干旱脅迫下不同保水材料對大豆種植土壤特性的影響

劉 文，孔慶霞，郝 瑩，于建霖，雷海波

（1.天津農學院基礎科學學院，天津 300384；2.天津農學院水產學院，天津 300384）

【研究意義】根據中國海關公布的進出口數據，2020 年我國大豆進口量首次超過1 億t，而國產大豆產量不足2 000 萬t，大豆進口依存度一直維持在80%以上。從國際大豆貿易份額上看，以美國的邦吉、阿丹米、嘉吉和法國的路易達孚為代表的“四大糧商”控制了全球90%以上的大豆交易量；從進口原產地分析，我國進口美國、巴西和阿根廷產的大豆占進口總量的90%以上；從大豆進口總額視角，我國每年進口大豆則需花費3 000 多億元人民幣。我國進口主導型的大豆消費不僅會消耗大量的外匯儲備，在自然災害、疫情、貿易摩擦等不確定性因素影響下，還存在較高的安全風險。為應對大豆進口依存度過高的現狀，我國也適度增加了大豆播種面積，其中2019 年大豆播種面積達到930 萬hm2、比2018 年提高11%，大豆產量達到1 810 萬t、比上年增加13%。但是也應該充分認識到，在現有技術條件下僅僅依靠增加種植面積來滿足大豆消費需求潛力有限，畢竟我國總耕地總面積無法大幅增長，且保證基本的口糧安全仍然是我國糧食安全的首要目標。為確保糧食安全，國家提出了“藏糧于地、藏糧于技”的新思路新途徑，通過技術創新提高大豆總產量是必然的發展方向。【前人研究進展】提高大豆總產能一方面需要通過發展育種［1-2］、作物間作［3］、田間管理［4-6］等技術提高單產，另一方面則是通過開發新型農用材料、栽培技術將現有干旱半干旱、荒地等不適宜種植糧食的土地變為適宜大豆種植的農田。因此，通過使用農業新型材料，開展大豆在干旱半干旱條件下的生長情況研究具有重要現實意義［7］。

【本研究切入點】高吸水性聚合物（SAP）是一種具有超高吸水保水效果的新型樹脂材料，它能快速吸收自身重量數百倍甚至上千倍的水分，對于質量濃度0.9%的生理鹽水吸收倍數也可達到數十倍。利用這一特性，將SAP 應用于作物種植可以將土壤中的水分和肥料聚集起來，在植物根部形成微型水分和營養倉庫，并在植物生長過程中緩慢釋放，起到水肥緩釋的效果。但SAP 作為有機高分子聚合物在使用過程中會部分殘留在土壤中，對土壤性質造成破壞［8-9］，因此研究在SAP 合成過程中加入生物基材料以提高其可生物降解性具有重要意義。【擬解決的關鍵問題】本研究選擇在試驗大棚中進行，使用自制生物基水肥緩釋材料，以大豆為研究對象，設計不同水肥緩釋材料施用量及對照組合，分析不同條件下旱作耕地土壤含水率、肥料利用率、水分利用率、大豆產量等因素，尋求適宜的大豆種植中水肥緩釋材料的使用量等指標，為旱作耕地大豆種植中吸水保水、水肥緩釋技術提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料分別為自制的生物基水肥緩釋材料、高吸水性樹脂（SAP）和玉米秸稈，粒徑為0.15～0.85 mm；使用肥料為復合肥，大豆品種為當地適用自留品種。

生物基水肥緩釋材料制備方法：將10 g 玉米秸稈粉末和2 g 玉米淀粉加入到100 g 水中，在80℃下反應1 h 得到糊化混合物；然后將質量分數25%的氫氧化鈉溶液100 g、丙烯酸60 g 混合后加入到上述混合物中，最后加入聚丙烯酰胺5 g、腐殖酸8 g、膨潤土10 g、過硫酸鉀0.1 g，在60 ℃下繼續反應1 h。將反應產物干燥后得到一種生物基水肥緩釋材料。

SAP 制備方法：與生物基水肥緩釋材料類似，區別在于合成過程中不加入玉米秸稈粉末、玉米淀粉和腐殖酸，其他制備條件不變。

1.2 試驗方法

試驗于2020 年6 月在山東省棗莊市合作單位試驗大棚中進行，以夏季麥茬播種大豆為研究對象。棗莊地下水資源量年均6.60 億m3，地下水可開采量為6.30 億m3。

試驗大棚長80 m，跨度8 m，高度2.5 m。在試驗大棚內將田地劃分為7 個長7 m、寬8 m 的獨立試驗單元，分別設保稅材料施用處理（A～F）和空白對照，復合肥和保水材料以底肥的方式施入土壤0～20 cm 土層（表1）。每個獨立單元間距2 m，并設置隔離土畦，防止水分在各試驗單元間滲漏。大豆于6 月10 日播種，穴距約 15 cm，每穴播2～3 粒種子，行距40 cm，種植密度為45 萬株/hm2。大豆播種后每隔25 d 澆水1 次，每隔15 d 人工除草1 次，生長后期不再追肥，9月18 日收獲。

表1 試驗處理設計Table 1 Experiment design

1.3 取樣方法與測試指標

土壤取樣方法：每個處理隨機取10 個點位，每點位在土層深度20、40、60 cm 處各取土20 g，混合均勻后得到1 份600 g 土壤樣品。從大豆播種到收獲共100 d，生長期內共取樣21 次。

土壤含水率：將100 g 土壤樣品放入烘箱內干燥24 h，測定樣品干燥前后質量變化量，計算土壤的質量含水量（wt，%）。

土壤肥料含量：利用土壤肥料檢測儀測定土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量（wt，%）。

保水材料吸水量：將土壤樣品烘干后，參照《農林保水劑》（NY 886-2010）方法進行評價其吸水倍數。具體步驟為：稱取1 g 試樣（精確至0.01 g），置于2 000 mL 燒杯中，加水 1 000 mL，攪拌5 min，靜置30 min，使試樣充分吸水膨脹；將凝膠狀試樣移入已知質量的標準試驗篩中，自然過濾10 min 后，將試樣篩傾斜放置，再過濾10 min，稱量并計算得扣除試樣篩后的凝膠狀試樣質量，除以試樣質量后即得吸水倍數，單位為g/g。

大豆生長期間各階段的田間管理措施均無差異。收獲期每試驗單元大豆分別經同樣方法脫殼、曬干后測定大豆產量以及地上大豆秸稈量。試驗所在的棗莊市地下水位深達15～50 m，且試驗在同一大棚內進行，因此地下水對大豆種植土層土壤水分補給的差異性影響忽略不計；此外，試驗單元之間間隔2 m，水分深層滲漏對土壤水分的影響同樣忽略。試驗結束后，根據處理后得到的大豆產量、地上生物總量、澆水量，計算大豆生長期耗水量、水分利用效率、水分產出效率。

試驗數據采用SPSS19.0 進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同保水材料吸水性能評價

分別選用蒸餾水、地下水、質量分數0.9%的NaCl 生理鹽水對粒徑0.15～0.85 mm 的生物基水肥緩釋材料、SAP、玉米秸稈粉末進行吸水性能測試。由表2 可知，試驗所選用的生物基水肥緩釋材料和SAP 均具有較好的吸水性能，對自然水體的吸水倍數可達到自身重量的100 倍以上；而玉米秸稈粉末吸水性能較差，且對水的類型不敏感，說明其吸水主要以表面吸附為主。

表2 不同保水材料吸水性能比較Table 2 Comparison of different super absorbent materials

2.2 不同保水材料對大豆種植土壤含水率的影響

各試驗單元在大豆播種后0、25、50、75 d分別澆水約8 m3（以水表計量），分別在澆水后當天及生長期內每隔5 d 取土樣1 次，測定土壤含水率，并測試播種后50、100 d 土壤肥料含量。一般認為，大豆土壤適宜含水率應在20%以上，15%～20%為輕度脅迫，10%～15%為中度脅迫，10%以下為重度脅迫［10-11］。大棚內土壤初始含水率為8.3%，為重度脅迫。大豆自播種（6 月10 日）到收獲（9 月18 日）生長期內土壤含水率變化如圖1 所示，土壤含水率在不同試驗條件下有較大差異，大豆生長周期內均受到不同程度的干旱脅迫，其中0～20 cm 土層為吸水保水材料施用層，分別施用粒徑0.15～0.85 mm 的生物基水肥緩釋材料、SAP 和玉米秸稈粉末，大豆100 d 生長周期內土壤含水率下降明顯，含水率高低不僅與選用的材料種類有關，還與施用量密切相關，處理A、B、D、E 顯著高于其他處理。

圖1 不同保水材料對大豆種植土壤含水率的影響Fig.1 Effect of super absorbent materials on moisture content of soybean-planting soil

保水材料的施用對土壤含水率影響明顯［12-15］。從圖1 可以看出，在施用生物基水肥緩釋材料或SAP 分別為5 kg 時，大豆播種澆水后處理A、B 的土壤持水量分別比CK 高32.89%、26.22%，而收獲時則分別比CK 高34.31%、28.43%；隨著施用量增加，土壤含水率進一步提高，生物基水肥緩釋材料或SAP 施用量為10 kg 時，大豆播種澆水后處理D、E 的土壤持水量分別比CK 高44.89%、36.44%，收獲時分別比CK 高77.45%、60.78%。表明在施用量相同的情況下，生物基水肥緩釋材料處理的土壤持水量和收獲時含水率稍高于SAP 處理，施用5 kg 時分別高5.02%、4.58%，施用10 kg 時分別高6.19%、10.37%，二者差異較小，說明這兩種保水材料在水分緩釋上效果相當。值得注意的是，在生物基水肥緩釋材料或SAP 使用量加倍的情況下，對應土壤水分指標并未對應提高相同程度，說明它們之間不是線性關系。

施用玉米秸稈粉末處理的大豆播種時土壤持水量和收獲時含水率提高不明顯，其中處理C播種時土壤持水量和收獲時含水率分別比CK 高8.44%和10.78%，處理F 則分別比CK 高9.33%和16.67%，說明玉米秸稈粉末與生物基水肥緩釋材料或者SAP 相比，其吸水保水性能較低，但由于其施用相較于CK 可以提高土壤孔隙度，使土壤通透性和保水能力增加，在一定程度上起到提高土壤持水量和抗旱的作用。7 個試驗單元大豆收獲時土壤含水率依次為 D ＞E ＞A ＞B ＞F＞C ＞CK，對照與各處理無顯著差異，施用保水材料對大豆生長土層含水率影響較大。

2.3 不同保水材料對大豆種植土壤肥料含量的影響

各試驗單元在施用復合肥前的土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.12（±0.01）%、94（±2）mg/kg、9.8（±0.3）mg/kg、113（±2）mg/kg，大豆播種時分別施復合肥8 kg 作底肥，播種后50 d 和收獲后（100 d）分別測定土壤肥料含量，結果（表3）顯示，大豆100 d 生長周期內土壤肥料含量下降明顯，但在不同試驗條件下含量有較大差異。在施用生物基水肥緩釋材料5 kg 時，處理A 大豆播種后50 d 土壤總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比CK 高31.25%、14.53%、43.48%和17.73%，100 d時則分別比CK 高55.56%、43.24%、38.46%和26.67%；當施用量為10 kg 時，處理D 大豆生長期內土壤肥料含量均進一步增加，播種后50 d 土壤總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比CK 高43.75%、35.04%、73.91%和30.50%，而100 d 時分別比CK 高88.89%、68.92%、92.31% 和45.71%。當施用SAP分別為5、10 kg 時，處理B、E大豆播種后50、100 d 土壤肥料含量與施用相同質量的生物基水肥緩釋材料效果接近，也明顯高于CK，而處理C、F 中玉米秸稈粉末的施用對土壤肥料含量的影響顯著小于生物基水肥緩釋材料和SAP。表明生物基水肥緩釋材料或SAP 在大豆生長中均明顯起到了肥料緩釋作用且效果相當，而玉米秸稈粉末效果較低。

2.4 不同保水材料對大豆產量的影響

本試驗中，各處理的實際耗水量見表4，平均耗水量為32.03（±0.11）m3，處理間無顯著差異。一般情況下，大豆產量每667 m2為 200～300 kg，干旱脅迫條件下則明顯低于這一數值［16-19］。從表4 可以看出，施用保水材料處理大豆地上生物總量普遍高于CK，其中施用生物基水肥緩釋材料或SAP 處理更加突出，施用玉米秸稈粉末的效果一般［20-21］。干旱脅迫下，施用不同重量生物基水肥緩釋材料的處理A、D，大豆產量分別提高38.38%和61.44%；施用SAP 的處理B、E，大豆產量分別提高32.68%和52.67%，表明生物基水肥緩釋材料效果更好，且大豆產量隨著保水材料施用量的增多而增加，但并非呈現線性相關；而施用玉米秸稈粉末的處理 C、F，大豆產量稍高于CK，分別提高13.63%和18.58%。

表4 不同保水材料對大豆產量及水分利用效率的影響Table 4 Effect of different super absorbent materials on soybean yield and water use efficiency

2.5 不同保水材料對水分利用率的影響

保水材料本身具有高吸水性，可將土壤中水分吸附在植物根部周圍，隨后緩慢釋放，從而提高水分利用率。由表4 可知，施用保水材料處理的水分利用率變化顯著，均不同程度高于CK，以處理D 最高，水分利用效率和產出效率分別達到1.45、0.54 kg/m3，比CK（0.95、0.33 kg/m3）分別提高52.63%和63.64%，差異顯著。

3 討論

保水材料基于其超強的吸水性，可高效實現水分和肥料的緩慢釋放，從而達到節約用水、提高肥料利用率的目的，具有良好的應用前景。藍松濤等［22］研究了干旱脅迫下保水材料施用對甘蔗種植的影響，結果表明，甘蔗種植土壤中施用保水材料能夠提高20.49%～50.82%的土壤含水量，在干旱脅迫下可以起到為甘蔗提供水分的作用，提高出苗率，緩解干旱脅迫的影響。黃震等［23］則采用土壤淋溶實驗的方法，研究了聚丙烯酸鹽、有機-無機復合、腐殖酸型3 種保水材料施用對土壤中水分和氮肥的保持效應，表明聚丙烯酸鹽保水材料可提高土壤含水率3%～6%，對土壤中尿素氮的保持可提高16%～22%，但對硝酸銨氮保持效果不佳；而腐殖酸保水材料則可使硝酸銨氮和尿素氮在土壤中的保持效果均提高20%以上。姚建武等［24］利用土柱對旱地赤紅壤在施用樹脂或淀粉類保水材料后的水分和氮素養分的保持效果進行研究，結果表明，保水材料添加量為土壤重量的1%時，土壤吸持水量可提高18%～50%，同時經相同淋溶實驗處理后，氮肥淋失率從26.2%降低到17.1%，降低了34.7%。

上述研究均證明了保水材料優異的保水保肥效果，這是由于保水材料在水的作用下，同時電離產生陰、陽離子親水基團，在離子滲透壓、親水基團共同作用下，水分子迅速進入保水材料網格內部，在靜電力的作用下，達到相對平衡狀態，完成吸水。保水材料作為高分子電解質，具有性能穩定的C—C 鍵骨架，其三維空間網絡結構內親水性基團（—COONa）數量眾多，因而具有極強的吸附性能，吸水倍數大都在數百倍以上，遠高于只能吸水自身幾倍或幾十倍重量的海綿、棉花、氯化鈣等傳統材料，并且保水性能較佳，不會因擠壓而使所吸收的水分滲出。

本研究選取生物基水肥緩釋材料、SAP 和玉米秸稈粉末進行試驗，結果表明施用量相同時，玉米秸稈粉末在水肥保持上效果較差，而自制的生物基水肥緩釋材料和SAP 最高可使土壤持水量分別提高44.89%、36.44%，對總氮、速效氮、速效磷、速效鉀等不同肥料養分的保持效果則分別提高43.81%～88.89%。其中，生物基水肥緩釋材料由于在合成過程中加入了玉米秸稈粉末、玉米淀粉和腐殖酸等生物基材料，充分結合了SAP 和腐殖酸等材料的優點，在水肥保持、水分利用效率等方面綜合效果最佳，與黃震等［23］的研究結果一致。本研究重點關注了不同保水材料的施用效果差異，對保水材料在大豆種植土壤中的最佳添加量等方面研究較少，在以后研究中應該進一步深入。

4 結論

本研究結果表明，3 種保水材料的施用均能提高大豆種植土壤含水率、大豆產量、水分利用和產出效率，且施用量相同時，綜合效果表現為生物基水肥緩釋材料＞SAP ＞玉米秸稈粉末；增加生物基水肥緩釋材料施用量可提高水肥保持效果，當施用量為10 kg 時大豆種植土壤含水率、總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別提高77.45%、88.89%、68.92%、92.31% 和45.71%，大豆產量、水分利用和產出效率則分別提高61.44%、52.63%和63.64%，均優于施用量5 kg處理。