羧甲基纤维素钠对黄土高原新造耕地土壤改良效果

杨世琦 邢 磊 刘宏元 郭 萍*

(1.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.农业农村部农业环境与气候变化重点开放实验室，北京 100081)

基于国内外土壤改良剂及相关材料研究进展，最终确定羧甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose，CMC)为黄土高原新造耕地最佳土壤改良剂。羧甲基纤维素是由天然纤维素经过化学改性得到的一种水溶性纤维素醚，具有吸湿性强，易溶于水和光、热稳定性好等优点。CMC在新材料开发方面的潜力很大，以其为基础的化工材料或产品很多，用途十分广泛，然而已有研究主要涉及化工、医学和食品等学科领域，环境学科领域很少，农业学科领域更少。CMC改性后的很多材料在污泥沉降、水体阳离子去除和重金属吸附等方面表现出优良性能[14-17]。CMC-Na有一定的固沙功能[18]，CMC经过PAM改性，能够在沙土表面形成具有致密网状结构的固化层，稳定性与抗蚀性明显提高[19-21]。CMC经过纳米零价铁(CMC-nFe0)改性与厌氧微生物耦合具有良好的Cr5+稳定性与固定化作用，在土壤污染修复方面具有很大的潜力[22]。羧甲基纤维素钠(Sodium carboxymethyl cellulose，CMC-Na)是羧甲基纤维素的重要改性产品，可作增粘剂、医药乳化剂、食品增稠剂、陶瓷胶粘剂、工业糊料和造纸施胶剂等。利用CMC-Na的粘合性功能进行土壤水分与养分吸附，实现水分养分保持，能够改善新造耕地的土壤质量。目前尚未见以CMC-Na作为土壤改良剂的报道，因此，本研究鉴于CMC-Na材料的特性及其应用基础，首次试验采用CMC-Na 作为新型土壤改良剂，针对延安新造耕地土壤改良的需求，开展羧甲基纤维素钠(CMC-Na)施用下的土壤水分与养分的效应研究，揭示其土壤改良效果，以期为CMC-Na的土壤改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省延安市安塞区南沟村(36°52′28″ N,109°13′36″ E)，属于典型的黄土高原丘陵沟壑区，中温带大陆性半干旱季风气候，四季分明，全年无霜期160 d，平均气温9.1 ℃，降水量约506 mm，主要集中在7—9月，年日照时数为2 396 h，日照54%，平均海拔1 219 m。试验地为3 年新造耕地(第三年撂荒)，位于梁峁顶部，为自上而下的第二级梯田，田面为半圆状，一面靠坡，三面临崖，光照充足。农田土壤属黄绵土类型，质地为轻壤土。2018年试验前土壤耕层(0～20 cm)基本理化性状为：全氮0.38 g/kg、全磷0.37 g/kg，全钾4.9 g/kg，硝态氮2.9 mg/kg，有效磷10.10 mg/kg，速效钾38.1 mg/kg，pH 8.5，土壤有机质8.5 g/kg，土壤容重1.35 g/cm3。

1.2 试验设计及方法

试验设计CK(0 kg/hm2)、T1(100 kg/hm2)、T2(500 kg/hm2)、T3(1 000 kg/hm2)和T4(2 000 kg/hm2)等5个处理，每个处理重复3次。每个小区面积24 m2(4 m×6 m)，小区间以土埂间隔，重复3次。2018年5月10日整地播种，一次性施入复合肥(mN∶mP2O5∶mK2O=15∶14∶16)2 400 kg/hm2与羊粪约3 000 kg/hm2做基肥。谷子品种：晋谷40，行距30 cm，播量7.5 kg/hm2。出苗后按10 cm株距定苗。在苗高达10 cm左右时，行间开沟5 cm深，均匀撒施不同处理的CMC-Na后覆平。10月9日收获，生长期约150 d。田间采用TDR350测定土壤水分和电导率(20 cm土层)，每个处理测定3 次。土壤取样深度20 cm，采用三点法，混匀后装取样袋。实验室采用AA3流动分析仪测定土壤硝态氮、铵态氮含量，NH4OAc浸提-火焰光度法测定速效钾含量，半微量开氏法测定全氮含量，NaOH熔融-钼锑抗比色法测定全磷含量，NaOH熔融-火焰光度法测定全钾含量，梅特勒-托利多pH计将水土比按照5∶1体积比充分震荡静置后测pH。谷子收获前，每个小区随机选取10 株带回室内进行测产。测定采用Microsoft Excel 2013与Origin 9.0进行数据整理分析，选用ANOVA进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 施用CMC-Na对谷子田间土壤水分的影响

在谷子生长季，共分5 次检测各处理的土壤含水量，间隔期大约1 个月，不同CMC-Na施用量 对新造耕地的土壤含水量的影响结果见图1。6月28日：T1和T2的土壤含水量与对照相比达到显著差异(P<0.05，下同)，比对照分别增加36.9%和34.1%，T1和T2之间无显著差异；T3和T4的土壤含水量与对照相比，差异不显著。7月29日：除T2外的其它处理的土壤含水量与对照相比，均达到显著差异，T1、T3和T4比对照组分别增加100.0%、60.9%和66.7%。8月30日：T1、T2、T3和T4处理的土壤含水量与对照差异均不显著。9月23：除T1外的其它处理土壤含水量与对照达到显著差异；T2、T3和T4比对照分别增加28.0%、37.6%和21.3%。10月7日：T1、T2、T3和T4处理与对照相比，均达到显著差异，分别增加71.8%、107.3%、75.2%和120.9%。由此可见，施用CMC-Na改良剂后，提高了土壤水分含量。在对照土壤含水量较低的情况下(<16.3%)，4个处理组土壤含水量与对照相比差异更明显；在对照土壤含水量较高的情况下(>16.3%)，与处理的土壤含水量差异性降低，甚至无差异。结果表明，施用CMC-Na的保水性受土壤自身水分的影响较大：新造耕地土壤含水量达16.3%，是CMC-Na能否发挥保水功能的基本条件。在CMC-Na施用量为100 kg/hm2的情况下，能产生土壤保水效果；在谷子生长季前期尤为明显。另外，CMC-Na施用量与生长季降水量因素也有相关性。根据当地2018年降水量资料，全年降水量511.8 mm，6—10月为420.7 mm，占全年降水量的82.2%。其中：6月份降水量78.3 mm；7月份降水量194.1 mm(7月1—21日降水量190.2 mm)；8月份58.4 mm；9月份降水量74.0 mm；10月上旬降水量0.0 mm。因此，试验期间测得的谷子土壤含水量在6、8和9月相对较高，10月相对较低；降水量在7月虽然很大，但土壤含水量却是最低，可能原因是谷苗较小，田间未能封行，农田蒸发导致土壤水分损失较大所致。

图1 不同CMC-Na施用量对土壤含水量的影响Fig.1 Effects of different CMC-Na application amount on soil water content

2.2 施用CMC-Na对谷子田间土壤电导率的影响

在谷子生长季，共分5 次检测各处理的土壤电导率，间隔期大约1 个月，不同CMC-Na施用量对新造耕地的土壤电导率影响结果见图2。6月28日：T1和T3的土壤电导率与对照相比达到显著差异，且T1与T3相比达到显著差异，分别比对照增加22.8%和8.9%；T2和T4与对照差异不显著，且T2与T4之间差异不显著。7月29日：T1和T3的土壤电导率与对照相比达到显著差异，且T1与T3之间达到显著差异，分别比对照降低了30.9%和20.6%；T2和T4处理与对照差异不显著。8月30日：T2和T4的土壤电导率与对照相比达到显著差异，且T2与T4之间达到显著差异，分别比对照增加了17.4%和34.8%；T1和T3与对照相比差异不显著。9月23日：除T4外的其它处理土壤电导率与对照相比差异不显著，T4比对照增加18.3%。10月7日：T2和T3的土壤电导率与对照相比达到显著差异，分别比对照降低23.1%和26.9%；T1和T4与对照差异不显著。由于土壤电导率受土壤水分和土壤盐分等综合因素影响，导致土壤电导率变化相对复杂。6、8和9月是土壤含水量相对较高的时期，尤其是9月的土壤电导率却相对较低；7月的测定的土壤含水量相对较低，但土壤电导率却没有明显偏低。因此，除了水分因素外，土壤盐分对土壤电导率的影响很大。由于新造耕地的土壤盐分相对较低，土壤养分主要受化肥投入和谷子生长季的影响，前期肥力相对充裕，土壤电导率较高；后期由于作物吸收利用导致肥力下降，土壤电导率就较低。

图2 施用CMC-Na对土壤电导率的影响Fig.2 Effect of different CMC-Na application amount on soil electric conductivity

2.3 施用CMC-Na对谷子田间土壤养分的影响

在谷子生长季结束，检测各处理的土壤电导率，不同CMC-Na施用量对新造耕地的土壤养分影响结果见表1。从土壤养分的测定结果可以看出，全部处理的土壤全氮和全磷与对照相比没有显著差异；土壤全钾除T1外的其他处理与对照未达到显著差异，T1比对照增加了12.9%；全部处理的土壤硝态氮与对照达到显著差异，T1和T2比对照分别增加了38.7%和46.4%，T3和T4比对照分别降低了11.8%和29.5%；全部处理的土壤速效磷与对照达到显著差异，T1、T2、T3和T4分别比对照增加了207.9%、50.0%、63.2%和792.1%；土壤速效钾除T3外的其它处理与对照达到显著差异，T1、T2和T4分别比对照增加了25.7%、13.2%和19.9%。这一试验结果表明，CMC-Na对土壤速效养分影响较大，土壤硝态氮有增有降，提高土壤速效磷和速效钾含量。另外，施用CMC-Na对新造耕地的土壤pH基本没有影响。

表1 不同MC-Na施用量对土壤养分的影响Table 1 Effects of different CMC-Na application amount on soil nutrient

2.4 施用CMC-Na对谷子产量的影响

在谷子生长季结束，检测各处理的谷子产量，不同CMC-Na施用量对新造耕地的谷子产量影响结果见图3。试验结果表明，T1、T2和T3处理的产量与对照相比达到显著差异，其中，T1和T2比对照增产6.4%和5.7%，T3比对照减产8.3%。可以推测，CMC-Na较低施用量能够提高新造耕地谷子产量，较大施用量则可能不利用于谷子生长，对产量有一定负效应。

图3 施用CMC-Na对谷子产量的影响Fig.3 Effect of different CMC-Na application amount on millet yield

3 讨 论

新造耕地施用CMC-Na能够提高土壤含水量，具有土壤保水效果。从本试验结果看，随CMC-Na施用量的增加，土壤含水量并未出现增加或成倍增加的趋势，也未出现随谷子生长季延续土壤含水量增加的趋势，分析原因如下：一是CMC-Na的吸水倍率是自身的几十倍、几百倍，相对于强大的吸水潜力，土壤本身所含水分远远不足，因此，当CMC-Na施用量增加，不会使土壤含水量出现同比例的增长，因此在土壤水分相对匮乏的情况下，各处理之间无显著差异。在较小施用量情况下，材料与水分在土壤中表现为溶胶状态，在较大施用量情况下，材料与水分在土壤则表现为固态，造成施用量较小的处理土壤含水量高于施用量较大的处理的效果。二是CMC-Na的水分吸附与释放过程同时发生，吸水过程较快，释放水分过程相对较慢，因而土壤含水量并没有随生长季变化。本研究选择CMC-Na作为土壤改良剂的田间试验尚属首次，关于CMC-Na在土壤中的水分吸附机理与吸附过程有待进一步研究。

土壤电导率的大小是土壤浸出液中阳离子的量和阴离子的量之和，与土壤溶液可溶性离子的总量成正相关。农田土壤电导率测定受土壤水分、土壤养分(离子)、土壤温度、pH以及农作物吸收利用等因素影响，作为土壤养分状况评价的参考。从试验结果看，土壤电导率与土壤水分不存在必然的正相关，或负相关。总体上在谷子生长季结束，检测各处理的土壤电导率，以不同CMC-Na施用量对新造耕地的土壤养分的影响结果。可以看出，土壤电导率随生长季出现逐渐降低趋势，这个结果可能是由于谷子生长过程中对土壤养分的吸收利用，土壤养分离子浓度降低导致土壤电导率下降；不同MC-Na的施用量处理之间有一定差异，但其施用量大小与土壤电导率无相关。在土壤含水量较低情况下(如7月下旬)，土壤电导率并也不低，在土壤含水量较高的情况下(如6月下旬、8月下旬与9月下旬)，土壤电导率较前一阶段均有降低，推断这个时段的土壤电导率主要影响因素可能是土壤养分。在谷子收获期，较低CMC-Na施用量处理的土壤电导率低于对照，推测是土壤养分离子吸收利用率相对较高所致。新造耕地土壤电导率的主要影响因素可能是土壤养分，在土壤养分较高时，土壤电导率较高；土壤养分较低时，土壤电导率较低。

4 结 论

本研究表明，CMC-Na材料可以作为黄土高原新造耕地的土壤改良剂，能够提高土壤水分，改善土壤养分状况，促进土壤养分吸收利用，对谷子增产有一定贡献。从试验结果看，CMC-Na在较大施用量情况下，土壤改良效果并没有显著提高，而且导致种植成本过度增加。本研究推荐CMC-Na施用量100 kg/hm2。