保水劑對土壤性質及含水量的影響研究

李華閆沛玉劉斌陳亮楊世梅王翠麗杜雷超

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

我國干旱和半干旱地區幅員遼闊，因此，水資源的匱乏及其引起的水土流失對我國農業的可持續發展造成了很大的影響。農業用水是各用水領域中需水量最大的，長期以來，我國農業受土壤環境污染、干旱缺水、土壤養分下降等多種因素制約，應當利用有限的水資源盡可能高效地解決農田中的各種問題，提高農業用水效率是節約用水的必然措施，發展節水農業將成為一項重要的國家戰略[1]。在眾多的節水農業技術措施中，減少土壤的無效蒸發和作物蒸騰，提高作物的用水效率是提高農田水分利用效率的關鍵部分。因此，將少量的化學制劑應用于農田抗旱節水的研究中，是一種全新的節水方式——化學節水。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。農用保水劑的研發和應用，是開發和利用在干旱區開展節水農業的一種較為理想的節水措施，在農業生產等多方面都有著廣泛的應用和發展前景[2]。

保水劑，即高吸水性聚合物(Super Absorbent Polymer 簡稱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，并具有一定交聯度的水溶漲型高分子聚合物[3]。保水劑在其他方面也被稱為高吸水劑、保濕劑、超強吸水樹脂以及有機高分子化合物。因其能夠快速吸收比自己體重重幾百倍到數千倍的水，并且還可以進行多次重復的吸水，在吸水之后還可以慢慢釋放水供農作物使用，具有很好的吸水保水特性[3]，在改善干旱地區土壤持水性、改善土壤結構、減少水分向深層泄漏和減少土壤養分流失等方面具有明顯的效果，因而在節水農業和生態環境恢復中得到了越來越多的應用。因此，本研究通過分析保水劑的性質和作用機理，研究保水劑對土壤物理性質和吸水保水效應的影響，以期為提高旱作區農業種植水平和促進保水劑的推廣應用提供科學依據。

1 保水劑的類型、性質及作用機理

1.1 保水劑的類型

按照生產原料保水劑可以分為淀粉類(淀粉-聚丙烯酰胺型、淀粉-聚丙烯酸型)、纖維素類(羧甲基纖維素型、纖維素型)、聚合物類(聚丙烯酸型、聚丙烯晴、聚乙烯醇等)3種類型[4]。按照保水劑形態可分為粉末狀、薄片狀、纖維狀、液體狀4種類型，目前農業生產中使用的保水劑以粉末狀應用最為廣泛[4]。

1.2 保水劑的性質

1.2.1 吸水性

保水劑的吸水性包括吸水能力、吸水速度和吸濕能力。其吸水性能與保水劑自身的組成、結構、水溶液中的鹽類、pH等因素有關[5]。一般而言，離子型高分子的吸水性高于非離子型高分子，并且隨著高分子電離程度的提高，其吸水性也隨之增強，同一種保水劑在純水中的吸水性更強，更迅速；離子型的保水劑需要幾小時到十幾個小時，而非離子型的保水劑則需20～60min[6]。保水劑不僅可以吸附液體中的水分，而且可以吸附大氣和土壤中的水分，其吸濕性能及吸濕速率與保水劑類型及環境濕度都有關。

1.2.2 保水性

在自然情況下，使用保水劑后土壤的蒸發速率顯著降低，并且在壓力作用下，不容易發生離析。在恒溫下的蒸發實驗結果表明，保水劑對水分揮發具有顯著的抑制效果。

1.2.3 持效性

保水劑有重復吸收作用。根據實驗室測試結果，在重復使用的情況下，保水劑的吸水量通常會降低50%～70%，后達到一個穩定水平。試驗結果顯示，3～5年后，保水劑在土壤中會逐步降解，對水分的吸收能力大幅度下降，其維持能力與其自身特性、土質和使用量密切相關[7]。優質高效保水劑，既能有效保持當季作物水分，又能有效保護后茬作物水分。而低效保水劑只對一次耕作的作物有效。

1.3 保水劑的作用機理

保水劑都是高分子電解質，其吸水機理與普通吸水材料以物理吸水為主、吸水量小的吸水機理有很大區別，保水劑的吸水是由高分子電解質的離子斥力所造成的分子膨脹和網狀結構所造成阻礙分子的膨脹相互作用所產生的，這種高分子化合物的分子鏈是無限長的，分子之間存在著復雜的三維網絡，因此具有一定關聯度，其網絡中含有豐富的羧基和羥基等親水性基團，在與水接觸時，這些親水性基團會被離子化，并與水形成氫鍵，從而吸附水分子[8]。在此過程中，網狀結構中的電解液和外界水分形成了一個滲透電位，外界水分通過這種滲透電位持續向分子內遷移。由于離子水在網絡中具有較強的解離作用，而帶負離子的離子集團仍然被固定在網絡中，因此，由于負離子之間的相互排斥作用，使得聚合物網絡的結構發生了變化，從而導致大量的水分進入到分子網絡中。聚合物的聚集狀態，既有直線的，也有體積的，因為鏈段與鏈段之間存在輕微交聯，所以直線部分可以自由伸縮，而體積的，則可以保持一定的強度，不能無限伸縮[9]。這樣，保水劑就不會在水里溶解，而是膨脹成凝膠狀，在分子鏈段沒有斷裂的情況下，凝膠的吸水性仍然可以得到很好的恢復。

2 試驗材料與方法

2.1 供試材料

供試土壤為甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心灌溉試驗站(N37°23′，E104°08′)試驗田內土壤。供試保水劑為海瑞達保水劑，具有保水、保肥、疏松土壤的性能，主要應用于農業、林業種植，應用作物有馬鈴薯、玉米、藥材、蔬菜及經濟果林等，由甘肅海瑞達生態環境科技有限公司提供。

2.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機試驗設計，保水劑使用量為單因素，設4個水平，分別為處理1(150kg·hm-2)、處理2(210kg·hm-2)、處理3(270kg·hm-2)、處理4(330kg·hm-2)，以不使用保水劑作為對照(CK)。取各處理土壤使其達到飽和持水量，采用烘干稱重法對保水劑的持水性和伸縮性進行測定[9]。

2.3 數據處理

采用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，采用新復極差法(Duncan)比較不同處理間的差異顯著性，采用Excel 2007軟件制圖。

3 結果與分析

3.1 不同處理對土壤含水量影響

由表1可知，第5天、第10天、第15天的土壤含水量隨著保水劑使用量的增加呈現增加的趨勢，第10天、第15天的土壤含水量均顯著高于CK。不同保水劑使用量處理下，處理3、處理4的土壤含水量均顯著高于處理1、處理2、CK，處理3和處理4之間差異不顯著。第5天，處理3、處理4的土壤含水量較CK分別提高了13.0%、17.8%，差異顯著；處理1、處理2的土壤含水量與CK無顯著性差異。第10天，各處理的土壤含水量均顯著高于CK，處理3、處理4的土壤含水量較CK分別提高了38.9%、43.4%，差異顯著，且均顯著高于處理1、處理2。第15天，處理3、處理4的土壤含水量較CK分別提高了87.5%、110.9%，差異顯著。結果表明，土壤含水量隨著保水劑使用量的增加顯著提高，且隨著時間的推移效果越顯著，較優的保水劑使用量為處理3、處理4。

表1 不同處理的土壤含水量

3.2 不同處理對土壤物理性狀的影響

由表2可知，處理4的土壤總孔隙度最高，為59.2%，顯著高于其他處理和CK，較CK提高了15.6%；處理2次之，為55.2%，較CK顯著提高了7.8%，但與處理1、處理2無顯著差異，處理1、處理2與CK差異不顯著。土壤容重方面，處理4的土壤容重最低，為1.11g·cm-3，與其他處理無顯著性差異；處理2、處理3、處理4的土壤容重較CK分別降低了10.6%、12.1%、15.9%，差異顯著。土壤固液氣三相組成方面，處理4的液相最高，為46.3%，顯著高于其他處理和CK，較CK提高了37.4%；處理3(36.3%)較CK提高了7.7%，差異顯著；處理1、處理2和CK無顯著性差異；處理4的土壤固相最低，為41.1%，顯著低于其他處理和CK，較CK降低了13.1%，其他處理和CK之間差異不顯著；處理4的土壤氣相最低，為19.2%，顯著低于其他處理和CK，較CK降低了21.9%；處理3(17.3%)較CK降低了9.9%，差異顯著；處理1和處理2與CK無顯著性差異。結果表明，保水劑可以有效降低土壤的總孔隙度和土壤容重，提高土壤的液相比重和氣相比重，較優的保水劑使用量為處理4。

表2 不同處理的土壤物理性狀

3.3 不同處理對土壤有效水量的影響

由表3可知，處理4的毛管持水量(46.3%)和有效水量(37.0%)均顯著高于其他處理和CK，較CK分別提高了43.3%、44.5%，處理3的土壤毛管持水量較CK提高了19.8%，差異顯著，與其他處理無顯著性差異；處理1、處理3的土壤有效水量次之，分別為32.6%、30.4%，較CK分別提高了27.3%、18.8%，差異顯著。結果表明，保水劑可以有效提高土壤的毛管持水量和有效水量，較優的保水劑使用量為處理4。

表3 不同處理的土壤有效水量

4 討論與結論

保水劑作為一種重要的農業節水技術，在農業生產中廣泛應用[10]。保水劑具有降低土壤蒸發，減少水的滲透，抑制土壤含水率下降(持續時間可達10～15d[11])及改善土壤結構的作用。本研究表明，使用保水劑后第5天、第10天、第15天的土壤含水量隨著保水劑使用量的增加呈現增加的趨勢，第10天、第15天的土壤含水量均顯著高于CK，且隨著時間的推移效果越顯著。改善土壤理化性質方面，有效降低土壤的總孔隙度和土壤容重，提高土壤的液相比重和氣相比重，提高了土壤的毛管持水量和有效水量，表明保水劑有利于提高土壤的致密程度，促進土壤團聚體的形成和土壤結構的良性發育，還具備優良的吸水持水能力，這與王榮蓮等[4]、吳勇等[8]、代大偉等[12]、金哲石[13]等學者研究結果一致。

結果表明，本試驗條件下，使用保水劑可以顯著提高土壤含水量、液相比重和氣相比重，有效降低土壤的總孔隙度和土壤容重，較優的土壤保水劑使用量為330kg·hm-2。