干旱脅迫下大豆種植土壤特性影響因素分析

干旱脅迫下大豆種植土壤特性影響因素分析

【研究意義】根據(jù)中國(guó)海關(guān)發(fā)布的進(jìn)出口數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)出口大豆量首次超過(guò)1億噸，國(guó)內(nèi)出口大豆產(chǎn)量不足2000萬(wàn)噸。80%以上的大豆出口依存度。從國(guó)際大豆貿(mào)易份額上看，以美國(guó)的邦吉、阿丹米、嘉吉和法國(guó)的路易達(dá)孚為代表的“四大糧商”控制了全球90%以上的大豆交易量；從進(jìn)口原產(chǎn)地分析，我國(guó)進(jìn)口美國(guó)、巴西和阿根廷產(chǎn)的大豆占進(jìn)口總量的90%以上；從大豆進(jìn)口總額視角，我國(guó)每年進(jìn)口大豆則需花費(fèi)3000多億元人民幣。我國(guó)進(jìn)口主導(dǎo)型的大豆消費(fèi)不僅會(huì)消耗大量的外匯儲(chǔ)備，在自然災(zāi)害、疫情、貿(mào)易摩擦等不確定性因素影響下，還存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)大豆進(jìn)口依存度過(guò)高的現(xiàn)狀，我國(guó)也適度增加了大豆播種面積，其中2019年大豆播種面積達(dá)到930萬(wàn)hm【本研究切入點(diǎn)】高吸水性聚合物（SAP）是一種具有超高吸水保水效果的新型樹脂材料，它能快速吸收自身重量數(shù)百倍甚至上千倍的水分，對(duì)于質(zhì)量濃度0.9%的生理鹽水吸收倍數(shù)也可達(dá)到數(shù)十倍。利用這一特性，將SAP應(yīng)用于作物種植可以將土壤中的水分和肥料聚集起來(lái)，在植物根部形成微型水分和營(yíng)養(yǎng)倉(cāng)庫(kù)，并在植物生長(zhǎng)過(guò)程中緩慢釋放，起到水肥緩釋的效果。但SAP作為有機(jī)高分子聚合物在使用過(guò)程中會(huì)部分殘留在土壤中，對(duì)土壤性質(zhì)造成破壞1材料和方法1.1生物基/水緩劑的制備供試材料分別為自制的生物基水肥緩釋材料、高吸水性樹脂（SAP）和玉米秸稈，粒徑為0.15～0.85mm；使用肥料為復(fù)合肥，大豆品種為當(dāng)?shù)剡m用自留品種。生物基水肥緩釋材料制備方法：將10g玉米秸稈粉末和2g玉米淀粉加入到100g水中，在80℃下反應(yīng)1h得到糊化混合物；然后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的氫氧化鈉溶液100g、丙烯酸60g混合后加入到上述混合物中，最后加入聚丙烯酰胺5g、腐殖酸8g、膨潤(rùn)土10g、過(guò)硫酸鉀0.1g，在60℃下繼續(xù)反應(yīng)1h。將反應(yīng)產(chǎn)物干燥后得到一種生物基水肥緩釋材料。SAP制備方法：與生物基水肥緩釋材料類似，區(qū)別在于合成過(guò)程中不加入玉米秸稈粉末、玉米淀粉和腐殖酸，其他制備條件不變。1.2試驗(yàn)處理設(shè)置試驗(yàn)于2020年6月在山東省棗莊市合作單位試驗(yàn)大棚中進(jìn)行，以夏季麥茬播種大豆為研究對(duì)象。棗莊地下水資源量年均6.60億m試驗(yàn)大棚長(zhǎng)80m，跨度8m，高度2.5m。在試驗(yàn)大棚內(nèi)將田地劃分為7個(gè)長(zhǎng)7m、寬8m的獨(dú)立試驗(yàn)單元，分別設(shè)保稅材料施用處理（A～F）和空白對(duì)照，復(fù)合肥和保水材料以底肥的方式施入土壤0～20cm土層（表1）。每個(gè)獨(dú)立單元間距2m，并設(shè)置隔離土畦，防止水分在各試驗(yàn)單元間滲漏。大豆于6月10日播種，穴距約15cm，每穴播2～3粒種子，行距40cm，種植密度為45萬(wàn)株/hm1.3土壤水分含量測(cè)定土壤取樣方法：每個(gè)處理隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)位，每點(diǎn)位在土層深度20、40、60cm處各取土20g，混合均勻后得到1份600g土壤樣品。從大豆播種到收獲共100d，生長(zhǎng)期內(nèi)共取樣21次。土壤含水率：將100g土壤樣品放入烘箱內(nèi)干燥24h，測(cè)定樣品干燥前后質(zhì)量變化量，計(jì)算土壤的質(zhì)量含水量（wt，%）。土壤肥料含量：利用土壤肥料檢測(cè)儀測(cè)定土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量（wt，%）。保水材料吸水量：將土壤樣品烘干后，參照《農(nóng)林保水劑》（NY886-2010）方法進(jìn)行評(píng)價(jià)其吸水倍數(shù)。具體步驟為：稱取1g試樣（精確至0.01g），置于2000mL燒杯中，加水1000mL，攪拌5min，靜置30min，使試樣充分吸水膨脹；將凝膠狀試樣移入已知質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩中，自然過(guò)濾10min后，將試樣篩傾斜放置，再過(guò)濾10min，稱量并計(jì)算得扣除試樣篩后的凝膠狀試樣質(zhì)量，除以試樣質(zhì)量后即得吸水倍數(shù)，單位為g/g。大豆生長(zhǎng)期間各階段的田間管理措施均無(wú)差異。收獲期每試驗(yàn)單元大豆分別經(jīng)同樣方法脫殼、曬干后測(cè)定大豆產(chǎn)量以及地上大豆秸稈量。試驗(yàn)所在的棗莊市地下水位深達(dá)15～50m，且試驗(yàn)在同一大棚內(nèi)進(jìn)行，因此地下水對(duì)大豆種植土層土壤水分補(bǔ)給的差異性影響忽略不計(jì)；此外，試驗(yàn)單元之間間隔2m，水分深層滲漏對(duì)土壤水分的影響同樣忽略。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)處理后得到的大豆產(chǎn)量、地上生物總量、澆水量，計(jì)算大豆生長(zhǎng)期耗水量、水分利用效率、水分產(chǎn)出效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS19.0進(jìn)行單因素方差分析。2結(jié)果與分析2.1生物基/培養(yǎng)材料的吸水性能分別選用蒸餾水、地下水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%的NaCl生理鹽水對(duì)粒徑0.15～0.85mm的生物基水肥緩釋材料、SAP、玉米秸稈粉末進(jìn)行吸水性能測(cè)試。由表2可知，試驗(yàn)所選用的生物基水肥緩釋材料和SAP均具有較好的吸水性能，對(duì)自然水體的吸水倍數(shù)可達(dá)到自身重量的100倍以上；而玉米秸稈粉末吸水性能較差，且對(duì)水的類型不敏感，說(shuō)明其吸水主要以表面吸附為主。2.2生物基融資劑與生物基保水劑的復(fù)配對(duì)保水性能的影響各試驗(yàn)單元在大豆播種后0、25、50、75d分別澆水約8m保水材料的施用對(duì)土壤含水率影響明顯施用玉米秸稈粉末處理的大豆播種時(shí)土壤持水量和收獲時(shí)含水率提高不明顯，其中處理C播種時(shí)土壤持水量和收獲時(shí)含水率分別比CK高8.44%和10.78%，處理F則分別比CK高9.33%和16.67%，說(shuō)明玉米秸稈粉末與生物基水肥緩釋材料或者SAP相比，其吸水保水性能較低，但由于其施用相較于CK可以提高土壤孔隙度，使土壤通透性和保水能力增加，在一定程度上起到提高土壤持水量和抗旱的作用。7個(gè)試驗(yàn)單元大豆收獲時(shí)土壤含水率依次為D>E>A>B>F>C>CK，對(duì)照與各處理無(wú)顯著差異，施用保水材料對(duì)大豆生長(zhǎng)土層含水率影響較大。2.3生物基肥料量對(duì)土壤肥料含量的影響各試驗(yàn)單元在施用復(fù)合肥前的土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.12（±0.01）%、94（±2)mg/kg、9.8（±0.3)mg/kg、113（±2)mg/kg，大豆播種時(shí)分別施復(fù)合肥8kg作底肥，播種后50d和收獲后（100d）分別測(cè)定土壤肥料含量，結(jié)果（表3）顯示，大豆100d生長(zhǎng)周期內(nèi)土壤肥料含量下降明顯，但在不同試驗(yàn)條件下含量有較大差異。在施用生物基水肥緩釋材料5kg時(shí)，處理A大豆播種后50d土壤總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比CK高31.25%、14.53%、43.48%和17.73%,100d時(shí)則分別比CK高55.56%、43.24%、38.46%和26.67%；當(dāng)施用量為10kg時(shí)，處理D大豆生長(zhǎng)期內(nèi)土壤肥料含量均進(jìn)一步增加，播種后50d土壤總氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比CK高43.75%、35.04%、73.91%和30.50%，而100d時(shí)分別比CK高88.89%、68.92%、92.31%和45.71%。當(dāng)施用SAP分別為5、10kg時(shí)，處理B、E大豆播種后50、100d土壤肥料含量與施用相同質(zhì)量的生物基水肥緩釋材料效果接近，也明顯高于CK，而處理C、F中玉米秸稈粉末的施用對(duì)土壤肥料含量的影響顯著小于生物基水肥緩釋材料和SAP。表明生物基水肥緩釋材料或SAP在大豆生長(zhǎng)中均明顯起到了肥料緩釋作用且效果相當(dāng)，而玉米秸稈粉末效果較低。2.4不同保水材料對(duì)大豆產(chǎn)量的影響本試驗(yàn)中，各處理的實(shí)際耗水量見(jiàn)表4，平均耗水量為32.03（±0.11)m2.5水分利用率高保水材料本身具有高吸水性，可將土壤中水分吸附在植物根部周圍，隨后緩慢釋放，從而提高水分利用率。由表4可知，施用保水材料處理的水分利用率變化顯著，均不同程度高于CK，以處理D最高，水分利用效率和產(chǎn)出效率分別達(dá)到1.45、0.54kg/m3保水材料的篩選保水材料基于其超強(qiáng)的吸水性，可高效實(shí)現(xiàn)水分和肥料的緩慢釋放，從而達(dá)到節(jié)約用水、提高肥料利用率的目的，具有良好的應(yīng)用前景。藍(lán)松濤等上述研究均證明了保水材料優(yōu)異的保水保肥效果，這是由于保水材料在水的作用下，同時(shí)電離產(chǎn)生陰、陽(yáng)離子親水基團(tuán)，在離子滲透壓、親水基團(tuán)共同作用下，水分子迅速進(jìn)入保水材料網(wǎng)格內(nèi)部，在靜電力的作用下，達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，完成吸水。保水材料作為高分子電解質(zhì)，具有性能穩(wěn)定的C—C鍵骨架，其三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)親水性基團(tuán)（—COONa）數(shù)量眾多，因而具有極強(qiáng)的吸附性能，吸水倍數(shù)大都在數(shù)百倍以上，遠(yuǎn)高于只能吸水自身幾倍或幾十倍重量的海綿、棉花、氯化鈣等傳統(tǒng)材料，并且保水性能較佳，不會(huì)因擠壓而使所吸收的水分滲出。本研究選取生物基水肥緩釋材料、SAP和玉米秸稈粉末進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明施用量相同時(shí)，玉米秸稈粉末在水肥保持上效果較差，而自制的生物基水肥緩釋材料和SAP最高可使土壤持水量分別提高44.89%、36.44%，對(duì)總氮、速效氮、速效磷、速效鉀等不同肥料養(yǎng)分的保持效果則分別提高43.81%～88.89%。其中，生物基水肥緩釋材料由于在合成過(guò)程中加入了玉米秸稈粉末、玉米淀粉和腐殖酸等生物基材料，充分結(jié)合了SAP和腐殖酸等材料的優(yōu)點(diǎn)，在水肥保持、水分利用效率等方面綜合效果最佳，與黃震等4生物基/玉米秸稈覆蓋本研究結(jié)果表明，3種保水材料的施用均能提高大豆種植土壤含水率、大豆產(chǎn)量、水分