人工土壤環(huán)境下保水劑性能的衰減

蒙璽+李紹才+孫海龍

摘要：為探明保水劑性能在人工土壤環(huán)境下隨時(shí)間和施肥量變化而變化的情況，將人工土壤混合保水劑作為試驗(yàn)基質(zhì)，以室外條件下植物生長(zhǎng)為背景，以時(shí)間尺度與施肥量作為變量因子，觀察基質(zhì)中保水劑吸水倍率、吸水速率、保水率、吸力的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：（1）保水劑上述各項(xiàng)指標(biāo)總體上與其放入基質(zhì)中的時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，吸水倍率與吸水速率在保水劑與人工基質(zhì)混合伊始即表現(xiàn)出最大降幅，而后這種降幅逐漸降低；保水率下降的量則是先增大后減小再增大，且在保水劑與人工基質(zhì)混合后20個(gè)月出現(xiàn)1個(gè)較為明顯的拐點(diǎn)；不同外部吸力階段，保水劑在土壤中的出水率隨時(shí)間增大而降低，最大出水率出現(xiàn)在外部吸力為4 MPa時(shí)，最小出水率出現(xiàn)在外部吸力為0.5 MPa時(shí)。（2）與未使用保水劑（T0）的性能相比，施肥量對(duì)保水劑吸水倍率的影響為T(mén)6>T5>T1>T2>T4>T3；2014年7月至2016年7月各梯度間吸水速率并無(wú)較大差異；施肥量對(duì)保水率影響為T(mén)5>T3>T6>T4>T1>T2；各梯度吸力變化并無(wú)明確規(guī)律。

關(guān)鍵詞：人工土壤環(huán)境；保水劑；性能；衰減規(guī)律；出水率；外部吸力；施肥量；水土保持；綠化工程；治沙工程

中圖分類(lèi)號(hào)： S157文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0205-04

收稿日期：2017-02-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2015BAC05B03）。

作者簡(jiǎn)介：蒙璽（1991—），女，重慶人，碩士研究生，主要從事植被恢復(fù)、生態(tài)工程研究。E-mail：m921001885549@sina.cn。

通信作者：孫海龍，博士，講師，主要從事生態(tài)工程研究。E-mail：merecedes@126.com。保水劑在醫(yī)療（衛(wèi)生）、冶金及農(nóng)業(yè)（補(bǔ)水）等領(lǐng)域的積極作用得到了越來(lái)越多的認(rèn)可，尤其在農(nóng)業(yè)方面更成為干旱區(qū)、半干旱區(qū)水土保持、綠化、治沙工程必不可少的因素。研究表明，保水劑的合成原料決定其性能優(yōu)劣[1]，其吸水倍率與其粒徑大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[2]，保水劑對(duì)土壤水分蒸發(fā)有明顯的抑制效應(yīng)，能顯著提高土壤的含水率[3]。然而，保水劑在實(shí)踐過(guò)程中真實(shí)的性能變化卻鮮有報(bào)道，研究保水劑在土壤中的衰減規(guī)律可以明確其在土壤中的作用時(shí)長(zhǎng)與作用效果。目前，肥料在農(nóng)林技術(shù)中的應(yīng)用舉足輕重，研究發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)元素種類(lèi)與濃度能直接影響保水劑在溶液中的吸水能力及保水能力[4-5]，研究不同施肥量條件下保水劑衰減規(guī)律對(duì)其在不同養(yǎng)分土壤中的施加量具有指導(dǎo)作用。由于天然土壤中礦質(zhì)元素分布不均，難以量化，試驗(yàn)中選用人工配置的土壤并種植物，模擬在自然生境中保水劑性能的變化。本研究采用植物盆栽，施加等量保水劑與不等量肥料，在不同時(shí)刻對(duì)保水劑性能進(jìn)行測(cè)定，研究自然條件下人工基質(zhì)中保水劑的衰減過(guò)程，為水土保持、綠化、治沙工程的人工土壤中保水劑的使用提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)于2014年7月至2016年7月在四川省彭州市山地生態(tài)工程技術(shù)研究中心進(jìn)行。彭州市位于成都平原中北部，介于103°13′～103°40′E、30°54′～31°26′N(xiāo)，氣候類(lèi)型大體屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候。根據(jù)多年氣像資料分析，年平均氣溫16.9 ℃，最熱月（8月）均溫為27.1 ℃，最冷月（1月）為4.7 ℃，全年無(wú)霜期平均為276 d，年平均降水量為9325 mm。

1.1.2研究對(duì)象本試驗(yàn)以盆栽為對(duì)象，盆栽載體選用自制水泥盒（圖1），每個(gè)水泥盒長(zhǎng)約50 cm，寬約50 cm，高3 cm。

盆栽基質(zhì)以四川省遂寧廣德寺的紫色土（有機(jī)質(zhì)含量 56.66 g/kg，全氮含量64.41 mg/kg，全磷含量1.64 g/kg，全鉀含量16.89 g/kg）通過(guò)曬干或補(bǔ)水，把含水率控制為 30%±1.5%。保水劑選用成都市億鑫化工有限公司生產(chǎn)的AQUASORB保水劑，主要成分為丙烯酰鉀-丙烯酰胺共聚體，聚丙烯酸鉀在亞甲基雙丙烯酰胺的二乙烯基化合物存在下進(jìn)行聚合得到高吸水材料，型號(hào)為3005KM，粒徑0.3～1.0 mm。肥料由一定比例尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀的復(fù)合肥組成。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1.1保水劑所有試驗(yàn)盆栽取等量保水劑，以拌土干施法施加，即利用電子天平稱(chēng)取一定量保水劑顆粒，與適量基質(zhì)顆粒充分混合，作為盆栽土壤。

1.2.1.2施肥量設(shè)置6個(gè)梯度施肥量的盆栽，第1個(gè)梯度施肥量為0，命名為T(mén)1；其余盆栽施肥量分別為T(mén)2、T3、T4、T5、T6，其中施肥量T4為標(biāo)準(zhǔn)配方試件，其余試件用量根據(jù)比例調(diào)節(jié)（即各施肥量為0.5T4、0.7T4、T4、1.2T4、1.5T4）。將未使用的保水劑作為對(duì)照組，命名為T(mén)0。本試驗(yàn)在澆水過(guò)程中對(duì)盆栽進(jìn)行肥料施加。

1.2.1.3盆栽設(shè)計(jì)為模擬野外水分貧瘠區(qū)的立地條件，本

試驗(yàn)將盆栽設(shè)立在完全水泥地面上，水泥盒與水平地面呈5°。根據(jù)此條件對(duì)植物耐寒、 耐旱及抗病蟲(chóng)害等功能的需求選取盆栽植物，并以撒播種子方式放入基質(zhì)中。試驗(yàn)區(qū)周?chē)鸁o(wú)建筑遮擋，通風(fēng)性能良好。盆栽安置完成后，放入等質(zhì)量的土壤保水劑混合而成的基質(zhì)，進(jìn)行第1次均勻飽和澆水。本試驗(yàn)不進(jìn)行養(yǎng)分人為補(bǔ)給，后期根據(jù)植物生長(zhǎng)情況制定處理方案。

1.2.2測(cè)定項(xiàng)目與方法[6-9]

1.2.2.1保水率測(cè)定每2個(gè)月于盆栽中取出基質(zhì)混合物，篩選出保水劑，并吸水至飽和。稱(chēng)取50 g飽和吸水的保水劑，于電熱恒溫干燥箱中，恒溫30°烘干至無(wú)質(zhì)量損失，每2 h用電子天平記錄保水劑質(zhì)量變化。

1.2.2.2吸水倍率與吸水速率將30 ℃烘干后的保水劑取出1 g，置于蒸餾水中重新吸水，每10 min稱(chēng)取保水劑質(zhì)量，直至保水劑恒質(zhì)量。

1.2.2.3保水劑吸力用環(huán)刀取50 g飽和吸水保水劑，環(huán)刀下部用無(wú)紡布固定，放入美國(guó)土壤水分儀器公司生產(chǎn)的1050型壓力膜儀中，分別加壓0.5、1.0、1.5、2.0、4.0 MPa，每24 h取出稱(chēng)質(zhì)量，至完全平衡質(zhì)量不再減少為止。endprint

1.2.3計(jì)算方法[10]

1.2.3.1保水劑吸水倍率計(jì)算

Q=m0-m1-m2m2。

式中：m0為保水劑飽和吸水后與燒杯的總質(zhì)量；m1為燒杯質(zhì)量；m2為干保水劑質(zhì)量。

1.2.3.2保水劑的保水率計(jì)算

ω=M-M1-M2M0。

其中：ω為燒杯與溶脹的保水劑總質(zhì)量；M為燒杯質(zhì)量；M1為干保水劑質(zhì)量；M0為保水劑初始吸水量。

1.2.4數(shù)據(jù)處理本研究數(shù)據(jù)結(jié)果采用Excel 2007、SPSS、GraphPad Prism 5等軟件處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

2結(jié)果與分析

2.1放入基質(zhì)的時(shí)間對(duì)保水劑性能的影響

2.1.1放入基質(zhì)的時(shí)間對(duì)保水劑吸水倍率的影響吸水倍率是衡量保水劑應(yīng)用性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，影響保水劑的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。從保水劑放入盆栽基質(zhì)中后2～26個(gè)月，隨著保水劑放入盆栽基質(zhì)中的時(shí)間延長(zhǎng)，所有施肥量處理盆栽基質(zhì)中的保水劑吸水倍率減小且呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。6個(gè)梯度處理盆栽中保水劑與未放入基質(zhì)中的保水劑吸水倍率相比有較大的下滑幅度，且在最初放入保水劑的2個(gè)月內(nèi)吸水倍率下降最大，約為40%，而后吸水倍率逐漸趨于平穩(wěn)（圖2）。

2.1.2放入基質(zhì)時(shí)間對(duì)保水劑吸水速率的影響吸水速率指單位時(shí)間內(nèi)保水劑吸收的水分量，是衡量保水劑能否快速收藏土壤徑流的重要依據(jù)。取2014、2015、2016年7月基質(zhì)中的保水劑進(jìn)行吸水速率試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。隨著時(shí)間的推移，與未使用保水劑（T0）相比，各濃度盆栽基質(zhì)中的保水劑吸水速率都有較大幅度下降，且在2014年時(shí)下降最快，約下降50%；與2014年相比，2015、2016年基質(zhì)中的保水劑吸水速率下降逐漸放緩，分別約30%、10%。分析其走勢(shì)可知，幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)所有曲線都在吸水5 min的附近出現(xiàn)1個(gè)拐點(diǎn)，吸水速率在前5 min達(dá)到最大，往后逐漸減?。晃?40 min 后，吸水速率基本不變。

2.1.3放入基質(zhì)的時(shí)間對(duì)保水劑保水能力的影響保水劑的保水能力指的是吸水后的膨脹體保持其水溶液不離析的能力，是反映所獲溶液能否被充分并長(zhǎng)期加以應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)[11]，其主要表現(xiàn)在保水劑保水率上[12]， 保水劑的保水率

可以通過(guò)保水劑失水量除以飽和保水劑總質(zhì)量來(lái)體現(xiàn)。保水率越大，供給植物的水分越多。由圖4可知，隨著時(shí)間的推進(jìn)，50 g飽和保水劑的失水量逐漸降低，在與土壤混合后的2個(gè)月（2014年7月）后，失水量為48.27 g，2015年7月為4628 g，2016年7月為44.29 g，其保水率隨保水劑放入基質(zhì)中的時(shí)間增長(zhǎng)而降低；飽和保水劑失水下降的量則是先增大后減小再增大，且在保水劑與人工基質(zhì)混合后20個(gè)月出現(xiàn)1個(gè)較為明顯的拐點(diǎn)，因此，保水劑保水率降低速度為先增大后減小再增大，且在混合后20個(gè)月出現(xiàn)1個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折。

2.1.4放入基質(zhì)時(shí)間對(duì)保水劑吸力的影響土壤水勢(shì)與植物蒸騰作用、根系吸水機(jī)理有極大的相關(guān)性[13-14]，人工基質(zhì)盆栽中保水劑吸力的變化直接影響土壤的水勢(shì)情況。依據(jù)土壤特征曲線，保水劑吸力可以用不同外界吸力下飽和保水劑出水率的曲線來(lái)表示。如表1所示，在外部吸力為0.5～4.0 MPa 之間，未使用保水劑的出水率范圍可達(dá)到8346%～91.29%，平均出水率達(dá)到90%以上，從2014年7月到2016年7月，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，總體出水率范圍縮小，出水率范圍數(shù)值變小，平均出水率降低；保水劑最大出水率出現(xiàn)在 4.0 MPa 情況下，而最小出水率都出現(xiàn)在0.5 MPa。

表12014年7月至2016年7月不同外部吸力下

保水劑出水率對(duì)比參數(shù)

年份出水率（%）配方范圍平均值最大出水

率梯度

[壓力（MPa）]最小出水

率梯度

[壓力（MPa）]201473.99～89.5983.46T1（4.0）T6（0.5）201570.95～79.2375.20T3（4.0）T4（0.5）2016 67.87～75.7472.52T4（4.0）T2（0.5）保水劑對(duì)照86.46～91.2990.134.00.5

2.2施肥量對(duì)保水劑性能的影響

2.2.1施肥量對(duì)保水劑吸水倍率的影響保水劑吸水倍率能影響肥料利用效率、減少化肥污染[15]，弄清楚在人工土壤中施肥量對(duì)保水劑倍率的影響是合理利用保水劑特性的必要步驟。在盆栽基質(zhì)中，保水劑吸水倍率下降幅度越大，其對(duì)應(yīng)的施肥量對(duì)保水劑吸水倍率影響越大。把2年后盆栽基質(zhì)中保水劑吸水倍率與最初將保水劑放入基質(zhì)中2個(gè)月后的吸水倍率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，吸水倍率下降幅度表現(xiàn)為T(mén)6>T5>T1>T2>T4>T3，因此施肥量對(duì)保水劑吸水倍率的影響表現(xiàn)為T(mén)6>T5>T1>T2>T4>T3（圖5）。

2.2.2施肥量對(duì)保水劑吸水速率的影響吸水速率是保水劑性能的一個(gè)重要指標(biāo)，在自然降雨不夠充分的情況下，可以影響土壤基質(zhì)最終儲(chǔ)水量。肥料通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間與保水劑作用影響保水劑結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響吸水速率。根據(jù)圖3可知，3年各施肥量對(duì)保水劑吸水速率影響并無(wú)較大差異。

2.2.3施肥量對(duì)保水劑保水率的影響保水率是保水劑能供給植物水分利用量的一個(gè)重要依據(jù)，保水率下降越快，保水率下降率越大，其對(duì)應(yīng)濃度施肥量對(duì)保水劑保水率的影響就越大。根據(jù)圖6可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，2年后各濃度處理后基質(zhì)中的保水劑與2年前相比保水率下降率表現(xiàn)為T(mén)5>T3>T6>T4>T1>T2，施肥量對(duì)保水率影響表現(xiàn)為T(mén)5>T3>T6>T4>T1>T2。

2.2.4施肥量對(duì)保水劑吸力的影響施加不同量的肥料處理后的保水劑吸力變化并無(wú)特定規(guī)律，因此未展開(kāi)研究。

3討論

保水劑本質(zhì)上是一種交聯(lián)型高分子電解質(zhì)，其吸水原理是高分子鏈中的羧基和大量酰胺親水團(tuán)在溶液中電離，陰陽(yáng)離子分開(kāi)堆積，產(chǎn)生濃度差，從而形成溶脹吸水現(xiàn)象[16]。未使用的全新AQUASORB保水劑在自來(lái)水中有較高的吸水倍率，可以吸收相當(dāng)于自身質(zhì)量100倍以上的水分，但保水劑與人工土壤混合飽和吸水后，土壤中的極小粒徑顆粒進(jìn)入保水劑空隙中，在短時(shí)間內(nèi)阻塞保水劑吸水通道，迅速降低其吸水倍率、吸水速率與保水率[17]；保水劑自身的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定其吸水溶脹能力，自然條件下，保水劑數(shù)次反復(fù)吸水、失水后，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮舒張，內(nèi)部間架結(jié)構(gòu)逐漸崩塌或老化，保水劑通透性降低[18]，使得上述3個(gè)因子值與剛放入時(shí)相比又有一定的降低；土壤顆粒密度大于保水劑，土壤微小顆粒阻塞保水劑空隙，同等質(zhì)量飽和保水劑，烘干試驗(yàn)后T0干質(zhì)量小于與土壤混合后的保水劑，導(dǎo)致失水試驗(yàn)中保水劑失水量、保水率下降的現(xiàn)象[19]；同時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中的細(xì)菌及微生物對(duì)保水劑有分解的能力[20]，導(dǎo)致飽和保水劑勢(shì)能與對(duì)照組相比相對(duì)較低，出水率降低。最終隨著時(shí)間的推移，保水劑性能降低。endprint

施肥量對(duì)保水劑吸水倍率有較大的影響，施肥量增加，吸水率下降[21]。T5、T6肥料施加量高，從而抑制保水劑吸水。保水劑為高分子電解質(zhì)，其性能易受離子破壞，水中離子電離程度越大，吸水倍率下降越快[22]。T1、T2肥料施加量低，利于植物根部固氮菌生長(zhǎng)及固氮，產(chǎn)物以離子狀態(tài)留存于土壤中，使土壤中可電離的離子濃度增加[23]，保水劑吸水倍率降低。肥料中的尿素屬于非電解質(zhì)肥料，對(duì)保水劑吸水率影響較小[21]，因此T3、T4盆栽施肥量雖大，但保水劑吸水倍率卻小于低施肥量盆栽；每年各施肥量處理下盆栽基質(zhì)中保水劑吸水速率差異不大，則是因?yàn)槲俾手慌c保水劑放置的溶液有關(guān)，本試驗(yàn)將所有保水劑均置于自來(lái)水中，因此每年各濃度處理的保水劑吸水速率相差不大；保水劑保水率主要受保水劑狀態(tài)的影響，在高施肥量盆栽中，保水劑結(jié)構(gòu)易被破壞，保水率下降大，但在自然環(huán)境下，土壤中一些微生物及不可控因素使保水劑出現(xiàn)結(jié)皮現(xiàn)象[24]，各施肥量條件下保水率下降規(guī)律紊亂，導(dǎo)致施肥量對(duì)保水率影響表現(xiàn)為T(mén)5>T3>T6>T4>T1>T2。

4結(jié)論

保水劑吸水倍率隨其放入人工土壤中時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，這一降低趨勢(shì)最大出現(xiàn)在與土壤混合的前2個(gè)月，后逐漸趨于平緩。放入人工土壤環(huán)境時(shí)間越長(zhǎng)，土壤環(huán)境因素對(duì)保水劑吸水速率的制約作用越明顯。保水劑的保水率隨放入土壤中時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，保水率下降的幅度則是先增大后減小再增大，且在保水劑與人工基質(zhì)混合后20個(gè)月出現(xiàn)1個(gè)較為明顯的拐點(diǎn)，AQUASORB保水劑在20個(gè)月以前具有較好的保水率。人工土壤環(huán)境對(duì)保水劑的吸力改變較大，直接影響保水劑對(duì)自然雨水的吸收及對(duì)植物水分的供給。在外界高吸力階段，2年后保水劑的持水率為未使用保水劑的8297%；在外界低吸力階段，2年后保水劑的持水率為未使用保水劑的78.49%。綜合考慮2年內(nèi)保水劑的性能得知，施加肥料量為T(mén)2和T4時(shí)，保水劑性能變化最小，這表明在此肥料施加下保水劑發(fā)揮作用的時(shí)間較長(zhǎng)。但在實(shí)際的保水劑使用中，不僅須要從基質(zhì)配方設(shè)計(jì)、植物種類(lèi)、土壤中微生物菌種等方面考慮，還須結(jié)合具體的地理?xiàng)l件、降水量以及干濕程度等具體因素綜合調(diào)控，使基質(zhì)中保水劑使用時(shí)間更長(zhǎng)久，以達(dá)到節(jié)水抗旱的目的。

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