保水劑的吸水功能及節(jié)水保肥效果研究

保水劑也稱為高吸水樹(shù)脂，是一種具有超吸水性的功能高科技材料。它能在短時(shí)間內(nèi)吸收大量的水分，而且對(duì)水的保持是良好的。即使吸收的水分在熱和壓條件下也很難丟失，因?yàn)楸３?5%以上的水分可以用于收獲。由于其獨(dú)特的性能,保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水土保持中得到廣泛的應(yīng)用。有人預(yù)言,保水劑將成為繼化肥、農(nóng)藥、塑料薄膜之后第四大農(nóng)用化學(xué)品。早期對(duì)保水劑的研究主要集中在保水劑的保水、節(jié)水效果和對(duì)土壤物理性質(zhì)及作物生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明,保水劑能起到改良土壤結(jié)構(gòu)、抗旱保水、提高苗木成活率、促進(jìn)作物生長(zhǎng)、增加產(chǎn)量、提高水分利用效率等作用。近年來(lái),隨著研究的不斷深入,保水劑與養(yǎng)分的相互作用逐漸受到重視,特別是保水劑對(duì)氮素的吸附和緩釋作用已有不少研究,但保水劑與不同磷肥的相互作用及水肥調(diào)控效果尚未見(jiàn)報(bào)道。本文主要研究保水劑在吸水保水的同時(shí),對(duì)不同磷肥的吸持作用、不同磷肥對(duì)保水劑吸水保水性能的影響以及保水劑和不同磷肥配合施用下的節(jié)水保肥效果,為保水劑合理使用提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1土壤、理化性質(zhì)保水劑:聚丙烯酰胺—丙烯酸鹽共聚物保水劑,吸水倍率:230g/g;粒徑:0.23~0.40mm;含水率≤90g/kg。磷肥:磷酸一銨、過(guò)磷酸鈣。土壤:旱地赤紅壤,取自仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)場(chǎng)玉米地。土壤pH6.68,有機(jī)質(zhì)17.6g/kg,全氮、全磷、全鉀分別為3.39g/kg、0.144g/kg和4.41g/kg,有效氮、有效磷、有效鉀分別為76.6mg/kg、52.4mg/kg和83.9mg/kg。作物:玉米,品種為仲糯三號(hào)。1.2測(cè)試方法1.2.1尼龍袋的吸水吸水倍率測(cè)定采用茶袋法:稱取保水劑0.200g,放入12cm×15cm的200目的已知質(zhì)量的尼龍袋中,封口后于25℃下,放入200ml去離子水中靜置12h,保水劑充分吸水后吊起尼龍袋30min,瀝盡水分,稱重,并收集濾液,計(jì)算吸水倍率。1.2.2保水劑的吸水特性以同體積的一定濃度系列的磷酸一銨、過(guò)磷酸鈣溶液(磷酸一銨濃度為0~2%,過(guò)磷酸鈣濃度為0~0.8%)代替去離子水按1.2.1在同樣條件下進(jìn)行測(cè)定,收集濾液,計(jì)算保水劑在不同磷肥溶液中的吸水倍率,以保水劑在去離子水中的吸水倍率為100%,計(jì)算相對(duì)吸水倍率,濾液以釩鉬黃比色法測(cè)定磷含量,用差減法計(jì)算保水劑對(duì)磷肥的吸持量。1.2.3玉米的出苗與水分脅迫處理保水劑用量分別為0g/kg土和4g/kg土,磷肥品種分別為磷酸一銨和過(guò)磷酸鈣,磷肥用量為每千克土80mgP2O5,共6個(gè)處理,每個(gè)處理4次重復(fù)。所有處理均以尿素和氯化鉀補(bǔ)充氮、鉀養(yǎng)分,氮、鉀用量分別為120mg/kg土和100mgK2O/kg土。每盆裝風(fēng)干土4kg(過(guò)3mm篩),裝盆時(shí)先把保水劑與少量細(xì)土混勻,再與其余土壤混合,最后與氮、磷、鉀肥料混合均勻。每盆播種4粒發(fā)芽的玉米種子,出苗后留長(zhǎng)勢(shì)均勻的2株苗。玉米出苗后第10d開(kāi)始水分控制處理,每次間隔15d。每次水分控制前每個(gè)處理在1d內(nèi)分3次等量灌水900~1200ml,即每次300~400ml,以使土壤和保水劑充分吸水,大量灌水之后進(jìn)行水分脅迫處理:以不施磷肥、不加保水劑的處理為對(duì)照,使土壤含水量達(dá)到田間最大持水量的50%(稱重法控制),其它處理灌水量與對(duì)照相同。水分脅迫期間,把盆中滲漏出的溶液又重新倒入盆中,以保證所有處理的等養(yǎng)分條件,如此重復(fù),共脅迫處理3次,直至收獲。第二次水分脅迫期間,于晴好天氣上午10:00測(cè)定玉米植株的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等生理指標(biāo)。試驗(yàn)在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院溫室進(jìn)行,播種后53d收獲,分別取地上部和根系烘干稱重,并測(cè)定植株全磷含量。植株全磷測(cè)定用H2SO4—H2O2消煮,釩鉬黃比色法;光合生理指標(biāo)采用便攜式CI-310光合儀測(cè)定同一葉位葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Cd)和胞間CO2濃度(Ci)。1.3處理數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以DPS軟件統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行多重比較和差異性檢驗(yàn)。2結(jié)果與分析2.1保水劑的吸水倍率保水劑在不同磷肥溶液中的相對(duì)吸水倍率以及對(duì)磷的吸持見(jiàn)表1。可以看出:磷酸一銨對(duì)保水劑相對(duì)吸水倍率的影響在肥料濃度為0.2%時(shí),保水劑的相對(duì)吸水倍率下降到37.54%,隨著肥料濃度的增加,相對(duì)吸水倍率逐漸降低,在肥料濃度為2.0%時(shí),保水劑的相對(duì)吸水倍率下降到15.68%。相比于磷酸一鈣,過(guò)磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響更大,低濃度的過(guò)磷酸鈣溶液可使保水劑的吸水倍率發(fā)生很大的變化,過(guò)磷酸鈣濃度僅為0.05%時(shí),保水劑相對(duì)吸水倍率為54.70%,濃度為0.80%時(shí),保水劑的相對(duì)吸水倍率降為13.04%,降幅為319.48%。相對(duì)吸水倍率與肥料溶液濃度之間的相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)表示如下:磷酸一銨y=3.379x-0.3862R2=0.9971過(guò)磷酸鈣y=1.049x-0.5159R2=0.9925從保水劑對(duì)P素的吸持來(lái)看,不同磷肥品種都是隨著磷濃度的增大,保水劑吸持P素的量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而吸持率則隨濃度的增加而減少。在磷酸一銨溶液中,當(dāng)濃度為1.2%時(shí),保水劑對(duì)P素吸持達(dá)到最大量,為578.13mg/g,此后隨濃度的增加吸持量逐漸降低,當(dāng)濃度為2.0%時(shí),保水劑對(duì)P素吸持量降至43.2mg/g,只有濃度為1.2%時(shí)最大吸持量的7.47%。在過(guò)磷酸鈣溶液中,當(dāng)濃度為0.20%時(shí),保水劑對(duì)P素吸持達(dá)到最大量,為14.59mg/g,此后隨濃度的增加吸持量逐漸降低,當(dāng)濃度為0.80%時(shí),保水劑對(duì)P素吸持量降至5.958mg/g,只有濃度為0.20%時(shí)最大吸持量的40.83%。2.2保水劑對(duì)玉米地上部干重和根系干重的影響從表2可以看出,在相同灌水和供磷水平條件下,施用保水劑后均可不同程度提高玉米植株生長(zhǎng)量。不施磷肥、施用磷酸一銨和施用過(guò)磷酸鈣三種條件下,配施保水劑與未施保水劑相比,玉米地上部干重分別增加了23.10%,16.38%和15.40%,根系干重分別增加了96.00%,88.41%和61.78%,配施保水劑與未施保水劑玉米地上部干重和根系干重都達(dá)到顯著性差異。從不同磷肥品種來(lái)看,保水劑配施磷酸一鈣玉米地上部干重比保水劑配施過(guò)磷酸鈣提高了3.2%,二者差異顯著,說(shuō)明保水劑和磷酸一銨配施的效果好于保水劑和過(guò)磷酸鈣配施。2.3保水劑對(duì)玉米施磷效率的影響從表3可見(jiàn),未施用保水劑時(shí),施用磷肥和不施磷肥玉米植株含P量差異不顯著,而施用保水劑后,施用磷肥比不施磷肥玉米植株含P量顯著提高,這是因?yàn)槭┯帽Ｋ畡┖筇岣吡送寥浪趾?從而促進(jìn)植株對(duì)磷的吸收。而配施保水劑與未施保水劑的相應(yīng)處理相比,植株的含P量均有所降低,其中不施磷肥的處理玉米含磷量下降更多,達(dá)到顯著性差異,這是由于施用保水劑后植株生物量大,稀釋效應(yīng)造成的。從磷肥利用率來(lái)看,不施保水劑和配施保水劑,磷肥利用率都是磷酸一銨大于過(guò)磷酸鈣,差異都達(dá)到顯著性水平,磷肥利用率增幅分別為32.9%和11.8%,這一方面說(shuō)明本試驗(yàn)條件下施用磷酸一銨效果優(yōu)于過(guò)磷酸鈣,另一方面也說(shuō)明配施保水劑后降低了二者之間的差異。同一磷肥品種,配施保水劑后玉米植株的磷肥利用率都比單施磷肥的大,磷酸一銨和過(guò)磷酸鈣兩個(gè)處理分別增加了107.65%和146.69%,達(dá)顯著水平。未施用保水劑時(shí),施用磷肥比不施磷肥玉米水分利用效率(WUE)顯著提高,施磷酸一銨和過(guò)磷酸鈣后玉米WUE分別增加了6.81%和7.47%,但不同磷肥品種處理玉米WUE差異不顯著(表4)。與未施保水劑相比,配施保水劑的相應(yīng)處理WUE均顯著提高,不施磷肥、施磷酸一銨和施過(guò)磷酸鈣WUE分別提高了33.0%,27.6%和23.8%,這是因?yàn)楸Ｋ畡┯泻軓?qiáng)的吸水保水能力,能減少水分的滲漏和蒸發(fā),為植物生長(zhǎng)提供更多的水分,從而提高玉米WUE。在施用保水劑的3個(gè)處理中,施用磷酸一銨與不施磷肥及施用過(guò)磷酸鈣之間玉米WUE差異顯著,而施過(guò)磷酸鈣與不施磷肥之間差異不顯著,說(shuō)明保水劑與磷酸一銨配施對(duì)玉米植株WUE的提高作用更好。2.4保水劑和保水劑對(duì)蒸騰和胞間co的影響水是光合作用的原料,水分脅迫條件下不同處理玉米光合特征及其生理因子表現(xiàn)出不同的特性。從表4可知,相同磷素用量和肥料種類條件下,施用保水劑后,玉米的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均有所增大,蒸騰速率和胞間CO2濃度卻是減小的,其中凈光合速率的影響最為明顯,其中磷肥配施保水劑與未施保水劑相比凈光合速率差異顯著,不施磷肥、施用磷酸一銨和施用過(guò)磷酸鈣三種條件下,配施保水劑與未施保水劑相比,凈光合速率分別增加了8.94%,6.50%和33.30%。此外,在未施保水劑時(shí),磷酸一銨和過(guò)磷酸鈣兩種磷肥品種處理的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度差異顯著,而施用保水劑后,它們之間的差異都不顯著,這是因?yàn)槭┯帽Ｋ畡┖蟾纳屏送寥赖乃謼l件,降低了不同磷肥品種對(duì)玉米光合特性的影響。3保水劑對(duì)p素的等溫吸附作用根據(jù)Flory-Huggins的吸水理論模型,保水劑的吸水倍率主要受保水劑本身的結(jié)構(gòu)和外部電解質(zhì)溶液的離子強(qiáng)度及電解質(zhì)性質(zhì)。根據(jù)保水劑的吸水機(jī)理,離子型保水劑與水接觸后,由于離子型親水基團(tuán)的電離,樹(shù)脂結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓,這是保水劑吸水的動(dòng)力之一。當(dāng)溶液中有電解質(zhì)鹽類存在時(shí),就會(huì)使樹(shù)脂內(nèi)部的滲透壓降低,結(jié)果保水劑吸水能力降低。本研究表明,隨著磷酸一銨和過(guò)磷酸鈣濃度的增加,保水劑吸水倍率顯著降低,由于Ca2+為二價(jià)陽(yáng)離子,而NH4+為一價(jià)陽(yáng)離子,因而過(guò)磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響更大,這與前人的研究結(jié)果一致。保水劑一般都含有微孔,可讓一些小分子或離子擴(kuò)散進(jìn)入,進(jìn)入到保水劑分子內(nèi)部的養(yǎng)分離子或分子,可以暫時(shí)被溶脹的保水劑包裹起來(lái),或被帶電基團(tuán)激活作定向排列,從而將養(yǎng)分吸附保持住。本試驗(yàn)結(jié)果也表明,保水劑對(duì)P素有一定的吸持作用,不同磷肥品種都是隨著磷濃度的增大,保水劑吸持P素的量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而吸持率則隨濃度的增加而減少。保水劑與肥料配施后,既能保持水分,又能吸附養(yǎng)分離子,在一定程度上對(duì)水肥在同一時(shí)空條件下起到一體化調(diào)控作用,以肥調(diào)水,以水促肥,充分發(fā)揮水肥的協(xié)同效應(yīng),改善了作物干旱脅迫時(shí)的水肥條件,有利于作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,從而提高光合效率,促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高水肥利用效率。在本研究中,保水劑用量為4g/kg土?xí)r,與未施保水劑相比,玉米凈光合速率、生物量、磷肥利用率及水分利用率都顯著提高。4保水劑、磷酸一銨、過(guò)磷酸鈣配合使用對(duì)玉米肥料濃度的影響(1)保水劑在不同磷肥溶液中的吸水倍率隨肥料濃度的增加而下降,過(guò)磷酸鈣對(duì)保水劑吸水倍率的影響大于磷酸一銨;保水劑在大量吸水的同時(shí),也對(duì)溶于水中的磷素養(yǎng)分有吸持作用,吸持量隨肥料濃度的增加出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,而吸持率則隨濃