改性纖維素對(duì)旱稻萌發(fā)和旱地土壤性質(zhì)的影響

劉宏元， 周志花， 趙光昕， 王艷君， 王娜娜*

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濕地農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究所，濟(jì)南 250100； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)，呼和浩特 010051；3.北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津301830）

干旱是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要制約因素，隨著全球氣候變化發(fā)生劇烈改變，干旱發(fā)生的強(qiáng)度和頻率也在不斷增加[1]。因此，在保證作物正常生長(zhǎng)的前提下，發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)是我國(guó)提高水資源利用效率和緩解水資源短缺問(wèn)題亟需采取的重要手段之一[2]。

改性纖維素具有保水保肥、促進(jìn)作物增產(chǎn)的性能，是解決上述問(wèn)題的重要手段之一[3]。改性纖維素在保水保肥的同時(shí)，也能夠改良土壤結(jié)構(gòu)以及改變土壤團(tuán)聚體的組成，從而提高土壤水分和肥料利用效率[4]。改性纖維素實(shí)際上是保水劑和肥料的復(fù)合體，有研究表明保水劑和肥料配施能顯著提高多種糧食作物和蔬菜的產(chǎn)量[5-7]。此外，改性纖維素來(lái)源于天然生物材料，主要應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、建筑等行業(yè)，近年來(lái)作為土壤改良劑在農(nóng)田中應(yīng)用，降解后也可以轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)，屬于環(huán)境友好型材料[8-11]。改性纖維素來(lái)源與生物炭類(lèi)似[12-13]，但比較來(lái)看其具有更好的保水保肥作用和降解周期快的優(yōu)點(diǎn)，也應(yīng)成為秸稈資源再利用的重要途徑。

本研究將改性纖維素應(yīng)用于黃淮海平原典型旱地農(nóng)田土壤，并選擇旱稻作為供試作物。黃淮海平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，但同時(shí)也面臨著較為嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題，改性纖維素是否可以改善該類(lèi)型土壤水分和養(yǎng)分利用效率，這在先前研究中鮮有報(bào)道。而旱稻需水量?jī)H為水稻的1/10～1/4，略高于玉米和小麥等作物，研究改性纖維素對(duì)旱稻影響的結(jié)果對(duì)于其他作物同樣具有借鑒意義[14]。因此，本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究不同種類(lèi)和用量改性纖維素對(duì)旱稻萌發(fā)和旱地土壤性質(zhì)的影響，為今后改性纖維素在黃淮海平原乃至我國(guó)旱地農(nóng)田的實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濕地農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究所人工氣候室進(jìn)行，供試土壤采自山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濕地農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究所濟(jì)南試驗(yàn)站(36°42′21″N，117°4′53″E)。該區(qū)年平均氣溫13.8 ℃，年均降水量685 mm，多集中在6—8月。試驗(yàn)用土采集于該區(qū)0—20 cm耕層土壤，其基本理化性質(zhì)：pH為7.9，有機(jī)質(zhì)為9.0 g·kg-1，堿解氮為46.1 mg·kg-1，速效磷為23.5 mg·kg-1，速效鉀為186.0 mg·kg-1。

試驗(yàn)旱稻品種為‘泰選1號(hào)’，由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濕地農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究所提供。供試肥料為尿素（國(guó)藥集團(tuán)，CH4N2O含量≥99.0%）和磷酸二氫鉀（國(guó)藥集團(tuán)，KH2PO4含量≥99.5%）。供試改性纖維素為羧甲基纖維素（Carboxymethyl cellulose,CMC）銨（CMC-NH4）（酸性）、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）（堿性）和羧甲基纖維素鉀（CMC-K）（堿性），由北京理工大學(xué)材料學(xué)院研發(fā)[15]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)花盆內(nèi)徑16.5 cm，高度17 cm。試驗(yàn)于2020年12月28日開(kāi)始，稱(chēng)取2 kg過(guò)4 mm篩的風(fēng)干土于花盆內(nèi)，均勻播種5粒旱稻種子，蓋土厚度約為1.5 cm。播種后澆蒸餾水潤(rùn)濕土壤，共200 mL。按照旱稻生長(zhǎng)所需水分，分別在2020年12月30日、2021年1月2日、4日、6日、10日、14日澆水，每次澆水分別為200、150、150、100、100、100 mL，共800 mL。2021年1月14日后停止?jié)菜M(jìn)行干旱處理，干旱處理10 d。

按照不同土壤質(zhì)量比將土壤與3種改性纖維素混合，共設(shè)13個(gè)處理，以不施用改性纖維素為對(duì)照（CK)，每個(gè)處理重復(fù)3次，具體見(jiàn)表1。根據(jù)旱稻種植田間需肥量，每個(gè)處理施加尿素和磷酸二氫鉀分別為0.20和0.06 g。改性纖維素和肥料與土壤充分混勻后一起置入花盆中。該試驗(yàn)所處的人工氣候室溫度為25 ℃，風(fēng)速為1 m·s-1。

表1 盆栽試驗(yàn)各處理設(shè)置Table 1 Treatment of pot experiment

1.3 樣品測(cè)定

2021年1月2日開(kāi)始進(jìn)行株高監(jiān)測(cè)。在旱稻植株生長(zhǎng)過(guò)程中，每次澆水前后均對(duì)盆栽進(jìn)行稱(chēng)重，進(jìn)而計(jì)算各處理水分流失量。在旱稻種子全部萌發(fā)后（15 d）結(jié)束培養(yǎng)，稱(chēng)取地上部分植株干重（80 ℃烘干至恒定質(zhì)量）。試驗(yàn)結(jié)束后，用土壤緊實(shí)度儀（德國(guó) STEPS41010）測(cè)定土壤緊實(shí)度；用直尺測(cè)定土壤表面結(jié)皮厚度；用流動(dòng)分析儀（Braun and Lübbe, Germany）測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量；用鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷含量；采用火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀含量，各測(cè)定指標(biāo)具體操作方法見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。圖形繪制采用Origin 8.5軟件進(jìn)行。利用SPSS 20.0軟件的單因素方差分析比較不同添加量改性纖維素對(duì)各測(cè)量指標(biāo)的差異顯著性。所有結(jié)果數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改性纖維素對(duì)旱稻萌發(fā)的影響

由圖1A可知，在旱稻生長(zhǎng)約16 d時(shí)，CK處理旱稻開(kāi)始萎蔫，植株不再生長(zhǎng)。在土壤中施加CMC-NH4后，A1和A2處理的旱稻株高高于CK處理；A3和A4處理對(duì)旱稻生長(zhǎng)有極大抑制作用。由圖1B可知，CMC-Na對(duì)旱稻株高的影響不具有規(guī)律性，在培養(yǎng)期間，B1和B4處理的旱稻株高一直高于CK處理，而B(niǎo)3處理對(duì)旱稻生長(zhǎng)具有極大抑制作用。由圖1C可知，施用CMC-K對(duì)旱稻株高的影響整體表現(xiàn)為隨CMC-K施用量的增加而降低；與前2組處理不同，高水平的C4處理并未完全抑制旱稻生長(zhǎng)。從最終地上部生物量結(jié)果來(lái)看，僅A1、B1、C1和C2處理顯著提高了旱稻地上部生物量（P＜0.05）（圖2），分別較對(duì)照組提高了316.33%、195.92%、214.29%和159.18%。

圖2 各處理地上部生物量Fig. 2 Aboveground biomass in each treatment

2.2 不同改性纖維素對(duì)土壤水分的影響

由圖3A可知，在土壤中施加CMC-NH4后，前期僅A2和A3處理在第2次監(jiān)測(cè)時(shí)，土壤水分流失量高于CK處理；后期各處理土壤水分流失量均高于CK，尤其是在第2次監(jiān)測(cè)時(shí)差異明顯。由圖3B可知，在土壤中施加CMC-Na后，前期各處理土壤水分流失量均低于CK處理，但在第4次監(jiān)測(cè)時(shí)各處理土壤水分流失量高于CK處理，且B4處理在第5次監(jiān)測(cè)時(shí)也高于CK處理。由圖3C可知，施加CMC-K土壤水分流失量與前二者不同，C1和C2處理的土壤水分流失量?jī)H在第2次監(jiān)測(cè)時(shí)低于CK處理，而在第1、第3和第4次均高于CK處理；C3和C4處理的土壤水分流失量?jī)H在第2和第3次低于CK處理，而在第4次均高于CK處理。由表2可知，與對(duì)照組相比，3種改性纖維素處理對(duì)土壤累積水分流失量無(wú)顯著影響（P＞0.05）。

圖3 施加CMC-NH4、CMC-Na、CMC-K土壤水分流失量的變化Fig. 3 Changes of CMC-NH4，CMC-Na，CMC-K application on soil water loss

表2 各處理累積失水量Table 2 Cumulative water loss in each treatment

2.3 不同改性纖維素對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表3可知，施加CMC-NH4能降低土壤pH，尤其是A4處理可以顯著降低土壤pH（P＜0.05），達(dá)0.29個(gè)單位；而施加CMC-Na和CMC-K能提高土壤pH，分別達(dá)0.27～0.78和0.03～0.41個(gè)單位。在土壤物理性質(zhì)方面，施加CMC-Na后土壤堅(jiān)硬并形成結(jié)塊，土壤緊實(shí)度增加也最為顯著（P＜0.05），達(dá)96.65%～155.35%；施加CMC-NH4后土壤表層變硬并形成結(jié)塊，也可以在一定程度上增強(qiáng)土壤緊實(shí)度，其中A2、A3和A4處理土壤緊實(shí)度顯著增加（P＜0.05），達(dá)16.29%～41.96%；而施加CMC-K對(duì)土壤緊實(shí)度和土壤成塊性無(wú)顯著影響。3種改性纖維素處理均在表層形成了結(jié)皮，且厚度隨著施用量的增加而增加，其中CMC-Na效果最為明顯，其次為CMC-NH4，CMC-K處理形成的結(jié)皮厚度最小。

表3 各處理培養(yǎng)后土壤理化性質(zhì)Table 3 Physical and chemical properties in each treatment

2.4 不同改性纖維素對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表4可知，在土壤中施加CMC-NH4后，A2、A3和A4處理顯著增加了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，分別達(dá)202.45%～1017.79%和48.20%～172.60%；A3和A4處理也顯著增加了土壤速效磷含量，分別達(dá)56.59%和54.96%。在土壤中施加CMC-Na后，B1和B2處理顯著增加了土壤硝態(tài)氮和速效磷的含量，分別達(dá)26.62%～48.85%和35.77%～51.22%；但B4處理顯著降低了土壤硝態(tài)氮，達(dá)56.14%。在土壤中施加CMC-K后，各處理均增加了土壤速效鉀和速效磷含量，分別達(dá)344.94%～1458.73%和57.98%～102.17%；僅C1處理可以顯著增加土壤硝態(tài)氮含量，達(dá)65.48%；而C1、C2和C3處理顯著降低了土壤銨態(tài)氮含量，達(dá)47.24%～58.28%。

表4 各處理培養(yǎng)后土壤養(yǎng)分含量Table 4 Soil nutrients in each treatment（mg·kg-1）

3 討論

3種低水平的改性纖維素處理均能增加旱稻株高和地上部生物量，這與楊永輝等[16]研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)檫m宜用量改性纖維素能固持水分和養(yǎng)分并供應(yīng)給旱稻萌發(fā)所用[17]。但添加中高水平的改性纖維素均對(duì)旱稻萌發(fā)產(chǎn)生了抑制作用，這可能是因?yàn)楦男岳w維素粘結(jié)作用過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤質(zhì)地過(guò)硬，土壤通氣性下降進(jìn)而導(dǎo)致旱稻萌發(fā)阻力過(guò)大[18-19]；也可能與改性纖維素吸水倍率過(guò)高，與旱稻爭(zhēng)奪土壤水分所致。此外，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)CMC-Na對(duì)旱稻萌發(fā)的影響并無(wú)顯著規(guī)律，B3處理并未萌發(fā)，而B(niǎo)4處理進(jìn)行了萌發(fā)。這可能是因?yàn)锽4處理施用量高，能促進(jìn)種子更快萌發(fā)，使得旱稻在土壤極度板結(jié)之前破土萌發(fā)，但由于后期該處理土壤的極度板結(jié)抑制了旱稻后期萌發(fā)，最終導(dǎo)致生物量不高。

先前研究認(rèn)為，改性纖維素具有良好的吸水和保水作用[20]，這是因?yàn)楦男岳w維素可以吸水膨脹形成水凝膠，進(jìn)而提高土壤水分含量[21-22]。但本研究發(fā)現(xiàn)改性纖維素在培養(yǎng)前期減少了水分流失量，而在培養(yǎng)后期增加了水分流失量。這可能是與改性纖維素在土壤中既有水分的快速吸附，也有水分的緩慢釋放有關(guān)。在培養(yǎng)前期改性纖維素在土壤中可能只進(jìn)行水分吸附進(jìn)而減少了水分流失量[23]；而在培養(yǎng)后期一方面改性纖維素吸附的水分釋放并下滲流失，另一方面改性纖維素處理土壤表面均形成了結(jié)皮導(dǎo)致澆水后水分不能進(jìn)入土壤而蒸發(fā)流失。

施加呈酸性的CMC-NH4能降低土壤pH，而施加呈堿性的CMC-Na和CMC-K能在一定程度上增加土壤pH，這與邢磊[15]研究結(jié)果一致。施加CMC-Na和CMC-NH4能明顯提高土壤緊實(shí)度，這主要是由于CMC-Na和CMC-NH4具有較強(qiáng)的極性，能增加土壤粘合度進(jìn)而提高土壤硬度以及土壤成塊性[24]。而CMC-K極性較弱，施入土壤后不會(huì)增加土壤緊實(shí)度，也不會(huì)形成土壤結(jié)塊現(xiàn)象，但是會(huì)在土壤表層出現(xiàn)結(jié)皮現(xiàn)象。

已有研究發(fā)現(xiàn)改性纖維素在提高養(yǎng)分利用效率和減少養(yǎng)分流失方面具有顯著效果，這是因?yàn)楦男岳w維素可以吸附養(yǎng)分并在后期緩慢釋放，進(jìn)而減少養(yǎng)分流失[25-27]。與已有研究不同的是，本研究所用的CMC-NH4本身就含有作物生長(zhǎng)所需的氮素，因此施加CMC-NH4可以增加土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，并隨其施用量的增加而增加，這也表明CMC-NH4中的氮素釋放到了土壤中并為旱稻萌發(fā)所用。與CMC-NH4類(lèi)似，由于CMC-K本身含有作物生長(zhǎng)所需的鉀素，向土壤中施入CMC-K也會(huì)增加土壤中速效鉀含量。本研究還發(fā)現(xiàn)3種改性纖維素均在不同程度上提高了土壤速效磷含量，這與邢磊等[28]研究結(jié)果不一致。有研究認(rèn)為改性纖維素中鉀離子或銨根離子與磷酸二銨發(fā)生置換反應(yīng)或改性纖維素中含有鈣、鎂離子雜質(zhì)與磷酸二銨發(fā)生沉淀反應(yīng)進(jìn)而降低土壤速效磷含量[29]。而本研究認(rèn)為改性纖維素可能通過(guò)吸附磷酸根來(lái)提高土壤速效磷含量[30]，但不同種類(lèi)和不同水平的改性纖維素對(duì)磷酸根吸附效率不一。此外，低水平的CMC-Na處理可以顯著增加土壤硝態(tài)氮含量，而高水平的CMC-Na處理顯著降低了土壤硝態(tài)氮含量，這與楊世琦等[23]研究結(jié)果一致，這可能與低水平的CMC-Na處理對(duì)土壤養(yǎng)分具有一定固持作用有關(guān)。但引文作者并未對(duì)高水平處理的抑制效果作出解釋?zhuān)狙芯空J(rèn)為這可能是因?yàn)楦咚降腃MC-Na處理土壤嚴(yán)重板結(jié)，土壤硝態(tài)氮可能隨著土壤水分下滲流失，亦或者嚴(yán)重的土壤板結(jié)導(dǎo)致土壤硝化作用減弱[31]。

綜上所述，施加適量的改性纖維素可以提高肥料利用效率、節(jié)約勞動(dòng)成本，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。但高水平的改性纖維素會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，因此在田間實(shí)際應(yīng)用中要注意施用劑量和施用時(shí)期。