改性纖維素對旱稻萌發和旱地土壤性質的影響

劉宏元， 周志花， 趙光昕， 王艷君， 王娜娜*

（1.山東省農業科學院濕地農業與生態研究所，濟南 250100； 2.內蒙古自治區氣象臺，呼和浩特 010051；3.北京科技大學天津學院，天津301830）

干旱是我國農業發展的重要制約因素，隨著全球氣候變化發生劇烈改變，干旱發生的強度和頻率也在不斷增加[1]。因此，在保證作物正常生長的前提下，發展農業節水技術是我國提高水資源利用效率和緩解水資源短缺問題亟需采取的重要手段之一[2]。

改性纖維素具有保水保肥、促進作物增產的性能，是解決上述問題的重要手段之一[3]。改性纖維素在保水保肥的同時，也能夠改良土壤結構以及改變土壤團聚體的組成，從而提高土壤水分和肥料利用效率[4]。改性纖維素實際上是保水劑和肥料的復合體，有研究表明保水劑和肥料配施能顯著提高多種糧食作物和蔬菜的產量[5-7]。此外，改性纖維素來源于天然生物材料，主要應用于醫藥、食品、建筑等行業，近年來作為土壤改良劑在農田中應用，降解后也可以轉變為土壤有機質，屬于環境友好型材料[8-11]。改性纖維素來源與生物炭類似[12-13]，但比較來看其具有更好的保水保肥作用和降解周期快的優點，也應成為秸稈資源再利用的重要途徑。

本研究將改性纖維素應用于黃淮海平原典型旱地農田土壤，并選擇旱稻作為供試作物。黃淮海平原是我國重要的糧食生產基地，但同時也面臨著較為嚴重的水資源短缺問題，改性纖維素是否可以改善該類型土壤水分和養分利用效率，這在先前研究中鮮有報道。而旱稻需水量僅為水稻的1/10～1/4，略高于玉米和小麥等作物，研究改性纖維素對旱稻影響的結果對于其他作物同樣具有借鑒意義[14]。因此，本研究通過盆栽試驗研究不同種類和用量改性纖維素對旱稻萌發和旱地土壤性質的影響，為今后改性纖維素在黃淮海平原乃至我國旱地農田的實際應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在山東省農業科學院濕地農業與生態研究所人工氣候室進行，供試土壤采自山東省農業科學院濕地農業與生態研究所濟南試驗站(36°42′21″N，117°4′53″E)。該區年平均氣溫13.8 ℃，年均降水量685 mm，多集中在6—8月。試驗用土采集于該區0—20 cm耕層土壤，其基本理化性質：pH為7.9，有機質為9.0 g·kg-1，堿解氮為46.1 mg·kg-1，速效磷為23.5 mg·kg-1，速效鉀為186.0 mg·kg-1。

試驗旱稻品種為‘泰選1號’，由山東省農業科學院濕地農業與生態研究所提供。供試肥料為尿素（國藥集團，CH4N2O含量≥99.0%）和磷酸二氫鉀（國藥集團，KH2PO4含量≥99.5%）。供試改性纖維素為羧甲基纖維素（Carboxymethyl cellulose,CMC）銨（CMC-NH4）（酸性）、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）（堿性）和羧甲基纖維素鉀（CMC-K）（堿性），由北京理工大學材料學院研發[15]。

1.2 試驗設計

盆栽試驗花盆內徑16.5 cm，高度17 cm。試驗于2020年12月28日開始，稱取2 kg過4 mm篩的風干土于花盆內，均勻播種5粒旱稻種子，蓋土厚度約為1.5 cm。播種后澆蒸餾水潤濕土壤，共200 mL。按照旱稻生長所需水分，分別在2020年12月30日、2021年1月2日、4日、6日、10日、14日澆水，每次澆水分別為200、150、150、100、100、100 mL，共800 mL。2021年1月14日后停止澆水進行干旱處理，干旱處理10 d。

按照不同土壤質量比將土壤與3種改性纖維素混合，共設13個處理，以不施用改性纖維素為對照（CK)，每個處理重復3次，具體見表1。根據旱稻種植田間需肥量，每個處理施加尿素和磷酸二氫鉀分別為0.20和0.06 g。改性纖維素和肥料與土壤充分混勻后一起置入花盆中。該試驗所處的人工氣候室溫度為25 ℃，風速為1 m·s-1。

表1 盆栽試驗各處理設置Table 1 Treatment of pot experiment

1.3 樣品測定

2021年1月2日開始進行株高監測。在旱稻植株生長過程中，每次澆水前后均對盆栽進行稱重，進而計算各處理水分流失量。在旱稻種子全部萌發后（15 d）結束培養，稱取地上部分植株干重（80 ℃烘干至恒定質量）。試驗結束后，用土壤緊實度儀（德國 STEPS41010）測定土壤緊實度；用直尺測定土壤表面結皮厚度；用流動分析儀（Braun and Lübbe, Germany）測定土壤硝態氮和銨態氮含量；用鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量；采用火焰光度法測定土壤速效鉀含量，各測定指標具體操作方法見文獻[15]。

1.4 數據分析

利用 Microsoft Office Excel 2016進行數據整理。圖形繪制采用Origin 8.5軟件進行。利用SPSS 20.0軟件的單因素方差分析比較不同添加量改性纖維素對各測量指標的差異顯著性。所有結果數據均以平均值±標準差的形式表達。

2 結果與分析

2.1 不同改性纖維素對旱稻萌發的影響

由圖1A可知，在旱稻生長約16 d時，CK處理旱稻開始萎蔫，植株不再生長。在土壤中施加CMC-NH4后，A1和A2處理的旱稻株高高于CK處理；A3和A4處理對旱稻生長有極大抑制作用。由圖1B可知，CMC-Na對旱稻株高的影響不具有規律性，在培養期間，B1和B4處理的旱稻株高一直高于CK處理，而B3處理對旱稻生長具有極大抑制作用。由圖1C可知，施用CMC-K對旱稻株高的影響整體表現為隨CMC-K施用量的增加而降低；與前2組處理不同，高水平的C4處理并未完全抑制旱稻生長。從最終地上部生物量結果來看，僅A1、B1、C1和C2處理顯著提高了旱稻地上部生物量（P＜0.05）（圖2），分別較對照組提高了316.33%、195.92%、214.29%和159.18%。

圖2 各處理地上部生物量Fig. 2 Aboveground biomass in each treatment

2.2 不同改性纖維素對土壤水分的影響

由圖3A可知，在土壤中施加CMC-NH4后，前期僅A2和A3處理在第2次監測時，土壤水分流失量高于CK處理；后期各處理土壤水分流失量均高于CK，尤其是在第2次監測時差異明顯。由圖3B可知，在土壤中施加CMC-Na后，前期各處理土壤水分流失量均低于CK處理，但在第4次監測時各處理土壤水分流失量高于CK處理，且B4處理在第5次監測時也高于CK處理。由圖3C可知，施加CMC-K土壤水分流失量與前二者不同，C1和C2處理的土壤水分流失量僅在第2次監測時低于CK處理，而在第1、第3和第4次均高于CK處理；C3和C4處理的土壤水分流失量僅在第2和第3次低于CK處理，而在第4次均高于CK處理。由表2可知，與對照組相比，3種改性纖維素處理對土壤累積水分流失量無顯著影響（P＞0.05）。

圖3 施加CMC-NH4、CMC-Na、CMC-K土壤水分流失量的變化Fig. 3 Changes of CMC-NH4，CMC-Na，CMC-K application on soil water loss

表2 各處理累積失水量Table 2 Cumulative water loss in each treatment

2.3 不同改性纖維素對土壤理化性質的影響

由表3可知，施加CMC-NH4能降低土壤pH，尤其是A4處理可以顯著降低土壤pH（P＜0.05），達0.29個單位；而施加CMC-Na和CMC-K能提高土壤pH，分別達0.27～0.78和0.03～0.41個單位。在土壤物理性質方面，施加CMC-Na后土壤堅硬并形成結塊，土壤緊實度增加也最為顯著（P＜0.05），達96.65%～155.35%；施加CMC-NH4后土壤表層變硬并形成結塊，也可以在一定程度上增強土壤緊實度，其中A2、A3和A4處理土壤緊實度顯著增加（P＜0.05），達16.29%～41.96%；而施加CMC-K對土壤緊實度和土壤成塊性無顯著影響。3種改性纖維素處理均在表層形成了結皮，且厚度隨著施用量的增加而增加，其中CMC-Na效果最為明顯，其次為CMC-NH4，CMC-K處理形成的結皮厚度最小。

表3 各處理培養后土壤理化性質Table 3 Physical and chemical properties in each treatment

2.4 不同改性纖維素對土壤養分的影響

由表4可知，在土壤中施加CMC-NH4后，A2、A3和A4處理顯著增加了土壤銨態氮和硝態氮含量，分別達202.45%～1017.79%和48.20%～172.60%；A3和A4處理也顯著增加了土壤速效磷含量，分別達56.59%和54.96%。在土壤中施加CMC-Na后，B1和B2處理顯著增加了土壤硝態氮和速效磷的含量，分別達26.62%～48.85%和35.77%～51.22%；但B4處理顯著降低了土壤硝態氮，達56.14%。在土壤中施加CMC-K后，各處理均增加了土壤速效鉀和速效磷含量，分別達344.94%～1458.73%和57.98%～102.17%；僅C1處理可以顯著增加土壤硝態氮含量，達65.48%；而C1、C2和C3處理顯著降低了土壤銨態氮含量，達47.24%～58.28%。

表4 各處理培養后土壤養分含量Table 4 Soil nutrients in each treatment（mg·kg-1）

3 討論

3種低水平的改性纖維素處理均能增加旱稻株高和地上部生物量，這與楊永輝等[16]研究結果一致，主要是因為適宜用量改性纖維素能固持水分和養分并供應給旱稻萌發所用[17]。但添加中高水平的改性纖維素均對旱稻萌發產生了抑制作用，這可能是因為改性纖維素粘結作用過強，導致土壤板結，土壤質地過硬，土壤通氣性下降進而導致旱稻萌發阻力過大[18-19]；也可能與改性纖維素吸水倍率過高，與旱稻爭奪土壤水分所致。此外，本研究結果發現CMC-Na對旱稻萌發的影響并無顯著規律，B3處理并未萌發，而B4處理進行了萌發。這可能是因為B4處理施用量高，能促進種子更快萌發，使得旱稻在土壤極度板結之前破土萌發，但由于后期該處理土壤的極度板結抑制了旱稻后期萌發，最終導致生物量不高。

先前研究認為，改性纖維素具有良好的吸水和保水作用[20]，這是因為改性纖維素可以吸水膨脹形成水凝膠，進而提高土壤水分含量[21-22]。但本研究發現改性纖維素在培養前期減少了水分流失量，而在培養后期增加了水分流失量。這可能是與改性纖維素在土壤中既有水分的快速吸附，也有水分的緩慢釋放有關。在培養前期改性纖維素在土壤中可能只進行水分吸附進而減少了水分流失量[23]；而在培養后期一方面改性纖維素吸附的水分釋放并下滲流失，另一方面改性纖維素處理土壤表面均形成了結皮導致澆水后水分不能進入土壤而蒸發流失。

施加呈酸性的CMC-NH4能降低土壤pH，而施加呈堿性的CMC-Na和CMC-K能在一定程度上增加土壤pH，這與邢磊[15]研究結果一致。施加CMC-Na和CMC-NH4能明顯提高土壤緊實度，這主要是由于CMC-Na和CMC-NH4具有較強的極性，能增加土壤粘合度進而提高土壤硬度以及土壤成塊性[24]。而CMC-K極性較弱，施入土壤后不會增加土壤緊實度，也不會形成土壤結塊現象，但是會在土壤表層出現結皮現象。

已有研究發現改性纖維素在提高養分利用效率和減少養分流失方面具有顯著效果，這是因為改性纖維素可以吸附養分并在后期緩慢釋放，進而減少養分流失[25-27]。與已有研究不同的是，本研究所用的CMC-NH4本身就含有作物生長所需的氮素，因此施加CMC-NH4可以增加土壤中銨態氮和硝態氮含量，并隨其施用量的增加而增加，這也表明CMC-NH4中的氮素釋放到了土壤中并為旱稻萌發所用。與CMC-NH4類似，由于CMC-K本身含有作物生長所需的鉀素，向土壤中施入CMC-K也會增加土壤中速效鉀含量。本研究還發現3種改性纖維素均在不同程度上提高了土壤速效磷含量，這與邢磊等[28]研究結果不一致。有研究認為改性纖維素中鉀離子或銨根離子與磷酸二銨發生置換反應或改性纖維素中含有鈣、鎂離子雜質與磷酸二銨發生沉淀反應進而降低土壤速效磷含量[29]。而本研究認為改性纖維素可能通過吸附磷酸根來提高土壤速效磷含量[30]，但不同種類和不同水平的改性纖維素對磷酸根吸附效率不一。此外，低水平的CMC-Na處理可以顯著增加土壤硝態氮含量，而高水平的CMC-Na處理顯著降低了土壤硝態氮含量，這與楊世琦等[23]研究結果一致，這可能與低水平的CMC-Na處理對土壤養分具有一定固持作用有關。但引文作者并未對高水平處理的抑制效果作出解釋，本研究認為這可能是因為高水平的CMC-Na處理土壤嚴重板結，土壤硝態氮可能隨著土壤水分下滲流失，亦或者嚴重的土壤板結導致土壤硝化作用減弱[31]。

綜上所述，施加適量的改性纖維素可以提高肥料利用效率、節約勞動成本，是實現農業可持續發展的重要手段之一。但高水平的改性纖維素會對土壤結構造成破壞進而影響作物生長發育，因此在田間實際應用中要注意施用劑量和施用時期。