保水劑構件的保水保肥效果研究

雷鋒文, 符穎怡, 廖宗文, 衛尤明, 毛小云

(華南農業大學 資源環境學院, 廣東 廣州 510642)

保水劑應用在節水農業中已有幾十年的歷史。保水效果源于其吸水倍率。保水劑的性質、種類及其在作物栽培上的應用已有很多報道[1-4]。但保水劑的價格較高，多在2.00×104元/t左右，因而大面積推廣受到一定限制。現有保水劑的應用方式，均為與土混合，并無構型的概念。我們多年研究發現，使保水劑具有一定的形狀(片狀、碗狀)可以獲得一定的保水力而減少滲透，使土層在更長時間內保持更多的水分[5-6]。這種具有特定形狀的保水劑可稱之為保水構件。它的保水效果不僅源于保水劑的吸水力，還來自構型所產生的保水力。因而保水效果優于僅源于吸水力的一般保水劑，同時還可降低成本[7]。本文擬通過對一系列的模擬試驗、盆栽和大田試驗，闡明保水構件的保水保肥效果及其應用前景。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

(1) 盆栽土：赤紅壤。取自華南農業大學校園。pH值5.42，有機質15.6 g/kg,全氮 0.31g/kg,速效磷2.78 mg/kg,速效鉀18 mg/kg。

(2) 大田土：取自華南農業大學試驗基地。pH值7.07，有機質26.32 g/kg，全氮2.03 g/kg，堿解氮155.6 mg/kg，有效磷96.7 mg/kg，速效鉀61.4 mg/kg。

(3) 大田土：取自番禺區欖核鎮牛角村大田。pH值6.23，有機質22.41 g/kg，全氮2.53 g/kg，堿解氮146.22 mg/kg，有效磷102.86 mg/kg，速效鉀85.72 mg/kg。

1.2 供試肥料

尿素(N，46%)；氯化鉀(K2O，61%)；過磷酸鈣(P2O5，12%，SP)，廣西農寶牌；復合肥(N，P2O5，K2O各15%)，雅苒苗樂牌；有機肥(N，P，K 5%，有機質40%，菌2.00×107個/g)，肥力奇；保水劑，東莞市安信保水有限公司提供。

1.3 儀器設備

分光光度計(上海精科UV759)；火焰光度計(上海精科6400A)；

1.4 試驗方法

1.4.1 小杯模擬養分淋溶試驗 供試土壤：赤紅壤，取自華南農業大學校園。取120 g土，參照盆栽用量的5倍施肥(分別為尿素0.156 g/盆、氯化鉀0.095 g/盆，過磷化鈣0.401 g/盆)，保水劑用量0.15 g/盆做對照和2個保水劑處理。使用土壤為華南農業大學網室旁普通紅土(表1)。

表1 小杯模擬試驗方案

1.4.2 盆栽玉米 供試作物為糯玉米，華美糯7號；供試肥料：尿素(N：46%)；氯化鉀(K2O：61%)；過磷酸鈣(P2O5：12%，SP)；供試作物：玉米，華美糯七號；供試土壤：赤紅壤，取自華南農業大學校園。

試驗設3個處理和一個對照，每個處理3次重復，每盆裝土4 kg，每盆種3棵玉米，處理和空白的氮、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；保水劑大田施用時為75 kg/hm2，大田玉米約45 000株/hm2，因此盆栽3棵玉米的保水劑用量為5 g/盆。具體施肥量見表2。

表2 盆栽玉米方案

2017年3月13日育苗，3月15日移苗。為模擬干旱條件，約隔7 d淋水一次，每次500 ml。于5月1日收獲，并測定株高、莖粗、葉綠素、地上部分的生物量及養分含量。

1.4.3 玉米大田試驗 大田試驗面積90 m2。設一個對照和一個保水構件處理， 2個重復。施復合肥300 kg/hm2，對照無保水劑，處理組保水劑75 kg/hm2，第一次施肥時在作物根部一側開溝將吸水150倍的保水劑平鋪于底U并覆蓋約3 cm厚土層并按常規施肥。供試肥料：復合肥(N, K2O,P2O5都為15%)；供試作物：甜玉米，華美甜八號；試驗地點：華南農業大學大田試驗基地。試驗時間為2015年3月10 日至 2015年6月8日。收獲時測定玉米產量及地上部分桿重。

1.4.4 甘蔗(果蔗)大田試驗 試驗面積932 m2，設一個對照和一個保水構件處理，重復2次。施復合肥540 kg/hm2(后期按此量追肥2次)，對照無保水劑，處理組保水劑75 kg/hm2，甘蔗大培土時在作物根部一側開溝將吸水150倍的保水劑平鋪于底并覆蓋約3 cm厚土層并按常規施肥。供試肥料：復合肥(N,K2O,P2O5都為15%)；試驗地點：番禺區欖核鎮牛角村。試驗時間：2015年3月27 日至 2016年3月2日。 收獲時測定產量及地上1 m和1.5 m部位的糖度，取構件層以下10 cm內的土壤測定養分含量。 另隨機采10個點測定甘蔗上下端(地上1 m及1.5 m)的糖度。

2 結果與分析

2.1 模擬試驗結果

由表3可知，T2保水構件效果最好，可減少65%水的流失，同時可減少89%氮，99%磷，85%鉀的流失。保水劑常規使用方法(與土全混)，則可減少27%水的流失，同時可減少23%氮，84%磷，57%鉀的流失。常規混土法也能減少水分及養分流失，但是，明顯低于構件的保水保肥效果。保水構件的保水保肥效果表明，保水劑不僅能夠保水，而且還能保肥。后面的盆栽、大田試驗顯示，這種保水保肥的技術在南方的雨季也有明顯的增產效果。

表3 模擬試驗淋溶液測定

注：表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 盆栽玉米試驗

由表4可知，在淋水較少的干旱情況下，使用保水構件處理效果最好，可使玉米植株生物量增長155%，而保水劑與土壤混合的常規處理，僅增長12.5%。這表明了構件有明顯的的保水保肥效果，因而明顯優于常規混土處理。構件處理的植株生物量增長幅度甚高，與淋水少的干旱脅迫條件有關。在此條件下，對照的生長受到較大抑制，而構件處理則更加充分地發揮了托層保水的效果，兩者的差別更大。

表4 盆栽玉米收獲結果

注：表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3 大田玉米試驗結果

2.3.1 收獲產量結果 由圖1可知，大田保水構件的玉米生物量增加明顯，較CK提高26%。

注：同組不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1 不同處理下大田玉米收獲結果

2.3.2 大量元素養分 由圖2可知，雖無顯著差異，但保水構件還是能促進作物對N，P，K的吸收，其氮、磷、鉀較CK分別增加9.1%，17.6%，4.8%，這與減少了水分和養分流失，促進了養分吸收有關。

圖2 不同處理下大田玉米大量元素測定

2.3.3 中微量元素養分 由表5可知，保水構件能促進作物對Ca，Mg，Zn，Fe，Mn的吸收。吸收增幅在28%～400%倍(鋅)之間。這與減少了水分和養分流失而促進養分吸收有關。

這一試驗說明，對于已經種下的作物無法采用底部構件處理，也可采用單側構件的處理獲得較好的效果。

表5 大田玉米中微量元素測定

注：收獲時，取自上往下第3，4片葉子進行測定；表中同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

2.4 大田甘蔗(果蔗)試驗

2.4.1 產量與糖度 由表6可知，施用保水劑構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 大田甘蔗收獲結果

2.4.2 葉片養分測定 由圖3可知，使用保水構件可提高甘蔗對大量元素養分的吸收，其氮、磷、鉀較CK分別增加9.1%，11%，2%。

圖3 不同處理大田甘蔗葉片養分狀況

2.4.3 土壤養分測定 (構件層以下土壤) 由表7可知，保水構件能減少氮磷鉀養分流失到下層土壤，其流失量較CK分別減少了10%，3.3%，5%。這反映了構件“脫水保肥”的效果，可保留更多養分而促進增產。

表7 甘蔗試驗地(構件下層)養分測定

2.4.4 肥料偏生產力的比較 由表8可知，使用保水構件的甘蔗，其肥料(養分N，P2O5，K2O的含量均為15%)氮、磷、鉀元素的偏生產力都高于對照組CK，均較CK增加10.5%。

表8 甘蔗各元素肥偏生產力的比較

3 討論與結論

3.1 保水構件的優點

模擬試驗、盆栽和大田等系列試驗，顯示了保水構件的突出保水效果。其保水力源于兩方面： 吸水力+構型保水力。即不僅具有一般保水劑的吸水效果，而且還有獨特的保水效果。這樣，與吸水力共同作用，雙管齊下，明顯優于單一的吸水力效果。這是構件的獨特優勢。而且，還可在保水劑中加入吸水力不強的廉價材料(礦物粉、木屑、秸稈)而獲得較高的保水效果，因而可進一步降低成本[7，9]。

3.2 保水構件的增效減污效果

小杯模擬試驗顯示，保水構件可明顯減少土壤溶液的滲透和其中的養分流失。而大田玉米及甘蔗試驗中，保水層下的土壤N,P,K的養分明顯低于CK，也顯示了保水層具有獨特的“保水保肥”作用，這與小杯模擬試驗所顯示的保水保肥效果是一致的。通過構件保水而達到“肥水不外流”的效果。這對于面源污染，尤其是水體富營養化的防控有重要意義。因為“肥隨水走”，控水即可控肥。通過構型產生的保水保肥效果是在保水層上的耕層土，是對耕作層水分的分布空間的調控，這是一種對三維空間的調控，與控釋肥對肥料的“點”的調控不同，調控的空間維度拓寬了，因而調控的范圍更大。

土壤中流失養分情況則都低于對照組。這與構件減少養分淋失的效果密切相關。這一技術在面源污染控制和化肥減量中都有廣闊應用前景[3,5-6]。

保水構件每公頃用量約45～75 kg，成本約900～1 500元，可減少淋失而節肥20%以上，產量不減反增。因此可成為控制面源污染的有效技術，成本低而效果好，有很強可操作性。

3.3 關于保水技術應用的地域和季節的思考

一般認為，保水技術應用于缺水地區和缺水季節。中國西北干旱區和一年當中的秋冬旱季對保水最為關注，而南方雨水充足則更關注養分的保持。而我們的研究顯示，構件的“保水保肥”效果，對于減少降雨和灌溉引起的養分流失有明顯的效果，這表明保水構件不僅在缺水時有保水效果，而在雨季時還具有保肥、增產效果。因此，保水技術的應用不一定局限在特定的干旱地域和干旱季節，通過保水構件的應用，可以開拓更廣闊的時空范圍。

3.4 值得深入研究的構型優化問題

試驗顯示，保水構件明顯提升了保水保肥效果。目前尚處于定性認識的經驗總結階段。今后應進一步向量化精準方向提升。為此需要研究不同構型種類(片狀、碗狀)和不同容水深度的構件的保水效果，從而使構型進一步優化。研究還發現保水構件放置于不同深度的土層對保水效果有很大影響[10]。今后通過連續測定不同土層保水效果獲得的動態值可了解保水效果隨著土層深度和時間而變的情況。在此基礎上進行數學模擬可對這一時空變化規律進行定量描述。這樣，就可實現對構件保水效果的更為準確的量化評估，還可用于預測應用保水構件對于減少面源污染的貢獻。