不同材质保水剂对玉米生长综合效率的DEA模型分析

许紫峻, 汪溪远, 师庆东, 陈娇, 李 浩, 徐婉婷, 王 伟

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046;2.新疆绿洲生态重点实验室, 乌鲁木齐 830046; 3.中国科学院 新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830046)

不同材质保水剂对玉米生长综合效率的DEA模型分析

许紫峻1,2, 汪溪远1,2, 师庆东1,2, 陈娇3, 李 浩1,2, 徐婉婷1,2, 王 伟1,2

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046;2.新疆绿洲生态重点实验室, 乌鲁木齐 830046; 3.中国科学院 新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830046)

为进一步促进保水剂在干旱区农业生产和生态修复中的合理应用，利用数据包络分析(Data Envelopment Analysis，DEA)模型评价不同材质保水剂施用在干旱区荒漠土壤时对生物生长促进的综合效率，从而确定在该环境中最具效率的保水剂品种。本研究选取AA-AH，KCE和PAA3种保水剂，首先测试了3种保水剂在模拟当地自然环境基本特征条件下的基本特性，其次将它们应用于室内玉米盆栽种植试验，最后在上述试验结果的基础上使用DEA模型分析了3种不同保水剂在荒漠土壤中对生物生长的促进作用，结果表明：(1) PAA的耐盐性能较好，而AA-AH的环境持久性最好，AA-HA保水剂的施用对土壤的副作用最小；(2) 3种保水剂都有显著提高玉米出苗率和土壤持水能力，其中AA-HA对增加土壤持水性能的效果最好，PAA促进玉米株高的效果最好，保水剂浓度的增加并不能显著改善土壤持水性能，但不同保水剂功效在同等浓度下表现也不同，如KCE在20 g/m2浓度下增加玉米地面生物量的效果最好，而AA-AH则在40 g/m2下表现最佳。综合评价表明3种保水剂在0.6 g浓度时玉米生长的综合效率都达到DEA有效值，当浓度增加到1.2 g时玉米生长的综合效率均下降，降幅为：PAA>KCE>AA-HA，说明AA-HA在低浓度使用量下在荒漠土壤环境中使用时效率最佳的。综上所述保水剂在干旱荒漠地区的农业生产和荒漠生态修复方面有很好的应用前景。面对品种繁多的保水剂产品，DEA模型可以用来分析评价最适合当地应用环境的品种，本研究为提高保水剂对植物生长综合效率及合理选用保水剂提供了理论方法。

保水剂;DEA模型; 高温反复吸水; 综合效率

新疆地处亚欧大陆中部且深居内陆，受气候的影响降水少而蒸发量大，水资源已成为制约新疆农业发展的限制性因素之一[1]。保水剂作为一种节水保墒技术在干旱区农业上的应用已经非常广泛，有关保水剂研制和应用的研究日益增多[2-6]。保水剂又称高吸水性聚合物(Super Absorbent Polymer，SAP)，是一种高分子材料。能吸纳本身质量几百甚至上千倍的水，并具有反复吸水的功能[7]。大量研究表明，保水剂具有抗旱、改善土壤物理性质、提高植物出苗率和促进植物生长等功效[8-14]，已广泛应用于农业生产和生态保护中[15-20]。目前，有关保水剂吸水特性的研究多集中于不同水质、不同pH值和低温等情况的影响[21-22]，但关于高温对保水剂持续吸水性能影响的研究尚不多见，也缺乏有关保水剂投入浓度对植物生长综合效率评价的研究。同时，关于保水剂对植物生长的研究多集中于保水剂对植物生长某项指标的影响，如田娜等[23]研究发现旱地宝保水剂对垂盆草的发芽率有促进作用但浓度超过1.5 g/L后增长不显著，李兴等[24]研究表明PAM-2100保水剂在0.05%浓度下能够明显促进梭梭和白梭梭种子的发芽率，但当浓度为0.1%时对种子发芽率没有明显促进作用，蒋雅琴等[25]研究表明大粒径保水剂浓度超过0.5%浓度时对增加幼苗株高、最大叶面积等指标影响不显著，小粒径保水剂浓度超过1%时对增加幼苗株高、最大叶面积等指标影响不明显。且不同保水剂促进植物生长的指标和最适浓度的对比效率研究较为缺乏。本文针对这种情况引入DEA模型评价不同保水剂之间的对植物的作用效率，为指导保水剂的选择使用提供定量评价方法。

DEA模型是一种评价决策单元相对有效性的数据包络分析方法。它能够分析不同决策单元的不同量纲指标之间投入—产出效率的相对关系。例如邓洪波等[26]利用DEA模型对安徽省城市旅游效率进行研究，韦浩华等[27]运用DEA方法对农户的林地经营效率进行测算，许建伟等[28]采用DEA交叉评价模型测算甘肃省12个地级市的构建城市效率。DEA模型已广泛应用于经济学领域的效率比较测算，根据其计算原理,本文将该模型应用于评价不同保水剂对植物生长影响的研究中,讨论保水剂对植物生长的综合效率，有助于保水剂在农业生产中的合理化利用。

本文以MP 3 005 KCE保水剂(以下简称KCE)与新疆大学化学化工学院研制的PAA和AA-AH保水剂为研究对象，研究不同保水剂在不同状态下吸水特性的变化趋势和对玉米生长的综合效率，并运用DEA模型分析3种保水剂在不同投入量下对玉米生长的综合效率的影响。为合理选用不同保水剂在荒漠化治理和农业生产中的应用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤 本试验为促进保水剂在研究区农业生产的合理应用，土壤样品采自新疆大学阜康研究基地(位于新疆昌吉州阜康市滋泥泉子镇，距阜康市东部46 km处)的荒漠土壤，该地区年均降水量为248.4 mm，而年均蒸发量为1 553.2 mm。供试土壤含水率为3.65%、pH值为9.21、有机质为5.468 g/kg、全氮为0.54 g/kg、全磷为0.599 g/kg。

1.1.2 保水剂 本试验所使用的3种保水剂均为市售产品，过40目标准筛，选取粒径在40目筛下的部分作为试验材料。其中AA-AH保水剂为新疆大学化学工程学院生产，化学成分为含有腐植酸的丙烯酸聚合物；PAA保水剂为新疆大学化学工程学院生产，化学成分为纯丙烯酸聚合物；KCE保水剂为法国SNF(爱森)公司生产，化学成分为聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺共聚体。

1.2 试验设计和方法

(1) 保水剂基本性能测试：保水剂吸水倍率的测试[1,24,29]：用电子天平准确称取各种粉状保水剂0.1 g(m1)，放入1 000 ml的烧杯中，然后加入500 ml水溶液，使其静置4个小时后，待树脂充分溶胀，用100目的尼龙筛网滤沥静置20 min去除未吸附的游离水，然后称出吸水凝胶的质量m，按下式计算出吸水率Q：

保水剂可逆性的测试：称取相同质量0.1 g的3种保水剂[30]，放置在100目的尼龙滤袋中，然后使其充分浸入去离子水中，待其充分吸水4 h后悬挂静止20 min除去未吸附的游离水后称其质量，并记录。再放入鼓风干燥箱中进行烘干，温度设置为70℃，再将烘干后的滤袋继续浸入去离子水中吸水，反复吸水20次。

(2) 室内盆栽植物试验：通过玉米种植试验探究保水剂对土壤和植株的影响，采用花盆(d=19.5 cm，h=16.0 cm)进行种植，保水剂分别按20 g/m2，40 g/m2两种浓度梯度进行设置(对应每盆为0.6 g和1.2 g)，其中1盆不加保水剂作为空白组，将保水剂和土壤及添加剂充分混合，每个花盆中12颗玉米种子。由于土壤的碱性过高，每个花盆浇入1 L浓度为0.5 g/L的硫酸铁溶液。以后每隔五天浇水500 ml(不再添加硫酸铁)，浇水两次后再不浇水，记录植物的生长状况。通过测定玉米种子的出苗率、地面生物量、株高、枯萎天数[31]，土壤含水率和pH值[32-33]，分析不同保水剂在不同浓度下对土壤和植株的影响，得出保水剂对哪些指标有更明显作用。

(3) 保水剂DEA评价分析：数据包络分析方法[26]选取决策单位(Decision Making Unit,DMU)多项投入、产出数据，利用数学规划模型求解得到效率边界线的点，构成所谓的数据包络线。凡是落在边界上的DMU，则被认为具有最有效的投入产出组合，效率值标定为1，而不在边界上的DMU 则被认定为无效率，并给予1个相对的效率值指标(大于0而小于(1)。

1.3 数据处理

Microsoft Office Excel 2007和SPSS 17.0进行方差分析和多重比较，Origin 7.5对数据进行画图处理，Deap 2.1进行DEA模型的处理。

2 结果与分析

2.1 3种保水剂基本性能测试结果与分析

2.1.1 3种保水剂不同溶液中吸水倍率结果与分析 农业生产中保水剂吸取溶液的种类并不单一。选取去离子水、0.9%NaCl溶液、弱碱性水(pH值7.5～8.5)，自来水、井水和土壤浸提液(土样与去离子水1∶5混合，充分震荡后静置24 h取上清液)6种不同溶液，测试AA-HA、KCE和PAA3种保水剂在6种不同溶液中的吸水倍率(图1)。3种保水剂在6种溶液中的吸水倍率大小均为PAA>AA-AH>KCE，AA-AH和KCE两种保水剂在6种溶液中的吸水倍率相差并不明显(p>0.05)。0.9%Nacl溶液中PAA保水剂的吸水倍率较其他两种保水剂增加明显，说明PAA保水剂的耐盐性较其他两种保水剂好(p<0.05)。

注：同组柱形图上不同小写字母表示不同处理下差异达显著水平(p<0.05)。

图13种保水剂在不同溶液中的吸水倍率

2.1.2 3种保水剂吸水力比结果与分析 保水剂混入土壤后，水分充足时(降水、灌溉)会吸水膨胀，干燥时水分慢慢释放，再遇水又会吸水膨胀。在反复吸水、干燥过程中，保水剂的吸水能力逐渐降低。最后在日照、高温、细菌等作用下被分解为无毒物质残留在土壤中[30]。干旱区高温干燥且日照强烈施用保水剂时应关注其持久性，选取AA-HA、KCE和PAA3种保水剂在70℃下反复干燥、吸水20次测试保水剂的持久性(图2)。试验表明随着吸水和干燥次数的增加3种保水剂的吸水力比降低，3种保水剂均在第一次吸水干燥时吸水力比达到最大值，第20次时吸水力比达到最小值。吸水力比降幅为PAA>KCE>AA-HA，说明AA-HA保水剂在干旱高温环境中其吸水能力的耐久性和持续性较其他两种保水剂好。

图2 3种保水剂吸水力比图

2.2 室内盆栽植物试验

2.2.1 3种保水剂对土壤含水率和pH值影响结果与分析 土壤pH值和含水率是土壤的重要属性，它不仅直接影响植物的生长，同时也影响到土壤肥力和其他一些性质[34]。分别测定玉米在AA-HA、KCE和PAA3种保水剂0.6 g和1.2 g两种浓度作用下20 d时土壤pH值和含水率(见图3)。3种保水剂的加入均使土壤的pH值升高，且随着保水剂的浓度增加而升高，影响作用依次为：KCE>PAA>AA-HA，AA-AH保水剂作用于土壤后pH值升高的程度较其他两种保水剂小，因AA-AH复合型保水剂中有腐殖酸的成分起到中和的作用。3种保水剂的保水性随浓度增加而增加，在0.6 g浓度下保水能力大小为：KCE >AA-HA>PAA，在1.2 g浓度下则为AA-HA>KCE>PAA。

图3 土壤pH值和含水率图

2.2.2 保水剂对玉米出苗率和土壤持水性能结果与分析 干旱地区的年降水量与蒸发量[1]，作物的生长受到极大的挑战，如何增加作物的发芽率和土壤持水性能至关重要，选取AA-HA 、KCE和PAA 3种保水剂并设置0.6 g和1.2 g两个浓度，测试保水剂对玉米的发芽率和土壤持水性能的影响结果见表1。

加入保水剂后，玉米的出苗率和枯萎天数较空白组都明显增加(p<0.05)，就发芽率来看加入3种保水剂后玉米的发芽率较空白组均增加了17%，保水剂对增加玉米的发芽率有显著作用(p<0.05)。AA-HA保水剂在0.6 g浓度下玉米枯萎天数较空白组增加61.5%；KCE保水剂增加7.7%；PAA保水剂增加23.1%。AA-HA保水剂在1.2 g浓度时玉米枯萎天数较空白组增加69.2%；KCE保水剂增加11.5%；PAA保水剂增加23.1%。保水剂增加土壤持水性能大小为AA-HA>PAA >KCE，AA-HA保水剂增加土壤持水性能较其他两种保水剂好，3种保水剂的浓度超过1.2 g后玉米的枯萎天数较0.6 g时没有显著增加(p<0.05)。

表1 不同浓度保水剂对作物抗旱性影响

注：同列数据不同小写字母表示不同处理下差异达显著水平(p<0.05)。

2.2.3 保水剂对玉米生长状况影响结果与分析 株高和地上生物量是描述作物生长状况好坏的重要指标，株高是水分响应的的主要体现，而地上生物量则是描述植株地上干物质量积累的过程[35]。分别测量玉米种子在AA-HA、KCE和PAA3种保水剂0.6 g和1.2 g两种浓度梯度作用下20 d时株高(图4)，并测定玉米在枯萎后玉米的地面生物量(图5)。加入3种保水剂后玉米的株高较对照组均有明显增加且随保水剂浓度的增加而增加，保水剂在0.6 g浓度下，AA-HA保水剂处理组较对照组株高增加11.1%，KCE保水剂处理组增加13.9%，PAA保水剂处理组株高增加50%。在1.2 g浓度下，AA-HA保水剂处理组较对照组株高增加44.7%，KCE保水剂处理组株高增加53.4%，PAA保水剂处理组保水剂株高增加63.2%。PAA保水剂对玉米株高的促进作用较其他两种保水剂好，促进植株株高生长能力的大小为：PAA>KCE>AA-HA。保水剂施用后玉米的地面生物量较对照组有明显增加，玉米的地面生物量随保水剂的浓度增加而增加，在0.6 g浓度下增加玉米地上生物量的大小为：KCE>PAA>AA-HA，在1.2 g浓度下增加玉米地上生物量的大小为：AA-HA>KCE>PAA。

图4玉米20d株高

图5地面生物量

2.3 DEA模型结果与分析

以保水剂投入量为投入指标，以出苗率、枯萎天数、地面生物量、株高、土壤含水率和pH值为产出指标。利用Deap2.1软件对保水剂的投入产出效率进行测算，其测算结果见表2。根据DEA模型，效率值为1即表示DEA有效，由表2中的保水剂投入产出效率可以看出，AA-HA 、KCE和PAA 3种保水剂的投入产出的综合效率值总体上较高。其中保水剂DEA综合效率值为1的有0.6 gAA-HA保水剂、0.6 gKCE保水剂和0.6 gPAA保水剂处于DEA有效的状态，另外3种保水剂处于DEA无效状态，其中1.2 gPAA保水剂的综合效率最低为0.545。在DEA模型中，由于综合效率=技术效率×规模效率，因3种保水剂的材质不同导致其自身性质不同，遂只考虑3种保水剂不同投入量下玉米生长的综合效率，并未考虑3种保水剂其自身技术特性，所以从表2可以看出主要是保水剂的规模效率影响其综合效率。3种保水剂在投入0.6 g时都达到DEA有效状态，但当投入量增加到1.2 g时，其综合效率都有不同程度的下降，降幅为PAA>KCE>AA-HA。发芽率、枯萎天数、地面生物量、株高、土壤含水率和pH值6个指标虽然随着保水剂的浓度增加而增加，但对玉米生长的总效率却在下降，其中AA-HA保水剂的综合效率降幅最小，为0.244。在农业生产过程中，不仅要关注保水剂会促进作物哪些指标的增长，也要考虑保水剂的综合效率，即投入、产出最优化，有利于资源的合理配置。

表2 保水剂综合效率

3 讨论与结论

3.1 讨 论

(1) 现代高分子化学研究认为，保水剂大多是高分子电解质，其溶胀力和吸水倍率受溶液中盐类的影响。当保水剂在浓盐溶液中水合时，与它们在无盐溶液中的水合相比，其膨胀能力降低[2-3]，这与PAA，KCE和AA-HA3种保水剂在0.9%Nacl溶液中的吸水倍率较去离子水中的吸水倍率下降的试验结果相符。

(2) 种子萌发期和幼苗期是整个植物生长周期中最重要的阶段，而水分是干旱区最重要的限制因素[36]，试验表明保水剂的加入对玉米的出苗率有明显的提高，表明保水剂的加入有助于提高玉米的出苗率，与李兴、谭国波和王洪君等[22,24,33]研究发现保水剂有利于植物出苗率的提高的结论相一致；随着保水剂的加入玉米的地面生物量、株高和土壤持水性能都有一定程度的增加，这与田娜、毛思帅、赵敏和杨浩[19,23,37-38]等研究结果相符，说明保水剂有促进植物生长的作用。试验表明3种保水剂的加入均会造成土壤pH值的升高，且随着浓度的增加而增加，与杨红善和李兴等[21,39]研究结果一致。

(3) DEA模型分析结果表明玉米生长的综合效率随保水剂浓度的增大而降低与李兴、田娜、和韩旭等[23-24,40]研究证明保水剂浓度过高抑制侧根生长、降低根系活力并使幼苗的根冠比都有先增加后降低的趋势的结论相佐证，说明DEA模型在评价保水剂对玉米综合效率方面有一定的适用性，目前保水剂的种类繁多但缺乏较好的评价方法，DEA模型可根据不同地区的不同种植模式，选取适当的指标对保水剂进行评价，即DEA模型在评价保水剂对生物效能方面有一定应用性。

3.2 结 论

(1) 3种保水剂在去离子水、0.9%NaCl溶液、弱碱性水、自来水、井水和土壤水中的吸水能力均表现为PAA>AA-AH>KCE；PAA耐盐性较其他两种保水剂好(p<0.05)；3种保水剂在70℃高温下进行反复吸水，随着反复次数的增加3种保水剂的吸水力比均开始下降，其降幅为PAA>KCE>AA-AH，考虑干旱区的气候条件等因素可以选择AA-AH保水剂；保水剂有利于保持土壤水分，抑制水分的蒸发，并随保水剂浓度的增加而增加，在0.6 g浓度下保水能力大小为：KCE>AA-HA>PAA，在1.2 g浓度时则为AA-HA>KCE>PAA，施用3种保水剂均会造成土壤的pH值随着保水剂浓度的增加而升高，其增幅大小为：KCE>PAA>AA-HA，说明AA-HA保水剂的施用对土壤的副作用最小。

(2) 玉米的出苗率、枯萎天数随着保水剂的浓度增加而增加，其中保水剂增加土壤持水性能的大小为：AA-HA>PAA >KCE，说明AA-HA保水剂增加土壤持水性能最好，但当3种保水剂浓度为1.2 g时其枯萎天数没有明显增加(p<0.05)；增加玉米株高的大小为：PAA>KCE>AA-HA，说明PAA保水剂对增加玉米株高有明显作用；3种保水剂在0.6 g浓度下增加玉米地面生物量的大小为：KCE>PAA>AA-HA，在1.2 g浓度下增加玉米地面生物量的大小为：AA-HA>KCE>PAA，综合来看AA-HA保水剂对增加玉米生物量作用更好。

(3) 通过DEA模型分析得出，3种保水剂的投入量为0.6 g时其综合效率都达到DEA有效值和资源合理利用的最优状态，保水剂浓度为1.2 g时，3种保水剂的综合效率的降幅为：PAA>KCE>AA-HA，其中AA-HA保水剂综合效率下降的最少，在农业生产中保水剂并非施用越多越好，保水剂的其综合效率随用量增加而降低，在确定保水剂的用量时应考虑综合效率高的浓度，达到资源合理利用的较优状态。

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AnalysisofImpactofDifferentSuperAbsorbentPolymeronComprehensiveEfficiencyofMaizeGrowthBasedontheDEAModel

XU Zijun1,2, WANG Xiyuan1, SHI Qingdong1,2, CHENG Jiao3,LI Hao1,2, XU Wanting1,2, WANG Wei1,2

(1.Collegeofresourcesandenvironmentalscience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.KeyLaboratoryofXinjiangOasisEcology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.XingjiangInstituteofE-cologyandGeograpHy，ChinaAcademyofSciences，Urumqi830046，China)

In order to further promote the reasonable application of super absorbent polymer r(SAP) in the agricultural production and ecological restoration in arid areas, using the DEA model, we evaluated the comprehensive efficiency of biological growth when different SAPs were applied to desert soil in arid area to promote biological growth, thus the most efficient SAPs were determined. This study selected three SAPs (AA-AH, KCE and PAA )， the basic properties of three SAPs were tested firstly， then SAPs were applied to the experiment of maize planting. The results were analyzed by DEA model. The results are as follows. (1) The salt tolerance of PAA is the best, the environmental persistence of AA-AH is the best, and the side effect of AA-AH ton the soil is the fewest. (2) All three SAPs can significantly improve the sprouting rate of maize and the water retention of soil, the AA-AH has the best effect on the water retention and PAA has the best effect on increasing maize plant height. Higher concentrations of SAPs cannot improve the soil water retention significantly, but different SAPs have different performance in the same concentration, KCE has the best effect on increasing the ground biomass of maize in the concentration of 20 g/m2and AA-AH has the best effect he concentration of 40 g/m2. The comprehensive evaluation proved that the comprehensive efficiency of all three SAPs could reach DEA effective value in the concentration of 0.6 g, the growth efficiency of maize all decreased when the concentration of three types of SAPs reached 1.2 g, reduced rate decreased in the order: PAA>KCE>AA-AH. The result shows that AA-AH has the best effect in desert soil under low concentration. Conclusion demonstrated that the SAP has good application prospect in the agricultural production and ecological restoration in arid areas. DEA model can analyze and evaluate the most suitable one from large variety of SAPs, this study provides theoretical basis for increasing the comprehensive efficiency of SAPs on plant growth and the reasonable application of SAPs. The absorption capacity of PAA in deionized water, 0.9% NaCl solution, alkali water, tap water, well water and soil leaching liquor were better than the other two super absorbent polymer. The suction force ratio of three super absorbent polymers decreased with repeated suction increase under 70 celsius system, the repeated suction capacity of AA-AH is the best. The water retention of super absorbent polymers increased with the concentration, the water retention of KCE in the concentration of 0.6 g is the best, and the water retention of AA-AH in the concentration of 1.2 g is the best. the pH of soil increases with the super absorbent polymers concentration, the sequence is KCE>PAA>AA-HA. The germination rate of maize and drought resistance significantly increased (p<0.05), which AA-HA super absorbent polymer increased capacity of drought resistant maize (p<0.05), but the best three kinds of super absorbent polymers concentration is more than 1.2 g after the drought resistance of maize does not significantly increase at the concentration of 0.6 g (p>0.05). The PAA increased maize height more than the other two super absorbent polymers significantly; KCE at the concentration of 0.6 g had the best effect on increasing maize ground biomass, AA-AH at the concentration of 1.2 g had the best effect on increasing maize ground biomass; when the three kinds of super absorbent polymers were at the concentration of 0.6 g, maize growth comprehensive efficiency could achieve the effective value of DEA, when the concentration increased to comprehensive the efficiency of 1.2 g the growth of maize decreased, a decline sequence was: PAA>MP 3005 KCE>AA-HA. This study provides theoretical basis for the research of DEA model in the evaluation of the comprehensive efficiency of super absorbent polymers on plant growth and the reasonable application of super absorbent polymers in arid area.

super absorbent polymers; DEA; high temperature repeatedly absorbing water; comprehensive efficiency

S482.8

A

1005-3409(2017)06-0160-07

2016-06-16

2016-09-26

科技支疆项目(20139911105);国家科技支撑计划项目(2014BAC15B01)

许紫峻(1993—),男,新疆维吾尔自治区,乌鲁木齐市人,硕士研究生,研究方向为环境演变和环境修复。E-mail:928608285@qq.com

汪溪远(1977—),男,江苏徐州市人,讲师,主要从事废弃物资源化利用应用研究。E-mail:1076135474@qq.com