Hans Journal of Agricultural Sciences
Vol.05 No.06(2015), Article ID:16627,8 pages
10.12677/HJAS.2015.56029

Study on the Effects of Several Kinds of new super absorbent polymers on Soil Leaching Loss of Water and Nitrogen and Growth of Flowering Chinese cabbage

Shikun Li1, Xiujuan Zhong2, Xiaoyun Mao2, Zongwen Liao2*

1Guangdong Runtian Fertilizer Co. Ltd., Xinxing Guangdong

2College of Resource and Environmental Sciences, South China Agriculture University, Guangzhou Guangdong

Received: Dec. 10th, 2015; accepted: Dec. 25th, 2015; published: Dec. 28th, 2015

Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.

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ABSTRACT

This paper studied the effects of three kinds of new super absorbent polymers on soil evaporation, nitrogen and water leaching and growth of flowering Chinese cabbage through simulation experiment and pot experiment. The soil cup leaching experiment showed that the soil water content in treatment with super absorbent polymers increased from 7.10% to 28.42% on average. The soil column test showed that on the 14th day of the experiment, the accumulative leaching losses of soil nitrogen in treatment with PSB were 4.68% lower than those in NH4NO3 treatment, while in the treatment with NJ1 and NJ2, the losses were 20.20% and 14.49%. The pot experiment showed that the biomass of flowering Chinese cabbage in treatment with the complex water-retaining agent increased from 10.33% to 34.44% on average than that in NH4NO3 treatment.

Keywords:new super absorbent polymers, nitrogen leaching, flowering Chinese cabbage

几种新型保水剂对水肥淋失和菜心生长的影响

李世坤1,钟秀娟2,毛小云2,廖宗文2*

1广东润田肥业有限公司,广东 新兴

2华南农业大学资源环境学院,广东 广州

收稿日期:2015年12月10日;录用日期:2015年12月25日;发布日期:2015年12月28日

摘 要

通过模拟试验和盆栽试验,研究了3种新型保水剂对土壤蒸发量、氮肥和水分淋失以及菜心生长的影响。土杯淋溶试验表明,加入保水剂可使土壤含水量平均增加7.10%~28.42%。土柱淋溶试验表明,在第14 d,与NH4NO3相比,加(PSB)处理的的氮素累计淋失量降低4.68%,与尿素相比,加(NJ1)和(NJ2)处理的氮素累计淋失量分别降低20.20%和14.49%。盆栽实验表明,与NH4NO3相比,施用保水剂处理的菜心生物量的增产幅度为10.33%~34.44%。

关键词 :新型保水剂,氮肥淋失,菜心

1. 前言

大量研究表明,在目前农业生产条件下,我国的农田化肥当季利用率氮肥为30%~35%,磷肥为10%~20%,钾肥为35%~50%,低于国外同类肥料的5%~20%。以氮肥为例,每年损失的氮素相当于1900多万t的尿素,折合人民币380多亿元[1] 。因此,化肥损失不仅造成了经济的损失,更加剧了环境的污染。提高肥料利用率,实现可持续发展是国内外共同关注的重大问题[2] [3] 。另一方面,我国又是一个水资源相对贫乏的国家,单位耕地面积占有水量仅28,320 m3/hm2,只为世界平均的4/5。随着城市和工农业的迅速发展,水的供需矛盾愈来愈突出,工农业争水的矛盾更加尖锐[4] [5] 。

保水剂是一种具有超高吸水、保水能力的高分子聚合物,它对提高干旱地区土壤持水性、提高土壤的持水量及降低土壤水蒸发都具有很好的效果,因而在节水农业和生态环境恢复中得到了较为广泛的应用[6] -[8] 。目前已商品化的保水剂大多是以聚丙烯酸或聚丙烯酰胺为主生产的,存在的主要问题是成本高和耐盐碱性能差[9] -[10] 。

与传统的单一保水剂仅注重保水不同,本试验用的新型保水剂同时具有保水、保氮的效果,不仅可为植物生长提供水分,而且提供生长所需的必要元素。研制新型保水剂的目的就是通过化学保水技术和肥料控释技术的综合运用,设法降低保水剂成本以开拓水肥一体化技术途径[11] 。

2. 材料与方法

2.1. 供试材料

供试保水剂:铵盐水凝胶-1 (以下简称NJ1)和铵盐水凝胶-2 (以下简称NJ2),由华南业大学理学院研制,其不仅具有保水性能,而且它本身含有氮肥,具有肥效。其基本参数为NJ1: 0.72 g H2O/g凝胶,0.18 g NH4NO3/g凝胶,0.06 g N/g凝胶,可任意稀释,其吸水倍率为110.52 g/g;NJ2: 0.40 g H2O/g凝胶,0.49 g NH4NO3/g凝胶,0.17 g N/g gel,可任意稀释,其吸水倍率为103.48 g/g。复合保水剂(以下简称PSB)由无机矿物(膨润土,产自广东三水)与高聚物保水剂(由北京汉力葆科贸中心提供)按1:1比例混合制成,由华南农业大学新肥料资源研究中心研制,其吸水倍率为156.13 g/g。

供试肥料:尿素,含氮46%;NH4NO3,含氮35%;过磷酸钙,含有效磷P2O5 12%;氯化钾,含有效钾K2O 60%。

供试作物:菜心,品种为精选80天油青。

供试土壤:取自华南农业大学资源环境学院农场水稻土,其理化性质见表1

2.2. 试验方法

2.2.1. 新型保水剂在土壤中的抗蒸发试验

设4个处理,每处理3次重复:CK0,纯土壤,不加保水剂;T1,加NJ1处理;T2,加NJ2处理;T3,加PSB处理。选用高9 cm、口径7 cm的塑料水杯,在底部打三个均匀分布的小孔,垫一层200目尼龙布。将过60目筛的供试土壤200 g与0.4 g等干重新型保水剂混合均匀,放入杯内,在杯下套一合适大小的烧杯,烧杯口托住水杯,下半部分有足够空间盛装渗漏水(如图1所示)。向水杯中缓慢加蒸馏水120 ml,静置一晚至水杯中已无水再流出,取下水杯称重,获得土壤和保水剂水饱和后重量。其后放入40℃恒温培养箱中,每天定时取出称重,至质量稳定时停止[12] 。以下列公式计算土壤含水率(EP)

EP(%) = (Mi − M0)/200.00 ´ 100%

式中:Mi—定期测定纸杯和其内混合物的质量;M0—纸杯和其内混合物的初始质量。

2.2.2. 新型保水剂的土柱淋溶试验

参照Paramasivam等方法[13] 。在事先用200目滤布封底口,并在滤布上垫有少量砂子(25 g)的塑料管(直径5 cm,高30 cm)中模拟耕层按1.3 g/cm3容重先装入250 g(约10 cm高)土壤(风干,过2 mm筛),所加的新型保水剂的干重相等,再在其上按同样紧实度装入与250 g土壤混合的土肥混合物(1 gN/kg土),

Figure 1. Soil cup leaching set

图1. 土杯淋溶装置图

Table 1. Physical-chemical characteristics of pot soil

表1. 盆栽土壤理化性质

土柱上面再以少量砂子(25 g)覆盖以防加水时扰乱土层。以不加肥料的土柱作为对照,其余各处理等氮,每个处理重复3次。

第一次先加150 ml水使土壤水分接近饱和,培养1 d后再以150 ml水一次加入淋溶土柱,收集48 h内淋溶液,淋溶结束后以刺有小孔塑料薄膜封闭塑料管上口,室温下培养3 d后,用100 ml水进行第2次淋溶,以后各次按同样操作进行,在培养2、5、8、11、14 d时进行淋溶,即培养3 d,淋溶1次。量取各淋溶液体积,分析全氮含量。全氮测定方法采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法[14] 。设计方案如表2所示,A组设CK1、T1,可比较保NH4NO3的效果;B组设CK2、T2、T3,可比较保尿素的效果。A、B组各处理(CK0除外)的施氮量均相等,故组间亦可比较。

2.2.3. 新型保水剂的菜心盆栽试验

盆栽试验在华南农业大学玻璃温室大棚内进行。试验设8个处理,每处理4次重复,每盆用土4 kg。氮、磷、钾均作基肥与土混匀。肥料种类及用量见表3。第一造种植菜心,在盆中先装2 kg的土,再加入保水剂,其后再装2 kg土与肥的混合物,整平、压紧。每盆3株。在盆栽期间保证每个处理相同的灌水量。收获时收割菜心地上部分,称鲜重,烘干后称干重。

Table 2. Soil column leaching of super absorbent polymers with different N fertilizer treatments

表2. 含不同氮肥的保水剂土柱淋溶试验方案

Table 3. Pot experiment of Chinese flowering cabbage with super absorbent polymers

表3. 保水剂的菜心盆栽试验方案

3. 结果与分析

3.1. 新型保水剂对土壤水分蒸发的影响

加入复合保水剂的处理与CK0比较,土壤含水量差异很大,第1天差异在4~14 g之间,此差异一直保持到第7天。从图2可以看出7天内复合保水剂PSB的保水效果最好,比对照CK0的含水量提高了28.42%,其次是NJ1和NJ2,分别比对照提高了10.06%和7.10%。这说明使用复合保水剂可明显降低土壤水分蒸发,在相当长时间内保持明显高于CK0的含水量。在7天以后,各处理的土壤含水量差距逐步缩小。

3.2. 新型保水剂的土柱淋溶试验

3.2.1. 新型保水剂对土柱淋出量的影响

本试验前的预备试验先后设计为T1加PSB 0.5 g/管,0.3 g/管,T2、T3相应与T1等干重,但发现连续淋溶3次以后就出现淋不出水的现象,这与保水剂吸水膨胀有关。考虑到要有一定淋出量以研究新型保水剂的保肥效果,故减少用量,设计T1 (PSB)为0.12 g/管,T2、T3与T1等干重。

试验发现第一次淋液体积都比较少,说明在第一次土壤中水分尚未充分饱和。图3显示,从淋出的总体积可以看出加入新型保水剂能够使淋液量减少,其中累计淋液体积T1比CK1减少9.23%,而T2和T3分别比CK2减少4.13%和4.21%,T1比T2和T3分别减少5.81%和5.74%。说明3种新型保水剂在土壤中有较强的保水能力;其中,PSB的保水效果优于NJ1和NJ2。

3.2.2. 新型保水剂对氮素溶出的影响

尿素以及NH4NO3和不同保水剂处理在土壤中的氮素累计溶出率曲线如图4所示。A组试验结果表明,T1在14天累计溶出率比CK1降低4.68个百分点;B组试验结果表明T2和T3分别比CK2降低了20.20和14.49个百分点,T2比T3降低6.68个百分点。综合来看,CK1比CK2降低41.22个百分点,表明NH4NO3比尿素具有较强的抗淋溶能力。试验表明加入3种新型保水剂能够较好控制土壤中氮素养分的淋失。其中复合保水剂PSB效果较好,且复合保水剂对NH4NO3的保肥效果远远优于对尿素的保肥效果,这与其中NH4+易为土壤胶体吸持有关。

Figure 2. The change curve of soil moisture content

图2. 土壤含水率变化曲线

Figure 3. The total leaching volume of different treatments

图3. 不同处理的淋液总体积量

Figure 4. Nitrogen cumulate leaching rate curves of super absorbent polymers in soil

图4. 保水剂对土壤中的氮素累计溶出率的影响曲线

3.3. 新型保水剂的菜心盆栽试验

3.3.1. 新型保水剂对菜心生物量的影响

与单施用NH4NO3 (CK1)相比,加入复合保水剂PSB(T1A、T1B)以及直接施用凝胶1 (T2)和凝胶2 (T3),菜心生物量都有明显增产(见表4),其增产幅度为10.33%~34.44%。与等氮处理T1B相比,T1A和T3增产幅度分别为10.17%和21.85%,表明PSB对NH4NO3的保肥效果优于尿素,具有明显的增产作用,这同样与NH4+易为土壤胶体吸持有关。

3.3.2. 新型保水剂对菜心叶绿素、光合作用的影响

表5表明,加入新型保水剂,其叶绿素含量有明显提高。T2处理比CK1提高了10.58个百分点,与CK1相比,T1A、T1B、T3处理均有不同程度的提高。表5也表明,加入新型保水剂能提高菜心叶片的光合速率,与CK1相比,提高幅度为1.7~3.5 µmol∙m−2∙s−1,这说明新型保水剂能够对菜心叶片的叶绿素值以及光合速率有促进作用,进而提高菜心的生物产量。

Table 4. Chinese flowering cabbage biomass of different treatments

表4. 不同处理的盆栽菜心的生物量

注(Note):同列中不同字母表示差异达5%显著水平。

Different letters in same column mean significant at 5% level.

Table 5. Chlorophyll andchotosynthesis rate of Chinese flowering cabbage of different treatments

表5. 不同处理的盆栽菜心的叶绿素、光合速率

注(Note):同列中不同字母表示差异达5%显著水平。

Different letters in same column mean significant at 5% level.

4. 讨论与结论

国内外的研究表明,施用保水剂在改良土壤物理性质、减少灌溉水用量、保持土壤养分和提高水分利用率等方面均有积极作用[6] [15] -[19] 。然而,目前无论国内还是国外对于保水剂在农业上的应用均受到两方面的限制:一是价格高,昂贵的成本使其无法在农业上推广应用;二是普通保水剂的耐盐性差,在土壤或肥料盐份存在条件下其保水性能会大幅度降低,并缩短使用寿命。通过改变保水剂的剂型(由颗粒型变凝胶型)、采用普通保水剂与无机材料共混加工研制复合保水材料等技术途径来突破普通保水剂价格高、耐盐性差的经济技术瓶颈[20] ,对促进保水剂在农业上的推广应用、提高农田用水的利用率和提高肥料利用率具有重要的意义。

本研究采用的两种水凝胶型保水剂和一种复合保水剂均能显著提高土壤中的水分含量、减少土壤水分蒸发、降低氮素的淋溶损失率,并能明显提高作物产量。水凝胶型保水剂的生产工艺较普通保水剂简捷,在单体胶联后不需烘干、粒化,能较大幅度降低因后续工艺带来的能耗等成本,同时,还能提高保水性能。复合保水剂采用廉价的无机矿物与普通高聚物保水剂共混加工后制得,能提高其耐盐性[20] ,大幅度降低成本。本试验采用的矿物售价为300元/t左右,为一般保水剂价格的1/8,加入后成本降幅很明显。多次研究结果表明这种复合保水剂能保持较好的保水、保肥性能[12] [21] 。本研究的试验结果表明,通过改变保水剂的剂型、采用普通保水剂与无机材料加工研制复合保水材料等技术途径来突破普通保水剂的高价限制是可行的。

本研究的结果表明,新型保水剂不仅对土壤中尿素有较好的保肥作用,而且对NH4NO3的保肥效果较好,甚至优于对尿素的效果,表明3种新型保水剂能够抵抗离子的破坏作用,具有较好的抗盐能力而且成本下降。这一研究结果显示,矿物–高聚物复合保水剂和凝胶型途径为研制保水型控释肥、实现水肥一体化调控提供了重要的技术基础,值得深入研究。

文章引用

李世坤,钟秀娟,毛小云,廖宗文. 几种新型保水剂对水肥淋失和菜心生长的影响
Study on the Effects of Several Kinds ofNew Super Absorbent Polymers on Soil Leaching Loss of Water and Nitrogen and Growth of Flowering Chinese Cabbage[J]. 农业科学, 2015, 05(06): 199-206. http://dx.doi.org/10.12677/HJAS.2015.56029

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  22. NOTES

    *通讯作者。

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