大豆是我国最重要的粮食作物之一，东北为我国主产区，为保障粮食安全和油料供给做出巨大的贡献。而大豆苗期的生长环境，尤其是早春干旱缺水，极大地影响大豆的产量和品质。我国水资源南丰北枯，不合理的农业灌溉又会加剧北方的缺水^[1]。因此，现阶段提高土壤水分效率是解决我国东北地区粮食安全和农用水危机之间矛盾的必然选择。

早在20世纪60年代保水剂(super absorbent polymers，SAPs)就已经被推广应用于农业领域^[2]，随着合成化学的快速发展，近年来保水剂的合成开始向天然高分子材料的合成及多功能化的方向发展，其吸水性能从100到500倍不等^[3]。保水剂不仅能改善土壤持水性能^[4]，在改良土壤孔隙结构、提高水土保持能力、促进养分缓释等方面也发挥重要的作用^[5-7]，具有良好发展前景。专用型保水剂是一类具有高度专一性的保水剂材料及配方，如盐碱地专用保水剂，利用生物超吸收聚合物制成可有效提高作物耐盐性^[8]。尽管如此，随着农田投入成本的不断增加，低成本的肥料载体及新型保水剂材料的开发，仍然是当前国内外关注的焦点。

同时，随着集约化农业生产的持续推进，土壤中一些植物生长必须的微量元素供应逐渐缺乏，而大豆苗期根瘤的形成及其他养分的吸收都高度依赖于钼元素，其对钼的需求量是其他作物的100多倍^[9]，合理施用钼肥是一项成本低、提质快的增产措施^[10]。因此，本研究在现有保水剂的基础上，进行配方升级，制成富钼大豆专用保水剂，通过比较东北2种典型土壤条件下专用保水剂对土壤保水性能及其对大豆苗期生长的影响，以期明确富钼专用保水剂的适用条件及合理施用量。这对进一步挖掘大豆的产量潜力具有重要意义^[11]。

吉林省位于东北黑土区的中部，地势由东南向西北倾斜，呈现明显的东南高、西北低的特征，属于温带大陆性季风气候，年平均气温为3~5 ℃，年均降水量为400~600 mm，以东部降雨量最为丰沛，全省森林覆盖率44.2%，气候自东向西由湿润、半湿润到半干旱，耕地土壤以黑钙土、草甸土、白浆土、黑土、暗棕壤、风沙土、新积土和水稻土为主。

供试土样：黑土(取自吉林大学植物科学学院农业实践基地，E 125°14′, N 43°56′)和风沙土(取自吉林省通榆县边昭镇哈拉道堡村，E 123°07′, N 44°68′)。土壤基本理化性状见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 供试土壤基本理化性状 Tab. 1 Soil physicochemical properties 土壤类型 Soil type pH 电导率Electrical conductivity/(μS·cm-1) 有机质 Organic matter (OM)/(g·kg-1) 全氮 Total nitrogen (TN)/(mg·kg-1) 全磷 Total phosphorus (TP)/(mg·kg-1) 速效钾 Available potassium (AK)/(mg·kg-1) 黑土Black soil 6.8 186 20.5 671.5 350.3 249.5 风沙土Aeolian sandy soil 8.4 222 11.4 473.5 208.4 171.0

表 1 供试土壤基本理化性状 Tab. 1 Soil physicochemical properties

供试作物：大豆品种选取长密豆30，由长春市农业科学院选育。

保水剂：所选用的保水剂类型为普通保水剂(H 2020，专利号为ZL 201510562521)和富钼专用保水剂(GH 2021)，均由吉林汇泉农业科技有限公司研制开发。主要成分为聚丙烯酸钾和聚丙烯酸钠、硅矿物粉、腐殖质酸等；其中GH 2021每公斤添加25~50 g钼酸铵。

土样风干、过筛，并装盆备用(800 g/盆)，按照表 2的设置使保水剂施用范围为0.01%~0.5%，每个处理3个重复。而后，对长密豆30进行催芽，移栽至土层深2 cm左右的位置，每盆5株，株距2~3 cm，加水至土壤含水量达到田间饱和持水量后置于25 ℃恒温光照培养室中光照与黑暗交替(12 h：12 h)培养，并从大豆出苗后(播种3 d后)开始在第1、2、3、4、5、6、7、8、9和12天分别对盆栽进行1次土壤质量监测，培养结束后，收获地上部植株并测定其株高及干质量。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同种类保水剂及其施用量处理 Tab. 2 Treatments of types and dosages of super absorbent polymers(SAPs) 处理 Treatment 添加比例 Application dose/% 保水剂施用量 Application dosage per pot/g CK 0 0 H 2020 0.01 0.08 0.05 0.40 0.10 0.80 0.50 4.00 GH 2021 0.01 0.08 0.05 0.40 0.10 0.80 0.50 4.00

表 2 不同种类保水剂及其施用量处理 Tab. 2 Treatments of types and dosages of super absorbent polymers(SAPs)

1) 土壤含水率的测定：

根据盆栽称量数据计算土壤含水率随时间的变化，土壤含水率的计算公式为：

式中：ω_n为培养第n天的土壤含水率(n=1，2，3，4，5，6，7，8，9，12)，%；W_n为培养第n天的土壤水分含量，g；800为每盆装入的过筛风干土质量，g。

2) 大豆株高的测定：培养结束后，沿根部收获地上部植株，并用直尺测量从根颈部到顶部之间的距离，测量精度为0.1 cm。

3) 大豆地上部干质量的测定：将地上部植株剪成小段放入牛皮纸袋中，置于烘箱105 ℃杀青40 min，80 ℃烘干至质量恒定，称量。

利用BONC DSS软件对数据进行单因素方差分析，运用GraphPad 8.0软件作图。图中数据均为平均值±标准差。

如图 1a所示，土壤含水率随培养时间的延长逐渐降低，在培养初期，因土壤中含水量较高，保水剂处于吸湿储水过程，施用不同剂量保水剂对土壤的含水率作用效果并不显著。从培养第3天开始，随着土壤含水率的下降，保水剂的保墒效果逐渐显现。在培养第3~12天时，H 2020和GH 2021处理土壤含水率较对照均呈现出更缓慢的下降趋势，且以0.5%剂量作用效果最为显著。在培养第12天时，相较于对照其相对含水率分别提高121.25%和171.2%。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同保水剂种类及用量对黑土和风沙土土壤含水率的影响 Fig. 1 Effects of SAPs at different application dosages on soil water contents in black soil and aeolian sandy soil

与图 1a变化趋势相似，风沙土中水分含量亦在培养周期内逐渐降低，且从培养第3天开始，不同处理间土壤含水率变化的趋势开始出现差异，并随着施用剂量的增加，土壤水分利用率增加，保墒效果逐渐增强(图 1b)。0.1%以下的施用剂量对土壤保墒的作用效果并不显著，而0.5%施用量能显著提高土壤保水能力，尤其是在培养第12天，与对照相比，H 2020和GH 2021使土壤相对含水率分别提高256.9%和343.1%。

整体来看，2种施用剂量在风沙土中的用量均为0.5%时，GH 2021对土壤水分利用率显著高于H 2020(P＜0.05)，培养第12天时，土壤含水率相较于H 2020提升24.3%(图 2)，但在黑土中，二者作用效果并未表现出显著差异。

图 2(Fig. 2)

*、**和ns分别为显著性水平P＜0.05、P＜0.01和无显著性差异。 *, **, and ns indicate significant difference at 0.05 level, 0.01 level, and no significance, respectively. 图 2 施用量为0.5%的2种保水剂对风沙土保水性能影响的比较 Fig. 2 Comparison of the effects of two SAPs with dosage of 0.5% on the water retention property in aeolian sandy soil

在黑土中施加H 2020和GH 2021均可显著促进大豆植株的生长，且随施加剂量的增加增幅逐渐变大。与上述试验结果类似，当保水剂施加剂量达到0.5%时，大豆幼苗株高显著高于其他处理(P＜0.05)。且与对照相比，施加剂型H 2020和GH 2021对大豆株高的贡献率分别为59.1%和68.0%(图 3a)，可见，即便在比较肥沃的黑土中，GH 2021作为豆科专用保水剂其对大豆幼苗的生长仍表现出显著的促进作用。

图 3(Fig. 3)

不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)。 Different small letters indicate significant difference at 0.05 level. 图 3 黑土和风沙土条件下不同保水剂种类及用量对大豆苗期株高的影响 Fig. 3 Effects of different types and dosages of SAPs on the plant heights of soybean seedlings in black and aeolian sandy soil

与在黑土条件下不同，风沙土条件下施用保水剂，当施用剂量提高至0.5%时才表现出对大豆幼苗显著的促生作用。当施用剂量＜0.1%时，2种保水剂对大豆幼苗株高的生长均无显著作用。高剂量H 2020和GH 2021对大豆株高的贡献率分别为26.9%和44.9%，且相较于H 2020，0.5%用量的GH 2021使大豆生长提升16.3%(图 3b)。综上所述，在风沙土中施加豆科专用保水剂时，由于土壤保水保肥性差，低剂量不足以有效改善大豆幼苗生长水肥利用效率，但当剂量提高到0.5%左右时，保水剂强大的吸胀作用可使水肥缓慢释放，满足苗期生长需求量。

苗期大豆生物量测定结果显示，在黑土条件下，无论施用H 2020还是GH 2021，其对生物量均无显著影响，且各剂量处理间差异不显著(图 4a)。即便对株高有显著作用的0.5%的GH 2021也没有表现出明显的干物质累积。由此推知，在肥沃的黑土中施加保水剂可促进大豆幼苗吸水以抵御干旱，但并没有促进机体有机物的合成。

图 4(Fig. 4)

图 4 黑土和风沙土条件下不同保水剂种类及用量对大豆苗期地上部干质量的影响 Fig. 4 Effects of different types and dosages of SAPs on the dry weights of soybean seedlings in black and aeolian sandy soil

与以上结果类似，在风沙土中施加保水剂并没有显著增加大豆幼苗地上部的干物质积累量。但与H 2020相比，GH 2021施用剂量增大至0.5%时，大豆幼苗地上部干质量增加34.0%，但与其他处理间并无显著性差异(图 4b)。综上所述，在风沙土中施加高剂量富钼专用保水剂，其强大的保水与供肥能力可有效提高植物水肥利用效率，促进苗期生物体有机物的合成。

风沙土是东北地区主要低产土壤之一，位于黑土区西部，与黑土相比，其肥力较低(表 1)，持水能力较差。为了充分挖掘该土壤类型下的作物产量潜力，笔者利用农用保水剂强大的蓄水能力，大幅度提升土壤的田间持水力，为作物抵御因春季少雨而带来的干旱胁迫打好基础。关于保水剂改善土壤持水性能的机制研究已较明晰，保水剂不溶于水，但能吸收相当自身质量成百倍的水，抑制土壤水分蒸发，提高土壤饱和含水量，降低土壤的饱和导水率，从而减缓土壤释放水的速度，减少土壤水分的渗透和流失，达到保水的目的。如白浆土中施用保水剂，其反复的收缩与膨胀可以改变原有土壤的孔隙结构^[12]，破坏厚重坚硬的白浆层，疏通作物根系与营养和水分的通道^[13]。而高度亲水的聚合材料显著降低土壤累积蒸发量，保证土壤田间持水量持续高于萎蔫点，进而提高植物的水分利用率^[14]。但土壤保水性和水力传导率又因水质、土壤质地、性质以及保水剂施用种类的不同而表现出较大的差异。

目前，在我国保水剂市场开发中，多以普适型为主，其作用效果千差万别，不同保水剂类型或施用方式对不同的土壤质地和作物种类的土壤水分效率、作物生长及根系构型等指标影响较大。李沼鹈等^[15]对比3种保水剂的保水性能，发现以聚丙烯盐酸和聚丙烯酰胺共聚体为吸水材料的保水剂保水和释水能力最强，且其在壤土中的保水性能优于其在砂土中性能。而同类型保水剂作用于不同作物种类时，其水分利用效率表现也不尽相同^[16-17]。因此，保水剂施用量和配方组成可能是影响作物产量和品质的关键因素。鉴于钼肥对豆科作物增产的重要意义，本研究中将钼肥与保水剂进行耦合，制成富钼专用型保水剂，综合其在土壤保水性能和苗期大豆促生方面的作用，验证GH 2021可作为豆科专用保水剂应用于低产农田的增产措施中。

保水剂的高成本和低收益是当今其推广与应用的关键。目前东北地区市售保水剂均价每千克为38元以上，根据前期保水剂田间试验结果，施用H 2020使大豆增产约9%，平均产投比约为1.26(表 3)，虽然表现出盈利状态，但投入大收益低。故，降低保水剂成本或改进保水剂性能才是保证农民收益的必要措施。本研究供试材料GH 2021是对原有材料的技术改进和配方升级，不仅兼具保水和供肥性能，而且使保水剂成本(每千克23元)降低约40%；同时，研究表明保水剂添加量为0.5%时，大幅度提升风沙土土壤保水性能，使苗期大豆的地上部干物质累积增加34.0%，该技术措施对低产土壤条件下挖掘大豆增产潜力贡献巨大。尽管如此，过量添加会与作物争夺吸收土壤中的自由水，造成表层土壤板结，反而加快土壤表面水分的蒸发，最终影响作物生长及产量^[18-19]。因此，在东北地区保水剂的施用剂量方面，应在保证作物增产的同时兼顾产投比，综上，推荐剂量控制在2%以下为宜，对于特殊土壤类型推荐施用剂量应＜0.1%^[20]。

表 3(Tab. 3)

表 3 保水剂在大豆种植体系中的产投比分析 Tab. 3 Analysis of the output to input ratio of SAPs in soybean planting system 年份 Year 产出Output 投入Input 产投比 Ratio of output to input 大豆单产 Yield-H 2020/(kg·hm-2) 大豆单产 Yield+H 2020/(kg·hm-2) 增产 Increment/% 单价 Price/Yuan 施加量 Dosage/(kg·hm-2) 单价 Price/Yuan 2019 1 390.9 1 536.8 10.5 3.5 15 38 0.89 2020 2 418.0 2 706.0 11.9 5.2 22.5 38 1.75 2021 3 885.8 4 021.0 3.5 5.7 18 38 1.13

表 3 保水剂在大豆种植体系中的产投比分析 Tab. 3 Analysis of the output to input ratio of SAPs in soybean planting system

本研究在风沙土土壤条件下施用0.5%剂量的GH2021，能够显著提高土壤保水性能，对苗期大豆植株的生长具有显著促进作用；即使在团聚体结构良好的黑土条件下，专用型保水剂对土壤保墒和大豆幼苗的生长仍能表现出较强正向作用。可见，富钼专用保水剂相较于普通保水剂在性能方面得到大幅度提升，兼具保水的供肥作用效果。研究结果表明：针对特定作物的专用型保水剂的研制开发在低产农田的改良及商品粮的增产方面潜力巨大，对黑土地保育及粮食安全具有较深远的意义。