探讨化学集成调控土壤水肥因子的机制及最优应用模式
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引言 旱地农业是我国农业生产的重要组成部分，是我国农、林、牧业的重要产业基地，全世界干旱半干旱地区现有耕地 6 亿多 hm2，约占世界总耕地面积的 42. 9%。大力发展旱地农业技术对于缓解全球水资源紧缺和农业面源污染状况以及促进农业经济的发展都具有重大的意义。 化学调控技术是基于水肥因子调控的一项旱地农业生产技术，是以土壤和作物为调控对象，以提高水肥利用效率为核心目标，通过典型化学制剂，在保证作物产量的同时，减少灌水和施肥，从而节约淡水资源，减轻农业面源污染，改善生态环境，提升作物品质，其在节水和污染控制方面取得了较好的效果。研究表明，将土壤改良剂 PAM 以液体形态喷施在土表可以减轻土壤封闭程度，增加水分的有效入渗，其和石膏、粉煤灰等共同施用还可以提高降雨入渗和抑制重金属淋洗; 保水剂 SAP 可提高沙子的持水时间和土壤孔隙度，层施 SAP 后，保水剂层及保水剂下层土壤含水率会普遍增加;而叶面抗蒸腾剂 FA 能提高春玉米硝酸还原酶活性和游离脯氨酸含量，降低蒸腾强度并促进玉米生长。 目前，国内外的研究学者多是采用单一化学制剂调控技术，将多种制剂集成应用于作物生产的试验研究还比较少。不同制剂可以通过作用于“土壤-作物”系统的不同部位发挥各自功效，其作用效果优于单种制剂的应用。然而，集成作用机制和应用模式都有待更为深入的研究。本文以密云雨养型玉米作为研究对象，选取 3 种典型化学制剂(土壤改良剂 PAM、土壤保水剂 SAP、叶面抗蒸腾剂FA) 进行集成应用，采用正交试验方法，在生育期内对土壤水分、养分状况及作物产量等指标进行动态监测，通过对土壤水氮的调控以提高作物产量，减轻作物干旱胁迫和农业面源污染压力，探讨化学集成调控机制及最优应用模式，为旱地农业发展提供指导。 1、 材料与方法 1. 1 试验区概况 本试验在北京市密云县高岭镇石匣小流域监测站标准农田进行，年均降水量 661. 3 mm，年均温10. 8℃ ，0 ～ 100 cm 土壤为砂质壤土(0 ～ 65 cm 的砂粒、粉粒、粘粒质量分数分别为 60. 4%、26. 6%、13% ，65 ～ 100 cm 的砂粒、粉粒、粘粒质量分数分别为 78. 4%、15. 6%、6%) ，土壤的基本物理及化学性质如表 1 所 示。2012 年试验区降水量总计为561. 1 mm。 1. 2 试验材料与施用方式 供试 SAP 为聚丙烯酰胺-丙烯酸交联共聚物掺入凹凸棒粘土的有机-无机复合型土壤保水剂(山东省东营华业新材料有限公司提供) ，淡黄色固体颗粒，粒径 2. 0 ～4. 0 mm，于玉米播前利用开沟机与基肥一同施入，沟尺寸(宽 × 高) 为 10 cm × 30 cm; 供试 PAM 为聚丙烯酰胺类表土改良剂(山东省东营华业新材料有限公司提供) ，白色颗粒，粒径为 0. 5～ 1. 0 mm，于 2012 年 6 月 5 日与干土混拌后在地表进行撒施，混拌质量比例为1∶ 2000; 供试 FA 为膜反射型抗蒸腾剂(新疆汇通旱地龙腐植酸有限责任公司提供) ，褐色液体，于玉米生育期全过程进行喷施，第 1 次喷施为 2012 年 6 月 5 日，之后每隔15 ～20 d 喷 1 次; 供试玉米品种为农大 86，采用当地习惯的均匀垄方式进行种植，2012 年 5 月 10 日播种，间苗后留苗量为 64 500 株/hm2; 供试磷肥和钾肥采用磷酸二氢钾(P2O5质量分数为 52. 2%，K2O 质量分数为 34. 6%) ，施用量为 180 kg/hm2，在播前施入作为基肥，供试氮肥采用尿素(纯氮质量分数为46. 4% ) ，按照试验设计分别在播前和大喇叭口期按 1∶ 4进行施用。 1. 3 试验方法 试验小区规格为 4 m ×10 m，其中2 m ×10 m 的区域用于测试土壤含水率和养分含量，另外 2 m ×10 m的区域用于测试作物产量，各小区之间用土垄进行分隔。试验考察 PAM 施用量、FA 施用浓度(水与 FA 溶液质量比) 、SAP 施用量、氮肥施用量这 4个因素的作用效应，每个因素设 3 个水平，不考虑交互作用，选用L9(34) 型正交表进行试验设计(表 2) ，共 9 个处理小区(分别以 P1 ～ P9 表示) ，每个处理设置 2 个重复。全生育期内未进行灌溉，土壤水分为天然降雨补充，各小区基肥、磷肥和钾肥施用量相同。 在玉米各主要生育期末进行取样，在小区 0 ～100 cm 土层内用土钻每隔 20 cm 取土样放入铝盒中用于测试含水率，剩余土壤混合均匀后放入自封袋，于 4℃冰箱中保存，用于土壤全氮和速效氮含量的测试。 1. 4 测试方法 参照《土壤农化分析》进行测试，其中土壤质量含水率采用干燥法测试，土壤全氮采用重铬酸钾-硫酸消化法测试，土壤速效氮采用碱解扩散法测试。小区实收测产。 1. 5 数据分析 采用 SPSS 15. 0 进行统计性检验分析，其他分析及作图在 Microsoft Excel 2003 中完成。 2、 结果与分析 2. 1 玉米产量及最佳集成技术分析 玉米产量结果如表 3 所示。表中 A、B、C、D 为PAM 施用量、FA 施用浓度、SAP 施用量、氮肥施用量的编码值。从表中可以看出，各小区产量由大到小为 P3、P2、P6、P8、P4、P5、P9、P7、P1，最大产量小区 P3 的产量比最小产量小区 P1 高出 21%。从试验结果的方差分析(表 4) 中可以看出，因素 PAM 施用量的 F =1. 022，因素 FA 施用浓度的 F =10. 557，因素 SAP 施用量的 F = 7. 151，因素氮肥施用量的F = 11. 53，其中 FA 施用浓度、SAP 施用量和氮肥施用量的 Sig． 值均小于0. 05，而 PAM 施用量的 Sig． 值大于 0. 05，说明 FA 施用浓度、SAP 施用量和氮肥施用量对玉米产量有显著影响(P ＜0. 05) ，而 PAM 施用量对玉米产量的影响不显著。 从 Duncan 多重比较(表 5) 可以进一步分析发现，PAM 施用量的 3 个水平之间差异不显著，FA 施用浓度 3 水平最好，SAP 施用量 3 水平最好，氮肥施用量 3 水平最好，从经济性考虑，PAM 施用量选用 1水平，这与正交试验中的最大产量组合 P3(A1B3C3D3) 一致，为 1. 30 kg/m2。 2. 2 土壤含水率规律分析 玉米生育期根系层土壤含水率情况如表 6 所示。从表中差异显著性检验中可以看出，集成技术对土壤含水率影响显著(P ＜ 0. 05) 的时期是 7 月 8日(拔节期末) 、8 月 1 日(喇叭口期末) 、8 月 25 日(抽雄期末) ，这 3 个时期各小区含水率相对变化幅度为 7% ～64%，而 6 月 25 日(苗期末) 、9 月 15 日(灌浆期末) 和 10 月 4 日(成熟期末) 3 个时期没有发现集成技术造成显著性差异，这 3 个时期各处理小区含水率变化幅度为 10% ～ 30%。相较于其他小区，P3 小区的土壤含水率在各个主要生育期均处于较高水平，从整个生育期的平均水平来看，P3 小区的土壤含水率也最高，达到了 0. 12，为作物的生长提供了较为充足的水分条件，有利于作物产量的增加。 通过对玉米生育期土壤含水率进行方差分析(表 7) 后发现，PAM(Sig． 值 0. 002) 、SAP(Sig． 值0. 015) 和氮肥(Sig． 值 0. 011) 处理对土壤平均含水率的影响显著(P ＜ 0. 05) ，而 FA(Sig． 值 0. 228) 处理对含水率的影响并不显著，这是因为 PAM 和 SAP都是直接作用于土壤，PAM 通过改善表土结构状况促进降雨的入渗，而 SAP 通过对水分的反复吸持可以减少水分深层渗漏，2 种制剂均可以对土壤含水率产生直接影响，氮肥通过水肥耦合效应对土壤含水率产生一定的影响，可提高土壤储水含量，而 FA是通过降低作物奢侈蒸腾的作用来减少土壤水分的消耗，其作用并不十分明显。 2. 3 土壤氮素养分含量规律分析 玉米生育期根系层土壤全氮、速效氮含量情况分别如表 8 和表 9 所示。从表中差异显著性检验中可以看出，集成技术对土壤全氮含量影响显著(P ＜0. 05) 的时期是 7 月 8 日(拔节期末) 、8 月 1 日(喇叭口期末) 、9 月 15 日(灌浆期末) 、10 月 4 日(成熟期末) ，而 6 月 25 日(苗期末) 和 8 月 25 日(抽雄期末) 这 2 个时期没有发现集成技术造成显著性差异。从生育期全氮平均质量比来看，P3 小区为0. 54 g / kg，是 9 个试验小区中最小的，比其他小区低 3. 7% ～9. 3%。而从速效氮平均质量比来看，P3小区是 9 个小区中最大的，达到 45. 44 mg/kg，比其他小区高 13% ～23%。从数据中可以分析发现，P3小区土壤较高的速效氮含量有利于作物对氮素的吸收利用，促进了氮素更多地合成干物质，土壤中氮素利用充分，使得土壤全氮含量小于其他小区。 玉米生育期土壤全氮和速效氮含量的方差分析如表 10 和表 11 所示。就全氮而言，PAM、FA、SAP和氮肥这 4 个因素对土壤全氮含量均产生显著影响(P ＜0. 05) ; 就速效氮而言，PAM、SAP 和氮肥这 3个因素对土壤速效氮含量产生显著影响 (P ＜0. 05) ，其中 PAM 和 SAP 通过作用于土壤结构影响土壤速效氮，施肥通过直接补充氮素影响速效氮含量，FA 主要起调控作物生长的作用，其对土壤速效氮的影响并不显著。 3、 讨论 本文联合应用 3 种制剂，通过在土壤表面使用PAM 来改善表土结构状况，促进水分入渗，在土壤根层施入 SAP 以保蓄水肥，在作物叶面喷施 FA 来提升作物生理机能，促进作物对水肥的吸收利用。 集成技术提升了水肥利用效率，增加了作物产量，本文中 P3(A1B3C3D3) 小区相较于未施加制剂的 P1 小区，产量提升了 21%，与庄文化等在冬小麦上单独应用 SAP 增产 10. 14% 和韩玉国等在苹果上单独应用 FA 增产 4. 88% ～ 7. 32% 相比，产量提高更多，可见化学集成调控效果明显。此外，氮肥对作物产量也产生显著性影响，且施肥量越大产量越高，但比较同为 270 kg/hm2施氮条件下的 P3、P4、P8 这3 个小区产量可以发现，P3 小区仍增产 4. 7% ～5. 2% ，说明 P3 小区 3 种制剂的应用模式对于促进作物产量更为有利。 虽然集成技术提高了作物产量，但显著性检验表明 3 种制剂对作物产量及土壤水氮的影响效应并不一致，不同制剂所产生的作用效应有所区别，其中PAM 和 SAP 直接作用于土壤，对于土壤含水率和速效氮影响明显，FA 作用于作物叶面，则对作物产量形成和氮素利用的影响更大。在本文的化学制剂施用量水平下，从 Duncan 多重比较来看，并不是用量越多产量越高，其中 PAM 施用水平对产量的影响不显著，SAP 用量为越大越好，FA 的 400 倍液低浓度施用水平要优于 200 倍液高浓度施用水平。这可能是因为 SAP 直接作用于作物根系，可将水氮保蓄在根层区供作物持续利用，对作物的生长促进作用明显，且当干旱胁迫发生时，SAP 可以提高作物对水分的利用效率; 而 FA 一方面起到抑制作物奢侈蒸腾的作用，另一方面起到提升作物生理机能的作用，当 FA 用量较大时，其对于作物蒸腾作用抑制过大，可能会影响其光合作用，进而减少作物产量，就本文而言，400 倍液的 FA 施用量能够更好地促进作物产量的形成。 4、 结论 (1) 4 个试验因素对土壤水分的影响效应不一致，PAM、SAP 和氮肥对土壤含水率的影响显著，而FA 的影响不显著，P3 小区的集成处理模式提供的土壤质量含水率最为充足，平均为 0. 12。 (2) 4 个试验因素均显著影响土壤全氮含量，就速效氮而言，仅 PAM、SAP 和氮肥产生显著影响，P3小区速效态氮素平均质量比为45. 44 mg/kg，是9 个小区中最高的，其有利于作物对氮素养分的吸收利用。 (3) 在本试验条件下，SAP 90 kg/hm2，FA 400倍液的集成处理与施尿素量 270 kg/hm2可以得到最大玉米产量 1. 30 kg/m2，相较于未施加化控制剂的对照组，提高产量达 21%。 参考文献： 1． 张义丰，王又丰，刘录祥，等． 中国北方旱地农业研究进展与思考［J］． 地理研究，2002，21(3) : 305 － 312．
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