有机无机复合保水材料对玉米苗期土壤水分及幼苗生长的影响

余 高，陈 芬，谢英荷，赵晓东，郑海霞，谭杰斌

(1.铜仁学院 农林工程与规划学院，贵州 铜仁 554300； 2.山西农业大学 资源与环境学院， 山西 太谷 030801； 3.宁乡丰裕生物科技有限公司，湖南 宁乡 410600)

玉米在生长期内对水分状况反应敏感，干旱影响玉米生长发育的各个阶段，是造成玉米产量不稳的重要原因之一[1-2]。保水剂是一种化学节水材料[3-5]，施用于土壤可以增强土壤保水保肥性能，减少无效蒸发，改良土壤结构，促进作物生长发育，提高水肥利用率[6-7]，在干旱、半干旱地区，被称作农作物干旱时的“微型水库”[8-9]。

相关研究表明，在农作物生产中合理施用保水剂，可有效提高土壤含水量，缓解干旱对作物造成的伤害，促进作物的生长发育[10-20]。余高等[21]研究结果表明，有机-无机复合保水材料能在短期内明显提高土壤含水量，在0～20 cm土层较不施保水材料处理显著提高8.46%，在20～40 cm土层显著提高6.15%。程红胜等[22]研究表明，生物炭基保水剂可以有效提高土壤饱和含水率，较不施保水材料处理提高13.31%～13.54%。张丽华等[23]研究表明，施用保水剂可极显著提高玉米产量、土壤水分含量及水分利用效率，且细粒型优于颗粒型，细粒型最佳施用量为45 kg/hm2，颗粒型最佳施用量为60 kg/hm2。侯贤清等[24]研究表明，穴施保水剂可有效改善马铃薯关键生育时期土壤水分状况，促进作物生长发育，提高作物产量和水分利用效率，以施用60～90 kg/hm2沃特保水剂处理增产和提高作物水分利用效率效果最佳。潘勇刚等[25]研究表明，当保水剂施用量为 30 kg/hm2时，玉米产量最高。综上，不同研究结果间的差异较大，说明不同类型保水剂或者同一类型保水剂在不同地区、不同气候、不同土壤中的应用效果差异较大，使得实际生产中保水剂的应用效果也千差万别[26-27]。

目前，在以玉米为主要农作物的北方干旱、半干旱地区，有关保水材料的报道大多以无机材料为主，而有机无机复合保水材料的应用研究鲜有报道。为此，研究有机无机复合保水材料对玉米苗期土壤水分及生长的影响，为北方干旱、半干旱地区玉米生产节水抗旱和保水剂合理施用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

保水材料：本试验首先选取目前市场上使用较多且保水性能较好的保水材料聚丙烯酰胺(PAM，吸水倍率为360倍)、凹凸棒土(NA，吸水倍率为3.25倍)和腐植酸(FA，吸水倍率为1.75倍)3种保水材料，然后又结合山西省实际，选取了原材料普遍存在且成本低廉的农业固体废弃物秸秆炭(CB，吸水倍率为7.5倍)，共4种材料作为本试验的供试保水材料。

供试土壤：本试验所用土壤取自山西农业大学资源环境学院试验站基地0～20 cm土壤，为石灰性褐土，经自然风干后备用。土壤基本理化性质见表1。

供试作物：玉米品种先玉335。

表1 供试土壤的基本理化性质Tab.1 The basic properties of the tested soil

1.2 试验设计

玉米桶栽试验于2015年4月25日在山西农业大学资源环境学院试验基地的温室内进行。为最大限度发挥有机无机复合保水材料在农业生产中的经济效益，参照已报道的保水剂最佳施用量[23-24]以及谢英荷团队前期的研究成果[21]，本试验共设5个处理，分别为对照(不施保水材料处理，CK)、T1处理(PAM∶NA∶FA∶CB=4∶3∶2∶1)、T2处理(PAM∶NA∶FA∶CB=4∶3∶1∶2)、T3处理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶2∶1)、T4处理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶1∶2)。同时，除CK外，每个处理保水材料的施用量分别设4个水平：0.013、0.027、0.040、0.053 g/kg，各处理及不同施用量均设3个重复。桶栽试验所用塑料桶直径为50 cm，深为40 cm，每桶装风干土10 kg，均施入等量尿素0.1 g/kg，不施磷肥和钾肥。将土、保水材料和尿素充分混匀后装入桶中，播种前，一次性灌溉2 400 mL自来水，每隔24 h称量桶栽一次，测定其保水效果(即土壤水分蒸发率)，5 d后每桶播10粒玉米种子，深度为5～6 cm。10 d后根据玉米出苗情况进行间苗，每桶保留4株长势一致的植株，苗期根据蒸发量同时段等量浇水。于玉米苗期后期(6月10日)进行土壤和植物样品的采集，测定土壤含水率，玉米株高、茎粗、叶面积和干物质积累量。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤水分指标 测定土壤含水率，并计算土壤累积水分蒸发率。其中，土壤含水率=(土壤水质量/烘干土质量)×100%，土壤水分累积蒸发率=[(原始土壤水质量-蒸发后土壤水质量)/烘干土质量]×100%。

1.3.2 玉米生长发育指标 分别采用直尺、游标卡尺测定玉米株高、茎粗。测定玉米各叶片的叶长和最大叶宽，计算叶面积。叶面积=叶长×叶宽×0.75。收获玉米幼苗，于105 ℃ 杀青30 min，然后70 ℃ 烘干至恒质量，即得干物质积累量。

2 结果与分析

2.1 有机无机复合保水材料对玉米苗期土壤水分累积蒸发率的影响

由图1可知，当盆栽土壤中的有机无机复合保水材料施用量为0.013～0.053 g/kg时，各处理土壤水分累积蒸发率均随着时间的延长而逐渐增加，总体上不同时间土壤水分累积蒸发率均表现为T4

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P≤0.05),下同

2.2 有机无机复合保水材料对玉米苗期土壤含水率的影响

由图2可知，当有机无机复合保水材料施用量为0.013 ～0.053 g/kg时，不同有机无机复合保水材料处理的土壤含水率均显著高于CK，同时，T4处理的土壤含水率均最高，显著高于T1、T2处理，但与T3处理差异不显著。当有机无机复合保水材料施用量为0.013 g/kg时，T4处理的土壤含水率为11.78%，分别较CK、T1、T2处理显著提高33.9%、7.6%、8.4%；当有机无机复合保水材料施用量为0.027 g/kg时，T4处理的土壤含水率分别较CK、T1、T2处理显著提高53.6%、15.4%、15.1%；当有机无机复合保水材料施用量为0.040 g/kg时，T4处理的土壤含水率分别较CK、T1、T2处理显著提高72.7%、14.2%、14.7%；当有机无机复合保水材料施用量为0.053 g/kg时，T4处理的土壤含水率分别较CK、T1、T2处理显著提高83.6%、7.3%、8.9%。由图2还可以看出，当有机无机复合保水材料施用量为0.013～0.053 g/kg时，不同有机无机复合保水材料处理的土壤含水率均随着复合保水材料施用量的增加而呈现逐渐升高的趋势，其中，以有机无机复合保水材料施用量为0.053 g/kg的T4处理土壤含水率最高，保墒效果最好。说明有机无机复合保水材料的施用量越高，土壤含水率越高，保墒效果越好。

图2 有机无机复合保水材料对玉米苗期土壤含水率的影响 Fig.2 Effects of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on soil moisture content at seedling stage

2.3 有机无机复合保水材料对玉米幼苗生长的影响

由表2—4可知，在同一施用量水平下，不同有机无机复合保水材料处理的玉米株高、叶面积和茎粗均显著高于CK，且在同一施用量水平下，不同有机无机复合保水材料处理玉米植株的生长表现为T4>T3>T1>T2>CK。当有机无机复合保水材料施用量为0.013 g/kg时，T4处理玉米株高分别较CK、T2处理显著提高55.1%、7.8%，但与T1、T3处理均无显著差异；叶面积分别较CK、T1、T2处理显著提高33.3%、10.8%、14.3%，但与T3处理无显著差异；茎粗分别较CK、T2处理显著提高53.2%、22.0%，但与T1、T3处理均无显著差异。同样，当有机无机复合保水材料施用量为0.027 g/kg时，T4处理的玉米株高、叶面积和茎粗均显著高于CK、T1、T2处理。当有机无机复合保水材料施用量为0.040 g/kg时，除T1、T3处理外，T4处理玉米株高和茎粗均显著高于CK和T2处理，T4处理的叶面积显著高于CK、T1、T2、T3处理。当有机无机复合保水材料施用量为0.053 g/kg时，T4处理的玉米株高显著高于CK、T1、T2处理，叶面积显著高于CK、T1、T2、T3处理，茎粗显著高于CK、T2处理。另外，对于同一有机无机复合保水材料处理，不同施用量对玉米长势的影响表现为0.053 g/kg>0.040 g/kg>0.027 g/kg>0.013 g/kg，说明当有机无机复合保水材料施用量为0.053 g/kg时，对玉米长势具有明显的促进作用。

表2 有机无机复合保水材料对玉米幼苗株高的影响Tab.2 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on plant height of maize seedling cm

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P≤0.05),下同。

Notes: The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments(P≤0.05),the same below.

表3 有机无机复合保水材料对玉米幼苗单株总叶面积的影响

Tab.3 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on leaf area per plant of maize seedlingcm2

表4 有机无机复合保水材料对玉米幼苗茎粗的影响

Tab.4 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on stem diameter of maize seedling cm

2.4 有机无机复合保水材料对玉米幼苗干物质积累量的影响

由图3可知，当有机无机复合保水材料施用量为0.013～0.053 g/kg时，不同有机无机复合保水材料处理的玉米幼苗干物质积累量均显著高于CK，且在同一施用量水平下，不同有机无机复合保水材料处理玉米幼苗干物质积累量表现为T4>T3>T1>T2>CK。当有机无机复合保水材料施用量为0.013 g/kg时，T4处理玉米幼苗干物质积累量较其他处理提高2.8%～19.0%；当有机无机复合保水材料施用量分别为0.027、0.040、0.053 g/kg时，T4处理分别较其他处理提高2.2%～20.8%、2.3%～28.5%、7.5%～36.1%。由图3还可以看出，同一有机无机复合保水材料处理，不同施用量对玉米幼苗干物质积累量的影响表现为0.053 g/kg>0.040 g/kg>0.027 g/kg>0.013 g/kg，说明当有机无机复合保水材料施用量为0.053 g/kg时，玉米幼苗干物质积累量最高。

图3 有机无机复合保水材料对玉米幼苗干物质积累量的影响 Fig.3 Effect of organic-inorganic superabsorbent polymer composites on dry matter accumulation of maize seedling

3 结论与讨论

土壤蒸发是造成土壤水分大量损失的主要途径，造成水资源浪费，同时还会引起土壤盐渍化和地下水污染物表聚等环境问题[28]，而保水剂的施入可以有效抑制土壤水分蒸发[29]。本研究结果表明，不同有机无机复合保水材料处理的土壤水分累积蒸发率总体上均显著低于CK，具体表现为T4

本研究结果表明，当有机无机复合保水材料施用量为0.013～0.053 g/kg时，不同有机无机复合保水材料处理的土壤含水率均显著高于CK，这与张丽华等[23]的研究结果基本一致。这主要是因为施用保水剂可明显提高土壤蓄水、保水能力，在水分充足时，保水剂将大量水分吸收并阻渗在土壤内；水分不足时，保水剂又将吸收的水分慢慢释放出来供植株根系吸收利用，而CK土壤内多余水分会因渗漏、蒸发和蒸腾作用而使土壤含水率降低[23]。本研究结果还表明，有机无机复合保水材料的施用量是影响土壤含水率的重要因素之一，施用量越高，土壤含水率越高，保墒效果越好，反之，土壤含水率越低，保墒效果越差，这与王猛等[31]的研究结果基本一致。这主要是因为有机无机复合保水材料施用量的增加可以有效减少土壤水分蒸发、渗透和植株蒸腾，从而使土壤含水率增加[23]。

有研究表明，有机无机复合保水材料的施入可以有效促进作物的生长发育[10-12]。本研究结果表明，在同一施用量水平下，不同有机无机复合保水材料处理的玉米幼苗株高、叶面积、茎粗和干物质积累量均显著高于CK，具体表现为T4>T3>T1>T2>CK，这与马征等[32]、张蕊等[33]的研究结果基本一致。这主要是因为有机无机复合保水材料的施入可以有效改善土壤结构和水分状况，加速土壤有机质的分解与矿化，促进土壤养分的转化供应，保蓄土壤的有效养分[22]，从而促进玉米的生长发育。本研究结果还表明，当有机无机复合保水材料施用量为0.053 g/kg时，对玉米幼苗长势具有明显的促进作用，此时，玉米幼苗株高、叶面积、茎粗以及干物质累积量均为最佳，这与程闯胜等[2]的研究结果基本一致。这主要是因为当保水材料施用量为0.053 g/kg时，能有效改善玉米的生长环境，为其生长提供相对稳定的水分环境[2]，同时有机无机复合保水材料的施入，使得水分和养分间表现出较好的协同效应，促进玉米植株的生长[34]，从而为增产增收奠定了一定的基础。

综上所述，在本试验条件下，有机无机复合保水材料为T4处理(PAM∶NA∶FA∶CB=5∶2∶1∶2)、施用量为0.053 g/kg时，降低土壤累积蒸发率、提高玉米苗期土壤含水率、促进玉米苗期生长的效果最好。