聚合物类保水剂对山杏水肥利用效应的影响

王文静，王百田，2，吕 钊，王明玉，张文源，舒 鑫，刘金壮

（1.北京林业大学 水土保持学院，北京100083；2.水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083）

干旱缺水和土地退化是制约我国农林业持续发展的重要因素［1］。近年来，随着全球气候变暖，干旱加剧，干旱面积不断扩大，因此抗旱节水、保肥保土已成为我国农林业面向未来持续发展的必然选择。保水剂又称保湿剂，是用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物［2］，它能迅速吸收和保持比自身重量高几百甚至几千倍的水分，可缓慢释放供作物吸收利用，在旱地保水农林业应用中已有多年。因此，以使用保水剂为基础的水肥一体化调控技术成为研究的热点，大量研究表明，保水剂能提高肥料利用率，吸附氮磷钾营养元素，减少肥素淋失［3－8］。李长荣等［9］研究表明尿素与保水剂复配是水肥耦合的最佳选择，二者同时使用保水保肥效果都能充分发挥。值得注意的是，国内外对保水剂与肥料的利用多是以直接混合为主，而肥料盐分对保水剂的吸水、保水性能有较大影响［10］。

大量研究表明，我国农田化肥的当季利用率氮肥仅为30%～35%，磷肥为10%～20%，钾肥为35%～50%，化肥损失是个严重的问题，不但造成巨大经济损失，更严重的是还加剧了温室气体排放和水体富营养化［11］，因此提高肥料利用率成为当前研究的热点。保水剂表面分子有吸附、交换离子作用，肥料中的氨离子等官能团能被保水剂上的离子交换，并以“包裹”的方式包裹起来，减少肥素淋失，提高肥料利用率，但同时混合不当会降低保水剂的保水能力［12］。目前，对保水剂在提高植物光和速率、叶面积、果树坐果率、土壤含水量等方面研究较多［13－16］，而在保水剂与肥料混合使用方面的研究还不多。因此，本文以山杏为研究对象，研究不同量保水剂与复合肥混施对山杏生长的影响，并进一步揭示山杏叶水势与根部氮磷钾含量的相关性，以考察水肥调控的机理，为保水剂与复合肥料的使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

研究于2011年4—10月在北京市西山鹫峰国家森林公园实验站进行，该区属于华北大陆性季风气候，年平均气温12.2℃，最高气温39.7℃，最低气温－19.6℃。试验苗木来自北京园林绿化小汤山苗圃，选择长势基本相同1年生山杏（Armeniaca sibirica）幼苗25株，以免造成非试验因子差异。供试保水剂（法国爱森公司SNF提供）白色颗粒状干粉，颗粒大小0.8～1.0mm，主要成分为聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺共聚体。复合肥（中国农业大学蓝弋化工）中尿素（（NH2）2CO，含 N 46.65%），氯 化 钾 （KCl，含 K 52.35%），磷 酸 铵 〔（NH4）3PO4· 3H2O，含 P 19.19%〕，均为化学分析纯。栽培基质：在鹫峰林场取土和沙按2∶1混合而成，其理化性质见表1。

表1 栽培基质各项理化性质

1.2 试验设计

本试验共5个处理，每处理5个重复，共25盆（表2）。用口径40cm，深40cm的塑料桶，桶底开5个直径为1cm的孔，每桶装入混好的基质20kg。于2011年4月20栽植山杏幼苗，并将配好的处理材料均匀放入距土壤表面10cm处。栽植后按常规作物进行管理，苗木健康生长之后尽量少浇水，让栽植苗木靠天然降水生长，模拟干旱环境。8月9日测定植物叶水势日变化，从早上8点开始到晚上6点结束，每2h测1次。10月15日把植物挖出并保持根部完整性，测定根部营养元素，测定植株生物量。

表2 试验设计

1.3 测定指标

叶水势测定。使用Wescor公司的Psypro露点水势仪，于苗木生长最快、最旺盛的8月的一个晴天（8月9日）进行叶水势观测，观测时间8：00—18：00，每2h观测1次。选择各处理植株中上部形状完好、长势相近的功能叶片［17］，每株2片叶子每片叶子测3次，取其平均值。

生物量测定。分为地上和地下两部分，于10月15日将植物带根挖出（避免根系受损）去掉泥土测地上和地下鲜重。将根系和地上部分用水清洗干净后，于110℃杀青15min，在75℃下烘干至恒重，测干重［18］。采用上海精科生产的 YP 600型（精度0.01g）电子天平称量根部营养元素，将处理好的根系生物量用粉碎机粉碎，过100目筛送到实验室检测全氮、全磷、全钾含量。

1.4 数据处理

数据分析应用SPSS 18.0软件及Excel软件处理，完成单因素方差分析显著差异后进行LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对山杏叶水势日变化的影响

通过分析5种不同处理山杏水势日变化特征，发现不同处理下山杏叶水势的日变化均表现出早晨和傍晚较大、中午前后较小的基本规律。山杏叶水势在12：00—14：00出现明显的全天最低值（图1），中午前后出现水势曲线拐点。

图1 不同处理山杏叶水势日变化

在处理1，2，3和4的条件下，上午8：00水势最高，之后，随着气温的升高，水势开始下降，到中午水势降到全天最低值，午后水势又开始回升，18：00为白天最高值，其中处理1的叶水势始终高于处理2，3，4的叶水势，但是使用保水剂的4组处理始终高于没有使用保水剂的对照组。对照与处理组相比差异显著，山杏叶水势在午后基本没有回升现象，一致维持在低水平上。

水势是反映植物组织水分状况和从周围环境吸水能力的一个重要生理指标［19］，水势高低可以用来判断植物的受旱程度和抗旱能力［20］。植物叶水势反映植物水分状况更直接，大量的水分胁迫影响函数用叶水势来反映对水分胁迫的响应［21］。大量试验表明植物叶水势与土壤含水量有良好的线性相关性［22］，因此，可以根据苗木叶水势的高低判断哪种处理有较好的蓄水保墒与水分吸收利用效果。通过观察不同处理山杏叶水势日变化趋势，发现随着保水剂用量的增加，山杏叶水势日变化的单峰形态越不明显，水势日变化振幅越小，叶水势维持较高水平，说明一定量的保水剂应用可以使土壤有更充足的水分及时弥补山杏植株蒸腾损失的水分，植株受土壤水分胁迫的程度降低。

2.2 不同处理对山杏根部氮磷钾含量的影响

作物生长对肥料养分需求比较大的是氮（N）、磷（P）、钾（K）三种肥料，根部是作物重要吸收、合成、固定和支持器官，土壤中水分和养分主要通过作物根系被吸收［23］。氮是植物体内氨基酸的组成部分，也是植物进行光合作用起决定作用的叶绿素的组成部分。磷肥能促进作物根系发达，增强抗旱能力，并促进糖分和淀粉的生成，但过量使用对生长不利。钾对作物的主要作用是平衡氮、磷和其他营养元素，调节植物的官能作用［24］。

高含量保水剂处理1（保水剂20g）的促进作用最明显，山杏根部氮含量为1.43g／kg，是同样复合肥含量对照组的1.66倍；而低含量保水剂处理4（保水剂5g）也出现明显促进作用，是对照组的1.17倍。促进作用随保水剂含量增高增大，表现为处理1（保水剂20g）＞处理2（保水剂15g）＞处理3（保水剂10g）＞处理4（保水剂5g）＞CK（保水剂0g）。此外，不同处理对山杏根部磷含量有一定的抑制作用，其中，在处理2下（保水剂15g）磷含量达最低值0.23g／kg，是对照组的61%。不同处理对山杏根部钾含量的影响没有显著差异，各处理下根部钾含量基本一致。

显然山杏根部的N有不同程度的提高，且提高程度随保水剂含量增多而增大，呈现出较明显的含量—效应关系，K的含量基本一致没有明显变化，而P的含量与对照相比略有降低。无论哪一种处理，山杏根部N，P，K含量比例相近，N＞K＞P。这些表明在改善水分胁迫程度后，山杏根部吸收氮的能力得到显著改善，对K的吸收基本没有太大的改善，而对于P的吸收有少量抑制作用，呈现出保水剂使用量多的根部P的含量较低的趋势。

2.3 不同处理对山杏生物量的影响

生物量是植物有机物的积累量，对一年苗木的生长情况能有一个总体的度量，是衡量苗木生长状况的重要指标。对山杏生物量进行单因素方差分析和LSD多重比较结果如表3所示。山杏的总生物量在处理1下最高，对照总生物量最低。不同处理之间山杏总生物量随保水剂用量的依次减少而降低。此外，在不同处理之间，地上部分生物量和地下部分生物量呈现出与总生物量相似的变化规律。根冠比反映了生物量在地上地下之间分配的关系，分析不同处理间根冠比发现对照与4组处理有显著的差异，对照的根冠比显著高于处理组的。这一方面反映了干旱时植株受到水分胁迫根系生长的干物质增多，这是植物对干旱的一种适应性机制，另一方面说明保水剂的保水作用明显，在同样的降雨条件下山杏受水分胁迫的程度减弱。总体来说，保水剂的应用对山杏生物量累积有显著的效用，其中处理1是对照的1.63倍。

2.4 山杏叶水势与根部氮磷钾含量的相关性

植物叶水势更能直接反映植物水分情况，大量的水分胁迫试验用叶水势来反映植物对干旱程度的响应而不是土壤含水量，因此这里分析了植物平均叶水势与根部氮、磷、钾含量的关系，以探明水肥的关系。通过对叶水势与根部氮、磷、钾含量的相关性分析发现，叶水势与氮含量相关性非常显著（R＝0.95），而与磷和钾含量的没有太好的相关性，相关系数分别为0.06和0.76，因此对叶水势和氮含量进行曲线拟合。图2中显示，根部氮含量与叶水势总体上呈现很好的线性相关，即随着叶水势的升高，根部氮含量也呈升高趋势。

表3 不同处理对山杏地上生物量、地下生物量、总生物量及根冠比的影响

图2 山杏叶水势与根部氮含量的关系

3 讨论

水肥是农林业生产中的两个重要因子，之间的作用机制较为复杂。在干旱区，水分缺乏限制了作物生产力的提高，养分不足制约着作物对水分的高效利用。叶水势代表植物水分运动的能量水平，是衡量植物抗旱的重要生理指标。本研究中，在处理1（保水剂20g，复合肥5g）下，山杏叶水势最高，且各处理山杏叶水势均高于对照，说明在减轻植物受干旱胁迫方面，处理1的效果最好。保水剂改变了土壤供水方式，提高了水分利用率，在提高叶水势方面效果显著，这与张晓艳［25］，王婷［26］的研究结果一致。此外，与对照相比，各处理山杏叶水势午后都开始明显回升，而对照组并没有回升趋势，可能是由于干旱胁迫下植物的生理活动受到了影响，崔建恒等［27］的研究也有这样的报道。此外，土壤因干旱没有足够的水分及时弥补白天植物蒸腾损失的水分，受旱程度则越大。不同处理下的山杏根部氮磷钾含量有明显差异，同一种处理中氮含量显著高于磷钾含量，而不同处理之间氮含量也明显高于对照，且随保水剂用量增大而增大，此外，磷的含量随保水剂量增大反而降低。对钾含量的影响并不明显，各处理之间没有太大变化。说明在水分条件允许的情况下，植物对氮的需求量更大，此外，保水剂促进了氮肥的吸收利用［28－29］。土壤水分的亏缺影响了土壤养分的运输，而磷肥含量的增加可能由于根系的伸长促进了磷肥的吸收。不同处理间的生物量差异显著，4种处理下地上和地下部分的生长显著提高了山杏总生物量和地上部分生物量，而对照组地下部分生物量和根冠比也明显增高，因此，干旱胁迫导致作物干物质向根的分配比例升高，根冠比增大。

目前关于土壤含水量与氮磷钾营养元素的吸收的研究表明，氮磷钾的吸收与土壤含水量有良好相关性，土壤水分与叶水势有良好的线性关系，而对植物叶水势与氮磷钾含量的关系还鲜有报道。本研究发现山杏叶片水势与根部氮含量有显著相关性，随着叶水势升高，氮含量有明显升高趋势。

4 结论

（1）保水剂与复合肥混施提高了山杏叶水势，且在本试验用量范围内随保水剂增大而增高。

（2）保水剂的应用显著提高了山杏根部氮，对钾的含量基本无影响，对磷的含量有少量抑制作用；氮含量随保水剂用量的增多显著提高，在每株应用20g保水剂的条件下山杏根部氮含量是对照组的1.66倍。

（3）应用保水剂后山杏生物量有了显著增加，呈现随用量增加的趋势；对照组根冠比显著高与处理组。

（4）山杏叶水势与根部氮含量呈显著线性相关。

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