不同保水劑對(duì)土壤物理性質(zhì)影響的探究

許紫峻，韓 舒，師慶東

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

新疆位于亞歐大陸中部，深處內(nèi)陸受地理環(huán)境的影響，受干旱半干旱大陸性氣候控制降水少而蒸發(fā)量大。北疆干旱度在4～8，南疆干旱度大于9[1]。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水資源短缺成為限制新疆發(fā)展的重要因素之一[2]。

保水劑又稱(chēng)作高吸水性聚合物(Super Absorbent Polymer，SAP)是一種高分子材料。能吸納本身質(zhì)量幾百甚至上千倍的水，并具有反復(fù)吸水的功能[3]。因此保水劑的作用也越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的重視[4-6]。有研究指出保水劑不僅能夠提高土壤持水性，還對(duì)改良土壤結(jié)構(gòu)具有良好的效果，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[7-12]。但是關(guān)于保水劑對(duì)土壤物理性質(zhì)影響的研究還不多見(jiàn)，楊紅善、崔娜等[13,14]研究表明保水劑能夠降低土壤密度。李興等[2]研究表明保水劑能夠改善土壤孔隙度，并隨著保水劑濃度的增大土壤孔隙度逐漸增加。楊永輝等[15]發(fā)現(xiàn)保水劑可以增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。汪亞峰等[16]研究表明土壤體積膨脹率隨保水劑的濃度增加而增加，保水劑在短期內(nèi)增加大于2 mm土壤團(tuán)聚體含量效果明顯。侯賢清、馬鑫等[17,18]研究表明保水劑能增加土壤大團(tuán)聚體數(shù)量。現(xiàn)有研究多集中于單種保水劑或兩種保水劑對(duì)同種土壤物理性質(zhì)的影響研究，關(guān)于不同保水劑對(duì)不同土壤的研究較少。不同種類(lèi)保水劑之間的比較結(jié)果不盡相同[13-18]。因此，有必要針對(duì)干旱區(qū)的不同土壤環(huán)境，明確相應(yīng)的保水劑濃度和類(lèi)型，以期對(duì)土壤進(jìn)行最適改良。

為了進(jìn)一步探明不同保水劑對(duì)干旱區(qū)不同土壤物理性質(zhì)的影響，本研究選用國(guó)外保水劑MP3005 KCE與國(guó)內(nèi)沃特保水劑和新疆大學(xué)研制的HG-60保水劑進(jìn)行對(duì)比，分析沙土、壤土和黏土施用3種保水劑前后的物理性質(zhì)的變化，以期探明不同保水劑在干旱區(qū)不同土壤的應(yīng)用效果以及最佳的施用量和適用類(lèi)型，從而為保水劑在荒漠化治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)供試土壤。根據(jù)卡慶斯基質(zhì)地分類(lèi)法[19,20]的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合《新疆土壤地理》中3種質(zhì)地的土壤特征[21]，在項(xiàng)目研究區(qū)----阜康綠洲西側(cè)，古爾班通古特沙漠南緣，采用四分法分別采集沙土、壤土、黏土。3種土壤的含水率與密度見(jiàn)表1。

表1 土壤含水率、密度背景值Tab.1 Background value of soil moisture content and bulk density

(2)保水劑。本研究篩選出3種保水劑為實(shí)驗(yàn)材料，保水劑的基本情況如表2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的目的在于研究不同保水劑對(duì)干旱區(qū)常見(jiàn)的3種土壤物理性質(zhì)的影響，土壤物理性質(zhì)的改善往往表現(xiàn)在土壤孔隙度的增大、土壤密度的降低或者土壤大團(tuán)聚體的增加等方面。選取土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、密度、孔隙度和體積膨脹率4個(gè)指標(biāo)，通過(guò)分析這些指標(biāo)的變化判斷保水劑對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，并對(duì)比不同保水劑之間指標(biāo)的差異，得出在不同土壤環(huán)境下哪種保水劑對(duì)哪些指標(biāo)有更明顯作用。參考孫福強(qiáng)、孫建和王亞峰[16,22,23]等測(cè)定土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤膨脹率的方法，參考中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤物理研究室主編[24]的《土壤物理性質(zhì)測(cè)定法》中土壤密度和孔隙度的測(cè)定方法，選取合適的保水劑濃度進(jìn)行上述指標(biāo)的分析試驗(yàn)。

表2 供試保水劑的基本情況Tab.2 Line of Super absorbent polymers applied in the experiment

1.3 試驗(yàn)方法

(1)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)測(cè)定 。3種不同土壤分別加入1%濃度的MP3005 KCE、沃特和HG-60用干篩法[16,22]，取干土樣1 kg過(guò)套篩，每篩一次的土樣不宜過(guò)多，以100～200 g為益。將套篩置于振蕩機(jī)上振蕩10 min后，取下上面3個(gè)篩子，再振蕩5 min，曬完后分成>2、1～2、0.5～1、0.25～0.5和<0.25 mm的粒徑，分別計(jì)算各級(jí)篩子中團(tuán)聚體占總土樣的百分比。

(2)土壤體積膨脹率測(cè)定。采用豎直玻璃管法測(cè)定土壤體積膨脹率[22,23]，將兩支帶刻度的分液漏斗(100 mL)，用乳膠管相連，一支分液漏斗基部塞入適量雙層脫脂棉紗布，然后放入風(fēng)干的各試樣(加1%濃度保水劑的處理，需要將相應(yīng)質(zhì)量的保水劑與干土樣攪拌均勻)，記錄起始讀數(shù)。將裝自來(lái)水一端的分液漏斗打開(kāi)，讓水流入裝試樣端的分液漏斗，等土壤全部濕潤(rùn)的時(shí)候，讀取并記錄土壤所占的體積值，每個(gè)處理做3次重復(fù)，計(jì)算膨脹率。

(3)土壤密度與土壤孔隙度的測(cè)定。土壤密度和孔隙度也是重要的土壤物理因子。其變化對(duì)土壤的水分、養(yǎng)分和其他屬性都有顯著影響，進(jìn)而影響水循環(huán)和植物生長(zhǎng)。土壤密度、 總孔隙度采用常規(guī)方法測(cè)定[24]。保水劑的施入量設(shè)置3個(gè)水平梯度與空白土樣進(jìn)行對(duì)比，保水劑質(zhì)量梯度分別為土壤重的0.1%、0.5%、1.0%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響結(jié)果分析

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是評(píng)判土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，土壤結(jié)構(gòu)的好壞可以直接影響到土壤的通氣性、透水性和水穩(wěn)性，保水劑的加入不僅可以增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例，還可以改善土壤的通氣性[13,15](見(jiàn)表3～表5)。

沙土、壤土和黏土加入MP3005 KCE、沃特和HG-60等3種保水劑后，土壤粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)粒體比例較空白均明顯增加。在沙土中分別增加了22.37%、25.6%、31.5%；壤土中分別增加了28.1%、32.8%、39.9%；黏土中分別增加了5.1%、15.8%、19.81%。隨著沙土、壤土加入MP3005 KCE、沃特和HG-60這3種保水劑之后粒徑處于0.25～0.5 mm之間利于增加土壤透氣性的團(tuán)粒體比例也均有所增加，增加幅度在沙土和壤土中皆呈現(xiàn)出MP3005 KCE>沃特>HG-60。但在黏土中土壤粒徑在0.25～0.5 mm之間的部分都呈下降趨勢(shì)，分別下降了3.89%、5.23%、5.52%。

表3 不同保水劑對(duì)沙土不同粒徑團(tuán)聚體影響結(jié)果Tab.3 The affect results of different particle size of sandy with different SAP

表4 不同保水劑對(duì)壤土不同粒徑團(tuán)聚體影響結(jié)果Tab.4 The affect results of different particle size of loam with different SAP

表5 不同保水劑對(duì)黏土不同粒徑團(tuán)聚體影響結(jié)果Tab.5 The affect results of different particle size of clay with different SAP

沙土、壤土和黏土在施加3種保水劑后，水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例皆明顯增加，增加幅度為HG-60>沃特>MP3005 KCE，說(shuō)明經(jīng)過(guò)3種保水劑的反復(fù)吸水，可以起到對(duì)土壤中孔隙和團(tuán)粒形成的影響，這種過(guò)程對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成具有促進(jìn)和改善作用[25,26]還可以有效的穩(wěn)定土壤養(yǎng)分促進(jìn)植物生長(zhǎng)[15]。3種保水劑對(duì)沙土和壤土的通氣性皆有改善，改善幅度呈MP3005 KCE>沃特>HG-60的趨勢(shì)，因此MP3005 KCE保水劑對(duì)改善沙土和壤土的通氣性較其他兩種保水劑來(lái)說(shuō)效果較好。但在施用3種保水劑后黏土中0.25～0.5 mm粒徑的團(tuán)聚體呈下降趨勢(shì)。

2.2 土壤體積膨脹率的影響結(jié)果分析

土壤膨脹率的增加可以增大土壤中的氣相比，從而降低土壤密度和增加土壤孔隙度[25]。保水劑對(duì)土壤體積膨脹率的影響，主要是自身吸水膨脹形成具有一定強(qiáng)度凝膠擠壓土體使土體體積增加，并且跟土壤密度有較大關(guān)系，土壤密度大時(shí)，土體會(huì)對(duì)保水劑吸水膨脹產(chǎn)生約束作用，不僅可以降低保水劑的吸水倍率，也會(huì)減少土體體積膨脹率，反之，當(dāng)土壤密度小時(shí)，保水顆粒受到的約束作用小可以在一定程度上充分膨脹，從而既可以使保水劑的吸水倍率提高，又能增加土體體積膨脹率[27](見(jiàn)圖1和圖2)，在沙土、壤土和黏土中添加3種保水劑后其膨脹體積有明顯的增加(p<0.05)，其中HG-60對(duì)沙土、壤土和黏土中的膨脹體積和膨脹率較其他兩種保水劑有較大貢獻(xiàn)，并且通過(guò)HG-60保水劑處理不同土壤后的膨脹率對(duì)比于其他兩種保水劑有較大的顯著性(p<0.05)，從總體來(lái)說(shuō)，經(jīng)3種保水劑處理后沙土和壤土之間的膨脹率并不顯著(p>0.05)，保水劑在沙土和壤土中的膨脹率對(duì)在黏土中的膨脹率明顯增加(p<0.05)。

圖1 不同保水劑對(duì)沙土、壤土和黏土膨脹體積影響圖Fig.1 The expansion volume influence diagram of different SAP on sand, loam and clay

圖2 不同保水劑對(duì)沙土、壤土和黏土膨脹率影響圖Fig.2 The expansion rate influence diagram of different SAP on sand, loam and clay

不同保水劑在不同土壤中膨脹的均勻程度也有所不同。這主要由保水劑的形狀規(guī)格、吸水性質(zhì)所決定。在沙土中MP3005 KCE為粉末狀，吸水速度較快、較均勻，且與沙土的顆粒最為接近，因此與其結(jié)合的最為緊密、均勻[見(jiàn)圖3(a)]；沃特多功能保水劑為小顆粒狀，吸水后體積增加較KCE大，與沙土結(jié)合的較為均勻[見(jiàn)圖3(b)]；HG-60保水劑為大顆粒狀，吸水后體積增加最大，且沙土土質(zhì)松，易于擠壓，因此與沙土結(jié)合不均勻[見(jiàn)圖3(c)]。在壤土中加入不同保水劑后，各保水劑在壤土中的膨脹程度如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，沃特多功能保水劑與壤土結(jié)合的最為均勻，MP3005 KCE次之，HG-60保水劑與壤土結(jié)合較不均勻。在黏土中由于黏土的黏性大，吸水后易結(jié)塊，顆粒小的保水劑在黏土中不易吸到水分，顆粒大保水劑吸水后對(duì)黏土的擠壓力較小，因此3種保水劑在黏土中膨脹都不均勻。

圖3 不同保水劑在沙土中膨脹程度圖Fig.3 The expansion degree of SAP in sandy

圖4 不同保水劑在壤土中膨脹程度圖Fig.4 The expansion degree of SAP in loam

2.3 土壤密度和總孔隙度的影響結(jié)果分析

土壤孔隙是水分和空氣的主要通道，決定著土壤的持水性和保肥性，影響著植物的正常生長(zhǎng)[2]，而土壤密度則是衡量土壤肥力高低的一個(gè)重要輔助標(biāo)準(zhǔn)[13]，保水劑反復(fù)的進(jìn)行吸水膨脹釋水收縮這一過(guò)程，可以明顯改善土壤的密度和孔隙度(見(jiàn)表6)。加入3種保水劑后，沙土、壤土和黏土的密度對(duì)比空白組均有顯著降低(p<0.05)，且隨著保水劑用量的增加，密度逐漸減小。沙土、壤土和黏土的孔隙度對(duì)比空白組均有顯著增加(p<0.05)，并隨著保水劑的濃度增加而增加。3種保水劑在不同濃度下，降低沙土、壤土和黏土的密度和增加土壤孔隙度作用能力均為HG-60>沃特>MP3005 KCE。且3種保水劑的濃度超過(guò)0.5%以后對(duì)沙土、壤土和黏土的密度和土壤總孔隙度的作用沒(méi)有顯著性(p>0.05)，HG-60、沃特、MP3005 KCE這3種保水劑濃度達(dá)到0.5%時(shí)，分別降低沙土密度的15.3%、13.1%和11.7%，沙土總孔隙度與對(duì)照相比分別提高了7.9%、6.8%和6%；分別降低了壤土密度的20.5%、12.3%和11.6%，壤土總孔隙度與對(duì)照相比分別提高了8.3%、6.8%和6.4%；分別降低黏土密度的12.1%、10.8%和9.5%，黏土的總孔隙度與對(duì)照組相比分別提高了7.2%、6.5%和5.7%。

表6 不同保水劑對(duì)沙土、壤土、黏土密度和總孔隙度的影響Tab.6 The soil bulk density and porosity influence of different SAP on sand, loam, clay

注： 同列數(shù)據(jù)不同小寫(xiě)字母表示不同處理下差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。

3 討 論

(1)沙土、壤土和黏土在保水劑的作用下其水穩(wěn)性團(tuán)聚體均明顯增加，與楊永輝等[15]發(fā)現(xiàn)保水劑可以增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的結(jié)論相符，沙土和壤土的通氣性增加黏土的通氣性降低與楊紅善[13]等得出的保水劑可以增加土壤的通氣性的結(jié)論有差異，推測(cè)可能的原因是由于黏土本身的團(tuán)聚體較大施用的保水劑濃度過(guò)高導(dǎo)致土壤板結(jié)，導(dǎo)致黏土的通氣性下降。HG-60增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的效果最好，MP3005 KCE增加沙土和壤土通氣性的效果較其他兩種保水劑好。按顆粒大小HG-60最大沃特次之MP3005 KCE最小，推測(cè)大顆粒保水劑對(duì)增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的效果較好，小顆粒保水劑對(duì)土壤通氣性的效果較好。

(2)在不同土壤環(huán)境下保水劑對(duì)增加土壤體積膨脹率有顯著作用與汪亞峰等[16]等研究表明土壤體積膨脹率隨保水劑的濃度增加而增加的結(jié)論一致，其中HG-60的效果最好，就膨脹的均勻程度沃特的效果較好。推測(cè)大顆粒的保水劑對(duì)增加土壤體積膨脹率較好，中顆粒的保水劑在土壤中膨脹的更均勻。

(3)保水劑的施用有效的降低土壤密度和增加土壤孔隙度與楊紅善、崔娜等[13,14]研究發(fā)現(xiàn)保水劑能夠降低土壤密度增加土壤孔隙度的結(jié)論相一致，其中HG-60在不同土壤環(huán)境下降低土壤密度和增加土壤孔隙度的能力較其他兩種保水劑強(qiáng)，與李興等[2]研究表明保水劑能夠改善土壤孔隙度，保水劑的粒徑越大土壤密度下降的趨勢(shì)越明顯，土壤孔隙度增加幅度越大的結(jié)論一致。說(shuō)明保水劑確實(shí)可以改善土壤密度和孔隙度兩個(gè)指標(biāo)，且保水劑的粒徑越大改善的效果越好。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)保水劑對(duì)增加沙土、壤土和黏土中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量有明顯作用，在3種土壤中作用能力的共性表現(xiàn)為HG-60>沃特>MP3005 KCE，其中在沙土和壤土中MP3005 KCE對(duì)增加0.25～0.5 mm粒徑的比例貢獻(xiàn)較大，說(shuō)明 MP3005 KCE保水劑對(duì)土壤通氣性較其他兩種保水劑好。

(2)保水劑可以顯著提高土壤的膨脹率，在不同土壤中作用能力均表現(xiàn)為HG-60>沃特>MP3005 KCE(p<0.05)。但從保水劑與土壤結(jié)合的均勻的角度來(lái)看，在沙土中MP3005 KCE>沃特>HG-60；壤土中沃特>MP3005 KCE>HG-60；黏土中3種保水劑都不均勻。綜合土壤體積膨脹率與膨脹均勻程度來(lái)說(shuō)，沃特保水劑在3種土壤中的表現(xiàn)較好。實(shí)驗(yàn)表明不同保水劑在沙土、壤土和黏土中膨脹率的大小為沙土>壤土>黏土。當(dāng)土壤密度大時(shí)，土體會(huì)對(duì)保水劑吸水膨脹產(chǎn)生約束作用，會(huì)減少土體體積膨脹率，反之，當(dāng)土壤密度小時(shí)，保水顆粒受到的約束作用小可以在一定程度上充分膨脹，從而增加土體體積膨脹率。

(3)施用保水劑能顯著降低土壤密度(p<0.05)，增加土壤孔隙度(p<0.05)，并且隨著保水劑濃度的增加，土壤密度逐漸降低；土壤孔隙度逐漸增加。HG-60在降低沙土、壤土和黏土的密度以及增加沙土、壤土和黏土的土壤總孔隙度方面效果較其他兩種保水劑好，且在3種土壤中作用能力均表現(xiàn)為HG-60> 沃特>MP3005 KCE。保水劑濃度在超過(guò)0.5%后在降低密度和增加孔隙度方面沒(méi)有顯著效果(p>0.05)。所以在考慮成本或土壤板結(jié)等因素的情況下可以考慮將保水劑的施用濃度控制在0.5%左右。

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