保水劑構(gòu)件的保水保肥效果研究

雷鋒文, 符穎怡, 廖宗文, 衛(wèi)尤明, 毛小云

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 廣東 廣州 510642)

保水劑應(yīng)用在節(jié)水農(nóng)業(yè)中已有幾十年的歷史。保水效果源于其吸水倍率。保水劑的性質(zhì)、種類及其在作物栽培上的應(yīng)用已有很多報(bào)道[1-4]。但保水劑的價(jià)格較高，多在2.00×104元/t左右，因而大面積推廣受到一定限制?，F(xiàn)有保水劑的應(yīng)用方式，均為與土混合，并無(wú)構(gòu)型的概念。我們多年研究發(fā)現(xiàn)，使保水劑具有一定的形狀(片狀、碗狀)可以獲得一定的保水力而減少滲透，使土層在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持更多的水分[5-6]。這種具有特定形狀的保水劑可稱之為保水構(gòu)件。它的保水效果不僅源于保水劑的吸水力，還來(lái)自構(gòu)型所產(chǎn)生的保水力。因而保水效果優(yōu)于僅源于吸水力的一般保水劑，同時(shí)還可降低成本[7]。本文擬通過對(duì)一系列的模擬試驗(yàn)、盆栽和大田試驗(yàn)，闡明保水構(gòu)件的保水保肥效果及其應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

(1) 盆栽土：赤紅壤。取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園。pH值5.42，有機(jī)質(zhì)15.6 g/kg,全氮 0.31g/kg,速效磷2.78 mg/kg,速效鉀18 mg/kg。

(2) 大田土：取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地。pH值7.07，有機(jī)質(zhì)26.32 g/kg，全氮2.03 g/kg，堿解氮155.6 mg/kg，有效磷96.7 mg/kg，速效鉀61.4 mg/kg。

(3) 大田土：取自番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)牛角村大田。pH值6.23，有機(jī)質(zhì)22.41 g/kg，全氮2.53 g/kg，堿解氮146.22 mg/kg，有效磷102.86 mg/kg，速效鉀85.72 mg/kg。

1.2 供試肥料

尿素(N，46%)；氯化鉀(K2O，61%)；過磷酸鈣(P2O5，12%，SP)，廣西農(nóng)寶牌；復(fù)合肥(N，P2O5，K2O各15%)，雅苒苗樂牌；有機(jī)肥(N，P，K 5%，有機(jī)質(zhì)40%，菌2.00×107個(gè)/g)，肥力奇；保水劑，東莞市安信保水有限公司提供。

1.3 儀器設(shè)備

分光光度計(jì)(上海精科UV759)；火焰光度計(jì)(上海精科6400A)；

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 小杯模擬養(yǎng)分淋溶試驗(yàn) 供試土壤：赤紅壤，取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園。取120 g土，參照盆栽用量的5倍施肥(分別為尿素0.156 g/盆、氯化鉀0.095 g/盆，過磷化鈣0.401 g/盆)，保水劑用量0.15 g/盆做對(duì)照和2個(gè)保水劑處理。使用土壤為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)室旁普通紅土(表1)。

表1 小杯模擬試驗(yàn)方案

1.4.2 盆栽玉米 供試作物為糯玉米，華美糯7號(hào)；供試肥料：尿素(N：46%)；氯化鉀(K2O：61%)；過磷酸鈣(P2O5：12%，SP)；供試作物：玉米，華美糯七號(hào)；供試土壤：赤紅壤，取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理和一個(gè)對(duì)照，每個(gè)處理3次重復(fù)，每盆裝土4 kg，每盆種3棵玉米，處理和空白的氮、磷肥用量一致，按N：120 mg/kg土，即1.04 g/盆；P2O580 mg/kg土，即2.67 g/盆； K2O 100 mg/kg土，即0.63 g/盆；保水劑大田施用時(shí)為75 kg/hm2，大田玉米約45 000株/hm2，因此盆栽3棵玉米的保水劑用量為5 g/盆。具體施肥量見表2。

表2 盆栽玉米方案

2017年3月13日育苗，3月15日移苗。為模擬干旱條件，約隔7 d淋水一次，每次500 ml。于5月1日收獲，并測(cè)定株高、莖粗、葉綠素、地上部分的生物量及養(yǎng)分含量。

1.4.3 玉米大田試驗(yàn) 大田試驗(yàn)面積90 m2。設(shè)一個(gè)對(duì)照和一個(gè)保水構(gòu)件處理， 2個(gè)重復(fù)。施復(fù)合肥300 kg/hm2，對(duì)照無(wú)保水劑，處理組保水劑75 kg/hm2，第一次施肥時(shí)在作物根部一側(cè)開溝將吸水150倍的保水劑平鋪于底U并覆蓋約3 cm厚土層并按常規(guī)施肥。供試肥料：復(fù)合肥(N, K2O,P2O5都為15%)；供試作物：甜玉米，華美甜八號(hào)；試驗(yàn)地點(diǎn)：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大田試驗(yàn)基地。試驗(yàn)時(shí)間為2015年3月10 日至 2015年6月8日。收獲時(shí)測(cè)定玉米產(chǎn)量及地上部分桿重。

1.4.4 甘蔗(果蔗)大田試驗(yàn) 試驗(yàn)面積932 m2，設(shè)一個(gè)對(duì)照和一個(gè)保水構(gòu)件處理，重復(fù)2次。施復(fù)合肥540 kg/hm2(后期按此量追肥2次)，對(duì)照無(wú)保水劑，處理組保水劑75 kg/hm2，甘蔗大培土?xí)r在作物根部一側(cè)開溝將吸水150倍的保水劑平鋪于底并覆蓋約3 cm厚土層并按常規(guī)施肥。供試肥料：復(fù)合肥(N,K2O,P2O5都為15%)；試驗(yàn)地點(diǎn)：番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)牛角村。試驗(yàn)時(shí)間：2015年3月27 日至 2016年3月2日。 收獲時(shí)測(cè)定產(chǎn)量及地上1 m和1.5 m部位的糖度，取構(gòu)件層以下10 cm內(nèi)的土壤測(cè)定養(yǎng)分含量。 另隨機(jī)采10個(gè)點(diǎn)測(cè)定甘蔗上下端(地上1 m及1.5 m)的糖度。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，T2保水構(gòu)件效果最好，可減少65%水的流失，同時(shí)可減少89%氮，99%磷，85%鉀的流失。保水劑常規(guī)使用方法(與土全混)，則可減少27%水的流失，同時(shí)可減少23%氮，84%磷，57%鉀的流失。常規(guī)混土法也能減少水分及養(yǎng)分流失，但是，明顯低于構(gòu)件的保水保肥效果。保水構(gòu)件的保水保肥效果表明，保水劑不僅能夠保水，而且還能保肥。后面的盆栽、大田試驗(yàn)顯示，這種保水保肥的技術(shù)在南方的雨季也有明顯的增產(chǎn)效果。

表3 模擬試驗(yàn)淋溶液測(cè)定

注：表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 盆栽玉米試驗(yàn)

由表4可知，在淋水較少的干旱情況下，使用保水構(gòu)件處理效果最好，可使玉米植株生物量增長(zhǎng)155%，而保水劑與土壤混合的常規(guī)處理，僅增長(zhǎng)12.5%。這表明了構(gòu)件有明顯的的保水保肥效果，因而明顯優(yōu)于常規(guī)混土處理。構(gòu)件處理的植株生物量增長(zhǎng)幅度甚高，與淋水少的干旱脅迫條件有關(guān)。在此條件下，對(duì)照的生長(zhǎng)受到較大抑制，而構(gòu)件處理則更加充分地發(fā)揮了托層保水的效果，兩者的差別更大。

表4 盆栽玉米收獲結(jié)果

注：表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3 大田玉米試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 收獲產(chǎn)量結(jié)果 由圖1可知，大田保水構(gòu)件的玉米生物量增加明顯，較CK提高26%。

注：同組不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1 不同處理下大田玉米收獲結(jié)果

2.3.2 大量元素養(yǎng)分 由圖2可知，雖無(wú)顯著差異，但保水構(gòu)件還是能促進(jìn)作物對(duì)N，P，K的吸收，其氮、磷、鉀較CK分別增加9.1%，17.6%，4.8%，這與減少了水分和養(yǎng)分流失，促進(jìn)了養(yǎng)分吸收有關(guān)。

圖2 不同處理下大田玉米大量元素測(cè)定

2.3.3 中微量元素養(yǎng)分 由表5可知，保水構(gòu)件能促進(jìn)作物對(duì)Ca，Mg，Zn，F(xiàn)e，Mn的吸收。吸收增幅在28%～400%倍(鋅)之間。這與減少了水分和養(yǎng)分流失而促進(jìn)養(yǎng)分吸收有關(guān)。

這一試驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)于已經(jīng)種下的作物無(wú)法采用底部構(gòu)件處理，也可采用單側(cè)構(gòu)件的處理獲得較好的效果。

表5 大田玉米中微量元素測(cè)定

注：收獲時(shí)，取自上往下第3，4片葉子進(jìn)行測(cè)定；表中同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

2.4 大田甘蔗(果蔗)試驗(yàn)

2.4.1 產(chǎn)量與糖度 由表6可知，施用保水劑構(gòu)件可使甘蔗生物量增加10.5%，且使甘蔗上下端的糖度提高3%～5.5%。

表6 大田甘蔗收獲結(jié)果

2.4.2 葉片養(yǎng)分測(cè)定 由圖3可知，使用保水構(gòu)件可提高甘蔗對(duì)大量元素養(yǎng)分的吸收，其氮、磷、鉀較CK分別增加9.1%，11%，2%。

圖3 不同處理大田甘蔗葉片養(yǎng)分狀況

2.4.3 土壤養(yǎng)分測(cè)定 (構(gòu)件層以下土壤) 由表7可知，保水構(gòu)件能減少氮磷鉀養(yǎng)分流失到下層土壤，其流失量較CK分別減少了10%，3.3%，5%。這反映了構(gòu)件“脫水保肥”的效果，可保留更多養(yǎng)分而促進(jìn)增產(chǎn)。

表7 甘蔗試驗(yàn)地(構(gòu)件下層)養(yǎng)分測(cè)定

2.4.4 肥料偏生產(chǎn)力的比較 由表8可知，使用保水構(gòu)件的甘蔗，其肥料(養(yǎng)分N，P2O5，K2O的含量均為15%)氮、磷、鉀元素的偏生產(chǎn)力都高于對(duì)照組CK，均較CK增加10.5%。

表8 甘蔗各元素肥偏生產(chǎn)力的比較

3 討論與結(jié)論

3.1 保水構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)

模擬試驗(yàn)、盆栽和大田等系列試驗(yàn)，顯示了保水構(gòu)件的突出保水效果。其保水力源于兩方面： 吸水力+構(gòu)型保水力。即不僅具有一般保水劑的吸水效果，而且還有獨(dú)特的保水效果。這樣，與吸水力共同作用，雙管齊下，明顯優(yōu)于單一的吸水力效果。這是構(gòu)件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。而且，還可在保水劑中加入吸水力不強(qiáng)的廉價(jià)材料(礦物粉、木屑、秸稈)而獲得較高的保水效果，因而可進(jìn)一步降低成本[7，9]。

3.2 保水構(gòu)件的增效減污效果

小杯模擬試驗(yàn)顯示，保水構(gòu)件可明顯減少土壤溶液的滲透和其中的養(yǎng)分流失。而大田玉米及甘蔗試驗(yàn)中，保水層下的土壤N,P,K的養(yǎng)分明顯低于CK，也顯示了保水層具有獨(dú)特的“保水保肥”作用，這與小杯模擬試驗(yàn)所顯示的保水保肥效果是一致的。通過構(gòu)件保水而達(dá)到“肥水不外流”的效果。這對(duì)于面源污染，尤其是水體富營(yíng)養(yǎng)化的防控有重要意義。因?yàn)椤胺孰S水走”，控水即可控肥。通過構(gòu)型產(chǎn)生的保水保肥效果是在保水層上的耕層土，是對(duì)耕作層水分的分布空間的調(diào)控，這是一種對(duì)三維空間的調(diào)控，與控釋肥對(duì)肥料的“點(diǎn)”的調(diào)控不同，調(diào)控的空間維度拓寬了，因而調(diào)控的范圍更大。

土壤中流失養(yǎng)分情況則都低于對(duì)照組。這與構(gòu)件減少養(yǎng)分淋失的效果密切相關(guān)。這一技術(shù)在面源污染控制和化肥減量中都有廣闊應(yīng)用前景[3,5-6]。

保水構(gòu)件每公頃用量約45～75 kg，成本約900～1 500元，可減少淋失而節(jié)肥20%以上，產(chǎn)量不減反增。因此可成為控制面源污染的有效技術(shù)，成本低而效果好，有很強(qiáng)可操作性。

3.3 關(guān)于保水技術(shù)應(yīng)用的地域和季節(jié)的思考

一般認(rèn)為，保水技術(shù)應(yīng)用于缺水地區(qū)和缺水季節(jié)。中國(guó)西北干旱區(qū)和一年當(dāng)中的秋冬旱季對(duì)保水最為關(guān)注，而南方雨水充足則更關(guān)注養(yǎng)分的保持。而我們的研究顯示，構(gòu)件的“保水保肥”效果，對(duì)于減少降雨和灌溉引起的養(yǎng)分流失有明顯的效果，這表明保水構(gòu)件不僅在缺水時(shí)有保水效果，而在雨季時(shí)還具有保肥、增產(chǎn)效果。因此，保水技術(shù)的應(yīng)用不一定局限在特定的干旱地域和干旱季節(jié)，通過保水構(gòu)件的應(yīng)用，可以開拓更廣闊的時(shí)空范圍。

3.4 值得深入研究的構(gòu)型優(yōu)化問題

試驗(yàn)顯示，保水構(gòu)件明顯提升了保水保肥效果。目前尚處于定性認(rèn)識(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)階段。今后應(yīng)進(jìn)一步向量化精準(zhǔn)方向提升。為此需要研究不同構(gòu)型種類(片狀、碗狀)和不同容水深度的構(gòu)件的保水效果，從而使構(gòu)型進(jìn)一步優(yōu)化。研究還發(fā)現(xiàn)保水構(gòu)件放置于不同深度的土層對(duì)保水效果有很大影響[10]。今后通過連續(xù)測(cè)定不同土層保水效果獲得的動(dòng)態(tài)值可了解保水效果隨著土層深度和時(shí)間而變的情況。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬可對(duì)這一時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行定量描述。這樣，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件保水效果的更為準(zhǔn)確的量化評(píng)估，還可用于預(yù)測(cè)應(yīng)用保水構(gòu)件對(duì)于減少面源污染的貢獻(xiàn)。