坡耕地水土流失防治新材料W-OH固化剂对大豆和玉米生长特性的影响

，，，

(长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

1 研究背景

土壤侵蚀已成为全球性的严重环境问题之一，坡耕地是土壤侵蚀发生的主要策源地。我国山丘面积占总面积2/3，坡耕地在我国耕地面积中占有很大比例，在现有人口压力下，陡坡农耕地将作为重要的农业资源长期存在。坡耕地严重的水土流失使山区丘陵土层变薄，养分流失，保水能力变差，土地生产力低下，严重阻碍山地丘陵区农业可持续发展[1]。近年来，坡耕地水土流失受到越来越多的学者关注。

有效地控制坡耕地的土壤侵蚀，才能减少营养元素的流失，促进土壤结构的优化，维持现有可耕地的面积和肥力，最大限度地增加粮食产量，同时减少入河泥沙，降低下游洪涝灾害的频率和危害程度，提高水利工程的防洪灌溉效益，控制源于坡耕地的面源污染。因此，我国从2010—2020年，拟投入2 000亿元对水土流失的主要策源地坡耕地进行治理，治理面积预计达到1亿亩(约6.67×106hm2)。2009年和2010年中央一号文件明确提出要启动坡耕地水土流失综合整治工程；2015年和2016年中央一号文件提出要加强农业生态治理以及推进水土流失综合治理。在全国水土保持规划(2015—2030年)中，将“坡耕地水土流失综合治理”列为重点治理项目。坡耕地的土壤侵蚀是水土保持工作中面临的主要矛盾和问题，只有切实搞好坡耕地的土壤侵蚀防治，才能抓住治理的重点，有效地推进水土保持工作[2]。此外，坡耕地的土壤侵蚀问题与农业、粮食安全、生态环境等一系列关系国计民生的重大问题紧密相连，历来为世界上饱受水土流失危害的各国所重视[3]。因此，如何通过一种高新抗蚀增肥材料减少坡耕地水土流失，增加土壤肥力和农作物产量，成为未来水土流失防治技术研究发展的新思路。W-OH固化剂是一种亲水性的复合材料，它以水为固化剂，形成抱水性好的弹性固化体。前人研究表明，W-OH固化剂在沙化地植物修复中应用时，植物可以在W-OH固结层上较好地生长[4-5]。然而W-OH固化剂在坡耕地水土流失防治中的应用以及应用后该固化剂对农作物生长的影响尚不明确。

本研究分析了在坡耕地应用水土流失防治新材料W-OH固化剂对土壤的抗蚀效果及对大豆和玉米2种农作物植株高度、净光合速率和气孔导度的影响，研究结果将为后续坡耕地的水土流失治理提供有益的借鉴和参考。

2 试验材料和试验方法

2.1 试验材料

试验地点选在长江科学院水土保持研究所控制试验区，该区属于亚热带季风气候，四季分明，雨水充沛，多年平均气温为16.6 ℃，多年平均降水量为270 mm。

试验共设计24个盆栽，每个盆栽规格30 cm×40 cm×50 cm，设计2种作物(玉米和大豆)，W-OH溶液浓度做4个处理，分别为0%，1%，3%，5%，每种作物每个处理均做3个重复。花盆分别装紫色土土样后进行播种，然后按照纯氮256.5 kg/hm2、五氧化二磷240 kg/hm2的标准对各盆土进行施肥，并对盆栽土表喷施设计浓度的W-OH溶液。对各盆栽进行挂牌标注，注明序号、土壤类型、作物品种、处理和重复情况。

2.2 试验方法

土壤溅蚀量的测定：对降雨过程发生前溅蚀盘的质量进行称量，得到溅蚀盘的初始质量，降雨过程结束后，将溅蚀盘取出置于105 ℃烘干至恒重并称质量。2次质量的差即为土壤的溅蚀量。

叶片气体交换参数的测定：光强通过Li-6400人工光源分别控制在1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，20 μmol/mol，CO2浓度通过气袋控制在380±5 μmol/mol，叶室温度、湿度分别控制在25℃、70%±5%。对测定的光响应曲线进行非直角双曲线模型[6]分析，得到叶片最大净光合速率。在光响应曲线测定过程中测得饱和光强下的气孔导度和蒸腾速率。

图1 不同W-OH溶液浓度处理下的土壤溅蚀量Fig.1 Variation in soil splash erosion against W-OH concentration

3 研究结果

3.1 不同W-OH溶液浓度处理对土壤溅蚀量的影响

对不同W-OH溶液浓度处理下溅蚀盘质量的变化进行分析(见图1)，结果显示未喷施W-OH溶液的盆栽溅蚀盘的质量变化最大，随W-OH溶液浓度的增加，溅蚀盘的质量变化逐渐减小，W-OH溶液浓度1%，3%，5%时溅蚀盘的质量变化分别较对照组(W-OH溶液浓度0%)降低了12%，54%，65%。

3.2 不同W-OH溶液浓度处理对大豆和玉米生长指标的影响

3.2.1 不同W-OH溶液浓度处理对大豆和玉米株高的影响

经W-OH溶液处理后，随着试验的进行，对不同浓度处理下大豆植株高度进行分析，结果如图2(a)所示：大豆植株在3%和5%浓度下均出现死亡；在低浓度(1%)处理下的大豆植株长势较好，植株高度由对照组的14.8 cm增加至16.1 cm，约增加了8%。不同W-OH溶液浓度处理下的玉米植株高度如图2(b)所示。总体趋势表现为：1%浓度的W-OH溶液处理下的植株高度较对照组出现明显下降，约下降38%；然而，当继续增加W-OH溶液浓度至3%时，玉米株高出现一定程度的上升，较对照组的植株高度约降低31%；继续增加溶液浓度至5%时，玉米株高又出现下降，较对照组约减小45%。

图2 不同W-OH溶液浓度处理下的大豆和玉米植株高度Fig.2 Variation in plant height of soybean and maize against W-OH concentration

3.2.2 不同W-OH溶液浓度处理对大豆和玉米净光合速率的影响

对不同W-OH溶液浓度处理下大豆叶片的最大净光合速率进行分析(见图3(a))，结果显示低浓度的W-OH溶液(1%)对大豆净光合速率有明显促进作用，由对照组的6.9 μmol/(m2s)增加至8.4 μmol/(m2s)，较对照组约增加了21%。对大豆叶片光合速率进行测定时，3%和5% W-OH溶液浓度处理下的大豆均已死亡。不同W-OH溶液浓度处理下玉米的净光合速率总体呈现先升高又下降的趋势(见图3(b))，结果显示：低、中W-OH溶液浓度(1%和3%)处理下玉米的净光合速率较对照组分别增加了3%和17%；高W-OH溶液浓度(5%)处理下玉米的净光合速率较对照组降低了4%。

图3 不同W-OH溶液浓度处理下的大豆和玉米最大净光合速率Fig.3 Variation in maximum net photosynthetic rate of soybean and maize against W-OH concentration

3.2.3 不同W-OH溶液浓度处理对大豆和玉米气孔导度的影响

对不同W-OH溶液浓度处理下大豆气孔导度进行分析，结果如图4(a)所示。低W-OH溶液浓度(1%)对大豆气孔导度有明显促进作用，与对照组相比，约增加了12%。3%和5%浓度处理下的大豆均死亡。不同W-OH溶液浓度处理下玉米的气孔导度总体呈现先升高又下降的趋势(见图4(b))。低、中W-OH溶液浓度(1%和3%)处理下玉米的气孔导度较对照组分别增加了34%和79%；高W-OH溶液浓度(5%)处理下玉米的气孔导度较对照组的增加程度降低为 41%。

图4 不同W-OH溶液浓度下大豆和玉米的气孔导度Fig.4 Variation in stomatal conductance of soybean and maize against W-OH concentration

4 讨论与结论

低W-OH溶液浓度(1%)促进大豆植株高度、最大净光合速率和气孔导度，而中、高W-OH溶液浓度(3%和5%)处理下大豆植株出现死亡。不同W-OH溶液浓度处理下玉米最大净光合速率和气孔导度呈现先增加后降低的趋势。大豆和玉米对W-OH溶液的响应存在差异，玉米对中、高W-OH溶液浓度的耐性强度高于大豆。上述结果可能是由于喷施不同浓度W-OH溶液后，土壤的理化性质发生变化，对作物生长产生正效应和负效应：

不同W-OH溶液浓度处理下溅蚀盘质量的变化结果表明随着W-OH溶液浓度的增加，土壤的溅蚀量逐渐降低。这是由于喷施W-OH溶液后，该材料在土壤表层形成一层固结层，且喷施的W-OH溶液浓度越高，该材料对土壤的固结作用越明显，发生的土壤溅蚀就越弱。此外，固结层的存在可能还会导致水土流失量的降低，这就使得喷施该材料后土壤中营养元素较对照组有所增加。因此，喷施W-OH溶液后产生促进作物生长的保土保肥的正效应。

喷施的W-OH溶液在发挥保土保肥正效应的同时可能也会改变土壤的透气性。该材料在土壤表层形成固结层，且浓度越高对土壤的“封闭”程度越大，土壤透气性越差，导致作物根部CO2浓度聚集、O2浓度低，阻碍作物根呼吸。因此，对农作物的生长表现出负效应。此外，试验期间通过观察不同处

理下作物幼苗基部，可以发现W-OH溶液的喷施浓度越高，在根部形成的扰动土越多，在幼苗基部形成孔隙越大，越容易形成优势流，而不是均匀下渗。这是由于W-OH溶液在土壤形成固结层后，土壤表面的水迅速在幼苗根部的孔隙处形成优势流，水流进入土壤导致土壤内涝，影响植物生长，这也对作物的生长产生负效应。

综上分析，大豆在喷施中、高浓度的W-OH溶液后出现死亡,说明大豆对这2种处理产生负效应的耐性较玉米差，玉米的各项生长指标大部分随W-OH溶液浓度的增加大致呈先增加后降低趋势，在3% W-OH溶液浓度处理下的生长指标最高，说明该浓度的W-OH溶液对玉米生长的促进作用最为明显。