有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米苗期土壤水分及幼苗生長(zhǎng)的影響

余 高，陳 芬，謝英荷，趙曉東，鄭海霞，譚杰斌

(1.銅仁學(xué)院 農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州 銅仁 554300； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 山西 太谷 030801； 3.寧鄉(xiāng)豐裕生物科技有限公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410600)

玉米在生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)水分狀況反應(yīng)敏感，干旱影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段，是造成玉米產(chǎn)量不穩(wěn)的重要原因之一[1-2]。保水劑是一種化學(xué)節(jié)水材料[3-5]，施用于土壤可以增強(qiáng)土壤保水保肥性能，減少無(wú)效蒸發(fā)，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高水肥利用率[6-7]，在干旱、半干旱地區(qū)，被稱作農(nóng)作物干旱時(shí)的“微型水庫(kù)”[8-9]。

相關(guān)研究表明，在農(nóng)作物生產(chǎn)中合理施用保水劑，可有效提高土壤含水量，緩解干旱對(duì)作物造成的傷害，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[10-20]。余高等[21]研究結(jié)果表明，有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料能在短期內(nèi)明顯提高土壤含水量，在0～20 cm土層較不施保水材料處理顯著提高8.46%，在20～40 cm土層顯著提高6.15%。程紅勝等[22]研究表明，生物炭基保水劑可以有效提高土壤飽和含水率，較不施保水材料處理提高13.31%～13.54%。張麗華等[23]研究表明，施用保水劑可極顯著提高玉米產(chǎn)量、土壤水分含量及水分利用效率，且細(xì)粒型優(yōu)于顆粒型，細(xì)粒型最佳施用量為45 kg/hm2，顆粒型最佳施用量為60 kg/hm2。侯賢清等[24]研究表明，穴施保水劑可有效改善馬鈴薯關(guān)鍵生育時(shí)期土壤水分狀況，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，以施用60～90 kg/hm2沃特保水劑處理增產(chǎn)和提高作物水分利用效率效果最佳。潘勇剛等[25]研究表明，當(dāng)保水劑施用量為 30 kg/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量最高。綜上，不同研究結(jié)果間的差異較大，說(shuō)明不同類型保水劑或者同一類型保水劑在不同地區(qū)、不同氣候、不同土壤中的應(yīng)用效果差異較大，使得實(shí)際生產(chǎn)中保水劑的應(yīng)用效果也千差萬(wàn)別[26-27]。

目前，在以玉米為主要農(nóng)作物的北方干旱、半干旱地區(qū)，有關(guān)保水材料的報(bào)道大多以無(wú)機(jī)材料為主，而有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道。為此，研究有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米苗期土壤水分及生長(zhǎng)的影響，為北方干旱、半干旱地區(qū)玉米生產(chǎn)節(jié)水抗旱和保水劑合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

保水材料：本試驗(yàn)首先選取目前市場(chǎng)上使用較多且保水性能較好的保水材料聚丙烯酰胺(PAM，吸水倍率為360倍)、凹凸棒土(NA，吸水倍率為3.25倍)和腐植酸(FA，吸水倍率為1.75倍)3種保水材料，然后又結(jié)合山西省實(shí)際，選取了原材料普遍存在且成本低廉的農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈炭(CB，吸水倍率為7.5倍)，共4種材料作為本試驗(yàn)的供試保水材料。

供試土壤：本試驗(yàn)所用土壤取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站基地0～20 cm土壤，為石灰性褐土，經(jīng)自然風(fēng)干后備用。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

供試作物：玉米品種先玉335。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Tab.1 The basic properties of the tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米桶栽試驗(yàn)于2015年4月25日在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)基地的溫室內(nèi)進(jìn)行。為最大限度發(fā)揮有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益，參照已報(bào)道的保水劑最佳施用量[23-24]以及謝英荷團(tuán)隊(duì)前期的研究成果[21]，本試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，分別為對(duì)照(不施保水材料處理，CK)、T1處理(PAM∶NA∶FA∶CB=4∶3∶2∶1)、T2處理(PAM∶NA∶FA∶CB=4∶3∶1∶2)、T3處理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶2∶1)、T4處理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶1∶2)。同時(shí)，除CK外，每個(gè)處理保水材料的施用量分別設(shè)4個(gè)水平：0.013、0.027、0.040、0.053 g/kg，各處理及不同施用量均設(shè)3個(gè)重復(fù)。桶栽試驗(yàn)所用塑料桶直徑為50 cm，深為40 cm，每桶裝風(fēng)干土10 kg，均施入等量尿素0.1 g/kg，不施磷肥和鉀肥。將土、保水材料和尿素充分混勻后裝入桶中，播種前，一次性灌溉2 400 mL自來(lái)水，每隔24 h稱量桶栽一次，測(cè)定其保水效果(即土壤水分蒸發(fā)率)，5 d后每桶播10粒玉米種子，深度為5～6 cm。10 d后根據(jù)玉米出苗情況進(jìn)行間苗，每桶保留4株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，苗期根據(jù)蒸發(fā)量同時(shí)段等量澆水。于玉米苗期后期(6月10日)進(jìn)行土壤和植物樣品的采集，測(cè)定土壤含水率，玉米株高、莖粗、葉面積和干物質(zhì)積累量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤水分指標(biāo) 測(cè)定土壤含水率，并計(jì)算土壤累積水分蒸發(fā)率。其中，土壤含水率=(土壤水質(zhì)量/烘干土質(zhì)量)×100%，土壤水分累積蒸發(fā)率=[(原始土壤水質(zhì)量-蒸發(fā)后土壤水質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量]×100%。

1.3.2 玉米生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo) 分別采用直尺、游標(biāo)卡尺測(cè)定玉米株高、莖粗。測(cè)定玉米各葉片的葉長(zhǎng)和最大葉寬，計(jì)算葉面積。葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.75。收獲玉米幼苗，于105 ℃ 殺青30 min，然后70 ℃ 烘干至恒質(zhì)量，即得干物質(zhì)積累量。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米苗期土壤水分累積蒸發(fā)率的影響

由圖1可知，當(dāng)盆栽土壤中的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時(shí)，各處理土壤水分累積蒸發(fā)率均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加，總體上不同時(shí)間土壤水分累積蒸發(fā)率均表現(xiàn)為T4

不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P≤0.05),下同

2.2 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米苗期土壤含水率的影響

由圖2可知，當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013 ～0.053 g/kg時(shí)，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理的土壤含水率均顯著高于CK，同時(shí)，T4處理的土壤含水率均最高，顯著高于T1、T2處理，但與T3處理差異不顯著。當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013 g/kg時(shí)，T4處理的土壤含水率為11.78%，分別較CK、T1、T2處理顯著提高33.9%、7.6%、8.4%；當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.027 g/kg時(shí)，T4處理的土壤含水率分別較CK、T1、T2處理顯著提高53.6%、15.4%、15.1%；當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.040 g/kg時(shí)，T4處理的土壤含水率分別較CK、T1、T2處理顯著提高72.7%、14.2%、14.7%；當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.053 g/kg時(shí)，T4處理的土壤含水率分別較CK、T1、T2處理顯著提高83.6%、7.3%、8.9%。由圖2還可以看出，當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時(shí)，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理的土壤含水率均隨著復(fù)合保水材料施用量的增加而呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，其中，以有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.053 g/kg的T4處理土壤含水率最高，保墑效果最好。說(shuō)明有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料的施用量越高，土壤含水率越高，保墑效果越好。

圖2 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米苗期土壤含水率的影響 Fig.2 Effects of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on soil moisture content at seedling stage

2.3 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

由表2—4可知，在同一施用量水平下，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理的玉米株高、葉面積和莖粗均顯著高于CK，且在同一施用量水平下，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理玉米植株的生長(zhǎng)表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2>CK。當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013 g/kg時(shí)，T4處理玉米株高分別較CK、T2處理顯著提高55.1%、7.8%，但與T1、T3處理均無(wú)顯著差異；葉面積分別較CK、T1、T2處理顯著提高33.3%、10.8%、14.3%，但與T3處理無(wú)顯著差異；莖粗分別較CK、T2處理顯著提高53.2%、22.0%，但與T1、T3處理均無(wú)顯著差異。同樣，當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.027 g/kg時(shí)，T4處理的玉米株高、葉面積和莖粗均顯著高于CK、T1、T2處理。當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.040 g/kg時(shí)，除T1、T3處理外，T4處理玉米株高和莖粗均顯著高于CK和T2處理，T4處理的葉面積顯著高于CK、T1、T2、T3處理。當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.053 g/kg時(shí)，T4處理的玉米株高顯著高于CK、T1、T2處理，葉面積顯著高于CK、T1、T2、T3處理，莖粗顯著高于CK、T2處理。另外，對(duì)于同一有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理，不同施用量對(duì)玉米長(zhǎng)勢(shì)的影響表現(xiàn)為0.053 g/kg>0.040 g/kg>0.027 g/kg>0.013 g/kg，說(shuō)明當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.053 g/kg時(shí)，對(duì)玉米長(zhǎng)勢(shì)具有明顯的促進(jìn)作用。

表2 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米幼苗株高的影響Tab.2 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on plant height of maize seedling cm

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P≤0.05),下同。

Notes: The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments(P≤0.05),the same below.

表3 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米幼苗單株總?cè)~面積的影響

Tab.3 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on leaf area per plant of maize seedlingcm2

表4 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米幼苗莖粗的影響

Tab.4 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on stem diameter of maize seedling cm

2.4 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米幼苗干物質(zhì)積累量的影響

由圖3可知，當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時(shí)，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理的玉米幼苗干物質(zhì)積累量均顯著高于CK，且在同一施用量水平下，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理玉米幼苗干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2>CK。當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013 g/kg時(shí)，T4處理玉米幼苗干物質(zhì)積累量較其他處理提高2.8%～19.0%；當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量分別為0.027、0.040、0.053 g/kg時(shí)，T4處理分別較其他處理提高2.2%～20.8%、2.3%～28.5%、7.5%～36.1%。由圖3還可以看出，同一有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理，不同施用量對(duì)玉米幼苗干物質(zhì)積累量的影響表現(xiàn)為0.053 g/kg>0.040 g/kg>0.027 g/kg>0.013 g/kg，說(shuō)明當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.053 g/kg時(shí)，玉米幼苗干物質(zhì)積累量最高。

圖3 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料對(duì)玉米幼苗干物質(zhì)積累量的影響 Fig.3 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on dry matter accumulation of maize seedling

3 結(jié)論與討論

土壤蒸發(fā)是造成土壤水分大量損失的主要途徑，造成水資源浪費(fèi)，同時(shí)還會(huì)引起土壤鹽漬化和地下水污染物表聚等環(huán)境問(wèn)題[28]，而保水劑的施入可以有效抑制土壤水分蒸發(fā)[29]。本研究結(jié)果表明，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理的土壤水分累積蒸發(fā)率總體上均顯著低于CK，具體表現(xiàn)為T4

本研究結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.013～0.053 g/kg時(shí)，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理的土壤含水率均顯著高于CK，這與張麗華等[23]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因?yàn)槭┯帽Ｋ畡┛擅黠@提高土壤蓄水、保水能力，在水分充足時(shí)，保水劑將大量水分吸收并阻滲在土壤內(nèi)；水分不足時(shí)，保水劑又將吸收的水分慢慢釋放出來(lái)供植株根系吸收利用，而CK土壤內(nèi)多余水分會(huì)因滲漏、蒸發(fā)和蒸騰作用而使土壤含水率降低[23]。本研究結(jié)果還表明，有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料的施用量是影響土壤含水率的重要因素之一，施用量越高，土壤含水率越高，保墑效果越好，反之，土壤含水率越低，保墑效果越差，這與王猛等[31]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因?yàn)橛袡C(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量的增加可以有效減少土壤水分蒸發(fā)、滲透和植株蒸騰，從而使土壤含水率增加[23]。

有研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料的施入可以有效促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[10-12]。本研究結(jié)果表明，在同一施用量水平下，不同有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料處理的玉米幼苗株高、葉面積、莖粗和干物質(zhì)積累量均顯著高于CK，具體表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2>CK，這與馬征等[32]、張蕊等[33]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因?yàn)橛袡C(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料的施入可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)和水分狀況，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解與礦化，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應(yīng)，保蓄土壤的有效養(yǎng)分[22]，從而促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究結(jié)果還表明，當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料施用量為0.053 g/kg時(shí)，對(duì)玉米幼苗長(zhǎng)勢(shì)具有明顯的促進(jìn)作用，此時(shí)，玉米幼苗株高、葉面積、莖粗以及干物質(zhì)累積量均為最佳，這與程闖勝等[2]的研究結(jié)果基本一致。這主要是因?yàn)楫?dāng)保水材料施用量為0.053 g/kg時(shí)，能有效改善玉米的生長(zhǎng)環(huán)境，為其生長(zhǎng)提供相對(duì)穩(wěn)定的水分環(huán)境[2]，同時(shí)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料的施入，使得水分和養(yǎng)分間表現(xiàn)出較好的協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)[34]，從而為增產(chǎn)增收奠定了一定的基礎(chǔ)。

綜上所述，在本試驗(yàn)條件下，有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合保水材料為T4處理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶1∶2)、施用量為0.053 g/kg時(shí)，降低土壤累積蒸發(fā)率、提高玉米苗期土壤含水率、促進(jìn)玉米苗期生長(zhǎng)的效果最好。