張開祥，馬宏秀，孟春梅，李宗飛，王開勇

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

保水劑，稱高吸水性樹脂（Super absorbent resin，SAR）又稱高吸水性聚合物（Super absorbent polymer，SAP），也稱吸水劑、持水劑，是一種含有羧基、羥基等強(qiáng)親水性基團(tuán)，且具有一定交聯(lián)度的水溶漲型高分子聚合物。高吸水性樹脂有著奇特的吸水性能和保水能力，其吸水量可達(dá)自身重量的數(shù)百至數(shù)千倍，并且保水性極強(qiáng)[1]。近年來保水材料在干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛，突出表現(xiàn)在節(jié)水灌溉和生態(tài)修復(fù)兩方面。在節(jié)水灌溉方面，保水材料能夠顯著增加土壤貯水量[2]，提高水分利用率，在土壤干旱的時(shí)候，將儲(chǔ)存的養(yǎng)分和水分釋放出來供作物正常生長(zhǎng)發(fā)育[3-4]，以此減少作物整個(gè)生育期的灌水量[5]，達(dá)到農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的目的。在土壤修復(fù)方面，保水材料同樣可發(fā)揮重要的作用。研究表明保水劑可以促進(jìn)土壤鈉離子、鈣離子的的交換率，有利于鹽分的淋洗，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的保水保肥能力[6]；也有石膏、腐植酸和聚丙烯酰胺（PAM）結(jié)合對(duì)鹽堿地的改良效果最好的報(bào)道[7]。在土壤荒漠化治理領(lǐng)域，目前主要采用的修復(fù)技術(shù)有物理、生物和化學(xué)修復(fù)技術(shù)。其中化學(xué)修復(fù)中高分子保水材料應(yīng)用較多，保水材料與沙化土壤混合在一起，使沙化土壤的化學(xué)性質(zhì)得到改善，減小了水分的損失。使用保水材料能明顯提高作物產(chǎn)量、改善土壤理化性質(zhì)[8]。此外，大量試驗(yàn)表明高分子保水材料可以促進(jìn)種子出苗及作物生長(zhǎng)，增加冬小麥的有效分蘗數(shù)，從而增加小麥產(chǎn)量[9]。王林虹等[2]研究發(fā)現(xiàn)保水材料在促進(jìn)煙草發(fā)育，提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)方面均有良好效果。但是目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于保水材料對(duì)酸棗幼苗生長(zhǎng)狀況及棗田理化性質(zhì)的影響鮮有研究[10]?？梢?，關(guān)于保水材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用大多集中在節(jié)水農(nóng)業(yè)、土壤修復(fù)及作物增產(chǎn)上。保水材料可以改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤微生物發(fā)育，提高土壤有機(jī)物的周轉(zhuǎn)利用效率和水肥利用率。因此研究保水材料對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響具有重要的意義。

本研究以酸棗為研究對(duì)象，通過大田試驗(yàn)，探討施用保水材料聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鉀、腐植酸對(duì)棗田棗苗生長(zhǎng)及不同土層有機(jī)碳、氮、磷、鉀的變化特征，分析保水材料對(duì)棗田pH、電導(dǎo)率及酸棗種子萌發(fā)的影響，以期為研究保水材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）聚丙烯酰胺土壤調(diào)理劑（本課題組自主研制的土壤保水材料），將聚丙烯酰胺進(jìn)行改性，提高水溶性效果和作物抗逆功能，每升含聚丙烯酰胺改性材料 20 g。

（2）棉粕型腐植酸土壤調(diào)理劑（本課題組自主研制的土壤保水材料），從棉粕中提取，每升含腐植酸30 g；

（3）聚丙烯酰胺和棉粕型腐植酸為1∶1的混合物。

（4）棉粕型腐植酸和聚丙烯酸鉀為1∶1的混合物，含聚丙烯酸鉀2 g/L。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年進(jìn)行，分為室內(nèi)盆栽模擬和田間試驗(yàn)兩部分。由于酸棗種子直播出苗率低，因此前期進(jìn)行盆栽模擬，盆栽試驗(yàn)結(jié)束后將酸棗幼苗移栽在大田進(jìn)行田間試驗(yàn)。

盆栽模擬試驗(yàn)于2015年6月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)土壤取自新疆兵團(tuán)第八師150團(tuán)的沙土，堿解氮含量1.34 mg/kg，速效磷含量1.49 mg/kg，速效鉀含量17.00mg/kg，土壤田間持水率為19.60%。花盆規(guī)格為20 cm×30 cm(直徑×高)，試驗(yàn)前預(yù)先將沙土自然晾干，將2 kg土裝入盆栽中待用。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理（表1），其中CK只需加水，復(fù)合材料P+H、H+K處理中加入單材料各5mL。每個(gè)處理重復(fù)5次，每盆中播種30粒酸棗種子。之后每隔3 d澆水1次，出苗后每天記錄出苗個(gè)數(shù)，7 d后測(cè)定酸棗的出苗率，并計(jì)算種子的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)。

田間試驗(yàn)于2015年7月在石河子大學(xué)試驗(yàn)站(N44°18'42.37″，E86°03'20.72″)進(jìn)行。土壤類型為灰漠土，土壤質(zhì)地為壤土，pH值7.86，堿解氮50.00mg/kg，有效磷 40.40mg/kg，速效鉀 180.00mg/kg，有機(jī)質(zhì)12.20 g/kg。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，試驗(yàn)處理與盆栽試驗(yàn)相同，每個(gè)處理小區(qū)面積8 m2，重復(fù)3次。盆栽試驗(yàn)30 d后，將酸棗幼苗移栽到對(duì)應(yīng)田間處理的小區(qū)內(nèi)，每個(gè)小區(qū)12株。試驗(yàn)各處理（表1）正常灌溉，灌溉和施加材料均采用滴灌方式。在10月初取樣測(cè)定土壤理化性質(zhì)及植株根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)。

保水材料施入量依據(jù)宣毓龍等[11]改性高分子肥料對(duì)小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響研究中得出；田間試驗(yàn)的各個(gè)處理均正常灌溉施肥，灌水量和施肥量依據(jù)郭守斌[12]的紅棗酸棗直播建園栽培技術(shù)規(guī)程中得出。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experiment design

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

盆栽出苗7 d后統(tǒng)計(jì)出苗數(shù)，并計(jì)算酸棗出苗率和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)：

出苗率=出苗數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)；

上式中，Gt與Dt分別對(duì)應(yīng)當(dāng)天的發(fā)芽種子數(shù)與發(fā)芽時(shí)間，t=0，1，2，3，…，n。

于 2015年 10月初取棗田 0-20、20-40、40-60 cm土層土樣進(jìn)行土壤有機(jī)碳、土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀的測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；土壤速效磷的測(cè)定采用0.5mol/L NaHCO3浸提法；土壤速效鉀的測(cè)定采用NH4OAc浸提-火焰光度法。同時(shí)測(cè)定各土層土樣的pH、電導(dǎo)率，土壤pH的測(cè)定使用PHS-3C型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)定；土壤電導(dǎo)率的測(cè)定使用DDS-307電導(dǎo)率儀測(cè)定。此外，各處理小區(qū)取5棵植株樣測(cè)量其根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水材料對(duì)酸棗出苗率和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖1可知，施用保水材料之后，種子的出苗率和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)相比 CK均顯著提高，P、H、P+H、H+K處理酸棗種子出苗率依次增加了30.00%、37.77%、55.55%、40.00%；種子相對(duì)發(fā)芽指數(shù)的增幅分別為74.98%、163.75%、222.89%、73.07%。其中施加P+H材料促進(jìn)酸棗種子萌發(fā)的效果最好。

圖1 不同保水材料處理酸棗種子出苗率及相對(duì)發(fā)芽指數(shù)Fig.1 Germination rate and relative germination index of different water retaining materials

2.2 不同保水材料對(duì)酸棗幼苗莖長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響

圖2 不同保水材料處理酸棗幼苗的莖長(zhǎng)和根長(zhǎng)Fig.2 Length of stem and root of sour jujube seedlings with different water retaining materials

由圖2可知，P+H處理可以明顯促進(jìn)酸棗幼苗生長(zhǎng)。對(duì)于幼苗莖長(zhǎng)和根長(zhǎng)，P+H處理均顯著高于CK，莖長(zhǎng)增幅30.19%，根長(zhǎng)增幅為57.58%；其他P、H、H+K處理?xiàng)l件下，莖長(zhǎng)與CK無顯著差異，根長(zhǎng)均顯著高于 CK，增幅依次為：15.15%、39.39%、24.24%。由圖可知，施用保水材料對(duì)酸棗幼苗根部生長(zhǎng)的影響大于莖的生長(zhǎng)。

2.3 不同保水材料對(duì)棗田土壤pH和電導(dǎo)率的影響

由表2可知，施用不同保水材料后，0-20 cm土層土壤pH和CK無顯著差異；20-40 cm土層，H+K處理的pH最高，P+H處理顯著低于CK，較CK減小0.08，P、H處理與CK差異不顯著；40-60 cm土層，P+H處理顯著低于CK及其他處理，較CK減少0.08，其他處理與CK無顯著差異。

由表 3可知，0-20 cm土層的土壤電導(dǎo)率，P、H、P+H、H+K處理均顯著高于 CK，增幅依次為38.04%、94.10%、100.07%、46.51%；20-40 cm 土層，P、H、P+H、H+K處理均顯著低于CK，分別比CK降低 14.23%、4.71%、16.22%、12.21%；40-60 cm 土層各處理的電導(dǎo)率同樣顯著低于CK，分別降低11.67%、18.68%、15.62%、13.82%。

表2 不同保水材料處理?xiàng)椞?-60 cm土層土壤pH值Tab.2 Soil pH of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

表3 不同保水材料處理?xiàng)椞?-60 cm土層土壤電導(dǎo)率μm/cmTab.3 Soil conductivity of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4 不同保水材料對(duì)棗田土壤養(yǎng)分的影響

2.4.1 不同保水材料對(duì)棗田有機(jī)碳含量的影響

由圖3可知，0-20 cm土層各處理的土壤有機(jī)碳含量均在8 g/kg以上，不同材料處理較CK變幅為-20%-10%，各處理的土壤有機(jī)碳含量依次為P＞CK＞P+H＞H+K＞H，處理間差異顯著；20-40 cm土層有機(jī)碳含量為6-9 g/kg，P處理的有機(jī)碳含量顯著高于CK及其他處理，H、P+H、H+K處理顯著低于CK；40-60 cm土層的有機(jī)碳含量為5-7 g/kg，P處理與CK之間差異不顯著，均顯著高于其他處理，P+H處理顯著高于H、H+K處理，H處理和H+K處理之間差異不顯著。

圖3 不同保水材料處理?xiàng)椞?-60 cm土層土壤有機(jī)碳含量Fig.3 Soil organic carbon content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.2 不同保水材料對(duì)棗田堿解氮含量的影響

由圖4可知，0-20 cm土層各處理的土壤堿解氮含量均在37 mg/kg以上，P+H處理、P處理的堿解氮含量顯著高于CK和其他處理，較CK增幅分別為64.86%、24.32%，H處理和H+K處理與 CK之間無明顯差異；20-40 cm土層土壤堿解氮含量為32-48 mg/kg，P+H處理、P處理堿解氮含量顯著高于CK和其他處理，較CK的增幅分別為41.18%和17.65%；40-60 cm土層土壤堿解氮含量低于0-40 cm，其中P+H處理、H處理顯著高于CK。

圖4 不同保水材料處理?xiàng)椞?-60 cm土層土壤堿解氮含量Fig.4 Content of alkali hydrolyzable nitrogen of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.3 不同保水材料對(duì)棗田速效磷含量的影響

由圖5可知，各層土壤速效磷含量由表層向下呈遞減趨勢(shì)。在0-20 cm土層中，P+H處理的土壤速效磷含量顯著高于其他各處理，較CK的增幅為30.31%，P處理顯著高于CK、H、H+K處理，較CK的增幅為6.03%；20-40 cm土層的土壤速效磷含量集中在10.01-14.85mg/kg，P+H處理顯著高于其他處理，較CK增幅為32.59%，P處理和H處理之間差異不顯著，但顯著高于CK；40-60 cm土層的土壤速效磷含量低于10.86 mg/kg，其中P+H處理顯著高于其他處理，較CK增幅為14.68%，P、H處理與CK無顯著差異。

圖5 不同保水材料處理?xiàng)椞?-60 cm土層的土壤速效磷含量Fig.5 Soil available phosphorus content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.4 不同保水材料對(duì)棗田速效鉀含量的影響

由圖6可知，施用保水材料可顯著增加土壤速效鉀含量。0-20 cm土層P+H處理，速效鉀含量顯著高于其他處理，較 CK增幅 39.13%，P、H、H+K處理之間差異不顯著，均顯著高于CK，增幅分別為18.30%、14.19%、16.62%；20-40 cm 土層施加保水材料處理均顯著高于CK，增幅依次為8.55%、19.45%、19.48%、22.13%；在 40-60 cm 土層中，P+H處理的速效鉀含量顯著高于其他處理，較CK增幅為20.11%，H+K處理的速效鉀含量顯著高于CK，H處理與CK差異不顯著。

圖6 不同保水材料處理?xiàng)椞?-60 cm土層的土壤速效鉀含量Fig.6 Soil available potassium content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

3 討論

保水劑的主要作用是將植物一時(shí)不能利用的降水或灌溉水盡可能貯蓄起來，而持續(xù)地供應(yīng)植物水分。本研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺材料和腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料施入土壤可顯著增加0-60 cm土層的土壤有機(jī)碳含量，腐植酸材料和腐植酸-聚丙烯酸鉀復(fù)合材料均顯著降低了有機(jī)碳含量。其原因可能是高分子保水材料抑制土壤微生物生長(zhǎng)，從而減少土壤有機(jī)碳的分解，腐植酸保水材料促進(jìn)土壤微生物繁殖，進(jìn)而增加有機(jī)碳的分解，大量研究表明，腐植酸可以增加土壤微生物數(shù)量[13-14]，劉洋等[15]研究表明保水劑可以使土壤微生物數(shù)量下降。因此，本試驗(yàn)后期將會(huì)對(duì)土壤微生物及C/N進(jìn)行深入研究。有研究表明，保水材料可以提高土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)[16-19]，本研究與前人研究結(jié)果一致，保水材料可以顯著保持土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀含量，其中以腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料效果最佳。由于土壤養(yǎng)分含量高，酸棗幼苗的莖長(zhǎng)和根長(zhǎng)也顯著的增長(zhǎng)。此外，本研究中0-20 cm土層，腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料處理的土壤電導(dǎo)率值顯著升高，20-60 cm土層顯著降低，同時(shí)20-60 cm土層的土壤pH值隨之降低，說明施入腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合保水材料可以顯著改善土壤理化性質(zhì)，研究結(jié)果與馬斌等[8]研究一致。

大量研究[20-21]表明，一定濃度的保水材料可以促進(jìn)種子萌發(fā)，本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果相同，保水材料可以促進(jìn)酸棗種子萌發(fā)，其原因可能是保水材料吸附較多的水分，為種子發(fā)芽提供良好的環(huán)境；也有可能是保水材料吸附在種子表面形成一層保護(hù)膜，保水材料吸收大量的水分為種子萌發(fā)提供前提條件。目前的研究大多針對(duì)保水劑初次使用后對(duì)土壤理化性狀的改善，保水劑長(zhǎng)期使用后對(duì)土壤環(huán)境的影響報(bào)道較少，在保水劑的使用過程中，隨著使用時(shí)間的推移，保水劑對(duì)土壤性質(zhì)改善的效果變化還有待研究。

4 結(jié)論

施用保水材料可以顯著改善棗田土壤理化性質(zhì)，為作物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。施用保水材料均顯著提高酸棗種子出苗率和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)，同時(shí)促進(jìn)酸棗幼苗根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)生長(zhǎng)。聚丙烯酰胺材料和腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料均可提高0-60 cm土層土壤有機(jī)碳、土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，從而促進(jìn)酸棗幼苗生長(zhǎng)，其中腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合材料的施用對(duì)改善土壤理化性質(zhì)的效果最佳。因此，建議在干旱地區(qū)中低產(chǎn)棗田推廣施用腐植酸-聚丙烯酰胺復(fù)合保水材料，以改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

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