保水剂对核桃幼苗土壤水分物理性质的影响

公 超，张刘东，李 辉，郭淑芹，鲁秀娜

（1.临沂大学农林科学学院，山东 临沂276000；2.山东省林业保护和发展服务中心，山东 济南250014；3.济南市国有北郊林场，山东 济南250000）

我国部分区域尤其是山地丘陵地区缺水严重，制约了我国农林业的可持续发展，抗旱节水已成为我国农林业持续发展的重要途径[1-2]。 临沂地区山地丘陵居多，土壤干旱瘠薄、沙石较多、土壤理化性能差，其中土壤贫瘠、水分匮乏是导致当地农林经济落后的重要原因之一[3]。 土壤水分平衡是植物生长发育的重要的条件。 那么，如何维持干旱山地丘陵的土壤水分是该地区植物成活的重要保证。

保水剂又称超强吸水树脂剂，吸水后能迅速膨胀成为胶体，物理挤压不会使其析出水分，且具有反复吸水功能，可在干旱时为植物提供所需水分[4-5]。 有研究表明保水剂不仅能提高土壤的持水性，还对土壤结构具有良好的改良作用，如：保水剂可明显改善土壤透气性、减少土壤地表径流、提高土壤水分及植物果实产量等[6-9]。

土壤水分物理性质，如土壤容重、土壤孔隙度等能影响土壤蓄水性、通气性和保肥性能，对植物的生长发育有重要的意义[10]。自然条件下土壤容重受成土过程、成土母质及生物作用等影响，其大小对土壤的透气性、入渗、持水能力及植物生长等都有重要影响[11]。土壤孔隙是土壤气相和液相物质转移的通道，其大小、数量和空间结构决定了土壤中物质转移的形式和速率，是评价土壤肥力特征和土壤储水性能的重要因素之一[12]。

核桃是世界四大坚果之一，富含人体必需的营养物质和微量元素，是不可或缺的坚果和木本油料树种[13]。同时，核桃又是临沂地区常见的经济林树种，由于核桃适应能力强，对土壤条件要求不高等原因，在临沂地区大量栽植，但因临沂部分地区土壤干旱瘠薄，无法发挥核桃经济效益，那么，如何提高土壤的理化性质，成为当地农林研究的重要问题之一。为此，本研究以核桃（Juglans regia L.）幼苗为研究对象，将保水剂施入核桃土壤中，分析保水剂对核桃土壤水分物理性质的影响。 为干旱瘠薄地改善森林水分状况、山地森林资源经营管理提供科学依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验区概况

实验地点位于山东省临沂市临沂大学实验地（35°12′N，118°29′E），属温带季风气候，试验区土壤瘠薄，以砂质土为主，和临沂大部分山地丘陵土壤类型相似。

1.2 保水剂选择

本试验选用上海臣启化工科技有限公司生产的丙烯酸及丙烯酸钠交联聚合物作， 粒径分别是5 目、10目、30 目。

1.3 试验苗木及处理

2021年3月下旬，选择生长基本一致、生长健壮、无病虫害的2年生核桃（Juglans regia L.）幼苗，将其栽植到临沂大学试验田内，给与充足的水分，保证苗木的成活率。 6月下旬，对苗木土壤进行保水剂试验处理，10月下旬，对苗木土壤进行物理性质测定。

在试验室中称取不同目数（5 目、10 目、30 目）的保水剂各3g，放在无纺袋里浸水吸胀后带到试验田中。在距离树干基部0.5 m 的圆弧上等距离设置3 个点，在每个点上挖一个长15 cm、宽10 cm、深20 cm 的坑，然后将装有保水剂的无纺袋放入坑中并覆土，每个坑中放置一袋保水剂（每袋保水剂3 g，浸水吸胀后约600 g）。每个处6 个重复。 对照组坑中浇入上述保水剂吸胀后同质量清水。

1.4 土壤水分物理性质测定

在上述每个处理中选取4 棵核桃树，距树干基部0.5 m 的圆弧上设置一个取样点（每个处理共4 个重复），将取样点的表层土（1—2cm）去除后，利用环刀法对0—20 cm 土壤进行取样。 其中土壤容重采用环刀法、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度采用环刀吸水法[14-15]。

1.5 数据统计分析

数据采用SPSS18.0 统计分析软件处理，进行单因素方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 保水剂对核桃幼苗土壤容重的影响

土壤容重是指原状土柱状态下单位体积的土壤质量， 是衡量土壤结构和评价土壤质量的重要参数， 一般来说土壤容重高说明土壤紧实，孔隙数量少，土壤的水分、空气、热量状况较差，土壤容重低，则反之[16-18]。

图1 所示， 核桃林中土壤容重随着保 水剂粒径的减小而减少，其中没有保水剂的对照组（清水）土壤容重最大，为1.76 g·cm-3；保水剂粒径5 目和10 目次之，为1.69 g·cm-3和1.70 g·cm-3；保水剂粒径30 目的土壤容重最小，为1.62 g·cm-3。 其中，保水剂粒径5 目、10 目、30 目的土壤容重分别为对照组的96.02%、96.59%、92.05%。 说明土壤中施加保水剂能降低土壤的紧实度，增强土壤的透水、透气能力，且保水剂粒径越小改善效果越明显。 通过单因素方差分析可以看出，保水剂为5 目和10 目时，两个处理之间的土壤容重差别不大（P ＞0.05），但和对照组相比差异显著（P ≤0.05）。 这说明保水剂在较大粒径下，当目数改变较小时对土壤容重的影响不大。

图1 不同粒径的保水剂对核桃幼苗土壤容重的影响

从试验数据来看，该试验区土壤容重比一般土壤高，这可能由于试验区为丘陵地，土壤中含有较多细小石子造成的。

2.2 保水剂对核桃幼苗土壤非毛管孔隙度的影响

非毛管孔隙度是土壤空气流动的通道， 是土壤快速储水的场所，是衡量土壤质量优劣的指标之一，尤其对土壤质量评价具有重要意义， 非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸持的无效水容量越小，有效水容量越大[19-20]。

研究区域中不同处理 （对照组、5 目、10 目、30目） 的土壤非毛管孔隙度分别为4.98%、6.50 %、6.20%、8.02 %，其值介于4.98 %～8.02 %之间，相较于一般土壤偏低，其中对照组的土壤非毛管孔隙度最低，加入保水剂后非毛管孔隙度明显升高， 且和对照组相比差异显著（P ≤0.05），且保水剂粒径越小，土壤中的非毛管孔隙度越大， 当保水剂粒径达到30 目时，土壤的非毛管孔隙度为对照组的1.61 倍。

总体而言， 保水剂可提高土壤中非毛管孔隙度所占的比例，增加土壤有效水的储存容量，提高植物的抗旱能力。

2.3 保水剂对核桃幼苗土壤毛管孔隙度的影响

毛管孔隙度是指土壤毛管孔隙占土壤体积的百分数， 而毛管孔隙是土壤中能够通过毛管力保持水分的孔隙，毛管孔隙所保持的水分又称有效水，能溶解养分，且能被植物根系吸收和利用，是土壤孔隙的重要组成部分之一[20]。

图3 所示，对照组、保水剂5 目、保水剂10 目、保水剂30 目处理的土壤毛管孔隙度分别为37.64%、 44.23 %、44.07 %、48.51 %，其中对照组土壤毛管孔隙度最小，保水剂为30 目的土壤毛管孔隙度最大，为对照组的1.29 倍，和对照组相比差异显著（P ≤0.05）。 统计分析可以看出，保水剂5 目和10 目处理之间的土壤毛管孔隙度差别不大（P ＞0.05），但和对照组相比，差异显著（P ≤0.05）。 说明土壤中施加保水剂，在一定程度上可以升高土壤中毛管水所占的比例，增加土壤中用于植物根系吸收的水分量，提高植物的成活率。

图3 不同粒径的保水剂对核桃幼苗土壤毛管孔隙度的影响

总体来说，土壤中施加保水剂后能明显增加毛管孔隙度，且随着保水剂粒径减小，毛管孔隙度增加，土壤的持水能力增强。

2.4 保水剂对核桃幼苗土壤总孔隙度的影响

土壤总孔隙度是非毛管孔隙度和毛管孔隙度之和，是评价土壤储水性和肥力特性的基本特性之一[21]。

图2 不同粒径的保水剂对核桃幼苗土壤非毛管孔隙度的影响

研究区域中不同处理的土壤总孔隙度介于42.62 %～56.53 %之间，较一般土壤偏高，说明研究区域土壤储水性能强。 通过多重比较和单因素方差分析可以看出，无保水剂的清水对照组，土壤总孔隙度最低，为42.62 %，而在土壤中施加保水剂后，土壤总孔隙度明显升高，和对照组相比差异显著（P≤0.05），如保水剂5 目、10 目、30 目的土壤总孔隙度为50.73 %、50.27 %、56.53 %， 分别为对照组的1.19、1.18、1.33 倍（图4）。 说明保水剂能有效提高土壤的总孔隙度， 改善土壤储水保肥能力，提高植物生产力，这与杜社妮等[22]发现保水剂能明显改善烤烟的土壤环境，提高烤烟的品质的研究结果相似。

图4 不同粒径的保水剂对核桃幼苗土壤总孔隙度的影响

3 讨论

土壤物理性质影响土壤水、肥、气、热，与土壤容重、土壤孔隙和土壤持水性能等指标密切相关，是决定植物生长发育的重要因素。 本研究发现，土壤中施加保水剂后，能明显降低土壤容重，且保水剂颗粒越小，土壤容重越小。 不少学者研究也发现，施加保水剂后能不同程度的降低土壤容重，如白岗栓等研究表明在土壤中施加保水剂后能明显降低0—40 cm 土层土壤容重[23]；侯贤清等通过对比施加保水剂和不施保水剂的土壤物理性质发现，施加保水剂的土壤，可有效降低土壤容重，改善土壤结构[24]。

土壤孔隙特征反映了水分在土壤中的存留、容纳和分布情况[25]，本研究中发现，保水剂能明显增加土壤孔隙度，如施加保水剂后土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度明显增加（P ≤0.05），且保水剂粒径越小孔隙溶剂占土体容积越高（图4）。 有学者研究表明，充分灌水条件下，保水剂处理的土壤总空隙度明显高于未施保水剂组[22]，适量保水剂能够在干旱胁迫下使盆栽狼尾草幼苗叶片保持较高的相对含水量[26]，土壤孔隙度随着保水剂浓度的增大而增加[27]。 这些研究结果和本研究保水剂对核桃土壤物理性能改善结果相似。

上述结果都说明土壤中施加一定量的保水剂可以增加土壤的通透性， 增强水分在土壤中的传输能力。因此，笔者建议可以在干旱瘠薄山地、丘陵地适当使用保水剂来提高其土壤的保水、持水性能，来增加植物的抗干旱能力及成活率。