羧甲基纤维素铵对黄土高原新造耕地土壤性质的影响

2021-06-01杨世琦刘宏元王惟帅

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2021年5期

杨世琦，邢磊，刘宏元，王惟帅，郭萍

(1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2 农业农村部农业环境与气候变化重点开放实验室，北京 100081)

黄土高原是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一，大部分地区年降水量少，但雨季集中，长期遭受强烈侵蚀，逐渐形成了千沟万壑与地形支离破碎的自然景观。当地农田以坡耕地为主，人均耕地少，土壤贫瘠，农作物产量低而不稳[1-2]。延安市位于黄土高原腹地，总面积占黄土高原的5.9%。2011年12月30日，时任国家副主席习近平做出重要批示：治沟造地是延安市的一项新举措，对于在黄土高原地区增加耕地面积、保障粮食安全、保护生态环境、促进社会主义新农村建设都具有积极意义。延安市2016年完成治沟造地约2.7万hm2，2018年达到3.3万hm2[3]。新造耕地面临的主要问题是土壤养分贫瘠，土质粗松，加之当地生态环境脆弱，不利于作物生长，威胁当地粮食产量安全。因此，加快新造耕地的土壤改良成为当务之急，也是治沟造地工程持续开展的重要保障。

土壤改良剂是改善新造耕地土壤质量的重要途径之一，其通过对土壤水分与养分的固持作用来提高水肥利用效率，促进作物增产。土壤保水剂在土壤改良剂中具有重要位置，常见保水剂多为高分子有机聚合物，对水分有较强的吸持能力，常见的保水剂能够吸持自身质量300～800倍的水[4-5]。保水剂在吸收水分的同时，能够改良土壤结构，促进土壤团粒的形成，蓄水保墒，从而提高土壤水分利用率[6]。保水剂与肥料复合一体化施用是一项重要的水肥调控技术[7-8]，有研究表明，保水剂与氮肥、磷肥配施能够有效提高小麦、番茄、马铃薯等作物的肥料利用率[9-11]。但目前应用较多的聚丙烯酸盐类保水剂容易与土壤中钙、镁、锰等二价金属离子发生反应，保水剂的吸水倍数和作用效果会受到一定影响[12]，并且这类保水剂降解还会产生有害物质[13]，长期使用存在一定的潜在环境风险，可能会对土壤、环境造成不良影响。

纤维素分子上的羟基可以引入官能团或者其他元素，从而改变纤维素性能，形成纤维素衍生物[14]，如羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose，CMC)具有优良的润湿性、分散性、粘结(接)性、增稠性、乳化性、保水性、成膜性，以及对油脂的不透性等特点，目前已广泛用于食品、医药、建筑、废水处理和造纸等领域，是重要的基础化工材料[15-17]。羧甲基纤维素是由天然生物基材料纤维素改性而来，生产原料是自然界中分布最广、最丰富的天然高分子可再生资源，占植物界碳含量的50%以上；羧甲基纤维素降解后可转变成土壤有机质，因此无环境污染风险[18]。利用羧甲基纤维素的粘结性特点，对新造耕地进行土壤改良，可以实现土壤水分与养分保持效果。在国内，本研究首次将羧甲基纤维素铵(CMC-NH4)作为土壤改良剂，分析其对延安新造耕地土壤水分、养分以及谷子生长的影响，以期为其应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省延安市安塞区南沟村(北纬36°52′28.10″,东经109°13′36.06″)，该地区属中温带大陆性半干旱季风气候，四季分明，全年无霜期160 d，平均气温9.1 ℃，降水量约506 mm，主要集中在7-9月，年日照时数2 396 h，日照百分率54%，平均海拔1 219 m，是典型的黄土高原丘陵沟壑区。试验地为3年龄新造耕地(第3年撂荒)，位于梁峁顶部，为自上而下的第二级梯田，一面靠坡，三面临崖，光照充足。2018年试验前，耕层(0～20 cm)土壤基本理化性质为：全氮0.38 g/kg，全磷0.37 g/kg，全钾4.9 g/kg，硝态氮2.9 mg/kg，有效磷10.10 mg/kg，速效钾38.1 mg/kg，pH 8.46，土壤有机质8.5 g/kg，土壤体积质量1.35 g/cm3。

1.2 供试材料

供试羧甲基纤维素为CMC-NH4，由北京理工大学材料学院提供。供试作物为谷子，品种为‘晋谷40’，是当地主栽品种之一，从市场购买。

1.3 试验设计与方法

本研究采用田间试验，试验中CMC-NH4施用量共设置5个处理，分别为0 kg/hm2(CK)、100 kg/hm2(T1)、500 kg/hm2(T2)、1 000 kg/hm2(T3)和2 000 kg/hm2(T4)，每处理重复3次。小区面积为4 m×6 m，小区间用土埂间隔。2018年5月10日整地播种，一次性施入复合肥(N、P2O5、K2O质量比为15∶14∶16)2 400 kg/hm2，羊粪约3 000 kg/hm2。谷子播种量为7.5 kg/hm2，行距30 cm，出苗后按株距10 cm定苗。当谷子生长至苗高10 cm时，在行间开沟5 cm按照试验设置水平施入CMC-NH4。

2018年10月7日收获谷子，测定其产量，其田间生长期约150 d。分别于06-28，07-29，08-30，09-23，10-07采集0～20 cm土层土壤，采用仪器TDR350测定土壤含水量和电导率。收获谷子的同时采集0～20 cm土层土样，测定土壤养分含量及pH值，其中全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，全磷含量采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度法测定，土壤硝态氮含量采用AA3流动分析仪测定，速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，土壤pH采用梅特勒-托利多Delta 320型酸度计测定。

1.4 数据处理与分析

数据处理采用Microsoft Excel 2013与Origin 8.5软件，用ANOVA进行单因素方差分析，采用Pearson法分析CMC-NH4施用量与土壤理化性质和谷子产量的相关性。

2 结果与分析

2.1 CMC-NH4对新造耕地土壤含水量的影响

不同处理新造耕地土壤含水量的变化见图1。

图柱上标不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下图同Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level. The same below 图1 CMC-NH4对新造耕地土壤含水量的影响Fig.1 Effect of CMC-NH4 on soil water content of new cultivated farmland

从图1可以看出，6月28日，施用CMC-NH4各处理的土壤含水量与对照差异达到显著水平(P<0.05)，土壤含水量较对照提高了27.3%以上；T1、T2、T4处理间土壤含水量差异未达到显著水平，T3与T1和T2处理间差异显著，但与T4处理差异不显著。7月29日，施用CMC-NH4各处理的土壤含水量与对照差异达到显著水平，土壤含水量较对照提高了47.1%以上；除T2处理外，其余处理间土壤含水量差异不显著。8月30日，除T1处理外，其他处理土壤含水量与对照差异均未达到显著水平；T1处理的土壤含水量较对照提高了15.2%。9月23日，除T3处理外，其他处理土壤含水量与对照差异均达到显著水平，土壤含水量较对照提高16.4%以上。10月7日，施用CMC-NH4各处理的土壤含水量与对照差异达到显著水平，土壤含水量较对照提高35.3%以上；T1与T2、T3、T4处理差异显著，但其他3个处理之间差异不显著。由此可见，施用CMC-NH4对土壤水分产生了明显影响，且随着CMC-NH4施用量的增加，土壤含水量总体增大。依据当地2018年降水量资料可知，全年降水量511.8 mm，其中6-10月为420.7 mm，占全年降水量的82.2%；6月份降水量78.3 mm，7月份降水量194.1 mm(其中1-21日降水量190.2 mm)，8月份58.4 mm，9月份74.0 mm，10月上旬降水量0.0 mm。土壤含水量在6月、8月和9月较高，7月和10月较低。7月虽然降水量很大，但土壤含水量并不高，主要原因是谷子处于幼苗期，未形成田间封行，因土壤蒸发导致的水分损失较多所致。

2.2 CMC-NH4对新造耕地土壤电导率的影响

从图2可以看出，6月28日，除T1和T2处理外，T3和T4处理与对照之间土壤电导率差异达到显著水平；7月29日，施用CMC-NH4各处理的土壤电导率均小于对照，除T3处理外，其他处理与对照之间差异均达显著水平；8月30日与9月23日，施用CMC-NH4各处理土壤电导率与对照之间均无显著差异；10月7日，施用CMC-NH4处理的土壤电导率均显著小于对照，但4个CMC-NH4处理之间无显著差异。由于土壤电导率主要受土壤水分与土壤离子浓度等因素影响，谷子生长阶段和CMC-NH4施用量均间接影响土壤水分与盐分的含量及状态，导致土壤电导率变化的不确定性增加，仅靠土壤水分的增减还不足以解释土壤电导率的变化。在7月和10月土壤含水量较低的情况下，可能由于CMC-NH4对土壤水分的吸附作用，导致CMC-NH4处理的土壤电导率均低于对照；在土壤含水量相对较高的情况下，如在谷子生长初期(06-28)，土壤养分相对富裕，CMC-NH4施用量较高的处理(T3和T4)土壤电导率显著高于对照，在谷子生长中后期(08-30至09-23)CMC-NH4处理与对照无显著差异。

图2 CMC-NH4对新造耕地土壤电导率的影响Fig.2 Effect of CMC-NH4 on soil electric conductivity of new cultivated farmland

2.3 CMC-NH4对新造耕地土壤养分含量及pH的影响

不同处理下新造耕地土壤养分含量及pH见表1。

表1 CMC-NH4对新造耕地土壤养分含量及pH的影响Table 1 Effect of CMC-NH4 on soil nutrient content and pH of new cultivated farmland

表1显示，施用CMC-NH4处理的土壤全氮含量与对照之间无显著差异；除T2和T3处理外，其他处理土壤全磷含量与对照之间无显著差异；除T3和T4处理外，其他处理土壤全钾和硝态氮含量与对照之间无显著差异；施用CMC-NH4各处理的土壤速效磷含量均与对照之间差异达显著水平；除T2处理外，其他处理土壤速效钾含量与对照之间差异显著；施用CMC-NH4处理的土壤pH与对照无显著差异。由此可见，施用CMC-NH4对土壤全氮含量及pH无显著影响，对土壤全磷和全钾含量的影响没有明显的规律性；在施用量较高(1 000～2 000 kg/hm2)的情况下，CMC-NH4显著提高了土壤硝态氮含量；不论施用量高低，CMC-NH4均能提高土壤速效磷和速效钾含量。

2.4 CMC-NH4对谷子产量的影响

图3显示，施用CMC-NH4能够促进谷子产量的增加，其中T1、T2和T4处理的谷子产量较对照分别提高了12.8%，10.3%和10.2%，且与对照之间的差异达到显著水平，但T1、T2、T4处理之间差异不显著；T3处理与对照的差异也不显著，且T3的产量显著低于其他处理，这可能是田间试验误差所致。总体上看，随CMC-NH4施用量的增加，谷子产量并未出现明显增加的趋势，这表明对于黄土高原新造耕地而言，由于受降水量与土壤养分等因素的制约，CMC-NH4施用量并不是越多越好，而应该是适量才好。从本试验结果来看，CMC-NH4的适宜施用量为100 kg/hm2。

图3 CMC-NH4对谷子产量的影响Fig.3 Effect of CMC-NH4 on millet yield

2.5 CMC-NH4施用量与土壤理化性质及谷子产量的相关性

从表2可以看出，CMC-NH4施用量与土壤含水量、硝态氮和全钾含量之间呈显著正相关关系，表明施用CMC-NH4能够显著影响黄土高原新造耕地的土壤水分、硝态氮与全钾含量，对改善土壤水分和养分有一定贡献，具备土壤改良功能。CMC-NH4施用量与谷子产量之间无显著相关性，主要原因是随着CMC-NH4施用量的增加，谷子产量并未出现明显增加的趋势。

表2 CMC-NH4施用量与土壤理化性质及谷子产量的相关性(Spearman相关系数)Table 2 Correlation analysis of CMC-NH4 with application and soil physical and chemical properties and millet yield (Spearman correlation coefficient)

3 讨论

3.1 CMC-NH4对土壤水分的影响

研究表明，CMC-NH4具有吸水性，吸水倍率在几十倍至几百倍[19]，农田施用能够提高土壤含水量。从本试验结果看，随CMC-NH4施用量的增加，土壤含水量并未出现成倍增加的趋势，也未表现出随着谷子生长季延续土壤含水量累积增长的现象。可能有以下几点原因：一是土壤缺乏足够的水源供给，CMC-NH4的吸水潜力未能充分发挥出来，导致土壤含水量的差异也远小于CMC-NH4施用量差异；二是CMC-NH4在土壤中既有水分吸附，也有水分释放，且水分吸附迅速，而水分释放缓慢。假设CMC-NH4在土壤中只有水分吸附而没有水分释放，就会出现土壤水分检测不到的现象。在本试验中，土壤含水量呈现波动变化，除了受降水量影响外，还表明CMC-NH4对土壤水分吸附与释放具有一定的反复性。由于CMC-NH4作为土壤改良剂的田间试验尚属首次，关于土壤中的水分吸附机理及其吸附过程需要进一步研究。

3.2 CMC-NH4对土壤电导率的影响

土壤电导率表示土壤浸出液中各种阳离子和阴离子的量之和，与土壤溶液可溶性离子的总量呈正相关[20]。农田土壤电导率测定受土壤水分、养分(离子)、土壤温度、pH以及农作物吸收利用等因素的影响，只可作为评价土壤养分状况的参考。从本试验结果看，在土壤水分相对充足的谷子生长初期(06-28)，较高CMC-NH4施用量显著提高了土壤电导率；在土壤含水量较低的7月，施用CMC-NH4会导致土壤黏度降低，土壤离子移动困难，因而土壤电导率降低；在谷子生长中后期(08-30至09-23)，可能由于谷子对土壤养分的吸收利用，土壤养分离子浓度均有降低，加上新造耕地的土壤养分本身匮乏，从而导致施用CMC-NH4处理与对照之间土壤电导率没有显著差异；在谷子收获期(10-07)，施用CMC-NH4处理的土壤电导率显著低于对照，推测是土壤养分离子吸收利用率相对较高所致，这一点可以从处理的谷子产量较对照高而得到证实。