保水剂与磷肥的相互影响及节水保肥效果

李永胜, 苟春林,2, 杜建军, 王新爱

(1.仲恺农业工程学院 植物营养与新型肥料研究中心, 广州 510225;2.宁夏农林科学院, 农产品质量监测中心, 银川 750002; 3.仲恺农业工程学院化学化工学院, 广州 510225)

保水剂与磷肥的相互影响及节水保肥效果

李永胜1, 苟春林1,2, 杜建军1, 王新爱3

(1.仲恺农业工程学院 植物营养与新型肥料研究中心, 广州 510225;2.宁夏农林科学院, 农产品质量监测中心, 银川 750002; 3.仲恺农业工程学院化学化工学院, 广州 510225)

采用茶袋法测定保水剂在磷酸一铵、过磷酸钙溶液中的吸水倍率，并以差减法计算保水剂对磷素养分的吸持量，研究不同磷肥对保水剂吸水性能以及保水剂对不同磷肥的吸持作用的影响；盆栽条件下以玉米为供试作物，研究保水剂和不同磷肥配合施用下的节水保肥效果。结果表明：保水剂在不同磷肥溶液中的吸水倍率随肥料浓度的增加而下降，过磷酸钙对保水剂吸水倍率的影响大于磷酸一铵；保水剂在大量吸水的同时，也对溶于水中的磷素养分有吸持作用，吸持量随肥料浓度的增加出现先增大后减小的规律；保水剂和磷肥配合施用能增加叶片净光合速率和气孔导度，提高玉米生物量和水肥利用效率，保水剂与磷酸一铵配合施用水肥调控效果较好。

保水剂; 磷肥; 相互影响; 玉米

保水剂又称高吸水树脂，是具有超强吸水能力的功能性高分子材料，能在短时间内吸收其自身质量几百倍甚至几千倍的水分，并对水分具有良好的保持性，吸收的水分即使在受热、加压条件下也不易散失，而且其保持的水分85%以上可供作物吸收利用。由于其独特的性能，保水剂在农业生产和水土保持中得到广泛的应用[1-3]。有人预言，保水剂将成为继化肥、农药、塑料薄膜之后第四大农用化学品[4]。早期对保水剂的研究主要集中在保水剂的保水、节水效果和对土壤物理性质及作物生长的影响，结果表明，保水剂能起到改良土壤结构、抗旱保水、提高苗木成活率、促进作物生长、增加产量、提高水分利用效率等作用[5-8]。近年来，随着研究的不断深入，保水剂与养分的相互作用逐渐受到重视，特别是保水剂对氮素的吸附和缓释作用已有不少研究[9-12]，但保水剂与不同磷肥的相互作用及水肥调控效果尚未见报道。本文主要研究保水剂在吸水保水的同时，对不同磷肥的吸持作用、不同磷肥对保水剂吸水保水性能的影响以及保水剂和不同磷肥配合施用下的节水保肥效果，为保水剂合理使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

保水剂：聚丙烯酰胺—丙烯酸盐共聚物保水剂，吸水倍率：230 g/g；粒径：0.23～0.40 mm；含水率≤90 g/kg。磷肥：磷酸一铵、过磷酸钙。土壤：旱地赤红壤，取自仲恺农业工程学院农场玉米地。土壤pH6.68，有机质17.6 g/kg，全氮、全磷、全钾分别为3.39 g/kg、0.144 g/kg和4.41 g/kg，有效氮、有效磷、有效钾分别为76.6 mg/kg、52.4 mg/kg和83.9 mg/kg。作物：玉米，品种为仲糯三号。

1.2 试验方法

1.2.1 保水剂吸水倍率测定 吸水倍率测定采用茶袋法[10]：称取保水剂0.200 g，放入12 cm×15 cm的200目的已知质量的尼龙袋中，封口后于25℃下，放入200 ml去离子水中静置12 h，保水剂充分吸水后吊起尼龙袋30 min，沥尽水分，称重，并收集滤液，计算吸水倍率。

1.2.2 肥料对保水剂吸水倍率的影响及保水剂对肥料吸持量测定 以同体积的一定浓度系列的磷酸一铵、过磷酸钙溶液(磷酸一铵浓度为0～2%，过磷酸钙浓度为0～0.8%)代替去离子水按1.2.1在同样条件下进行测定，收集滤液，计算保水剂在不同磷肥溶液中的吸水倍率，以保水剂在去离子水中的吸水倍率为100%，计算相对吸水倍率，滤液以钒钼黄比色法测定磷含量[13]，用差减法计算保水剂对磷肥的吸持量。

1.2.3 盆栽试验 保水剂用量分别为0 g/kg土和4 g/kg土，磷肥品种分别为磷酸一铵和过磷酸钙，磷肥用量为每千克土80 mg P2O5，共6个处理，每个处理4次重复。所有处理均以尿素和氯化钾补充氮、钾养分，氮、钾用量分别为120 mg/kg土和100 mg K2O/kg土。每盆装风干土4 kg(过3 mm筛)，装盆时先把保水剂与少量细土混匀，再与其余土壤混合，最后与氮、磷、钾肥料混合均匀。每盆播种4粒发芽的玉米种子，出苗后留长势均匀的2株苗。玉米出苗后第10 d开始水分控制处理，每次间隔15 d。每次水分控制前每个处理在1 d内分3次等量灌水900～1 200 ml，即每次300～400 ml，以使土壤和保水剂充分吸水，大量灌水之后进行水分胁迫处理：以不施磷肥、不加保水剂的处理为对照，使土壤含水量达到田间最大持水量的50%(称重法控制)，其它处理灌水量与对照相同。水分胁迫期间，把盆中渗漏出的溶液又重新倒入盆中，以保证所有处理的等养分条件，如此重复，共胁迫处理3次，直至收获。第二次水分胁迫期间，于晴好天气上午10：00测定玉米植株的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度等生理指标。试验在仲恺农业工程学院温室进行，播种后53 d收获，分别取地上部和根系烘干称重，并测定植株全磷含量。

植株全磷测定用H2SO4—H2O2消煮，钒钼黄比色法[13]；光合生理指标采用便携式CI-310光合仪测定同一叶位叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Cd)和胞间CO2浓度(Ci)。

1.3 数据处理

试验数据以DPS软件统计分析并进行多重比较和差异性检验。

2 结果与分析

2.1 磷肥对保水剂吸水倍率及其养分吸持的影响

保水剂在不同磷肥溶液中的相对吸水倍率以及对磷的吸持见表1。可以看出：磷酸一铵对保水剂相对吸水倍率的影响在肥料浓度为0.2%时，保水剂的相对吸水倍率下降到37.54%，随着肥料浓度的增加，相对吸水倍率逐渐降低，在肥料浓度为2.0%时，保水剂的相对吸水倍率下降到15.68%。相比于磷酸一钙，过磷酸钙对保水剂吸水倍率的影响更大，低浓度的过磷酸钙溶液可使保水剂的吸水倍率发生很大的变化，过磷酸钙浓度仅为0.05%时，保水剂相对吸水倍率为54.70%，浓度为0.80%时，保水剂的相对吸水倍率降为13.04%，降幅为319.48%。相对吸水倍率与肥料溶液浓度之间的相关关系可用幂函数表示如下：

磷酸一铵y=3.379x-0.3862R2=0.9971

自考本科录取的学生成分比较复杂，学习习惯和学习能力差异较大。传统的自考教育教学方式漠视不同学生的个性差异，不关注学生的个性化学习需要，造成部分学生厌学、多次重复学习及补考、可持续发展能力不强等问题，制约了自考本科教育的快速发展。随着“互联网+”时代的到来，信息化技术迅猛发展，为个性化学习提供了强有力的技术支撑。因此，利用信息技术和网络资源，进行基于个性化学习的线上线下混合式教学模式探索就成为当前自考本科教育教学改革的新尝试。

过磷酸钙y=1.049x-0.5159R2=0.9925

式中：y——相对吸水倍率；x——肥料浓度。直线斜率、指数的大小表示保水剂相对吸水倍率对磷肥浓度影响的敏感程度，直线斜率、指数越小，表示保水剂相对吸水倍率对肥料浓度越敏感，肥料对保水剂吸水倍率影响较大，可见，过磷酸钙对保水剂吸水倍率的影响更显著。

表1 不同磷肥对保水剂吸水倍率及其养分吸持的影响

注：1.表中数据是3次重复的平均数；2.肥料浓度中磷酸一铵浓度为0～2.0%，过磷酸钙浓度为0～0.8%

从保水剂对P素的吸持来看，不同磷肥品种都是随着磷浓度的增大，保水剂吸持P素的量呈现先增大后减小的趋势，而吸持率则随浓度的增加而减少。在磷酸一铵溶液中，当浓度为1.2%时，保水剂对P素吸持达到最大量，为578.13 mg/g，此后随浓度的增加吸持量逐渐降低，当浓度为2.0%时，保水剂对P素吸持量降至43.2 mg/g，只有浓度为1.2%时最大吸持量的7.47%。在过磷酸钙溶液中，当浓度为0.20%时，保水剂对P素吸持达到最大量，为14.59 mg/g，此后随浓度的增加吸持量逐渐降低，当浓度为0.80%时，保水剂对P素吸持量降至5.958 mg/g，只有浓度为0.20%时最大吸持量的40.83%。

2.2 保水剂与磷肥配施对玉米生长的影响

从表2可以看出，在相同灌水和供磷水平条件下，施用保水剂后均可不同程度提高玉米植株生长量。不施磷肥、施用磷酸一铵和施用过磷酸钙三种条件下，配施保水剂与未施保水剂相比，玉米地上部干重分别增加了23.10%，16.38%和15.40%，根系干重分别增加了96.00%，88.41%和61.78%，配施保水剂与未施保水剂玉米地上部干重和根系干重都达到显著性差异。从不同磷肥品种来看，保水剂配施磷酸一钙玉米地上部干重比保水剂配施过磷酸钙提高了3.2%，二者差异显著，说明保水剂和磷酸一铵配施的效果好于保水剂和过磷酸钙配施。

2.3保水剂与不同磷肥配施对玉米水肥利用效率的影响

表2 保水剂与不同磷肥配施对玉米生长的影响

注：表中数据为4次重复的平均数，同列数据中具有相同字母表示经LSD法检验差异不显著(p=0.05)，下同。

表3 保水剂与不同磷肥配施的玉米水肥利用效率

从磷肥利用率来看，不施保水剂和配施保水剂，磷肥利用率都是磷酸一铵大于过磷酸钙，差异都达到显著性水平，磷肥利用率增幅分别为32.9%和11.8%，这一方面说明本试验条件下施用磷酸一铵效果优于过磷酸钙，另一方面也说明配施保水剂后降低了二者之间的差异。同一磷肥品种，配施保水剂后玉米植株的磷肥利用率都比单施磷肥的大，磷酸一铵和过磷酸钙两个处理分别增加了107.65%和146.69%，达显著水平。

未施用保水剂时，施用磷肥比不施磷肥玉米水分利用效率(WUE)显著提高，施磷酸一铵和过磷酸钙后玉米WUE分别增加了6.81%和7.47%，但不同磷肥品种处理玉米WUE差异不显著(表4)。与未施保水剂相比，配施保水剂的相应处理WUE均显著提高，不施磷肥、施磷酸一铵和施过磷酸钙WUE分别提高了33.0%，27.6%和23.8%，这是因为保水剂有很强的吸水保水能力，能减少水分的渗漏和蒸发，为植物生长提供更多的水分，从而提高玉米WUE。在施用保水剂的3个处理中，施用磷酸一铵与不施磷肥及施用过磷酸钙之间玉米WUE差异显著，而施过磷酸钙与不施磷肥之间差异不显著，说明保水剂与磷酸一铵配施对玉米植株WUE的提高作用更好。

2.4保水剂与不同磷肥配施对玉米光合特征及其生理因子的影响

水是光合作用的原料，水分胁迫条件下不同处理玉米光合特征及其生理因子表现出不同的特性。从表4可知，相同磷素用量和肥料种类条件下，施用保水剂后，玉米的净光合速率和气孔导度均有所增大，蒸腾速率和胞间CO2浓度却是减小的，其中净光合速率的影响最为明显，其中磷肥配施保水剂与未施保水剂相比净光合速率差异显著，不施磷肥、施用磷酸一铵和施用过磷酸钙三种条件下，配施保水剂与未施保水剂相比，净光合速率分别增加了8.94%，6.50%和33.30%。此外，在未施保水剂时，磷酸一铵和过磷酸钙两种磷肥品种处理的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度差异显著，而施用保水剂后，它们之间的差异都不显著，这是因为施用保水剂后改善了土壤的水分条件，降低了不同磷肥品种对玉米光合特性的影响。

表4 保水剂与不同磷肥配施的玉米光合特性

3 讨论与结论

根据Flory-Huggins的吸水理论模型，保水剂的吸水倍率主要受保水剂本身的结构和外部电解质溶液的离子强度及电解质性质[14]。根据保水剂的吸水机理，离子型保水剂与水接触后，由于离子型亲水基团的电离，树脂结构内外产生渗透压，这是保水剂吸水的动力之一。当溶液中有电解质盐类存在时，就会使树脂内部的渗透压降低，结果保水剂吸水能力降低。本研究表明，随着磷酸一铵和过磷酸钙浓度的增加，保水剂吸水倍率显著降低，由于Ca2+为二价阳离子，而NH4+为一价阳离子，因而过磷酸钙对保水剂吸水倍率的影响更大，这与前人的研究结果一致[15-16]。

保水剂一般都含有微孔，可让一些小分子或离子扩散进入，进入到保水剂分子内部的养分离子或分子，可以暂时被溶胀的保水剂包裹起来，或被带电基团激活作定向排列，从而将养分吸附保持住[17-19]。本试验结果也表明，保水剂对P素有一定的吸持作用，不同磷肥品种都是随着磷浓度的增大，保水剂吸持P素的量呈现先增大后减小的趋势，而吸持率则随浓度的增加而减少。

保水剂与肥料配施后，既能保持水分，又能吸附养分离子，在一定程度上对水肥在同一时空条件下起到一体化调控作用，以肥调水，以水促肥，充分发挥水肥的协同效应，改善了作物干旱胁迫时的水肥条件，有利于作物对水分和养分的吸收，从而提高光合效率，促进作物生长，提高水肥利用效率。在本研究中，保水剂用量为4 g/kg土时，与未施保水剂相比，玉米净光合速率、生物量、磷肥利用率及水分利用率都显著提高。

4 结 论

(1) 保水剂在不同磷肥溶液中的吸水倍率随肥料浓度的增加而下降，过磷酸钙对保水剂吸水倍率的影响大于磷酸一铵；保水剂在大量吸水的同时，也对溶于水中的磷素养分有吸持作用，吸持量随肥料浓度的增加出现先增大后减小的规律，而吸持率则随浓度的增加而减少。

(2) 保水剂与磷酸一铵、过磷酸钙配合施用能增加叶片净光合速率和气孔导度，减小蒸腾速率和胞间CO2浓度，显著提高玉米生物学产量和水肥利用效率；相比与过磷酸钙，保水剂与磷酸一铵配合施用的水肥调控效果最好。

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InteractionBetweenWaterRetainingAgentandPhosphorusFertilizersandtheEffectofWaterandFertilizerConservation

LI Yong-sheng1, GOU Chun-lin1,2, DU Jian-jun1, WANG Xin-ai3

(1.ResearchCenterforPlantNutritionandNewFertilizer,ZhongkaiUniversityofAgriculturalandEngineering,Guangzhou510225,China;2.AnalysisandTestCenterofAgriculture,NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan750002,China; 3.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ZhongkaiUniversityofAgriculturalandEngineering,Guangzhou510225,China)

Water absorbencies of water retaining agent (WRA) in different solution of ammonium phosphate and super phosphate were determined by tea bag method, and phosphorus adsorption capacities of WRA were determined by the difference of phosphorus amounts in the solution before and after adsorption occurred. The effects of different phosphorus fertilizers on water absorbent characteristics of WRA and nutrients adsorption by WRA were studied. Maize was used as the tested crop in a pot experiment to study the effect of water and fertilizer conservation when WRA and different phosphorus fertilizers were applied in combination. The results showed that the water absorbency of the WRA decreased obviously along with the increase of concentrations of various phosphorus fertilizers. Calcium super phosphate had much stronger influence on the water absorbeency of WRA. While WRA absorbed water, it could also absorb phosphate in the solution. With the increase of concentrations of fertilizers, phosphorus adsorption capacity increased at the first stage and then decreased at the second stage. WRA and phosphorus fertilizers applied in combination could obviously increase the net photosynthetic, stomatal conductance and bioyield, as well as phosphorus use efficiency and WUE. WRA and ammonium phosphate applied in combination had the best effect of water and fertilizer conservation.

water retaining agent (WRA); phosphorus fertilizer; interaction; maize

2013-12-28

：2014-01-26

国家自然科学基金“基于表面聚合机制的高吸水性树脂包膜尿素的制备与水肥调控机理研究”(31172031);国家自然科学基金“保水剂与肥料、土壤相互影响及机理研究”;广东省自然科学基金重点项目(10251022501000000);广东省科技计划项目(2008B021000043);(2012A020100004)；广州市科技计划项目(2012J4300114)

李永胜(1964—),男,湖北黄陂人,硕士,副教授。研究方向为土壤肥力与肥料资源高效利用。E-mail:yongshlee@163.com

杜建军(1966—),男,陕西商州人,博士,教授。主要从事环境友好型肥料研发及保水剂应用方面的研究工作。E-mail:dujj@tom.com

S143.2

：A

：1005-3409(2014)06-0067-05