富钼专用保水剂对东北典型土壤保墒性能及大豆幼苗生长的影响.pdf

摇第 22 卷摇 第 1 期2024 年 2 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.22摇 No.1Feb.2024DOI:10.16843/j.sswc.2023004富钼专用保水剂对东北典型土壤保墒性能及大豆幼苗生长的影响张玉斌1,景摇 泉2,崔金虎1,陈贵娟2,赵雪来1,侯利园1覮(1.吉林大学植物科学学院,130062,长春;2.吉林省汇泉农业科技有限公司,130041,长春)摘要:在东北集约化种植体系中,苗期水肥供应强度直接影响作物生长状况,并最终导致产量变异。富钼大豆专用保水剂是基于高分子材料合成与钼肥技术的耦合。针对东北 2 种典型土壤类型开展温室盆栽试验,通过二因子五水平的试验设计,研究土壤类型、保水剂类型及施用量对大豆苗期土壤水分利用效率及幼苗生长的影响。结果表明:1)施用不同剂量普通保水剂(H 2020)和富钼专用保水剂(GH 2021)均可在不同程度上提高土壤保水性能,并促进苗期大豆生长及地上部植株干质量;2)土壤含水率和大豆幼苗株高均随用量的增大而增加,且用量为 0郾 5%的GH 2021 显著促进大豆幼苗的生长,在黑土和风沙土条件下增幅分别可达 68郾 0%和 44郾 9%;3)0郾 5%剂量的GH 2021 使风沙土土壤含水率提高 343郾 1%,相较于施用 H 2020 保水性能提升 33郾 6%;4)与 H 2020 相比,施用量为 0郾 5%的 GH 2021 使风沙土条件下苗期大豆株高和地上部干质量分别提高 16郾 3%和 34郾 0%。综上,富钼专用保水剂在东北大豆种植区最佳应用范围为:2 种土壤条件下,保水剂理论田间推荐用量为 0郾 5%,其对风沙土的保墒性能优于黑土。该保水剂可用于提升干旱区土壤保水性能,改善苗期大豆生长环境和营养状况,最大限度激发东北大豆的增产潜力。关键词:富钼专用保水剂;黑土;风沙土;大豆;土壤含水率;苗期大豆生长中图分类号:S152郾 7文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2024)01鄄0063鄄07引用格式:张玉斌,景泉,崔金虎,等.富钼专用保水剂对东北典型土壤保墒性能及大豆幼苗生长的影响J.中国水土保持科学,2024,22(1):63-69.ZHANG Yubin,JING Quan,CUI Jinhu,et al.Effects of molybdenum鄄richsuper absorbent polymers on soil water retention and soybean seedling growth in typical soils of Northeast ChinaJ.Sci鄄ence of Soil and Water Conservation,2024,22(1):63-69.收稿日期:2023 01 05摇 修回日期:2023 11 01项目名称:吉林省教育厅产业化培育项目“旱作农作物富钼专用保水剂的研制开发冶(JJKH20221035CY);吉林省科技厅重大科技专项“吉林省西部风蚀瘠薄黑土地保护与高效利用技术体系集成与示范冶(20220302003NC);吉林省科技厅农产品绿色生产科技工程重大科技专项“玉米密植高产节能低碳绿色防倒生产技术冶(20230302003NC)第一作者简介:张玉斌(1977),男,博士,教授。主要研究方向:土壤退化与修复及其环境效应。E鄄mail:ybzhang 覮 通信作者简介:侯利园(1985),女,博士,讲师。主要研究方向:养分综合管理。E鄄mail:houliyuan Effects of molybdenum鄄rich super absorbent polymers on soil waterretention and soybean seedling growth in typical soils of Northeast ChinaZHANG Yubin1,JING Quan2,CUI Jinhu1,CHEN Guijuan2,ZHAO Xuelai1,HOU Liyuan1(1.College of Plant Science,Jilin University,130062,Changchun,China;2.Jilin Huiquan Agricultural Technology Co.,Ltd,130041,Changchun,China)Abstract:Background In the intensive planting system in Northeast China,especially in arid andsemiarid areas,the intensity of water and fertilizer supply during the seedling stage directly affects cropgrowth and causes yield variation.Super absorbent polymers(SAPs)can absorb and retain large volumes摇中国水土保持科学2024 年of water and aqueous solutions or solvents,and play an important role in improving soil pore structure andnutrient release.The article focuses on molybdenum鄄rich SAPs specialized for leguminous plants based onthe coupling of polymer material synthesis and molybdenum fertilizer technology.Methods Potexperiments in the greenhouse were conducted on two typical soil types in Northeast China,which wereblack soil and aeolian sandy soil.Two factors(soil types and SAPs variations)at five levels(applicationdosage of 0,0郾 01%,0郾 05,0郾 1%and 0郾 5%)were designed,and the effects of soil types,variationsof SAPs and application dosage on soil water retention property and seedling growth of soybean seedlingswere investigated.Results 1)Application of SAPs efficiently improved soil water retention in a varyingdegree,regardless of types of SAPs(ordinary super absorbent polymers,H 2020;molybdenum鄄richspecial super absorbent polymers,GH 2021),growth and dry weight of soybean seedling were promotedafter 12 d cultivation with SAPs.2)Both of the soil water content and soybean height increased with theincreasing of the application amount of H 2020 and GH 2021,the soybean height remarkably increasedby 68郾 0%and 44郾 9%under black soil and aeolian sandy soil conditions,respectively,when the dose ofGH 2021 was up to 0郾 5%.3)The application of SAPs in aeolian sandy soil showed a greater waterretention efficiency than that in black soil,soil water content in aeolian sandy soil notably increased by343郾 1%under the treatment of 0郾 5%GH 2021,which was 33郾 6%higher than that of H 2020 in termsof water retention property.4)Compared to H2020,the application of GH2021 with dosage of 0郾 5%significantly increased the plant height and dry weight of soybean seedlings by 16郾 3%and 34郾 0%,respectively,under aeolian sandy soil conditions.Conclusions Based on the above results,theoptimal condition,as a recommendation for the application of SAPs,molybdenum鄄rich SAPs with thedosage of no less than 0郾 5%,may play an important role in soybean growth.The molybdenum鄄rich SAPscould be used to improve the water retention of aeolian sandy soil,to enhance the growth environment andnutritional status of soybeans at the seedling stage,and to stimulate the yield potential of soybeans inNortheast China.Keywords:molybdenum鄄rich SAPs;black soil;aeolian sandy soil;soybean;soil water content;soybeanseedling growth摇 摇 大豆是我国最重要的粮食作物之一,东北为我国主产区,为保障粮食安全和油料供给做出巨大的贡献。而大豆苗期的生长环境,尤其是早春干旱缺水,极大地影响大豆的产量和品质。我国水资源南丰北枯,不合理的农业灌溉又会加剧北方的缺水1。因此,现阶段提高土壤水分效率是解决我国东北地区粮食安全和农用水危机之间矛盾的必然选择。早在 20 世纪 60 年代保水剂(super absorbentpolymers,SAPs)就已经被推广应用于农业领域2,随着合成化学的快速发展,近年来保水剂的合成开始向天然高分子材料的合成及多功能化的方向发展,其吸水性能从 100 到 500 倍不等3。保水剂不仅能改善土壤持水性能4,在改良土壤孔隙结构、提高水土保持能力、促进养分缓释等方面也发挥重要的作用5 7,具有良好发展前景。专用型保水剂是一类具有高度专一性的保水剂材料及配方,如盐碱地专用保水剂,利用生物超吸收聚合物制成可有效提高作物耐盐性8。尽管如此,随着农田投入成本的不断增加,低成本的肥料载体及新型保水剂材料的开发,仍然是当前国内外关注的焦点。同时,随着集约化农业生产的持续推进,土壤中一些植物生长必须的微量元素供应逐渐缺乏,而大豆苗期根瘤的形成及其他养分的吸收都高度依赖于钼元素,其对钼的需求量是其他作物的 100多倍9,合理施用钼肥是一项成本低、提质快的增产措施10。因此,本研究在现有保水剂的基础上,进行配方升级,制成富钼大豆专用保水剂,通过比较东北 2 种典型土壤条件下专用保水剂对土壤保水性能及其对大豆苗期生长的影响,以期明确富钼专用保水剂的适用条件及合理施用量。这对进一步挖掘大豆的产量潜力具有重要意义11。46摇摇 第 1 期张玉斌等:富钼专用保水剂对东北典型土壤保墒性能及大豆幼苗生长的影响1摇 研究区概况吉林省位于东北黑土区的中部,地势由东南向西北倾斜,呈现明显的东南高、西北低的特征,属于温带大陆性季 风 气 候,年 平 均 气 温 为3 5 益,年均降水量为 400 600 mm,以东部降雨量最为丰沛,全省森林覆盖率 44郾 2%,气候自东向西由湿润、半湿润到半干旱,耕地土壤以黑钙土、草甸 土、白 浆 土、黑 土、暗 棕 壤、风 沙 土、新 积 土摇 摇 摇和水稻土为主。2摇 材料与方法2郾 1摇 试验材料供试土样:黑土(取自吉林大学植物科学学院农业实践基地,E 125毅14忆,N 43毅56忆)和风沙土(取自吉林省通榆县边昭镇哈拉道堡村,E 123毅07忆,N 44毅68忆)。土壤基本理化性状见表 1。摇 摇 供试作物:大豆品种选取长密豆 30,由长春市摇 摇 摇表 1摇 供试土壤基本理化性状Tab.1摇 Soil physicochemical properties土壤类型Soil typepH电导率 Electricalconductivity/(滋S cm-1)有机质Organic matter(OM)/(g kg-1)全氮Total nitrogen(TN)/(mg kg-1)全磷Total phosphorus(TP)/(mg kg-1)速效钾Available potassium(AK)/(mg kg-1)黑土 Black soil6郾 818620郾 5671郾 5350郾 3249郾 5风沙土 Aeolian sandy soil8郾 422211郾 4473郾 5208郾 4171郾 0农业科学院选育。保水剂:所选用的保水剂类型为普通保水剂(H 2020,专利号为 ZL 201510562521)和富钼专用保水剂(GH 2021),均由吉林汇泉农业科技有限公司研制开发。主要成分为聚丙烯酸钾和聚丙烯酸钠、硅矿物粉、腐殖质酸等;其中 GH 2021 每公斤添加 25 50 g 钼酸铵。2郾 2摇 试验方法土样风干、过筛,并装盆备用(800 g/盆),按照表 2 的设置使保水剂施用范围为 0郾 01%0郾 5%,每个处理 3 个重复。而后,对长密豆 30 进行催芽,移栽至土层深2 cm 左右的位置,每盆5 株,株距2 3 cm,加水至土壤含水量达到田间饱和持水量后置于 25 益恒温光照培养室中光照与黑暗交替(12 h:12 h)培养,并从大豆出苗后(播种 3 d 后)开始在第1、2、3、4、5、6、7、8、9 和 12 天分别对盆栽进行 1 次土壤质量监测,培养结束后,收获地上部植株并测定其株高及干质量。1)土壤含水率的测定:根据盆栽称量数据计算土壤含水率随时间的变化,土壤含水率的计算公式为:棕n=Wn/800 伊100%式中:棕n为培养第 n 天的土壤含水率(n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,12),%;Wn为培养第 n 天的土壤水分含量,g;800 为每盆装入的过筛风干土质量,g。2)大豆株高的测定:培养结束后,沿根部收获地上部植株,并用直尺测量从根颈部到顶部之间的表 2摇 不同种类保水剂及其施用量处理Tab.2摇 Treatments of types and dosages of super absorbentpolymers(SAPs)处理Treatment添加比例Application dose/%保水剂施用量Application dosage per pot/gCK000郾 010郾 08H 20200郾 050郾 400郾 100郾 800郾 504郾 000郾 010郾 08GH 20210郾 050郾 400郾 100郾 800郾 504郾 00距离,测量精度为0郾 1 cm。3)大豆地上部干质量的测定:将地上部植株剪成小段放入牛皮纸袋中,置于烘箱 105 益 杀青40 min,80 益烘干至质量恒定,称量。利用 BONC DSS 软件对数据进行单因素方差分析,运用 GraphPad 8郾 0 软件作图。图中数据均为平均值 依 标准差。3摇 结果与分析3郾 1摇 对东北典型土壤保墒性能的影响如图 1a 所示,土壤含水率随培养时间的延长逐渐降低,在培养初期,因土壤中含水量较高,保水剂处于吸湿储水过程,施用不同剂量保水剂对土壤的56摇中国水土保持科学2024 年图 1摇 不同保水剂种类及用量对黑土和风沙土土壤含水率的影响Fig.1摇 Effects of SAPs at different application dosages on soil water contents in black soil and aeolian sandy soil含水率作用效果并不显著。从培养第 3 天开始,随着土壤含水率的下降,保水剂的保墒效果逐渐显现。在培养第 3 12 天时,H 2020 和 GH 2021 处理土壤含水率较对照均呈现出更缓慢的下降趋势,且以0郾 5%剂量作用效果最为显著。在培养第 12 天时,相较于对照其相对含水率分别提高 121郾 25%和171郾 2%。与图 1a 变化趋势相似,风沙土中水分含量亦在培养周期内逐渐降低,且从培养第 3 天开始,不同处理间土壤含水率变化的趋势开始出现差异,并随着施用剂量的增加,土壤水分利用率增加,保墒效果逐渐增强(图 1b)。0郾 1%以下的施用剂量对土壤保墒的作用效果并不显著,而 0郾 5%施用量能显著提高土壤保水能力,尤其是在培养第 12 天,与对照相比,H 2020 和 GH 2021 使土壤相对含水率分别提高256郾 9%和 343郾 1%。整体来看,2 种施用剂量在风沙土中的用量均为0郾 5%时,GH 2021 对土壤水分利用率显著高于 H2020(P 0郾 05),培养第 12 天时,土壤含水率相较于 H 2020 提升 24郾 3%(图 2),但在黑土中,二者作用效果并未表现出显著差异。3郾 2摇 对苗期大豆株高的影响在黑土中施加 H 2020 和 GH 2021 均可显著促进大豆植株的生长,且随施加剂量的增加增幅逐渐摇*、*和 ns 分别为显著性水平 P 0郾 05、P 0郾 01 和无显著性差异。*,*,and ns indicate significant difference at 0郾 05 level,0郾 01 level,and no significance,respectively.图 2摇 施用量为 0郾 5%的 2 种保水剂对风沙土保水性能影响的比较Fig.2摇 Comparison of the effects of two SAPs with dosageof 0郾 5%on the water retention property inaeolian sandy soil变大。与上述试验结果类似,当保水剂施加剂量达到 0郾 5%时,大豆幼苗株高显著高于其他处理(P 0郾 05)。且 与 对 照 相 比,施 加 剂 型 H 2020 和GH 2021 对大豆株高的贡献率分别为 59郾 1%和68郾 0%(图 3a),可见,即便在比较肥沃的黑土中,GH 2021 作为豆科专用保水剂其对大豆幼苗的生长仍表现出显著的促进作用。与在黑土条件下不同,风沙土条件下施用保水剂,当施用剂量提高至 0郾 5%时才表现出对大豆66摇摇 第 1 期张玉斌等:富钼专用保水剂对东北典型土壤保墒性能及大豆幼苗生长的影响幼苗显著的促生作用。当施用剂量 0郾 1%时,2种保水剂对大豆幼苗株高的生长均无显著作用。高剂量H 2020 和 GH 2021 对大豆株高的贡献率分别为 26郾 9%和 44郾 9%,且相较于 H 2020,0郾 5%用量的 GH 2021 使大豆生长提升 16郾 3%(图 3b)。综上所述,在风沙土中施加豆科专用保水剂时,由于土壤保水保肥性差,低剂量不足以有效改善大豆幼苗生长水肥利用效率,但当剂量提高到 0郾 5%左右时,保水剂强大的吸胀作用可使水肥缓慢释放,满足苗期生长需求量。不同小写字母表示差异显著(P 0郾 05)。Different small letters indicate significant difference at 0郾 05 level.图 3摇 黑土和风沙土条件下不同保水剂种类及用量对大豆苗期株高的影响Fig.3摇 Effects of different types and dosages of SAPs on the plant heights of soybean seedlings in black and aeolian sandy soil摇3郾 3摇 对苗期大豆地上部干质量的影响图 4摇 黑土和风沙土条件下不同保水剂种类及用量对大豆苗期地上部干质量的影响Fig.4摇 Effects of different types and dosages of SAPs on the dry weights of soybeanseedlings in black and aeolian sandy soil苗期大豆生物量测定结果显示,在黑土条件下,无论施用 H 2020 还是 GH 2021,其对生物量均无显著影响,且各剂量处理间差异不显著(图 4a)。即便对株高有显著作用的 0郾 5%的 GH 2021 也没有表现出明显的干物质累积。由此推知,在肥沃的黑土中施加保水剂可促进大豆幼苗吸水以抵御干旱,但并没有促进机体有机物的合成。与以上结果类似,在风沙土中施加保水剂并没有显著增加大豆幼苗地上部的干物质积累量。但与H 2020 相比,GH 2021 施用剂量增大至 0郾 5%时,大豆幼苗地上部干质量增加 34郾 0%,但与其他处理间并无显著性差异(图 4b)。综上所述,在风沙土中施加高剂量富钼专用保水剂,其强大的保水与供肥能力可有效提高植物水肥利用效率,促进苗期生物体有机物的合成。4摇 讨论4郾 1摇 保水剂改善干旱区土壤持水性能的机制风沙土是东北地区主要低产土壤之一,位于黑土区西部,与黑土相比,其肥力较低(表 1),持水能力较差。为了充分挖掘该土壤类型下的作物产量潜力,笔者利用农用保水剂强大的蓄水能力,大幅度提升土壤的田间持水力,为作物抵御因春季少雨而带来的干旱胁迫打好基础。关于保水剂改善土壤持水性能的机制研究已较明晰,保水剂不溶于水,但能吸收相当自身质量成百倍的水,抑制土壤水分蒸发,提高土壤饱和含水量,降低土壤的饱和导水率,从而减缓土壤释放水的速度,减少土壤水分的渗透和流失,达到保水的目的。如白浆土中施用保水剂,其反复的收缩与膨胀可以改变原有土壤的孔隙结构12,破坏厚重坚硬的白浆76摇中国水土保持科学2024 年层,疏通作物根系与营养和水分的通道13。而高度亲水的聚合材料显著降低土壤累积蒸发量,保证土壤田间持水量持续高于萎蔫点,进而提高植物的水分利用率14。但土壤保水性和水力传导率又因水质、土壤质地、性质以及保水剂施用种类的不同而表现出较大的差异。4郾 2摇 不同保水剂对土壤保水性能和作物生长的影响目前,在我国保水剂市场开发中,多以普适型为主,其作用效果千差万别,不同保水剂类型或施用方式对不同的土壤质地和作物种类的土壤水分效率、作物生长及根系构型等指标影响较大。李沼鹈等15对比 3 种保水剂的保水性能,发现以聚丙烯盐酸和聚丙烯酰胺共聚体为吸水材料的保水剂保水和释水能力最强,且其在壤土中的保水性能优于其在砂土中性能。而同类型保水剂作用于不同作物种类时,其水分利用效率表现也不尽相同16 17。因此,保水剂施用量和配方组成可能是影响作物产量和品质的关键因素。鉴于钼肥对豆科作物增产的重要意义,本研究中将钼肥与保水剂进行耦合,制成富钼专用型保水剂,综合其在土壤保水性能和苗期大豆促生方面的作用,验证 GH 2021 可作为豆科专用保水剂应用于低产农田的增产措施中。4郾 3摇 保水剂施用量对大豆作物经济效益的影响保水剂的高成本和低收益是当今其推广与应用的关键。目前东北地区市售保水剂均价每千克为38 元以上,根据前期保水剂田间试验结果,施用 H2020 使大豆增产约 9%,平均产投比约为 1郾 26(表3),虽然表现出盈利状态,但投入大收益低。故,降低保水剂成本或改进保水剂性能才是保证农民收益的必要措施。本研究供试材料 GH 2021 是对原有材料的技术改进和配方升级,不仅兼具保水和供肥性能,而且使保水剂成本(每千克 23 元)降低约40%;同时,研究表明保水剂添加量为 0郾 5%时,大幅度提升风沙土土壤保水性能,使苗期大豆的地上部干物质累积增加 34郾 0%,该技术措施对低产土壤条件下挖掘大豆增产潜力贡献巨大。尽管如此,过量添加会与作物争夺吸收土壤中的自由水,造成表层土壤板结,反而加快土壤表面水分的蒸发,最终影响作物生长及产量18 19。因此,在东北地区保水剂的施用剂量方面,应在保证作物增产的同时兼顾产投比,综上,推荐剂量控制在 2%以下为宜,对于特殊土壤类型推荐施用剂量应 0郾 1%20。表 3摇 保水剂在大豆种植体系中的产投比分析Tab.3摇 Analysis of the output to input ratio of SAPs in soybean planting system年份Year产出 Output投入 Input大豆单产Yield-H 2020/(kg hm-2)大豆单产Yield+H 2020/(kg hm-2)增产Increment/%单价Price/Yuan施加量Dosage/(kg hm-2)单价Price/Yuan产投比Ratio of outputto input20191 390郾 91 536郾 810郾 53郾 515380郾 8920202 418郾 02 706郾 011郾 95郾 222郾 5381郾 7520213 885郾 84 021郾 03郾 55郾 718381郾 135摇 结论本研究在风沙土土壤条件下施用 0郾 5%剂量的 GH2021,能够显著提高土壤保水性能,对苗期大豆植株的生长具有显著促进作用;即使在团聚体结构良好的黑土条件下,专用型保水剂对土壤保墒和大豆幼苗的生长仍能表现出较强正向作用。可见,富钼专用保水剂相较于普通保水剂在性能方面得到大幅度提升,兼具保水的供肥作用效果。研究结果表明:针对特定作物的专用型保水剂的研制开发在低产农田的改良及商品粮的增产方面潜力巨大,对黑土地保育及粮食安全具有较深远的意义。6摇 参考文献1摇 郭礼俊.农田水利灌溉工程规划设计J.中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2022(10):150.GUO Lijun.Planning and design of farmland water con鄄servancy and irrigation engineering J.EngineeringTechnology,2022(10):150.2摇 李嘉竹,黄占斌,鲍芳,等.环境功能材料水肥保持性能的综合评价J.中国水土保持科学,2018,16(3):125.LI Jiazhu,HUANG Zhanbin,BAO Fang,et al.Compre鄄hensive assessment on soil moisture and nutrient conser鄄vation of environment functional materials J.Scienceof Soil and Water Conservation,2018,16(3):125.3摇 SAHA A,RATTAN B,SEKHARAN S,et al.Quantif鄄86摇摇 第 1 期张玉斌等:富钼专用保水剂对东北典型土壤保墒性能及大豆幼苗生长的影响ying the interactive effect of water 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