编者按:矿物复合保水剂作为一种新型保水材料,具有良好的保水、保肥功能。将矿物复合保水剂应用于新疆干旱区农作物及耐旱植物种植试验是验证其保水保肥性能、凝胶强度、反复稀释水性能的重要的过程。虽然保水剂产品保水效果显著,但其不同特性在不同土壤环境和不同地下水富水程度地区有着明显差异。张发旺课题组首先采用LED冷光源人工气候箱进行了新疆棉45号的种植模拟实验,并依托实验结果,在新疆干旱区进行了野外实地实验。实验结果表明,适量的矿物复合保水剂加入土壤,可在近地表形成一个人工保水层,该保水层具有保水、保肥、保温等特性,还具有吸收降雨,减缓蒸发等作用。实验表明矿物复合保水剂形成的人工保水层在作物生长过程中起到了极其重要的作用,为新疆干旱半干旱区农田保水及荒漠化治理提供了有利支撑。
引言
土地沙漠化已成为一个世界性的问题,土地一旦变成沙漠,想恢复成绿洲和良田,其要付出的代价是极其昂贵的。要改良沙漠化的不利条件,应从改良土壤开始。改良土壤含水率,使根植层土壤有效为植物提供所需水分具有重要意义。
以膨润土与丙烯酸为原料制成的矿物复合保水剂专利产品,吸水倍率可控制在300-700倍不等。合成的矿物复合保水剂被制成20-60目的颗粒,可混合在土壤表层,具有吸收降雨、凝结水的功能。其具有成本低廉、富含矿物、凝胶强度好等特性,因而有极强的推广价值[5-6]。为验证矿物复合保水剂在新疆干旱半干旱地区的施用效果,笔者在研发实验及稀释水实验后继续开展了新疆野外保水效果测试实验。
室内模拟实验
新疆作为中国最大的棉花盛产基地,其平均单产及总产排在我国各省之首。北疆的石河子产棉基地是新疆重要的优质商品棉出产地之一,种植棉花的区域可达其总面积的70%。虽然近年来在全球变暖的总趋势下,新疆气候也表现出升温增湿的趋势,但是与新疆的强光照、微降雨、强蒸发条件相比,其对作物的影响是微乎其微的。因此,为更好的研究矿物复合保水剂在新疆干旱气候条件下对土壤的水土保持特性而设计了在LED冷光源人工气候箱内植物培养实验,以新疆特有耐旱作物棉花为实验植物,用人工气候箱模拟新疆地区温度、湿度、光照等气候条件,探究矿物复合保水剂对土壤的保墒效果,探究人工保水层的变化规律。运用现代化仪器设备精准的研究矿物复合保水剂对新疆干旱土壤保水保墒效果具有十分重要的意义。
实验方法
实验于2016年1月至4月在中国地质科学院水文地质环境地质研究所内运用智能LED冷光源人工气候箱模拟新疆温度、光照、湿度进行。选取新疆主栽品种棉45号,选用1000ml量杯作为花盆,底部打三个透水孔,呈三角状分布,用200目尼绒晒网封底,防止土壤渗漏而造成称重误差,实验选用20-60目细砂作为基质土,所用矿物复合保水剂样品也为20-60目粒径。
取16个1000ml的量杯,编号为CK1、BⅠ、CⅠ、DⅠ、EⅠ、FⅠ、GⅠ、HⅠ;CKⅡ、BⅡ、CⅡ、DⅡ、EⅡ、FⅡ、GⅡ、HⅡ。向CK组加入800g细砂,其余各组先向量杯内加入500g细砂,再将300g细砂与一定量矿物复合保水剂均匀混合,加入量杯内,样品信息见表2.1。向各个量杯中种入6颗棉花种子,分三处播种,每处两颗,向Ⅰ组加入250ml去离子水,向Ⅱ组加入500ml去离子水,然后放入植物培养箱中培养,培养箱设置为上午、中午、下午、夜间四个阶段,各阶段温度、光照强度、湿度等因素均模拟新疆相应气候条件。所有盆栽每3-5天观察一次,记录植物发芽生长情况、样品总重量、体积等,生长期为三个月。
培养箱内各气象指标
LED冷光源植物生长箱DRX-330,是第四代新型植物培养箱,具有节能环保、安全可靠、使用寿命长、反应时间短、体积小、重量轻、热量散发少、易于分散或组合控制等许多不同于其他电光源的特性。是各种波长光波对生物培养和研究最理想的设备之一。
自2016年1月至4月,培养箱内各阶段温度变化如图2.1所示。人工气候箱内各阶段温度值均源于新疆石河子炮台镇2013、2014、2015年三年内4月上旬至6月上旬气温平均值,实验第一天,日最高气温为23°C,夜间气温为6°C,昼夜温差17°C。到第25天时,日最高气温26°C,最低气温9°C,整体气温呈走高趋势,除个别日期波动外,整体昼夜温差维持在15-18°C左右。
图2.1 培养箱各阶段温度
模拟实验结果与讨论
各盆体积、重量变化量
如图3.1所示,(a)图为初始灌溉量300ml水的各盆体积减少量对比图,因CK组未放入矿物复合保水剂,故其体积无明显变化,观察其余7条曲线,明显可见从B1到H1,体积变化量逐渐减小,直至CK1变化量为零,可知体积减小量与放入的矿物复合保水剂量呈正相关。在盆栽前32天内,人工保水层体积变化率较快,而在之后变化逐渐趋于平缓;(b)图为初始灌溉量500ml水的各盆体积减少量对比图,其变化规律同(a)大致相符,但因Ⅱ组初始灌溉量较大,因此体积变化量较Ⅰ组剧烈,Ⅰ组各比例最大体积变化量在20-80ml之间,而Ⅱ组各比例最大体积变化量则在30-90ml之间。在植物培养的前43天,(b)图中各曲线斜率明显高于(a)图。
如图3.2所示,(a)图为初始灌溉量300ml水的各盆重量减少量对比图,明显可见,未放入矿物复合保水剂的CK1组盆栽实验其水分蒸发量最剧烈,而B1组保水效果最好,从B1到H1,重量变化量逐渐增大,直至CK1时达到最大值,可知重量变化量与放入的矿物复合保水剂量呈负相关。
各盆植物生长状况
由图3.3明显可见,当播种第25天时,CK组、B组幼苗均长势良好,但加入矿物复合保水剂的B组幼苗明显比CK组发芽率高,长势好。其主要原因在于人工保水层不但保持了水分,还增加了土壤温度,利于种子萌发;盆栽第52天时,CK组、B组幼苗均长势良好,叶片嫩绿,均无缺水现象;当生长至第62天时,由于CK1、B1初始灌水量少,故出现了萎蔫现象,有的已干枯,而CK2、B2仍因初始给水量充足而长势良好;当生长至第68天时,CK1已全部枯死,B1由于人工保水层的存在,故还可为植物生长提供水分,但也因水分难以维持所有幼苗生长,两颗幼苗出现了干枯现象,CK2、B2也因干旱缺水出现了叶片发黄的现象;当生长至第78天时,CK2幼苗干枯死亡,而初始给水量少于CK2的B1由于有人工保水层的存在,幼苗仍未枯萎,由此可见人工保水层起到了明显的保水效果,而且初始给水量与CK2相同的B2仍可维持多颗幼苗茁壮成长;当盆栽生长至81天时,B1仍有一颗幼苗存活,B2多颗幼苗存活,两盆栽均由于有人工保水层的持续供水而保证了幼苗存活,与CK1、CK2干枯死亡的幼苗盆栽形成了鲜明的对比,再次证明了人工保水层的保水能力;档生长至88天时,B1幼苗枯萎死亡,B2两颗幼苗即将枯萎死亡。
根据上述实验描述明显可知,加入矿物复合保水剂后的土壤保水能力有了极大提高,人工保水层不但起到有效保水的作用,还可起到保温效果,促进植物种子萌发。
结语
课题组在前期矿物复合保水剂研发试验和性能测定实验基础上继而开展了LED冷光源人工气候箱新疆地区模拟实验和新疆地区实地野外实验,对专利产品进一步推广得以有效验证,在此基础上,课题组创新性的提出了人工保水层思想,并通过不同添加比例的对比实验充分验证了其保水、保温、保肥效果。
实验结果表明,适量的矿物复合保水剂加入土壤,可在近地表形成一个人工保水层,该保水层具有保水、保肥、保温等特性,还具有吸收降雨,减缓蒸发等作用。①根据不同深度土壤含水率曲线明显可见有人工保水层的实验小区含水率优于对照组;②根据不同深度PH曲线可见,人工保水层并未对原土壤环境进行改变,且人工保水层在减缓蒸发的过程中有助于土壤盐碱性改良;③根据不同深度相对含盐量曲线可见,人工保水层对含盐量并未产生影响;④根据棉花出苗率和存活率曲线明显可见,有人工保水层保护的实验小区棉花出苗率明显高于对照组,在仅有零散降雨补给的情况下,且由于保水层的保护,棉花度过了极为关键的生根期,其根部深扎地下,汲取深部水分,但无人工保水层保护的实验小区棉花幼苗发芽率较低,且仅生长一周左右幼苗便因供水不足而枯萎死亡。
实验结果表明矿物复合保水剂形成的人工保水层在作物生长过程中起到了极其重要的作用,为新疆干旱半干旱区农田保水及荒漠化治理提供了有利支撑。