干旱胁迫下不同保水材料对大豆种植土壤特性的影响

刘 文，孔庆霞，郝 莹，于建霖，雷海波

（1.天津农学院基础科学学院，天津 300384；2.天津农学院水产学院，天津 300384）

【研究意义】根据中国海关公布的进出口数据，2020 年我国大豆进口量首次超过1 亿t，而国产大豆产量不足2 000 万t，大豆进口依存度一直维持在80%以上。从国际大豆贸易份额上看，以美国的邦吉、阿丹米、嘉吉和法国的路易达孚为代表的“四大粮商”控制了全球90%以上的大豆交易量；从进口原产地分析，我国进口美国、巴西和阿根廷产的大豆占进口总量的90%以上；从大豆进口总额视角，我国每年进口大豆则需花费3 000 多亿元人民币。我国进口主导型的大豆消费不仅会消耗大量的外汇储备，在自然灾害、疫情、贸易摩擦等不确定性因素影响下，还存在较高的安全风险。为应对大豆进口依存度过高的现状，我国也适度增加了大豆播种面积，其中2019 年大豆播种面积达到930 万hm2、比2018 年提高11%，大豆产量达到1 810 万t、比上年增加13%。但是也应该充分认识到，在现有技术条件下仅仅依靠增加种植面积来满足大豆消费需求潜力有限，毕竟我国总耕地总面积无法大幅增长，且保证基本的口粮安全仍然是我国粮食安全的首要目标。为确保粮食安全，国家提出了“藏粮于地、藏粮于技”的新思路新途径，通过技术创新提高大豆总产量是必然的发展方向。【前人研究进展】提高大豆总产能一方面需要通过发展育种［1-2］、作物间作［3］、田间管理［4-6］等技术提高单产，另一方面则是通过开发新型农用材料、栽培技术将现有干旱半干旱、荒地等不适宜种植粮食的土地变为适宜大豆种植的农田。因此，通过使用农业新型材料，开展大豆在干旱半干旱条件下的生长情况研究具有重要现实意义［7］。

【本研究切入点】高吸水性聚合物（SAP）是一种具有超高吸水保水效果的新型树脂材料，它能快速吸收自身重量数百倍甚至上千倍的水分，对于质量浓度0.9%的生理盐水吸收倍数也可达到数十倍。利用这一特性，将SAP 应用于作物种植可以将土壤中的水分和肥料聚集起来，在植物根部形成微型水分和营养仓库，并在植物生长过程中缓慢释放，起到水肥缓释的效果。但SAP 作为有机高分子聚合物在使用过程中会部分残留在土壤中，对土壤性质造成破坏［8-9］，因此研究在SAP 合成过程中加入生物基材料以提高其可生物降解性具有重要意义。【拟解决的关键问题】本研究选择在试验大棚中进行，使用自制生物基水肥缓释材料，以大豆为研究对象，设计不同水肥缓释材料施用量及对照组合，分析不同条件下旱作耕地土壤含水率、肥料利用率、水分利用率、大豆产量等因素，寻求适宜的大豆种植中水肥缓释材料的使用量等指标，为旱作耕地大豆种植中吸水保水、水肥缓释技术提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料分别为自制的生物基水肥缓释材料、高吸水性树脂（SAP）和玉米秸秆，粒径为0.15～0.85 mm；使用肥料为复合肥，大豆品种为当地适用自留品种。

生物基水肥缓释材料制备方法：将10 g 玉米秸秆粉末和2 g 玉米淀粉加入到100 g 水中，在80℃下反应1 h 得到糊化混合物；然后将质量分数25%的氢氧化钠溶液100 g、丙烯酸60 g 混合后加入到上述混合物中，最后加入聚丙烯酰胺5 g、腐殖酸8 g、膨润土10 g、过硫酸钾0.1 g，在60 ℃下继续反应1 h。将反应产物干燥后得到一种生物基水肥缓释材料。

SAP 制备方法：与生物基水肥缓释材料类似，区别在于合成过程中不加入玉米秸秆粉末、玉米淀粉和腐殖酸，其他制备条件不变。

1.2 试验方法

试验于2020 年6 月在山东省枣庄市合作单位试验大棚中进行，以夏季麦茬播种大豆为研究对象。枣庄地下水资源量年均6.60 亿m3，地下水可开采量为6.30 亿m3。

试验大棚长80 m，跨度8 m，高度2.5 m。在试验大棚内将田地划分为7 个长7 m、宽8 m 的独立试验单元，分别设保税材料施用处理（A～F）和空白对照，复合肥和保水材料以底肥的方式施入土壤0～20 cm 土层（表1）。每个独立单元间距2 m，并设置隔离土畦，防止水分在各试验单元间渗漏。大豆于6 月10 日播种，穴距约 15 cm，每穴播2～3 粒种子，行距40 cm，种植密度为45 万株/hm2。大豆播种后每隔25 d 浇水1 次，每隔15 d 人工除草1 次，生长后期不再追肥，9月18 日收获。

表1 试验处理设计Table 1 Experiment design

1.3 取样方法与测试指标

土壤取样方法：每个处理随机取10 个点位，每点位在土层深度20、40、60 cm 处各取土20 g，混合均匀后得到1 份600 g 土壤样品。从大豆播种到收获共100 d，生长期内共取样21 次。

土壤含水率：将100 g 土壤样品放入烘箱内干燥24 h，测定样品干燥前后质量变化量，计算土壤的质量含水量（wt，%）。

土壤肥料含量：利用土壤肥料检测仪测定土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量（wt，%）。

保水材料吸水量：将土壤样品烘干后，参照《农林保水剂》（NY 886-2010）方法进行评价其吸水倍数。具体步骤为：称取1 g 试样（精确至0.01 g），置于2 000 mL 烧杯中，加水 1 000 mL，搅拌5 min，静置30 min，使试样充分吸水膨胀；将凝胶状试样移入已知质量的标准试验筛中，自然过滤10 min 后，将试样筛倾斜放置，再过滤10 min，称量并计算得扣除试样筛后的凝胶状试样质量，除以试样质量后即得吸水倍数，单位为g/g。

大豆生长期间各阶段的田间管理措施均无差异。收获期每试验单元大豆分别经同样方法脱壳、晒干后测定大豆产量以及地上大豆秸秆量。试验所在的枣庄市地下水位深达15～50 m，且试验在同一大棚内进行，因此地下水对大豆种植土层土壤水分补给的差异性影响忽略不计；此外，试验单元之间间隔2 m，水分深层渗漏对土壤水分的影响同样忽略。试验结束后，根据处理后得到的大豆产量、地上生物总量、浇水量，计算大豆生长期耗水量、水分利用效率、水分产出效率。

试验数据采用SPSS19.0 进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同保水材料吸水性能评价

分别选用蒸馏水、地下水、质量分数0.9%的NaCl 生理盐水对粒径0.15～0.85 mm 的生物基水肥缓释材料、SAP、玉米秸秆粉末进行吸水性能测试。由表2 可知，试验所选用的生物基水肥缓释材料和SAP 均具有较好的吸水性能，对自然水体的吸水倍数可达到自身重量的100 倍以上；而玉米秸秆粉末吸水性能较差，且对水的类型不敏感，说明其吸水主要以表面吸附为主。

表2 不同保水材料吸水性能比较Table 2 Comparison of different super absorbent materials

2.2 不同保水材料对大豆种植土壤含水率的影响

各试验单元在大豆播种后0、25、50、75 d分别浇水约8 m3（以水表计量），分别在浇水后当天及生长期内每隔5 d 取土样1 次，测定土壤含水率，并测试播种后50、100 d 土壤肥料含量。一般认为，大豆土壤适宜含水率应在20%以上，15%～20%为轻度胁迫，10%～15%为中度胁迫，10%以下为重度胁迫［10-11］。大棚内土壤初始含水率为8.3%，为重度胁迫。大豆自播种（6 月10 日）到收获（9 月18 日）生长期内土壤含水率变化如图1 所示，土壤含水率在不同试验条件下有较大差异，大豆生长周期内均受到不同程度的干旱胁迫，其中0～20 cm 土层为吸水保水材料施用层，分别施用粒径0.15～0.85 mm 的生物基水肥缓释材料、SAP 和玉米秸秆粉末，大豆100 d 生长周期内土壤含水率下降明显，含水率高低不仅与选用的材料种类有关，还与施用量密切相关，处理A、B、D、E 显著高于其他处理。

图1 不同保水材料对大豆种植土壤含水率的影响Fig.1 Effect of super absorbent materials on moisture content of soybean-planting soil

保水材料的施用对土壤含水率影响明显［12-15］。从图1 可以看出，在施用生物基水肥缓释材料或SAP 分别为5 kg 时，大豆播种浇水后处理A、B 的土壤持水量分别比CK 高32.89%、26.22%，而收获时则分别比CK 高34.31%、28.43%；随着施用量增加，土壤含水率进一步提高，生物基水肥缓释材料或SAP 施用量为10 kg 时，大豆播种浇水后处理D、E 的土壤持水量分别比CK 高44.89%、36.44%，收获时分别比CK 高77.45%、60.78%。表明在施用量相同的情况下，生物基水肥缓释材料处理的土壤持水量和收获时含水率稍高于SAP 处理，施用5 kg 时分别高5.02%、4.58%，施用10 kg 时分别高6.19%、10.37%，二者差异较小，说明这两种保水材料在水分缓释上效果相当。值得注意的是，在生物基水肥缓释材料或SAP 使用量加倍的情况下，对应土壤水分指标并未对应提高相同程度，说明它们之间不是线性关系。

施用玉米秸秆粉末处理的大豆播种时土壤持水量和收获时含水率提高不明显，其中处理C播种时土壤持水量和收获时含水率分别比CK 高8.44%和10.78%，处理F 则分别比CK 高9.33%和16.67%，说明玉米秸秆粉末与生物基水肥缓释材料或者SAP 相比，其吸水保水性能较低，但由于其施用相较于CK 可以提高土壤孔隙度，使土壤通透性和保水能力增加，在一定程度上起到提高土壤持水量和抗旱的作用。7 个试验单元大豆收获时土壤含水率依次为 D ＞E ＞A ＞B ＞F＞C ＞CK，对照与各处理无显著差异，施用保水材料对大豆生长土层含水率影响较大。

2.3 不同保水材料对大豆种植土壤肥料含量的影响

各试验单元在施用复合肥前的土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为0.12（±0.01）%、94（±2）mg/kg、9.8（±0.3）mg/kg、113（±2）mg/kg，大豆播种时分别施复合肥8 kg 作底肥，播种后50 d 和收获后（100 d）分别测定土壤肥料含量，结果（表3）显示，大豆100 d 生长周期内土壤肥料含量下降明显，但在不同试验条件下含量有较大差异。在施用生物基水肥缓释材料5 kg 时，处理A 大豆播种后50 d 土壤总氮、速效氮、速效磷和速效钾含量分别比CK 高31.25%、14.53%、43.48%和17.73%，100 d时则分别比CK 高55.56%、43.24%、38.46%和26.67%；当施用量为10 kg 时，处理D 大豆生长期内土壤肥料含量均进一步增加，播种后50 d 土壤总氮、速效氮、速效磷和速效钾含量分别比CK 高43.75%、35.04%、73.91%和30.50%，而100 d 时分别比CK 高88.89%、68.92%、92.31% 和45.71%。当施用SAP分别为5、10 kg 时，处理B、E大豆播种后50、100 d 土壤肥料含量与施用相同质量的生物基水肥缓释材料效果接近，也明显高于CK，而处理C、F 中玉米秸秆粉末的施用对土壤肥料含量的影响显著小于生物基水肥缓释材料和SAP。表明生物基水肥缓释材料或SAP 在大豆生长中均明显起到了肥料缓释作用且效果相当，而玉米秸秆粉末效果较低。

2.4 不同保水材料对大豆产量的影响

本试验中，各处理的实际耗水量见表4，平均耗水量为32.03（±0.11）m3，处理间无显著差异。一般情况下，大豆产量每667 m2为 200～300 kg，干旱胁迫条件下则明显低于这一数值［16-19］。从表4 可以看出，施用保水材料处理大豆地上生物总量普遍高于CK，其中施用生物基水肥缓释材料或SAP 处理更加突出，施用玉米秸秆粉末的效果一般［20-21］。干旱胁迫下，施用不同重量生物基水肥缓释材料的处理A、D，大豆产量分别提高38.38%和61.44%；施用SAP 的处理B、E，大豆产量分别提高32.68%和52.67%，表明生物基水肥缓释材料效果更好，且大豆产量随着保水材料施用量的增多而增加，但并非呈现线性相关；而施用玉米秸秆粉末的处理 C、F，大豆产量稍高于CK，分别提高13.63%和18.58%。

表4 不同保水材料对大豆产量及水分利用效率的影响Table 4 Effect of different super absorbent materials on soybean yield and water use efficiency

2.5 不同保水材料对水分利用率的影响

保水材料本身具有高吸水性，可将土壤中水分吸附在植物根部周围，随后缓慢释放，从而提高水分利用率。由表4 可知，施用保水材料处理的水分利用率变化显著，均不同程度高于CK，以处理D 最高，水分利用效率和产出效率分别达到1.45、0.54 kg/m3，比CK（0.95、0.33 kg/m3）分别提高52.63%和63.64%，差异显著。

3 讨论

保水材料基于其超强的吸水性，可高效实现水分和肥料的缓慢释放，从而达到节约用水、提高肥料利用率的目的，具有良好的应用前景。蓝松涛等［22］研究了干旱胁迫下保水材料施用对甘蔗种植的影响，结果表明，甘蔗种植土壤中施用保水材料能够提高20.49%～50.82%的土壤含水量，在干旱胁迫下可以起到为甘蔗提供水分的作用，提高出苗率，缓解干旱胁迫的影响。黄震等［23］则采用土壤淋溶实验的方法，研究了聚丙烯酸盐、有机-无机复合、腐殖酸型3 种保水材料施用对土壤中水分和氮肥的保持效应，表明聚丙烯酸盐保水材料可提高土壤含水率3%～6%，对土壤中尿素氮的保持可提高16%～22%，但对硝酸铵氮保持效果不佳；而腐殖酸保水材料则可使硝酸铵氮和尿素氮在土壤中的保持效果均提高20%以上。姚建武等［24］利用土柱对旱地赤红壤在施用树脂或淀粉类保水材料后的水分和氮素养分的保持效果进行研究，结果表明，保水材料添加量为土壤重量的1%时，土壤吸持水量可提高18%～50%，同时经相同淋溶实验处理后，氮肥淋失率从26.2%降低到17.1%，降低了34.7%。

上述研究均证明了保水材料优异的保水保肥效果，这是由于保水材料在水的作用下，同时电离产生阴、阳离子亲水基团，在离子渗透压、亲水基团共同作用下，水分子迅速进入保水材料网格内部，在静电力的作用下，达到相对平衡状态，完成吸水。保水材料作为高分子电解质，具有性能稳定的C—C 键骨架，其三维空间网络结构内亲水性基团（—COONa）数量众多，因而具有极强的吸附性能，吸水倍数大都在数百倍以上，远高于只能吸水自身几倍或几十倍重量的海绵、棉花、氯化钙等传统材料，并且保水性能较佳，不会因挤压而使所吸收的水分渗出。

本研究选取生物基水肥缓释材料、SAP 和玉米秸秆粉末进行试验，结果表明施用量相同时，玉米秸秆粉末在水肥保持上效果较差，而自制的生物基水肥缓释材料和SAP 最高可使土壤持水量分别提高44.89%、36.44%，对总氮、速效氮、速效磷、速效钾等不同肥料养分的保持效果则分别提高43.81%～88.89%。其中，生物基水肥缓释材料由于在合成过程中加入了玉米秸秆粉末、玉米淀粉和腐殖酸等生物基材料，充分结合了SAP 和腐殖酸等材料的优点，在水肥保持、水分利用效率等方面综合效果最佳，与黄震等［23］的研究结果一致。本研究重点关注了不同保水材料的施用效果差异，对保水材料在大豆种植土壤中的最佳添加量等方面研究较少，在以后研究中应该进一步深入。

4 结论

本研究结果表明，3 种保水材料的施用均能提高大豆种植土壤含水率、大豆产量、水分利用和产出效率，且施用量相同时，综合效果表现为生物基水肥缓释材料＞SAP ＞玉米秸秆粉末；增加生物基水肥缓释材料施用量可提高水肥保持效果，当施用量为10 kg 时大豆种植土壤含水率、总氮、速效氮、速效磷和速效钾含量分别提高77.45%、88.89%、68.92%、92.31% 和45.71%，大豆产量、水分利用和产出效率则分别提高61.44%、52.63%和63.64%，均优于施用量5 kg处理。