干旱胁迫下大豆种植土壤特性影响因素分析

干旱胁迫下大豆种植土壤特性影响因素分析

【研究意义】根据中国海关发布的进出口数据，2020年中国出口大豆量首次超过1亿吨，国内出口大豆产量不足2000万吨。80%以上的大豆出口依存度。从国际大豆贸易份额上看，以美国的邦吉、阿丹米、嘉吉和法国的路易达孚为代表的“四大粮商”控制了全球90%以上的大豆交易量；从进口原产地分析，我国进口美国、巴西和阿根廷产的大豆占进口总量的90%以上；从大豆进口总额视角，我国每年进口大豆则需花费3000多亿元人民币。我国进口主导型的大豆消费不仅会消耗大量的外汇储备，在自然灾害、疫情、贸易摩擦等不确定性因素影响下，还存在较高的安全风险。为应对大豆进口依存度过高的现状，我国也适度增加了大豆播种面积，其中2019年大豆播种面积达到930万hm【本研究切入点】高吸水性聚合物（SAP）是一种具有超高吸水保水效果的新型树脂材料，它能快速吸收自身重量数百倍甚至上千倍的水分，对于质量浓度0.9%的生理盐水吸收倍数也可达到数十倍。利用这一特性，将SAP应用于作物种植可以将土壤中的水分和肥料聚集起来，在植物根部形成微型水分和营养仓库，并在植物生长过程中缓慢释放，起到水肥缓释的效果。但SAP作为有机高分子聚合物在使用过程中会部分残留在土壤中，对土壤性质造成破坏1材料和方法1.1生物基/水缓剂的制备供试材料分别为自制的生物基水肥缓释材料、高吸水性树脂（SAP）和玉米秸秆，粒径为0.15～0.85mm；使用肥料为复合肥，大豆品种为当地适用自留品种。生物基水肥缓释材料制备方法：将10g玉米秸秆粉末和2g玉米淀粉加入到100g水中，在80℃下反应1h得到糊化混合物；然后将质量分数25%的氢氧化钠溶液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、膨润土10g、过硫酸钾0.1g，在60℃下继续反应1h。将反应产物干燥后得到一种生物基水肥缓释材料。SAP制备方法：与生物基水肥缓释材料类似，区别在于合成过程中不加入玉米秸秆粉末、玉米淀粉和腐殖酸，其他制备条件不变。1.2试验处理设置试验于2020年6月在山东省枣庄市合作单位试验大棚中进行，以夏季麦茬播种大豆为研究对象。枣庄地下水资源量年均6.60亿m试验大棚长80m，跨度8m，高度2.5m。在试验大棚内将田地划分为7个长7m、宽8m的独立试验单元，分别设保税材料施用处理（A～F）和空白对照，复合肥和保水材料以底肥的方式施入土壤0～20cm土层（表1）。每个独立单元间距2m，并设置隔离土畦，防止水分在各试验单元间渗漏。大豆于6月10日播种，穴距约15cm，每穴播2～3粒种子，行距40cm，种植密度为45万株/hm1.3土壤水分含量测定土壤取样方法：每个处理随机取10个点位，每点位在土层深度20、40、60cm处各取土20g，混合均匀后得到1份600g土壤样品。从大豆播种到收获共100d，生长期内共取样21次。土壤含水率：将100g土壤样品放入烘箱内干燥24h，测定样品干燥前后质量变化量，计算土壤的质量含水量（wt，%）。土壤肥料含量：利用土壤肥料检测仪测定土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量（wt，%）。保水材料吸水量：将土壤样品烘干后，参照《农林保水剂》（NY886-2010）方法进行评价其吸水倍数。具体步骤为：称取1g试样（精确至0.01g），置于2000mL烧杯中，加水1000mL，搅拌5min，静置30min，使试样充分吸水膨胀；将凝胶状试样移入已知质量的标准试验筛中，自然过滤10min后，将试样筛倾斜放置，再过滤10min，称量并计算得扣除试样筛后的凝胶状试样质量，除以试样质量后即得吸水倍数，单位为g/g。大豆生长期间各阶段的田间管理措施均无差异。收获期每试验单元大豆分别经同样方法脱壳、晒干后测定大豆产量以及地上大豆秸秆量。试验所在的枣庄市地下水位深达15～50m，且试验在同一大棚内进行，因此地下水对大豆种植土层土壤水分补给的差异性影响忽略不计；此外，试验单元之间间隔2m，水分深层渗漏对土壤水分的影响同样忽略。试验结束后，根据处理后得到的大豆产量、地上生物总量、浇水量，计算大豆生长期耗水量、水分利用效率、水分产出效率。试验数据采用SPSS19.0进行单因素方差分析。2结果与分析2.1生物基/培养材料的吸水性能分别选用蒸馏水、地下水、质量分数0.9%的NaCl生理盐水对粒径0.15～0.85mm的生物基水肥缓释材料、SAP、玉米秸秆粉末进行吸水性能测试。由表2可知，试验所选用的生物基水肥缓释材料和SAP均具有较好的吸水性能，对自然水体的吸水倍数可达到自身重量的100倍以上；而玉米秸秆粉末吸水性能较差，且对水的类型不敏感，说明其吸水主要以表面吸附为主。2.2生物基融资剂与生物基保水剂的复配对保水性能的影响各试验单元在大豆播种后0、25、50、75d分别浇水约8m保水材料的施用对土壤含水率影响明显施用玉米秸秆粉末处理的大豆播种时土壤持水量和收获时含水率提高不明显，其中处理C播种时土壤持水量和收获时含水率分别比CK高8.44%和10.78%，处理F则分别比CK高9.33%和16.67%，说明玉米秸秆粉末与生物基水肥缓释材料或者SAP相比，其吸水保水性能较低，但由于其施用相较于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个试验单元大豆收获时土壤含水率依次为D>E>A>B>F>C>CK，对照与各处理无显著差异，施用保水材料对大豆生长土层含水率影响较大。2.3生物基肥料量对土壤肥料含量的影响各试验单元在施用复合肥前的土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为0.12（±0.01）%、94（±2)mg/kg、9.8（±0.3)mg/kg、113（±2)mg/kg，大豆播种时分别施复合肥8kg作底肥，播种后50d和收获后（100d）分别测定土壤肥料含量，结果（表3）显示，大豆100d生长周期内土壤肥料含量下降明显，但在不同试验条件下含量有较大差异。在施用生物基水肥缓释材料5kg时，处理A大豆播种后50d土壤总氮、速效氮、速效磷和速效钾含量分别比CK高31.25%、14.53%、43.48%和17.73%,100d时则分别比CK高55.56%、43.24%、38.46%和26.67%；当施用量为10kg时，处理D大豆生长期内土壤肥料含量均进一步增加，播种后50d土壤总氮、速效氮、速效磷和速效钾含量分别比CK高43.75%、35.04%、73.91%和30.50%，而100d时分别比CK高88.89%、68.92%、92.31%和45.71%。当施用SAP分别为5、10kg时，处理B、E大豆播种后50、100d土壤肥料含量与施用相同质量的生物基水肥缓释材料效果接近，也明显高于CK，而处理C、F中玉米秸秆粉末的施用对土壤肥料含量的影响显著小于生物基水肥缓释材料和SAP。表明生物基水肥缓释材料或SAP在大豆生长中均明显起到了肥料缓释作用且效果相当，而玉米秸秆粉末效果较低。2.4不同保水材料对大豆产量的影响本试验中，各处理的实际耗水量见表4，平均耗水量为32.03（±0.11)m2.5水分利用率高保水材料本身具有高吸水性，可将土壤中水分吸附在植物根部周围，随后缓慢释放，从而提高水分利用率。由表4可知，施用保水材料处理的水分利用率变化显著，均不同程度高于CK，以处理D最高，水分利用效率和产出效率分别达到1.45、0.54kg/m3保水材料的筛选保水材料基于其超强的吸水性，可高效实现水分和肥料的缓慢释放，从而达到节约用水、提高肥料利用率的目的，具有良好的应用前景。蓝松涛等上述研究均证明了保水材料优异的保水保肥效果，这是由于保水材料在水的作用下，同时电离产生阴、阳离子亲水基团，在离子渗透压、亲水基团共同作用下，水分子迅速进入保水材料网格内部，在静电力的作用下，达到相对平衡状态，完成吸水。保水材料作为高分子电解质，具有性能稳定的C—C键骨架，其三维空间网络结构内亲水性基团（—COONa）数量众多，因而具有极强的吸附性能，吸水倍数大都在数百倍以上，远高于只能吸水自身几倍或几十倍重量的海绵、棉花、氯化钙等传统材料，并且保水性能较佳，不会因挤压而使所吸收的水分渗出。本研究选取生物基水肥缓释材料、SAP和玉米秸秆粉末进行试验，结果表明施用量相同时，玉米秸秆粉末在水肥保持上效果较差，而自制的生物基水肥缓释材料和SAP最高可使土壤持水量分别提高44.89%、36.44%，对总氮、速效氮、速效磷、速效钾等不同肥料养分的保持效果则分别提高43.81%～88.89%。其中，生物基水肥缓释材料由于在合成过程中加入了玉米秸秆粉末、玉米淀粉和腐殖酸等生物基材料，充分结合了SAP和腐殖酸等材料的优点，在水肥保持、水分利用效率等方面综合效果最佳，与黄震等4生物基/玉米秸秆覆盖本研究结果表明，3种保水材料的施用均能提高大豆种植土壤含水率、大豆产量、水分