陳 靜，李戀卿，鄭金偉，俞欣妍，潘根興，林振衡

（1.南京農業(yè)大學 農業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，江蘇 南京210095；2.商丘三利新能源有限公司，河南 商丘476000）

我國是缺水型國家，干旱半干旱地區(qū)水資源缺乏是農業(yè)長期生產力低下的主要原因。近30a來，由于氣候變化，東北、華北和西北有效降雨日趨減少，旱災受災率不斷增加，已成為氣候變化下我國農業(yè)發(fā)展的最主要挑戰(zhàn)［1］。為保障我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，抵御日益頻繁的干旱脅迫是旱地農業(yè)當前的關鍵任務［2］。

生物質炭是植物生物質在完全或部分缺氧情況下經(jīng)熱解炭化生成的一類高度芳香化的難熔性固態(tài)物質［3］。研究表明［3－8］，生 物 質 炭 施 入 土 壤 后 可 起 到固碳增匯及減少溫室氣體排放，提高酸性土壤pH值，降低土壤容重，提高土壤養(yǎng)分有效性以及改善土壤質地等作用。生物質炭具有較大的比表面積，孔隙度高。Karhu等［9］指出生物質炭具有的高孔隙性，施用生物質炭使土壤的保水能力提高了11%。Asai等［10］研究發(fā)現(xiàn)，大量生物質炭的施用會提高土壤飽和導水率和植物木質部汁液流量，表明生物質炭的施用不僅提高了土壤水分的通透性和土壤保水能力，也提高了植物水資源的可利用量。由此可見，生物質炭有一定的保水能力。但由于生物質炭中有機物質多含疏水性基團［11］，故其保水作用有限。

聚丙烯酰胺（PAM）是一種多功能表面改性物質，它作為一種重要的絮凝劑、表面活性劑、增稠劑、土壤改良劑及保水劑等廣泛用于石油開采，農業(yè)及水處理等行業(yè)［12］。PAM施用土壤后可以增加土壤團聚性，穩(wěn)定土壤結構，防止土壤流失和抑制土壤水分蒸發(fā)及保水保肥等作用［13－16］，但由于 PAM 成本較高，在農業(yè)生產中大量施用存在著較大的局限性。本研究擬利用PAM對生物質炭進行改性，增加生物質炭中的親水性基團，提高生物質炭的保水能力和黏結性，減低保水和節(jié)水的成本，為旱地農業(yè)保水節(jié)水技術發(fā)展提供新的方法和途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試生物質炭是以小麥秸稈制成，購于商丘市三利新能源有限公司。聚丙烯酰胺（PAM）為 MW型PAM，型號1000萬，購自國藥集團化學試劑有限公司；陰型PAM，型號1200萬，購自廣州亞泰化工有限公司；陽型PAM，型號1200萬，購自廣州亞泰化工有限公司。供試土壤為黃棕壤，取自南京農業(yè)大學牌樓教學科研基地，自然風干后過10目篩備用。生物質炭和供試土壤的基本性狀詳見表1。

表1 供試土壤和生物質炭的基本性質

1.2 研究方法

1.2.1 生物質炭保水劑的制備 MW型生物質炭保水劑的制備:將生物質炭磨碎后過60目篩孔，且混合均勻。稱取3份生物質炭100g放置于燒杯中，分別加入65，70，75ml蒸餾水用玻璃棒攪勻，之后在燒杯中分別加入MW型PAM 10，15和20g，攪勻后鋪平放在托盤上，于60℃烘箱中烘3～5h至含水率為10%～30%時取出，切成長、寬各約0.3～0.5cm的顆粒，然后繼續(xù)于60℃烘箱中烘至恒重，即得到1∶10MW 型，1.5∶10MW 型，2∶10MW 型生物質炭保水劑，分別制取陰型和陽型生物質炭保水劑，制備方法與MW型相同。

1.2.2 生物質炭保水劑的吸水倍率測定 分別稱取不同生物質炭保水劑5g置于燒杯中，各加入100ml蒸餾水，吸水24h后用已稱重的400目尼龍篩網(wǎng)過濾，1h后（保證多余的水漏干）稱重，每個處理3個重復。按照公式（1）計算每克生物質炭保水劑的吸水倍率:

式中:Q——生物質炭保水劑的吸水倍率（g/g）；

M1——吸水前生物質炭保水劑的重量（g）；M2——尼龍篩網(wǎng)的重量（g）；M3——吸水后生物質炭保水劑與尼龍篩網(wǎng)的總重量（g）。

1.2.3 生物質炭保水劑在單質肥料溶液中的吸水倍率測定 分別稱取各種生物質炭保水劑5g置于燒杯中，分別加入100ml以下3種肥料溶液:A為尿素溶液，濃度為0.01和0.1mol/L；B為磷酸二氫鈣溶液，濃度為0.01和0.05mol/L；C為硫酸鉀溶液，濃度為0.01和0.1mol/L。24h后用已稱重的400目尼龍篩網(wǎng)過濾，1h后（保證多余的水漏干）稱重，每個處理3個重復。按照公式（1）計算每克生物質炭保水劑的吸水倍率。此外設置蒸餾水為對照，方法相同。

1.2.4 生物質炭保水劑對土壤水分蒸發(fā)的影響測定

將生物質炭磨碎過20目篩孔、60℃烘箱烘至恒重，稱取50g土壤于塑料杯中，然后分別稱取1.5g生物質炭及生物質炭保水劑（相對于風干土重的3%）放入對應塑料杯中，同時設置不加生物質炭及生物質炭保水劑的對照（CK）。將所加物質混勻后，加入30ml蒸餾水，每天稱重一次，持續(xù)兩周，每個處理3個重復。

1.2.5 生物質炭及其保水劑對玉米幼苗生長和土壤水分的影響試驗 試驗共9個處理，分別為:（1）生物質炭:2.5%和5%水平；（2）MW 型:2.5%和5%水平；（3）陰型:2.5%和5%水平；（4）陽型:2.5%和5%水平。以上的生物質炭保水劑均為1∶10型。同時以不添加生物質炭及保水劑的為對照（CK）。稱取1.5kg土壤于塑料盆缽（12cm×20cm×18cm）中，分別加入3.75或7.5g生物質炭及生物質炭保水劑，每個處理3重復。在塑料盆缽中加入尿素（N 0.1g/kg）、磷酸二氫鈣（P2O50.1g/kg）、硫酸鉀（K2O 0.1g/kg）等肥料后混勻，按容重1.3g/cm3裝好，加入600ml蒸餾水，隔夜后播4粒/盆玉米種子，等出苗后留2株長勢相似的玉米苗，將盆缽移到大棚中，22d后收獲并測定玉米苗的長勢情況及盆栽土的水分含量。供試玉米品種為蘇玉24。玉米苗生長期間澆水量為200ml/（次·盆），共澆水4次。試驗于2011年8月8日開始，8月9日加水，8月10日播種，8月13日部分出苗，8月14日全部出苗，8月15日移除多余苗后將盆缽移至大棚，9月5日收獲。

玉米苗的株高、葉長及葉寬用直尺測定，其中葉面積＝葉長×葉寬×0.7（選取每株玉米苗最大一片苗葉測定），玉米苗生物量用烘干法測定［17］。盆栽土的水分含量采用烘干法測定［18］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有的試驗數(shù)據(jù)利用SPSS 17.0進行單因素方差分析，通過LSD多重比較分析判斷處理間的差異顯著性（p＜0.05），用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 生物質炭保水劑的吸水倍率

各類型生物質炭保水劑的吸水倍率詳見表2。由表2可以看出，除1∶10陰型保水劑，其余各類型保水劑的吸水倍率均顯著高于生物質炭，且MW型、陰型及陽型生物質炭保水劑的吸水倍率隨PAM用量所占比例的增加而顯著增大。其中MW型保水劑的增加效果最為明顯，1.5∶10型和2∶10型保水劑的吸水倍率比1∶10型分別提高175.43%和252.59%。陰型保水劑中1.5∶10型，2∶10型保水劑的吸水倍率比1∶10型的分別提高了46.11%，95.21%；陽型保水劑則分別提高了54.24%，115.82%?？傮w上MW型保水劑的增加效果顯著高于陰型和陽型，而后兩者1∶10陽型與陰型間沒有顯著差異，但1.5∶10和2∶10陽型分別顯著高于陰型。

2.2 在單質肥料溶液中生物質炭保水劑的吸水倍率

生物質炭保水劑在不同單質肥料溶液中的吸水倍率詳見表2。由表2可以看出，MW型、陰型及陽型生物質炭保水劑在單質肥料溶液中的吸水倍率均隨PAM用量所占比例的增加而顯著增大。其中在0.01mol/L的 K2SO4溶液、0.01和0.1mol/L的尿素溶液中各類型生物質炭保水劑的吸水倍率均顯著高于生物質炭；在0.1mol/L的K2SO4溶液中，除陰1∶10型保水劑外，其余生物質炭保水劑的吸水倍率均顯著高于生物質炭；而在0.01和0.1mol/L的Ca（H2PO4）2溶液中，只有1.5∶10和2∶10MW 型，2:10陰型，1.5∶10和2∶10陽型的吸水倍率顯著高于生物質炭。

與對照相比，MW 型2∶10保水劑在0.01和0.1mol/L的尿素溶液中的吸水倍率顯著增大了11.98%和8.92%，但 MW 型1∶10和1.5∶10均沒有明顯變化。而在Ca（H2PO4）2和K2SO4溶液中MW型保水劑吸水倍率顯著降低，其吸水倍率隨著肥料濃度的增大而逐漸下降，且Ca（H2PO4）2溶液對吸水倍率的降低幅度顯著大于K2SO4溶液。

在0.01mol/L的尿素溶液中，陰型1∶10，1.5∶10和2∶10保水劑的吸水倍率分別比對照顯著提高了74.25%，57.49%和69.67%；0.1mol/L尿素溶液中則比對照顯著提高了79.10%，86.81%和90.49%。陽型1∶10，1.5∶10和2∶10保水劑的吸水倍率分別比對照顯著提高100.56%，98.87%和52.01%；43.59%，18.85%和17.54%。但在 K2SO4溶液中陰型和陽型保水劑吸水倍率沒有明顯影響，而在Ca（H2PO4）2溶液中，陰型和陽型保水劑吸水倍率均顯著降低，且吸水倍率隨著肥料溶度的增大而呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

2.3 生物質炭及保水劑對土壤水分蒸發(fā)的影響

生物質炭及生物質炭保水劑施用兩周的土壤水分累積蒸發(fā)量變化情況詳見表3。由表3可知，施用陽型保水劑處理的土壤水分累積蒸發(fā)量與CK相比幾乎沒有差異，而生物質炭、MW型及陰型保水劑處理的土壤水分累積蒸發(fā)量則低于CK，表明后者的施用有降低土壤水分蒸發(fā)的作用，其中施用生物質炭兩周后可降低土壤水分蒸發(fā)量4.11%，施用 MW型1∶10，1.5∶10，2∶10保水劑兩周后可分別降低土壤水分蒸發(fā)量8.66%，10.42%和7.98%，陰型1∶10，1.5∶10，2∶10型可分別降低13.50%，7.00%和8.23%。由此可見，MW型和陰型保水劑對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用最強，其中陰型1∶10保水劑抑制該土壤的水分蒸發(fā)效果最好，其次是生物質炭，而陽型保水劑對抑制該土壤的水分蒸發(fā)幾乎無明顯影響。

2.4 生物質炭及保水劑對土壤水分和玉米幼苗生長的影響

不同處理間土壤水分含量的差異較大。表4顯示，生物質炭和生物質炭保水劑中2.5%和5%處理的土壤水分含量分別在21.39%～28.16%和23.02%～37.52%范圍。2.5%和5%水平的生物質炭、MW型、陰型及陽型組土壤含水量分別比對照顯著提高了39.65%，54.32%，64.45%，83.95% 以 及 50.36%，145.09%，119.46%和130.79%，并且5%水平的處理顯著高于2.5%水平的處理，其中MW型提高幅度達58.78%。與生物質炭組2.5%和5%水平相比，MW型、陰型及陽型組土壤含水量分別顯著提高10.46%，17.70%，31.67%和63.00%，45.96%，53.49%。

表2 生物質炭保水劑在不同單質肥料溶液中的吸水倍率 g/g

表3 施用不同生物質炭保水劑后不同時間土壤水分的累積蒸發(fā)量 g/100g

表4 不同處理下的玉米苗的各生長指標及盆栽土壤含水量

施用生物質炭及保水劑后玉米苗期生長指標變化詳見表4。由表4可知，2.5%水平的生物質炭以及陰型、陽型組處理的玉米株高、葉面積和干物質總重與對照相比均沒有顯著差異，而MW型2.5%處理的葉面積比對照顯著提高15.01%，干物質總重顯著提高27.82%，但5%水平的處理中玉米株高、葉面積和干物質總重均顯著降低。

3 結果討論

施用生物質炭可以顯著提高土壤的水分含量。Karhu等［9］研究表明，生物質炭的施用使土壤的保水能力提高了11%；Glaser等［19］研究表明，在亞馬遜施有生物質炭的土壤保水能力提高了18%，這可能是由于生物質炭含有豐富的孔隙，水分可在生物質炭的小孔隙及大孔隙內儲存，從而提高土壤水分含量。本研究發(fā)現(xiàn)PAM改性的生物質炭的保水能力顯著提高。這可能是由于PAM是一類高吸水性物質，施用后可提高土壤的持水及導水性能，也可有效減少土壤水分的蒸發(fā)［20］。此外，PAM分子鏈上的酰胺基可與許多物質親和而吸附形成氫鍵，從而在兩個粒子之間產生黏結［21］。利用PAM的黏結性將生物質炭制成顆粒狀，這樣既改善了生物質炭的保水效果，又提高了生物質炭保水劑在運輸和農業(yè)生產中推廣利用的便宜性。

隨著PAM量的增加，MW型、陰型及陽型生物質炭保水劑的吸水倍率也逐漸增加，其中MW型保水劑的吸水倍率顯著高于陰型及陽型。說明不同類型PAM保水劑在單質肥料溶液中的吸水倍率不同。茍春林［22］研究表明，除尿素溶液外，保水劑在各種肥料溶液中的吸水倍率會顯著下降，并且會隨著肥料濃度的增加下降幅度增加。本研究結果也表明溶液中的電解質肥料可降低保水劑的吸水倍率，這可能是因當聚合物在鹽溶液中發(fā)生水合反應后，其膨脹能力降低的緣故［23］。此外，陰型和陽型保水劑在尿素溶液中的吸水倍率提高幅度大于 MW型，K2SO4及Ca（H2PO4）2溶液對陰型和陽型保水劑的影響小于對MW型的影響，這可能是由于陰、陽離子型PAM鏈狀分子上的荷電基團分別為帶負、正電荷，可以與接觸的顆粒間產生吸附和架橋及吸附表面陽、陰離子的作用［24－26］。此外，由于保水劑中的生物質炭可吸附溶液中的分子或離子，而MW型的吸水倍率原本就高于陽型和陰型，故提升幅度低于陰型和陽型。

施用生物質炭可顯著提高玉米產量。Zhang等［27］通過田間試驗研究表明，施用生物炭20和40 t/hm2時，玉米產量顯著提高，但張晗芝等［28］通過室內盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭對玉米苗期的生長沒有促進作用。本研究也表明，生物質炭的施用水平為2.5%和5%時對玉米苗的生長沒有顯著性影響。PAM同樣可促進玉米的生長及提高玉米產量［29－30］，但對苗期玉米生長作用不顯著［12，31］。本研究結果表明，施用2.5%的陰型及陽型保水劑也未明顯促進苗期玉米的生長，而施用2.5%MW型保水劑對苗期玉米生長有一定的促進作用，這說明本研究中，MW型PAM比陰型及陽型PAM在促進苗期玉米生長的效果方面作用更為顯著。此外，5%MW型、陰型及陽型保水劑的施用均顯著抑制了玉米幼苗的生長。本研究結果中施用5%生物質炭保水劑時土壤含水量高達33.60%～37.52%，可能過高的土壤含水量抑制了玉米幼苗根系呼吸，進而抑制玉米的生長。

4 結論

（1）施用生物質炭可降低土壤水分蒸發(fā)，通過PAM改性的生物質炭保水劑較生物質炭的保水效果更好。適量的MW型保水劑施用可促進苗期玉米生長。

（2）生物質炭保水劑中PAM的質量比越高，其吸水倍率越高，三種保水劑的吸水倍率均表現(xiàn)為:2∶10型＞1.5∶10型＞1∶10型，且 MW 型生物質炭保水劑的吸水倍率顯著高于陰型和陽型。

（3）除尿素外，磷酸二氫鈣和硫酸鉀溶液均降低了保水劑的吸水倍率，且吸水倍率隨著肥料濃度的增大而逐漸下降。可見施用保水劑時需適當選擇合適的肥料類型配合施用。

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