喷施羧甲基纤维素钾对宁夏引黄灌区土壤及其作物的影响

2022-05-16王永杰刘根红杨世琦

中国农业大学学报 2022年6期

王永杰颜鑫王英刘根红杨世琦*

(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; 3.宁夏大学农学院，银川 750021)

羧甲基纤维素应用于新材料开发的潜力很大，以此为基础的化工材料和产品很多，用途十分广泛，主要有化工、医学和食品科学领域，环境科学领域应用很少，在农业领域的应用才刚刚开始。改性纤维素材料是依靠纤维素表面的羟基通过引入官能团或者其他元素改变纤维素部分化学结构和性能使其成为具有特殊功能的大分子物质。改性后的纤维素在保持原有优良特性的基础上又具有引入官能团或其他元素赋予的新性能，在众多改性纤维素材料中，用量较大和用途较为广泛的是羧甲基纤维素钾(Potassium carboxymethyl cellulose， CMC-K)、羧甲基纤维素钠(Sodium carboxymethyl cellulose，CMC-Na)以及羧甲基纤维素铵(Ammonium carboxymethyl cellulose， CMC-NH)。改性纤维素材料CMC-Na、CMC-K和CMC-NH首次作为土壤改良剂，应用在黄土高原新造耕地上能够改善土壤理化性状，提高水土保肥性能，提升新造耕地作物产量。邢磊的研究结果表明，上述研究发现3种改性羧甲基纤维素材料通过洒施方式，提高新造耕地土壤含水量8.40%～22.80%，提高谷子产量6.70%～7.50%，能够提高土壤氮磷养分含量，其中：CMC-K可以增加土壤有效钾含量；CMC-NH可以增加土壤碱解氮含量；随着改性材料施用量的增加，土壤改良效果显著提升，推荐施用量为100 kg/hm。

羧甲基纤维素钾(CMC-K)无臭、无味、无毒；可溶于冷水或热水，形成具有一定粘度的透明溶液，其水溶液具有增稠、成膜、黏接、水分保持、胶体保护、乳化及悬浮等特性。CMC-K的生产原料为纤维素，作为天然基吸附剂，纤维素来源十分广泛，包括绿色的陆生、海底植物和动物体内，种类繁多，其在地球上年产量也高达750亿t，占植物界碳含量50%以上。此外，纤维素是一种可再生资源，是目前地球上最为丰富的资源。

宁夏引黄灌区位于宁夏回族自治区中北部，南北长320 km，东西宽40 km，总面积6 600 km，整体呈南高北低、西高东低走向。宁夏引黄灌区地处中温带干旱区，大陆性气候，干旱少雨，平均年降水量 289 mm，蒸发量1 250 mm，水资源短缺且时空分布不均。灌区农田土壤质地较砂松，灌淤土疏松多孔，有机质含量较低约1%，土壤保水保肥能力差，易发土壤养分淋溶，导致土壤氮素含量较低和有效磷不足，降低养分利用效率，其中灌区代表性作物水稻和玉米的氮肥利用率22.4%与23.5%，灌溉水利用率0.3低于全国平均水平0.45。

由于改性纤维素材料在农业领域刚刚起步，此前的研究报道尚少，根据其独特的性质和宁夏引黄灌区存在水温环境不好的问题。本研究拟以改性纤维素CMC-K为例，采用喷施方式，设置不同喷施量为不同处理，调查不同喷施量对灌区土壤和作物的影响，以期为灌区的粮食生产、改善种植结构发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年6—11月在宁夏回族自治区银川市平吉堡镇平吉堡农场试验田(38°25′25″ N，106°1′45″ E，平均海拔1 100 m)进行。该地属中温带大陆性气候，年平均气温8.5 ℃，日温差12～15 ℃，年平均日照时数2 800～3 000 h，年平均降水量203 mm，无霜期157 d左右，土壤质地为沙壤土(砂粒74%、粉粒15%、黏粒11%),土壤类型为灌淤土。试验地土壤耕层(0～20 cm)化学性质如下：pH 8.90；有机质含量为13.05 g/kg;全氮含量为0.80 g/kg；全磷含量为0.74 g/kg；铵态氮含量为0.96 mg/kg；硝态氮含量为4.30 mg/kg；速效磷含量为13.39 mg/kg；速效钾含量为90.09 mg/kg。

1.2 试验材料

供试品种为当地燕麦主推饲草燕麦品种‘甜燕1号’，生育期110 d。供试材料为羧甲基纤维素钾(CMC-K)，由北京理工大学材料学院提供,基本性质如下:钾含量为24.4%;碳含量为27.5%;1%B型粘度(25 ℃)为300～800 mPa·s；取代度为0.6～0.8；干燥减量≤10%；pH 9～11；质量分数为13.7%；形态为白色絮状。

1.3 试验设计及方法

本研究CMC-K施用量共设置5个处理，分别为0 kg/hm(CK)、50 kg/hm(T1)、100 kg/hm(T2)、200 kg/hm(T3)、300 kg/hm(T4)，重复3次。采用喷施的方式，各处理喷施浓度均为1%，其他处理均与T4保持相同的喷施用水量，喷施时间为2020年7月28日。试验小区面积为30 m(5 m×6 m)，小区间用土埂分隔开。饲草燕麦在2020年6月1日播种，于2020年10月9日收获。所有处理饲草燕麦氮肥施用量为225 kg/hm，不施磷肥。氮肥基施40%，追施60%，8月5日结合灌水追肥1次，占总量25%，8月31日追肥1次，占总量25%，9月20日追肥1次，占总量10%。各小区为独立的滴灌单元，每两行铺设1根滴灌带, 滴灌带铺设在窄行内, 试验区四周种植保护行, 由潜水泵将水通过75 mm PE管抽送到试验小区, 与75 mm PE管接口处安装水表准确计量, 3 mm PE管做支管连接到16 mm毛管, 施肥溶于水用水泵施入。灌水总量160 m，滴灌分8次。

分别于饲草燕麦拔节期(08-17)和收获期(10-08)，采用仪器TDR350测定20 cm土层处的土壤含水量、土壤温度和电导率。收获饲草燕麦的同时，利用环刀法测量土壤容重，在每个小区采用对角线法取3个点，进行取样并采集0～10 cm、10～20 cm土层土样，带回实验室测定土壤养分含量。采用NaOH熔融-火焰光度计法测定全钾含量，中性1 mol/L乙酸铵溶液浸提，火焰光度计测定速效钾含量，碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法进行测量土壤有效磷含量，半微量凯氏定氮法测定全氮含量，采用碱解-扩散法测定水解性氮含量，AA3流动分析仪测定土壤硝态氮、铵态氮含量，碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定全磷含量，重铬酸钾容量法测定有机质含量，梅特勒-托利多pH计将水土比按照

(水)∶

(土)=5∶1体积比充分震荡静置后测pH，以上具体方法见文献。积温计算具体方法参照肖静等。每个小区随机取10株带回实验室测产,作物株高和产量测定方法参照赵玉花。

1.4 数据处理

数据处理采用Microsoft Excel 2019和SPSS 21.0，对数据进行统计分析，对土壤含水量、温度、电导率、容重、各项养分指标和产量数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)、独立样本

检验和Duncan多重比较；利用Origin 2018C对处理后的数据进行拟合及绘图。

2 结果与分析

2.1 喷施CMC-K对土壤特性的影响

不同CMC-K处理的土壤含水量、温度、电导率以及容重变化见表1。可知：8月17日(拔节期)，CK处理土壤含水量为19.89%，T1、T2、T3、T4处理相较于CK处理分别提高了39.78%、68.27%、98.16%和116.8%，各处理与CK处理表现出显著性差异(

<0.05)，不同处理之间也达到了显著差异(

<0.05)；10月9日(成熟期)，CK处理土壤含水量为47.72%，T1、T2、T3、T4处理相较于CK处理土壤含水量分别提高了2.42%、6.80%和2.75%、2.03%，各处理与CK处理之间无显著性差异(

>0.05)。该研究结果表明，喷施CMC-K具有土壤水分保持功效，且随着喷施量的增加，土壤含水量显著增加。在饲草燕麦收获期，处理与对照以及各处理之间的土壤含水量无显著差异，主要原因可能是从9月中旬开始，田间封行抑制了土壤蒸发，减少了土壤水分损失，导致不同处理的土壤含水量差异性降低。8月17日，CK处理土壤温度为26.02 ℃，T1、T2、T3、T4处理较CK处理土壤温度分别提高了0.46、0.48、0.46、0.50 ℃，四组处理均与CK有显著性差异(

<0.05)；10月9日，CK处理的土壤温度为18.57 ℃，T1、T2、T3、T4处理较CK处理土壤温度分别提高了0.64、0.97、1.04和0.44 ℃，各处理与CK处理也表现出显著性差异(

<0.05)，其中T2、T3处理显著提高了土壤温度，T4处理提高不多。喷施CMC-K可以形成土壤固化层，类似土膜；由于土膜降低了土壤的透气性，因而产生保温效果，增加土壤温度。对四组不同处理土壤积温的估算结果表明，T1、T2、T3和T4处理可以分别为饲草燕麦的整个生育期贡献积温50.60～70.40、52.80～106.70、50.60～114.40、48.40～55.00 ℃。10月9日测得CK处理的土壤电导率为0.46 mS/cm，T1处理比CK处理降低了4.57%，而T2、T3、T4处理比CK处理分别提高了32.93%、23.32%、0.48%，其中T2、T3处理与CK处理差异达显著水平(

<0.05)，T1、T4处理与CK处理则无显著性差异(

>0.05)，并且从T2处理开始，土壤电导率随着喷施量的增加而降低。在饲草燕麦收获期测量土壤容重，结果见表1。可知：喷施CMC-K对土壤容重影响较小，CK处理的土壤容重为1.68 g/cm，T1、T2、T3、T4处理的土壤容重分别为1.85、1.79、1.92和1.82 g/cm；T3处理较CK处理土壤容重增加了14.12%，与CK处理表现出显著性差异(

<0.05)。

表1 喷施CMC-K对宁夏引黄灌区土壤物理特性的影响
Table 1 Effects of CMC-K spraying on soil physical properties in Ningxia Yellow River Irrigation Area

处理Treatment土壤含水量/%Soil water content土壤温度/℃Soil temperature08-1710-0908-1710-09土壤电导率/(mS/cm)Soil electricalconductivity土壤容重/(g/cm3)Soil bulk densityCK19.89±1.09 e47.72±1.18 a26.02±0.02 b18.57±0.03 d0.462±0.023 b1.68±0.08 bT127.80±1.35 d48.88±0.65 a26.48±0.03 a19.20±0.03 b0.441±0.044 b1.85±0.04 abT233.47±1.41 c50.97±1.39 a26.50±0.02 a19.54±0.03 a0.614±0.095 a1.79±0.05 bT339.41±1.23 b49.03±1.19 a26.48±0.01 a19.61±0.07 a0.570±0.035 a1.91±0.06 aT443.11±1.15 a48.69±0.74 a26.52±0.01 a19.01±0.01 c0.464±0.039 b1.82±0.06 ab

注：表中标不同小写字母表示不同处理间差异显著(<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments (<0.05). The same below.

2.2 喷施CMC-K对土壤化学性质的影响

CMC

K对土壤全钾和速效钾含量的影响不同处理的土壤全钾含量和速效钾含量变化如图1所示。由图1(a)可知：0～10 cm土层中，各处理全钾含量较CK处理分别增加28.31%、39.62%、47.71%和63.07%；在10～20 cm土层中，各处理全钾含量较CK处理分别增加12.30%、41.25%、60.78%和75.05%，可以看到喷施CMC-K在两个土层中均表现出显著性差异(

<0.05)，由图1(b)可知：施用CMC-K对0～20 cm土层速效钾含量的影响显著增加。其中，在0～10 cm土层中，各处理速效钾含量分别增加34.72%、56.36%、79.89%和95.45%；在10～20 cm土层中，各处理速效钾含量分别增加25.65%、54.61%和96.29%、125.37%。CMC-K的不同施用量对土壤速效钾含量影响具有显著性差异(

<0.05)。全钾含量和速效钾含量随着CMC-K的喷施量增加而增加，由于CMC-K自身带有钾元素的化学特性，可以为作物提供钾元素，因此，显著增加了土壤全钾和速效钾含量。

喷施CMC

K对土壤有效磷、全氮、水解性氮的影响

图1 喷施CMC-K对宁夏引黄灌区土壤全钾和速效钾的影响Fig.1 Effects of CMC-K spraying on soil total potassium and available potassium in Ningxia Yellow River Irrigation Area

图2 喷施CMC-K对宁夏引黄灌区土壤有效磷、全氮、水解性氮的影响Fig.2 Effects of CMC-K spraying on soil available P, total N and hydrolytic N in Ningxia Yellow River Irrigation Area.

在作物成熟期(10月9日)取样，调查不同处理对土壤有效磷、全氮、水解性氮的影响，结果见图2。由图2(a)可知：在0～10 cm土层中，CK处理的土壤有效磷含量为17.37 mg/kg，T1、T2、T3、T4处理土壤有效磷含分别为23.33、19.50、20.03和20.61 mg/kg，各处理与CK处理无显著性差异(

>0.05)。在10～20 cm土层中，CK处理的土壤有效磷含量为14.67 mg/kg，T1、T2、T3、T4处理土壤有效磷含量分别为12.87、14.67、15.97和14.00 mg/kg，各处理与CK处理无显著性差异(

>0.05)。0～10 cm土壤有效磷含量明显高于10～20 cm土层的有效磷含量。正是由于CMC-K具有吸附性，能够固持土壤有效磷，减少土壤淋溶的结果。土壤中全氮调查结果见图2(b)。可知：在0～10 cm土层中，CK处理的土壤全氮含量为0.88 g/kg，T1、T2、T3、T4处理土壤全氮含量分别为0.81、0.80、0.81和0.81 g/kg，各处理与CK处理表现出无显著性差异(

>0.05)；在10～20 cm土层中，CK处理的土壤全氮含量为0.87 g/kg，T1、T2、T3、T4处理土壤全氮含量分别为0.83、0.80、0.81和0.81 g/kg，各处理与CK处理之间无显著性差异(

>0.05)。由于CMC-K主要对阳离子态氮有固持作用，在全氮中包含各种离子态氮，因此，在不同层土壤中，各处理全氮含量与CK处理无显著性差异(

>0.05)。不同处理对土壤水解性氮的影响如图2(c)所示：在0～10 cm土层中，CK处理的土壤水解性氮含量为53.83 mg/kg，T1、T2、T3、T4处理土壤水解性氮含量分别为53.50、48.67、50.60和55.37 mg/kg，各处理与CK处理表现出无显著性差异(

>0.05)。在10～20 cm土层中，CK处理的土壤水解性氮含量为59.40 mg/kg，T1、T2、T3、T4处理土壤水解性氮含量分别为47.87、48.93、44.70和45.97 mg/kg，T1、T2、T3、T4处理相较于CK处理土壤水解性氮含量分别减少了19.42%、17.62%、24.75%和22.62%，与CK处理表现出显著性差异(

<0.05)。

2.3 喷施CMC-K对饲草燕麦株高的影响

调查喷施不同浓度CMC-K对饲草燕麦株高的影响，结果见图3。可知：在作物成熟期(10月9日)进行田间取样CK处理的作物株高为103.44 cm，T1、T2、T3、T4处理处理作物株高分别为124.00、111.78、121.78、113.78 cm，其中T1、T2、T3、T4处理将作物株高分别提高了19.88%、8.06%、17.73%和10.00%，T1、T3、T4处理相较于CK处理具有显著性差异(

<0.05)，T2处理与CK处理无显著性差异(

>0.05)。T2处理无显著差异，主要是因为在田间测定作物株高时存在取样误差。

2.4 喷施CMC-K对饲草燕麦产量的影响

图3 不同喷施量的CMC-K对饲草燕麦株高的影响Fig.3 Effect of different amounts of CMC-K on the plant height of forage oat

喷施不同浓度CMC-K对饲草燕麦产量的影响结果见图4。可知：CK处理的产量(干重)为1 847.67 kg/hm，T1、T2、T3、T4处理的产量分别为2 194.85、2 396.20、2 563.73、2 847.52 kg/hm，各处理相较于CK处理分别将产量提高了18.80%、29.69%、38.75%、54.11%，四组处理与CK处理表现出显著性差异(

<0.05)。随着喷施量的增加，饲草燕麦的产量也随之增加。由于CMC-K提高了土壤电导率、土壤温度，施入土壤还可以形成一层薄的土膜，相较于CK处理，为植物生长提供了适宜的环境和养分，因而在产量方面表现较好。CMC-K成本约2～3万元/t，T4处理的产量达到最高，但由于CMC-K用量太大，投入成本增加；同时，T1处理虽然用量小，但效果不太理想，因此，选择中间喷施量100 kg/hm为推荐施用量。

图4 喷施CMC-K对饲草燕麦产量的影响Fig.4 Effect of spraying CMC-K on forage oat yield

2.5 CMC-K施用量与土壤理化性质及饲草燕麦产量的相关性

CMC-K施用量与土壤理化性质及饲草燕麦产量的相关性分析的结果见表2。可知：CMC-K施用量与土壤含水量、饲草燕麦产量、土壤全钾含量和速效钾含量呈显著性正相关，表明喷施CMC-K可以显著影响宁夏引黄灌区的土壤含水量、全钾含量、速效钾含量以及作物产量，对增加引黄灌区养分和水分利用率有很好的作用，同时对作物产量也具有一定贡献。其中，土壤温度与饲草燕麦产量呈现显著性正相关。

3 讨论

3.1 喷施CMC-K对土壤理化性状的影响

黄化刚等研究表明不同土壤改良剂均能不同程度的影响土壤理化性质，提高土壤保肥能力进而增加土壤肥力。纤维素改性后具有吸水性，能够吸附自身质量几十到几百倍的水分，不同改性纤维素吸水倍率不同，其中在已研究的羧甲基改性纤维素材料中，CMC-K吸水倍率较高。研究发现，施用CMC-NH对土壤水分产生明显影响，且随着CMC-NH的施用量的增加，土壤含水量也随之增大。本研究结果表明，试验处理在拔节期的土壤含水量较CK产生明显差异，且随着喷施量的增加，土壤含水量显著增加，表明喷施CMC-K具有土壤水分保持功效，与上述研究结果一致。邢磊研究发现施用5种改性纤维素材料后，处理组的土壤电导率高于对照组，说明改性纤维素材料能够影响土壤电导率；杨逵在土壤中加入的保水剂中含有交换能力较强的羧基，可以和土壤中吸附的离子进行交换，从而会提高土壤浸出液电导率。本研究也发现，T2、T3处理电导率比CK处理分别提高了32.93%、23.32%，差异达显著水平，与上述研究一致。由于CMC-K具有吸附性，能够固持土壤养分离子，使得电导率提高，T1处理可能是施用量较低，与对照表现出无明显差异，而T4处理表现出无显著性差异，可能是试验误差所致。微生物土壤改良剂处理的土壤耕层温度均高于对照，可以提高土壤温度。本研究发现喷施CMC-K的各处理较CK处理土壤温度分别日均提高了0.64、0.97、1.04、0.44 ℃，表现出显著性差异，与上述研究一致，T2、T3处理表现最优。张微和周磊研究表明，土壤改良剂可以降低土壤容重。本研究中T1、T2、T4处理对土壤容重均无显著性影响，与上述研究不同，T3处理可能是取样误差所导致。

3.2 喷施CMC-K对土壤养分的影响

土壤钾含量与植物钾含量密切相关，缺钾易导致植物叶片变黄、组织坏死，影响植物的光合作用和呼吸作用，降低氮肥、磷肥的利用效率，显著抑制了作物的生长和产量。土壤钾元素含量降低已经成为制约农业发展的主要原因之一。CMC-K在吸水的同时能够吸附水体中离子，且吸附效果较好，改性纤维素吸附能力较强。邢磊研究发现，在吸附过程中改性纤维素材料对磷酸根吸附效率均在73.1%以上。本研究中喷施CMC-K可以显著提高土壤全钾含量和速效钾含量，其中在全钾含量方面，四组处理均显著提高全钾含量，可以供给作物生长所需的钾元素；土壤中速效磷和速效钾是作物直接利用的营养元素，在速效钾含量方面，喷施CMC-K可以显著提高2个土层的速效钾含量，可以为植物供给更易吸收利用的养分，有助于作物更好的生长和发育。文星等的研究表明，以生石灰、白云石粉和海孢石等为主要成分的化学改良剂，可以降低土壤中有效磷的含量。本研究发现，喷施CMC-K对土壤有效磷含量无显著性影响，与上述研究不一致，可能是喷施量有限，导致不同处理在同一土层的有效磷含量无显著性差异。邢磊研究表明，在田间施用条件下，改性纤维素对土壤全氮、全磷含量无显著性影响。本试验发现，喷施CMC-K也对土壤全氮含量无显著性影响，与上述研究一致。水解性氮是铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺以及易水解性蛋白质的总和，是土壤氮素的主要组成部分，与土壤全氮相比，更能反映土壤近期氮素的供应状况。普遍的观点是土壤胶体带负电荷，我国目前施氮肥主要是铵态氮肥，所以土壤会对施入的氮肥形成的NH4有吸附作用，土壤主要通过静电引力吸附NH4-N，且吸附量的多少取决于土壤胶体的数量和所带负电荷的数量；反之，对于硝态氮来说CMC-K对其没有吸附作用。本研究通过测量0～10、10～20 cm土层的水解性氮含量，在0～10 cm处可以看到水解性氮含量各处理与CK处理无显著性差异，而在10～20 cm处水解性氮含量四组处理与CK处理表现出显著性差异且相较于CK处理水解性氮含量减少了。由于喷施CMC-K在土壤中形成土壤胶体，会吸附土壤中的阳离子态氮，CMC-K将土壤中的水解性氮吸附到了上层土壤，由此可以看到CMC-K可以对水解性氮起到固持的作用，减少了水解性氮的淋溶。

3.3 喷施CMC-K对饲草燕麦产量的影响

植物主要通过根系吸收土壤中的养分，土壤中的养分、水分含量直接影响作物根系的吸收和生长，而土壤改良剂通过对土壤性质的影响进而影响作物的生长发育。有研究表明，土壤改良剂可显著促进土壤团粒的形成，改善土壤结构，提高土壤肥力，增加土壤保水、保肥性能，能提高作物产量。康爱民等研究表明，改良剂能促进植株分蘖，提高黑麦草地上部生物量。刘莉萍等研究表明，单施和混施改良剂均能不同程度地提高株高和茎粗。李志洪等研究表明，土壤改良剂能增加叶绿素含量，提高光合作用，增加株高、地茎和枝条萌发量。本试验发现，喷施CMC-K可以显著提高饲草燕麦的株高，T1、T3处理表现最优，可以将株高分别提高20.56、18.34 cm；各处理相较于CK处理在产量方面表现出显著差异，可以将产量提高(8.80%～54.11%)。

4 结论

在宁夏引黄灌区喷施CMC-K，提高土壤水分6.80%～68.27%，为饲草燕麦生育期贡献积温52.80～106.70 ℃，增加土壤全钾、速效钾含量，能够固持养分，使其聚集在上层土壤，减少养分的淋溶，可以改良土壤特性，促进土壤养分吸收利用，促进增产，提高饲草燕麦产量18.80%～54.11%。因此，CMC-K可以作为宁夏引黄灌区农田土壤改良剂，综合考虑其经济效益，推荐施用量为100 kg/hm。