雷鋒文, 符穎怡, 廖宗文, 衛(wèi)尤明, 毛小云
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 廣東 廣州 510642)
保水劑應(yīng)用在節(jié)水農(nóng)業(yè)中已有幾十年的歷史。保水效果源于其吸水倍率。保水劑的性質(zhì)、種類及其在作物栽培上的應(yīng)用已有很多報(bào)道[1-4]。但保水劑的價(jià)格較高,多在2.00×104元/t左右,因而大面積推廣受到一定限制?,F(xiàn)有保水劑的應(yīng)用方式,均為與土混合,并無(wú)構(gòu)型的概念。我們多年研究發(fā)現(xiàn),使保水劑具有一定的形狀(片狀、碗狀)可以獲得一定的保水力而減少滲透,使土層在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持更多的水分[5-6]。這種具有特定形狀的保水劑可稱之為保水構(gòu)件。它的保水效果不僅源于保水劑的吸水力,還來(lái)自構(gòu)型所產(chǎn)生的保水力。因而保水效果優(yōu)于僅源于吸水力的一般保水劑,同時(shí)還可降低成本[7]。本文擬通過對(duì)一系列的模擬試驗(yàn)、盆栽和大田試驗(yàn),闡明保水構(gòu)件的保水保肥效果及其應(yīng)用前景。
(1) 盆栽土:赤紅壤。取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園。pH值5.42,有機(jī)質(zhì)15.6 g/kg,全氮 0.31g/kg,速效磷2.78 mg/kg,速效鉀18 mg/kg。
(2) 大田土:取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地。pH值7.07,有機(jī)質(zhì)26.32 g/kg,全氮2.03 g/kg,堿解氮155.6 mg/kg,有效磷96.7 mg/kg,速效鉀61.4 mg/kg。
(3) 大田土:取自番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)牛角村大田。pH值6.23,有機(jī)質(zhì)22.41 g/kg,全氮2.53 g/kg,堿解氮146.22 mg/kg,有效磷102.86 mg/kg,速效鉀85.72 mg/kg。
尿素(N,46%);氯化鉀(K2O,61%);過磷酸鈣(P2O5,12%,SP),廣西農(nóng)寶牌;復(fù)合肥(N,P2O5,K2O各15%),雅苒苗樂牌;有機(jī)肥(N,P,K 5%,有機(jī)質(zhì)40%,菌2.00×107個(gè)/g),肥力奇;保水劑,東莞市安信保水有限公司提供。
分光光度計(jì)(上海精科UV759);火焰光度計(jì)(上海精科6400A);
1.4.1 小杯模擬養(yǎng)分淋溶試驗(yàn) 供試土壤:赤紅壤,取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園。取120 g土,參照盆栽用量的5倍施肥(分別為尿素0.156 g/盆、氯化鉀0.095 g/盆,過磷化鈣0.401 g/盆),保水劑用量0.15 g/盆做對(duì)照和2個(gè)保水劑處理。使用土壤為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)室旁普通紅土(表1)。
表1 小杯模擬試驗(yàn)方案
1.4.2 盆栽玉米 供試作物為糯玉米,華美糯7號(hào);供試肥料:尿素(N:46%);氯化鉀(K2O:61%);過磷酸鈣(P2O5:12%,SP);供試作物:玉米,華美糯七號(hào);供試土壤:赤紅壤,取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園。
試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理和一個(gè)對(duì)照,每個(gè)處理3次重復(fù),每盆裝土4 kg,每盆種3棵玉米,處理和空白的氮、磷肥用量一致,按N:120 mg/kg土,即1.04 g/盆;P2O580 mg/kg土,即2.67 g/盆; K2O 100 mg/kg土,即0.63 g/盆;保水劑大田施用時(shí)為75 kg/hm2,大田玉米約45 000株/hm2,因此盆栽3棵玉米的保水劑用量為5 g/盆。具體施肥量見表2。
表2 盆栽玉米方案
2017年3月13日育苗,3月15日移苗。為模擬干旱條件,約隔7 d淋水一次,每次500 ml。于5月1日收獲,并測(cè)定株高、莖粗、葉綠素、地上部分的生物量及養(yǎng)分含量。
1.4.3 玉米大田試驗(yàn) 大田試驗(yàn)面積90 m2。設(shè)一個(gè)對(duì)照和一個(gè)保水構(gòu)件處理, 2個(gè)重復(fù)。施復(fù)合肥300 kg/hm2,對(duì)照無(wú)保水劑,處理組保水劑75 kg/hm2,第一次施肥時(shí)在作物根部一側(cè)開溝將吸水150倍的保水劑平鋪于底U并覆蓋約3 cm厚土層并按常規(guī)施肥。供試肥料:復(fù)合肥(N, K2O,P2O5都為15%);供試作物:甜玉米,華美甜八號(hào);試驗(yàn)地點(diǎn):華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大田試驗(yàn)基地。試驗(yàn)時(shí)間為2015年3月10 日至 2015年6月8日。收獲時(shí)測(cè)定玉米產(chǎn)量及地上部分桿重。
1.4.4 甘蔗(果蔗)大田試驗(yàn) 試驗(yàn)面積932 m2,設(shè)一個(gè)對(duì)照和一個(gè)保水構(gòu)件處理,重復(fù)2次。施復(fù)合肥540 kg/hm2(后期按此量追肥2次),對(duì)照無(wú)保水劑,處理組保水劑75 kg/hm2,甘蔗大培土?xí)r在作物根部一側(cè)開溝將吸水150倍的保水劑平鋪于底并覆蓋約3 cm厚土層并按常規(guī)施肥。供試肥料:復(fù)合肥(N,K2O,P2O5都為15%);試驗(yàn)地點(diǎn):番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)牛角村。試驗(yàn)時(shí)間:2015年3月27 日至 2016年3月2日。 收獲時(shí)測(cè)定產(chǎn)量及地上1 m和1.5 m部位的糖度,取構(gòu)件層以下10 cm內(nèi)的土壤測(cè)定養(yǎng)分含量。 另隨機(jī)采10個(gè)點(diǎn)測(cè)定甘蔗上下端(地上1 m及1.5 m)的糖度。
由表3可知,T2保水構(gòu)件效果最好,可減少65%水的流失,同時(shí)可減少89%氮,99%磷,85%鉀的流失。保水劑常規(guī)使用方法(與土全混),則可減少27%水的流失,同時(shí)可減少23%氮,84%磷,57%鉀的流失。常規(guī)混土法也能減少水分及養(yǎng)分流失,但是,明顯低于構(gòu)件的保水保肥效果。保水構(gòu)件的保水保肥效果表明,保水劑不僅能夠保水,而且還能保肥。后面的盆栽、大田試驗(yàn)顯示,這種保水保肥的技術(shù)在南方的雨季也有明顯的增產(chǎn)效果。
表3 模擬試驗(yàn)淋溶液測(cè)定
注:表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。
由表4可知,在淋水較少的干旱情況下,使用保水構(gòu)件處理效果最好,可使玉米植株生物量增長(zhǎng)155%,而保水劑與土壤混合的常規(guī)處理,僅增長(zhǎng)12.5%。這表明了構(gòu)件有明顯的的保水保肥效果,因而明顯優(yōu)于常規(guī)混土處理。構(gòu)件處理的植株生物量增長(zhǎng)幅度甚高,與淋水少的干旱脅迫條件有關(guān)。在此條件下,對(duì)照的生長(zhǎng)受到較大抑制,而構(gòu)件處理則更加充分地發(fā)揮了托層保水的效果,兩者的差別更大。
表4 盆栽玉米收獲結(jié)果
注:表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。
2.3.1 收獲產(chǎn)量結(jié)果 由圖1可知,大田保水構(gòu)件的玉米生物量增加明顯,較CK提高26%。
注:同組不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05),下同。
圖1 不同處理下大田玉米收獲結(jié)果
2.3.2 大量元素養(yǎng)分 由圖2可知,雖無(wú)顯著差異,但保水構(gòu)件還是能促進(jìn)作物對(duì)N,P,K的吸收,其氮、磷、鉀較CK分別增加9.1%,17.6%,4.8%,這與減少了水分和養(yǎng)分流失,促進(jìn)了養(yǎng)分吸收有關(guān)。
圖2 不同處理下大田玉米大量元素測(cè)定
2.3.3 中微量元素養(yǎng)分 由表5可知,保水構(gòu)件能促進(jìn)作物對(duì)Ca,Mg,Zn,F(xiàn)e,Mn的吸收。吸收增幅在28%~400%倍(鋅)之間。這與減少了水分和養(yǎng)分流失而促進(jìn)養(yǎng)分吸收有關(guān)。
這一試驗(yàn)說(shuō)明,對(duì)于已經(jīng)種下的作物無(wú)法采用底部構(gòu)件處理,也可采用單側(cè)構(gòu)件的處理獲得較好的效果。
表5 大田玉米中微量元素測(cè)定
注:收獲時(shí),取自上往下第3,4片葉子進(jìn)行測(cè)定;表中同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。
2.4.1 產(chǎn)量與糖度 由表6可知,施用保水劑構(gòu)件可使甘蔗生物量增加10.5%,且使甘蔗上下端的糖度提高3%~5.5%。
表6 大田甘蔗收獲結(jié)果
2.4.2 葉片養(yǎng)分測(cè)定 由圖3可知,使用保水構(gòu)件可提高甘蔗對(duì)大量元素養(yǎng)分的吸收,其氮、磷、鉀較CK分別增加9.1%,11%,2%。
圖3 不同處理大田甘蔗葉片養(yǎng)分狀況
2.4.3 土壤養(yǎng)分測(cè)定 (構(gòu)件層以下土壤) 由表7可知,保水構(gòu)件能減少氮磷鉀養(yǎng)分流失到下層土壤,其流失量較CK分別減少了10%,3.3%,5%。這反映了構(gòu)件“脫水保肥”的效果,可保留更多養(yǎng)分而促進(jìn)增產(chǎn)。
表7 甘蔗試驗(yàn)地(構(gòu)件下層)養(yǎng)分測(cè)定
2.4.4 肥料偏生產(chǎn)力的比較 由表8可知,使用保水構(gòu)件的甘蔗,其肥料(養(yǎng)分N,P2O5,K2O的含量均為15%)氮、磷、鉀元素的偏生產(chǎn)力都高于對(duì)照組CK,均較CK增加10.5%。
表8 甘蔗各元素肥偏生產(chǎn)力的比較
模擬試驗(yàn)、盆栽和大田等系列試驗(yàn),顯示了保水構(gòu)件的突出保水效果。其保水力源于兩方面: 吸水力+構(gòu)型保水力。即不僅具有一般保水劑的吸水效果,而且還有獨(dú)特的保水效果。這樣,與吸水力共同作用,雙管齊下,明顯優(yōu)于單一的吸水力效果。這是構(gòu)件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。而且,還可在保水劑中加入吸水力不強(qiáng)的廉價(jià)材料(礦物粉、木屑、秸稈)而獲得較高的保水效果,因而可進(jìn)一步降低成本[7,9]。
小杯模擬試驗(yàn)顯示,保水構(gòu)件可明顯減少土壤溶液的滲透和其中的養(yǎng)分流失。而大田玉米及甘蔗試驗(yàn)中,保水層下的土壤N,P,K的養(yǎng)分明顯低于CK,也顯示了保水層具有獨(dú)特的“保水保肥”作用,這與小杯模擬試驗(yàn)所顯示的保水保肥效果是一致的。通過構(gòu)件保水而達(dá)到“肥水不外流”的效果。這對(duì)于面源污染,尤其是水體富營(yíng)養(yǎng)化的防控有重要意義。因?yàn)椤胺孰S水走”,控水即可控肥。通過構(gòu)型產(chǎn)生的保水保肥效果是在保水層上的耕層土,是對(duì)耕作層水分的分布空間的調(diào)控,這是一種對(duì)三維空間的調(diào)控,與控釋肥對(duì)肥料的“點(diǎn)”的調(diào)控不同,調(diào)控的空間維度拓寬了,因而調(diào)控的范圍更大。
土壤中流失養(yǎng)分情況則都低于對(duì)照組。這與構(gòu)件減少養(yǎng)分淋失的效果密切相關(guān)。這一技術(shù)在面源污染控制和化肥減量中都有廣闊應(yīng)用前景[3,5-6]。
保水構(gòu)件每公頃用量約45~75 kg,成本約900~1 500元,可減少淋失而節(jié)肥20%以上,產(chǎn)量不減反增。因此可成為控制面源污染的有效技術(shù),成本低而效果好,有很強(qiáng)可操作性。
一般認(rèn)為,保水技術(shù)應(yīng)用于缺水地區(qū)和缺水季節(jié)。中國(guó)西北干旱區(qū)和一年當(dāng)中的秋冬旱季對(duì)保水最為關(guān)注,而南方雨水充足則更關(guān)注養(yǎng)分的保持。而我們的研究顯示,構(gòu)件的“保水保肥”效果,對(duì)于減少降雨和灌溉引起的養(yǎng)分流失有明顯的效果,這表明保水構(gòu)件不僅在缺水時(shí)有保水效果,而在雨季時(shí)還具有保肥、增產(chǎn)效果。因此,保水技術(shù)的應(yīng)用不一定局限在特定的干旱地域和干旱季節(jié),通過保水構(gòu)件的應(yīng)用,可以開拓更廣闊的時(shí)空范圍。
試驗(yàn)顯示,保水構(gòu)件明顯提升了保水保肥效果。目前尚處于定性認(rèn)識(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)階段。今后應(yīng)進(jìn)一步向量化精準(zhǔn)方向提升。為此需要研究不同構(gòu)型種類(片狀、碗狀)和不同容水深度的構(gòu)件的保水效果,從而使構(gòu)型進(jìn)一步優(yōu)化。研究還發(fā)現(xiàn)保水構(gòu)件放置于不同深度的土層對(duì)保水效果有很大影響[10]。今后通過連續(xù)測(cè)定不同土層保水效果獲得的動(dòng)態(tài)值可了解保水效果隨著土層深度和時(shí)間而變的情況。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬可對(duì)這一時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行定量描述。這樣,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件保水效果的更為準(zhǔn)確的量化評(píng)估,還可用于預(yù)測(cè)應(yīng)用保水構(gòu)件對(duì)于減少面源污染的貢獻(xiàn)。