A1B3C3）與其他處理比較，差異極顯著（P＜0.01）。 處理 9、6 和 1 之間差異不顯著（P＞0.05），三者與處理2、4、5、7和8差異顯著或極顯著。處理2與處理4、5、7和 8比差異極顯著；處理 4、5、7和 8之間，差異顯著。

將表2數(shù)據(jù)采用正交試驗分析方法，可以看出，3種原料間的效應(yīng)（R）由大到小的順序依次為：B＞A＞C，說明影響甜菜產(chǎn)量的原料依次是：營養(yǎng)劑（R=88.25）＞改性糠醛渣（R=79.62）＞聚丙烯酰胺保水劑（R=41.20）。比較各原料不同水平的T值可以看出，TA1＞TA3＞TA2，說明改性糠醛渣施用量不要超過 2.00 t/hm2；TB3＞TB2＞TB1，說明隨著營養(yǎng)劑施用量梯度的增加，甜菜產(chǎn)量增加，營養(yǎng)劑適宜施用量一般為1.80t/hm2；TC3＞TC1＞TC2，說明隨著保水劑施用量梯度的增加，甜菜產(chǎn)量在增加，保水劑適宜施用量為0.09 t/hm2。從各因素的T值可看出，原料間最佳組合為A1改性糠醛渣2.00 t/hm2，B3營養(yǎng)劑1.80 t/hm2，C3聚丙烯酰胺保水劑0.09 t/hm2，即營養(yǎng)型保水劑配方組合為：改性糠醛渣0.514∶營養(yǎng)劑0.463∶聚丙烯酰胺保水劑0.023。

表2 莒養(yǎng)型保水劑施用量對風(fēng)沙土蓄水量的影響

2.2 營養(yǎng)型保水劑施用量對風(fēng)沙土理化性質(zhì)的影響

2.2.1 對風(fēng)沙土蓄水量的影響 連續(xù)定點試驗3年后，于2017年9月30日甜菜收獲后，采集0～0.20m耕作層土樣測定數(shù)據(jù)可以看出，營養(yǎng)型保水劑施用量與風(fēng)沙土自然含水量、田間持水量、土壤貯水量、飽和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r）分別為 0.9959、0.9361、0.9708、0.99891、0.9894和 0.9890。 營養(yǎng)型保水劑用量 5 t/hm2，自然含水量、田間持水量、土壤貯水量、飽和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量比CK分別增加29.83 g/kg、3.99 個百分點、38.97 m3/hm2、135.80 t/hm2、51.60 t/hm2和 84.20 t/hm2，差異極顯著（P＜0.01）（表 2）。

表3 營養(yǎng)型保水劑施用量對風(fēng)沙土物理性質(zhì)的影響

2.2.2 對風(fēng)沙土其它物理性質(zhì)的影響 由表3可知，營養(yǎng)型保水劑施用量與風(fēng)沙土總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、團聚體呈線性正相關(guān)關(guān)系，與容重呈線性負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系 數(shù) （r）分 別 為 0.9892、0.9894、0.9890、0.9590和-0.9892。營養(yǎng)型保水劑施用量5 t/hm2，總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、團聚體比CK分別增加 6.79、2.58、4.21和5.20個百分點，容重比CK 降低 0.18 g/cm3，差異極顯著（P＜0.01）。

表4 營養(yǎng)型保水劑施用量對風(fēng)沙土化學(xué)性質(zhì)及養(yǎng)分的影響

2.2.3 對風(fēng)沙土化學(xué)性質(zhì)及有機質(zhì)和速效氮磷鉀的影響 由表4可知，營養(yǎng)型保水劑施用量與風(fēng)沙土CEC、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀均呈線性正相關(guān)關(guān)系，與pH值呈線性負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r）分別為 0.9866、0.9541、0.9927、0.9847、0.9455 和-0.9812。營養(yǎng)型保水劑用量5 t/hm2時，CEC、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀比CK分別增加5.83 cmol/kg、3.15 g/kg、30.66 mg/kg、3.39 mg/kg和 55.26 mg/kg，差異極顯著（P＜0.01）；pH 值比 CK 降低 1.23 個單位，差異顯著（P＜0.05）。

表5 營養(yǎng)型保水劑施用量對甜菜經(jīng)濟性狀和經(jīng)濟效益的影響

2.3 營養(yǎng)型保水劑施用量對甜菜經(jīng)濟性狀及效益的影響

2.3.1 對甜菜經(jīng)濟性狀的影響 由表5可知，隨著營養(yǎng)型保水劑施用量梯度的增加，甜菜經(jīng)濟性狀和塊根產(chǎn)量在遞增。營養(yǎng)型保水劑施用量5 t/hm2，與CK比較，根體長度、根直徑、單株根重和根產(chǎn)量分別增加 53.25%、61.23%、30.95%和31.30%，差異極顯著（P＜0.01）。 經(jīng)相關(guān)分析，營養(yǎng)型保水劑施用量與根體長度、根直徑、單株根重和根產(chǎn)量之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r）分別為0.9403、0.9597、0.9432和0.9541。隨著營養(yǎng)型保水劑施用量梯度的增加，增產(chǎn)率在增加，增產(chǎn)量則隨著保水劑施用量梯度的增加而遞減。

2.3.2 對甜菜經(jīng)濟效益的影響 采用經(jīng)濟學(xué)原理分析，隨著營養(yǎng)型保水劑施用量梯度的增加，邊際產(chǎn)量由最初的 6.70 t/hm2，遞減到 0.44 t/hm2（表 6）；邊際利潤由最初的 1202.14 元/hm2，遞減到-1614.86 元/hm2，營養(yǎng)型保水劑施用量超過4 t/hm2邊際利潤出現(xiàn)負值。由此可見，營養(yǎng)型保水劑施用量4 t/hm2時，甜菜增產(chǎn)效應(yīng)和經(jīng)濟效益較好。將表6營養(yǎng)型保水劑施用量與甜菜塊根產(chǎn)量間的關(guān)系采用肥料效應(yīng)回歸方程y=a+bx+cx2擬合，得到的回歸方程是：y=70.1+6.7073x-0.3443x2………（1）

對回歸方程進行顯著性測驗，F(xiàn)=20.15**＞F0.01=18.87，r=0.9591**，說明回歸方程擬合良好。營養(yǎng)型保水劑價格（Px）為1812.86元/t，2015—2017年甜菜塊根市場平均收購價（Py）為 450 元/t，將（Px）、（Py）、回歸方程的系數(shù) b和c，代入經(jīng)濟效益最佳施用量計算公式x0=[（Px/Py）-b]/2c， 求得營養(yǎng)型保水劑經(jīng)濟效益最佳施用量（x0）為 3.89 t/hm2，將 x0代入（1）式，求得甜菜塊根理論產(chǎn)量（y）為90.98 t/hm2，回歸分析結(jié)果與田間試驗處理5營養(yǎng)型保水劑施用量4 t/hm2基本吻合。

表6 營養(yǎng)型保水劑施用量對甜菜產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

3 討論與結(jié)論

在河西走廊風(fēng)沙土上施用營養(yǎng)型保水劑，容重降低，孔隙度增大，團聚體和蓄水量增加。究其原因一是營養(yǎng)型保水劑含有豐富的有機質(zhì)，因而降低了容重，增大了孔隙度。此變化規(guī)律與王君華研究結(jié)果相一致[20]。二是營養(yǎng)型保水劑中的有機質(zhì)在土壤微生物的作用下合成土壤腐殖質(zhì)，促進了風(fēng)沙土團聚體的形成，這種變化規(guī)律與肖占文等研究結(jié)果相吻合[21]。三是營養(yǎng)型保水劑中的聚丙烯酰胺是一類高分子聚合物，吸水倍率很大，在提高土壤持水性能方面具有重要的作用，這種變化規(guī)律與謝伯承等研究結(jié)果相一致[22]。風(fēng)沙土上施用營養(yǎng)型保水劑，pH值降低，究其原因是營養(yǎng)型保水劑中的糠醛渣是一種酸性廢棄物，因而降低了土壤酸堿度，這種變化規(guī)律與謝曉蓉等研究結(jié)果相吻合[23]。本研究發(fā)現(xiàn)施用營養(yǎng)型保水劑后風(fēng)沙土速效養(yǎng)分含量有所提高，這種變化規(guī)律與營養(yǎng)型保水劑中的大量和微量元素有關(guān)。本研究進一步發(fā)現(xiàn)，施用營養(yǎng)型保水劑甜菜經(jīng)濟性狀和塊根產(chǎn)量在遞增，且增產(chǎn)效果達到極顯著水平，這是由于施用營養(yǎng)型保水劑改善了土壤水肥狀況，促進了甜菜的生長發(fā)育。

試驗表明，營養(yǎng)型保水劑最佳配方組合為：改性糠醛渣0.514∶營養(yǎng)劑0.463∶聚丙烯酰胺保水劑0.023。營養(yǎng)型保水劑與風(fēng)沙土孔隙度、團聚體、CEC、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、自然含水量、田間持水量、土壤貯水量、飽和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量、甜菜經(jīng)濟性狀和產(chǎn)量呈線性正相關(guān)關(guān)系，與容重和pH值呈線性負相關(guān)關(guān)系。營養(yǎng)型保水劑經(jīng)濟效益最佳施用量為3.89 t/hm2，甜菜塊根理論產(chǎn)量為90.98 t/hm2。在河西走廊的風(fēng)沙土上施用營養(yǎng)型保水劑，改善了風(fēng)沙土理化性質(zhì)，提高了土壤蓄水量和甜菜產(chǎn)量與效益。