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(yōu)良的吸水能力和保水能力，能夠迅速吸收比自身重數(shù)百倍乃至千倍的液態(tài)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(yōu)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(yīng)用于農(nóng)林、園藝、石油開采、醫(yī)用衛(wèi)生[3-4]、礦山開采、日用化工、環(huán)境保護和食品加工[5-7]等領(lǐng)域。

高吸水樹脂問世后，許多研究者用它與土壤結(jié)合改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、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(jié)約灌溉用水、減少灌溉次數(shù)。日本在砂地20 cm深處放一層含有質(zhì)量分數(shù)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(fā)芽率，另一方面可縮短發(fā)芽時間，這對于在干旱地區(qū)播種很有價值。Silberbush等人[9]對高吸水保水劑的應(yīng)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(zhì)量分數(shù)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(nóng)作物。

我國目前也在研究和開發(fā)、推廣應(yīng)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(jīng)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(chǎn)廠家。趙小雯等人[10]的研究結(jié)果表明，添加高吸水保水劑的土壤的累積水分蒸發(fā)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(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與推廣定為重點科研項目，中國農(nóng)業(yè)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(nóng)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(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的高吸水性樹脂施于土壤中后，易造成土壤的板結(jié)，破壞了土壤中的微氣相空隙，因而造成植物生長環(huán)境的惡化。而土壤板結(jié)的同時也相應(yīng)地導(dǎo)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(huán)境。此外，傳統(tǒng)高吸水性樹脂的耐鹽性較差，在實際應(yīng)用中(尤其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中)往往造成實際吸水倍率遠遠小于試驗室中測定結(jié)果的狀況。

本試驗研究的新型吸水樹脂，由于接枝到木質(zhì)素磺酸鹽上，具備了農(nóng)業(yè)應(yīng)用的可行性，木質(zhì)素在土壤中有大量用途，在普通過磷酸鈣中添加木質(zhì)素利用木質(zhì)素強大的吸水能力可使普通過磷酸鈣成為粉狀物質(zhì)而且能提高其肥效，改善土質(zhì)。木質(zhì)素可用作農(nóng)藥的分散劑，木質(zhì)素比表面大，質(zhì)輕，能與農(nóng)藥充分混合，尤其是分子結(jié)構(gòu)中有眾多的活性基團，能通過簡單的化學反應(yīng)與農(nóng)藥分子產(chǎn)生化學結(jié)合，即使不進行化學反應(yīng)，兩者之間也會產(chǎn)生各種各樣的次級鍵結(jié)合，使農(nóng)藥從木質(zhì)素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中緩慢釋放出來;木質(zhì)素有很好的吸收紫外線的性能，對光敏、氧敏的農(nóng)藥能起到穩(wěn)定作用;木質(zhì)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(zhì)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(nèi)外未見該吸水樹脂在土壤方面應(yīng)用研究，木質(zhì)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(zhì)素磺酸鈣價格低廉，將丙烯酸接枝到木質(zhì)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(zhì)素磺酸鈣接枝丙烯酸/丙烯酰胺吸水樹脂在農(nóng)業(yè)中的實際應(yīng)用提供一定的參考。

1 方法和材料

1.1 供試土壤理化性質(zhì)

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(zhì)含量多在20 g/kg以上，高的可達130～170 g/kg，腐殖質(zhì)組成中一般以胡敏酸為主。土體剖面構(gòu)型不明顯，表層有機質(zhì)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(zhì)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(yǎng)豐富，有利于花卉根系發(fā)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(shù)。

2 結(jié)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(fā)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(zhì)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(fā)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(xiàn)，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(zhì)素磺酸鹽接枝AA/AM吸水樹脂土壤水分蒸發(fā)量明顯下降?？偟膩砜?，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(fā)，使土壤的含水量增多，而添加木質(zhì)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(fā)作用的試驗表明，土壤蒸發(fā)進入第二階段(水分非飽和階段)后，才發(fā)揮效果，而第一階段(水分飽和階段)，水分累積蒸發(fā)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(dǎo)致了實際表面蒸發(fā)面增加，但添加高吸水樹脂的土壤水分蒸發(fā)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(zhì)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(zhì)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(fā)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(xiàn)，加入1.0%和1.5%高吸水樹脂的土壤水分蒸發(fā)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(fā)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(fā);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(tài)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(nóng)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(guān)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(fù)吸水—釋水試驗(圖5)，結(jié)果表明隨干燥次數(shù)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(shù)的影響

滲透系數(shù)是衡量土壤的表層結(jié)度和土壤抗蝕能力的重要參數(shù)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(shù)的增加幅度越來越小，從圖6的斜率可以看出，滲透系數(shù)和吸水樹脂的用量增加并不呈正相關(guān)，隨吸水樹脂的用量增加，滲透系數(shù)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(jié)構(gòu)，使土壤形成團聚體結(jié)構(gòu)，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(shù)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(dǎo)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(jié)論

與傳統(tǒng)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(fù)吸水的功能;木質(zhì)素比表面大，質(zhì)輕，能與農(nóng)藥充分混合，使農(nóng)藥從木質(zhì)素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中緩慢釋放出來;木質(zhì)素有很好的吸收紫外線的性能，對光敏、氧敏的農(nóng)藥能起到穩(wěn)定作用;木質(zhì)素在土壤中可緩慢降解，最終不會有污染物殘留。

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