羧甲基纖維素鈉對(duì)黃土高原新造耕地土壤改良效果

楊世琦 邢 磊 劉宏元 郭 萍*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

基于國(guó)內(nèi)外土壤改良劑及相關(guān)材料研究進(jìn)展，最終確定羧甲基纖維素(Carboxymethyl cellulose，CMC)為黃土高原新造耕地最佳土壤改良劑。羧甲基纖維素是由天然纖維素經(jīng)過(guò)化學(xué)改性得到的一種水溶性纖維素醚，具有吸濕性強(qiáng)，易溶于水和光、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。CMC在新材料開(kāi)發(fā)方面的潛力很大，以其為基礎(chǔ)的化工材料或產(chǎn)品很多，用途十分廣泛，然而已有研究主要涉及化工、醫(yī)學(xué)和食品等學(xué)科領(lǐng)域，環(huán)境學(xué)科領(lǐng)域很少，農(nóng)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域更少。CMC改性后的很多材料在污泥沉降、水體陽(yáng)離子去除和重金屬吸附等方面表現(xiàn)出優(yōu)良性能[14-17]。CMC-Na有一定的固沙功能[18]，CMC經(jīng)過(guò)PAM改性，能夠在沙土表面形成具有致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固化層，穩(wěn)定性與抗蝕性明顯提高[19-21]。CMC經(jīng)過(guò)納米零價(jià)鐵(CMC-nFe0)改性與厭氧微生物耦合具有良好的Cr5+穩(wěn)定性與固定化作用，在土壤污染修復(fù)方面具有很大的潛力[22]。羧甲基纖維素鈉(Sodium carboxymethyl cellulose，CMC-Na)是羧甲基纖維素的重要改性產(chǎn)品，可作增粘劑、醫(yī)藥乳化劑、食品增稠劑、陶瓷膠粘劑、工業(yè)糊料和造紙施膠劑等。利用CMC-Na的粘合性功能進(jìn)行土壤水分與養(yǎng)分吸附，實(shí)現(xiàn)水分養(yǎng)分保持，能夠改善新造耕地的土壤質(zhì)量。目前尚未見(jiàn)以CMC-Na作為土壤改良劑的報(bào)道，因此，本研究鑒于CMC-Na材料的特性及其應(yīng)用基礎(chǔ)，首次試驗(yàn)采用CMC-Na 作為新型土壤改良劑，針對(duì)延安新造耕地土壤改良的需求，開(kāi)展羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)施用下的土壤水分與養(yǎng)分的效應(yīng)研究，揭示其土壤改良效果，以期為CMC-Na的土壤改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于陜西省延安市安塞區(qū)南溝村(36°52′28″ N,109°13′36″ E)，屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，四季分明，全年無(wú)霜期160 d，平均氣溫9.1 ℃，降水量約506 mm，主要集中在7—9月，年日照時(shí)數(shù)為2 396 h，日照54%，平均海拔1 219 m。試驗(yàn)地為3 年新造耕地(第三年撂荒)，位于梁峁頂部，為自上而下的第二級(jí)梯田，田面為半圓狀，一面靠坡，三面臨崖，光照充足。農(nóng)田土壤屬黃綿土類型，質(zhì)地為輕壤土。2018年試驗(yàn)前土壤耕層(0～20 cm)基本理化性狀為：全氮0.38 g/kg、全磷0.37 g/kg，全鉀4.9 g/kg，硝態(tài)氮2.9 mg/kg，有效磷10.10 mg/kg，速效鉀38.1 mg/kg，pH 8.5，土壤有機(jī)質(zhì)8.5 g/kg，土壤容重1.35 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)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個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m)，小區(qū)間以土埂間隔，重復(fù)3次。2018年5月10日整地播種，一次性施入復(fù)合肥(mN∶mP2O5∶mK2O=15∶14∶16)2 400 kg/hm2與羊糞約3 000 kg/hm2做基肥。谷子品種：晉谷40，行距30 cm，播量7.5 kg/hm2。出苗后按10 cm株距定苗。在苗高達(dá)10 cm左右時(shí)，行間開(kāi)溝5 cm深，均勻撒施不同處理的CMC-Na后覆平。10月9日收獲，生長(zhǎng)期約150 d。田間采用TDR350測(cè)定土壤水分和電導(dǎo)率(20 cm土層)，每個(gè)處理測(cè)定3 次。土壤取樣深度20 cm，采用三點(diǎn)法，混勻后裝取樣袋。實(shí)驗(yàn)室采用AA3流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定速效鉀含量，半微量開(kāi)氏法測(cè)定全氮含量，NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量，NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定全鉀含量，梅特勒-托利多pH計(jì)將水土比按照5∶1體積比充分震蕩?kù)o置后測(cè)pH。谷子收獲前，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10 株帶回室內(nèi)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。測(cè)定采用Microsoft Excel 2013與Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，選用ANOVA進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用CMC-Na對(duì)谷子田間土壤水分的影響

在谷子生長(zhǎng)季，共分5 次檢測(cè)各處理的土壤含水量，間隔期大約1 個(gè)月，不同CMC-Na施用量 對(duì)新造耕地的土壤含水量的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。6月28日：T1和T2的土壤含水量與對(duì)照相比達(dá)到顯著差異(P<0.05，下同)，比對(duì)照分別增加36.9%和34.1%，T1和T2之間無(wú)顯著差異；T3和T4的土壤含水量與對(duì)照相比，差異不顯著。7月29日：除T2外的其它處理的土壤含水量與對(duì)照相比，均達(dá)到顯著差異，T1、T3和T4比對(duì)照組分別增加100.0%、60.9%和66.7%。8月30日：T1、T2、T3和T4處理的土壤含水量與對(duì)照差異均不顯著。9月23：除T1外的其它處理土壤含水量與對(duì)照達(dá)到顯著差異；T2、T3和T4比對(duì)照分別增加28.0%、37.6%和21.3%。10月7日：T1、T2、T3和T4處理與對(duì)照相比，均達(dá)到顯著差異，分別增加71.8%、107.3%、75.2%和120.9%。由此可見(jiàn)，施用CMC-Na改良劑后，提高了土壤水分含量。在對(duì)照土壤含水量較低的情況下(<16.3%)，4個(gè)處理組土壤含水量與對(duì)照相比差異更明顯；在對(duì)照土壤含水量較高的情況下(>16.3%)，與處理的土壤含水量差異性降低，甚至無(wú)差異。結(jié)果表明，施用CMC-Na的保水性受土壤自身水分的影響較大：新造耕地土壤含水量達(dá)16.3%，是CMC-Na能否發(fā)揮保水功能的基本條件。在CMC-Na施用量為100 kg/hm2的情況下，能產(chǎn)生土壤保水效果；在谷子生長(zhǎng)季前期尤為明顯。另外，CMC-Na施用量與生長(zhǎng)季降水量因素也有相關(guān)性。根據(jù)當(dāng)?shù)?018年降水量資料，全年降水量511.8 mm，6—10月為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，試驗(yàn)期間測(cè)得的谷子土壤含水量在6、8和9月相對(duì)較高，10月相對(duì)較低；降水量在7月雖然很大，但土壤含水量卻是最低，可能原因是谷苗較小，田間未能封行，農(nóng)田蒸發(fā)導(dǎo)致土壤水分損失較大所致。

圖1 不同CMC-Na施用量對(duì)土壤含水量的影響Fig.1 Effects of different CMC-Na application amount on soil water content

2.2 施用CMC-Na對(duì)谷子田間土壤電導(dǎo)率的影響

在谷子生長(zhǎng)季，共分5 次檢測(cè)各處理的土壤電導(dǎo)率，間隔期大約1 個(gè)月，不同CMC-Na施用量對(duì)新造耕地的土壤電導(dǎo)率影響結(jié)果見(jiàn)圖2。6月28日：T1和T3的土壤電導(dǎo)率與對(duì)照相比達(dá)到顯著差異，且T1與T3相比達(dá)到顯著差異，分別比對(duì)照增加22.8%和8.9%；T2和T4與對(duì)照差異不顯著，且T2與T4之間差異不顯著。7月29日：T1和T3的土壤電導(dǎo)率與對(duì)照相比達(dá)到顯著差異，且T1與T3之間達(dá)到顯著差異，分別比對(duì)照降低了30.9%和20.6%；T2和T4處理與對(duì)照差異不顯著。8月30日：T2和T4的土壤電導(dǎo)率與對(duì)照相比達(dá)到顯著差異，且T2與T4之間達(dá)到顯著差異，分別比對(duì)照增加了17.4%和34.8%；T1和T3與對(duì)照相比差異不顯著。9月23日：除T4外的其它處理土壤電導(dǎo)率與對(duì)照相比差異不顯著，T4比對(duì)照增加18.3%。10月7日：T2和T3的土壤電導(dǎo)率與對(duì)照相比達(dá)到顯著差異，分別比對(duì)照降低23.1%和26.9%；T1和T4與對(duì)照差異不顯著。由于土壤電導(dǎo)率受土壤水分和土壤鹽分等綜合因素影響，導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率變化相對(duì)復(fù)雜。6、8和9月是土壤含水量相對(duì)較高的時(shí)期，尤其是9月的土壤電導(dǎo)率卻相對(duì)較低；7月的測(cè)定的土壤含水量相對(duì)較低，但土壤電導(dǎo)率卻沒(méi)有明顯偏低。因此，除了水分因素外，土壤鹽分對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響很大。由于新造耕地的土壤鹽分相對(duì)較低，土壤養(yǎng)分主要受化肥投入和谷子生長(zhǎng)季的影響，前期肥力相對(duì)充裕，土壤電導(dǎo)率較高；后期由于作物吸收利用導(dǎo)致肥力下降，土壤電導(dǎo)率就較低。

圖2 施用CMC-Na對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響Fig.2 Effect of different CMC-Na application amount on soil electric conductivity

2.3 施用CMC-Na對(duì)谷子田間土壤養(yǎng)分的影響

在谷子生長(zhǎng)季結(jié)束，檢測(cè)各處理的土壤電導(dǎo)率，不同CMC-Na施用量對(duì)新造耕地的土壤養(yǎng)分影響結(jié)果見(jiàn)表1。從土壤養(yǎng)分的測(cè)定結(jié)果可以看出，全部處理的土壤全氮和全磷與對(duì)照相比沒(méi)有顯著差異；土壤全鉀除T1外的其他處理與對(duì)照未達(dá)到顯著差異，T1比對(duì)照增加了12.9%；全部處理的土壤硝態(tài)氮與對(duì)照達(dá)到顯著差異，T1和T2比對(duì)照分別增加了38.7%和46.4%，T3和T4比對(duì)照分別降低了11.8%和29.5%；全部處理的土壤速效磷與對(duì)照達(dá)到顯著差異，T1、T2、T3和T4分別比對(duì)照增加了207.9%、50.0%、63.2%和792.1%；土壤速效鉀除T3外的其它處理與對(duì)照達(dá)到顯著差異，T1、T2和T4分別比對(duì)照增加了25.7%、13.2%和19.9%。這一試驗(yàn)結(jié)果表明，CMC-Na對(duì)土壤速效養(yǎng)分影響較大，土壤硝態(tài)氮有增有降，提高土壤速效磷和速效鉀含量。另外，施用CMC-Na對(duì)新造耕地的土壤pH基本沒(méi)有影響。

表1 不同MC-Na施用量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Table 1 Effects of different CMC-Na application amount on soil nutrient

2.4 施用CMC-Na對(duì)谷子產(chǎn)量的影響

在谷子生長(zhǎng)季結(jié)束，檢測(cè)各處理的谷子產(chǎn)量，不同CMC-Na施用量對(duì)新造耕地的谷子產(chǎn)量影響結(jié)果見(jiàn)圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明，T1、T2和T3處理的產(chǎn)量與對(duì)照相比達(dá)到顯著差異，其中，T1和T2比對(duì)照增產(chǎn)6.4%和5.7%，T3比對(duì)照減產(chǎn)8.3%。可以推測(cè)，CMC-Na較低施用量能夠提高新造耕地谷子產(chǎn)量，較大施用量則可能不利用于谷子生長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)量有一定負(fù)效應(yīng)。

圖3 施用CMC-Na對(duì)谷子產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of different CMC-Na application amount on millet yield

3 討 論

新造耕地施用CMC-Na能夠提高土壤含水量，具有土壤保水效果。從本試驗(yàn)結(jié)果看，隨CMC-Na施用量的增加，土壤含水量并未出現(xiàn)增加或成倍增加的趨勢(shì)，也未出現(xiàn)隨谷子生長(zhǎng)季延續(xù)土壤含水量增加的趨勢(shì)，分析原因如下：一是CMC-Na的吸水倍率是自身的幾十倍、幾百倍，相對(duì)于強(qiáng)大的吸水潛力，土壤本身所含水分遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，因此，當(dāng)CMC-Na施用量增加，不會(huì)使土壤含水量出現(xiàn)同比例的增長(zhǎng)，因此在土壤水分相對(duì)匱乏的情況下，各處理之間無(wú)顯著差異。在較小施用量情況下，材料與水分在土壤中表現(xiàn)為溶膠狀態(tài)，在較大施用量情況下，材料與水分在土壤則表現(xiàn)為固態(tài)，造成施用量較小的處理土壤含水量高于施用量較大的處理的效果。二是CMC-Na的水分吸附與釋放過(guò)程同時(shí)發(fā)生，吸水過(guò)程較快，釋放水分過(guò)程相對(duì)較慢，因而土壤含水量并沒(méi)有隨生長(zhǎng)季變化。本研究選擇CMC-Na作為土壤改良劑的田間試驗(yàn)尚屬首次，關(guān)于CMC-Na在土壤中的水分吸附機(jī)理與吸附過(guò)程有待進(jìn)一步研究。

土壤電導(dǎo)率的大小是土壤浸出液中陽(yáng)離子的量和陰離子的量之和，與土壤溶液可溶性離子的總量成正相關(guān)。農(nóng)田土壤電導(dǎo)率測(cè)定受土壤水分、土壤養(yǎng)分(離子)、土壤溫度、pH以及農(nóng)作物吸收利用等因素影響，作為土壤養(yǎng)分狀況評(píng)價(jià)的參考。從試驗(yàn)結(jié)果看，土壤電導(dǎo)率與土壤水分不存在必然的正相關(guān)，或負(fù)相關(guān)。總體上在谷子生長(zhǎng)季結(jié)束，檢測(cè)各處理的土壤電導(dǎo)率，以不同CMC-Na施用量對(duì)新造耕地的土壤養(yǎng)分的影響結(jié)果。可以看出，土壤電導(dǎo)率隨生長(zhǎng)季出現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，這個(gè)結(jié)果可能是由于谷子生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用，土壤養(yǎng)分離子濃度降低導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率下降；不同MC-Na的施用量處理之間有一定差異，但其施用量大小與土壤電導(dǎo)率無(wú)相關(guān)。在土壤含水量較低情況下(如7月下旬)，土壤電導(dǎo)率并也不低，在土壤含水量較高的情況下(如6月下旬、8月下旬與9月下旬)，土壤電導(dǎo)率較前一階段均有降低，推斷這個(gè)時(shí)段的土壤電導(dǎo)率主要影響因素可能是土壤養(yǎng)分。在谷子收獲期，較低CMC-Na施用量處理的土壤電導(dǎo)率低于對(duì)照，推測(cè)是土壤養(yǎng)分離子吸收利用率相對(duì)較高所致。新造耕地土壤電導(dǎo)率的主要影響因素可能是土壤養(yǎng)分，在土壤養(yǎng)分較高時(shí)，土壤電導(dǎo)率較高；土壤養(yǎng)分較低時(shí)，土壤電導(dǎo)率較低。

4 結(jié) 論

本研究表明，CMC-Na材料可以作為黃土高原新造耕地的土壤改良劑，能夠提高土壤水分，改善土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)土壤養(yǎng)分吸收利用，對(duì)谷子增產(chǎn)有一定貢獻(xiàn)。從試驗(yàn)結(jié)果看，CMC-Na在較大施用量情況下，土壤改良效果并沒(méi)有顯著提高，而且導(dǎo)致種植成本過(guò)度增加。本研究推薦CMC-Na施用量100 kg/hm2。