羧甲基纖維素銨對黃土高原新造耕地土壤性質(zhì)的影響

楊世琦，邢 磊，劉宏元，王惟帥，郭 萍

(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一，大部分地區(qū)年降水量少，但雨季集中，長期遭受強(qiáng)烈侵蝕，逐漸形成了千溝萬壑與地形支離破碎的自然景觀。當(dāng)?shù)剞r(nóng)田以坡耕地為主，人均耕地少，土壤貧瘠，農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)[1-2]。延安市位于黃土高原腹地，總面積占黃土高原的5.9%。2011年12月30日，時(shí)任國家副主席習(xí)近平做出重要批示：治溝造地是延安市的一項(xiàng)新舉措，對于在黃土高原地區(qū)增加耕地面積、保障糧食安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)都具有積極意義。延安市2016年完成治溝造地約2.7萬hm2，2018年達(dá)到3.3萬hm2[3]。新造耕地面臨的主要問題是土壤養(yǎng)分貧瘠，土質(zhì)粗松，加之當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱，不利于作物生長，威脅當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量安全。因此，加快新造耕地的土壤改良成為當(dāng)務(wù)之急，也是治溝造地工程持續(xù)開展的重要保障。

土壤改良劑是改善新造耕地土壤質(zhì)量的重要途徑之一，其通過對土壤水分與養(yǎng)分的固持作用來提高水肥利用效率，促進(jìn)作物增產(chǎn)。土壤保水劑在土壤改良劑中具有重要位置，常見保水劑多為高分子有機(jī)聚合物，對水分有較強(qiáng)的吸持能力，常見的保水劑能夠吸持自身質(zhì)量300～800倍的水[4-5]。保水劑在吸收水分的同時(shí)，能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒的形成，蓄水保墑，從而提高土壤水分利用率[6]。保水劑與肥料復(fù)合一體化施用是一項(xiàng)重要的水肥調(diào)控技術(shù)[7-8]，有研究表明，保水劑與氮肥、磷肥配施能夠有效提高小麥、番茄、馬鈴薯等作物的肥料利用率[9-11]。但目前應(yīng)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(jià)金屬離子發(fā)生反應(yīng)，保水劑的吸水倍數(shù)和作用效果會(huì)受到一定影響[12]，并且這類保水劑降解還會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)[13]，長期使用存在一定的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)對土壤、環(huán)境造成不良影響。

纖維素分子上的羥基可以引入官能團(tuán)或者其他元素，從而改變纖維素性能，形成纖維素衍生物[14]，如羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)具有優(yōu)良的潤濕性、分散性、粘結(jié)(接)性、增稠性、乳化性、保水性、成膜性，以及對油脂的不透性等特點(diǎn)，目前已廣泛用于食品、醫(yī)藥、建筑、廢水處理和造紙等領(lǐng)域，是重要的基礎(chǔ)化工材料[15-17]。羧甲基纖維素是由天然生物基材料纖維素改性而來，生產(chǎn)原料是自然界中分布最廣、最豐富的天然高分子可再生資源，占植物界碳含量的50%以上；羧甲基纖維素降解后可轉(zhuǎn)變成土壤有機(jī)質(zhì)，因此無環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[18]。利用羧甲基纖維素的粘結(jié)性特點(diǎn)，對新造耕地進(jìn)行土壤改良，可以實(shí)現(xiàn)土壤水分與養(yǎng)分保持效果。在國內(nèi)，本研究首次將羧甲基纖維素銨(CMC-NH4)作為土壤改良劑，分析其對延安新造耕地土壤水分、養(yǎng)分以及谷子生長的影響，以期為其應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于陜西省延安市安塞區(qū)南溝村(北緯36°52′28.10″,東經(jīng)109°13′36.06″)，該地區(qū)屬中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，四季分明，全年無霜期160 d，平均氣溫9.1 ℃，降水量約506 mm，主要集中在7-9月，年日照時(shí)數(shù)2 396 h，日照百分率54%，平均海拔1 219 m，是典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)。試驗(yàn)地為3年齡新造耕地(第3年撂荒)，位于梁峁頂部，為自上而下的第二級梯田，一面靠坡，三面臨崖，光照充足。2018年試驗(yàn)前，耕層(0～20 cm)土壤基本理化性質(zhì)為：全氮0.38 g/kg，全磷0.37 g/kg，全鉀4.9 g/kg，硝態(tài)氮2.9 mg/kg，有效磷10.10 mg/kg，速效鉀38.1 mg/kg，pH 8.46，土壤有機(jī)質(zhì)8.5 g/kg，土壤體積質(zhì)量1.35 g/cm3。

1.2 供試材料

供試羧甲基纖維素為CMC-NH4，由北京理工大學(xué)材料學(xué)院提供。供試作物為谷子，品種為‘晉谷40’，是當(dāng)?shù)刂髟云贩N之一，從市場購買。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本研究采用田間試驗(yàn)，試驗(yàn)中CMC-NH4施用量共設(shè)置5個(gè)處理，分別為0 kg/hm2(CK)、100 kg/hm2(T1)、500 kg/hm2(T2)、1 000 kg/hm2(T3)和2 000 kg/hm2(T4)，每處理重復(fù)3次。小區(qū)面積為4 m×6 m，小區(qū)間用土埂間隔。2018年5月10日整地播種，一次性施入復(fù)合肥(N、P2O5、K2O質(zhì)量比為15∶14∶16)2 400 kg/hm2，羊糞約3 000 kg/hm2。谷子播種量為7.5 kg/hm2，行距30 cm，出苗后按株距10 cm定苗。當(dāng)谷子生長至苗高10 cm時(shí)，在行間開溝5 cm按照試驗(yàn)設(shè)置水平施入CMC-NH4。

2018年10月7日收獲谷子，測定其產(chǎn)量，其田間生長期約150 d。分別于06-28，07-29，08-30，09-23，10-07采集0～20 cm土層土壤，采用儀器TDR350測定土壤含水量和電導(dǎo)率。收獲谷子的同時(shí)采集0～20 cm土層土樣，測定土壤養(yǎng)分含量及pH值，其中全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法測定，土壤硝態(tài)氮含量采用AA3流動(dòng)分析儀測定，速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤pH采用梅特勒-托利多Delta 320型酸度計(jì)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2013與Origin 8.5軟件，用ANOVA進(jìn)行單因素方差分析，采用Pearson法分析CMC-NH4施用量與土壤理化性質(zhì)和谷子產(chǎn)量的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 CMC-NH4對新造耕地土壤含水量的影響

不同處理新造耕地土壤含水量的變化見圖1。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level. The same below 圖1 CMC-NH4對新造耕地土壤含水量的影響Fig.1 Effect of CMC-NH4 on soil water content of new cultivated farmland

從圖1可以看出，6月28日， 施用CMC-NH4各處理的土壤含水量與對照差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，土壤含水量較對照提高了27.3%以上；T1、T2、T4處理間土壤含水量差異未達(dá)到顯著水平，T3與T1和T2處理間差異顯著，但與T4處理差異不顯著。7月29日， 施用CMC-NH4各處理的土壤含水量與對照差異達(dá)到顯著水平，土壤含水量較對照提高了47.1%以上；除T2處理外，其余處理間土壤含水量差異不顯著。8月30日，除T1處理外，其他處理土壤含水量與對照差異均未達(dá)到顯著水平；T1處理的土壤含水量較對照提高了15.2%。9月23日，除T3處理外，其他處理土壤含水量與對照差異均達(dá)到顯著水平，土壤含水量較對照提高16.4%以上。10月7日，施用CMC-NH4各處理的土壤含水量與對照差異達(dá)到顯著水平，土壤含水量較對照提高35.3%以上；T1與T2、T3、T4處理差異顯著，但其他3個(gè)處理之間差異不顯著。由此可見，施用CMC-NH4對土壤水分產(chǎn)生了明顯影響，且隨著CMC-NH4施用量的增加，土壤含水量總體增大。依據(jù)當(dāng)?shù)?018年降水量資料可知，全年降水量511.8 mm，其中6-10月為420.7 mm，占全年降水量的82.2%；6月份降水量78.3 mm，7月份降水量194.1 mm(其中1-21日降水量190.2 mm)，8月份58.4 mm，9月份74.0 mm，10月上旬降水量0.0 mm。土壤含水量在6月、8月和9月較高，7月和10月較低。7月雖然降水量很大，但土壤含水量并不高，主要原因是谷子處于幼苗期，未形成田間封行，因土壤蒸發(fā)導(dǎo)致的水分損失較多所致。

2.2 CMC-NH4對新造耕地土壤電導(dǎo)率的影響

從圖2可以看出，6月28日，除T1和T2處理外，T3和T4處理與對照之間土壤電導(dǎo)率差異達(dá)到顯著水平；7月29日， 施用CMC-NH4各處理的土壤電導(dǎo)率均小于對照，除T3處理外，其他處理與對照之間差異均達(dá)顯著水平；8月30日與9月23日，施用CMC-NH4各處理土壤電導(dǎo)率與對照之間均無顯著差異；10月7日， 施用CMC-NH4處理的土壤電導(dǎo)率均顯著小于對照， 但4個(gè)CMC-NH4處理之間無顯著差異。由于土壤電導(dǎo)率主要受土壤水分與土壤離子濃度等因素影響，谷子生長階段和CMC-NH4施用量均間接影響土壤水分與鹽分的含量及狀態(tài)，導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率變化的不確定性增加，僅靠土壤水分的增減還不足以解釋土壤電導(dǎo)率的變化。在7月和10月土壤含水量較低的情況下，可能由于CMC-NH4對土壤水分的吸附作用，導(dǎo)致CMC-NH4處理的土壤電導(dǎo)率均低于對照；在土壤含水量相對較高的情況下，如在谷子生長初期(06-28)，土壤養(yǎng)分相對富裕，CMC-NH4施用量較高的處理(T3和T4)土壤電導(dǎo)率顯著高于對照，在谷子生長中后期(08-30至09-23)CMC-NH4處理與對照無顯著差異。

圖2 CMC-NH4對新造耕地土壤電導(dǎo)率的影響Fig.2 Effect of CMC-NH4 on soil electric conductivity of new cultivated farmland

2.3 CMC-NH4對新造耕地土壤養(yǎng)分含量及pH的影響

不同處理下新造耕地土壤養(yǎng)分含量及pH見表1。

表1 CMC-NH4對新造耕地土壤養(yǎng)分含量及pH的影響Table 1 Effect of CMC-NH4 on soil nutrient content and pH of new cultivated farmland

表1顯示， 施用CMC-NH4處理的土壤全氮含量與對照之間無顯著差異；除T2和T3處理外， 其他處理土壤全磷含量與對照之間無顯著差異；除T3和T4處理外，其他處理土壤全鉀和硝態(tài)氮含量與對照之間無顯著差異；施用CMC-NH4各處理的土壤速效磷含量均與對照之間差異達(dá)顯著水平；除T2處理外，其他處理土壤速效鉀含量與對照之間差異顯著；施用CMC-NH4處理的土壤pH與對照無顯著差異。由此可見，施用CMC-NH4對土壤全氮含量及pH無顯著影響，對土壤全磷和全鉀含量的影響沒有明顯的規(guī)律性；在施用量較高(1 000～2 000 kg/hm2)的情況下，CMC-NH4顯著提高了土壤硝態(tài)氮含量；不論施用量高低，CMC-NH4均能提高土壤速效磷和速效鉀含量。

2.4 CMC-NH4對谷子產(chǎn)量的影響

圖3顯示，施用CMC-NH4能夠促進(jìn)谷子產(chǎn)量的增加，其中T1、T2和T4處理的谷子產(chǎn)量較對照分別提高了12.8%，10.3%和10.2%，且與對照之間的差異達(dá)到顯著水平，但T1、T2、T4處理之間差異不顯著；T3處理與對照的差異也不顯著，且T3的產(chǎn)量顯著低于其他處理，這可能是田間試驗(yàn)誤差所致?？傮w上看，隨CMC-NH4施用量的增加，谷子產(chǎn)量并未出現(xiàn)明顯增加的趨勢，這表明對于黃土高原新造耕地而言，由于受降水量與土壤養(yǎng)分等因素的制約，CMC-NH4施用量并不是越多越好，而應(yīng)該是適量才好。從本試驗(yàn)結(jié)果來看，CMC-NH4的適宜施用量為100 kg/hm2。

圖3 CMC-NH4對谷子產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of CMC-NH4 on millet yield

2.5 CMC-NH4施用量與土壤理化性質(zhì)及谷子產(chǎn)量的相關(guān)性

從表2可以看出，CMC-NH4施用量與土壤含水量、硝態(tài)氮和全鉀含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明施用CMC-NH4能夠顯著影響黃土高原新造耕地的土壤水分、硝態(tài)氮與全鉀含量，對改善土壤水分和養(yǎng)分有一定貢獻(xiàn)，具備土壤改良功能。CMC-NH4施用量與谷子產(chǎn)量之間無顯著相關(guān)性，主要原因是隨著CMC-NH4施用量的增加，谷子產(chǎn)量并未出現(xiàn)明顯增加的趨勢。

表2 CMC-NH4施用量與土壤理化性質(zhì)及谷子產(chǎn)量的相關(guān)性(Spearman相關(guān)系數(shù))Table 2 Correlation analysis of CMC-NH4 with application and soil physical and chemical properties and millet yield (Spearman correlation coefficient)

3 討 論

3.1 CMC-NH4對土壤水分的影響

研究表明，CMC-NH4具有吸水性，吸水倍率在幾十倍至幾百倍[19]，農(nóng)田施用能夠提高土壤含水量。從本試驗(yàn)結(jié)果看，隨CMC-NH4施用量的增加，土壤含水量并未出現(xiàn)成倍增加的趨勢，也未表現(xiàn)出隨著谷子生長季延續(xù)土壤含水量累積增長的現(xiàn)象?？赡苡幸韵聨c(diǎn)原因：一是土壤缺乏足夠的水源供給，CMC-NH4的吸水潛力未能充分發(fā)揮出來，導(dǎo)致土壤含水量的差異也遠(yuǎn)小于CMC-NH4施用量差異；二是CMC-NH4在土壤中既有水分吸附，也有水分釋放，且水分吸附迅速，而水分釋放緩慢。假設(shè)CMC-NH4在土壤中只有水分吸附而沒有水分釋放，就會(huì)出現(xiàn)土壤水分檢測不到的現(xiàn)象。在本試驗(yàn)中，土壤含水量呈現(xiàn)波動(dòng)變化，除了受降水量影響外，還表明CMC-NH4對土壤水分吸附與釋放具有一定的反復(fù)性。由于CMC-NH4作為土壤改良劑的田間試驗(yàn)尚屬首次，關(guān)于土壤中的水分吸附機(jī)理及其吸附過程需要進(jìn)一步研究。

3.2 CMC-NH4對土壤電導(dǎo)率的影響

土壤電導(dǎo)率表示土壤浸出液中各種陽離子和陰離子的量之和，與土壤溶液可溶性離子的總量呈正相關(guān)[20]。農(nóng)田土壤電導(dǎo)率測定受土壤水分、養(yǎng)分(離子)、土壤溫度、pH以及農(nóng)作物吸收利用等因素的影響，只可作為評價(jià)土壤養(yǎng)分狀況的參考。從本試驗(yàn)結(jié)果看，在土壤水分相對充足的谷子生長初期(06-28)，較高CMC-NH4施用量顯著提高了土壤電導(dǎo)率；在土壤含水量較低的7月，施用CMC-NH4會(huì)導(dǎo)致土壤黏度降低，土壤離子移動(dòng)困難，因而土壤電導(dǎo)率降低；在谷子生長中后期(08-30至09-23)，可能由于谷子對土壤養(yǎng)分的吸收利用，土壤養(yǎng)分離子濃度均有降低，加上新造耕地的土壤養(yǎng)分本身匱乏，從而導(dǎo)致施用CMC-NH4處理與對照之間土壤電導(dǎo)率沒有顯著差異；在谷子收獲期(10-07)，施用CMC-NH4處理的土壤電導(dǎo)率顯著低于對照，推測是土壤養(yǎng)分離子吸收利用率相對較高所致，這一點(diǎn)可以從處理的谷子產(chǎn)量較對照高而得到證實(shí)。

3.3 CMC-NH4對谷子產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分含量的影響

4 結(jié) 論

在黃土高原的新造耕地施用CMC-NH4，總體能夠提高土壤含水量和土壤養(yǎng)分吸收利用，增加谷子產(chǎn)量。故CMC-NH4可以作為新造耕地的土壤改良劑，推薦施用量為100 kg/hm2。