保水剂构件的保水保肥效果研究

雷锋文, 符颖怡, 廖宗文, 卫尤明, 毛小云

(华南农业大学 资源环境学院, 广东 广州 510642)

保水剂应用在节水农业中已有几十年的历史。保水效果源于其吸水倍率。保水剂的性质、种类及其在作物栽培上的应用已有很多报道[1-4]。但保水剂的价格较高，多在2.00×104元/t左右，因而大面积推广受到一定限制。现有保水剂的应用方式，均为与土混合，并无构型的概念。我们多年研究发现，使保水剂具有一定的形状(片状、碗状)可以获得一定的保水力而减少渗透，使土层在更长时间内保持更多的水分[5-6]。这种具有特定形状的保水剂可称之为保水构件。它的保水效果不仅源于保水剂的吸水力，还来自构型所产生的保水力。因而保水效果优于仅源于吸水力的一般保水剂，同时还可降低成本[7]。本文拟通过对一系列的模拟试验、盆栽和大田试验，阐明保水构件的保水保肥效果及其应用前景。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

(1) 盆栽土：赤红壤。取自华南农业大学校园。pH值5.42，有机质15.6 g/kg,全氮 0.31g/kg,速效磷2.78 mg/kg,速效钾18 mg/kg。

(2) 大田土：取自华南农业大学试验基地。pH值7.07，有机质26.32 g/kg，全氮2.03 g/kg，碱解氮155.6 mg/kg，有效磷96.7 mg/kg，速效钾61.4 mg/kg。

(3) 大田土：取自番禺区榄核镇牛角村大田。pH值6.23，有机质22.41 g/kg，全氮2.53 g/kg，碱解氮146.22 mg/kg，有效磷102.86 mg/kg，速效钾85.72 mg/kg。

1.2 供试肥料

尿素(N，46%)；氯化钾(K2O，61%)；过磷酸钙(P2O5，12%，SP)，广西农宝牌；复合肥(N，P2O5，K2O各15%)，雅苒苗乐牌；有机肥(N，P，K 5%，有机质40%，菌2.00×107个/g)，肥力奇；保水剂，东莞市安信保水有限公司提供。

1.3 仪器设备

分光光度计(上海精科UV759)；火焰光度计(上海精科6400A)；

1.4 试验方法

1.4.1 小杯模拟养分淋溶试验 供试土壤：赤红壤，取自华南农业大学校园。取120 g土，参照盆栽用量的5倍施肥(分别为尿素0.156 g/盆、氯化钾0.095 g/盆，过磷化钙0.401 g/盆)，保水剂用量0.15 g/盆做对照和2个保水剂处理。使用土壤为华南农业大学网室旁普通红土(表1)。

表1 小杯模拟试验方案

1.4.2 盆栽玉米 供试作物为糯玉米，华美糯7号；供试肥料：尿素(N：46%)；氯化钾(K2O：61%)；过磷酸钙(P2O5：12%，SP)；供试作物：玉米，华美糯七号；供试土壤：赤红壤，取自华南农业大学校园。

试验设3个处理和一个对照，每个处理3次重复，每盆装土4 kg，每盆种3棵玉米，处理和空白的氮、磷肥用量一致，按N：120 mg/kg土，即1.04 g/盆；P2O580 mg/kg土，即2.67 g/盆； K2O 100 mg/kg土，即0.63 g/盆；保水剂大田施用时为75 kg/hm2，大田玉米约45 000株/hm2，因此盆栽3棵玉米的保水剂用量为5 g/盆。具体施肥量见表2。

表2 盆栽玉米方案

2017年3月13日育苗，3月15日移苗。为模拟干旱条件，约隔7 d淋水一次，每次500 ml。于5月1日收获，并测定株高、茎粗、叶绿素、地上部分的生物量及养分含量。

1.4.3 玉米大田试验 大田试验面积90 m2。设一个对照和一个保水构件处理， 2个重复。施复合肥300 kg/hm2，对照无保水剂，处理组保水剂75 kg/hm2，第一次施肥时在作物根部一侧开沟将吸水150倍的保水剂平铺于底U并覆盖约3 cm厚土层并按常规施肥。供试肥料：复合肥(N, K2O,P2O5都为15%)；供试作物：甜玉米，华美甜八号；试验地点：华南农业大学大田试验基地。试验时间为2015年3月10 日至 2015年6月8日。收获时测定玉米产量及地上部分杆重。

1.4.4 甘蔗(果蔗)大田试验 试验面积932 m2，设一个对照和一个保水构件处理，重复2次。施复合肥540 kg/hm2(后期按此量追肥2次)，对照无保水剂，处理组保水剂75 kg/hm2，甘蔗大培土时在作物根部一侧开沟将吸水150倍的保水剂平铺于底并覆盖约3 cm厚土层并按常规施肥。供试肥料：复合肥(N,K2O,P2O5都为15%)；试验地点：番禺区榄核镇牛角村。试验时间：2015年3月27 日至 2016年3月2日。 收获时测定产量及地上1 m和1.5 m部位的糖度，取构件层以下10 cm内的土壤测定养分含量。 另随机采10个点测定甘蔗上下端(地上1 m及1.5 m)的糖度。

2 结果与分析

2.1 模拟试验结果

由表3可知，T2保水构件效果最好，可减少65%水的流失，同时可减少89%氮，99%磷，85%钾的流失。保水剂常规使用方法(与土全混)，则可减少27%水的流失，同时可减少23%氮，84%磷，57%钾的流失。常规混土法也能减少水分及养分流失，但是，明显低于构件的保水保肥效果。保水构件的保水保肥效果表明，保水剂不仅能够保水，而且还能保肥。后面的盆栽、大田试验显示，这种保水保肥的技术在南方的雨季也有明显的增产效果。

表3 模拟试验淋溶液测定

注：表中同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 盆栽玉米试验

由表4可知，在淋水较少的干旱情况下，使用保水构件处理效果最好，可使玉米植株生物量增长155%，而保水剂与土壤混合的常规处理，仅增长12.5%。这表明了构件有明显的的保水保肥效果，因而明显优于常规混土处理。构件处理的植株生物量增长幅度甚高，与淋水少的干旱胁迫条件有关。在此条件下，对照的生长受到较大抑制，而构件处理则更加充分地发挥了托层保水的效果，两者的差别更大。

表4 盆栽玉米收获结果

注：表中同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.3 大田玉米试验结果

2.3.1 收获产量结果 由图1可知，大田保水构件的玉米生物量增加明显，较CK提高26%。

注：同组不同字母表示处理间差异显著(p<0.05)，下同。

图1 不同处理下大田玉米收获结果

2.3.2 大量元素养分 由图2可知，虽无显著差异，但保水构件还是能促进作物对N，P，K的吸收，其氮、磷、钾较CK分别增加9.1%，17.6%，4.8%，这与减少了水分和养分流失，促进了养分吸收有关。

图2 不同处理下大田玉米大量元素测定

2.3.3 中微量元素养分 由表5可知，保水构件能促进作物对Ca，Mg，Zn，Fe，Mn的吸收。吸收增幅在28%～400%倍(锌)之间。这与减少了水分和养分流失而促进养分吸收有关。

这一试验说明，对于已经种下的作物无法采用底部构件处理，也可采用单侧构件的处理获得较好的效果。

表5 大田玉米中微量元素测定

注：收获时，取自上往下第3，4片叶子进行测定；表中同列不同字母表示处理间差异显著(p<0.05)。

2.4 大田甘蔗(果蔗)试验

2.4.1 产量与糖度 由表6可知，施用保水剂构件可使甘蔗生物量增加10.5%，且使甘蔗上下端的糖度提高3%～5.5%。

表6 大田甘蔗收获结果

2.4.2 叶片养分测定 由图3可知，使用保水构件可提高甘蔗对大量元素养分的吸收，其氮、磷、钾较CK分别增加9.1%，11%，2%。

图3 不同处理大田甘蔗叶片养分状况

2.4.3 土壤养分测定 (构件层以下土壤) 由表7可知，保水构件能减少氮磷钾养分流失到下层土壤，其流失量较CK分别减少了10%，3.3%，5%。这反映了构件“脱水保肥”的效果，可保留更多养分而促进增产。

表7 甘蔗试验地(构件下层)养分测定

2.4.4 肥料偏生产力的比较 由表8可知，使用保水构件的甘蔗，其肥料(养分N，P2O5，K2O的含量均为15%)氮、磷、钾元素的偏生产力都高于对照组CK，均较CK增加10.5%。

表8 甘蔗各元素肥偏生产力的比较

3 讨论与结论

3.1 保水构件的优点

模拟试验、盆栽和大田等系列试验，显示了保水构件的突出保水效果。其保水力源于两方面： 吸水力+构型保水力。即不仅具有一般保水剂的吸水效果，而且还有独特的保水效果。这样，与吸水力共同作用，双管齐下，明显优于单一的吸水力效果。这是构件的独特优势。而且，还可在保水剂中加入吸水力不强的廉价材料(矿物粉、木屑、秸秆)而获得较高的保水效果，因而可进一步降低成本[7，9]。

3.2 保水构件的增效减污效果

小杯模拟试验显示，保水构件可明显减少土壤溶液的渗透和其中的养分流失。而大田玉米及甘蔗试验中，保水层下的土壤N,P,K的养分明显低于CK，也显示了保水层具有独特的“保水保肥”作用，这与小杯模拟试验所显示的保水保肥效果是一致的。通过构件保水而达到“肥水不外流”的效果。这对于面源污染，尤其是水体富营养化的防控有重要意义。因为“肥随水走”，控水即可控肥。通过构型产生的保水保肥效果是在保水层上的耕层土，是对耕作层水分的分布空间的调控，这是一种对三维空间的调控，与控释肥对肥料的“点”的调控不同，调控的空间维度拓宽了，因而调控的范围更大。

土壤中流失养分情况则都低于对照组。这与构件减少养分淋失的效果密切相关。这一技术在面源污染控制和化肥减量中都有广阔应用前景[3,5-6]。

保水构件每公顷用量约45～75 kg，成本约900～1 500元，可减少淋失而节肥20%以上，产量不减反增。因此可成为控制面源污染的有效技术，成本低而效果好，有很强可操作性。

3.3 关于保水技术应用的地域和季节的思考

一般认为，保水技术应用于缺水地区和缺水季节。中国西北干旱区和一年当中的秋冬旱季对保水最为关注，而南方雨水充足则更关注养分的保持。而我们的研究显示，构件的“保水保肥”效果，对于减少降雨和灌溉引起的养分流失有明显的效果，这表明保水构件不仅在缺水时有保水效果，而在雨季时还具有保肥、增产效果。因此，保水技术的应用不一定局限在特定的干旱地域和干旱季节，通过保水构件的应用，可以开拓更广阔的时空范围。

3.4 值得深入研究的构型优化问题

试验显示，保水构件明显提升了保水保肥效果。目前尚处于定性认识的经验总结阶段。今后应进一步向量化精准方向提升。为此需要研究不同构型种类(片状、碗状)和不同容水深度的构件的保水效果，从而使构型进一步优化。研究还发现保水构件放置于不同深度的土层对保水效果有很大影响[10]。今后通过连续测定不同土层保水效果获得的动态值可了解保水效果随着土层深度和时间而变的情况。在此基础上进行数学模拟可对这一时空变化规律进行定量描述。这样，就可实现对构件保水效果的更为准确的量化评估，还可用于预测应用保水构件对于减少面源污染的贡献。