干旱脅迫下不同保水材料對(duì)大豆種植土壤特性的影響

劉 文，孔慶霞，郝 瑩，于建霖，雷海波

（1.天津農(nóng)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津 300384；2.天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，天津 300384）

【研究意義】根據(jù)中國(guó)海關(guān)公布的進(jìn)出口數(shù)據(jù)，2020 年我國(guó)大豆進(jìn)口量首次超過(guò)1 億t，而國(guó)產(chǎn)大豆產(chǎn)量不足2 000 萬(wàn)t，大豆進(jìn)口依存度一直維持在80%以上。從國(guó)際大豆貿(mào)易份額上看，以美國(guó)的邦吉、阿丹米、嘉吉和法國(guó)的路易達(dá)孚為代表的“四大糧商”控制了全球90%以上的大豆交易量；從進(jìn)口原產(chǎn)地分析，我國(guó)進(jìn)口美國(guó)、巴西和阿根廷產(chǎn)的大豆占進(jìn)口總量的90%以上；從大豆進(jìn)口總額視角，我國(guó)每年進(jìn)口大豆則需花費(fèi)3 000 多億元人民幣。我國(guó)進(jìn)口主導(dǎo)型的大豆消費(fèi)不僅會(huì)消耗大量的外匯儲(chǔ)備，在自然災(zāi)害、疫情、貿(mào)易摩擦等不確定性因素影響下，還存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)大豆進(jìn)口依存度過(guò)高的現(xiàn)狀，我國(guó)也適度增加了大豆播種面積，其中2019 年大豆播種面積達(dá)到930 萬(wàn)hm2、比2018 年提高11%，大豆產(chǎn)量達(dá)到1 810 萬(wàn)t、比上年增加13%。但是也應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到，在現(xiàn)有技術(shù)條件下僅僅依靠增加種植面積來(lái)滿足大豆消費(fèi)需求潛力有限，畢竟我國(guó)總耕地總面積無(wú)法大幅增長(zhǎng)，且保證基本的口糧安全仍然是我國(guó)糧食安全的首要目標(biāo)。為確保糧食安全，國(guó)家提出了“藏糧于地、藏糧于技”的新思路新途徑，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新提高大豆總產(chǎn)量是必然的發(fā)展方向?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】提高大豆總產(chǎn)能一方面需要通過(guò)發(fā)展育種［1-2］、作物間作［3］、田間管理［4-6］等技術(shù)提高單產(chǎn)，另一方面則是通過(guò)開(kāi)發(fā)新型農(nóng)用材料、栽培技術(shù)將現(xiàn)有干旱半干旱、荒地等不適宜種植糧食的土地變?yōu)檫m宜大豆種植的農(nóng)田。因此，通過(guò)使用農(nóng)業(yè)新型材料，開(kāi)展大豆在干旱半干旱條件下的生長(zhǎng)情況研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義［7］。

【本研究切入點(diǎn)】高吸水性聚合物（SAP）是一種具有超高吸水保水效果的新型樹(shù)脂材料，它能快速吸收自身重量數(shù)百倍甚至上千倍的水分，對(duì)于質(zhì)量濃度0.9%的生理鹽水吸收倍數(shù)也可達(dá)到數(shù)十倍。利用這一特性，將SAP 應(yīng)用于作物種植可以將土壤中的水分和肥料聚集起來(lái)，在植物根部形成微型水分和營(yíng)養(yǎng)倉(cāng)庫(kù)，并在植物生長(zhǎng)過(guò)程中緩慢釋放，起到水肥緩釋的效果。但SAP 作為有機(jī)高分子聚合物在使用過(guò)程中會(huì)部分殘留在土壤中，對(duì)土壤性質(zhì)造成破壞［8-9］，因此研究在SAP 合成過(guò)程中加入生物基材料以提高其可生物降解性具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究選擇在試驗(yàn)大棚中進(jìn)行，使用自制生物基水肥緩釋材料，以大豆為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)不同水肥緩釋材料施用量及對(duì)照組合，分析不同條件下旱作耕地土壤含水率、肥料利用率、水分利用率、大豆產(chǎn)量等因素，尋求適宜的大豆種植中水肥緩釋材料的使用量等指標(biāo)，為旱作耕地大豆種植中吸水保水、水肥緩釋技術(shù)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料分別為自制的生物基水肥緩釋材料、高吸水性樹(shù)脂（SAP）和玉米秸稈，粒徑為0.15～0.85 mm；使用肥料為復(fù)合肥，大豆品種為當(dāng)?shù)剡m用自留品種。

生物基水肥緩釋材料制備方法：將10 g 玉米秸稈粉末和2 g 玉米淀粉加入到100 g 水中，在80℃下反應(yīng)1 h 得到糊化混合物；然后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的氫氧化鈉溶液100 g、丙烯酸60 g 混合后加入到上述混合物中，最后加入聚丙烯酰胺5 g、腐殖酸8 g、膨潤(rùn)土10 g、過(guò)硫酸鉀0.1 g，在60 ℃下繼續(xù)反應(yīng)1 h。將反應(yīng)產(chǎn)物干燥后得到一種生物基水肥緩釋材料。

SAP 制備方法：與生物基水肥緩釋材料類似，區(qū)別在于合成過(guò)程中不加入玉米秸稈粉末、玉米淀粉和腐殖酸，其他制備條件不變。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020 年6 月在山東省棗莊市合作單位試驗(yàn)大棚中進(jìn)行，以夏季麥茬播種大豆為研究對(duì)象。棗莊地下水資源量年均6.60 億m3，地下水可開(kāi)采量為6.30 億m3。

試驗(yàn)大棚長(zhǎng)80 m，跨度8 m，高度2.5 m。在試驗(yàn)大棚內(nèi)將田地劃分為7 個(gè)長(zhǎng)7 m、寬8 m 的獨(dú)立試驗(yàn)單元，分別設(shè)保稅材料施用處理（A～F）和空白對(duì)照，復(fù)合肥和保水材料以底肥的方式施入土壤0～20 cm 土層（表1）。每個(gè)獨(dú)立單元間距2 m，并設(shè)置隔離土畦，防止水分在各試驗(yàn)單元間滲漏。大豆于6 月10 日播種，穴距約 15 cm，每穴播2～3 粒種子，行距40 cm，種植密度為45 萬(wàn)株/hm2。大豆播種后每隔25 d 澆水1 次，每隔15 d 人工除草1 次，生長(zhǎng)后期不再追肥，9月18 日收獲。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Table 1 Experiment design

1.3 取樣方法與測(cè)試指標(biāo)

土壤取樣方法：每個(gè)處理隨機(jī)取10 個(gè)點(diǎn)位，每點(diǎn)位在土層深度20、40、60 cm 處各取土20 g，混合均勻后得到1 份600 g 土壤樣品。從大豆播種到收獲共100 d，生長(zhǎng)期內(nèi)共取樣21 次。

土壤含水率：將100 g 土壤樣品放入烘箱內(nèi)干燥24 h，測(cè)定樣品干燥前后質(zhì)量變化量，計(jì)算土壤的質(zhì)量含水量（wt，%）。

土壤肥料含量：利用土壤肥料檢測(cè)儀測(cè)定土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量（wt，%）。

保水材料吸水量：將土壤樣品烘干后，參照《農(nóng)林保水劑》（NY 886-2010）方法進(jìn)行評(píng)價(jià)其吸水倍數(shù)。具體步驟為：稱取1 g 試樣（精確至0.01 g），置于2 000 mL 燒杯中，加水 1 000 mL，攪拌5 min，靜置30 min，使試樣充分吸水膨脹；將凝膠狀試樣移入已知質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩中，自然過(guò)濾10 min 后，將試樣篩傾斜放置，再過(guò)濾10 min，稱量并計(jì)算得扣除試樣篩后的凝膠狀試樣質(zhì)量，除以試樣質(zhì)量后即得吸水倍數(shù)，單位為g/g。

大豆生長(zhǎng)期間各階段的田間管理措施均無(wú)差異。收獲期每試驗(yàn)單元大豆分別經(jīng)同樣方法脫殼、曬干后測(cè)定大豆產(chǎn)量以及地上大豆秸稈量。試驗(yàn)所在的棗莊市地下水位深達(dá)15～50 m，且試驗(yàn)在同一大棚內(nèi)進(jìn)行，因此地下水對(duì)大豆種植土層土壤水分補(bǔ)給的差異性影響忽略不計(jì)；此外，試驗(yàn)單元之間間隔2 m，水分深層滲漏對(duì)土壤水分的影響同樣忽略。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)處理后得到的大豆產(chǎn)量、地上生物總量、澆水量，計(jì)算大豆生長(zhǎng)期耗水量、水分利用效率、水分產(chǎn)出效率。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS19.0 進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水材料吸水性能評(píng)價(jià)

分別選用蒸餾水、地下水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%的NaCl 生理鹽水對(duì)粒徑0.15～0.85 mm 的生物基水肥緩釋材料、SAP、玉米秸稈粉末進(jìn)行吸水性能測(cè)試。由表2 可知，試驗(yàn)所選用的生物基水肥緩釋材料和SAP 均具有較好的吸水性能，對(duì)自然水體的吸水倍數(shù)可達(dá)到自身重量的100 倍以上；而玉米秸稈粉末吸水性能較差，且對(duì)水的類型不敏感，說(shuō)明其吸水主要以表面吸附為主。

表2 不同保水材料吸水性能比較Table 2 Comparison of different super absorbent materials

2.2 不同保水材料對(duì)大豆種植土壤含水率的影響

各試驗(yàn)單元在大豆播種后0、25、50、75 d分別澆水約8 m3（以水表計(jì)量），分別在澆水后當(dāng)天及生長(zhǎng)期內(nèi)每隔5 d 取土樣1 次，測(cè)定土壤含水率，并測(cè)試播種后50、100 d 土壤肥料含量。一般認(rèn)為，大豆土壤適宜含水率應(yīng)在20%以上，15%～20%為輕度脅迫，10%～15%為中度脅迫，10%以下為重度脅迫［10-11］。大棚內(nèi)土壤初始含水率為8.3%，為重度脅迫。大豆自播種（6 月10 日）到收獲（9 月18 日）生長(zhǎng)期內(nèi)土壤含水率變化如圖1 所示，土壤含水率在不同試驗(yàn)條件下有較大差異，大豆生長(zhǎng)周期內(nèi)均受到不同程度的干旱脅迫，其中0～20 cm 土層為吸水保水材料施用層，分別施用粒徑0.15～0.85 mm 的生物基水肥緩釋材料、SAP 和玉米秸稈粉末，大豆100 d 生長(zhǎng)周期內(nèi)土壤含水率下降明顯，含水率高低不僅與選用的材料種類有關(guān)，還與施用量密切相關(guān)，處理A、B、D、E 顯著高于其他處理。

圖1 不同保水材料對(duì)大豆種植土壤含水率的影響Fig.1 Effect of super absorbent materials on moisture content of soybean-planting soil

保水材料的施用對(duì)土壤含水率影響明顯［12-15］。從圖1 可以看出，在施用生物基水肥緩釋材料或SAP 分別為5 kg 時(shí)，大豆播種澆水后處理A、B 的土壤持水量分別比CK 高32.89%、26.22%，而收獲時(shí)則分別比CK 高34.31%、28.43%；隨著施用量增加，土壤含水率進(jìn)一步提高，生物基水肥緩釋材料或SAP 施用量為10 kg 時(shí)，大豆播種澆水后處理D、E 的土壤持水量分別比CK 高44.89%、36.44%，收獲時(shí)分別比CK 高77.45%、60.78%。表明在施用量相同的情況下，生物基水肥緩釋材料處理的土壤持水量和收獲時(shí)含水率稍高于SAP 處理，施用5 kg 時(shí)分別高5.02%、4.58%，施用10 kg 時(shí)分別高6.19%、10.37%，二者差異較小，說(shuō)明這兩種保水材料在水分緩釋上效果相當(dāng)。值得注意的是，在生物基水肥緩釋材料或SAP 使用量加倍的情況下，對(duì)應(yīng)土壤水分指標(biāo)并未對(duì)應(yīng)提高相同程度，說(shuō)明它們之間不是線性關(guān)系。

施用玉米秸稈粉末處理的大豆播種時(shí)土壤持水量和收獲時(shí)含水率提高不明顯，其中處理C播種時(shí)土壤持水量和收獲時(shí)含水率分別比CK 高8.44%和10.78%，處理F 則分別比CK 高9.33%和16.67%，說(shuō)明玉米秸稈粉末與生物基水肥緩釋材料或者SAP 相比，其吸水保水性能較低，但由于其施用相較于CK 可以提高土壤孔隙度，使土壤通透性和保水能力增加，在一定程度上起到提高土壤持水量和抗旱的作用。7 個(gè)試驗(yàn)單元大豆收獲時(shí)土壤含水率依次為 D ＞E ＞A ＞B ＞F＞C ＞CK，對(duì)照與各處理無(wú)顯著差異，施用保水材料對(duì)大豆生長(zhǎng)土層含水率影響較大。

2.3 不同保水材料對(duì)大豆種植土壤肥料含量的影響

各試驗(yàn)單元在施用復(fù)合肥前的土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.12（±0.01）%、94（±2）mg/kg、9.8（±0.3）mg/kg、113（±2）mg/kg，大豆播種時(shí)分別施復(fù)合肥8 kg 作底肥，播種后50 d 和收獲后（100 d）分別測(cè)定土壤肥料含量，結(jié)果（表3）顯示，大豆100 d 生長(zhǎng)周期內(nèi)土壤肥料含量下降明顯，但在不同試驗(yàn)條件下含量有較大差異。在施用生物基水肥緩釋材料5 kg 時(shí)，處理A 大豆播種后50 d 土壤總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比CK 高31.25%、14.53%、43.48%和17.73%，100 d時(shí)則分別比CK 高55.56%、43.24%、38.46%和26.67%；當(dāng)施用量為10 kg 時(shí)，處理D 大豆生長(zhǎng)期內(nèi)土壤肥料含量均進(jìn)一步增加，播種后50 d 土壤總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比CK 高43.75%、35.04%、73.91%和30.50%，而100 d 時(shí)分別比CK 高88.89%、68.92%、92.31% 和45.71%。當(dāng)施用SAP分別為5、10 kg 時(shí)，處理B、E大豆播種后50、100 d 土壤肥料含量與施用相同質(zhì)量的生物基水肥緩釋材料效果接近，也明顯高于CK，而處理C、F 中玉米秸稈粉末的施用對(duì)土壤肥料含量的影響顯著小于生物基水肥緩釋材料和SAP。表明生物基水肥緩釋材料或SAP 在大豆生長(zhǎng)中均明顯起到了肥料緩釋作用且效果相當(dāng)，而玉米秸稈粉末效果較低。

2.4 不同保水材料對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

本試驗(yàn)中，各處理的實(shí)際耗水量見(jiàn)表4，平均耗水量為32.03（±0.11）m3，處理間無(wú)顯著差異。一般情況下，大豆產(chǎn)量每667 m2為 200～300 kg，干旱脅迫條件下則明顯低于這一數(shù)值［16-19］。從表4 可以看出，施用保水材料處理大豆地上生物總量普遍高于CK，其中施用生物基水肥緩釋材料或SAP 處理更加突出，施用玉米秸稈粉末的效果一般［20-21］。干旱脅迫下，施用不同重量生物基水肥緩釋材料的處理A、D，大豆產(chǎn)量分別提高38.38%和61.44%；施用SAP 的處理B、E，大豆產(chǎn)量分別提高32.68%和52.67%，表明生物基水肥緩釋材料效果更好，且大豆產(chǎn)量隨著保水材料施用量的增多而增加，但并非呈現(xiàn)線性相關(guān)；而施用玉米秸稈粉末的處理 C、F，大豆產(chǎn)量稍高于CK，分別提高13.63%和18.58%。

表4 不同保水材料對(duì)大豆產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 4 Effect of different super absorbent materials on soybean yield and water use efficiency

2.5 不同保水材料對(duì)水分利用率的影響

保水材料本身具有高吸水性，可將土壤中水分吸附在植物根部周圍，隨后緩慢釋放，從而提高水分利用率。由表4 可知，施用保水材料處理的水分利用率變化顯著，均不同程度高于CK，以處理D 最高，水分利用效率和產(chǎn)出效率分別達(dá)到1.45、0.54 kg/m3，比CK（0.95、0.33 kg/m3）分別提高52.63%和63.64%，差異顯著。

3 討論

保水材料基于其超強(qiáng)的吸水性，可高效實(shí)現(xiàn)水分和肥料的緩慢釋放，從而達(dá)到節(jié)約用水、提高肥料利用率的目的，具有良好的應(yīng)用前景。藍(lán)松濤等［22］研究了干旱脅迫下保水材料施用對(duì)甘蔗種植的影響，結(jié)果表明，甘蔗種植土壤中施用保水材料能夠提高20.49%～50.82%的土壤含水量，在干旱脅迫下可以起到為甘蔗提供水分的作用，提高出苗率，緩解干旱脅迫的影響。黃震等［23］則采用土壤淋溶實(shí)驗(yàn)的方法，研究了聚丙烯酸鹽、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合、腐殖酸型3 種保水材料施用對(duì)土壤中水分和氮肥的保持效應(yīng)，表明聚丙烯酸鹽保水材料可提高土壤含水率3%～6%，對(duì)土壤中尿素氮的保持可提高16%～22%，但對(duì)硝酸銨氮保持效果不佳；而腐殖酸保水材料則可使硝酸銨氮和尿素氮在土壤中的保持效果均提高20%以上。姚建武等［24］利用土柱對(duì)旱地赤紅壤在施用樹(shù)脂或淀粉類保水材料后的水分和氮素養(yǎng)分的保持效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，保水材料添加量為土壤重量的1%時(shí)，土壤吸持水量可提高18%～50%，同時(shí)經(jīng)相同淋溶實(shí)驗(yàn)處理后，氮肥淋失率從26.2%降低到17.1%，降低了34.7%。

上述研究均證明了保水材料優(yōu)異的保水保肥效果，這是由于保水材料在水的作用下，同時(shí)電離產(chǎn)生陰、陽(yáng)離子親水基團(tuán)，在離子滲透壓、親水基團(tuán)共同作用下，水分子迅速進(jìn)入保水材料網(wǎng)格內(nèi)部，在靜電力的作用下，達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，完成吸水。保水材料作為高分子電解質(zhì)，具有性能穩(wěn)定的C—C 鍵骨架，其三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)親水性基團(tuán)（—COONa）數(shù)量眾多，因而具有極強(qiáng)的吸附性能，吸水倍數(shù)大都在數(shù)百倍以上，遠(yuǎn)高于只能吸水自身幾倍或幾十倍重量的海綿、棉花、氯化鈣等傳統(tǒng)材料，并且保水性能較佳，不會(huì)因擠壓而使所吸收的水分滲出。

本研究選取生物基水肥緩釋材料、SAP 和玉米秸稈粉末進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明施用量相同時(shí)，玉米秸稈粉末在水肥保持上效果較差，而自制的生物基水肥緩釋材料和SAP 最高可使土壤持水量分別提高44.89%、36.44%，對(duì)總氮、速效氮、速效磷、速效鉀等不同肥料養(yǎng)分的保持效果則分別提高43.81%～88.89%。其中，生物基水肥緩釋材料由于在合成過(guò)程中加入了玉米秸稈粉末、玉米淀粉和腐殖酸等生物基材料，充分結(jié)合了SAP 和腐殖酸等材料的優(yōu)點(diǎn)，在水肥保持、水分利用效率等方面綜合效果最佳，與黃震等［23］的研究結(jié)果一致。本研究重點(diǎn)關(guān)注了不同保水材料的施用效果差異，對(duì)保水材料在大豆種植土壤中的最佳添加量等方面研究較少，在以后研究中應(yīng)該進(jìn)一步深入。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，3 種保水材料的施用均能提高大豆種植土壤含水率、大豆產(chǎn)量、水分利用和產(chǎn)出效率，且施用量相同時(shí)，綜合效果表現(xiàn)為生物基水肥緩釋材料＞SAP ＞玉米秸稈粉末；增加生物基水肥緩釋材料施用量可提高水肥保持效果，當(dāng)施用量為10 kg 時(shí)大豆種植土壤含水率、總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別提高77.45%、88.89%、68.92%、92.31% 和45.71%，大豆產(chǎn)量、水分利用和產(chǎn)出效率則分別提高61.44%、52.63%和63.64%，均優(yōu)于施用量5 kg處理。