保水劑吸水保水特性的試驗分析

周 晗 王小云

（山西農(nóng)業(yè)大學水土保持科學研究所，山西太原030013）

呂梁山區(qū)是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，存在著大量靠天吃飯的旱作緩坡地，加之嚴重的水土流失，使得該區(qū)的坡耕地面臨作物產(chǎn)量低、經(jīng)濟效益低等問題。保水劑作為一種高效保水、保肥的高分子聚合物，在農(nóng)林方面的應用越來越廣泛。但不同保水劑在不同氣候、土壤條件下應用效果差異較大[1]。為了保障使用者在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中正確使用保水劑，以及進一步提升保水劑在呂梁山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的使用效果。本文對主要成分為聚丙烯酸鹽和聚丙烯酰胺共聚體的保水劑的吸水性、保水性進行了研究，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用保水劑提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試材

保水劑為鄭州凱迪化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的農(nóng)林抗旱保水劑，主要成分為聚丙烯酸鹽和聚丙烯酰胺共聚體。試驗用土取自離石王家溝流域官道梁坡地，土壤理化性質(zhì)詳見表1。

表1 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 測定項目及方法

1.2.1 保水劑吸水性能測定

保水劑吸水量、吸水速率采用蠕動泵定量定時滴定法測定。分別在2 L 的亞克力土壤柱（內(nèi)徑10 cm，高30 cm）底部及保水劑上部各放置一張濾紙，并均勻放置3 g、5 g、10 g 保水劑到濾紙上，然后采用蠕動泵（流速為1 mL/s）注入自來水，待土壤柱底部發(fā)生滲水時停止注水，記錄注水量。采取人工加水的方式測定最大吸水速率，即將特定容量的自來水，直接倒入放有保水劑的土壤柱中。加水速度控制在土壤柱中自來水平面略高于保水劑為準。采用秒表記錄倒水時間。待土壤柱底部出現(xiàn)滴狀的滲透水時，停止傾倒自來水，并記錄加水時間和加水總量。

1.2.2 保水劑與土壤混合后的土壤吸水性測定

用蠕動泵注水法測定保水劑和土壤混勻物的吸水特性。稱取4 份200 g 試驗土樣，分別加入0 g、0.5 g、1 g 和2 g 保水劑，用藥匙將保水劑和土壤混勻，倒入底部鋪有一張濾紙的土壤柱中，通過輕輕搖晃使其表面平整。通過蠕動泵（流速為1 mL/s）將自來水注入土壤柱中，直到土壤柱底部出現(xiàn)滲透水下滴，停止注水，計算其注水量。

1.2.3 保水劑與土壤混合后的土壤保水性測定

用模擬蒸發(fā)法測定保水劑與土壤混合后的土壤保水率。取200 g 試驗土樣分別與0 g、0.5 g、1 g 和2 g 保水劑混合均勻后裝入已稱重的鋁盒中，每個梯度重復3 次，將水注入鋁盒內(nèi)，待保水劑完全吸收自來水后稱重，然后在35 ℃下恒溫蒸發(fā)，每隔2 h 取出稱重，直到達到恒重，計算土壤保水率。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2003 軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，采用SPSS 12.0 進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑吸水性能及參數(shù)研究

吸水速率是衡量保水劑吸水性能高低的重要指標，對施用保水劑后的效果具有重要影響。

由表2 可知，3 g、5 g 和10 g 保水劑的吸水總量分別為464 mL、758 mL 和1 533 mL，單位吸水量分別為155 mL/g、152 mL/g 和153 mL/g。吸水總量隨著保水劑添加量的增加而增加，但保水劑的單位吸水量在152～155 mL/g 之間，基本相同。由此可知，該保水劑的單位平均吸水量在153.33 mL/g 左右，比較穩(wěn)定。

表2 不同重量保水劑吸水量

表3 是保水劑吸水速率試驗結(jié)果。由表可知，3 g、5 g 和10 g 保水劑在10～16 s 之間就可以達到飽和吸水量，加水總量在219～314 mL 之間，保水劑吸水量為73 mL/g、62.8 mL/g 和30.2 mL/g，最大吸水率為在19.63～21.90 mL/s 之間。

表3 不同重量保水劑最大吸水速率

由表2 和表3 的計算結(jié)果可知，單位質(zhì)量保水劑的吸水量受注水速率的影響較大，當注水速率很慢時保水劑有較大的吸水量，即保水劑對水分的吸持力較大。相反，當水量非常充足時，保水劑的吸水量降低，對水分的吸持力降低。

2.2 保水劑與土壤混合后吸水性及土壤保水性研究

2.2.1 保水劑與土壤混合后吸水性研究

土壤中加入保水劑后吸水性能結(jié)果見表4。由表可知，土壤中加入不同量的保水劑，其吸水量均有顯著增加。與對照相比，土壤中加入0.5 g、1 g 和2 g保水劑后，增加的吸水量分別為35 mL、125 mL 和165 mL。與對照相比，土壤中加入0.5 g、1 g 和2 g 保水劑后，土壤柱高度分別增加了0.3 cm、1.0 cm、2.7 cm。

表4 保水劑與土壤混合后吸水性能

通過表4 中保水劑和吸水量的關(guān)系可知，土壤中加入保水劑后，保水劑的吸水能力不穩(wěn)定。其中1 號實驗中保水劑吸水量為70 mL/g、2 號實驗中吸水量為125 mL/g、3 號實驗中吸水量為82.5 mL/g。這與本文中2.1 實驗結(jié)果中保水劑單位平均吸水量在153.33 mL/g 的結(jié)果不一致。分析原因，可能是土壤量和保水劑量間差異較大，混勻后保水劑所占空間較小，注水后土壤和保水劑同時吸水，土壤中水分含量達到最大持水量后將開始下滲。本實驗的設計中，當土壤柱底部出現(xiàn)滲水時即停止注水，認為保水劑達到了最大吸水量，這對實驗結(jié)果有較大影響。

2.2.2 保水劑與土壤混合后土壤保水性研究

從圖1 可以看出，在模擬蒸發(fā)在35 ℃恒溫蒸發(fā)條件下，對照組土壤在10 h、12 h、14 h 后土壤保水率分別為1.59%、0.31%、0.22%，16 h 后其土壤的保水率曲線斜率趨近于零，由此可知對照組土壤的保水率在模擬蒸發(fā)10 h 后變化較小，土壤含水量趨近于穩(wěn)定。眾多學者[2-3]研究同樣發(fā)現(xiàn)，施加保水劑后土壤保水率隨時間變化趨勢為先降低后趨于平穩(wěn)。施加0.5 g、1 g、2g 保水劑后土壤保水率完全失水時間分別為17 h、18 h、20 h。這與保水劑吸水性能以及先吸水、保水，后緩慢釋水的特性有關(guān)，在充分吸水條件下，保水劑含量越高，土壤完全失水時間越長這一研究結(jié)果與張朝巍[4]等研究結(jié)果一致。

圖1 不同處理下的土壤保水率

3 結(jié)論

（1）保水劑吸水性能比較穩(wěn)定，單位重量保水劑的吸水量在152～155 mL/g 之間，最大吸水速率在19.63～21.90 mL/s 之間。保水劑的吸水能力受來水速率的影響較大，當來水速率較緩慢時，保水劑的吸水量較大，當來水速率較大時，保水劑的吸水量會降低。

（2）土壤中施加保水劑后，能有效增加土壤的吸水能力，同時可以有效抑制土壤水分的蒸發(fā)，提高土壤保水率。