塇土大顆粒保水劑的吸水、釋水及保水保肥特性研究

杜維薇 劉子凡 董志國 陳思婷 符厚隆

(1 海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院 海南海口 570228;2 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院椰子研究所 海南文昌 571339)

保水劑可以吸收比自身重量重幾百倍至幾千倍的水分，對土壤水具有儲存和緩釋的作用［1］，且可反復(fù)多次吸水，已作為化學(xué)節(jié)水的重要制劑，并在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。國外預(yù)言，保水劑將成為繼化肥、農(nóng)藥、薄膜之后的第四大農(nóng)用化學(xué)品［2-3］。目前，保水劑產(chǎn)品無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家眾多。保水劑的使用效果與土壤、粒徑等因素密切相關(guān)。前人研究認(rèn)為，粒徑小的保水劑容易受到土壤陽離子干擾，降低保水劑的吸水和保水能力，且其吸水膨脹后易阻塞土壤孔隙，增加土壤容重［4-5］；大粒徑保水劑可克服小粒徑因吸水膨脹而導(dǎo)致的長鏈尾端易堵塞土壤孔隙的缺陷。因此，開展大粒徑保水劑的研發(fā)和應(yīng)用已成為國內(nèi)外保水劑研究的熱點。本研究以塇土保水劑為對象，研究其吸水、釋水、重復(fù)吸水等性能及其對水分和養(yǎng)分固持效果，為該類保水劑的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 塇土保水劑（簡稱保水劑）

成份為交聯(lián)聚丙烯酰胺，全稱是丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聚物，粒徑為6～10 mm，由北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供。

1.1.2 供試肥料

尿素（四川美豐化工股份有限公司，總氮≥46.4%）、氯化鉀（中化化肥有限公司，氧化鉀≥62.0%）和過磷酸鈣（平湖金波化肥有限公司，有效P2O5≥12.0%）。

1.1.3 供試土壤

土壤為磚紅壤，采自海南省儋州市新州鎮(zhèn)新州林場椰子園表層0～20 cm，基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)17.70 mg/kg，堿解氮51.73 mg/kg，速效磷13.25 mg/kg，速效鉀62.22 mg/kg，pH 4.22，自然風(fēng)干后過2 mm篩，備用。

1.2 方法

1.2.1 土壤處理

取上述土壤來制備以下4種處理的土壤：添加保水劑并混勻的土壤（用“保水劑”表示）、添加肥料并混勻的土壤（用“肥料”表示）、添加肥料和保水劑并混勻的土壤（用“肥料＋保水劑”表示）和未添加保水劑和肥料的土壤（用“均空白”表示）。其中，保水劑添加量按株施1 kg 折算，得單位質(zhì)量土壤（kg）添加保水劑0.1 g；肥料添加量按每公頃成齡椰子樹的施肥量折算［9］，得單位質(zhì)量土壤（kg） 尿素、過磷酸鈣和氯化鉀添加量分別為0.4、0.3和0.3 kg。

1.2.2 性能測定

1.2.2.1 吸水性能

稱保水劑5 g 置于網(wǎng)袋中，浸在加滿去離子水的水盆中，3 個重復(fù)；于浸水后5、10、30、450 min，分別將保水劑撈起，在紗網(wǎng)上靜置2 min以濾去表面浮水，稱重，繪制吸水曲線，并計算保水劑的吸水倍率。

吸水倍率＝（吸水飽和狀態(tài)的保水劑重－初始狀態(tài)的保水劑重）/初始狀態(tài)的保水劑重。

1.2.2.2 重復(fù)吸水性能

參考文獻(xiàn)［7］。取保水劑0.5 g，充分吸脹，靜置24 h 后稱重；于80℃烘干，稱重，重新吸水，稱重、烘干，重復(fù)吸水－烘干－再吸水8次。

1.2.2.3 水分釋放性能

采用水汽平衡法測定保水劑的保水率。將充分吸脹的保水劑置于底層盛有不同類型飽和鹽溶液的密閉干燥器內(nèi)，將干燥器放置20 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)；首次隔25 d 稱重，之后每隔4 d 稱重，第67天時所有飽和鹽溶液下的保水劑均達(dá)到吸附平衡，不同飽和鹽溶液的平衡水汽壓見表1，具體參考文獻(xiàn)［8］。

表1 20℃時不同類型飽和鹽溶液下的平衡水汽壓［9］

1.2.2.4 保水與保肥特性

（1）采用淋溶土柱法模擬保水劑的保水和保肥特性［10］。選擇內(nèi)徑7.0 cm、高度60 cm的聚氯乙烯管（以下簡寫為PVC 管），2 層10 目防蟲網(wǎng)封底。先取供試土壤1.25 kg，置于土柱，壓實，高度約20 cm，該土柱區(qū)域為淋溶區(qū)；然后分別將上述4種處理的土壤裝入PVC管內(nèi)、壓實，土柱總高度約55 cm；最后用過3mm 篩的洗凈粗砂粒覆蓋土柱表面，砂粒高約4 cm，以防淋溶時擾亂土柱土壤和減少水分揮發(fā)。每個處理設(shè)4個模擬淋溶土柱，將土柱填裝完成后置于淋溶架上，土柱下端放置漏斗，漏斗下放置500 mL 塑料瓶收集淋溶液；土柱裝好后24 h 才開始用蒸餾水對土柱進(jìn)行模擬灌溉淋溶，待無明顯滲漏時停止淋溶，模擬灌溉4次，共灌溉1 200 mL蒸餾水。

用量筒測定淋溶液體積；全氮和全磷采用過硫酸鉀消煮，分別用鉬銻抗比色法和分光光度計法測定；全鉀采用火焰光度法測定。

（2）模擬灌溉淋溶完畢后，除去覆蓋砂層，對土柱進(jìn)行分割：先將下部淋溶區(qū)土柱切下，取出該區(qū)域土柱的土壤，該區(qū)域土壤用“下部”表示，余下的土柱再平均切割；切割后，從PVC管壁中取出土壤，清理出未降解的保水劑，上部土柱土壤用“上部”表示，中部土柱土壤用“中部”表示，測土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2006 軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖；采用DPS 軟件進(jìn)行S 曲線模擬和統(tǒng)計分析，多重比較選用鄧肯氏新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑的吸水曲線

吸水速率是評價保水劑應(yīng)用性能和是否快速吸水的一個重要指標(biāo)。從圖1可知，保水劑吸水達(dá)到穩(wěn)定前，吸水速率基本保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，且保水劑的吸水量呈現(xiàn)出S型曲線規(guī)律。對該曲線進(jìn)行模擬，得方程0.995 6，p＝0.000 1，說明模擬的logistic 方程效果較好。對模擬方程進(jìn)行分析可知，吸水量快速遞增的起止時間為64.29～219.24 min，有效吸水時間達(dá)406.18 min，吸水最大速度0.52 g/min，在141.76 min 時吸水速度最大，理論最大吸水量為121.79 g/g。說明該保水劑具有穩(wěn)定快速吸水的性能，且吸水有效期較長，吸水倍率高。

2.2 重復(fù)吸水性能

圖1 保水劑的吸水曲線

重復(fù)吸水能力的大小反映了保水劑有效使用期的長短［11］。保水劑重復(fù)吸水性能見圖2。從圖2可知，隨著重復(fù)吸水次數(shù)的增加，吸水倍率逐漸下降，前5 次的吸水倍率無顯著差異；至第7 次時，吸水倍率顯著小于前6 次，第7 次和第8 次的吸水倍率無明顯差異，但吸水倍率仍維持在100以上。說明該保水劑重復(fù)吸水性能較好。

圖2 保水劑重復(fù)吸水性能

2.3 保水性能

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，保水劑處理的淋溶液體積顯著小于均空白處理，肥料＋保水劑處理的淋溶液體積顯著小于肥料處理，說明無論土壤是否添加肥料，保水劑均具有較好的保水效果。從圖4 可知，隨著土壤吸力的增加，保水劑釋放的水分增多，當(dāng)pF值增到6.159 時，吸水后的保水劑釋放的水分量達(dá)993 mg/g。

2.4 保肥性能

淋溶作用是土壤養(yǎng)分損失的主要途徑之一［12］。從表2可以看出，保水劑處理的淋溶液中全磷和全鉀含量均顯著低于均空白處理的；肥料＋保水劑處理的淋溶液中全磷和全鉀含量均顯著低于肥料處理的。此外，保水劑處理的淋溶液中全氮含量小于均空白處理，但二者之間無顯著差異；肥料＋保水劑處理的淋溶液中全氮含量顯著低于肥料處理的。

圖3 不同處理淋溶液體積

圖4 不同土壤吸力下保水劑釋放水分量

保水劑對PVC 管不同部位土壤養(yǎng)分的影響見表3，肥料處理的堿解氮含量表現(xiàn)出下部土壤顯著高于上部和中部土壤；均空白、保水劑處理和肥料＋保水劑處理的土壤堿解氮含量在PVC 管不同部位間均無顯著差異。

從表3 還可知，均空白處理、保水劑處理的上部土壤速效磷和速效鉀含量與中部和下部土壤間均無顯著差異；肥料處理下部土壤速效磷顯著高于上部和中部土壤，上部土壤速效鉀含量顯著低于中部和下部土壤；肥料＋保水劑處理上部土壤速效磷含量與中部之間、中部土壤與下部土壤間無明顯差異，上部土壤速效鉀含量與中部土壤和下部土壤間均無顯著差異。說明施有肥料的土壤中添加保水劑可在一定程度上降低全氮、全磷和全鉀的淋失，該保水劑具有較好的保肥性能。

表2 保水劑對淋溶液中的全氮、全磷和全鉀含量的影響 單位：mg/kg

3 討論與結(jié)論

保水劑的吸水、釋水特性是評價保水劑性能的重要指標(biāo)［13］。保水劑的吸水速率與材料類型、表面結(jié)構(gòu)、外形、粒徑等有關(guān)［14］。保水劑粒徑越小，接觸的表面積越大，溶液可更快進(jìn)入其中［15］；粒徑增大，吸水速率下降，吸水倍數(shù)降低，且粒徑越大吸水倍數(shù)下降越顯著［16］。保水劑所吸持的水主要保持在0.1～0.5 bar 低吸力范圍內(nèi)屬于植物最容易利用的水，也是容易被周圍較干燥土壤吸收的水［17］。本研究發(fā)現(xiàn)，塇土蓄肥保水劑在高吸力下吸收的水分90%以上是能釋放且有效的，這一點與蔡典雄等［18］的研究結(jié)果相一致；但是，該保水劑具有吸水較快，吸水速率變化較小，重復(fù)吸水性能較好，吸水倍率可高達(dá)121倍以上，且重復(fù)吸水8 次以上其吸水倍數(shù)仍達(dá)100 以上等優(yōu)點，這可能與塇土蓄肥保水劑成份有關(guān)，丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聚物能克服普通保水劑重復(fù)吸水時，由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸變劣而導(dǎo)致吸水性能下降［16，19-20］的缺點，同時能克服常規(guī)聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉類、腐殖酸鉀保水劑因粒徑大而導(dǎo)致吸水速率慢和吸水倍數(shù)小的缺點。因該保水劑具有能多次重復(fù)吸收大量的水分的性能，尤其適合在海南雨熱同季的自然氣象條件下使用。但是，保水劑畢竟不是造水劑，且該保水劑吸水倍率也僅為100左右，所以，使用該保水劑時，特別是在耗水量大的熱帶作物上使用時，仍須間隔一定的時間再進(jìn)行澆水或灌溉，以保證作物對水分的需求。

表3 保水劑對PVC管不同部位土壤養(yǎng)分的影響 單位：mg∕kg

吸附元素能力是體現(xiàn)保水劑保肥效果的一項重要指標(biāo)［16］。本研究以海南西部干旱半旱地區(qū)椰子園土壤為對象，通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，添加保水劑可顯著減少土壤水分的滲漏，降低施入肥料土壤中全氮、全磷和全鉀元素的淋溶；這些被保水劑吸附的養(yǎng)分，可以被暫時固定下來，起到保持和緩釋肥料的效果。本研究結(jié)果為該保水劑在椰子抗旱栽培中的合理利用提供理論依據(jù)，在施肥時配合添加適量的保水劑，可減少土壤水分的滲漏和氮、磷、鉀等養(yǎng)分的淋失，且可增強(qiáng)土壤保肥能力，并延長肥料有效作用時間。