保水劑在農業生產應用上的研究進展*

寇燕燕 ，李 華 ，劉 斌 ，陳 亮 ，楊世梅 ，丁世國

（1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400；2.甘肅省農業工程技術研究院，甘肅 武威 733006）

農用保水劑是化學節水技術的一種，而且是符合我國國情的一種農田節水措施。保水劑，即高吸水性聚合物（Super Absorbent Polymer, SAP），也稱吸水劑、持水劑，是一種含有羧基、羥基等強親水性基團、具有一定交聯度的水溶漲型高分子聚合物，具有較強的吸水性、材料來源廣泛、便于制取等特點，在農業發展中被廣泛應用。保水劑加入土壤中后可使土壤容重降低，總孔隙度增加，改善土壤整體的透氣性，提高水分和肥料的利用效率。但是，保水劑在實際應用過程中會受到其自身屬性、土壤物理和化學特性、自然氣候等多方面因素的影響。因此，研究人員需要加大對保水劑與土壤水分和物理特性影響相關的研究力度，積極探索保水劑在土壤中發揮持久性效用的方式，為水資源高效利用和農業健康持續發展提供有力的支撐和保障。

1 保水劑特性和作用機理

1.1 特性

1）保水、釋水。保水劑在實際應用過程中，吸水之后會形成特殊的分散體系，在該種分散體系中可吸附大量水分，并在一定程度上限制水分的自由程度，促進水分固結，有效提高土壤的含水量，緩解泥土釋水速度，減少土壤中水分的滲透和流失。部分區域在旱季合理應用保水劑，能夠保證本地的土壤環境始終處于濕潤的狀態，為本地作物或者植物根系提供充足的水分。保水劑吸收水分之后，能最大程度地制約水分子的自由運行，但是針對農作物生長發育過程中根系對水分的吸收，大部分是有效的。結合相關試驗分析，測定保水劑需要吸收的大量水分普遍保持在50 kPa 的土壤水勢之內，其中有98%被認為能夠使植物更好地吸收和應用，保水劑最大吸水能力大約為14 kg/m3，而植物根系最大吸水性能普遍為17 kg/m3，故保水劑不會導致植物根系中的水分倒流到土壤內[1]。

2）應用壽命長，抗旱性良好。通常情況下，聚丙烯酰胺類的保水劑使用壽命為4~6 年，在實際應用過程中具有吸水、釋水、干燥、再次吸水的反復吸水效果，但是在經過反復吸水的過程之后，會降低保水劑大約50%的吸水倍率，最后保水劑甚至失去吸水功能。此外，保水劑在土壤中作用的持久性也和其性質、泥土質地、產品用量等具有直接關系。

3）可治療緩解干旱植物。在農業生產中應用保水劑之后，農作物生長速度加快，并具有良好的抗旱能力，當保水劑將水分吸收完全之后，可以通過提高農作物根部周圍可利用的土壤水，有效減少水分流失。在遇到旱季的情況下，充分發揮保水劑的重要作用，緩解缺水對農作物生長發育造成的傷害，可有效促進農作物生殖生長。相關研究人員針對小麥、水稻、葡萄等作物進行研究，發現在缺水壓制下，能夠通過保水劑有效提高葉片含水率，同時全面增加植株葉綠素含量，增強植物根系生長能力[2]。另外，相關人員研究了保水劑對干旱情況下葉綠素動力學參數的作用，發現在缺水壓制下的葉綠素部分動力學參數相應的治療效果均下降，但是隨著保水劑用量的不斷增加，下降速度逐漸減小，充分證明了藥物中保水劑用量越多，對受到干旱壓制的植物具有越顯著的治療緩解效果。

4）保水劑拌土能夠有效降低農作物蒸騰速度。不僅可以增加葉綠素含量，提高光合作用強度，最大程度減少葉片的電導率，對酶的活性也具有一定的影響，不同酶增加、減少的表現存在一定差異。例如，甘蔗生長過程中，其水分被壓制處理之后，借助保水劑能夠有效減緩甘蔗水分在空氣中的蒸騰速度，加快凈光合速度，且抗旱能力越差的品類，在土壤中應用保水劑的效果越好。

1.2 作用機理

保水劑屬于高分子電解質產品，分子鏈能夠無限長地連接，具有繁雜的3D 網狀結構和相應程度上的關聯度。保水劑吸水機理和其物理化學結構具有緊密聯系，在其交聯網狀結構上，具有較多親水性的基團，在其和水進行接觸的過程中，表面具有親水性的分子鏈具有相應的電離，并且會和水中分子互相結合形成氫鍵，有效吸住水分，整個過程被稱為物理吸附。當親水性的基團與水接觸后，親水性分子鏈會發生電離形成電解質，從而與外界水分形成滲透差，促進分子鏈外部的水分子進入親水性的分子鏈，本質上該過程屬于一種化學吸附的過程。因此，保水劑的全部吸收過程主要是化學和物理吸附互相作用而形成的。其高分子聚集態具備線型和體型結構，線型結構主要是鏈與鏈之間的交聯，對吸水時的隨意伸縮和膨脹具有決定性影響；體型結構在整個吸水過程中不能無限伸縮，具有確保保水劑維持一定的形狀結構的作用[3]。保水劑的兩種結構使其不會和水相融合，并且能夠在水中膨大，產生凝膠物質，當全部水分釋放之后，也能保證其結構不被損壞，依然可以恢復吸水功能。

2 保水劑對土壤的作用

2.1 對土壤物理性狀的影響

土壤物理性狀中的土壤含水量是對作物生長具有直接影響的主要指標之一。施用保水劑能夠有效抑制施用層之上的土壤含水量下降，具有良好的抗旱效用，持續時間能夠達到15~20 天。相比之下，在保水劑施用層之下的土壤含水量和未施用保水劑的土壤含水量下降較顯著，保水劑施用量越大的情況下，差異越明顯。

保水劑不同施用方式對土壤含水量的影響存在一定差異性。相關試驗表明，在農業大田中應用溝施、穴施或者混施的方式，施用量保持在45 kg/hm2，控制施用深度在0~20 cm，能夠明顯提高0~40 cm 深土壤的含水量，并且保持提高范圍在7.5%~12.7%之間，而溝施效果相較于穴施、混施效果更加顯著。主要由于混施保水劑主要在淺層土壤中分布，在吸水之后出現膨脹、收縮現象，容易產生和大氣連通的土壤孔隙，從而造成土壤水分流失，同時容易出現地面結皮現象，大幅度減少雨水入滲[4]。另外，穴施的保水劑相對集中，和土壤接觸范圍相對較小，吸水量小，同時會由于保水劑過分集中形成較大的膨脹力，產生和大氣連通的土壤孔隙，大大增加了土壤水分蒸發量。溝施方式雖然會出現相似的孔隙，但是由于保水劑上面覆蓋土壤，通常情況下孔隙和大氣不易連通，從而土壤水分流失緩慢。

保水劑對于土壤物理性狀的影響和土壤質地具有一定的關系，在不斷增加保水劑用量的情況下，砂土的團聚體具有明顯的增大現象，而中壤和重壤土自身團聚性較好，保水劑對其影響不顯著。土壤團聚體增大的機理主要在于，保水劑吸水之后呈現出凝膠狀，能夠將松散的土壤顆粒有效粘連成團狀。因此，保水劑在砂壤土和黏壤土中應用效果相對較好，主要是因為黏粒、有機質含量越高的土壤，離子置換的影響更加顯著，對保水劑吸水抑制效果更加明顯[5]。

2.2 對土壤水力性能的影響

保水劑對土壤水力性能的影響和土壤質地、pH值相關。人們普遍認可的結論是在應用保水劑之后，砂土在持水性增大、水分蒸發和滲透性降低等多個方面的效果明顯優于中壤、重壤土；保水劑在中性土壤中吸水性最佳，在堿性、酸性土壤中有一定程度的降低。同時，保水劑能夠增大或者減小土壤pH 值，相關試驗證明，其能夠使砂質黏土、壤土的pH 值從6.03降低到5.6。

保水劑對土壤水力性能的影響和施用方式具有密切關系。通過試驗進行分析，發現溝施、混施的水分入滲速率和對照CK 相比下降較明顯，其中，混施的最大降幅能夠達到45.1%，溝施的最大降幅達到11%，入滲速率的降幅會隨著保水劑施用量的增加不斷增大，土壤水分深層滲漏不斷減少，從這方面進行分析，混施優于溝施。另外，保水劑施用時的土壤水分蒸發和CK 相比減少15.37%~50.42%，混施和溝施相比少6%~25%，混施施用量90 kg/hm2時最小[6]。主要是因為混施能夠促進保水劑更加均勻地分布在土壤中，在整個土壤面內具有良好的作用，可以充分吸水，有效抑制水分深層滲漏、蒸發；但是溝施保水劑分布相對較集中，沒有干預到較多滲漏和蒸發通道。當前較多研究人員針對保水劑對土壤水力性能的影響進行了大量研究，但是在實際操作中由于溫濕度、持續時間等測試條件存在一定差異性，并且缺乏統一標準進行衡量，保水劑對于土壤水力性能的動態影響規律也不清晰，導致針對保水劑施用層和非施用層之間的土壤水力聯系、水分入滲、蒸發的聯系等的研究相對較少，需要在今后的研究中對上述內容進行重點分析。

3 保水劑在農業生產中的應用方法和效果

3.1 種子包衣

農業生產過程中應用保水劑和肥料、農藥等混合物拌和種子或者造粒時，能夠在種子表面形成一層保護膜，為種子萌發提供充足的水分和養分，增強種子的抗病蟲害能力，最大程度降低病蟲害發生概率，有效提高種子出苗率。相關人員應用保水劑對春小麥種子進行包衣處理，通過研究發現小苗出苗提前了1~2 天，種子出苗率提高了6.05%~11.1%，春小麥種植產量提高了7.45%~7.65%。另外，相關人員在水稻種子包衣劑中增加保水劑，對種子進行包衣處理之后，和常規包衣劑處理的水稻種子相比，出苗率增加了6.6%，產量提高了12.1%，獲得了理想效果[7]。

3.2 育苗

農業生產過程中應用保水劑和其他基質進行混合，在蔬菜和苗木的工廠化育苗中具有良好的適用性，同時能夠應用在盆栽花卉種植中。相關研究人員通過試驗，將保水劑和基質混合進行甜椒穴盤育苗，選用保水劑的過程中，控制其用量為4 g/L 時，甜椒幼苗的葉綠素質量分數、凈光合速率、根系活力、可溶性糖質量分數最高，壯苗指數對比常規甜椒育苗方法提高46.6%[8]。另外，相關人員不斷在西紅柿、黃瓜和茄子等多種農作物育苗中應用保水劑進行試驗，充分表明了在育苗的過程中，選擇適量的保水劑和基質相混合，能夠有效提高農作物幼苗的生物量、生理活性，具有顯著的抗逆性增長，可全面提高農作物幼苗質量。但是，當保水劑應用量較大時，會逐漸降低農作物幼苗的質量，主要是由于大量保水劑凝膠造成基質含水量較高，大大影響了基質的透氣性，降低了農作物幼苗根系的活力，從而對幼苗的生長發育具有一定的抑制性。

3.3 蘸根

通常情況下，蘸根在甘薯、蔬菜、苗木移栽中具有良好的適用性，當保水劑蘸根之后能夠在農作物根部形成一層保護膜，有效避免農作物根部出現水分流失現象，從而在移栽過程中有效提高農作物植株的存活率，縮短緩苗期。相關人員通過試驗，充分證明了應用保水劑的農作物在定植之后的2~4 周之內植株高度、葉面積等全部指標均有所提升，明顯縮短了緩苗時間。例如，應用保水劑對一年生馬尾松、板栗苗進行蘸根移栽的過程中，平均存活率為88.5%、97%；在試驗過程中合理設置對照組，存活率分別為68.2%、50%；其中，馬尾松苗生物量和對照組相比有效提高了126.8%，根生物量提高了53.5%，葉生物量提高了258.4%，枝生物量提高了52.0%。

3.4 土壤直接施用

保水劑土壤直接施用主要包含地表撒施、溝施或者穴施。其中，地表撒施主要是在地表或者整地翻土的過程中均勻撒施保水劑，用量控制在50 kg/hm2~100 kg/hm2，在飼料作物、綠化草坪等植物種植中具有良好的適用性，普遍獲得顯著的應用效果。相關研究人員在冬小麥種植過程中，分別應用5種不同類型的保水劑，控制施用量分別為30 kg/hm2、60 kg/hm2，在保水劑撒施之后翻入土壤中，冬小麥產量增加了1.3%~7.9%，水分利用效率和常規冬小麥種植相比提高了3.6 kg/（hm2·mm）。另外，相關研究人員在相對貧瘠的沙地上種植沙地燕麥，分別在4 個施肥水平上施用保水劑，控制施用量為60 kg/hm2，燕麥平均秸稈、籽粒產量、地上生物量、地下生物量分別增加了38.57%、22.5%、32.01%、24.58%；肥料實際利用效率提高了29.5%，土壤中的全氮、速效磷和鉀的含量都有一定的提高[9]。

在不同農作物播種的過程中，需要根據不同作物選擇相適應的保水劑用量，控制保水劑施用量在10 kg/hm2~150 kg/hm2之間，通常情況下應用溝施、穴施的方式，在施入的同時或者在施入之后進行播種、移栽。相關研究人員在玉米種植的過程中，在玉米苗期溝施保水劑，控制施加量為45 kg/hm2，和對照組相比，30 cm~60 cm 土層含水量有效提高了18.32%，60 cm~100 cm 土層含水量下降了14.03%；在上層土壤中有效提高了硝態氮、銨態氮和有效磷含量，充分證明了保水劑能夠阻止水分下滲出現淋溶作用并導致養分流失；玉米粗淀粉、粗蛋白含量及玉米產量分別提高了1.1%、8.4%及20.1%，而粗纖維含量下降了24.1%。另外，研究表明，棉花種子和保水劑均勻混合之后進行播種，在滴灌條件下可有效節水40%，保水劑施加量控制在60 kg/hm2、90 kg/hm2時，和常規滴灌相比分別增產16.35%、18.94%。

4 未來研究方向和需要解決的問題

4.1 研發新型保水劑

當前保水劑生產技術相對成熟，主要是聚丙烯酸鈉和酰胺、淀粉、纖維素等種類。聚丙烯酸鹽類保水劑和土壤內的鈣、鎂、錳等二價金屬容易發生拮抗反應，降低其吸水倍數和應用效果[9]。因此，保水劑在農業生產應用的研究過程中，需要更多研究抗拮抗、耐水解和光老化、微生物降解緩慢的新型保水劑，有效延長其使用壽命，最大程度地減少保水劑的綜合應用成本[10]。

4.2 研制系列化、功能化保水劑

拌種和土壤施用、蘸根、育苗等多種用途的保水劑相關技術指標要求存在一定差異性。保水劑在實際應用過程中可以和肥料、農藥及其他相關農化產品進行有效結合，不斷研制大田作物種植、植樹造林等不同用途的專用保水劑系列產品。相關研究人員可以借助化學方法在保水劑分子鏈上引入不同功能性基團，有效研制多功能復合型保水劑，或者針對不同功能和有效成分的保水劑、肥料、農藥進行有效混合，研制出復合型保水劑，有效解決不同組分出現的拮抗作用。相關研究人員應采用多種技術路線，明確不同功能成分的合理配比，有效研制出專用型、營養充足、用途明確、可降解的環保型、多功能保水劑，最大程度地發揮保水劑在農業生產中的重要作用。

4.3 加大保水劑應用技術和作用機理研究力度

當前人們對于保水劑的應用研究普遍集中在育苗、移栽、農作物生長和產量等多個方面，但是大多數為試驗報告性質。實際上保水劑用量較少，形狀不規則，難以進行機械施用，給在大田農業中應用保水劑帶來不便。因此，在農業實際生產過程中，為了充分發揮保水劑的節水抗旱作用，需要全面分析和考慮自然氣候條件、區域特點、土壤和作物等多種影響因素，通過長期系統性的研究，針對不同類型的保水劑產品制定相適應的應用技術規范和標準。另外，相關研究人員需要進一步研究保水劑和土壤、肥料、作物之間的作用機理，研制出適應機械設備精準施用的物理性狀，最大程度減少保水劑的應用成本，全面提高投入產出比，有利于實現保水劑在農業生產上的規模化應用目標。

5 結束語

保水劑在農業生產上的應用范圍和方式逐漸呈現出多元化的趨勢，但是保水劑材料相對較單一，限制了其與其他改良土壤材料的綜合應用，并且會在土壤中不斷積累，引發土壤問題，影響環境，未來還需要對此進行進一步深入研究。