改性纤维素对旱稻萌发和旱地土壤性质的影响

刘宏元， 周志花， 赵光昕， 王艳君， 王娜娜*

（1.山东省农业科学院湿地农业与生态研究所，济南 250100； 2.内蒙古自治区气象台，呼和浩特 010051；3.北京科技大学天津学院，天津301830）

干旱是我国农业发展的重要制约因素，随着全球气候变化发生剧烈改变，干旱发生的强度和频率也在不断增加[1]。因此，在保证作物正常生长的前提下，发展农业节水技术是我国提高水资源利用效率和缓解水资源短缺问题亟需采取的重要手段之一[2]。

改性纤维素具有保水保肥、促进作物增产的性能，是解决上述问题的重要手段之一[3]。改性纤维素在保水保肥的同时，也能够改良土壤结构以及改变土壤团聚体的组成，从而提高土壤水分和肥料利用效率[4]。改性纤维素实际上是保水剂和肥料的复合体，有研究表明保水剂和肥料配施能显著提高多种粮食作物和蔬菜的产量[5-7]。此外，改性纤维素来源于天然生物材料，主要应用于医药、食品、建筑等行业，近年来作为土壤改良剂在农田中应用，降解后也可以转变为土壤有机质，属于环境友好型材料[8-11]。改性纤维素来源与生物炭类似[12-13]，但比较来看其具有更好的保水保肥作用和降解周期快的优点，也应成为秸秆资源再利用的重要途径。

本研究将改性纤维素应用于黄淮海平原典型旱地农田土壤，并选择旱稻作为供试作物。黄淮海平原是我国重要的粮食生产基地，但同时也面临着较为严重的水资源短缺问题，改性纤维素是否可以改善该类型土壤水分和养分利用效率，这在先前研究中鲜有报道。而旱稻需水量仅为水稻的1/10～1/4，略高于玉米和小麦等作物，研究改性纤维素对旱稻影响的结果对于其他作物同样具有借鉴意义[14]。因此，本研究通过盆栽试验研究不同种类和用量改性纤维素对旱稻萌发和旱地土壤性质的影响，为今后改性纤维素在黄淮海平原乃至我国旱地农田的实际应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在山东省农业科学院湿地农业与生态研究所人工气候室进行，供试土壤采自山东省农业科学院湿地农业与生态研究所济南试验站(36°42′21″N，117°4′53″E)。该区年平均气温13.8 ℃，年均降水量685 mm，多集中在6—8月。试验用土采集于该区0—20 cm耕层土壤，其基本理化性质：pH为7.9，有机质为9.0 g·kg-1，碱解氮为46.1 mg·kg-1，速效磷为23.5 mg·kg-1，速效钾为186.0 mg·kg-1。

试验旱稻品种为‘泰选1号’，由山东省农业科学院湿地农业与生态研究所提供。供试肥料为尿素（国药集团，CH4N2O含量≥99.0%）和磷酸二氢钾（国药集团，KH2PO4含量≥99.5%）。供试改性纤维素为羧甲基纤维素（Carboxymethyl cellulose,CMC）铵（CMC-NH4）（酸性）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）（碱性）和羧甲基纤维素钾（CMC-K）（碱性），由北京理工大学材料学院研发[15]。

1.2 试验设计

盆栽试验花盆内径16.5 cm，高度17 cm。试验于2020年12月28日开始，称取2 kg过4 mm筛的风干土于花盆内，均匀播种5粒旱稻种子，盖土厚度约为1.5 cm。播种后浇蒸馏水润湿土壤，共200 mL。按照旱稻生长所需水分，分别在2020年12月30日、2021年1月2日、4日、6日、10日、14日浇水，每次浇水分别为200、150、150、100、100、100 mL，共800 mL。2021年1月14日后停止浇水进行干旱处理，干旱处理10 d。

按照不同土壤质量比将土壤与3种改性纤维素混合，共设13个处理，以不施用改性纤维素为对照（CK)，每个处理重复3次，具体见表1。根据旱稻种植田间需肥量，每个处理施加尿素和磷酸二氢钾分别为0.20和0.06 g。改性纤维素和肥料与土壤充分混匀后一起置入花盆中。该试验所处的人工气候室温度为25 ℃，风速为1 m·s-1。

表1 盆栽试验各处理设置Table 1 Treatment of pot experiment

1.3 样品测定

2021年1月2日开始进行株高监测。在旱稻植株生长过程中，每次浇水前后均对盆栽进行称重，进而计算各处理水分流失量。在旱稻种子全部萌发后（15 d）结束培养，称取地上部分植株干重（80 ℃烘干至恒定质量）。试验结束后，用土壤紧实度仪（德国 STEPS41010）测定土壤紧实度；用直尺测定土壤表面结皮厚度；用流动分析仪（Braun and Lübbe, Germany）测定土壤硝态氮和铵态氮含量；用钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量；采用火焰光度法测定土壤速效钾含量，各测定指标具体操作方法见文献[15]。

1.4 数据分析

利用 Microsoft Office Excel 2016进行数据整理。图形绘制采用Origin 8.5软件进行。利用SPSS 20.0软件的单因素方差分析比较不同添加量改性纤维素对各测量指标的差异显著性。所有结果数据均以平均值±标准差的形式表达。

2 结果与分析

2.1 不同改性纤维素对旱稻萌发的影响

由图1A可知，在旱稻生长约16 d时，CK处理旱稻开始萎蔫，植株不再生长。在土壤中施加CMC-NH4后，A1和A2处理的旱稻株高高于CK处理；A3和A4处理对旱稻生长有极大抑制作用。由图1B可知，CMC-Na对旱稻株高的影响不具有规律性，在培养期间，B1和B4处理的旱稻株高一直高于CK处理，而B3处理对旱稻生长具有极大抑制作用。由图1C可知，施用CMC-K对旱稻株高的影响整体表现为随CMC-K施用量的增加而降低；与前2组处理不同，高水平的C4处理并未完全抑制旱稻生长。从最终地上部生物量结果来看，仅A1、B1、C1和C2处理显著提高了旱稻地上部生物量（P＜0.05）（图2），分别较对照组提高了316.33%、195.92%、214.29%和159.18%。

图2 各处理地上部生物量Fig. 2 Aboveground biomass in each treatment

2.2 不同改性纤维素对土壤水分的影响

由图3A可知，在土壤中施加CMC-NH4后，前期仅A2和A3处理在第2次监测时，土壤水分流失量高于CK处理；后期各处理土壤水分流失量均高于CK，尤其是在第2次监测时差异明显。由图3B可知，在土壤中施加CMC-Na后，前期各处理土壤水分流失量均低于CK处理，但在第4次监测时各处理土壤水分流失量高于CK处理，且B4处理在第5次监测时也高于CK处理。由图3C可知，施加CMC-K土壤水分流失量与前二者不同，C1和C2处理的土壤水分流失量仅在第2次监测时低于CK处理，而在第1、第3和第4次均高于CK处理；C3和C4处理的土壤水分流失量仅在第2和第3次低于CK处理，而在第4次均高于CK处理。由表2可知，与对照组相比，3种改性纤维素处理对土壤累积水分流失量无显著影响（P＞0.05）。

图3 施加CMC-NH4、CMC-Na、CMC-K土壤水分流失量的变化Fig. 3 Changes of CMC-NH4，CMC-Na，CMC-K application on soil water loss

表2 各处理累积失水量Table 2 Cumulative water loss in each treatment

2.3 不同改性纤维素对土壤理化性质的影响

由表3可知，施加CMC-NH4能降低土壤pH，尤其是A4处理可以显著降低土壤pH（P＜0.05），达0.29个单位；而施加CMC-Na和CMC-K能提高土壤pH，分别达0.27～0.78和0.03～0.41个单位。在土壤物理性质方面，施加CMC-Na后土壤坚硬并形成结块，土壤紧实度增加也最为显著（P＜0.05），达96.65%～155.35%；施加CMC-NH4后土壤表层变硬并形成结块，也可以在一定程度上增强土壤紧实度，其中A2、A3和A4处理土壤紧实度显著增加（P＜0.05），达16.29%～41.96%；而施加CMC-K对土壤紧实度和土壤成块性无显著影响。3种改性纤维素处理均在表层形成了结皮，且厚度随着施用量的增加而增加，其中CMC-Na效果最为明显，其次为CMC-NH4，CMC-K处理形成的结皮厚度最小。

表3 各处理培养后土壤理化性质Table 3 Physical and chemical properties in each treatment

2.4 不同改性纤维素对土壤养分的影响

由表4可知，在土壤中施加CMC-NH4后，A2、A3和A4处理显著增加了土壤铵态氮和硝态氮含量，分别达202.45%～1017.79%和48.20%～172.60%；A3和A4处理也显著增加了土壤速效磷含量，分别达56.59%和54.96%。在土壤中施加CMC-Na后，B1和B2处理显著增加了土壤硝态氮和速效磷的含量，分别达26.62%～48.85%和35.77%～51.22%；但B4处理显著降低了土壤硝态氮，达56.14%。在土壤中施加CMC-K后，各处理均增加了土壤速效钾和速效磷含量，分别达344.94%～1458.73%和57.98%～102.17%；仅C1处理可以显著增加土壤硝态氮含量，达65.48%；而C1、C2和C3处理显著降低了土壤铵态氮含量，达47.24%～58.28%。

表4 各处理培养后土壤养分含量Table 4 Soil nutrients in each treatment（mg·kg-1）

3 讨论

3种低水平的改性纤维素处理均能增加旱稻株高和地上部生物量，这与杨永辉等[16]研究结果一致，主要是因为适宜用量改性纤维素能固持水分和养分并供应给旱稻萌发所用[17]。但添加中高水平的改性纤维素均对旱稻萌发产生了抑制作用，这可能是因为改性纤维素粘结作用过强，导致土壤板结，土壤质地过硬，土壤通气性下降进而导致旱稻萌发阻力过大[18-19]；也可能与改性纤维素吸水倍率过高，与旱稻争夺土壤水分所致。此外，本研究结果发现CMC-Na对旱稻萌发的影响并无显著规律，B3处理并未萌发，而B4处理进行了萌发。这可能是因为B4处理施用量高，能促进种子更快萌发，使得旱稻在土壤极度板结之前破土萌发，但由于后期该处理土壤的极度板结抑制了旱稻后期萌发，最终导致生物量不高。

先前研究认为，改性纤维素具有良好的吸水和保水作用[20]，这是因为改性纤维素可以吸水膨胀形成水凝胶，进而提高土壤水分含量[21-22]。但本研究发现改性纤维素在培养前期减少了水分流失量，而在培养后期增加了水分流失量。这可能是与改性纤维素在土壤中既有水分的快速吸附，也有水分的缓慢释放有关。在培养前期改性纤维素在土壤中可能只进行水分吸附进而减少了水分流失量[23]；而在培养后期一方面改性纤维素吸附的水分释放并下渗流失，另一方面改性纤维素处理土壤表面均形成了结皮导致浇水后水分不能进入土壤而蒸发流失。

施加呈酸性的CMC-NH4能降低土壤pH，而施加呈碱性的CMC-Na和CMC-K能在一定程度上增加土壤pH，这与邢磊[15]研究结果一致。施加CMC-Na和CMC-NH4能明显提高土壤紧实度，这主要是由于CMC-Na和CMC-NH4具有较强的极性，能增加土壤粘合度进而提高土壤硬度以及土壤成块性[24]。而CMC-K极性较弱，施入土壤后不会增加土壤紧实度，也不会形成土壤结块现象，但是会在土壤表层出现结皮现象。

已有研究发现改性纤维素在提高养分利用效率和减少养分流失方面具有显著效果，这是因为改性纤维素可以吸附养分并在后期缓慢释放，进而减少养分流失[25-27]。与已有研究不同的是，本研究所用的CMC-NH4本身就含有作物生长所需的氮素，因此施加CMC-NH4可以增加土壤中铵态氮和硝态氮含量，并随其施用量的增加而增加，这也表明CMC-NH4中的氮素释放到了土壤中并为旱稻萌发所用。与CMC-NH4类似，由于CMC-K本身含有作物生长所需的钾素，向土壤中施入CMC-K也会增加土壤中速效钾含量。本研究还发现3种改性纤维素均在不同程度上提高了土壤速效磷含量，这与邢磊等[28]研究结果不一致。有研究认为改性纤维素中钾离子或铵根离子与磷酸二铵发生置换反应或改性纤维素中含有钙、镁离子杂质与磷酸二铵发生沉淀反应进而降低土壤速效磷含量[29]。而本研究认为改性纤维素可能通过吸附磷酸根来提高土壤速效磷含量[30]，但不同种类和不同水平的改性纤维素对磷酸根吸附效率不一。此外，低水平的CMC-Na处理可以显著增加土壤硝态氮含量，而高水平的CMC-Na处理显著降低了土壤硝态氮含量，这与杨世琦等[23]研究结果一致，这可能与低水平的CMC-Na处理对土壤养分具有一定固持作用有关。但引文作者并未对高水平处理的抑制效果作出解释，本研究认为这可能是因为高水平的CMC-Na处理土壤严重板结，土壤硝态氮可能随着土壤水分下渗流失，亦或者严重的土壤板结导致土壤硝化作用减弱[31]。

综上所述，施加适量的改性纤维素可以提高肥料利用效率、节约劳动成本，是实现农业可持续发展的重要手段之一。但高水平的改性纤维素会对土壤结构造成破坏进而影响作物生长发育，因此在田间实际应用中要注意施用剂量和施用时期。