保水剂和水泥含量对切挖边坡人工土壤钾素的影响

张易帆 刘家 王雪 艾应伟

了解保水剂和水泥对人工土壤钾素的影响有助于提高土壤钾素有效性，有利于边坡的植被恢复.本文以保水剂和水泥为基质原材料，选用L9（32）正交表进行试验，研究不同保水剂和水泥含量对土壤钾素形态的影响以及作用机制.结果表明，保水剂和水泥显著增加土壤速效钾、非交换性钾、水溶性钾、特殊吸附钾和非特殊吸附钾含量，而土壤全钾和矿物钾含量均有不同程度地减少.同时，0.30%保水剂和4%水泥能显著提高黑麦草的发芽率，但是过量的保水剂和水泥则明显降低了种子的发芽率.相关性分析表明，土壤pH与土壤有机质是影响土壤钾素有效性的重要因子.保水剂和水泥的施用可提高土壤中速效钾和非交换性钾的含量，促进土壤钾素组分之间的转化，提升土壤钾素有效性.

保水剂； 水泥； 切挖边坡； 人工土壤； 土壤钾素

S156.2A2023.016002

收稿日期： 2022-04-03

基金项目： 国家自然科学基金（41971056）； 国家重点研发计划（2017YFC0504903）

作者简介： 张易帆（1998-）， 女， 四川成都人， 研究领域为修复生态学. E-mail： zhangyifan02_10@163.com

通讯作者： 艾应伟. E-mail： aiyw99@sohu.com

Effects of super absorbent polymers and cement content on artificial soil potassium in cut slope

ZHANG Yi-Fan， LIU Jia， WANG Xue， AI Ying-Wei

（Key Laboratory of Bio-Resources and Eco-Enviroment of Ministry of Education， College of Life Sciences， Sichuan University，  Chengdu 610065， China）

Understanding the effect of super absorbent polymers （SAP） and cement on artificial soil potassium is helpful to improve the availability of soil potassium， which is beneficial to vegetation restoration of the slope. In this paper， SAP and cement were used as matrix raw materials， and the L9 （32） orthogonal table was used to conduct the effects of different SAP and cement contents on soil potassium form and mechanism of action. The results showed that SAP and cement significantly increased the contents of soil rapidly available potassium， non-exchangeable potassium， water-soluble potassium， special adsorbed potassium and non-special adsorbed potassium， while the contents of total soil potassium and mineral potassium decreased to varying degrees. At the same time， 0.30% SAP and 4% cement can significantly improve the germination rate of ryegrass， but excessive SAP and cement significantly reduce the germination rate of seeds. Correlation analysis showed that soil pH and organic matter were important factors affecting soil potassium availability. The application of SAP and cement can increase the content of rapidly available potassium and non-exchangeable potassium in the soil， promote the conversion between soil potassium components and improve the availability of soil potassium.

Super absorbent polymers; Cement; Cut slope; Artificial soil; Soil potassium

1 引 言

人工土壤作为一种切挖边坡修复过程中的特殊喷播基质，含有土壤、水泥、保水剂、复合肥料和腐殖质等材料，其中往往将保水剂和水泥作为植生基层的重要组成部分添加到人工土壤中.保水剂是一种高分子聚合物，不仅可以提高土壤的透水、透气和保水性能，还能改善土壤的团块结构，减少土壤养分淋溶损失，进而提高土壤养分和植物种子的发芽率［1］.但是保水剂重复吸收、释放水分这一独特特性对土壤理化性质和根系生长会产生不稳定的影响，过量的保水剂却会降低根系的抗拉强度和受力［2］.水泥是一种碱性极强的多元聚合物，主要成分是硅酸盐，其主要作用是通过与植物纤维的协同作用，提高基质的粘着性和边坡的稳定性［3］.但是随着基质中水泥含量的增加，种子的发芽和生长明显受到抑制.

钾素与植物体内生理生化活动以及抗旱性密切相关，缺钾会导致植物叶片变黄、组织坏死、影响植物的光合作用和干重，对边坡植被的恢复均有不同程度的影响.土壤中钾素有效性受矿物钾、非交换性钾、交换性钾和水溶性钾四种相互转化的形态控制，各形态的转化处于一个动态平衡过程［4，5］.土壤钾素形态受粘土矿物类型、土壤水分、陪伴例子、pH和有机质等因素综合影响，而保水剂和水泥能改变土壤结构、水分状况、pH和有机质等.因此，研究保水剂和水泥不同水平下土壤钾素组分的动态变化具有重要意义.然而，目前对于切挖边坡人工土壤中钾素的固定和释放过程还缺乏相关研究，保水剂和水泥含量对钾素组分的迁移转化是否有影响还尚未明确，探讨土壤钾素对不同保水剂和水泥添加量的响应将为其改善土壤肥力提供理论基础.

2 材料与方法

2.1 材 料

本研究采用室内模拟试验的方法，供试土壤于2018年8月采集位于四川省阿坝州藏族羌族自治州松潘县川主寺地区X120-雪山梁隧道口附近（北纬32°46′，东经103°38′）未进行修复的切挖边坡土壤，质地为壤土，有机质含量6.23 g/kg，pH为8.45，全钾含量1.78 g/kg，全氮含量0.38 g/kg，全磷含量0.40 g/kg.保水剂选用聚丙烯酰胺（C3H5NO）n（河南鹏捷环保科技有限公司），水泥选择普通硅酸盐水泥（峨眉山水泥有限公司）；植物选择多年生黑麦草（Lolium perenne L.）.

2.2 方 法

2.2.1 试验设计 本实验选用保水剂和水泥两个因素进行正交实验设计，保水剂（A）和水泥（B）分别设置3个水平（用各因素占风干土的百分比表示）：A1：0.15%、A2：0.30%和A3：0.45%；B1：4%、B2：8%和B3：12%.通过正交实验设计共有9个处理，分别为H1（A1B1），H2（A1B2），H3（A1B3），H4（A2B1），H5（A2B2），H6（A2B3），H7（A3B1），H8（A3B2），H9（A3B3）同时设置未添加保水剂和水泥的处理为对照（CK）.在模拟试验中将500 g风干土与不同添加量的保水剂和水泥拌匀，装在11 cm × 15 cm×8 cm（高×盆口直径×盆底直径）塑料容器中.每个处理均加入0.5 g （约328粒）黑麦草种子，由于种子埋土过深会影响其发芽受阻，所以播种后用基质覆盖约2 cm左右.试验共计32 d，模拟试验过程中保证温度、湿度等培养条件均一致.在培养开始时对盆栽进行充分浇灌，并在植物生长32 d后不对植物进行浇水管护，使其自然生长.试验结束后，用镊子剔除砾石、树根，风干后过1 mm、0.149 mm筛备用.

2.2.2 土壤样品分析测定 土壤全钾（TK）采用NaOH 熔融浸提；土壤水溶性钾（WSK）用去离子水浸提；土壤速效钾（RAK）采用1 mol/L 中性NH4OAC浸提；土壤酸溶性钾用 1 mol/L 热HNO3浸提；土壤非交换性钾（NEK）=酸溶性钾-速效钾；土壤非特殊吸附钾（NSAK）=0.5 mol/L中性Mg（OAc）2·4H2O浸提钾-水溶性钾；土壤特殊吸附钾（SAK）=RAK-醋酸镁浸提钾；矿物钾（MK）=TK-酸溶性钾；以上钾素含量均用火焰光度计（FP 640，上海悦丰仪器仪表有限公司）测定.土壤pH值采用电位法测定；土壤有机质（SOM）采用重铬酸钾外加热法测定；土壤含水量采用烘干法测定.

2.2.3 发芽率测定 盆栽试验模拟32 d后，测定不同处理黑麦草种子的发芽率.发芽率（GR）=发芽种子数 / 供试种子数（约328粒） ×100%.

2.2.4 统计分析 使用SPSS 20.0进行数据统计分析，采用Origin 2021 进行绘图.

3 结 果

3.1 不同保水剂水平下土壤中各钾素含量特征

图1a为不同保水剂水平下土壤TK、MK、NEK和RAK的含量.由表3可得保水剂对土壤TK 和MK含量存在显著影响（P<0.05），对土壤NEK、RAK含量是极显著影响（P<0.01）.土壤TK、MK含量随着保水剂的添加呈现先增加后下降的趋势，CK处理土壤TK和MK含量显著高于其他处理组.而土壤NEK、RAK含量随着保水剂含量的增加而增加，不同水平之间均达到显著水平（P<0.05）.相较于CK处理，保水剂0.15%、0.30%、0.45%水平下土壤NEK含量分别增加34.94%、60.60%和84%，土壤RAK含量分别增加450.22%、613.78和646.17%.

不同保水剂水平下土壤NSAK、WSK和SAK含量如图1b所示.根据表1可知保水剂对土壤NSAK、WSK和SAK含量的影响都达到极显著水平（P<0.01）.不同保水剂添加下土壤NSAK含量表现为0.45%组>0.15%组>0.30%组>CK，0.15%和0.30%之间没有显著差异.土壤WSK含量大小为0.30%组>0.45%组>0.15%组>CK，保水剂0.30%和0.45%水平与0.15%、CK之间差异显著（P<0.01）.土壤SAK含量随着保水剂含量的增加而增加，且不同处理之间均存在显著差异（P<0.05）.极差分析（表1）可知，保水剂是影响土壤NEK、RAK和SAK含量的主要因素.

3.2 不同水泥水平下土壤中各钾素含量特征

不同水泥水平下土壤各钾素含量如图2所示.土壤TK、MK、NEK和RAK含量对水泥的响应均达到极显著水平（P<0.01）.土壤TK、MK含量随着水泥含量的增加逐渐降低，土壤TK含量在CK、4%、8%之间无显著差异，而当水泥水平达到12%时，土壤TK含量显著降低（P<0.05）.土壤MK含量大小在不同水泥添加水平下与土壤TK表现一致，其中4%与8%添加水平含量没有明显差异.土壤NEK、RAK含量随着水泥添加水平的增加而增加，即12%组>8%组>4%组>CK.不同水泥添加水平之间土壤RAK含量差异显著（P<0.05）.

不同水泥含量土壤NSAK、WSK和SAK含量如图2b所示.水泥对土壤NSAK、WSK和SAK含量有极显著影响（P<0.01），且表现出随着水泥的增加不断升高的趋势，即12%组>8%组>4%组>CK.不同水泥水平之间的土壤WSK和SAK含量均有显著差异（P<0.05）.由表1可知，水泥是影响土壤TK、MK、WSK和NSAK含量的主要因素.

3.3 不同保水剂和水泥水平对发芽率的影响

不同保水剂和水泥水平对发芽率都有极显著影响（P<0.01）.在保水剂不同添加水平下，发芽率大小为0.15%>0.30%>CK>0.45%，其中0.30%与对照CK没有显著差异，0.45%水平下发芽率显著低于对照组.在不同水泥添加水平下，发芽率大小为4%>CK>8%>12%，12%水泥添加显著降低种子发芽率（P<0.05）.由表3可知保水剂、水泥二者交互作用对发芽率也有极显著差异（P<0.01），根据图3可得H4处理发芽率最高，为66.32%，与H1处理没有显著差异.H9处理发芽率最低（5.41%），明显低于对照组，并且与H6、H8处理不存在显著差异.H2、H3、H5和H7与CK处理差异不显著.通过表2可得，水泥是主要影响发芽率的因素.

3.4 不同保水剂和水泥下人工土壤pH和SOM含量变化

图4a为不同保水剂添加水平下土壤pH和SOM含量的变化，保水剂对土壤pH值没有显著影响，对土壤SOM含量影响显著（P<0.05）.不同保水剂水平之间土壤pH差异不显著，均显著高于CK处理的pH（7.89）.土壤SOM含量在不同保水剂水平下表现为CK、0.30%、0.45%、0.15%依次降低，CK处理土壤SOM含量显著高于其他水平（P<0.05）.

图4b为不同水泥添加水平下土壤pH和SOM含量的变化.水泥对土壤pH和SOM含量均达到极显著影响（P<0.01）.土壤pH随着水泥的增加而上升，即12%、8%、4%、CK依次降低，且不同处理之间均有显著差异（P<0.05）.土壤SOM含量变化趋势则随着水泥的增加而降低，表现为CK>4%>8%>12%.其中CK处理SOM含量显著高于其他处理（P<0.05）.

3.5 不同基质土壤含水量的变化

不同基质土壤含水量变化如图5所示.相较于CK，添加了保水剂和水泥的处理均对土壤含水量的升高有明显的促进作用.在持续的测定下，对照组土壤含水量在第1 d为最大值，为19.64%，随后呈不断下降的趋势，0～16 d时下降速度比16～32 d下降速度快.H1～H9处理均在第4 d达到含水量最大值，其中H5含水量最大，为30.81%.H1～H3处理总体速度较H4～H9处理平缓，H4～H9处理在4～16 d急剧下降后趋于平缓.干旱处理32 d后，H4～H9以及CK处理含水量保持在1.5%左右，H1、H2和H3处理在第32 d时土壤含水量分别为2.18%、5.52%、6.56%，H3处理在第32 d时土壤含水量最高.

3.6 土壤钾素组分与pH、SOM以及发芽率之间的相关性分析

通过对土壤钾素组分与pH、SOM以及发芽率之间的相关性分析，由表3可知，发芽率与TK、MK之间呈正相关关系，但是不显著，与WSK之间呈显著负相关关系（P<0.05），与NEK、RAK、NSAK和SAK之间呈负相关关系，但是不显著.土壤pH与土壤TK之间呈显著负相关关系（P<0.05），与土壤MK之间呈极显著负相关关系（P<0.01），与WSK之间呈极显著正相关关系（P<0.01），与RAK、NSAK、SAK之间呈显著正相关关系（P<0.05）.土壤SOM与RAK、SAK、NSAK之间呈极显著负相关关系（P<0.01），与NEK、WSK之间呈显著负相关关系（P<0.05）.

4 讨 论

4.1 保水剂添加量对土壤钾素的影响

土壤水分是影响土壤钾素形态之间相互迁移转化的重要因素，而保水剂拥有大量亲水基团，能显著提高土壤持水能力［6］.本文研究表明保水剂的添加能在短期内显著增加土壤含水量，而土壤水分充足的条件下会加快钾离子的释放.这是由于土壤含水量的增加，相对而言土壤中钾离子浓度减少，促进固定钾的释放，土壤WSK含量增加［7］.充足的RAK是植物生长的重要条件，本研究表明添加保水剂后，土壤RAK的含量均显著增加，说明保水剂的添加能增加土壤钾素有效性，这可能是由于保水剂通过改善供水条件和土壤结构促进根系分泌物和根长密度增加，加快了土壤中“迟有效态钾”或“无效态钾”分解以及释放，使得土壤中RAK含量升高［8］.土壤RAK和NEK的增加还得益于保水剂能提高土壤细菌丰度和微生物活性，其中溶钾细菌能释放土壤MK，增加RAK和NEK的含量［9］.添加保水剂的处理中SOM含量降低，这与刘世亮等［10］的研究结果一致.同时SOM与有效钾之间呈极显著负相关关系，这是由于SOM的减少会促进氧化还原电位的上升，导致土壤矿物负电荷减少，从而降低土壤对钾离子的亲和力，所以有机质含量的减少能降低土壤对钾离子的固定，从而导致土壤溶液中的钾离子增加［11］.

4.2 水泥添加量对土壤钾素的影响

本文研究结果表明，添加水泥能显著增加土壤RAK含量和土壤pH，且土壤RAK与pH之间存在极显著的正相关关系，这与熊柳梅等［12］的研究结果一致.这可能是由于土壤pH的升高能增加土壤中交换性盐基离子的含量，这使得土壤中有效态钾素形态含量大幅度增加［13］.水泥的添加还能显著增加NEK的含量，原因可能是缓解土壤酸化能增加土壤NEK的含量［14］.土壤TK和MK含量在添加保水剂和水泥后都有所减少，这与刘洋等［15］的研究结果不一致，这可能是水泥的添加增加了土壤中碳酸钙的含量，而钙的富集作用会对全钾含量产生一定的稀释作用［16］.MK含量的降低还有可能是因为黑麦草根系的活化作用，黑麦草对MK的释放有显著的促进作用，黑麦草对钾素的需求会使钾素之间的动态平衡转向钾的净释放［17］.

4.3 保水剂和水泥添加量对植物发芽率的影响

本研究发现保水剂会显著促进种子的萌发，且在保水剂含量为0.3%时发芽率最好，这与Yang等的［18］研究结果相同.同时适当的水泥也会提高种子的发芽率，但是水泥含量的增加会使发芽率逐渐下降，这是因为水泥添加在增大土壤粘聚力的同时也会显著提高土壤的pH值，从而抑制种子的萌发［19］.本实验中水泥添加量大于8%时，发芽率明显下降，而水泥含量为4%时黑麦草发芽率最高，这与张丽颖和孙永章［20］的研究结果一致.因此，在保证边坡稳定性的同时，要根据植被适宜的生存环境来进行保水剂和水泥的合理施用，从而保证边坡生态恢复效果的最大化.

5 结 论

施用保水剂和水泥对土壤TK和MK含量均有不同程度的降低，而土壤WSK、RAK、NEK、SAK和NSAK含量显著提升.这说明在切挖边坡的生态修复中添加保水剂和水泥既能增强土壤持水性能和土壤强度，还能促进土壤钾素组分之间的转化，提升土壤钾素有效性，利于植物的生长.此外，保水剂和水泥在一定范围内能显著提高黑麦草种子的发芽率，保水剂含量超过0.45%、水泥含量超过12%会对发芽率起到明显的抑制作用.保水剂和水泥通过自身的特性直接影响和改变土壤的pH值和SOM来间接影响土壤钾素形态.SOM的增加会降低土壤钾素有效性，促进钾素固定；土壤的pH值升高会增加有效钾的含量，但是过高的pH值会阻碍植物的萌发.基于本研究，综合考虑保水剂和水泥对速效钾含量、种子发芽率以及经济因素，建议使用0.30%的保水剂和4%的水泥.

参考文献：

［1］ 侯贤清， 李荣， 何文寿， 等. 保水剂施用量对旱作土壤理化性质及马铃薯生长的影响［J］. 水土保持学报， 2015， 29： 325.

［2］ Li C， Jia Z H， Peng X N， et al. Functions of mineral-solubilizing microbes and a water retaining agent for the remediation of abandoned mine sites［J］. Sci Total Environ， 2021， 761： 143215.

［3］ Chen S N， Ai X Y， Dong T Y， et al. The physico-chemical properties and structural characteristics of artificial soil for cut slope restoration in Southwestern China ［J］. Sci Rep： UK， 2016， 6： 20565.

［4］ 王亚琼， 牛文全， 王婕， 等. 生物炭对土壤团聚体和钾素的影响［J］. 中国农村水利水电， 2020（6）： 92.

［5］ 丛日环， 李小坤， 鲁剑巍. 土壤钾素转化的影响因素及其研究进展［J］. 华中农业大学学报， 2007， 26： 7.

［6］ Ai F J， Yin X Z， Hu R C， et al. Research into the super-absorbent polymers on agricultural water ［J］. Agr Water Manage， 2021， 245： 106513.

［7］ 霍娜， 王宏庭. 水分对土壤钾素植物有效性的影响研究进展［J］. 山西农业科学， 2014， 42： 1330.

［8］ Liao R K， Yang P L， Yu H L， et al. Establishing and validating a root water uptake model under the effects of superabsorbent polymers ［J］. Land Degrad Dev， 2018， 29： 1478.

［9］ Khani A G， Enayatizamir N， Masir M N. Impact of plant growth promoting rhizobacteria on different forms of soil potassium under wheat cultivation ［J］. Lett Appl Microbiol， 2019， 68： 514.

［10］ 刘世亮， 寇太记， 介晓磊， 等. 保水剂对玉米生长和土壤养分转化供应的影响研究［J］. 河南农业大学学报， 2005， 39： 146.

［11］ Wang F L， Huang P M. Effects of organic matter on the rate of potassium adsorption by soils ［J］. Can J Soil Sci， 2001， 81： 325.

［12］ 熊柳梅， 周柳强， 谢如林， 等. 香蕉地土壤pH的空间变异及其对土壤速效钾的影响［J］.广西农业科学， 2006， 37： 40.

［13］ 王亚琼， 牛文全， 段晓辉， 等. 生物炭对关中塿土不同形态钾素含量的影响［J］. 东北农业科学， 2021， 46： 43.

［14］ Liu K L， Han T F， Huang J， et al. Links between potassium of soil aggregates and pH levels in acidic soils under long-term fertilization regimes ［J］. Soil Till Res， 2020， 197： 104480.

［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： 5.

［16］ Jalali M. Effect of sodium and magnesium on kinetics of potassium release in some calcareous soils of western Iran ［J］. Geoderma， 2008， 145： 207.

［17］ Wang J G， Zhang F S， Cao Y P， et al. Effect of plant types on release of mineral potassium from gneiss ［J］. Nutr Cycl Agroecosys， 2000， 56： 37.

［18］ Yang L X， Yang Y， Chen Z， et al. Influence of super absorbent polymer on soil water retention， seed germination and plant survivals for rocky slopes eco-engineering ［J］. Ecol Eng， 2014， 62： 27.

［19］ Xiao H L， Huang J， Ma Q， et al. Experimental study on the soil mixture to promote vegetation for slope protection and landslide prevention ［J］. Landslides， 2017， 14： 287.

［20］ 张丽颖， 孙永章. 水泥基质对植物种子发芽及幼苗生长的影响［J］. 河北农业科学， 2010， 14： 3.