环境科学  2014, Vol.35 Issue (2): 780-785   PDF    
引用本文
李希, 贺纪正, 郑袁明, 郑明兰. 新型保水剂应用于土壤-小白菜系统的环境安全评价[J]. 环境科学, 2014, (2): 780-785.  
LI Xi, HE Ji-zheng, ZHENG Yuan-ming, ZHENG Ming-lan. Environmental Safety Assessment on the New Super Absorbent Polymers Applied into a Soil-Chinese Cabbage System[J]. Environmental Science, 2014, (2): 780-785.  
新型保水剂应用于土壤-小白菜系统的环境安全评价
李希1,2, 贺纪正1, 郑袁明1 , 郑明兰3    
1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 山西省临汾市尧都区环境保护局, 临汾 041000
收稿日期: 2013-4-21; 修订日期: 2013-5-15.
基金项目： 国家自然科学基金项目（41071163）；中国科学院青年创新促进会项目
作者简介：李希(1983~),男,博士研究生,主要研究方向为基于土壤微生物分子生态学的化学品生态风险评价,E-mail:lixi147@yahoo.com.cn
通讯联系人,E-mail:zhengym@rcees.ac.cn
摘要：保水剂作为一种抗旱节水材料，有广泛应用于农业生产的潜在价值. 以基于植物萃取物合成的新型保水剂为对象，通过设置不同给水条件（超量、正常及缺水3个条件）和保水剂施用方法（底施和喷施2种方法），研究了保水剂使用对土壤水分、团粒结构、小白菜生长、土壤微生物生物量及微生物呼吸的影响. 结果表明，与对照相比，保水剂的施用可显著提高土壤含水率，促进土壤大团聚体（>0.25 mm）的形成，有利于土壤微生物活性的提高（P<0.05）. 特别是在缺水条件下，保水剂对土壤环境的改善效果更为明显. 此外，保水剂的使用方式是影响其节水效果的重要因素. 与正常水分条件下的空白相比，在不影响小白菜产量的前提下，喷施Jaguar C （JC）可减少灌溉用水量约25%；而与缺水条件的空白相比，喷施JC处理则可提高小白菜产量2倍以上. 综合以上结果表明，该类保水剂的使用对土壤生态系统有较明显的改善，是环境安全的农业节水技术.
关键词： 保水剂     小白菜     土壤团聚体     土壤微生物量     土壤微生物呼吸    
Environmental Safety Assessment on the New Super Absorbent Polymers Applied into a Soil-Chinese Cabbage System
LI Xi1,2, HE Ji-zheng1, ZHENG Yuan-ming1 , ZHENG Ming-lan3    
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Environmental Protection Bureau of Yaodu District, Linfen 041000, China
Abstract: Super absorbent polymers (SAPs), a new water retention material, have a potential for application in water-saving agricultural production. In this study, we investigated the effects of SAPs, synthesized from natural plant extracts, on Chinese cabbage fresh weight, soil water content, soil water stable aggregates, soil microbial biomass (carbon) and soil microbial respiration under three water conditions (excessive, normal and deficient) and two SAPs application strategies (bulk treatment and spraying treatment). The results showed that the SAPs significantly promoted the soil water content, water-stable aggregates (>0.25 mm) and the soil microbial activities, especially under the water deficient conditions. Meanwhile, SAP application strategy was of great significance to the effects on Chinese cabbage and soil properties. Compared with the control treatment under normal water condition, spraying treatment of Jaguar C (S-JC) could reduce irrigation water amount by about 25% without reducing the crop production. Furthermore, compared with the control treatment under the same water condition with S-JC (deficient), it could increase Chinese cabbage production by 287%. Thus, SAPs is an environmental friendly water-saving technique in agricultural production.
Key words: super absorbent polymers(SAPs)     Chinese cabbage     soil aggregates     soil microbial biomass     soil microbial respiration    

水资源短缺是人类面临的最严峻挑战之一[1]. 尤其我国北方部分地区水资源开发利用已经超过资源环境的承载能力，成为工业化和城市化发展的瓶颈[1]. 目前全球淡水资源的70%用于农业生产[1]，发展节水农业是应对水资源危机的必由之路. 保水剂作为高分子聚合物，具有超强的水分吸附能力，从而提高土壤含水量，有效改善土壤容重、 孔隙度、 团粒结构等土壤物理性质，减少水土流失[2, 3, 4]； 同时还能起到保持土壤养分的作用[5]. 因此，保水剂在农业上已受到越来越多国内外研究者的重视.

随着人类环境保护意识的增强，仅考虑保水剂实用性远远不够，还应同时考察其对土壤环境的影响. 鉴于在保水剂的使用过程中曾经出现过毒性[6]、 土壤板结等环境问题[7]，结合目前新型保水剂材料层出不穷的背景[8]，对保水剂进行环境安全评价是其大规模推广使用的必要前提. 目前国内外对保水剂的研究多注重其自身材料的改进、 对植物生长、 土壤理化性质的影响[9, 10, 11, 12]，对土壤微生物生态影响的研究还处于空白. 土壤微生物与土壤的物质循环和能量流动密切相关，开展相关研究是降低保水剂实际应用环境风险的必然选择. 本文通过对植物萃取物合成的新型保水剂对小白菜生长和土壤物理性质的影响研究，进一步分析了其对土壤微生物的影响，较为系统地评价了保水剂使用的安全性，以期为建立更为全面和系统的农用化学品的生态风险评价体系提供数据支撑.

1 材料与方法
1.1 实验材料与设计

盆栽实验在中国科学院生态环境研究中心温室大棚内进行，室内气温23.5~24.5℃，湿度32.5%~34.5%，采用自然光照. 供试土壤采集于山西省临汾市，属于褐土(淋溶土，luvisols)，有机质含量为0.8%，pH为7.6，CEC为13.2 cmol ·kg-1.

盆栽实验周期为2010年9月27日~10月26日. 实验用保水剂Jaguar C (JC)和Jaguar S (JS)为从天然植物中提取合成的聚合物型保水剂，由法国罗地亚投资有限公司提供，JC为淡黄色粉末状，JS为亮白色粉末状.

实验用塑料盆高18 cm，直径21 cm，每盆加入2 kg过2 mm筛的风干土，并施入底肥. 施肥方式为磷肥[Ca(H2PO4)2](以P2O5/干土计) 0.15 g ·kg-1，钾肥(K2SO4) (以 K2O/干土计)0.15 g ·kg-1，均为一次性施入. 另外施入氮肥[CO(NH2)2](以N/干土计) 0.2 g ·kg-1，分3次施入：底肥(50%)、 间苗30%、 收获期前10 d 20%. 农作物为小白菜，种子购买于北京京研盛丰种苗研究所.

实验控制保水剂和水分两个条件，其中保水剂设置空白(CK)、 底施JC (B-JC)、 底施JS (B-JS)以及喷施JC (S-JC)这4个处理； 水分条件包括设置每2 (WC1)、 3 (WC2)、 4 (WC3)天浇水50 mL 3个处理(喷施只设WC3一个水分条件). 每个处理4个重复. 底施处理保水剂质量浓度为0.05%，与盆栽中表层7 cm的土壤混匀； 喷施处理为0.05% (质量体积比) JC悬浊液在土壤表面喷施4 s (经实际计算，此喷施方法施入的保水剂的量与底施处理相当).

实验开始时每盆撒10粒种子，一周后间苗，最后保证每盆保留3株小白菜. 小白菜收获后用小铁铲在塑料盆内小心采集3~4个点，分别去除与工具接触变形的土壤后，收集剩余基本未破坏结构的土壤共约50 g用于团粒结构分析. 用环刀继续采集土壤样品用于其他指标分析.

1.2 研究方法

土壤含水量的测定采用烘干法，土壤结构的测定采用湿筛法[13]. 土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸K2SO4提取TOC仪测定[14]，土壤微生物呼吸测定采用室内密闭培养法[15]. 细菌16S rRNA (BAC)的定量分析采用TaqMan探针法[16].

1.3 数据处理与分析方法

采用Origin软件进行数据处理与绘图，采用SPSS软件进行方差分析.

2 结果与分析
2.1 保水剂对土壤含水量的影响

方差分析表明，保水剂能够显著提高土壤含水量(图 1). 尤其在WC3条件下，与空白相比，JC及JS分别将土壤含水率提高了27%和20%，可见随着灌溉量的降低保水剂对土壤含水率的保持效果增强，且JC的保水效果优于JS. 此外，施用方式对保水剂的使用效果有显著影响，在相同缺水条件下(WC3)，喷施JC的效果要远好于相同水分条件下底施JC和JS的效果，且与WC2底施JC土壤的含水率相当. 随着灌溉间隔时间的延长，土壤含水率呈现显著下降趋势.

图 1在不同水分条件和保水剂处理下的 土壤含水率（平均值±标准误差）Fig.1 Soil water content under different water condition (WC) and SAP treatments (Mean±SE)
2.2 保水剂对小白菜生长的影响

水分条件对小白菜鲜重有显著影响（图 2）.WC1和WC2水分条件下小白菜鲜重没有差异，表明小白菜生长的正常需水量WC2就可以满足.WC3处理下小白菜鲜重显著低于其他水分条件，表 明小白菜在该水分条件下已不能正常生长； 但此时与正常水分条件(WC2)的小白菜产量相比，S-JC依然能够显著增加小白菜产量.

图 2不同给水条件和保水剂处理下小白菜鲜重 (平均值±标准误差)Fig.2 Fresh weight of Chinese cabbage under different water condition (WC) and SAP treatments (Mean±SE)
2.3 保水剂对土壤水稳定团粒结构的影响

由表1可见，JC和JS两种保水剂均能显著提高>0.25 mm大团粒结构，但是不同种类和不同施用方式间的差异不明显.

表1 不同水分条件和保水剂处理下的土壤水稳定团粒结构组成 1) Table 1 Soil water-stable aggregates under different water condition and SAP treatments
2.4 保水剂对土壤微生物量碳和土壤微生物呼吸的影响

土壤微生物量碳和土壤微生物呼吸在不同的给水条件和不同保水剂的处理间均有显著差异(图 3). 保水剂促进微生物活性的大小顺序是：JC>JS>空白. 在WC3水分条件下，喷施JC对土壤微生物量碳和土壤微生物呼吸的效果要好于底施JC和JS的处理，喷施JC对微生物促进效果与在WC1和WC2水分条件底施JC效果没有显著差异. 此结果与土壤含水率、 小白菜鲜重的结果相一致. 由表2方差分析贡献度可见，土壤含水率是影响土壤微生物的主要因素，且土壤含水率会受到保水剂的影响，二者有明显的交互作用.

图 3在不同给水条件和不同保水剂处理下的土壤微生物量碳和土壤微生物呼吸 (平均值±标准误差)Fig.3Microbial biomass carbon and soil microbial respiration under different water condition (WC) and SAP treatments (Mean±SE)

表2 不同水分条件及保水剂处理对土壤微生物量碳和土壤微生物呼吸双因素方差分析 Table 2 Two way ANOVA analysis for effects of water condition and SAP treatments on the soil microbial biomass carbon and soil microbial respiration
2.5 保水剂对细菌丰度的影响

通过定量PCR分析，在不同保水剂处理下，细菌16S rRNA基因拷贝数在1.65~2.86× 109 g-1干土之间(图 4). 在各种给水条件下，细菌16S rRNA基因拷贝数均没有显著差异.

图 4不同水分条件和保水剂处理下的对数16S rRNA基因拷贝数 (平均值±标准误差)Fig.4Log 16S rRNA gene copies under different water condition (WC) and SAP treatments (Mean±SE)
3 讨论

保水剂施加到土壤中能够使土壤的吸水性和保水能力得到有效提高[17]. 本研究中植物萃取物合成的新型保水剂显著增加了土壤含水率，与其他类型保水剂研究结果一致[10, 18, 19]. 施用方法也会影响保水剂的效果，喷施JC的效果好于底施JC，这可能是由于JC喷洒到土壤表面后可形成一层保护膜，防止土壤水分蒸发的缘故. 土壤团聚体是土粒经各种作用形成的直径在10~0.25 mm的结构单位，其组成和稳定性与肥力水平密切相关，并控制着土壤水、 气、 根系穿插及养分活化等状况. 团聚体的稳定性直接影响土壤表层的水、 土界面行为，特别是与降雨入渗和土壤侵蚀关系十分密切[20]. 粒径0.25~5.00 mm的团粒含量越高，土壤透气度越大，土壤涵养水分和供应植物所需水分的能力越高[25]. 本研究结果得出植物萃取物合成的新型保水剂同样有利于大团粒结构的形成，这一结果与大多数研究学者的结果一致[4, 11, 21, 22]. 总体来说该类保水剂有利于改善土壤结构，改善土壤通透性.

大量研究表明，保水剂对多数农作物的生长均能起到一定促进作用. 刘殿红等[23]发现保水剂可促进马铃薯干物质的积累，提高光合生产率. 杨永辉等[24]在施用营养型抗旱保水剂时发现小麦产量有所提高. Yazdani等[25]发现，保水剂的加入能促进大豆的生长. 虽然在本研究中土壤水分充足条件下底施保水剂对于小白菜的生长没有显著的促进作用，但是如果以适宜的使用方式施用保水剂却可以达到较好的节水效果. 例如，以小白菜一个生长季为36 d计(为了计算方便，选择12的倍数)，WC2需浇水12次(600 mL)，WC3需浇水9次(450 mL). 因此，在不影响小白菜产量的前提下，喷施JC可节水25%左右. 而如果与WC3的对照相比，喷施JC则能提高小白菜产量200%以上. 值得注意的是，通常保水剂的作用方式有两种，一种是通过自身的交联结构把水分保持在土壤中，在植物需要的时候供给[11]. 这种方式可能会导致保水剂保持的水分不能被植物利用，即非生物有效态水分. 另外一种是保水剂在土壤表面形成保护膜[26]，减少水分蒸发的损失，例如在土壤表面喷施保水剂. 这部分水由于形态并没有改变而较易被植物利用. 本研究中喷施JC更有利于作物生长并达到较好的节水效果可能与第二种作用方式有关，具体原因有待进一步的实验数据证明. 但基本可以得出，该类保水剂对小白菜的生长没有产生消极作用.

此外，土壤施加保水剂后，土壤微生物量碳和土壤微生物呼吸都得到了显著提高. 土壤微生物量会随土壤含水率的增加而增加[27]，但当土壤含水率超过田间持水量时，土壤微生物量会随着土壤含水量的增加而减少[28]. 与空白相比，保水剂的使用增加了土壤含水率可能是间接刺激微生物增长的原因. 土壤的颗粒大小使土壤团聚体内水分和空气的分布有较大的差异，并直接影响到土壤颗粒中微生物与环境间的物质与能量交换[29]. 团聚体的数量及质量不仅影响微生物群落结构，而且与土壤微生物生物量之间存在密切联系[30, 31].

保水剂在改变土壤物理性状的同时，也为微生物的生长繁殖提供了良好的条件. 这可能是保水剂施加促进微生物活性的另外一个间接原因. 保水剂对细菌16S rRNA基因拷贝数没有显著影响，可能与保水剂用量较低有关，还需要进一步的实验观察. 保水剂的使用一方面是环境安全性，一方面是节水效果. 这两方面都不能与小白菜的生产有抵触. 本研究结果表明保水剂在保证小白菜产量的同时，增加了土壤的含水率，改善了土壤团粒结构，刺激了土壤微生物活性，并得出喷施JC是最佳的施用方式，这些结果都说明了由植物萃取物合成的新型保水剂JC和JS对小白菜的生长和土壤环境没有造成危害，对土壤微生物还有一定的促进作用.

4 结论

(1)由植物萃取物合成的新型保水剂JC和JS在不同给水条件下均能显著提高土壤的含水率，并且JC的效果好于JS，喷施JC的效果好于底施JC和JS的效果. 植物萃取物合成的新型保水剂JC和JS能够有效地改善土壤的团粒结构.

(2)在不同水分条件下，植物萃取物合成的新型保水剂JC和JS均能显著促进土壤中微生物的活性，然而对小白菜生长影响，除了在WC3条件下，底施JS和喷施JC以外，其他水分条件下，保水剂处理对小白菜生长影响不显著.

(3)植物萃取物合成的新型保水剂可广泛运用于农田生产，对土壤能起到保水和改善其通透性的效果，喷施是该类保水剂较佳施用方式，对土壤环境也没有造成不利影响. 本结果可为建立起保水剂的生态风险评价体系提供基础.

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