吸水樹脂用作土壤持水保墑劑的試驗研究

林健，牟國棟，楊雪

(西安科技大學材料科學與工程學院，陜西西安710054)

高吸水樹脂又稱水凝膠、超強吸水劑[1]，是一種新型的功能高分子材料，它具有優良的吸水能力和保水能力，能夠迅速吸收比自身重數百倍乃至千倍的液態水，其保水性良好，所吸收的水即使在高壓下也不會溢出[2]。鑒于這些優點，近年來高吸水樹脂已成為一種重要的高分子材料，被廣泛地應用于農林、園藝、石油開采、醫用衛生[3-4]、礦山開采、日用化工、環境保護和食品加工[5-7]等領域。

高吸水樹脂問世后，許多研究者用它與土壤結合改善土壤團粒結構、改善土壤的保水性能和保溫性能，這樣既有利于作物生長，又可節約灌溉用水、減少灌溉次數。日本在砂地20 cm深處放一層含有質量分數0.1%～0.3%的吸水樹脂作砂土的保水劑，種植蔬菜。對比試驗表明，使用保水劑可提高2～3倍的收獲量，并明顯地減少了灌溉的費用[8]。在美國，試驗者把大豆和玉米的種子浸漬在高吸水樹脂里，在種子表面形成一層含水的薄層，一方面可提高種子的發芽率，另一方面可縮短發芽時間，這對于在干旱地區播種很有價值。Silberbush等人[9]對高吸水保水劑的應用研究表明，高吸水保水劑中90%以上的水分能被作物吸收利用，有的可在當季維持2～3個月，有的可在土壤中維持有效作用2 a以上。將高吸水保水劑配制成質量分數0.4%的凝膠撒入10—15 cm深的沙漠中，就可在其中種植蔬菜和一般農作物。

我國目前也在研究和開發、推廣應用高吸水樹脂。20世紀80年代中期，我國先后有40多家單位從事這方面的研究，經過20多年的研究，取得了很多成果，已有許多專利成果和生產廠家。趙小雯等人[10]的研究結果表明，添加高吸水保水劑的土壤的累積水分蒸發總量明顯低于對照土樣。在移植苗木時需長途運輸，根部暴露的時間長，影響成活率。如在苗木根部加上一些吸水后的樹脂，可提高苗木移植的成活率，還可提高移植苗木的保存時間。我國已把高吸水樹脂在農業中的應用與推廣定為重點科研項目，中國農業科學院栽培研究所在山西屯留等縣定了10個示范點。通過試驗讓廣大農民認識高吸水樹脂在保苗、抗旱及水土保持等方面的巨大效能，從而大幅度地提高我國農業的經濟效益。傳統的高吸水性樹脂施于土壤中后，易造成土壤的板結，破壞了土壤中的微氣相空隙，因而造成植物生長環境的惡化。而土壤板結的同時也相應地導致土壤對氮、磷、鉀等水溶性肥料的流失，必將進一步惡化土壤環境。此外，傳統高吸水性樹脂的耐鹽性較差，在實際應用中(尤其在農業應用中)往往造成實際吸水倍率遠遠小于試驗室中測定結果的狀況。

本試驗研究的新型吸水樹脂，由于接枝到木質素磺酸鹽上，具備了農業應用的可行性，木質素在土壤中有大量用途，在普通過磷酸鈣中添加木質素利用木質素強大的吸水能力可使普通過磷酸鈣成為粉狀物質而且能提高其肥效，改善土質。木質素可用作農藥的分散劑，木質素比表面大，質輕，能與農藥充分混合，尤其是分子結構中有眾多的活性基團，能通過簡單的化學反應與農藥分子產生化學結合，即使不進行化學反應，兩者之間也會產生各種各樣的次級鍵結合，使農藥從木質素的網狀結構中緩慢釋放出來;木質素有很好的吸收紫外線的性能，對光敏、氧敏的農藥能起到穩定作用;木質素在土壤中能緩慢降解，最終不會有污染物殘留。

本試驗使用木質素磺酸鈣接枝丙烯酸/丙烯酰胺吸水樹脂進行土壤性能試驗，國內外未見該吸水樹脂在土壤方面應用研究，木質素磺酸鹽同時具有C3～C6疏水骨架以及親水性基團，如磺酸基，羧基等，同時木質素磺酸鈣價格低廉，將丙烯酸接枝到木質素磺酸鈣既提高吸水倍率，又將吸水樹脂的成本降低，試驗用這種新型吸水樹脂在土壤溫度、土壤滲透性、土壤保水性、土壤持水性等方面進行試驗。為木質素磺酸鈣接枝丙烯酸/丙烯酰胺吸水樹脂在農業中的實際應用提供一定的參考。

1 方法和材料

1.1 供試土壤理化性質

試驗所用北方山坡土屬于弱淋溶土，具有半干潤土壤水分狀況，具有暗色表層或淡色表層，弱淋溶土的有機質含量多在20 g/kg以上，高的可達130～170 g/kg，腐殖質組成中一般以胡敏酸為主。土體剖面構型不明顯，表層有機質含量高，陽離子交換量和鹽基飽和度高。

試驗所用花土按照熟土∶細沙∶草炭土(腐殖質或爛樹葉=1∶2∶7進行配比);土壤重量輕，孔隙大，空氣流通，營養豐富，有利于花卉根系發育和植株健壯生長。

1.2 測定方法

(1)土壤持水量采用稱重法測定，按公式(1)計算保水率:

(2)將試驗用土加入到土壤滲透儀，在常水頭條件下進行滲透試驗，測定滲透系數。

2 結果分析

2.1 對土壤保水性的影響

當土壤中施入一定量的高吸水樹脂，由于高吸水樹脂本身可以吸收大量水分，因而可以使土壤的水分含量增加，而高吸水樹脂所吸收水分的釋放比較緩慢，因此，可以有效防止由于土面蒸發而造成的土壤水分的缺失，從而提高含水量，可以保證為作物生長提供所必需的水分。

2.1.1 對土壤保水性的影響 對于北方山坡土，從圖1可以看出，空白組飽和吸水量為 68%，加入1.0%淀粉接枝AA/AM吸水樹脂高吸水樹脂土壤飽和吸水量為150%，加入1.0%木質素磺酸鹽接枝AA/AM吸水樹脂土壤飽和吸水量為220%，試驗開始的前13 d，施加的高吸水樹脂抑制水分蒸發作用效果不是很明顯，但從第13 d可以看出高吸水樹脂的作用開始顯現，加入1.0%淀粉接枝AA/AM吸水樹脂高吸水樹脂土壤和加入1.0%木質素磺酸鹽接枝AA/AM吸水樹脂土壤水分蒸發量明顯下降。總的來看，添加高吸水樹脂可以提高北方山坡土的保水能力，減少水分蒸發，使土壤的含水量增多，而添加木質素磺酸鹽接枝AA/AM吸水樹脂比添加1.0%淀粉AA/AM吸水樹脂的保水效果更為明顯。

高吸水樹脂減少土壤水分蒸發作用的試驗表明，土壤蒸發進入第二階段(水分非飽和階段)后，才發揮效果，而第一階段(水分飽和階段)，水分累積蒸發量比未處理的土壤還高，推測原因為吸水樹脂的膨脹作用導致了實際表面蒸發面增加，但添加高吸水樹脂的土壤水分蒸發累積總量明顯低于對照土壤。

對比淀粉接枝AA/AM吸水樹脂高吸水樹脂，木質素磺酸鹽接枝AA/AM吸水樹脂的非離子型基團的存在使得樹脂的耐鹽性明顯提高，總的飽和吸收量得到很大的提高。

圖1 北方山坡土含水量隨時間的變化注:試樣1為空白組;試樣 2為加入0.5%淀粉接枝AA/AM吸水樹脂高吸水樹脂土壤;試樣3為加入0.5%木質素磺鹽接枝AA/AM吸水樹脂土。

2.1.2 高吸水樹脂含量對土壤保水性的影響 各組處理均在吸水量約為40%的條件下開始試驗，從圖2可以看出，試驗開始前13 d，施加的高吸水樹脂抑制水分蒸發作用效果不是很明顯，但從第13 d可以看出高吸水樹脂的作用開始顯現，加入1.0%和1.5%高吸水樹脂的土壤水分蒸發量明顯下降，含水量比空白土明顯要高，而加入0.5%高吸水樹脂的土壤水分蒸發量和空白土差別很小，1.0%和1.5%高吸水樹脂的土壤含水量差別不大。添加高吸水樹脂可以提高北方山坡土的保水能力，減少水分蒸發;添加量為0.5%效果不明顯，而添加量超過1.0%，提高效果亦不明顯，所以添加量在1.0%比較適宜。

圖2 北方山坡土含水量隨時間的變化注:試樣1為空白組;試樣2為加入0.5%高吸水樹脂土壤;試樣3為加入1.0%高吸水樹脂土壤;試樣4為加入1.5%高吸水樹脂土壤。

2.2 高吸水樹脂對土壤持水性的影響

持水量某種狀態的土壤抵抗重力所能吸持的最大水量。高吸水樹脂本身具有較強的持水能力，即使在外力的作用下所吸持的水分也可以很好的保持，這一特性對于提高土壤的持水能力具有重要意義。土壤持水量是農用土壤的一個重要指標。由圖3可以看出，北方山坡土持水能力隨吸水樹脂用量的增加，在用量為0.4%～0.6%時持水能力增加效果最為明顯。北方山花土持水能力如圖4所示，隨吸水樹脂用量增加，在0.6%～1.0%時增加效果最為明顯。

圖3 高吸水樹脂對北方山坡土持水量的影響

圖4 高吸水樹脂對北方花土持水量的影響

從圖3—4可以看出，北方山坡土和花土的吸水樹脂的用量與其持水能力關系極為相似，說明吸水樹脂的用量對它們的持水性能影響極為相似。

2.3 外界溫度對高吸水樹脂保水能力的影響

高吸水樹脂施入土壤后，但外界提供充足的水分時(灌溉，降雨等)，高吸水樹脂就會吸水膨脹，當外界氣候干燥時候，水分又緩慢釋放，在水分充足時候又可吸收水分膨脹。對于加入0.5%高吸水樹脂的北方山坡土分別在105℃，80℃，60℃這3種不同的干燥溫度下進行5次反復吸水—釋水試驗(圖5)，結果表明隨干燥次數的增多，土壤的吸水能力下降，溫度越高吸水能力則越差。

2.4 高吸水樹脂對土壤滲透系數的影響

滲透系數是衡量土壤的表層結度和土壤抗蝕能力的重要參數之一。北方山坡土施入高吸水樹脂以后，土壤的滲透性得到明顯改善，但隨著高吸水樹脂用量增加，滲透系數的增加幅度越來越小，從圖6的斜率可以看出，滲透系數和吸水樹脂的用量增加并不呈正相關，隨吸水樹脂的用量增加，滲透系數增加的幅度越來越小。但施入高吸水樹脂以后，土壤的滲透性得到明顯增加，這主要是由于吸水樹脂改良了土壤的結構，使土壤形成團聚體結構，土壤顆粒被吸水樹脂所包裹，使土粒粒度增大，從而使更多的水分得以存貯，從而也就減少了降雨或者灌溉時的地表徑流，控制了水土流失。

圖5 溫度對北方山坡土保水能力的影響

圖6 高吸水樹脂用量對北方山坡土滲透系數的影響

2.5 高吸水樹脂對土壤溫度的影響

吸水樹脂添加到土壤中，可以改善土壤溫度(測量土層5 cm處的土壤溫度)。從圖7和表1可以看出，若添加吸水樹脂，晝夜溫差變化減小，添加和未添加高吸水樹脂土壤的晝夜溫度，最低溫度提高了2.5℃～3℃，最高溫度降低了2.5℃～4℃。原因是由于吸水樹脂的添加，提高了土壤的空隙率，水分被樹脂吸收，自由水減少，因而土壤的熱導率降低。

表1 高吸水樹脂對土壤的晝夜溫度的影響

圖7 高吸水樹脂對北方山坡土溫度的影響

3 結論

與傳統吸水樹脂相比，新型吸水樹脂在保水時間上延長了10 d，保水量提高50%;土壤晝夜溫差變小3℃～6℃;土壤的滲透性得到明顯增加;并且具有反復吸水的功能;木質素比表面大，質輕，能與農藥充分混合，使農藥從木質素的網狀結構中緩慢釋放出來;木質素有很好的吸收紫外線的性能，對光敏、氧敏的農藥能起到穩定作用;木質素在土壤中可緩慢降解，最終不會有污染物殘留。

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