施用保水材料对酸枣种子萌发及枣田土壤理化性质的影响

张开祥，马宏秀，孟春梅，李宗飞，王开勇

（石河子大学农学院，新疆 石河子 832003）

保水剂，称高吸水性树脂（Super absorbent resin，SAR）又称高吸水性聚合物（Super absorbent polymer，SAP），也称吸水剂、持水剂，是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团，且具有一定交联度的水溶涨型高分子聚合物。高吸水性树脂有着奇特的吸水性能和保水能力，其吸水量可达自身重量的数百至数千倍，并且保水性极强[1]。近年来保水材料在干旱半干旱区农业上的应用日益广泛，突出表现在节水灌溉和生态修复两方面。在节水灌溉方面，保水材料能够显著增加土壤贮水量[2]，提高水分利用率，在土壤干旱的时候，将储存的养分和水分释放出来供作物正常生长发育[3-4]，以此减少作物整个生育期的灌水量[5]，达到农业节水灌溉的目的。在土壤修复方面，保水材料同样可发挥重要的作用。研究表明保水剂可以促进土壤钠离子、钙离子的的交换率，有利于盐分的淋洗，改善土壤结构，增强土壤的保水保肥能力[6]；也有石膏、腐植酸和聚丙烯酰胺（PAM）结合对盐碱地的改良效果最好的报道[7]。在土壤荒漠化治理领域，目前主要采用的修复技术有物理、生物和化学修复技术。其中化学修复中高分子保水材料应用较多，保水材料与沙化土壤混合在一起，使沙化土壤的化学性质得到改善，减小了水分的损失。使用保水材料能明显提高作物产量、改善土壤理化性质[8]。此外，大量试验表明高分子保水材料可以促进种子出苗及作物生长，增加冬小麦的有效分蘖数，从而增加小麦产量[9]。王林虹等[2]研究发现保水材料在促进烟草发育，提高烟叶产量和品质方面均有良好效果。但是目前国内外关于保水材料对酸枣幼苗生长状况及枣田理化性质的影响鲜有研究[10]。可见，关于保水材料在农业中的应用大多集中在节水农业、土壤修复及作物增产上。保水材料可以改善土壤结构，促进土壤微生物发育，提高土壤有机物的周转利用效率和水肥利用率。因此研究保水材料对农田土壤理化性质的影响具有重要的意义。

本研究以酸枣为研究对象，通过大田试验，探讨施用保水材料聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钾、腐植酸对枣田枣苗生长及不同土层有机碳、氮、磷、钾的变化特征，分析保水材料对枣田pH、电导率及酸枣种子萌发的影响，以期为研究保水材料在农业中的应用提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

（1）聚丙烯酰胺土壤调理剂（本课题组自主研制的土壤保水材料），将聚丙烯酰胺进行改性，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）棉粕型腐植酸土壤调理剂（本课题组自主研制的土壤保水材料），从棉粕中提取，每升含腐植酸30 g；

（3）聚丙烯酰胺和棉粕型腐植酸为1∶1的混合物。

（4）棉粕型腐植酸和聚丙烯酸钾为1∶1的混合物，含聚丙烯酸钾2 g/L。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验于2015年进行，分为室内盆栽模拟和田间试验两部分。由于酸枣种子直播出苗率低，因此前期进行盆栽模拟，盆栽试验结束后将酸枣幼苗移栽在大田进行田间试验。

盆栽模拟试验于2015年6月在石河子大学农学院生态实验室进行，试验土壤取自新疆兵团第八师150团的沙土，碱解氮含量1.34 mg/kg，速效磷含量1.49 mg/kg，速效钾含量17.00mg/kg，土壤田间持水率为19.60%。花盆规格为20 cm×30 cm(直径×高)，试验前预先将沙土自然晾干，将2 kg土装入盆栽中待用。试验设置5个处理（表1），其中CK只需加水，复合材料P+H、H+K处理中加入单材料各5mL。每个处理重复5次，每盆中播种30粒酸枣种子。之后每隔3 d浇水1次，出苗后每天记录出苗个数，7 d后测定酸枣的出苗率，并计算种子的相对发芽指数。

田间试验于2015年7月在石河子大学试验站(N44°18'42.37″，E86°03'20.72″)进行。土壤类型为灰漠土，土壤质地为壤土，pH值7.86，碱解氮50.00mg/kg，有效磷 40.40mg/kg，速效钾 180.00mg/kg，有机质12.20 g/kg。试验采用随机区组设计，试验处理与盆栽试验相同，每个处理小区面积8 m2，重复3次。盆栽试验30 d后，将酸枣幼苗移栽到对应田间处理的小区内，每个小区12株。试验各处理（表1）正常灌溉，灌溉和施加材料均采用滴灌方式。在10月初取样测定土壤理化性质及植株根长和茎长。

保水材料施入量依据宣毓龙等[11]改性高分子肥料对小麦生长及产量的影响研究中得出；田间试验的各个处理均正常灌溉施肥，灌水量和施肥量依据郭守斌[12]的红枣酸枣直播建园栽培技术规程中得出。

表1 试验设计Tab.1 Experiment design

1.2.2 测定指标与方法

盆栽出苗7 d后统计出苗数，并计算酸枣出苗率和相对发芽指数：

出苗率=出苗数/供试种子数×100%；

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)；

上式中，Gt与Dt分别对应当天的发芽种子数与发芽时间，t=0，1，2，3，…，n。

于 2015年 10月初取枣田 0-20、20-40、40-60 cm土层土样进行土壤有机碳、土壤碱解氮、土壤速效磷、土壤速效钾的测定，土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法；土壤速效磷的测定采用0.5mol/L NaHCO3浸提法；土壤速效钾的测定采用NH4OAc浸提-火焰光度法。同时测定各土层土样的pH、电导率，土壤pH的测定使用PHS-3C型实验室pH计测定；土壤电导率的测定使用DDS-307电导率仪测定。此外，各处理小区取5棵植株样测量其根长和茎长。

1.2.3 数据处理

采用Excel 2003软件对所得数据进行处理和作图，用SPSS20.0软件进行统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同保水材料对酸枣出苗率和相对发芽指数的影响

由图1可知，施用保水材料之后，种子的出苗率和相对发芽指数相比 CK均显著提高，P、H、P+H、H+K处理酸枣种子出苗率依次增加了30.00%、37.77%、55.55%、40.00%；种子相对发芽指数的增幅分别为74.98%、163.75%、222.89%、73.07%。其中施加P+H材料促进酸枣种子萌发的效果最好。

图1 不同保水材料处理酸枣种子出苗率及相对发芽指数Fig.1 Germination rate and relative germination index of different water retaining materials

2.2 不同保水材料对酸枣幼苗茎长和根长的影响

图2 不同保水材料处理酸枣幼苗的茎长和根长Fig.2 Length of stem and root of sour jujube seedlings with different water retaining materials

由图2可知，P+H处理可以明显促进酸枣幼苗生长。对于幼苗茎长和根长，P+H处理均显著高于CK，茎长增幅30.19%，根长增幅为57.58%；其他P、H、H+K处理条件下，茎长与CK无显著差异，根长均显著高于 CK，增幅依次为：15.15%、39.39%、24.24%。由图可知，施用保水材料对酸枣幼苗根部生长的影响大于茎的生长。

2.3 不同保水材料对枣田土壤pH和电导率的影响

由表2可知，施用不同保水材料后，0-20 cm土层土壤pH和CK无显著差异；20-40 cm土层，H+K处理的pH最高，P+H处理显著低于CK，较CK减小0.08，P、H处理与CK差异不显著；40-60 cm土层，P+H处理显著低于CK及其他处理，较CK减少0.08，其他处理与CK无显著差异。

由表 3可知，0-20 cm土层的土壤电导率，P、H、P+H、H+K处理均显著高于 CK，增幅依次为38.04%、94.10%、100.07%、46.51%；20-40 cm 土层，P、H、P+H、H+K处理均显著低于CK，分别比CK降低 14.23%、4.71%、16.22%、12.21%；40-60 cm 土层各处理的电导率同样显著低于CK，分别降低11.67%、18.68%、15.62%、13.82%。

表2 不同保水材料处理枣田0-60 cm土层土壤pH值Tab.2 Soil pH of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

表3 不同保水材料处理枣田0-60 cm土层土壤电导率μm/cmTab.3 Soil conductivity of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4 不同保水材料对枣田土壤养分的影响

2.4.1 不同保水材料对枣田有机碳含量的影响

由图3可知，0-20 cm土层各处理的土壤有机碳含量均在8 g/kg以上，不同材料处理较CK变幅为-20%-10%，各处理的土壤有机碳含量依次为P＞CK＞P+H＞H+K＞H，处理间差异显著；20-40 cm土层有机碳含量为6-9 g/kg，P处理的有机碳含量显著高于CK及其他处理，H、P+H、H+K处理显著低于CK；40-60 cm土层的有机碳含量为5-7 g/kg，P处理与CK之间差异不显著，均显著高于其他处理，P+H处理显著高于H、H+K处理，H处理和H+K处理之间差异不显著。

图3 不同保水材料处理枣田0-60 cm土层土壤有机碳含量Fig.3 Soil organic carbon content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.2 不同保水材料对枣田碱解氮含量的影响

由图4可知，0-20 cm土层各处理的土壤碱解氮含量均在37 mg/kg以上，P+H处理、P处理的碱解氮含量显著高于CK和其他处理，较CK增幅分别为64.86%、24.32%，H处理和H+K处理与 CK之间无明显差异；20-40 cm土层土壤碱解氮含量为32-48 mg/kg，P+H处理、P处理碱解氮含量显著高于CK和其他处理，较CK的增幅分别为41.18%和17.65%；40-60 cm土层土壤碱解氮含量低于0-40 cm，其中P+H处理、H处理显著高于CK。

图4 不同保水材料处理枣田0-60 cm土层土壤碱解氮含量Fig.4 Content of alkali hydrolyzable nitrogen of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.3 不同保水材料对枣田速效磷含量的影响

由图5可知，各层土壤速效磷含量由表层向下呈递减趋势。在0-20 cm土层中，P+H处理的土壤速效磷含量显著高于其他各处理，较CK的增幅为30.31%，P处理显著高于CK、H、H+K处理，较CK的增幅为6.03%；20-40 cm土层的土壤速效磷含量集中在10.01-14.85mg/kg，P+H处理显著高于其他处理，较CK增幅为32.59%，P处理和H处理之间差异不显著，但显著高于CK；40-60 cm土层的土壤速效磷含量低于10.86 mg/kg，其中P+H处理显著高于其他处理，较CK增幅为14.68%，P、H处理与CK无显著差异。

图5 不同保水材料处理枣田0-60 cm土层的土壤速效磷含量Fig.5 Soil available phosphorus content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

2.4.4 不同保水材料对枣田速效钾含量的影响

由图6可知，施用保水材料可显著增加土壤速效钾含量。0-20 cm土层P+H处理，速效钾含量显著高于其他处理，较 CK增幅 39.13%，P、H、H+K处理之间差异不显著，均显著高于CK，增幅分别为18.30%、14.19%、16.62%；20-40 cm 土层施加保水材料处理均显著高于CK，增幅依次为8.55%、19.45%、19.48%、22.13%；在 40-60 cm 土层中，P+H处理的速效钾含量显著高于其他处理，较CK增幅为20.11%，H+K处理的速效钾含量显著高于CK，H处理与CK差异不显著。

图6 不同保水材料处理枣田0-60 cm土层的土壤速效钾含量Fig.6 Soil available potassium content of 0-60 cm soil layer with different water holding materials

3 讨论

保水剂的主要作用是将植物一时不能利用的降水或灌溉水尽可能贮蓄起来，而持续地供应植物水分。本研究发现，聚丙烯酰胺材料和腐植酸-聚丙烯酰胺复合材料施入土壤可显著增加0-60 cm土层的土壤有机碳含量，腐植酸材料和腐植酸-聚丙烯酸钾复合材料均显著降低了有机碳含量。其原因可能是高分子保水材料抑制土壤微生物生长，从而减少土壤有机碳的分解，腐植酸保水材料促进土壤微生物繁殖，进而增加有机碳的分解，大量研究表明，腐植酸可以增加土壤微生物数量[13-14]，刘洋等[15]研究表明保水剂可以使土壤微生物数量下降。因此，本试验后期将会对土壤微生物及C/N进行深入研究。有研究表明，保水材料可以提高土壤养分含量，进而促进作物生长[16-19]，本研究与前人研究结果一致，保水材料可以显著保持土壤中碱解氮、速效磷、速效钾含量，其中以腐植酸-聚丙烯酰胺复合材料效果最佳。由于土壤养分含量高，酸枣幼苗的茎长和根长也显著的增长。此外，本研究中0-20 cm土层，腐植酸-聚丙烯酰胺复合材料处理的土壤电导率值显著升高，20-60 cm土层显著降低，同时20-60 cm土层的土壤pH值随之降低，说明施入腐植酸-聚丙烯酰胺复合保水材料可以显著改善土壤理化性质，研究结果与马斌等[8]研究一致。

大量研究[20-21]表明，一定浓度的保水材料可以促进种子萌发，本研究结果与前人研究结果相同，保水材料可以促进酸枣种子萌发，其原因可能是保水材料吸附较多的水分，为种子发芽提供良好的环境；也有可能是保水材料吸附在种子表面形成一层保护膜，保水材料吸收大量的水分为种子萌发提供前提条件。目前的研究大多针对保水剂初次使用后对土壤理化性状的改善，保水剂长期使用后对土壤环境的影响报道较少，在保水剂的使用过程中，随着使用时间的推移，保水剂对土壤性质改善的效果变化还有待研究。

4 结论

施用保水材料可以显著改善枣田土壤理化性质，为作物生长提供良好的环境。施用保水材料均显著提高酸枣种子出苗率和相对发芽指数，同时促进酸枣幼苗根长和茎长生长。聚丙烯酰胺材料和腐植酸-聚丙烯酰胺复合材料均可提高0-60 cm土层土壤有机碳、土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量，从而促进酸枣幼苗生长，其中腐植酸-聚丙烯酰胺复合材料的施用对改善土壤理化性质的效果最佳。因此，建议在干旱地区中低产枣田推广施用腐植酸-聚丙烯酰胺复合保水材料，以改善土壤环境，提高作物产量，实现农业生产的可持续发展。

[1]王林虹，刘宝宜，姜亚历，等.保水剂在烟草生产上的应用[J].作物研究，2017，31(1):99-102.Wang L H，Liu B Y，Jiang Y L，et al.Application of super absorbent polymers in tobacco production[J].Crop Research，2017，31(1):99-102.

[2]李刚，张虎平，吕德生，等.膨润土-有机复合吸水材料的制备及其吸水保水特性研究[J].石河子大学学报(自然科学版)，2007，25(1):88-91.Li G，Zhang H P，Lu D S，et al.Synthesis and characterization of water-absorption and waterretention of bentonite-organic compound absorbent water material[J].Journal of Shihezi University(Natural Science)，2007，25(1):88-91.

[3]Mao S S,Islam M R,Xue X Z,et al.Evaluation of a watersaving superabsorbent polymer for corn(Zea maysL.)production in arid regions of Northern China[J].African Journal of Agricultural Research,2011，17(6)：4108-4115.

[4]Yu J，Shi J G，Dang P F，et al.Soil and polymer properties affecting water retention by superabsorbent polymersunder drying conditions[J].Soil Science Society of America Journal，2012，76(5):1758-1767.

[5]Flannery R L,Busscher W J.Use of a synthetic polymer in potting soils to improve water holding capacity[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,1982，13(2)：103-111.

[6]王睿彤，孙景宽，陆兆华.土壤改良剂对黄河三角洲滨海盐碱土生化特性的影响[J].生态学报，2017，37(2):425-431.Wang R T，Sun J K，Lu Z H.Effects of soil amendments on biochemical properties of coastal saline-alkali soil in the Yellow River Delta[J].Acta Ecologica Sinica，2017，37(2):425-431.

[7]黄占斌，孙在金.环境材料在农业生产及其环境治理中的应用[J].中国生态农业学报，2013，21(1):88-95.Huang Z B，Sun Z J.Application of environmental materials in agricultural production and environmental treatment[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture，2013，21(1):88-95.

[8]马斌，刘景辉，杨彦明，等.连续施用保水材料对旱作条件下土壤特性及燕麦生长的影响[J].生态学报，2017，37(17):1-12.Ma B，Liu J H，Yang Y M，et al.Effects of continuous application of water-retention material on soil characteristics and Oat(Avena nudaL.)growth under dry-farming conditions[J].Acta Ecologica Sinica，2017，37(17):1-12.

[9]庄文化.农用高分子化合物对作物生长效应及其机理研究[D].北京：中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心），2009.

[10]赵娟娟，孟瑛，鲁晓燕，等.NaCl胁迫对酸枣(Ziziphus acidojujuba)幼苗光合作用和荧光特性的影响[J].石河子大学学报(自然科学版)，2017，35(3):319-325.Zhao J J，Meng Y，Lu X Y，et al.Effect of NaCl stress on the photosynthetic and chlorophyll fluorescence characteristics of sour jujube(Ziziphus acidojujuba)seedlings[J].Journal of Shihezi University(Natural Science)，2017，35(3):319-325.

[11]宣毓龙,庞庆阳,王开勇,等.改性高分子肥料对小麦生长及产量的影响[J].西南农业学报,2016,29(11):2615-2619.Xuan Y L,Pang Q Y,Liu Y,et al.Effects of modified macromolecular fertilizers on growth and yield of wheat[J].Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2016,29(11):2615-2619.

[12]郭守斌.红枣酸枣直播建园栽培技术规程[J].农业科技与信息,2013(21):13-15.Guo S B.Technical regulations for the cultivation ofJujube jujubelive seed garden[J].Agricultural Technology and Information,2013(21):13-15.

[13]刘兰兰，史春余，梁太波，等.腐植酸肥料对生姜土壤微生物量和酶活性的影响[J].生态学报，2009，29(11):6136-6141.Liu L L，Shi C Y，Liang T B，et al.Microbial and enzyme activity in response to hunic acid in soil with a ginger crop[J].Acta Ecologica Sinica，2009，29(11):6136-6141.

[14]杨海波，陈运，侯宪文.生物腐植酸对土壤碳组分的影响[J].中国农学通报，2015，31(20):137-141.Yang H B，Chen Y，Hou X W.Effects of biology humic acid on the component of soil carbon[J].Chinese Agricultural Science Bulletin，2015，31(20):137-141.

[15]刘洋，史薪钰，陈梦华，等.不同保水措施对退化干旱山地新植核桃园土壤养分和微生物的影响[J].水土保持通报，2015，35(4):218-222.Liu Y，Shi X Y，Chen M H，et al.Effects of different water conservation measures on soil nutrients and microbes in a newly planted walnut orchard in degraded drought mountain land[J].Journal of Soil and Water Conservation，2015，35(4):218-222.

[16]李晶晶，邹超煜，白岗栓.聚丙烯酰胺对坡地苹果园水土流失和土壤养分流失的影响 [J].应用生态学报，2016，27(9):2991-2999.Li J J，Zou C Y，Bai G S.Effect of polyacrylamide on soil erosion and soil nutrient loss in sloped apple orchards[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2016，27(9):2991-2999.

[17]范富，张庆国，侯迷红，等.保水剂对不同质地土壤保肥性影响的研究[J].干旱地区农业研究，2013，31(6):115-120.Fan F，Zhang Q G，Hou M H，et al.Effects of super absorbent polymer on nutrient retaining property in soils with different textures[J].Agrarian Regional Agriculture Research，2013，31(6):115-120.

[18]Islm M R，Hu Y G，Fei C，et al.Application of superabsorbent polymer:A new approach for wheat(Triticum aestivumL.)production in drought-affected areas of northern China[J].Journal of Food，Agriculture&Environment，2011，9(1):304-309.

[19]Islam M R，Xue X Z，Mao S S，et al.Effects of watersaving superabsorbent polymer on antioxidant enzyme activities andlipid peroxidation in oat(Avena s ativaL.)under drought stress[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2011，91(4):680-686.

[20]李柯妮，王康才，牛灵慧，等.保水技术对干旱胁迫下桔梗种子萌发及幼苗生长和生理特征的影响 [J].西北植物学报，2015，35(11):2280-2289.Li K N，Wang K C，Niu L H，et al.Effects of water conservation techniques on seeds germination，seedling growth and physiological characteristics of platycodon grandiflorum[J].Northwest China Botany，2015，35(11):2280-2289.

[21]曹远博，王百田，魏婷婷，等.2种型号保水剂的特性及其应用研究[J].水土保持学报，2014，28(4):283-288.Cao Y B，Wang B T，Wei T T，et al.The properties of two kinds of super absorbent polymer and its application[J].Journal of Soil and Water Conservation，2014，28(4):283-288.