营养型保水剂对风沙土理化性质和甜菜效益的影响

秦 超

（张掖市水务局，甘肃 张掖 734000）

甘肃河西走廊气候干燥，年降水量115～200 mm，年蒸发量1800～2500 mm，矿物岩石以物理风化为主，形成了85万hm2的风沙土[1]。近年来，风沙土被农户开垦后种植农作物，种植面积逐渐扩大，由于风沙土质地粗，保水能力弱，作物经常受到干旱的威胁，导致产量低而不稳。保水剂是一种高分子材料，能吸纳本身质量几百甚至上千倍的水，并具有反复吸水的功能。因此保水剂的作用也越来越引起国内外专家的重视。

有关保水剂前人做了大量的研究工作，王雪郦等[2]采用硫酸铵作为引发剂制备的保水剂吸水性能最佳。王漓江等[3]研究发现随着支链淀粉含量的增加，树脂的吸水倍率、保水性能和吸水速率均有提高。左广玲等[4]以大豆和玉米秸秆为原料接枝丙烯酸单体制备了高吸水材料。马鑫等[5]研究发现施用保水剂可明显增加土壤微团粒结构，增大土壤持水率。汪亚峰等[6]研究发现保水剂在短期内对＜2 mm土壤团聚体粒径影响不大，而对于增加＞2 mm土壤团聚体含量效果明显。李倩等[7]认为穴施PAM保水剂处理有效地提高土壤体积含水量及土壤微生物生物量碳、氮质量分数，显著提高马铃薯产量和商品薯率。李希等[8]指出在保水剂的应用环节中，在注重其保水性能的同时，还应系统评估保水剂使用对土壤生态可能造成的影响，特别是对土壤微生物生态的影响。杨永辉等[9]施用保水剂降低了冬小麦根系质膜透性和可溶性糖含量,提高了根系活力。苗娟等[10]以丙烯酰胺、丙烯酸、碳酸钙为主要原料，制备了高吸水保水剂。KPRao等[11]将高吸水树脂与其它材料复合，可以有效地改善其耐盐性和保水性能。冉艳玲等[12]施用保水剂后，土壤饱和含水量、田间持水量、重力水和有效水均显著增加。韩玉国等[13]土壤中施用保水剂后，土壤的饱和含水率明显增加。秦端端等[14]添加保水剂可减少镉在黑麦草地上部的积累量。侯贤清等[15]施用保水剂耕层粒径＞0.25mm稳定性团聚体数量较不施保水剂处理有所提高。邓秀峰等[16]研究发现随着保水剂CLP（丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚物）用量的增加，土壤渗出液中铵态氮、硝态氮的含量均依次降低，说明试验所用保水剂具有保氮的能力。宋双双等[17]研究发现施用高浓度的聚丙烯酸钾盐类保水剂能显著提高土壤田间持水量和水稳性团聚体的含量。马晓凡等[18]研究发现聚丙烯酰胺保水剂在盐碱土、风沙土、棕壤中均具有保水和保肥性能，降低了土壤容重，提高了油菜的产量。

目前有关保水剂研究存在的主要问题是单一保水剂只具备保水功效，不具备营养功能。因此，研究和开发集营养、保水为一体的营养型保水剂成为本文研究的关键所在。本文依据上述存在的问题，选择改性糠醛渣、营养剂和聚丙烯酰胺保水剂为原料，采用正交试验方法确定原料间最佳配合比例，在实验室合成营养型保水剂，并进行田间验证试验，以便对营养型保水剂的保水性能和改土效果做出确切的评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地概况 试验于2014—2017年在甘肃河西走廊的张掖市甘州区沙井镇坝庙村进行，试验地海拔高度1485 m，年降水量116 mm，年蒸发量1850 mm，年平均气温7.50℃，全年日照时数3053 h，无霜期160 d。土壤类型是风沙土，0～0.20 m土层含有机质10.21 g/kg，碱解氮34.80 mg/kg，速效磷4.96 mg/kg，速效钾90.88 mg/kg，有效锌0.39 mg/kg，有效硼0.41 mg/kg，有效钼0.10 mg/kg，pH值8.34，阳离子交换量（CEC）10.67 cmol/kg，土壤质地为细沙土，前茬作物是制种玉米。

1.1.2 参试材料 聚丙烯酰胺保水剂（吸水倍率200 g/g，pH值6.9，粒径1～2 mm，北京汉力淼新技术有限公司产品）；尿素（N 46%）；磷酸二铵（N 18%，含 P2O546%）；硫酸钾（K2O 50%）；硫酸锌（Zn 23%）；硼酸（B 17.50%）；钼酸铵（MO54.3%）；自制营养剂（粒径1～2 mm的硫酸钾、尿素、磷酸二铵、硫酸锌、硼酸、钼酸铵风干重量比按 0.5075∶0.3082∶0.1511∶0.0242∶0.0060∶0.0030 混合， 含 N 15.42%，P2O56.95%，K2O 25.38%，Zn 0.56%，B 0.11%，MO0.16%）；改性糠醛渣（在粒径1～2 mm的风干糠醛渣筛中加入4%的碳酸氢铵，将pH值调整到6.00～6.50，经室内化验分析，含有机质70.23%、腐殖酸11.63%、全氮0.61%、全磷0.36%、全钾1.18%，pH值6.04～6.50，临泽县汇隆化工有限责任公司产品）；甜菜品种张甜201。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理 试验1：营养型保水剂配方筛选。2014年5月8日选择改性糠醛渣、营养剂和聚丙烯酰胺保水剂为3种原料，每种原料设计3个梯度施用量，按正交表L9（33）设计9个处理[19]（表1）。

试验2：营养型保水剂适宜用量研究。（1）营养型保水剂产品合成：将改性糠醛渣、营养剂、聚丙烯酰胺保水剂风干（含水量＜5%）分别粉碎，过粒径1～2 mm筛。依据试验1筛选的配方，将改性糠醛渣、营养剂、聚丙烯酰胺保水剂重量比按0.514∶0.463∶0.023混合搅拌均匀，采用螺旋挤压造粒机造粒（粒径4～6 mm），得到营养型保水剂。经室内化验分析，含有机质36.10%，N 7.39%，P2O53.40%，K2O 12.30%，Zn 0.26%，B 0.05%，MO0.08%。（2）试验处理：2015—2017每年的5月8日，将上述合成的营养型保水剂施用量梯度设计为0（CK）、1、2、3、4、5 t/hm2共 6个处理，以处理 1为对照（CK），每个处理重复 3次，随机区组排列。

1.2.2 种植方法 田间试验小区面积为32 m2（8 m×4 m），小区四周筑埂，埂宽30 cm，高35 cm，营养型保水剂在播种前施入20 cm土层做底肥。播种时间为2014—2017每年的5月8日，株距24 cm，行距50 cm。

1.2.3 灌水方法 每个试验小区为一个支管单元，在支管单元入口安装闸阀、压力表和水表，在甘草沟内安装1条薄壁滴灌带，滴头间距30 cm，流量5.60 L/(m·h)，每个支管单元压力控制在4903 MPa，分别在播种后、播种15 d后、生长盛期、块根膨大期各灌水1次，每个小区灌水量为2.69 m3。

1.2.4 样品采集方法 甜菜收获时，在试验小区内按照对角线采样方法，布置5个样品采集点，每个点连续采集10株，测定根体长度、根直径和单株块根重，取平均数进行统计分析，每个试验小区单独收获，将小区产量折合成公顷产量进行统计分析。甜菜收获后在试验小区内按对角线布置5个样品采集点，采集0～20 cm耕作层土样5 kg，用四分法带回1 kg混合土样，风干15 d，过1 mm筛供室内化验分析。土壤容重、土壤团聚体用环刀采集原状土，未进行风干。

1.2.5 测定指标与方法 甜菜根直径测定采用游标卡尺法；土壤容重测定采用环刀法；孔隙度采用计算法求得；＞0.25 mm团聚体测定采用干筛法；自然含水量采用烘干法；田间持水量测定采用威尔科克斯法；土壤贮水量按公式（自然含水量×土壤容重×土层深度 ×面积÷1000）求得；饱和蓄水量按公式（面积×总孔隙度×土层深度）求得；毛管蓄水量按公式（面积×毛管孔隙度×土层深度）求得；非毛管蓄水量按公式（面积×非毛管孔隙度×土层深度）求得；有机质测定采用重铬酸钾法；碱解氮测定采用扩散法；速效磷测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾测定采用火焰光度计法；pH值测定采用电位法（水土比5∶1）；CEC（阳离子交换量）测定采用乙酸铵—氯化铵法。

1.2.6 数据处理方法 采用SPSS16.0统计软件进行数据统计分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 营养型保水剂配方筛选

将2014年9月30日甜菜收获后测定数据进行方差分析（表1）可以看出，处理3（A1B3C3）与其他处理比较，差异极显著（P＜0.01）。 处理 9、6 和 1 之间差异不显著（P＞0.05），三者与处理2、4、5、7和8差异显著或极显著。处理2与处理4、5、7和 8比差异极显著；处理 4、5、7和 8之间，差异显著。

将表2数据采用正交试验分析方法，可以看出，3种原料间的效应（R）由大到小的顺序依次为：B＞A＞C，说明影响甜菜产量的原料依次是：营养剂（R=88.25）＞改性糠醛渣（R=79.62）＞聚丙烯酰胺保水剂（R=41.20）。比较各原料不同水平的T值可以看出，TA1＞TA3＞TA2，说明改性糠醛渣施用量不要超过 2.00 t/hm2；TB3＞TB2＞TB1，说明随着营养剂施用量梯度的增加，甜菜产量增加，营养剂适宜施用量一般为1.80t/hm2；TC3＞TC1＞TC2，说明随着保水剂施用量梯度的增加，甜菜产量在增加，保水剂适宜施用量为0.09 t/hm2。从各因素的T值可看出，原料间最佳组合为A1改性糠醛渣2.00 t/hm2，B3营养剂1.80 t/hm2，C3聚丙烯酰胺保水剂0.09 t/hm2，即营养型保水剂配方组合为：改性糠醛渣0.514∶营养剂0.463∶聚丙烯酰胺保水剂0.023。

表2 莒养型保水剂施用量对风沙土蓄水量的影响

2.2 营养型保水剂施用量对风沙土理化性质的影响

2.2.1 对风沙土蓄水量的影响 连续定点试验3年后，于2017年9月30日甜菜收获后，采集0～0.20m耕作层土样测定数据可以看出，营养型保水剂施用量与风沙土自然含水量、田间持水量、土壤贮水量、饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量呈线性正相关关系，相关系数（r）分别为 0.9959、0.9361、0.9708、0.99891、0.9894和 0.9890。 营养型保水剂用量 5 t/hm2，自然含水量、田间持水量、土壤贮水量、饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量比CK分别增加29.83 g/kg、3.99 个百分点、38.97 m3/hm2、135.80 t/hm2、51.60 t/hm2和 84.20 t/hm2，差异极显著（P＜0.01）（表 2）。

表3 营养型保水剂施用量对风沙土物理性质的影响

2.2.2 对风沙土其它物理性质的影响 由表3可知，营养型保水剂施用量与风沙土总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、团聚体呈线性正相关关系，与容重呈线性负相关关系，相关系 数 （r）分 别 为 0.9892、0.9894、0.9890、0.9590和-0.9892。营养型保水剂施用量5 t/hm2，总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、团聚体比CK分别增加 6.79、2.58、4.21和5.20个百分点，容重比CK 降低 0.18 g/cm3，差异极显著（P＜0.01）。

表4 营养型保水剂施用量对风沙土化学性质及养分的影响

2.2.3 对风沙土化学性质及有机质和速效氮磷钾的影响 由表4可知，营养型保水剂施用量与风沙土CEC、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾均呈线性正相关关系，与pH值呈线性负相关关系，相关系数（r）分别为 0.9866、0.9541、0.9927、0.9847、0.9455 和-0.9812。营养型保水剂用量5 t/hm2时，CEC、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾比CK分别增加5.83 cmol/kg、3.15 g/kg、30.66 mg/kg、3.39 mg/kg和 55.26 mg/kg，差异极显著（P＜0.01）；pH 值比 CK 降低 1.23 个单位，差异显著（P＜0.05）。

表5 营养型保水剂施用量对甜菜经济性状和经济效益的影响

2.3 营养型保水剂施用量对甜菜经济性状及效益的影响

2.3.1 对甜菜经济性状的影响 由表5可知，随着营养型保水剂施用量梯度的增加，甜菜经济性状和块根产量在递增。营养型保水剂施用量5 t/hm2，与CK比较，根体长度、根直径、单株根重和根产量分别增加 53.25%、61.23%、30.95%和31.30%，差异极显著（P＜0.01）。 经相关分析，营养型保水剂施用量与根体长度、根直径、单株根重和根产量之间呈线性正相关关系，相关系数（r）分别为0.9403、0.9597、0.9432和0.9541。随着营养型保水剂施用量梯度的增加，增产率在增加，增产量则随着保水剂施用量梯度的增加而递减。

2.3.2 对甜菜经济效益的影响 采用经济学原理分析，随着营养型保水剂施用量梯度的增加，边际产量由最初的 6.70 t/hm2，递减到 0.44 t/hm2（表 6）；边际利润由最初的 1202.14 元/hm2，递减到-1614.86 元/hm2，营养型保水剂施用量超过4 t/hm2边际利润出现负值。由此可见，营养型保水剂施用量4 t/hm2时，甜菜增产效应和经济效益较好。将表6营养型保水剂施用量与甜菜块根产量间的关系采用肥料效应回归方程y=a+bx+cx2拟合，得到的回归方程是：y=70.1+6.7073x-0.3443x2………（1）

对回归方程进行显著性测验，F=20.15**＞F0.01=18.87，r=0.9591**，说明回归方程拟合良好。营养型保水剂价格（Px）为1812.86元/t，2015—2017年甜菜块根市场平均收购价（Py）为 450 元/t，将（Px）、（Py）、回归方程的系数 b和c，代入经济效益最佳施用量计算公式x0=[（Px/Py）-b]/2c， 求得营养型保水剂经济效益最佳施用量（x0）为 3.89 t/hm2，将 x0代入（1）式，求得甜菜块根理论产量（y）为90.98 t/hm2，回归分析结果与田间试验处理5营养型保水剂施用量4 t/hm2基本吻合。

表6 营养型保水剂施用量对甜菜产量和经济效益的影响

3 讨论与结论

在河西走廊风沙土上施用营养型保水剂，容重降低，孔隙度增大，团聚体和蓄水量增加。究其原因一是营养型保水剂含有丰富的有机质，因而降低了容重，增大了孔隙度。此变化规律与王君华研究结果相一致[20]。二是营养型保水剂中的有机质在土壤微生物的作用下合成土壤腐殖质，促进了风沙土团聚体的形成，这种变化规律与肖占文等研究结果相吻合[21]。三是营养型保水剂中的聚丙烯酰胺是一类高分子聚合物，吸水倍率很大，在提高土壤持水性能方面具有重要的作用，这种变化规律与谢伯承等研究结果相一致[22]。风沙土上施用营养型保水剂，pH值降低，究其原因是营养型保水剂中的糠醛渣是一种酸性废弃物，因而降低了土壤酸碱度，这种变化规律与谢晓蓉等研究结果相吻合[23]。本研究发现施用营养型保水剂后风沙土速效养分含量有所提高，这种变化规律与营养型保水剂中的大量和微量元素有关。本研究进一步发现，施用营养型保水剂甜菜经济性状和块根产量在递增，且增产效果达到极显著水平，这是由于施用营养型保水剂改善了土壤水肥状况，促进了甜菜的生长发育。

试验表明，营养型保水剂最佳配方组合为：改性糠醛渣0.514∶营养剂0.463∶聚丙烯酰胺保水剂0.023。营养型保水剂与风沙土孔隙度、团聚体、CEC、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、自然含水量、田间持水量、土壤贮水量、饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量、甜菜经济性状和产量呈线性正相关关系，与容重和pH值呈线性负相关关系。营养型保水剂经济效益最佳施用量为3.89 t/hm2，甜菜块根理论产量为90.98 t/hm2。在河西走廊的风沙土上施用营养型保水剂，改善了风沙土理化性质，提高了土壤蓄水量和甜菜产量与效益。