保水劑對(duì)風(fēng)沙土水分垂直入滲和含水量的影響

王昱程，劉 鵬，邵慧楊，溫海嬌，張玉斌，2，閆 飛，潘洪玉

（1.吉林大學(xué) 植物科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130062；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

我國(guó)是土壤沙化最嚴(yán)重的國(guó)家之一，全國(guó)沙化土地面積約為1.74×106hm2，約占國(guó)土面積的18%［1－2］，且 以 每 1.0×105hm2／a 的 速 度 不 斷 增加［3］。沙化土地有機(jī)質(zhì)含量低，保水保肥能力差，上層土壤易流失，導(dǎo)致其肥力連年下降［4］。而利用和改良風(fēng)沙土都需要提高土壤含水量和保水能力，在目前的措施中，施用保水劑由于使用方便、效果明顯等原因成為改良風(fēng)沙土，提高風(fēng)沙土作物產(chǎn)量的一個(gè)重要途徑。

保水劑是一種具有超高吸水和保水能力的高分子聚合物，能夠吸收達(dá)到自身重量百倍甚至千倍的水分，吸水后可緩慢釋放吸收的水分供植物利用［5－7］。近年來(lái)，對(duì)保水劑的研究開(kāi)始從簡(jiǎn)單的吸水釋水性能逐漸發(fā)展為對(duì)其多方面功能的研究，保水劑對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良，對(duì)土壤各類生化指標(biāo)的影響，對(duì)植物根際環(huán)境的影響等也越來(lái)越被重視，但關(guān)于保水劑對(duì)風(fēng)沙土水分垂直入滲和含水量垂直分布影響的研究較少［8－15］。本文通過(guò)測(cè)定幾個(gè)入滲參數(shù)和土壤各層含水量，研究了在土壤5—7cm深處混合層施保水劑對(duì)水分垂直入滲特性和土壤含水量垂直分布的影響，對(duì)風(fēng)沙土區(qū)域保水劑對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用以及土壤改良和防治水土流失等都有一定的意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

土壤樣品為松嫩平原瘠薄農(nóng)田風(fēng)沙土，取自吉林省松原市前郭縣烏蘭圖嘎鎮(zhèn)的風(fēng)沙瘠薄農(nóng)田，經(jīng)自然風(fēng)干后，過(guò)2mm篩后待用。選擇目前市面上4種常見(jiàn)的保水劑進(jìn)行研究［4］，分別為地津牌高效抗旱保水劑（地津），由天津三農(nóng)金科技有限公司生產(chǎn)，主要成分為由聚丙烯酰胺制成的高分子聚合物；安信保水牌農(nóng)林保水劑（安信），由東莞市安信保水有限公司生產(chǎn)，主要成分為具有電離性集團(tuán)羥基結(jié)構(gòu)的高吸水性有機(jī)分子；東營(yíng)沃特牌農(nóng)林保水劑（沃特），由東營(yíng)華業(yè)新材料有限公司生產(chǎn)，主要成分為高分子有機(jī)聚合物和剛性無(wú)機(jī)原料；旱寶貝牌高效土壤保水劑（旱寶貝），由法國(guó)SNF（愛(ài)森）公司授權(quán)北京金易元生態(tài)工程技術(shù)中心生產(chǎn)，主要成分是聚丙烯鹽酸和聚丙烯酰胺共聚體。以上4種保水劑均選擇20～40目規(guī)格供試驗(yàn)用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

將土壤樣品裝入內(nèi)徑10.5cm，高30cm的塑料桶中制成受試體系，容重控制在1.55g／cm3［4］。風(fēng)沙土主要作物的根系50%以上分布在土表以下20cm范圍內(nèi)［16］，因此受試土壤體系設(shè)計(jì)為20cm深。大面積使用保水劑的成本較大，因此，需要在保證效用的基礎(chǔ)上減少單位面積使用量，加之考慮到保水劑的反復(fù)吸釋水能力和風(fēng)沙土主要作物根系吸收活力和吸收面積均隨土壤深度增加而減小［17］，所以保水劑采用混合層施的方法加入受試體系，保水劑—土壤混合層設(shè)置于土柱表面以下5—7cm處（2cm厚），以保證其所吸收的水分在釋放后可被作物有效利用且不易隨表層土壤流失。試驗(yàn)設(shè)置0.25%，0.5%，0.75%，1%這4個(gè)保水劑添加比例［4］。受試體系共分3層：上層土、保水劑混施層（混合層）和下層土，各層之間用尼龍網(wǎng)分隔，以便入滲試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定各層含水量，體系底部墊雙層濾紙并用尼龍網(wǎng)封底。

入滲試驗(yàn)中水分的入滲可分為滲吸和滲透兩個(gè)過(guò)程，滲吸過(guò)程是指體系下部未滴水前在基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)雙重作用下水分的入滲過(guò)程；滲透過(guò)程是指下部滴水后，水分主要在重力勢(shì)作用下的入滲過(guò)程［18］。入滲試驗(yàn)開(kāi)始前測(cè)量水溫，開(kāi)始后打開(kāi)供水裝置止水夾，使水層迅速達(dá)到5cm，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，整個(gè)滲透試驗(yàn)中需保持體系（包括土柱和水層）高度為25cm。每隔2min從供水裝置中讀數(shù)以記錄進(jìn)水量，直至土柱下部滴出第一滴水，記錄所經(jīng)歷的時(shí)間。移開(kāi)供水裝置，每隔2min測(cè)量滲出水量并記錄，測(cè)完后將水倒回上部水層以保持恒定的重力勢(shì)，直至連續(xù)3次出水量恒定。入滲試驗(yàn)結(jié)束后，將水層倒出，隨后將土柱倒出土桶，利用尼龍網(wǎng)將土柱分層，采用烘干稱重法測(cè)定各層土壤含水量［19］。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑對(duì)水分垂直入滲特性的影響

2.1.1 對(duì)入滲率的影響 測(cè)得各時(shí)間垂直入滲率如圖1所示。由圖1可以看出，所有處理的入滲率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)大致相同，入滲開(kāi)始階段入滲率較大，在前5min內(nèi)迅速減小，隨后減小趨勢(shì)愈來(lái)愈小并逐漸趨于恒定。施用保水劑在各時(shí)段對(duì)水分入滲率有明顯的抑制作用，而且隨著保水劑施用比例的加大，該抑制作用增強(qiáng)。這與王慧勇等［14］和白文波等［15，20］關(guān)于添加保水劑后入滲率隨時(shí)間的變化情況以及保水劑可降低垂直入滲率的研究結(jié)果相一致，故可以判定保水劑可以顯著降低垂直入滲率。

2.1.2 對(duì)滲吸持續(xù)時(shí)間的影響 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用保水劑可顯著增加滲吸持續(xù)時(shí)間。旱寶貝保水劑的影響最為明顯，該保水劑4個(gè)處理滲吸持續(xù)時(shí)間均為無(wú)窮大。地津、安信和沃特3種保水劑1.00%處理比對(duì)照組持續(xù)時(shí)間分別增加了390.2%，572.5%和134.2%，達(dá)到94.6，129.8和45.2min；地津和安信保水劑不同施用比例的影響差異明顯，沃特保水劑各處理間差別相對(duì)較小，這3種保水劑1.00%處理比0.25%處理的滲吸階段持續(xù)時(shí)間分別增加了269.5%，203.9%和38.6%。

圖1 4種保水劑對(duì)垂直入滲率的影響

2.1.3 對(duì)累積入滲量的影響 因累積入滲量對(duì)于分析灌溉和降雨入滲等問(wèn)題的重要性［21］，本試驗(yàn)測(cè)定了入滲開(kāi)始至滲吸結(jié)束這一時(shí)間段各處理的累積入滲量。由表1可知，相對(duì)于對(duì)照試驗(yàn)，地津、安信、沃特、旱寶貝4種保水劑1.00%處理在該段時(shí)間內(nèi)累積入滲量分別增 加 了 41.4%，44.1%，44.4% 和28.1%；地津、安信、沃特3種保水劑不同施用比例之間差異明顯，其中1.00%比例比0.25%比例累積入滲量分別多出33.6%，44.2%和44.2%。

表1 不同添加比例保水劑處理累積入滲量 ml

研究結(jié)果與白文波等［20］關(guān)于層施保水劑對(duì)累積入滲量的影響研究結(jié)果基本相符；但卻與王慧勇等［5］的相關(guān)結(jié)論不一致，其研究顯示施用保水劑后一定時(shí)間內(nèi)累積入滲量與保水劑用量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且試驗(yàn)組累積入滲量均小于對(duì)照組，這可能與其保水劑混施層較厚、保水劑使用量大有關(guān)，因?yàn)檩^大的保水劑施用量會(huì)使水分入滲率大幅減小，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)水分無(wú)法充分入滲而導(dǎo)致累積入滲量降低。

2.1.4 對(duì)滲透系數(shù)的影響 將測(cè)得的各處理在滲透階段達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲水速度，按照慣例計(jì)算得到各處理10℃時(shí)的滲透系數(shù)［18］（表2）。由于旱寶貝處理水分無(wú)法通過(guò)混合層繼續(xù)下滲，一定時(shí)間后入滲終止，沒(méi)有進(jìn)入滲透階段，所以該體系無(wú)滲透系數(shù)。由表2可知，各保水劑不同處理均可降低受試體系的滲透系數(shù)，地津、安信和沃特3種保水劑1.00%處理滲透系數(shù)相對(duì)于對(duì)照組分別下降了84.7%，84.2%和65.5%；隨著保水劑施用量的加大，滲透系數(shù)持續(xù)降低，但降低的幅度因保水劑不同而異，其中地津處理的降低幅度最大，其次為安信和沃特，3種保水劑1.00%比例相比于0.25%比例其滲透系數(shù)分別下降了82.1%，58.1%和31.9%。

表2 不同添加比例保水劑處理10℃時(shí)的滲透系數(shù)10－4 cm／s

2.2 保水劑對(duì)土壤含水量垂直分布的影響

測(cè)定了入滲試驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算各處理體系中各層的含水率（表3）。由表3表明，試驗(yàn)處理可明顯增加上層土壤含水量，地津、安信、沃特和旱寶貝4種保水劑1%處理比對(duì)照組含水率分別提高了7.3%，57.3%，69.9%和92.7%。混合層是含水量增加最多的一層，1%處理較對(duì)照組平均含水率增幅達(dá)434.2%；各保水劑不同添加比例間混合層的含水率也有顯著差異，施用量增加導(dǎo)致混合層含水率大幅上升，這說(shuō)明保水劑用量對(duì)該層水分含量影響最為直接，效果最顯著。這一結(jié)果與白文波等［15］關(guān)于保水劑對(duì)其他類型土壤水分垂直分布情況影響的研究結(jié)果一致。

表3 不同添加比例保水劑處理各層土壤含水率 %

與上層和混合層效果相反，施用保水劑會(huì)降低下層土壤含水量，4種保水劑1.00%處理的下層土壤含水率分別比對(duì)照減少了25.1%，17.3%，10.1%和97.4%，其中旱寶貝保水劑由于對(duì)水分入滲的阻滯作用，降幅遠(yuǎn)超其他3種保水劑。這與王慧勇等［5］關(guān)于混施保水劑對(duì)保水劑層以下土壤含水量影響的研究結(jié)果一致。

此外，對(duì)不同保水劑處理的各層含水率進(jìn)行橫向比較發(fā)現(xiàn)，混合層含水率隨保水劑的吸水能力的增強(qiáng)而上升，但是上層和下層土壤含水率則隨之降低。

3 結(jié)論

（1）供水充足的情況下，在風(fēng)沙土5—7cm處混合層施保水劑可降低風(fēng)沙土水分垂直入滲率，增加滲吸持續(xù)時(shí)間，減小體系滲透系數(shù)，并均隨保水劑用量的增加而加劇，不同保水劑的影響差異很大。保水劑可顯著增加一段時(shí)間內(nèi)水分累積入滲量，不同保水劑的吸水和保水能力存在很大差別，但地津、安信和沃特等種保水劑對(duì)于土表以下0—20cm范圍內(nèi)水分累積入滲量的影響大致相同，其增加量均集中在41%～45%。這些說(shuō)明在一定深度處施用較少量的保水劑即可以對(duì)入滲率、累積入滲量、滲透系數(shù)產(chǎn)生較大的影響，這對(duì)于在風(fēng)沙土上大面積、低成本地使用保水劑調(diào)整降水或灌溉時(shí)水分的入滲情況和增強(qiáng)土壤的保水持水能力都有一定的指導(dǎo)意義。

（2）供水充足的情況下，在風(fēng)沙土中混合層施保水劑可顯著提高上層土壤和混合層含水量，略微降低下層土壤含水量，保水劑的吸水能力越強(qiáng)，混合層含水量則越高，而上層和下層土壤含水量相對(duì)越低。基于此，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)不同作物或者風(fēng)沙土改良植物的根系吸收面積和吸收活力分布情況選擇合適的保水劑并適當(dāng)調(diào)整保水劑層的深度，使其更好地發(fā)揮效用。

［1］ 韓麗文，李祝賀，單學(xué)平，等.土地沙化和防沙治沙措施研究［J］.水土保持研究，2005，12（5）：211-213.

［2］ 朱列克.中國(guó)荒漠化和沙化動(dòng)態(tài)研究［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006：1-3.

［3］ 歸秀娥.我國(guó)耕地資源可持續(xù)利用面臨的問(wèn)題和對(duì)策［J］.理論導(dǎo)刊，2008，31（7）：102-103.

［4］ 王斌.農(nóng)用保水劑的制備及其在松嫩平原風(fēng)沙瘠薄農(nóng)田的應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［5］ 王慧勇，張宏，劉世宏，等.保水劑混施用量對(duì)沙質(zhì)土壤水分垂直入滲特性的影響［J］.水土保持研究，2011，18（6）：22-24.

［6］ Micheal S J，Comelis J V.Structure and functioning of water-storing agricultural polyamides［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，1985，36（9）：789-793.

［7］ Entry J A，Sojka R E，Watwood M，et al.Polyacrylamide preparations for protection of water quality threatened by agricultural runoff contaminants［J］.Environmental Pollution，2002，120（2）：191-200.

［8］ 吳德瑜.保水劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)展［J］.作物雜志，1990，6（1）：22-23.

［9］ 黃占斌，辛小桂，寧榮昌，等.保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2003，21（3）：11-14.

［10］ 趙永貴.保水劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展［J］.中國(guó)水土保持，1995，16（5）：52-54.

［11］ Ben-hur M，Keren R.Polymer effects on water infiltration and soil aggregation［J］.Soil Science Society of America Journal，1997，61（2）：565-570.

［12］ 黨秀麗，張玉龍，黃毅.保水劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用與研究進(jìn)展［J］.土壤通報(bào)，2006，37（2）：352-355.

［13］ Agassi M I，Morin J.Effect of electrolyte concentration and soil sodicity on infiltration rate and crust formation［J］.Soil Science Society of America Journal，1981，45（5）：848-851.

［14］ 王慧勇，程?hào)|娟，張宏，等.保水劑混施厚度對(duì)土壤水分垂直入神特征的影響［J］.節(jié)水灌溉，2011，36（7）：43-46.

［15］ 白文波，宋吉清，李茂松，等.保水劑對(duì)土壤水分垂直入滲特征的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（2）：18-23.

［16］ 牟金明，姜亦梅，王明輝，等.玉米根茬還田對(duì)玉米根系垂直分布的影響［J］.吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，1999，24（2）：25-27.

［17］ 宋海星，王學(xué)立.玉米根系活力及吸收面積的空間分布變化［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（1）：137-141.

［18］ 依艷麗.土壤物理研究法［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009：170-172.

［19］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2005：22-24.

［20］ 白文波，李茂松，趙虹瑞，等.保水劑對(duì)土壤積水入滲特征的影響［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（24）：5055-5062.

［21］ 張振華，謝恒星，劉繼龍，等.PAM對(duì)一維垂直入滲特征量影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006，48（3）：75-77.