保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用上的研究進(jìn)展*

寇燕燕 ，李 華 ，劉 斌 ，陳 亮 ，楊世梅 ，丁世國

（1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400；2.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威 733006）

農(nóng)用保水劑是化學(xué)節(jié)水技術(shù)的一種，而且是符合我國國情的一種農(nóng)田節(jié)水措施。保水劑，即高吸水性聚合物（Super Absorbent Polymer, SAP），也稱吸水劑、持水劑，是一種含有羧基、羥基等強(qiáng)親水性基團(tuán)、具有一定交聯(lián)度的水溶漲型高分子聚合物，具有較強(qiáng)的吸水性、材料來源廣泛、便于制取等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)發(fā)展中被廣泛應(yīng)用。保水劑加入土壤中后可使土壤容重降低，總孔隙度增加，改善土壤整體的透氣性，提高水分和肥料的利用效率。但是，保水劑在實(shí)際應(yīng)用過程中會受到其自身屬性、土壤物理和化學(xué)特性、自然氣候等多方面因素的影響。因此，研究人員需要加大對保水劑與土壤水分和物理特性影響相關(guān)的研究力度，積極探索保水劑在土壤中發(fā)揮持久性效用的方式，為水資源高效利用和農(nóng)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展提供有力的支撐和保障。

1 保水劑特性和作用機(jī)理

1.1 特性

1）保水、釋水。保水劑在實(shí)際應(yīng)用過程中，吸水之后會形成特殊的分散體系，在該種分散體系中可吸附大量水分，并在一定程度上限制水分的自由程度，促進(jìn)水分固結(jié)，有效提高土壤的含水量，緩解泥土釋水速度，減少土壤中水分的滲透和流失。部分區(qū)域在旱季合理應(yīng)用保水劑，能夠保證本地的土壤環(huán)境始終處于濕潤的狀態(tài)，為本地作物或者植物根系提供充足的水分。保水劑吸收水分之后，能最大程度地制約水分子的自由運(yùn)行，但是針對農(nóng)作物生長發(fā)育過程中根系對水分的吸收，大部分是有效的。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)分析，測定保水劑需要吸收的大量水分普遍保持在50 kPa 的土壤水勢之內(nèi)，其中有98%被認(rèn)為能夠使植物更好地吸收和應(yīng)用，保水劑最大吸水能力大約為14 kg/m3，而植物根系最大吸水性能普遍為17 kg/m3，故保水劑不會導(dǎo)致植物根系中的水分倒流到土壤內(nèi)[1]。

2）應(yīng)用壽命長，抗旱性良好。通常情況下，聚丙烯酰胺類的保水劑使用壽命為4~6 年，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有吸水、釋水、干燥、再次吸水的反復(fù)吸水效果，但是在經(jīng)過反復(fù)吸水的過程之后，會降低保水劑大約50%的吸水倍率，最后保水劑甚至失去吸水功能。此外，保水劑在土壤中作用的持久性也和其性質(zhì)、泥土質(zhì)地、產(chǎn)品用量等具有直接關(guān)系。

3）可治療緩解干旱植物。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用保水劑之后，農(nóng)作物生長速度加快，并具有良好的抗旱能力，當(dāng)保水劑將水分吸收完全之后，可以通過提高農(nóng)作物根部周圍可利用的土壤水，有效減少水分流失。在遇到旱季的情況下，充分發(fā)揮保水劑的重要作用，緩解缺水對農(nóng)作物生長發(fā)育造成的傷害，可有效促進(jìn)農(nóng)作物生殖生長。相關(guān)研究人員針對小麥、水稻、葡萄等作物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在缺水壓制下，能夠通過保水劑有效提高葉片含水率，同時全面增加植株葉綠素含量，增強(qiáng)植物根系生長能力[2]。另外，相關(guān)人員研究了保水劑對干旱情況下葉綠素動力學(xué)參數(shù)的作用，發(fā)現(xiàn)在缺水壓制下的葉綠素部分動力學(xué)參數(shù)相應(yīng)的治療效果均下降，但是隨著保水劑用量的不斷增加，下降速度逐漸減小，充分證明了藥物中保水劑用量越多，對受到干旱壓制的植物具有越顯著的治療緩解效果。

4）保水劑拌土能夠有效降低農(nóng)作物蒸騰速度。不僅可以增加葉綠素含量，提高光合作用強(qiáng)度，最大程度減少葉片的電導(dǎo)率，對酶的活性也具有一定的影響，不同酶增加、減少的表現(xiàn)存在一定差異。例如，甘蔗生長過程中，其水分被壓制處理之后，借助保水劑能夠有效減緩甘蔗水分在空氣中的蒸騰速度，加快凈光合速度，且抗旱能力越差的品類，在土壤中應(yīng)用保水劑的效果越好。

1.2 作用機(jī)理

保水劑屬于高分子電解質(zhì)產(chǎn)品，分子鏈能夠無限長地連接，具有繁雜的3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)程度上的關(guān)聯(lián)度。保水劑吸水機(jī)理和其物理化學(xué)結(jié)構(gòu)具有緊密聯(lián)系，在其交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，具有較多親水性的基團(tuán)，在其和水進(jìn)行接觸的過程中，表面具有親水性的分子鏈具有相應(yīng)的電離，并且會和水中分子互相結(jié)合形成氫鍵，有效吸住水分，整個過程被稱為物理吸附。當(dāng)親水性的基團(tuán)與水接觸后，親水性分子鏈會發(fā)生電離形成電解質(zhì)，從而與外界水分形成滲透差，促進(jìn)分子鏈外部的水分子進(jìn)入親水性的分子鏈，本質(zhì)上該過程屬于一種化學(xué)吸附的過程。因此，保水劑的全部吸收過程主要是化學(xué)和物理吸附互相作用而形成的。其高分子聚集態(tài)具備線型和體型結(jié)構(gòu)，線型結(jié)構(gòu)主要是鏈與鏈之間的交聯(lián)，對吸水時的隨意伸縮和膨脹具有決定性影響；體型結(jié)構(gòu)在整個吸水過程中不能無限伸縮，具有確保保水劑維持一定的形狀結(jié)構(gòu)的作用[3]。保水劑的兩種結(jié)構(gòu)使其不會和水相融合，并且能夠在水中膨大，產(chǎn)生凝膠物質(zhì)，當(dāng)全部水分釋放之后，也能保證其結(jié)構(gòu)不被損壞，依然可以恢復(fù)吸水功能。

2 保水劑對土壤的作用

2.1 對土壤物理性狀的影響

土壤物理性狀中的土壤含水量是對作物生長具有直接影響的主要指標(biāo)之一。施用保水劑能夠有效抑制施用層之上的土壤含水量下降，具有良好的抗旱效用，持續(xù)時間能夠達(dá)到15~20 天。相比之下，在保水劑施用層之下的土壤含水量和未施用保水劑的土壤含水量下降較顯著，保水劑施用量越大的情況下，差異越明顯。

保水劑不同施用方式對土壤含水量的影響存在一定差異性。相關(guān)試驗(yàn)表明，在農(nóng)業(yè)大田中應(yīng)用溝施、穴施或者混施的方式，施用量保持在45 kg/hm2，控制施用深度在0~20 cm，能夠明顯提高0~40 cm 深土壤的含水量，并且保持提高范圍在7.5%~12.7%之間，而溝施效果相較于穴施、混施效果更加顯著。主要由于混施保水劑主要在淺層土壤中分布，在吸水之后出現(xiàn)膨脹、收縮現(xiàn)象，容易產(chǎn)生和大氣連通的土壤孔隙，從而造成土壤水分流失，同時容易出現(xiàn)地面結(jié)皮現(xiàn)象，大幅度減少雨水入滲[4]。另外，穴施的保水劑相對集中，和土壤接觸范圍相對較小，吸水量小，同時會由于保水劑過分集中形成較大的膨脹力，產(chǎn)生和大氣連通的土壤孔隙，大大增加了土壤水分蒸發(fā)量。溝施方式雖然會出現(xiàn)相似的孔隙，但是由于保水劑上面覆蓋土壤，通常情況下孔隙和大氣不易連通，從而土壤水分流失緩慢。

保水劑對于土壤物理性狀的影響和土壤質(zhì)地具有一定的關(guān)系，在不斷增加保水劑用量的情況下，砂土的團(tuán)聚體具有明顯的增大現(xiàn)象，而中壤和重壤土自身團(tuán)聚性較好，保水劑對其影響不顯著。土壤團(tuán)聚體增大的機(jī)理主要在于，保水劑吸水之后呈現(xiàn)出凝膠狀，能夠?qū)⑺缮⒌耐寥李w粒有效粘連成團(tuán)狀。因此，保水劑在砂壤土和黏壤土中應(yīng)用效果相對較好，主要是因?yàn)轲ち?、有機(jī)質(zhì)含量越高的土壤，離子置換的影響更加顯著，對保水劑吸水抑制效果更加明顯[5]。

2.2 對土壤水力性能的影響

保水劑對土壤水力性能的影響和土壤質(zhì)地、pH值相關(guān)。人們普遍認(rèn)可的結(jié)論是在應(yīng)用保水劑之后，砂土在持水性增大、水分蒸發(fā)和滲透性降低等多個方面的效果明顯優(yōu)于中壤、重壤土；保水劑在中性土壤中吸水性最佳，在堿性、酸性土壤中有一定程度的降低。同時，保水劑能夠增大或者減小土壤pH 值，相關(guān)試驗(yàn)證明，其能夠使砂質(zhì)黏土、壤土的pH 值從6.03降低到5.6。

保水劑對土壤水力性能的影響和施用方式具有密切關(guān)系。通過試驗(yàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溝施、混施的水分入滲速率和對照CK 相比下降較明顯，其中，混施的最大降幅能夠達(dá)到45.1%，溝施的最大降幅達(dá)到11%，入滲速率的降幅會隨著保水劑施用量的增加不斷增大，土壤水分深層滲漏不斷減少，從這方面進(jìn)行分析，混施優(yōu)于溝施。另外，保水劑施用時的土壤水分蒸發(fā)和CK 相比減少15.37%~50.42%，混施和溝施相比少6%~25%，混施施用量90 kg/hm2時最小[6]。主要是因?yàn)榛焓┠軌虼龠M(jìn)保水劑更加均勻地分布在土壤中，在整個土壤面內(nèi)具有良好的作用，可以充分吸水，有效抑制水分深層滲漏、蒸發(fā)；但是溝施保水劑分布相對較集中，沒有干預(yù)到較多滲漏和蒸發(fā)通道。當(dāng)前較多研究人員針對保水劑對土壤水力性能的影響進(jìn)行了大量研究，但是在實(shí)際操作中由于溫濕度、持續(xù)時間等測試條件存在一定差異性，并且缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量，保水劑對于土壤水力性能的動態(tài)影響規(guī)律也不清晰，導(dǎo)致針對保水劑施用層和非施用層之間的土壤水力聯(lián)系、水分入滲、蒸發(fā)的聯(lián)系等的研究相對較少，需要在今后的研究中對上述內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3 保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用方法和效果

3.1 種子包衣

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用保水劑和肥料、農(nóng)藥等混合物拌和種子或者造粒時，能夠在種子表面形成一層保護(hù)膜，為種子萌發(fā)提供充足的水分和養(yǎng)分，增強(qiáng)種子的抗病蟲害能力，最大程度降低病蟲害發(fā)生概率，有效提高種子出苗率。相關(guān)人員應(yīng)用保水劑對春小麥種子進(jìn)行包衣處理，通過研究發(fā)現(xiàn)小苗出苗提前了1~2 天，種子出苗率提高了6.05%~11.1%，春小麥種植產(chǎn)量提高了7.45%~7.65%。另外，相關(guān)人員在水稻種子包衣劑中增加保水劑，對種子進(jìn)行包衣處理之后，和常規(guī)包衣劑處理的水稻種子相比，出苗率增加了6.6%，產(chǎn)量提高了12.1%，獲得了理想效果[7]。

3.2 育苗

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用保水劑和其他基質(zhì)進(jìn)行混合，在蔬菜和苗木的工廠化育苗中具有良好的適用性，同時能夠應(yīng)用在盆栽花卉種植中。相關(guān)研究人員通過試驗(yàn)，將保水劑和基質(zhì)混合進(jìn)行甜椒穴盤育苗，選用保水劑的過程中，控制其用量為4 g/L 時，甜椒幼苗的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凈光合速率、根系活力、可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，壯苗指數(shù)對比常規(guī)甜椒育苗方法提高46.6%[8]。另外，相關(guān)人員不斷在西紅柿、黃瓜和茄子等多種農(nóng)作物育苗中應(yīng)用保水劑進(jìn)行試驗(yàn)，充分表明了在育苗的過程中，選擇適量的保水劑和基質(zhì)相混合，能夠有效提高農(nóng)作物幼苗的生物量、生理活性，具有顯著的抗逆性增長，可全面提高農(nóng)作物幼苗質(zhì)量。但是，當(dāng)保水劑應(yīng)用量較大時，會逐漸降低農(nóng)作物幼苗的質(zhì)量，主要是由于大量保水劑凝膠造成基質(zhì)含水量較高，大大影響了基質(zhì)的透氣性，降低了農(nóng)作物幼苗根系的活力，從而對幼苗的生長發(fā)育具有一定的抑制性。

3.3 蘸根

通常情況下，蘸根在甘薯、蔬菜、苗木移栽中具有良好的適用性，當(dāng)保水劑蘸根之后能夠在農(nóng)作物根部形成一層保護(hù)膜，有效避免農(nóng)作物根部出現(xiàn)水分流失現(xiàn)象，從而在移栽過程中有效提高農(nóng)作物植株的存活率，縮短緩苗期。相關(guān)人員通過試驗(yàn)，充分證明了應(yīng)用保水劑的農(nóng)作物在定植之后的2~4 周之內(nèi)植株高度、葉面積等全部指標(biāo)均有所提升，明顯縮短了緩苗時間。例如，應(yīng)用保水劑對一年生馬尾松、板栗苗進(jìn)行蘸根移栽的過程中，平均存活率為88.5%、97%；在試驗(yàn)過程中合理設(shè)置對照組，存活率分別為68.2%、50%；其中，馬尾松苗生物量和對照組相比有效提高了126.8%，根生物量提高了53.5%，葉生物量提高了258.4%，枝生物量提高了52.0%。

3.4 土壤直接施用

保水劑土壤直接施用主要包含地表撒施、溝施或者穴施。其中，地表撒施主要是在地表或者整地翻土的過程中均勻撒施保水劑，用量控制在50 kg/hm2~100 kg/hm2，在飼料作物、綠化草坪等植物種植中具有良好的適用性，普遍獲得顯著的應(yīng)用效果。相關(guān)研究人員在冬小麥種植過程中，分別應(yīng)用5種不同類型的保水劑，控制施用量分別為30 kg/hm2、60 kg/hm2，在保水劑撒施之后翻入土壤中，冬小麥產(chǎn)量增加了1.3%~7.9%，水分利用效率和常規(guī)冬小麥種植相比提高了3.6 kg/（hm2·mm）。另外，相關(guān)研究人員在相對貧瘠的沙地上種植沙地燕麥，分別在4 個施肥水平上施用保水劑，控制施用量為60 kg/hm2，燕麥平均秸稈、籽粒產(chǎn)量、地上生物量、地下生物量分別增加了38.57%、22.5%、32.01%、24.58%；肥料實(shí)際利用效率提高了29.5%，土壤中的全氮、速效磷和鉀的含量都有一定的提高[9]。

在不同農(nóng)作物播種的過程中，需要根據(jù)不同作物選擇相適應(yīng)的保水劑用量，控制保水劑施用量在10 kg/hm2~150 kg/hm2之間，通常情況下應(yīng)用溝施、穴施的方式，在施入的同時或者在施入之后進(jìn)行播種、移栽。相關(guān)研究人員在玉米種植的過程中，在玉米苗期溝施保水劑，控制施加量為45 kg/hm2，和對照組相比，30 cm~60 cm 土層含水量有效提高了18.32%，60 cm~100 cm 土層含水量下降了14.03%；在上層土壤中有效提高了硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷含量，充分證明了保水劑能夠阻止水分下滲出現(xiàn)淋溶作用并導(dǎo)致養(yǎng)分流失；玉米粗淀粉、粗蛋白含量及玉米產(chǎn)量分別提高了1.1%、8.4%及20.1%，而粗纖維含量下降了24.1%。另外，研究表明，棉花種子和保水劑均勻混合之后進(jìn)行播種，在滴灌條件下可有效節(jié)水40%，保水劑施加量控制在60 kg/hm2、90 kg/hm2時，和常規(guī)滴灌相比分別增產(chǎn)16.35%、18.94%。

4 未來研究方向和需要解決的問題

4.1 研發(fā)新型保水劑

當(dāng)前保水劑生產(chǎn)技術(shù)相對成熟，主要是聚丙烯酸鈉和酰胺、淀粉、纖維素等種類。聚丙烯酸鹽類保水劑和土壤內(nèi)的鈣、鎂、錳等二價金屬容易發(fā)生拮抗反應(yīng)，降低其吸水倍數(shù)和應(yīng)用效果[9]。因此，保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的研究過程中，需要更多研究抗拮抗、耐水解和光老化、微生物降解緩慢的新型保水劑，有效延長其使用壽命，最大程度地減少保水劑的綜合應(yīng)用成本[10]。

4.2 研制系列化、功能化保水劑

拌種和土壤施用、蘸根、育苗等多種用途的保水劑相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求存在一定差異性。保水劑在實(shí)際應(yīng)用過程中可以和肥料、農(nóng)藥及其他相關(guān)農(nóng)化產(chǎn)品進(jìn)行有效結(jié)合，不斷研制大田作物種植、植樹造林等不同用途的專用保水劑系列產(chǎn)品。相關(guān)研究人員可以借助化學(xué)方法在保水劑分子鏈上引入不同功能性基團(tuán)，有效研制多功能復(fù)合型保水劑，或者針對不同功能和有效成分的保水劑、肥料、農(nóng)藥進(jìn)行有效混合，研制出復(fù)合型保水劑，有效解決不同組分出現(xiàn)的拮抗作用。相關(guān)研究人員應(yīng)采用多種技術(shù)路線，明確不同功能成分的合理配比，有效研制出專用型、營養(yǎng)充足、用途明確、可降解的環(huán)保型、多功能保水劑，最大程度地發(fā)揮保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。

4.3 加大保水劑應(yīng)用技術(shù)和作用機(jī)理研究力度

當(dāng)前人們對于保水劑的應(yīng)用研究普遍集中在育苗、移栽、農(nóng)作物生長和產(chǎn)量等多個方面，但是大多數(shù)為試驗(yàn)報告性質(zhì)。實(shí)際上保水劑用量較少，形狀不規(guī)則，難以進(jìn)行機(jī)械施用，給在大田農(nóng)業(yè)中應(yīng)用保水劑帶來不便。因此，在農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了充分發(fā)揮保水劑的節(jié)水抗旱作用，需要全面分析和考慮自然氣候條件、區(qū)域特點(diǎn)、土壤和作物等多種影響因素，通過長期系統(tǒng)性的研究，針對不同類型的保水劑產(chǎn)品制定相適應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。另外，相關(guān)研究人員需要進(jìn)一步研究保水劑和土壤、肥料、作物之間的作用機(jī)理，研制出適應(yīng)機(jī)械設(shè)備精準(zhǔn)施用的物理性狀，最大程度減少保水劑的應(yīng)用成本，全面提高投入產(chǎn)出比，有利于實(shí)現(xiàn)保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的規(guī)模化應(yīng)用目標(biāo)。

5 結(jié)束語

保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用范圍和方式逐漸呈現(xiàn)出多元化的趨勢，但是保水劑材料相對較單一，限制了其與其他改良土壤材料的綜合應(yīng)用，并且會在土壤中不斷積累，引發(fā)土壤問題，影響環(huán)境，未來還需要對此進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。