有机-无机复合保水材料对旱地麦田土壤水分及酶活性的影响

2018-11-01谢英荷赵晓东张铁全侯建伟

节水灌溉 2018年10期

余高，陈芬，谢英荷，赵晓东，张铁全，侯建伟

(1.铜仁学院乌江学院，贵州铜仁 554300；2. 山西农业大学资源与环境学院，山西太谷 030801；3. 加拿大农业部温室与加工作物研究中心，哈罗 N0R1G0 加拿大)

由于我国水资源的严重短缺，导致水资源成为制约我国干旱、半干旱地区农业可持续发展的重要影响因素之一，因此，提高水资源的利用率是实现农业可持续发展的重要途径[1-3]。保水剂作为一种农业上新型的化学节水材料[4-7]，具有其独特的吸水能力和保水功能，能够吸收比自身原来体积和重量数倍乃至数百倍的水分，吸水后形成的水凝胶可以缓慢地释放水分，以便提供作物利用[8]。同时，保水剂可以提高土壤的保水保肥性能，减少土壤无效蒸发，改良土壤结构，促进作物根系的生长发育，并能明显提高肥料利用率[9,10]，因此在农业领域，人们把它比喻成为“微型水库”[11]。

近年来，关于保水剂的研究主要集中于对土壤吸水、保水性能及土壤物理性状的影响方面[12-14]。杨红善等[3]研究结果表明，有机无机复合保水剂对土壤的含水量、土壤团粒结构、孔隙度以及土壤的pH值和电导率等土壤物理和化学性能方面均有着明显的改善效果；刘瑞凤等[12]研究结果表明，土壤含水量、土壤中大于 0. 25 mm团聚体含量、土壤pH值以及阳离子交换量均会随着PAA-atta复合保水剂施用量的增加，而逐渐增大；杨逵等[13]研究结果表明，复合保水剂对沙土也具有良好的改良作用；李晶晶等[8]研究结果表明，有机-无机复合保水剂的保水保肥效果明显好于腐殖酸型多功能保水剂；冉艳玲等[14]研究结果表明，施用保水剂能够有效增强土壤“孔隙”的持水性能，从而提高土壤有效水贮量。然而有机无机复合保水剂对土壤微生物酶活性的影响却鲜有报道。

为此，本试验研究了有机-无机复合保水材料对旱地麦田土壤水分和酶活性的影响，以期为有机-无机复合保水材料的应用研究提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

本试验设在山西省临汾市洪洞县刘家垣镇东梁村的旱地麦田(111°30′～112°50′E 和36°05′～36°23′N)，年均气温12.6 ℃，降水量490 mm左右(降雨主要集中在7-9月)，属于典型的暖温带大陆性季风气候。供试土壤为石灰性褐土，耕层土壤的全氮含量为0.75 g/kg，土壤硝态氮含量为12.25 mg/kg，土壤有效磷含量为12.61 mg/kg，土壤有效钾含量为235.66 mg/kg，土壤有机质含量为14.35 g/kg。

1.2 供试材料

本试验所使用有机-无机复合保水材料由山西农业大学资源环境学院实验室研制，主要由高分子聚合物PAM、凹凸棒土、腐殖酸、风化煤和生物质炭等材料复合而成；供试作物为长8744号小麦品种。

1.3 试验设计

本试验共设置了4个处理，每个处理均重复4次，试验小区采用随机区组排列设计，各小区的面积为170～470 m2。处理一为对照，即测土配方施肥，并采用露地条播的方式播种；处理二为有机-无机复合保水材料处理，即在对照的基础上，施入自制的有机-无机复合保水材料产品225 kg/hm2；处理三为垄膜沟播处理，即在对照的基础上，采用垄上覆膜、沟内播种的方式；处理四为平膜穴播处理，即在对照的基础上，采用在小麦播种时全地面平铺地膜、且在膜上覆土穴播的方式。具体试验方案见表1。

表1 试验方案Tab.1 The experiment design

本试验于冬小麦播种后90 d采集土样，取样深度为0～20 cm和20～40 cm。试验大田所施用的氮、磷、钾肥分别为尿素(46%N)、过磷酸钙(11%P2O5)和氯化钾(60% K2O)，所有肥料和有机-无机复合保水材料均是作为底肥在播前便施入土壤后翻入耕层耙平。

1.4 分析项目与测定方法

(1)土壤含水量的测定：采用烘干法[15]。

(2)土壤酶活性的测定：过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法；脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[16]。

1.5 数据分析

运用Excel2013和SPASS 20 对试验数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对旱地麦田土壤含水量的影响

有机-无机复合保水材料由于其特有的组成和分子结构，通过反复的吸释水分，从而起到节水、保水保肥的作用[1,8]。由图1可知，不同处理的土壤含水量均明显高于对照(p≤0.05)，且各处理0～20 cm土层的土壤含水量均高于20～40 cm土层的土壤含水量，但差异较小。在0～20 cm土层，不同处理的土壤含水量为12.05%～13.07%，有机-无机复合保水材料处理土壤含水量最高，较对照处理提高8.46%(p≤0.05)，但与垄膜沟播、平膜穴播处理之间差异均不明显(p≤0.05)。同样，在20～40 cm土层，不同处理的土壤含水量为11.87%～12.83%，有机-无机复合保水材料处理较对照处理提高6.15%(p≤0.05)，但与垄膜沟播、平膜穴播处理之间差异均不明显(p≤0.05)。说明了在土壤中施入有机-无机复合保水材料可以蓄水保墒，有效抑制土壤水分的蒸发，提高土壤含水量，且有机-无机复合保水材料与垄膜沟播及平膜穴播可以达到同样的蓄水保墒效果。

图1 不同处理对旱地麦田土壤含水量的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil water in dryland wheat

2.2 不同处理对旱地麦田土壤酶活性的影响

2.2.1 不同处理对旱地麦田土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤过氧化氢酶活性可表征土壤腐殖化强度大小和有机质积累程度[17-18]。由图2可知，不同土层，不同处理土壤过氧化氢酶活性均明显高于对照(p≤0.05)，且随着土层深度的增加，土壤过氧化氢酶活性呈降低趋势，但0～20 cm土层与20～40 cm土层的土氧化氢酶活性差异较小。在0～20 cm土层，不同处理的土壤过氧化氢酶活性为1.50～1.69 mmol/(g·h)，其中，有机-无机复合保水材料处理的土壤过氧化氢酶活性最高，分别较对照、垄膜沟播处理提高15.91%和10.03%(p≤0.05)，但与平膜穴播处理差异不明显(p≤0.05)。同样，在20～40 cm土层，不同处理的土壤过氧化氢酶活性为1.44～1.61 mmol/(g·h)，有机-无机复合保水材料处理较对照处理提高12.90%(p≤0.05)，但与垄膜沟播、平膜穴播处理之间差异均不明显(p≤0.05)。可见，有机-无机复合保水材料的施入，可以有效的提高土壤的含水量，改变土壤微生物群落结构和生理特性，提高土壤微生物活性，进而提高土壤过氧化氢酶的活性。

图2 不同处理对旱地麦田土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil catalase activity in dryland wheat

2.2.2 不同处理对旱地麦田土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶活性是土壤肥力评价的重要指标之一，其活性的高低可以反映出土壤的熟化程度和肥力水平，同时，它是一种参与土壤有机碳循环的酶，对土壤中易溶性营养物质的增加起着非常重要的作用[16,19]。由图3可以看出，不同土层，不同处理土壤蔗糖酶活性均明显高于对照(p≤0.05)，且0～20 cm土层的土壤蔗糖酶活性均明显高于20～40 cm土层(p≤0.05)。在0～20 cm土层，不同处理的土壤蔗糖酶活性为13.50～22.14 mmol/(g·h)，其中，有机-无机复合保水材料处理的土壤蔗糖酶活性最高，分别较对照、垄膜沟播处理提高39.06%、16.58%(p≤0.05)，但与平膜穴播处理之间差异不明显(p≤0.05)。同样，在20～40 cm土层，不同处理的蔗糖酶活性为9.52～14.04 mmol/(g·h)，其中，有机-无机复合保水材料处理的土壤蔗糖酶活性较对照处理提高34.09%(p≤0.05)，但与垄膜沟播、平膜穴播处理之间差异均不明显(p≤0.05)。以上结果说明了有机-无机复合保水材料可以使土壤保持较好的墒情，改善土壤的水热状况，有利于微生物的生长繁殖，从而增加土壤蔗糖酶活性，但由于有机-无机复合保水材料施入土壤表层，且当地降雨稀少，导致保水材料大部分存在于0～20 cm土层，进而使20～40 cm土层土壤蔗糖酶活性略低于垄膜沟播、平膜穴播处理。

图3 不同处理对旱地麦田土壤蔗糖酶活性的影响Fig.3 Effects of different treatments on soil sucrase activity in dryland wheat

2.2.3 不同处理对旱地麦田土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶活性可以反映土壤有机态氮向有效态氮的转化能力及无机态氮的供应能力[20]。由图4可知，不同土层，不同处理土壤脲酶活性均明显高于对照(p≤0.05)，且随着土层深度的增加，土壤脲酶呈降低趋势，但0～20 cm土层与20～40 cm土层的土壤土壤脲酶差异较小。在0～20 cm土层，不同处理的土壤脲酶活性为1.69～2.05 mmol/(g·h)，其中，有机-无机复合保水材料处理的土壤脲酶活性最高，分别较对照、垄膜沟播处理提高23.35%、9.47%(p≤0.05)，但与平膜穴播处理之间差异不明显(p≤0.05)。同样，在20～40 cm土层，不同处理的土壤脲酶活性为1.66～1.95 mmol/(g·h)，有机-无机复合保水材料处理土壤脲酶活性较对照处理提高12.11%(p≤0.05)，但与垄膜沟播、平膜穴播处理之间差异均不明显(p≤0.05)。此结果进一步证明了短时间内，有机-无机复合保水材料基本处于0～20 cm土层，因此对20～40 cm土层的土壤酶活性影响较小，但随着时间的推进和降雨灌溉，有机-无机复合保水材料将会对20～40 cm土层的土壤酶活性产生较大影响。

图4 不同处理对旱地麦田土壤脲酶活性的影响Fig.4 Effects of different treatments on soil urease activity in dryland wheat

2.2.4 不同处理对旱地麦田土壤碱性磷酸酶活性的影响

磷酸酶在土壤磷素循环转化过程中起着非常重要的作用，其活性的高低对土壤中有机磷分解转化及其生物有效性有直接的影响作用[21]。土壤中的磷酸酶分为酸性、中性和碱性三种，在不同酸碱性土壤中3种磷酸酶的比例不同[22,23]。因本试验地土壤偏弱碱性，故只对土壤碱性磷酸酶活性做了测定分析。由图5可以看出，0～20 cm土层各处理的土壤碱性磷酸酶活性均明显高于20～40 cm土层(p≤0.05)。在0～20 cm土层，不同处理的土壤碱性磷酸酶活性为0.99～1.15 mmol/(g·h)，其中，有机-无机复合保水材料处理的土壤碱性磷酸酶活性较对照处理提高16.07%(p≤0.05)，但与垄膜沟播、平膜穴播处理之间差异均不明显(p≤0.05)。同样，在20～40 cm土层，不同处理的土壤碱性磷酸酶活性分别为0.63～0.86 mmol/(g·h)，有机-无机复合保水材料处理土壤碱性磷酸酶活性较对照处理提高了33.60%(p≤0.05)，但与垄膜沟播、平膜穴播处理之间差异均不明显(p≤0.05)。此结果进一步证明了短时间内，有机-无机复合保水材料基本处于0～20 cm土层，因此对20～40 cm土层的土壤酶活性影响较小。

图5 不同处理对旱地麦田土壤碱性磷酸酶活性的影响Fig.4 Effects of different treatments on soil alkaline phosphate activity in dryland wheat

2.3 土壤含水量与土壤酶活性的关系

土壤含水量与土壤酶活性的关系见表2中的拟合方程，其中，Y1、Y2、Y3、Y4为0～20 cm土层各处理的土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性；x1、x2、x3、x4为0～20 cm土层各处理的土壤含水量(%)；同样，Y5、Y6、Y7、Y8为20～40 cm土层各处理的土壤酶活性，x5、x6、x7、x8为20～40 cm土层各处理的土壤含水量。由表1可知，在0～20 cm土层，不同处理的土壤含水量与土壤酶活性均呈显著正相关(p≤0.05)；在20～40 cm土层，土壤含水量与土壤过氧化氢酶活性呈显著正相关(p≤0.05)，而与蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性相关性不显著。表明土壤含水量的高低会明显影响土壤酶活性，含水量越高，土壤酶活性越高，反之，土壤酶活性越低，且这种作用在0～20 cm土层尤为明显。

表2 土壤含水量与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性的拟合方程Tab.2 Fitted equations of soil water and soil catalase, sucrase, urease and alkaline phosphatase activities

3 讨论

保水剂是用强吸水性高分子树脂制成的一种具有超高吸水性能和保水能力的高分子聚合物，具有特殊的保水、节水与抗旱性能[24-26]。本试验研究结果表明，有机-无机复合保水材料能在短期内迅速提高土壤含水量，降低土壤无效蒸发，达到与垄膜沟播和平膜穴播相同的保水效果。谢英荷[27]等人研究结果表明，垄膜沟播和平膜穴播可以有效的改善旱地土壤水分状况，提高作物水分利用效率，尤其在季节性干旱严重的山西旱作麦田区效果更为明显。因此，在旱作麦田区，可以考虑将旱地麦田覆膜保水措施改为施用有机-无机复合保水材料，以达到土壤的蓄水保墒效果。

有机无机复合保水剂可以通过改善土壤水分状况而提高酶活性，为土壤微生物提供理想的生存环境，从而对土壤酶种类和活性产生不同程度的直接或间接影响[28,29]。本试验研究结果表明，与对照相比，有机-无机复合保水材料能明显提高土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶的活性，这与李倩[28]、车明超[29]等的研究结果一致。而曲贵伟等[30]的研究结果表明，使用聚丙烯酸钾和聚丙烯酰胺配比虽然可以提高土壤蔗糖酶和磷酸酶活性，但却对土壤脲酶活性有显著的抑制作用，与本研究结果略有差异。分析其原因，可能与土壤类型、土壤质地及保水剂类型不同有关[28]。本研究结果还表明，0～20 cm土层的土壤酶活性均高于20～40 cm土层，且土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶尤为明显。究其原因，主要是因为有机-无机复合保水材料施入表层土壤时间较短，而当地降雨稀少，因此大部分有机-无机复合保水材料仍存在于0～20 cm表层土壤中，从而导致0～20 cm土层的土壤酶活性较高。

本试验研究结果还表明，无论是0～20 cm土层，还是20～40 cm土层，不同处理的土壤含水量与土壤酶活性均呈正相关，这与王杰等[31]的研究结果基本一致。究其原因，土壤中水分的增加，会改变土壤微生物群落结构和生理特性，提高土壤微生物活性，有利于土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶相关类群微生物的生长[32]。

武继承等[33]研究表明，保水剂与地面覆盖相结合处理的土壤含水量远远高于单一的秸秆覆盖和常规种植。因此，探索将有机-无机复合保水材料同垄膜沟播和平膜穴播等种植方式相结合并应用于大田试验研究，有利于发挥农业节水技术集成效应，对旱作农业的可持续发展具有重要意义，这值得在今后进一步进行研究与推广应用。