聚丙烯酸鈉的釋水特征及對土壤物理參數(shù)的影響

呂國華，蔣樹芳，白文波，武永峰，宋吉青

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081； 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京 100101)

聚丙烯酸鈉的釋水特征及對土壤物理參數(shù)的影響

呂國華1，蔣樹芳2，白文波1，武永峰1，宋吉青1

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081； 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京 100101)

聚丙烯酸鈉作為保水劑的一種，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中能夠防止水土流失，改善土壤水分狀況，促進(jìn)作物增產(chǎn)，提高作物品質(zhì)。通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了聚丙烯酸鈉的釋水特征及土壤中混施不同比例 (0、0.3%、0.5%、1%和1.5%) 聚丙烯酸鈉對土壤飽和導(dǎo)水率、收縮比和緊實(shí)度的影響。研究結(jié)果表明，聚丙烯酸鈉釋水與混施土壤后釋水存在較大差異，100%聚丙烯酸鈉在1.5 MPa吸力條件下能保持46.4%的水分，而在干土中可以快速100%的釋放水分；隨著土壤聚丙烯酸鈉用量的增加，土壤透水性急劇降低，均勻混施達(dá)到1%時，飽和導(dǎo)水率接近0 m·d-1；干燥后土壤緊實(shí)度和收縮比增加，導(dǎo)致聚丙烯酸鈉的農(nóng)業(yè)應(yīng)用也存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

聚丙烯酸鈉；土壤導(dǎo)水率；土壤緊實(shí)度；土壤收縮

聚丙烯酸鈉是丙烯酸和丙烯酸納的高分子聚合物，在農(nóng)業(yè)中可用作土壤保水劑。我國自“七五”以來開展了大量關(guān)于保水劑應(yīng)用方面的研究，取得了豐碩的研究成果。保水劑與土壤黏粒相互作用，特別是吸附作用，可以抑制土壤的水化、膨脹及分散作用，防止土壤流失[1]；保水劑有助于增加土壤中團(tuán)聚體含量，改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤保水和蓄水能力[2]；土壤表層施用保水劑可以緩慢釋水，減少蒸發(fā)[3]，保蓄水分和養(yǎng)分[4]，提高出苗率[5]，有利于提高產(chǎn)量和水分利用效率[6-9]，一定程度上增強(qiáng)植物抗性，改善果實(shí)品質(zhì)[10]；由于保水劑的吸附作用，可以防止和減緩?fù)寥鲤B(yǎng)分的淋溶[11-12]，同時，能夠促進(jìn)土壤中微生物活動[13]，有利于提高養(yǎng)分的利用效率。

但是現(xiàn)階段對保水劑的研究仍然存在一定的不足，部分作用機(jī)理尚不清楚，有些研究結(jié)果還存在一定的差異。例如，保水劑是增大還是減小土壤的滲透性？已有研究結(jié)果表明保水劑施用量過大，土壤表層過度粘結(jié)土粒，會降低土壤的滲透性[14]，但也有研究表明較小比例混施保水劑會增大土壤的滲透性[15]；其次，保水劑使用中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)也缺乏定量研究。如，保水劑施用過量，一定程度破壞土壤結(jié)構(gòu)，引起土壤板結(jié)[16]，但是施用量及土壤板結(jié)程度的關(guān)系尚且不夠清楚；再次，在混有保水劑的土壤中，土壤水勢是否能夠被負(fù)壓計(jì)準(zhǔn)確測定等。本論文以聚丙烯酸鈉為實(shí)驗(yàn)材料，針對聚丙烯酸鈉保水劑的釋水特征及其對土壤物理參數(shù)的影響開展研究，以期為農(nóng)用保水劑的應(yīng)用開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 聚丙烯酸鈉

聚丙烯酸鈉由日本觸媒公司生產(chǎn)，外觀為白色顆粒狀，粒徑在0.8～1.0 mm左右。在蒸餾水中的吸水倍率為204.1倍左右[15]。但是，受灌溉水中離子影響，其吸水倍率在80.5倍左右。

1.2 聚丙烯酸鈉的釋水特征

取定量保水劑在灌溉水中充分吸水飽和40 min以上，放置于2 mm土篩中，覆蓋上層，靜置10分鐘左右，去除多余水分，以備在高速離心機(jī)(HITACHI，CR22G)中測定；在高速離心機(jī)中不同轉(zhuǎn)速離心，分別模擬不同土壤吸力條件下的含水量，用來分析保水劑的釋水特征。

1.3 飽和聚丙烯酸鈉顆粒在干土中的釋水特征

將吸水飽和的聚丙烯酸鈉顆粒放置于干土中，距表層1 cm左右，每15分鐘利用熱紅外成像儀測定表面圖像，用來反映飽和聚丙烯酸鈉在干燥土壤中的釋水特征。

1.4 飽和導(dǎo)水率

飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測定。聚丙烯酸鈉質(zhì)量比分別為0，0.3%，0.5%，1%，1.5%；聚丙烯酸鈉與土壤充分混勻后，按容重1.25 g·cm-3填充環(huán)刀，飽和，除去部分膨脹土壤后，裝入入滲儀，進(jìn)行測定計(jì)算。

1.5 干燥后土壤收縮比及緊實(shí)度

試驗(yàn)中土壤類型為華北潮土，土壤質(zhì)地為粉壤土(黏粒∶粉粒∶砂粒=0.6∶40.3∶54.6)；聚丙烯酸鈉的質(zhì)量比分別為0，0.3%，0.5%，1%，1.5%，按容重1.25 g·cm-3填充環(huán)刀，自來水充分飽和，去掉膨脹部分，此時體積為V1；自然風(fēng)干后，體積為V2；計(jì)算收縮體積(V2-V1)后，用土壤緊實(shí)度儀測定土壤緊實(shí)度(kg·cm-2)

2 結(jié)果與分析

2.1 聚丙烯酸鈉的釋水特征

聚丙烯酸鈉在自來水中的最大吸水倍率為80.5倍左右，在模擬的土壤水吸力條件下，當(dāng)0.03 MPa(田間持水量)、0.5 MPa(土壤有效水)、1.5 MPa(永久萎蔫點(diǎn))條件下的吸水倍率分別為74.3倍、54.8倍和37.4倍。在土壤有效水分對應(yīng)的壓力條件下，保水劑僅釋放了32.0%的水分；在永久萎蔫點(diǎn)對應(yīng)壓力條件下，保水劑釋放了53.6%的水分。聚丙烯酸鈉在高吸力梯度下(1.5 MPa)仍然可以蓄持46.4%的水分，從作物吸水的能量梯度考慮，這一部分水分并不能被作物吸收。

圖1 聚丙烯酸鈉(100%)在不同吸力條件下的吸水倍率

Fig.1 Water absorbent rate of sodium polyacrylate (100%)under different soil water suction

相關(guān)研究也表明，在土壤中，保水劑吸收的98%的水分易被作物吸收利用[17]。但是，聚丙烯酸鈉(100%)在離心機(jī)1.5 MPa作用下仍然保存很多的水分。因此，為了驗(yàn)證保水劑中的水分是否能夠完全提供給土壤，試驗(yàn)中將吸水飽和的聚丙烯酸鈉顆粒放置于干土中，距表層1 cm，通過熱成像圖反映聚丙烯酸鈉的釋水特征。如圖2-1所示，飽和的聚丙烯酸鈉顆粒在干土中顯著溫度偏低，15分鐘后(圖2-2)聚丙烯酸鈉周圍溫度降低，聚丙烯酸鈉中的水分發(fā)生了明顯擴(kuò)散；30分鐘后(圖2-3)擴(kuò)散進(jìn)一步增加，當(dāng)45分鐘時(圖2-4)聚丙烯酸鈉的溫度低點(diǎn)基本消失。這說明聚丙烯酸鈉中的水分已經(jīng)完全供給給周圍的土壤。因此，聚丙烯酸鈉的釋水能力與是否與土壤顆粒接觸有直接的關(guān)系。100%的聚丙烯酸鈉與具有多孔結(jié)構(gòu)的土壤膠體的失水特征并不相同。保水劑混施入土壤中，保水劑與土壤顆粒之間的水分交換過程影響保水劑中水分的有效性。聚丙烯酸鈉作為一種多孔的無機(jī)聚合物結(jié)構(gòu)，其與土壤的水分交換機(jī)制才是理解聚丙烯酸鈉向土壤供水或從土壤中奪水的基礎(chǔ)。

2.2 混施不同聚丙烯酸鈉含量的土壤滲透性

如圖3所示，沒有混合聚丙烯酸鈉的土壤的飽和導(dǎo)水率達(dá)到56.8 cm·d-1，隨著聚丙烯酸鈉含量的增加，飽和導(dǎo)水率急劇下降，0.3%和0.5%時，分別為18.6 cm·d-1和7.6 cm·d-1，當(dāng)其含量達(dá)到1%時，土壤飽和導(dǎo)水率接近0，土壤表現(xiàn)出顯著的不透水性。

圖2 飽和吸水的保水劑顆粒在干土中的土壤熱成像圖(1-2-3-4的時間間隔均為15分鐘)

Fig.2 Thermography of sodium polyacrylate with saturated moisture in dry soil (time interval: 15 minutes)

圖3 均勻混施不同含量保水劑的土壤飽和導(dǎo)水率

Fig.3 Saturated hydraulic conductivity of uniformly mixed soil under different ratio of sodium polyacrylate

當(dāng)土壤中混施聚丙烯酸鈉時，土壤的滲透性降低，當(dāng)比例達(dá)到1%時，土壤的飽和導(dǎo)水率接近于0，此時混合土壤具有較好的隔水性。這與前人的研究有一定的一致性[18]，也有一定的沖突[14]，這主要是由測定方法和測定尺度引起的，并不存在本質(zhì)的矛盾。

2.3 混施不同聚丙烯酸鈉含量的土壤收縮比及緊實(shí)度

土壤顆粒具有吸水膨脹，失水收縮的現(xiàn)象，收縮比例與土壤礦物組成有一定的關(guān)系。本試驗(yàn)中，土壤收縮比例較小，干燥后體積為充分吸水的95%；但是含有聚丙烯酸鈉保水劑的土壤收縮較大，0.3%時，體積為79%；0.5%時，體積為65%；1%時，體積為52%；1.5%時，體積僅為47%。隨著聚丙烯酸鈉含量的增加，土壤體積收縮顯著增大。

一般情況下，聚丙烯酸鈉混施于作物根系附近，起到保水和持水的作用。但是，當(dāng)土壤發(fā)生劇烈的干濕交替時，較大的收縮比可能導(dǎo)致部分植物根系拉傷或根系懸空，反而不利于作物抗旱。

圖4 不同聚丙烯酸鈉含量的土壤干燥后的體積比例

Fig.4 Soil shrinkage rate after drying under different ratio of sodium polyacrylate

按土壤容重1.25 g·cm-3填充環(huán)刀，土壤干燥后，沒有混施聚丙烯酸鈉的土壤緊實(shí)度很小，僅為2.3 kg·cm-2。隨著聚丙烯酸鈉含量的增加，土壤緊實(shí)度顯著增加，0.3%含量的土壤緊實(shí)度為5.2 kg·cm-2，0.5%含量的土壤緊實(shí)度為23 kg·cm-2，1%含量的土壤緊實(shí)度達(dá)到120 kg·cm-2，1.5%含量的土壤緊實(shí)度更大，為180 kg·cm-2。當(dāng)聚丙烯酸鈉含量超過1%時，干燥后的土壤緊實(shí)度很大，耕作阻力顯著增強(qiáng)，不利于播種及農(nóng)機(jī)操作。因此，均勻混施聚丙烯酸鈉時，其含量以不超過0.5%為宜。

圖5 不同聚丙烯酸鈉含量的土壤干燥后的緊實(shí)度

Fig.5 Soil compactness after drying under different ratio of sodium polyacrylate

3 結(jié)論與討論

1) 本試驗(yàn)以聚丙烯酸鈉為例，分析了其釋水特征。在純聚丙烯酸鈉條件下，高速離心機(jī)模擬了不同土壤水吸力梯度下的釋水情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在永久萎蔫點(diǎn)對應(yīng)水吸力條件下，保水劑僅僅釋放了53.6%的水分。這與在土壤混施條件下接近98%的水分有效性[17]相比，存在較大差別。采用熱成像技術(shù)，分析了吸水飽和的聚丙烯酸鈉顆粒在干土中的釋水特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)吸持的水分能夠完全提供給周圍的干土。100%的聚丙烯酸鈉和混施在土壤中時，聚丙烯酸鈉的釋水特征不同。聚丙烯酸鈉的釋水能力與是否與土壤顆粒接觸有直接的關(guān)系。保水劑的多孔結(jié)構(gòu)與土壤顆粒的作用及土壤孔隙之間的水分交換過程是保水劑吸收水分有效性的關(guān)鍵。因此，保水劑的孔隙結(jié)構(gòu)的變化及其與土壤顆粒之間的作用機(jī)理是理解保水劑在土壤中吸水或釋水的基礎(chǔ)。

2) 聚丙烯酸鈉的施用對土壤物理參數(shù)產(chǎn)生了較大的影響，尤其是土壤飽和導(dǎo)水率和緊實(shí)度。當(dāng)均勻混施聚丙烯酸鈉含量達(dá)到1%時，飽和導(dǎo)水率接近0。聚丙烯酸鈉的這種不透水性，可以用來阻斷剖面土壤水分的滲透，這種特性在其他領(lǐng)域可能也具有一定的應(yīng)用空間。例如，高地下水位條件下，鹽堿地下界面不透水層的構(gòu)建等。

3) 聚丙烯酸鈉在土壤中均勻混施時，以不超過0.5%為宜。隨著聚丙烯酸鈉含量的增加，土壤收縮比增加，土壤緊實(shí)度急劇增大。土壤物理屬性的這種變化對根系健康及機(jī)械耕作產(chǎn)生不利影響。因此，低吸水倍率的土壤改良型保水劑，更適合在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用。本試驗(yàn)中，當(dāng)0.3%比例使用時，土壤的有效含水量增加2.44倍左右。當(dāng)土壤中使用比例在1%左右，達(dá)到相同的保水目的，其吸水倍率僅為24倍左右。因此，保水劑合成的材料和成本可以進(jìn)一步擴(kuò)大選擇范圍，有利于進(jìn)一步降低保水劑的成本，從而克服限制其推廣應(yīng)用的根本問題。因此，研究低成本、低吸水倍率、多功能的保水劑及其復(fù)合功能材料，是農(nóng)用保水材料研發(fā)的方向。

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Water release characters of sodium polyacrylate and its effects on soil physical parameters

LV Guo-hua1, JIANG Shu-fang2, BAI Wen-bo1, WU Yong-feng1, SONG Ji-qing1

(1.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China; 2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

Application of sodium polyacrylate (PAANa) in agriculture can prevent soil erosion, increase soil moisture, increase grain yield, and improve crop quality. Through laboratory experiments, the water release characters of PAANa was analyzed, and the saturated hydraulic conductivity, shrinkage ratio and compactness of soil under different application ratio of PAANa (0, 0.3%, 0.5%, 1% and 1.5%) were measured. The results showed there was a great difference in water release between PAANa and mixed application with soil. PAANa could absorb 46.4% water at the suction of 1.5 MPa, but could release 100% water in dry soil. The soil water permeability dramatically decreased with the increase of PAANa ratio, and the saturated hydraulic conductivity decreased nearly to 0 m day-1when the ratio reached 1%. Soil compactness and soil shrinkage ratio increased after drying, thus there were some potential risks when applying PAANa in agriculture.

sodium polyacrylate; soil water permeability; soil compactness; soil shrinkage

1000-7601(2017)02-0172-04

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.27

2015-12-23基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專項(xiàng)(201503116)；國家自然科學(xué)基金課題(51309211)和863課題(2011AA100503)

呂國華(1979—)，山東青州人，副研究員，農(nóng)業(yè)環(huán)境與新材料研究。 E-mail: lvguohua@caas.cn。

宋吉青(1963—)，青海西寧人，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物響應(yīng)機(jī)理相關(guān)研究。 E-maill: songjiqing@caas.cn。

S152

A