保水劑對(duì)核桃幼苗土壤水分物理性質(zhì)的影響

公 超，張劉東，李 輝，郭淑芹，魯秀娜

（1.臨沂大學(xué)農(nóng)林科學(xué)學(xué)院，山東 臨沂276000；2.山東省林業(yè)保護(hù)和發(fā)展服務(wù)中心，山東 濟(jì)南250014；3.濟(jì)南市國有北郊林場(chǎng)，山東 濟(jì)南250000）

我國部分區(qū)域尤其是山地丘陵地區(qū)缺水嚴(yán)重，制約了我國農(nóng)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，抗旱節(jié)水已成為我國農(nóng)林業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1-2]。 臨沂地區(qū)山地丘陵居多，土壤干旱瘠薄、沙石較多、土壤理化性能差，其中土壤貧瘠、水分匱乏是導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)林經(jīng)濟(jì)落后的重要原因之一[3]。 土壤水分平衡是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要的條件。 那么，如何維持干旱山地丘陵的土壤水分是該地區(qū)植物成活的重要保證。

保水劑又稱超強(qiáng)吸水樹脂劑，吸水后能迅速膨脹成為膠體，物理擠壓不會(huì)使其析出水分，且具有反復(fù)吸水功能，可在干旱時(shí)為植物提供所需水分[4-5]。 有研究表明保水劑不僅能提高土壤的持水性，還對(duì)土壤結(jié)構(gòu)具有良好的改良作用，如：保水劑可明顯改善土壤透氣性、減少土壤地表徑流、提高土壤水分及植物果實(shí)產(chǎn)量等[6-9]。

土壤水分物理性質(zhì)，如土壤容重、土壤孔隙度等能影響土壤蓄水性、通氣性和保肥性能，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有重要的意義[10]。自然條件下土壤容重受成土過程、成土母質(zhì)及生物作用等影響，其大小對(duì)土壤的透氣性、入滲、持水能力及植物生長(zhǎng)等都有重要影響[11]。土壤孔隙是土壤氣相和液相物質(zhì)轉(zhuǎn)移的通道，其大小、數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)決定了土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)移的形式和速率，是評(píng)價(jià)土壤肥力特征和土壤儲(chǔ)水性能的重要因素之一[12]。

核桃是世界四大堅(jiān)果之一，富含人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素，是不可或缺的堅(jiān)果和木本油料樹種[13]。同時(shí)，核桃又是臨沂地區(qū)常見的經(jīng)濟(jì)林樹種，由于核桃適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)土壤條件要求不高等原因，在臨沂地區(qū)大量栽植，但因臨沂部分地區(qū)土壤干旱瘠薄，無法發(fā)揮核桃經(jīng)濟(jì)效益，那么，如何提高土壤的理化性質(zhì)，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)林研究的重要問題之一。為此，本研究以核桃（Juglans regia L.）幼苗為研究對(duì)象，將保水劑施入核桃土壤中，分析保水劑對(duì)核桃土壤水分物理性質(zhì)的影響。 為干旱瘠薄地改善森林水分狀況、山地森林資源經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省臨沂市臨沂大學(xué)實(shí)驗(yàn)地（35°12′N，118°29′E），屬溫帶季風(fēng)氣候，試驗(yàn)區(qū)土壤瘠薄，以砂質(zhì)土為主，和臨沂大部分山地丘陵土壤類型相似。

1.2 保水劑選擇

本試驗(yàn)選用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的丙烯酸及丙烯酸鈉交聯(lián)聚合物作， 粒徑分別是5 目、10目、30 目。

1.3 試驗(yàn)苗木及處理

2021年3月下旬，選擇生長(zhǎng)基本一致、生長(zhǎng)健壯、無病蟲害的2年生核桃（Juglans regia L.）幼苗，將其栽植到臨沂大學(xué)試驗(yàn)田內(nèi)，給與充足的水分，保證苗木的成活率。 6月下旬，對(duì)苗木土壤進(jìn)行保水劑試驗(yàn)處理，10月下旬，對(duì)苗木土壤進(jìn)行物理性質(zhì)測(cè)定。

在試驗(yàn)室中稱取不同目數(shù)（5 目、10 目、30 目）的保水劑各3g，放在無紡袋里浸水吸脹后帶到試驗(yàn)田中。在距離樹干基部0.5 m 的圓弧上等距離設(shè)置3 個(gè)點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)上挖一個(gè)長(zhǎng)15 cm、寬10 cm、深20 cm 的坑，然后將裝有保水劑的無紡袋放入坑中并覆土，每個(gè)坑中放置一袋保水劑（每袋保水劑3 g，浸水吸脹后約600 g）。每個(gè)處6 個(gè)重復(fù)。 對(duì)照組坑中澆入上述保水劑吸脹后同質(zhì)量清水。

1.4 土壤水分物理性質(zhì)測(cè)定

在上述每個(gè)處理中選取4 棵核桃樹，距樹干基部0.5 m 的圓弧上設(shè)置一個(gè)取樣點(diǎn)（每個(gè)處理共4 個(gè)重復(fù)），將取樣點(diǎn)的表層土（1—2cm）去除后，利用環(huán)刀法對(duì)0—20 cm 土壤進(jìn)行取樣。 其中土壤容重采用環(huán)刀法、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度采用環(huán)刀吸水法[14-15]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS18.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件處理，進(jìn)行單因素方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑對(duì)核桃幼苗土壤容重的影響

土壤容重是指原狀土柱狀態(tài)下單位體積的土壤質(zhì)量， 是衡量土壤結(jié)構(gòu)和評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要參數(shù)， 一般來說土壤容重高說明土壤緊實(shí)，孔隙數(shù)量少，土壤的水分、空氣、熱量狀況較差，土壤容重低，則反之[16-18]。

圖1 所示， 核桃林中土壤容重隨著保 水劑粒徑的減小而減少，其中沒有保水劑的對(duì)照組（清水）土壤容重最大，為1.76 g·cm-3；保水劑粒徑5 目和10 目次之，為1.69 g·cm-3和1.70 g·cm-3；保水劑粒徑30 目的土壤容重最小，為1.62 g·cm-3。 其中，保水劑粒徑5 目、10 目、30 目的土壤容重分別為對(duì)照組的96.02%、96.59%、92.05%。 說明土壤中施加保水劑能降低土壤的緊實(shí)度，增強(qiáng)土壤的透水、透氣能力，且保水劑粒徑越小改善效果越明顯。 通過單因素方差分析可以看出，保水劑為5 目和10 目時(shí)，兩個(gè)處理之間的土壤容重差別不大（P ＞0.05），但和對(duì)照組相比差異顯著（P ≤0.05）。 這說明保水劑在較大粒徑下，當(dāng)目數(shù)改變較小時(shí)對(duì)土壤容重的影響不大。

圖1 不同粒徑的保水劑對(duì)核桃幼苗土壤容重的影響

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，該試驗(yàn)區(qū)土壤容重比一般土壤高，這可能由于試驗(yàn)區(qū)為丘陵地，土壤中含有較多細(xì)小石子造成的。

2.2 保水劑對(duì)核桃幼苗土壤非毛管孔隙度的影響

非毛管孔隙度是土壤空氣流動(dòng)的通道， 是土壤快速儲(chǔ)水的場(chǎng)所，是衡量土壤質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)之一，尤其對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要意義， 非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸持的無效水容量越小，有效水容量越大[19-20]。

研究區(qū)域中不同處理 （對(duì)照組、5 目、10 目、30目） 的土壤非毛管孔隙度分別為4.98%、6.50 %、6.20%、8.02 %，其值介于4.98 %～8.02 %之間，相較于一般土壤偏低，其中對(duì)照組的土壤非毛管孔隙度最低，加入保水劑后非毛管孔隙度明顯升高， 且和對(duì)照組相比差異顯著（P ≤0.05），且保水劑粒徑越小，土壤中的非毛管孔隙度越大， 當(dāng)保水劑粒徑達(dá)到30 目時(shí)，土壤的非毛管孔隙度為對(duì)照組的1.61 倍。

總體而言， 保水劑可提高土壤中非毛管孔隙度所占的比例，增加土壤有效水的儲(chǔ)存容量，提高植物的抗旱能力。

2.3 保水劑對(duì)核桃幼苗土壤毛管孔隙度的影響

毛管孔隙度是指土壤毛管孔隙占土壤體積的百分?jǐn)?shù)， 而毛管孔隙是土壤中能夠通過毛管力保持水分的孔隙，毛管孔隙所保持的水分又稱有效水，能溶解養(yǎng)分，且能被植物根系吸收和利用，是土壤孔隙的重要組成部分之一[20]。

圖3 所示，對(duì)照組、保水劑5 目、保水劑10 目、保水劑30 目處理的土壤毛管孔隙度分別為37.64%、 44.23 %、44.07 %、48.51 %，其中對(duì)照組土壤毛管孔隙度最小，保水劑為30 目的土壤毛管孔隙度最大，為對(duì)照組的1.29 倍，和對(duì)照組相比差異顯著（P ≤0.05）。 統(tǒng)計(jì)分析可以看出，保水劑5 目和10 目處理之間的土壤毛管孔隙度差別不大（P ＞0.05），但和對(duì)照組相比，差異顯著（P ≤0.05）。 說明土壤中施加保水劑，在一定程度上可以升高土壤中毛管水所占的比例，增加土壤中用于植物根系吸收的水分量，提高植物的成活率。

圖3 不同粒徑的保水劑對(duì)核桃幼苗土壤毛管孔隙度的影響

總體來說，土壤中施加保水劑后能明顯增加毛管孔隙度，且隨著保水劑粒徑減小，毛管孔隙度增加，土壤的持水能力增強(qiáng)。

2.4 保水劑對(duì)核桃幼苗土壤總孔隙度的影響

土壤總孔隙度是非毛管孔隙度和毛管孔隙度之和，是評(píng)價(jià)土壤儲(chǔ)水性和肥力特性的基本特性之一[21]。

圖2 不同粒徑的保水劑對(duì)核桃幼苗土壤非毛管孔隙度的影響

研究區(qū)域中不同處理的土壤總孔隙度介于42.62 %～56.53 %之間，較一般土壤偏高，說明研究區(qū)域土壤儲(chǔ)水性能強(qiáng)。 通過多重比較和單因素方差分析可以看出，無保水劑的清水對(duì)照組，土壤總孔隙度最低，為42.62 %，而在土壤中施加保水劑后，土壤總孔隙度明顯升高，和對(duì)照組相比差異顯著（P≤0.05），如保水劑5 目、10 目、30 目的土壤總孔隙度為50.73 %、50.27 %、56.53 %， 分別為對(duì)照組的1.19、1.18、1.33 倍（圖4）。 說明保水劑能有效提高土壤的總孔隙度， 改善土壤儲(chǔ)水保肥能力，提高植物生產(chǎn)力，這與杜社妮等[22]發(fā)現(xiàn)保水劑能明顯改善烤煙的土壤環(huán)境，提高烤煙的品質(zhì)的研究結(jié)果相似。

圖4 不同粒徑的保水劑對(duì)核桃幼苗土壤總孔隙度的影響

3 討論

土壤物理性質(zhì)影響土壤水、肥、氣、熱，與土壤容重、土壤孔隙和土壤持水性能等指標(biāo)密切相關(guān)，是決定植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。 本研究發(fā)現(xiàn)，土壤中施加保水劑后，能明顯降低土壤容重，且保水劑顆粒越小，土壤容重越小。 不少學(xué)者研究也發(fā)現(xiàn)，施加保水劑后能不同程度的降低土壤容重，如白崗栓等研究表明在土壤中施加保水劑后能明顯降低0—40 cm 土層土壤容重[23]；侯賢清等通過對(duì)比施加保水劑和不施保水劑的土壤物理性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，施加保水劑的土壤，可有效降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)[24]。

土壤孔隙特征反映了水分在土壤中的存留、容納和分布情況[25]，本研究中發(fā)現(xiàn)，保水劑能明顯增加土壤孔隙度，如施加保水劑后土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度明顯增加（P ≤0.05），且保水劑粒徑越小孔隙溶劑占土體容積越高（圖4）。 有學(xué)者研究表明，充分灌水條件下，保水劑處理的土壤總空隙度明顯高于未施保水劑組[22]，適量保水劑能夠在干旱脅迫下使盆栽狼尾草幼苗葉片保持較高的相對(duì)含水量[26]，土壤孔隙度隨著保水劑濃度的增大而增加[27]。 這些研究結(jié)果和本研究保水劑對(duì)核桃土壤物理性能改善結(jié)果相似。

上述結(jié)果都說明土壤中施加一定量的保水劑可以增加土壤的通透性， 增強(qiáng)水分在土壤中的傳輸能力。因此，筆者建議可以在干旱瘠薄山地、丘陵地適當(dāng)使用保水劑來提高其土壤的保水、持水性能，來增加植物的抗干旱能力及成活率。