保水劑與磷肥的相互影響及節(jié)水保肥效果

李永勝, 茍春林,2, 杜建軍, 王新愛

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 植物營養(yǎng)與新型肥料研究中心, 廣州 510225;2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院, 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心, 銀川 750002; 3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院, 廣州 510225)

保水劑與磷肥的相互影響及節(jié)水保肥效果

李永勝1, 茍春林1,2, 杜建軍1, 王新愛3

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 植物營養(yǎng)與新型肥料研究中心, 廣州 510225;2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院, 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心, 銀川 750002; 3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院, 廣州 510225)

采用茶袋法測(cè)定保水劑在磷酸一銨、過磷酸鈣溶液中的吸水倍率，并以差減法計(jì)算保水劑對(duì)磷素養(yǎng)分的吸持量，研究不同磷肥對(duì)保水劑吸水性能以及保水劑對(duì)不同磷肥的吸持作用的影響；盆栽條件下以玉米為供試作物，研究保水劑和不同磷肥配合施用下的節(jié)水保肥效果。結(jié)果表明：保水劑在不同磷肥溶液中的吸水倍率隨肥料濃度的增加而下降，過磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響大于磷酸一銨；保水劑在大量吸水的同時(shí)，也對(duì)溶于水中的磷素養(yǎng)分有吸持作用，吸持量隨肥料濃度的增加出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律；保水劑和磷肥配合施用能增加葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度，提高玉米生物量和水肥利用效率，保水劑與磷酸一銨配合施用水肥調(diào)控效果較好。

保水劑; 磷肥; 相互影響; 玉米

保水劑又稱高吸水樹脂，是具有超強(qiáng)吸水能力的功能性高分子材料，能在短時(shí)間內(nèi)吸收其自身質(zhì)量幾百倍甚至幾千倍的水分，并對(duì)水分具有良好的保持性，吸收的水分即使在受熱、加壓條件下也不易散失，而且其保持的水分85%以上可供作物吸收利用。由于其獨(dú)特的性能，保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水土保持中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。有人預(yù)言，保水劑將成為繼化肥、農(nóng)藥、塑料薄膜之后第四大農(nóng)用化學(xué)品[4]。早期對(duì)保水劑的研究主要集中在保水劑的保水、節(jié)水效果和對(duì)土壤物理性質(zhì)及作物生長的影響，結(jié)果表明，保水劑能起到改良土壤結(jié)構(gòu)、抗旱保水、提高苗木成活率、促進(jìn)作物生長、增加產(chǎn)量、提高水分利用效率等作用[5-8]。近年來，隨著研究的不斷深入，保水劑與養(yǎng)分的相互作用逐漸受到重視，特別是保水劑對(duì)氮素的吸附和緩釋作用已有不少研究[9-12]，但保水劑與不同磷肥的相互作用及水肥調(diào)控效果尚未見報(bào)道。本文主要研究保水劑在吸水保水的同時(shí)，對(duì)不同磷肥的吸持作用、不同磷肥對(duì)保水劑吸水保水性能的影響以及保水劑和不同磷肥配合施用下的節(jié)水保肥效果，為保水劑合理使用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

保水劑：聚丙烯酰胺—丙烯酸鹽共聚物保水劑，吸水倍率：230 g/g；粒徑：0.23～0.40 mm；含水率≤90 g/kg。磷肥：磷酸一銨、過磷酸鈣。土壤：旱地赤紅壤，取自仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)場(chǎng)玉米地。土壤pH6.68，有機(jī)質(zhì)17.6 g/kg，全氮、全磷、全鉀分別為3.39 g/kg、0.144 g/kg和4.41 g/kg，有效氮、有效磷、有效鉀分別為76.6 mg/kg、52.4 mg/kg和83.9 mg/kg。作物：玉米，品種為仲糯三號(hào)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 保水劑吸水倍率測(cè)定 吸水倍率測(cè)定采用茶袋法[10]：稱取保水劑0.200 g，放入12 cm×15 cm的200目的已知質(zhì)量的尼龍袋中，封口后于25℃下，放入200 ml去離子水中靜置12 h，保水劑充分吸水后吊起尼龍袋30 min，瀝盡水分，稱重，并收集濾液，計(jì)算吸水倍率。

1.2.2 肥料對(duì)保水劑吸水倍率的影響及保水劑對(duì)肥料吸持量測(cè)定 以同體積的一定濃度系列的磷酸一銨、過磷酸鈣溶液(磷酸一銨濃度為0～2%，過磷酸鈣濃度為0～0.8%)代替去離子水按1.2.1在同樣條件下進(jìn)行測(cè)定，收集濾液，計(jì)算保水劑在不同磷肥溶液中的吸水倍率，以保水劑在去離子水中的吸水倍率為100%，計(jì)算相對(duì)吸水倍率，濾液以釩鉬黃比色法測(cè)定磷含量[13]，用差減法計(jì)算保水劑對(duì)磷肥的吸持量。

1.2.3 盆栽試驗(yàn) 保水劑用量分別為0 g/kg土和4 g/kg土，磷肥品種分別為磷酸一銨和過磷酸鈣，磷肥用量為每千克土80 mg P2O5，共6個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)。所有處理均以尿素和氯化鉀補(bǔ)充氮、鉀養(yǎng)分，氮、鉀用量分別為120 mg/kg土和100 mg K2O/kg土。每盆裝風(fēng)干土4 kg(過3 mm篩)，裝盆時(shí)先把保水劑與少量細(xì)土混勻，再與其余土壤混合，最后與氮、磷、鉀肥料混合均勻。每盆播種4粒發(fā)芽的玉米種子，出苗后留長勢(shì)均勻的2株苗。玉米出苗后第10 d開始水分控制處理，每次間隔15 d。每次水分控制前每個(gè)處理在1 d內(nèi)分3次等量灌水900～1 200 ml，即每次300～400 ml，以使土壤和保水劑充分吸水，大量灌水之后進(jìn)行水分脅迫處理：以不施磷肥、不加保水劑的處理為對(duì)照，使土壤含水量達(dá)到田間最大持水量的50%(稱重法控制)，其它處理灌水量與對(duì)照相同。水分脅迫期間，把盆中滲漏出的溶液又重新倒入盆中，以保證所有處理的等養(yǎng)分條件，如此重復(fù)，共脅迫處理3次，直至收獲。第二次水分脅迫期間，于晴好天氣上午10：00測(cè)定玉米植株的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等生理指標(biāo)。試驗(yàn)在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院溫室進(jìn)行，播種后53 d收獲，分別取地上部和根系烘干稱重，并測(cè)定植株全磷含量。

植株全磷測(cè)定用H2SO4—H2O2消煮，釩鉬黃比色法[13]；光合生理指標(biāo)采用便攜式CI-310光合儀測(cè)定同一葉位葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Cd)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)以DPS軟件統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行多重比較和差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷肥對(duì)保水劑吸水倍率及其養(yǎng)分吸持的影響

保水劑在不同磷肥溶液中的相對(duì)吸水倍率以及對(duì)磷的吸持見表1。可以看出：磷酸一銨對(duì)保水劑相對(duì)吸水倍率的影響在肥料濃度為0.2%時(shí)，保水劑的相對(duì)吸水倍率下降到37.54%，隨著肥料濃度的增加，相對(duì)吸水倍率逐漸降低，在肥料濃度為2.0%時(shí)，保水劑的相對(duì)吸水倍率下降到15.68%。相比于磷酸一鈣，過磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響更大，低濃度的過磷酸鈣溶液可使保水劑的吸水倍率發(fā)生很大的變化，過磷酸鈣濃度僅為0.05%時(shí)，保水劑相對(duì)吸水倍率為54.70%，濃度為0.80%時(shí)，保水劑的相對(duì)吸水倍率降為13.04%，降幅為319.48%。相對(duì)吸水倍率與肥料溶液濃度之間的相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)表示如下：

磷酸一銨y=3.379x-0.3862R2=0.9971

自考本科錄取的學(xué)生成分比較復(fù)雜，學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)能力差異較大。傳統(tǒng)的自考教育教學(xué)方式漠視不同學(xué)生的個(gè)性差異，不關(guān)注學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需要，造成部分學(xué)生厭學(xué)、多次重復(fù)學(xué)習(xí)及補(bǔ)考、可持續(xù)發(fā)展能力不強(qiáng)等問題，制約了自考本科教育的快速發(fā)展。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，信息化技術(shù)迅猛發(fā)展，為個(gè)性化學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。因此，利用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)行基于個(gè)性化學(xué)習(xí)的線上線下混合式教學(xué)模式探索就成為當(dāng)前自考本科教育教學(xué)改革的新嘗試。

過磷酸鈣y=1.049x-0.5159R2=0.9925

式中：y——相對(duì)吸水倍率；x——肥料濃度。直線斜率、指數(shù)的大小表示保水劑相對(duì)吸水倍率對(duì)磷肥濃度影響的敏感程度，直線斜率、指數(shù)越小，表示保水劑相對(duì)吸水倍率對(duì)肥料濃度越敏感，肥料對(duì)保水劑吸水倍率影響較大，可見，過磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響更顯著。

表1 不同磷肥對(duì)保水劑吸水倍率及其養(yǎng)分吸持的影響

注：1.表中數(shù)據(jù)是3次重復(fù)的平均數(shù)；2.肥料濃度中磷酸一銨濃度為0～2.0%，過磷酸鈣濃度為0～0.8%

從保水劑對(duì)P素的吸持來看，不同磷肥品種都是隨著磷濃度的增大，保水劑吸持P素的量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而吸持率則隨濃度的增加而減少。在磷酸一銨溶液中，當(dāng)濃度為1.2%時(shí)，保水劑對(duì)P素吸持達(dá)到最大量，為578.13 mg/g，此后隨濃度的增加吸持量逐漸降低，當(dāng)濃度為2.0%時(shí)，保水劑對(duì)P素吸持量降至43.2 mg/g，只有濃度為1.2%時(shí)最大吸持量的7.47%。在過磷酸鈣溶液中，當(dāng)濃度為0.20%時(shí)，保水劑對(duì)P素吸持達(dá)到最大量，為14.59 mg/g，此后隨濃度的增加吸持量逐漸降低，當(dāng)濃度為0.80%時(shí)，保水劑對(duì)P素吸持量降至5.958 mg/g，只有濃度為0.20%時(shí)最大吸持量的40.83%。

2.2 保水劑與磷肥配施對(duì)玉米生長的影響

從表2可以看出，在相同灌水和供磷水平條件下，施用保水劑后均可不同程度提高玉米植株生長量。不施磷肥、施用磷酸一銨和施用過磷酸鈣三種條件下，配施保水劑與未施保水劑相比，玉米地上部干重分別增加了23.10%，16.38%和15.40%，根系干重分別增加了96.00%，88.41%和61.78%，配施保水劑與未施保水劑玉米地上部干重和根系干重都達(dá)到顯著性差異。從不同磷肥品種來看，保水劑配施磷酸一鈣玉米地上部干重比保水劑配施過磷酸鈣提高了3.2%，二者差異顯著，說明保水劑和磷酸一銨配施的效果好于保水劑和過磷酸鈣配施。

2.3保水劑與不同磷肥配施對(duì)玉米水肥利用效率的影響

表2 保水劑與不同磷肥配施對(duì)玉米生長的影響

注：表中數(shù)據(jù)為4次重復(fù)的平均數(shù)，同列數(shù)據(jù)中具有相同字母表示經(jīng)LSD法檢驗(yàn)差異不顯著(p=0.05)，下同。

表3 保水劑與不同磷肥配施的玉米水肥利用效率

從磷肥利用率來看，不施保水劑和配施保水劑，磷肥利用率都是磷酸一銨大于過磷酸鈣，差異都達(dá)到顯著性水平，磷肥利用率增幅分別為32.9%和11.8%，這一方面說明本試驗(yàn)條件下施用磷酸一銨效果優(yōu)于過磷酸鈣，另一方面也說明配施保水劑后降低了二者之間的差異。同一磷肥品種，配施保水劑后玉米植株的磷肥利用率都比單施磷肥的大，磷酸一銨和過磷酸鈣兩個(gè)處理分別增加了107.65%和146.69%，達(dá)顯著水平。

未施用保水劑時(shí)，施用磷肥比不施磷肥玉米水分利用效率(WUE)顯著提高，施磷酸一銨和過磷酸鈣后玉米WUE分別增加了6.81%和7.47%，但不同磷肥品種處理玉米WUE差異不顯著(表4)。與未施保水劑相比，配施保水劑的相應(yīng)處理WUE均顯著提高，不施磷肥、施磷酸一銨和施過磷酸鈣WUE分別提高了33.0%，27.6%和23.8%，這是因?yàn)楸Ｋ畡┯泻軓?qiáng)的吸水保水能力，能減少水分的滲漏和蒸發(fā)，為植物生長提供更多的水分，從而提高玉米WUE。在施用保水劑的3個(gè)處理中，施用磷酸一銨與不施磷肥及施用過磷酸鈣之間玉米WUE差異顯著，而施過磷酸鈣與不施磷肥之間差異不顯著，說明保水劑與磷酸一銨配施對(duì)玉米植株WUE的提高作用更好。

2.4保水劑與不同磷肥配施對(duì)玉米光合特征及其生理因子的影響

水是光合作用的原料，水分脅迫條件下不同處理玉米光合特征及其生理因子表現(xiàn)出不同的特性。從表4可知，相同磷素用量和肥料種類條件下，施用保水劑后，玉米的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均有所增大，蒸騰速率和胞間CO2濃度卻是減小的，其中凈光合速率的影響最為明顯，其中磷肥配施保水劑與未施保水劑相比凈光合速率差異顯著，不施磷肥、施用磷酸一銨和施用過磷酸鈣三種條件下，配施保水劑與未施保水劑相比，凈光合速率分別增加了8.94%，6.50%和33.30%。此外，在未施保水劑時(shí)，磷酸一銨和過磷酸鈣兩種磷肥品種處理的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度差異顯著，而施用保水劑后，它們之間的差異都不顯著，這是因?yàn)槭┯帽Ｋ畡┖蟾纳屏送寥赖乃謼l件，降低了不同磷肥品種對(duì)玉米光合特性的影響。

表4 保水劑與不同磷肥配施的玉米光合特性

3 討論與結(jié)論

根據(jù)Flory-Huggins的吸水理論模型，保水劑的吸水倍率主要受保水劑本身的結(jié)構(gòu)和外部電解質(zhì)溶液的離子強(qiáng)度及電解質(zhì)性質(zhì)[14]。根據(jù)保水劑的吸水機(jī)理，離子型保水劑與水接觸后，由于離子型親水基團(tuán)的電離，樹脂結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，這是保水劑吸水的動(dòng)力之一。當(dāng)溶液中有電解質(zhì)鹽類存在時(shí)，就會(huì)使樹脂內(nèi)部的滲透壓降低，結(jié)果保水劑吸水能力降低。本研究表明，隨著磷酸一銨和過磷酸鈣濃度的增加，保水劑吸水倍率顯著降低，由于Ca2+為二價(jià)陽離子，而NH4+為一價(jià)陽離子，因而過磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響更大，這與前人的研究結(jié)果一致[15-16]。

保水劑一般都含有微孔，可讓一些小分子或離子擴(kuò)散進(jìn)入，進(jìn)入到保水劑分子內(nèi)部的養(yǎng)分離子或分子，可以暫時(shí)被溶脹的保水劑包裹起來，或被帶電基團(tuán)激活作定向排列，從而將養(yǎng)分吸附保持住[17-19]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，保水劑對(duì)P素有一定的吸持作用，不同磷肥品種都是隨著磷濃度的增大，保水劑吸持P素的量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而吸持率則隨濃度的增加而減少。

保水劑與肥料配施后，既能保持水分，又能吸附養(yǎng)分離子，在一定程度上對(duì)水肥在同一時(shí)空條件下起到一體化調(diào)控作用，以肥調(diào)水，以水促肥，充分發(fā)揮水肥的協(xié)同效應(yīng)，改善了作物干旱脅迫時(shí)的水肥條件，有利于作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，從而提高光合效率，促進(jìn)作物生長，提高水肥利用效率。在本研究中，保水劑用量為4 g/kg土?xí)r，與未施保水劑相比，玉米凈光合速率、生物量、磷肥利用率及水分利用率都顯著提高。

4 結(jié) 論

(1) 保水劑在不同磷肥溶液中的吸水倍率隨肥料濃度的增加而下降，過磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響大于磷酸一銨；保水劑在大量吸水的同時(shí)，也對(duì)溶于水中的磷素養(yǎng)分有吸持作用，吸持量隨肥料濃度的增加出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，而吸持率則隨濃度的增加而減少。

(2) 保水劑與磷酸一銨、過磷酸鈣配合施用能增加葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度，減小蒸騰速率和胞間CO2濃度，顯著提高玉米生物學(xué)產(chǎn)量和水肥利用效率；相比與過磷酸鈣，保水劑與磷酸一銨配合施用的水肥調(diào)控效果最好。

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InteractionBetweenWaterRetainingAgentandPhosphorusFertilizersandtheEffectofWaterandFertilizerConservation

LI Yong-sheng1, GOU Chun-lin1,2, DU Jian-jun1, WANG Xin-ai3

(1.ResearchCenterforPlantNutritionandNewFertilizer,ZhongkaiUniversityofAgriculturalandEngineering,Guangzhou510225,China;2.AnalysisandTestCenterofAgriculture,NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan750002,China; 3.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ZhongkaiUniversityofAgriculturalandEngineering,Guangzhou510225,China)

Water absorbencies of water retaining agent (WRA) in different solution of ammonium phosphate and super phosphate were determined by tea bag method, and phosphorus adsorption capacities of WRA were determined by the difference of phosphorus amounts in the solution before and after adsorption occurred. The effects of different phosphorus fertilizers on water absorbent characteristics of WRA and nutrients adsorption by WRA were studied. Maize was used as the tested crop in a pot experiment to study the effect of water and fertilizer conservation when WRA and different phosphorus fertilizers were applied in combination. The results showed that the water absorbency of the WRA decreased obviously along with the increase of concentrations of various phosphorus fertilizers. Calcium super phosphate had much stronger influence on the water absorbeency of WRA. While WRA absorbed water, it could also absorb phosphate in the solution. With the increase of concentrations of fertilizers, phosphorus adsorption capacity increased at the first stage and then decreased at the second stage. WRA and phosphorus fertilizers applied in combination could obviously increase the net photosynthetic, stomatal conductance and bioyield, as well as phosphorus use efficiency and WUE. WRA and ammonium phosphate applied in combination had the best effect of water and fertilizer conservation.

water retaining agent (WRA); phosphorus fertilizer; interaction; maize

2013-12-28

：2014-01-26

國家自然科學(xué)基金“基于表面聚合機(jī)制的高吸水性樹脂包膜尿素的制備與水肥調(diào)控機(jī)理研究”(31172031);國家自然科學(xué)基金“保水劑與肥料、土壤相互影響及機(jī)理研究”;廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(10251022501000000);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008B021000043);(2012A020100004)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012J4300114)

李永勝(1964—),男,湖北黃陂人,碩士,副教授。研究方向?yàn)橥寥婪柿εc肥料資源高效利用。E-mail:yongshlee@163.com

杜建軍(1966—),男,陜西商州人,博士,教授。主要從事環(huán)境友好型肥料研發(fā)及保水劑應(yīng)用方面的研究工作。E-mail:dujj@tom.com

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