保水剂对土壤水肥保持效果的影响

保水剂对土壤水肥保持效果的影响

抗旱性节水是我国农业未来可持续发展的选择。保水剂的使用是近年来发展迅速的一项快速化工水处理技术。保水剂(Superabsorbentpolymer,SAP)是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物,能迅速吸收自身重数百倍甚至上千倍的纯水,可反复吸水,吸水后的水凝胶可缓慢释放水分供作物利用。同时,保水剂能增强土壤保水性,改良土壤结构,提高水肥利用率。施用化肥是我国20世纪70年代开始应用的重要农业增产方式,特别是施用氮肥。目前我国氮肥年用量为2500万t,单位面积用量为世界平均水平的3倍,但利用率却只有30%~35%。据估计,每年中国氮肥损失高达1500万t。大量未被农作物吸收利用的氮素以滞留、吸附、反硝化等方式,对环境产生一系列严重危害,如水体、空气、食物受污染,威胁人畜健康。氮肥转化成硝态氮在土壤中大量积累,引起蔬菜硝酸盐含量过高和地下水污染。利用保水剂等化学制剂保持氮肥,控制转化和缓慢释放是提高氮肥利用效率的重要方面。在农业生产实际中,保水剂与氮肥常常配合使用。但由于不同类型保水剂与氮肥品种的配合不合理,常造成保水剂抗旱保水效果减小,氮肥保持和利用效率不高,一定程度上影响保水剂的效果发挥,目前这方面的研究资料极少。Mikkelsen综述分析高分子聚合物控制营养释放的研究进展,认为合理应用高分子聚合物可改善土壤物理特性,促进种子萌发和提高存活率,降低灌溉需求。杜建军等研究证明土壤施入保水剂后尿素氨挥发量显著降低,并随保水剂用量增加效果更加明显。俞满源等的试验表明,保水剂与氮肥或氮磷肥共同施用,氮肥利用率提高27.1%。根据保水剂的化学组成和功能特点,我国农用保水剂可分为高分子聚丙烯酸盐类保水剂、有机–无机复合类保水剂及含有功能成分的多功能保水剂。氮肥品种主要包括酰胺基氮氨基氮和硝酸基氮。目前对保水剂效应机理研究主要集中在对土壤水分、结构和植物生长及其抗旱性等方面,缺乏不同类型保水剂对土壤水分和氮素养分保持效果的研究。对此,本文采用室内模拟试验方法,通过土壤一次施用保水剂后的多次浇水淋溶,比较不同类型保水剂对土壤水分和不同氮肥品种的保持效果,为农业生产合理应用保水剂提供参考。1材料和方法1.1保水剂、肥料供试保水剂共3种类型:A保水剂为高分子聚丙烯酸盐类保水剂,为唐山博亚科技集团有限公司提供的聚丙烯酸钠保水剂;B保水剂为有机–无机复合类保水剂,为山东胜利油田长安集团聚合物公司提供的聚丙烯酸/凹凸棒复合保水剂(凹凸棒土为硅酸盐黏土矿物);C保水剂为多功能类保水剂,是中国矿业大学(北京)利用风化煤提取腐植酸合成的腐植型多功能保水剂。供试氮素肥料2种,代表目前生产中应用的主要氮肥品种:肥料1为尿素(含氮46%)、肥料2为硝酸铵(含氮33%~34%)。土壤为取自北京市通州的农田表土,沙壤土,容重1.39g·cm-3,田间持水量19.3%,pH7.50,EC0.28ms·cm-1。有机质5.7g·kg-1,全氮0.57g·kg-1,全磷158.21mg·kg-1,全钾27.68g·kg-1。1.2不同保水剂对土壤的淋溶试验处理:采用土柱模拟方法,主要控制因素是土壤中施用保水剂和氮肥。试验处理以3种保水剂和2种氮肥两因素组合形成8个处理。尿素组设只加尿素而无保水剂的对照(CK1)和3种保水剂处理1-A、1-B、1-C,硝酸铵组设只加硝酸铵而无保水剂的对照(CK2)和3种保水剂处理2-A、2-B、2-C。每处理4个重复。保水剂用量为土壤干重的0.2%左右,氮肥按照1g(N)·kg-1(土)施用。模拟土柱装置:以口径为12cm、深15cm的塑料桶为盆栽土柱,盆底面上垫200目滤布封底,盆底打孔,使土壤溶液和水分向下漏出;盆下安置收集淋溶液的容器(图1)。试验过程与管理:首先将保水剂和氮肥与土壤混合均匀,再将土壤装入土柱中。浇水淋溶分两步:第一步,向土柱中加水到饱和田间持水量,静置1d使水肥充分融合后再加同量水淋溶,收集48h内淋溶液,测定淋溶液量和氮素含量;第二步,将淋溶后的土柱在室温下培养5~6d,测定每天土壤水分含量变化,土壤含水量为田间持水量的50%~60%时,取土壤样品测定脲酶活性;当土壤含水量降低至田间持水量40%左右时,再进行第2次浇水和淋溶处理。以后各次操作同样进行。试验共重复8次淋溶过程。1.3土壤哌酶活性测定土壤淋溶液的体积直接用量筒测量,淋溶液全氮含量采用过硫酸钾氧化–紫外分光光度法测定,土壤脲酶活性采用苯酚–次氯酸钠比色法测定。数据处理应用统计分析软件SPSS进行分析,在95%置信水平进行LSD单因素方差分析。2结果与分析2.1不同保水剂保水效果经过8次浇水淋溶,保水剂显示出对土壤水分的保持作用,但3种保水剂保水效果存在差异。无论是根据土壤含水率变化还是淋溶液变化,都可以说明这一点。此处以土壤含水率变化来分析不同保水剂对施用不同氮肥土壤水分的保护效果。2.1.1不同保水剂对土壤含水率的影响土壤施用尿素情况下,A、B两种保水剂处理的土壤含水率相近,且均显著高于对照;C保水剂处理土壤含水率较对照略有提高(图2a)。第1次淋溶后,A、B、C保水剂处理比对照的土壤含水率分别高6.5%、6.3%、2.8%;第7次淋溶后,A、B、C保水剂处理比对照的土壤含水率分别高4.2%、4.2%、2.8%。比较可得,A、B两种保水剂的保水效果相近,可提高施用尿素土壤含水率4.2%~6.5%;C保水剂的保水效果较差,可提高土壤含水率2.8%左右。2.1.2保水剂对土壤含水率影响施用硝酸铵情况下,3种保水剂的土壤含水率均显著高于对照(图2b)。前3次淋溶B保水剂处理土壤含水率最高,后5次淋溶A、B保水剂处理土壤含水率相近,C保水剂处理略低,但仍较对照有一定提高。第1次淋溶后,A、B、C保水剂处理土壤含水率比对照分别高3.3%、5.3%、2.3%;第7次淋溶后,A、B、C保水剂处理土壤含水率比对照分别高3.2%、4.0%、1.9%。与对照相比,施用硝铵肥下,A、B、C保水剂提高土壤含水率的幅度较施用尿素下均有所降低,但不同保水剂提高土壤水分含水率的顺序基本相同。2.2地下水体污染原因氮素淋溶损失是目前造成土壤氮肥利用率低的主要原因之一,在地下水位较高的地区,氮素淋溶是造成地下水体污染的主要原因。图3是施用不同氮肥下保水剂对土壤中氮素累积淋出量影响的曲线。2.2.1对土壤中氮素的淋出量尿素施入土壤后,水解生成NH4HCO3、(NH3)2CO3和NH4OH(NH3·H2O),自然条件下尿素施入土壤约1周后生成铵态氮才会转变为硝酸根或其他形态。本试验表明(图3a),保水剂处理的土壤尿素氮素淋失量均低于对照(CK1)。第1次淋溶后,CK1处理氮素淋溶量占施肥量的35.5%,A、B、C保水剂处理淋氮量分别较CK1减少16.5%、7.8%、-0.2%;A保水剂对尿素氮素的保持效果明显高于B保水剂,二者都明显高于对照;C保水剂处理的淋溶液氮素增加,可能与C保水剂中腐植酸部分淋出有关。之后,随着浇水次数增加,3种保水剂处理的氮素淋出量均先明显低于CK1,但第5次淋溶后,与CK1差距逐步减小;至第7次淋溶后,A、B、C保水剂处理的土壤氮素淋出量分别比CK1减少21.5%、9.7%、23.2%。说明A保水剂较B保水剂对尿素氮素的保持效果好,C保水剂对尿素氮素的保持效果前3次浇水较低,但5~8次淋溶后氮肥保持效果明显,与A保水剂接近。2.2.2不同保水剂对硝铵氮素的保持效果不同保水剂处理下硝酸铵在土壤中的氮素淋出量变化(图3b)与尿素相似,但有所不同。第1次淋溶后,各处理淋溶量都较大,A、B、C保水剂处理淋溶液氮量比对照(CK2)减少8.90%、5.21%、23.5%。随后,不同保水剂对氮素的保持效果出现差异,A保水剂的保持效果较差,B保水剂的保持效果随浇水次数增加而有所加强,而C保水剂对硝铵氮素的保持效果一直显著。第7次淋溶,B、C保水剂处理分别比CK2减少12.5%、30.1%,而A保水剂处理比CK2增加8%。说明聚丙烯酸钠保水剂对硝酸铵氮素的保持效果最差,甚至在多次浇水后促进了硝酸铵氮素的流失;腐植酸型多功能类保水剂对硝酸铵氮素的保持效果最好,8次浇水淋溶后比对照提高20%~30%以上;有机–无机复合类保水剂对硝酸铵氮素的保持效果处于其他两种保水剂之间,可较对照提高氮肥保持量5%~12%。比较3种保水剂对尿素或硝酸铵氮肥的保肥效果,聚丙烯酸钠保水剂对尿素氮肥的保持较对照提高16%~22%,对硝酸铵氮肥几乎无保肥效果,甚至加速流失;有机–无机保水剂对两种氮肥的保持较对照提高5%~12%;腐殖酸保水剂对硝酸铵氮肥保肥效果保持在20%~30%,对尿素氮肥保持效果在20%以上。相比而言,聚丙烯酸钠保水剂和有机–无机保水剂对尿素的保肥效果明显,聚丙烯酸钠保水剂对硝酸铵氮肥保肥效果很小;腐殖酸型保水剂对硝酸铵保肥效果最明显,对尿素氮肥的保持效果也很好。2.3保水剂对土壤哌酶活性的影响土壤酶活性是衡量土壤生物学活性和生产力的指标,脲酶是促进土壤含氮有机物分子酰胺肽键水解,生成植物根系可吸收利用的氨的一种酶,脲酶活性对促进氮素(特别是尿素)转化具有重要作用。图4是第5次淋溶后不同保水剂处理下施用尿素和硝酸铵土壤的脲酶活性。从图4可以看出,施保水剂处理的土壤脲酶活性与对照差异显著。B、C保水剂处理下,施用尿素的土壤脲酶活性分别比相应的对照提高32.1%和14.3%,A保水剂比对照降低10.7%,3种保水剂对土壤脲酶活性影响B>C>A。比较发现,土壤脲酶活性高低与淋溶液累积氮量多少的变化趋势一致。B保水剂处理的土壤淋溶液中氮累积量最大,土壤中脲酶活性也相对较高;A保水剂处理的土壤淋溶液中氮累积量最小,土壤中脲酶活性也最低。施用硝酸铵处理中,A、B保水剂的土壤脲酶活性分别比对照提高43.5%、17.4%,C保水剂处理比对照降低4.35%,3种保水剂对土壤脲酶活性影响A>B>C。3结论和讨论3.1保水剂对土壤含水率的影响试验表明,3种不同类型保水剂都具有明显的促进土壤保水性的作用。沙壤土中施用0.2%保水剂后反复淋溶8次条件下,聚丙烯酸钠保水剂和有机–无机复合保水剂土壤含水率可比对照提高3%~6%,腐植酸型多功能类保水剂提高2%~3%;随浇水次数增加,3种保水剂的保水效果都有不同程度降低。施用硝酸铵条件下保水剂提高土壤含水率较施用尿素条件下有所降低。该结果与杜建军等的研究结果有相近之处,但3种类型保水剂在施用两种氮肥条件下的保水效果为本研究新结果。3.2有机–无机保水剂保肥效果比较3种保水剂对两种类型氮肥都具有保肥效果。沙壤土中施用0.2%保水剂后反复淋溶8次条件下,聚丙烯酸钠保水剂对尿素氮的保持比对照提高16%~22%,对硝酸铵氮几乎无保肥效果,甚至加速硝酸铵态氮素的流失;有机–无机保水剂对两种氮肥的保持比对照提高5%~12%;腐殖酸保水剂对硝酸铵氮的保持效果为20%~30%,对尿素氮肥保持效果也很好,比对照提高20%