水资源短缺与肥料利用率低已成为制约我国农业可持续发展的两个重要因素。首先, 我国水资源分布不均, 季节与区域差异性较显著, 农业用水效率较低且受旱土地逐年增加^[1]; 其次, 我国化肥施用量大、利用率低的现象普遍存在, 低土壤水分含量导致养分有效性降低, 大量灌溉导致土壤养分淋失^[2-3]。因此, 在现阶段如何同时提高土壤保水效果和肥料利用率显得尤为重要。

保水剂是一类具有较高吸水保水能力的高分子聚合物, 通常能够在短时间内吸收自身重量成百甚至上千倍的去离子水, 并且吸水后水分不易析出, 水分蒸发量降低, 而且可以反复吸水^[4]。当前市场上的保水剂以丙烯酸类和丙烯酰胺类为主, 也有许多学者利用天然高分子材料如淀粉、纤维素、壳聚糖等进行接枝反应合成保水剂^[5-8], 其产品具有较好的保水和持水性能, 展示出了良好的应用潜能和发展前景。目前, 已经有较多文献报道了保水剂施用在土壤中所起的作用:研究发现保水剂能够改善土壤理化性质^[9-10]、优化土壤界面环境^[11]、提高土壤微生物活性^[12-13], 常用其进行土壤改良^[14-15]、抗旱保苗^{[4, 16]}、防风固沙^[17]、水土保持^[18-19]等。

然而, 传统的保水剂虽然在去离子水中的吸收效率较高, 但其耐盐性较差, 加之在农业生产中过多地施用化肥造成土壤阳离子含量增加, 当保水剂施入土壤时, 土壤中大量的阳离子使其吸收效率急剧降低, 限制了它在农业方面的应用。在新型保水剂的研发方面, 本课题组已有一定的前期研究工作, 如以丙烯酸(Acrylic Acid, AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, AMPS)和甲基烯丙基聚氧乙烯醚(Methyl allyl polyethylene ether, HPEG-2400)为单体通过水溶液聚合法制得耐盐型保水剂(Salt-tolerant water detaining polymer, SWDP), 该保水剂在去离子水和1.0% KCl溶液中的吸收效率分别为1 787 g·g^-1和201 g·g^-1[20]。本文以沙子代替土壤模拟沙漠地区极端条件, 以SWDP为研究对象, 通过钾肥淋溶试验和改良的霍格兰氏营养液浇注玉米盆栽试验, 研究SWDP在沙子中的保水保肥效果以及其对不同条件下玉米生长的影响, 以期确定SWDP对于土壤保水保肥的重要性, 同时对SWDP在沙子中的持续性作用进行初步研究。

试验所用保水剂为前期自制耐盐保水剂(SWDP), 白色粉末状, 主要成分为丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和甲基烯丙基聚氧乙烯醚(HPEG-2400)^[20]。沙子为市售河沙, 购自南京生健全化玻仪器有限公司。塑料淋溶柱规格为高30 cm、直径5 cm; 塑料花盆规格为高25 cm、直径25 cm。钾肥为KCl(分析纯); 改良的霍格兰氏营养液(自来水配制, 省去微量元素)。玉米品种选用郑单958, 该种子具有抗性好、耐干旱、耐高温的特性。

本研究进行了钾肥淋溶试验和连续两茬玉米盆栽试验。其中, 钾肥淋溶试验参照杜建军等^[21]的"间接土柱淋溶法", 于2014年5月4日至5月30日在中国科学院南京土壤研究所温室(32°03´14.40″N, 118°48´0.29″E)进行。温室内空气相对湿度为78%, 6-8月日平均气温36℃, 9-11月日平均气温为29℃, 年均日照时数1 863 h。试验过程中不经特殊光照处理。试验所用沙子用去离子水冲洗并风干过10目筛后备用。选取上述淋溶柱12个, 在淋溶柱下端垫上一层中速定性滤纸。称取12份250 g风干沙, 灌入12个淋溶柱作为垫层, 人为压实使其达到一定的紧实度(容重为1.38 g·cm^-3)。再称取12份250 g的风干沙, 按SWDP投加量设置4个处理, 即SWDP投加量分别为0(空白)、0.5、1.0和2.0 g·kg^-1沙子, 每处理设置3个重复。在上述4个处理的12份样品中分别加入150 mg的KCl混合均匀, 依次加至前述有垫层的淋溶柱中。用封口膜将淋溶柱下端出水口封口后, 分别缓慢滴加100 mL去离子水, 室温下密封保存2 d, 确保SWDP与水充分接触(出水口下端有液滴产生)。去除出水口封口膜, 为防止淋溶过程中产生水分蒸发损失, 用带盖输液器分别向12个淋溶柱中缓慢滴加150 mL去离子水, 滴速控制在每分钟1滴(防止滴速过快引起的水肥淋溶损失), 用250 mL锥形瓶收集淋溶液。此后每6天重复1次, 共4次, 分别收集4次的淋溶液并定容。

玉米盆栽试验于同年(2014年)6月21日在中国科学院南京土壤研究所温室内进行, 试验分为干旱缺水模拟与正常供水两组, 同样以沙子代替土壤, 将沙子风干后过5目筛。试验玉米先对其进行催芽, 后选取芽长生长一致的幼苗移至盆中, 覆沙厚度约1~2 cm, 每个试验盆的用沙量为15 kg(风干沙, 容重控制在1.38 g·cm^-3)。盆栽试验在控制其他因素(土壤初始含水量、加水量、肥料投加量)不变的情况下, 按SWDP投加量设置4个处理, 即SWDP投加量分别为0(空白)、0.5、1.0和1.5 g·kg^-1沙子, 每处理设置3个重复。在玉米生长的整个过程中, 不同时期浇注不同浓度的霍格兰氏营养液, 注意于靠近花盆内壁附近缓慢浇注, 防止侧漏及扰动沙层以暴露玉米根部。出苗期, 为防止灼伤幼苗将1/5霍格兰氏营养液配置成1/1 000浓度使用, 出苗后, 配置成1/500浓度使用。每隔2天浇注一次, 每次先浇200 mL营养液, 6 h后再浇100 mL自来水。其中, 干旱缺水模拟组, 在出苗后按上述营养液加自来水的方法浇注一个月后停止供应, 两个月后观察幼苗存活状况。正常供水组, 在出苗后按营养液加自来水的方法连续浇注至两个月后(8月25日)收获玉米植株。同时, 为进一步探讨自制保水剂的可持续使用效果, 正常供水组在第一茬玉米盆栽试验结束后, 连续进行第二茬种植(不额外投加保水剂), 试验用种及具体步骤与第一茬相同, 于8月30日进行种植, 11月3日收获(两茬玉米植株出苗后的生长期均为两个月)。

淋溶液中钾素含量采用火焰光度计(FP 640型火焰光度计, 上海傲谱分析仪器有限公司)法测定; 玉米植株氮素含量采用凯氏定氮法(UV 8100 B型紫外可见分光光度计, 北京莱伯泰科仪器有限公司)测定, 钾素含量采用火焰光度计法测定, 磷素含量采用钼锑抗比色法测定(700 nm波长处)^[22]; 并用卷尺、游标卡尺、电子天平和叶面积测量仪分别对玉米植株的株高、茎粗、干重、鲜重和最大叶面积进行测量。

上述试验数据均采用Microsoft Excel 2007进行平均值和标准差的计算, 用R 3.1.2软件对不同SWDP投加量处理下各指标的差异显著性进行了单因素方差分析(One-way ANOVA), 显著性水平为0.05, 所得结果用Origin 8.5进行绘图。

在SWDP投加量为2.0 g·kg^-1沙子时, 过于严重的溶胀效应导致淋溶柱堵塞, 无淋溶液滴出。因此, 仅能对SWDP投加量为0.5 g·kg^-1沙子和1.0 g·kg^-1沙子时淋溶液中钾素含量进行测定, 每次淋溶液中钾素含量及最终累积量见表 1。在4次淋溶结束后, SWDP投加量为0.5 g·kg^-1沙子和1.0 g·kg^-1沙子的两处理组钾素淋溶累积损失量与空白组相比差异显著(P < 0.05), 每个淋溶柱中钾素含量分别降低了12.96%和47.85%。值得注意的是, 在第二次淋溶时, 当SWDP与沙子的质量比为1.0 g·kg^-1时, 淋溶液中的钾素含量反而高于空白处理, 这可能是因为该处理钾素在第一次淋溶时保留得多, 后续淋溶相对较高。

表 1 Table 1

表 1 耐盐保水剂不同投加量下钾素累积淋溶量 Table 1 Cumulative leaching loss of potassium relative to application rate of the salt-tolerant water detaining polymers (SWDP) SWDP投加量 Addition of SWDP/ (g·kg-1) 淋溶液钾含量 Potassium content of leaching solution/mg 总计 Total/mg (1) (2) (3) (4) 0 163.3±1.06a 5.81±0.08a 4.18±0.09a 3.97±0.14a 177.3±1.23a 0.5 142.6±3.61b 5.63±0.07a 3.26±0.21a 3.33±0.27a 154.8±3.21b 1.0 68.61±11.32c 15.67±4.48b 4.20±0.83a 3.99±0.80a 92.5±6.09c 注:表中SWDP投加量表示SWDP与沙子的质量比; (1)、(2)、(3)、(4)分别表示在SWDP不同投加量下, 四次淋溶液中钾素淋溶损失含量测定结果, 表中数据为平均值±标准差; 同列中不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。下同Note:The application rate of SWDP is expressed as mass ratio of SWDP to sand. (1), (2), (3) and (4) in the table refers to the round of determination of potassium leaching loss with leachate relative to SWDP application rate. The data in the table are means±SD, and the different lowercase letters in the same column represent significant difference at the 0.05 level. The same below

表 1 耐盐保水剂不同投加量下钾素累积淋溶量 Table 1 Cumulative leaching loss of potassium relative to application rate of the salt-tolerant water detaining polymers (SWDP)

为研究SWDP的加入对玉米植株生长状况与形态指标的影响, 分别进行干旱模拟和正常供水两组盆栽试验。在干旱条件下, 不同SWDP加入量玉米植株存活时间如表 2所示, 可以看出, SWDP的加入能够显著延长干旱缺水条件下玉米植株的存活时间(P < 0.05)。与不加SWDP的空白处理相比较, 当SWDP投加量为0.5、1.0和1.5 g·kg^-1沙子时, 玉米植株存活时间分别延长了12、19和30 d。

表 2 Table 2

表 2 保水剂不同投加量对玉米存活时间的影响 Table 2 Effect of addition of SWDP on survival time of the maize relative to application rate SWDP投加量 Addition of SWDP/(g·kg-1) 0 0.5 1.0 1.5 玉米存活时间 Survival time of the maize/d 17±1 a 29±2 b 36±2 c 47±2 d

表 2 保水剂不同投加量对玉米存活时间的影响 Table 2 Effect of addition of SWDP on survival time of the maize relative to application rate

正常供水条件下, 不同SWDP投加量两茬玉米植株株高、茎粗、干重、鲜重及最大叶面积结果见表 3。经计算发现, 第一茬中, 不同SWDP投加量处理玉米植株株高、干重和鲜重均有显著差异(P < 0.05), 相对于空白处理, 当SWDP投加量为0.5、1.0和1.5 g·kg^-1沙子时, 玉米植株株高分别增加了21.53%、35.90%和70.70%, 干重分别增加了26.13%、26.60%和31.30%, 鲜重分别增加了16.42%、17.16%和20.30%, 而对于玉米植株最大叶面积而言, 在第一茬中SWDP投加量为1.0 g·kg^-1沙子的处理达到最大值, 显著大于其他处理(P < 0.05);此外, 不同SWDP投加量的处理对于第一茬玉米植株的茎粗影响不显著(P > 0.05)。第二茬中, 不同SWDP投加量的处理玉米植株株高、茎粗、干重、鲜重和最大叶面积均有显著差异(P < 0.05), 相对于空白处理, 当SWDP投加量为0.5、1.0和1.5 g·kg^-1沙子时, 玉米植株株高分别增加了74.27%、101.2%和110.8%, 茎粗分别增加了37.84%、39.90%和46.58%, 干重分别增加了86.92%、113.9%和122.0%, 鲜重分别增加了121.1%、164.5%和216.4%, 最大叶面积分别增加了19.84%、44.08%和46.17%。值得注意的是, SWDP的加入对于玉米植株各形态指标的影响, 相比较于第一茬, 在第二茬中更加明显, 这可能与保水剂的性能有关, 当保水剂加入土壤时, 其作用最大化需要一定的老化时间。

表 3 Table 3

表 3 保水剂不同投加量对两茬玉米生长与形态指标的影响 Table 3 Effects of addition of SWDP on growth and morphological indexes of the two seasons of maize relative to application rate 项目 Item SWDP 投加量 Addition of SWDP/(g·kg-1) 株高 Plant height /cm 茎粗 Stem diameter/mm 干重 Dry weight/g 鲜重 Fresh weight /g 最大叶面积 Maximum leaf area/cm2 第一茬玉米 First cropping of maize 0 63.17±3.75 a 10.60±0.80a 10.64±0.50a 670.0±14.14a 476.5±33.52a 0.5 76.77±5.30b 11.27±1.26a 13.42±0.24b 780.0±49.67b 608.9±59.45b 1.0 85.85±4.15c 12.45±0.11a 13.47±0.33b 785.0±4.08b 541.7±20.85a 1.5 107.5±2.27d 12.61±0.77a 13.97±1.18c 806.0±41.10b 540.8±50.14a 第二茬玉米 Second cropping of maize 0 27.83±0.85a 5.84±0.49a 4.13±0.34a 18.33±4.03a 257.6±27.63a 0.5 48.50±2.50b 8.05±0.05b 7.72±0.28b 40.50±0.41b 308.7±8.82b 1.0 56.00±1.00b 8.17±0.06b 8.80±1.77c 48.50±7.76b 371.1±0.95b 1.5 58.67±3.86b 8.56±0.23b 9.17±0.28c 58.00±4.08b 376.5±6.25b

表 3 保水剂不同投加量对两茬玉米生长与形态指标的影响 Table 3 Effects of addition of SWDP on growth and morphological indexes of the two seasons of maize relative to application rate

分别对正常供水条件下两茬玉米的叶绿素含量及N、P、K吸收量进行测定。结果表明, 不同SWDP投加量处理下, 两茬玉米植株的N、P、K吸收量差异显著(P < 0.05), 各处理中玉米植株N、P、K吸收量随SWDP投加量的增加呈现出递增的趋势。与空白处理相比, 当SWDP投加量为0.5、1.0和1.5 g·kg^-1沙子时, 第一茬玉米植株氮素吸收量分别增加了8.83%、19.63%和22.39%, 磷素吸收量分别增加了29.31%、30.19%和52.38%, 钾素吸收量分别增加了11.61%、18.12%和20.72%。第二茬玉米植株氮素吸收量分别增加了55.50%、117.1%和143.7%, 磷素吸收量分别增加了77.12%、161.3%和156.5%, 钾素吸收量分别增加了55.42%、74.13%和84.33%。同时, SWDP的加入对于两茬玉米叶片叶绿素含量也有一定的提高作用, 当SWDP投加量为0.5、1.0和1.5 g·kg^-1沙子时, 第一茬玉米叶片叶绿素含量分别增加了9.89%、31.23%和32.13%, 其中, 1.0和1.5 g·kg^-1沙子的两处理相对于空白差异显著(P < 0.05), 第二茬玉米叶片叶绿素含量仅有在SWDP投加量为1.5 g·kg^-1沙子时, 显著高于其他处理(P < 0.05), 相对空白处理, 其含量增加了46.78%(图 1)。

注：F：第一茬玉米植株，S：第二茬玉米植株，不同字母表示差异显著情况(P < 0.01)    Note: F stands for the first cropping of maize, S for the second cropping of maize, and different lowercase letters mean significant differences at the 0.05 level 图 1 保水剂不同投加量下两茬玉米植株叶绿素含量及N、P、K吸收量变化趋势 Fig. 1 Effects of SWDP on contents of chlorophyll and absorptive amount of N, P and K in the two seasons of maize relative to application rate

保水剂加入土壤时, 不仅能够降低土壤中可溶性养分的淋溶损失, 而且能够稳定土壤结构、降低土壤容重和促进土壤团聚体的形成^[23]。本研究中将保水剂SWDP加入沙子中进行钾肥淋溶试验时发现, SWDP的加入能够明显抑制沙子中钾肥的淋溶损失, 且随其加入量的增加效果越发明显(表 1), 当SWDP加入量过高时甚至出现堵塞出水口的现象。这是因为加入沙子中的SWDP遇水时, 在其自身溶胀增大的同时能够将沙子粘合结成团块状, 使得沙子的透水性降低, 减少了沙子中的水分流失。同时, SWDP分子能够通过离子交换与表面吸附作用对肥料中的K⁺进行吸附, 将K⁺与沙子包裹在其中, 进而使得钾素的流失降低^[23-24]。

将保水剂SWDP加入沙子中进行盆栽试验时发现, SWDP的加入不仅能够延长干旱缺水条件下玉米植株的存活时间, 而且能够显著提高正常供水条件下玉米植株株高、茎粗、干鲜重和最大叶面积等, 这是因为保水剂的加入能够有效降低沙子中水肥的蒸发和淋溶损失, 使得植物生长时拥有更好的土壤环境与充足的水肥供应, 进而增加植株根系活力、叶面厚度、气孔数量和内部导管大小等^[25-27]。

N、P、K是玉米植株生长发育的必需养分, 其含量的高低直接关系到玉米植株能否正常生长。为提高植物对土壤肥料的利用效率, 有学者^[23]在土壤中加入多种保水剂进行土壤保水保肥试验, 发现钠盐型保水剂(聚丙烯酸钠类, 凹凸棒与聚丙烯酸钠的交联物)能够显著提高植物对土壤氮肥的利用效率, 但是对于钾肥而言, 效果却不太明显, 其原因是由于Na⁺和K⁺的电性电量相同, 理化性质相近, 对K⁺的吸持能力弱。而本研究中发现, SWDP的加入对于玉米植株N、P、K含量均有明显的促进作用。虽然同属于钠盐型保水剂, 但是SWDP具有耐盐性的优势, 能够吸收大量的盐溶液^[20], 使得土壤保水保肥效果增强。SWDP分子加入沙子时, 自身吸水溶胀后将大量的无机离子和养分包裹在其中, 同时通过静电引力、范德华力、离子交换力、螯合等机制增强了对养分的吸附作用, 使得植物生长所需的水溶性养分能够保留在保水剂分子中, 待植物生长发育需要时缓慢释放, 以达到提高植株N、P、K含量的效果^{[23, 28]}。

保水剂的低耐盐性与高成本是限制其推广应用的关键因素。目前市售保水剂的耐盐性普遍较低, 它们仅能吸收自身重量几十倍的生理盐水^[29], 而本研究自制的保水剂在1.0% KCl溶液中的吸收效率可达201 g·g^-1[20]。有研究表明^[30], 以聚丙烯酸盐为聚合主体, 向其中引入非离子型大单体丙烯酰胺, 通过加入螯合剂制备交联型高吸水树脂, 能够有效提高保水剂的耐盐性, 其产品在生理盐水中的吸收效率可达190 g·g^-1, 但是在聚合过程中所使用的丙烯酰胺与螯合剂纯度要求高, 其成本较高。有研究表明^[31-32], 利用小麦秸秆接枝丙烯酸和荞麦淀粉接枝丙烯酸制备的保水剂, 生产成本大大降低, 但是其在生理盐水中的吸收效率会明显下降; 因此, 在保水剂的研发方面始终很难做到高耐盐与低成本二者兼顾。目前市售保水剂在生理盐水中的吸收效率约为50~100 g·g^-1, 产品均价约为每千克20元, 而本研究中所使用的保水剂不仅耐盐性高, 且其制造成本相对较低(每千克造价仅为7元左右)。

现阶段, 尚未发现有关保水剂施入土壤后持续利用效果的研究。本研究中, 为进一步探讨SWDP的可持续使用效果, 正常供水组在第一茬玉米盆栽试验结束后, 连续进行第二茬种植(不额外投加保水剂), 对第二茬玉米植株的株高、茎粗、干重、鲜重、最大叶面积、叶绿素含量和N、P、K吸收量进行测定, 发现相比第一茬玉米植株, SWDP的加入对于玉米植株生长发育的促进作用在第二茬中更加明显。产生这种现象的原因尚不明确, 可能是因为SWDP施入土壤后需要一定的老化时间其作用才能达到最大化。目前, 本研究进行了简单的前期玉米盆栽试验, 并未对其整个生育期及产量影响进行测定, 尚需进行大田试验进一步研究。

本研究在纯沙基质中加入保水剂SWDP, 能够显著提高沙子的保水保肥作用, 促进玉米植株的生长发育; 即使在缺水的条件下, 保水剂的加入也能够延长植株的存活时间。因此, 在中国干旱漏水漏肥的砂质土壤中此类保水剂对植物正常生长和发育有积极作用, 本研究可为SWDP在干旱地区尤其在荒漠化治理中的应用提供依据。