保水劑對土壤性質(zhì)及含水量的影響研究

李華閆沛玉劉斌陳亮楊世梅王翠麗杜雷超

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

我國干旱和半干旱地區(qū)幅員遼闊，因此，水資源的匱乏及其引起的水土流失對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成了很大的影響。農(nóng)業(yè)用水是各用水領域中需水量最大的，長期以來，我國農(nóng)業(yè)受土壤環(huán)境污染、干旱缺水、土壤養(yǎng)分下降等多種因素制約，應當利用有限的水資源盡可能高效地解決農(nóng)田中的各種問題，提高農(nóng)業(yè)用水效率是節(jié)約用水的必然措施，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)將成為一項重要的國家戰(zhàn)略[1]。在眾多的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)措施中，減少土壤的無效蒸發(fā)和作物蒸騰，提高作物的用水效率是提高農(nóng)田水分利用效率的關(guān)鍵部分。因此，將少量的化學制劑應用于農(nóng)田抗旱節(jié)水的研究中，是一種全新的節(jié)水方式——化學節(jié)水。農(nóng)用保水劑是化學節(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。農(nóng)用保水劑的研發(fā)和應用，是開發(fā)和利用在干旱區(qū)開展節(jié)水農(nóng)業(yè)的一種較為理想的節(jié)水措施，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多方面都有著廣泛的應用和發(fā)展前景[2]。

保水劑，即高吸水性聚合物(Super Absorbent Polymer 簡稱SAP)，也稱吸水劑、持水劑，是一種含有羧基、羥基等強親水性基團，并具有一定交聯(lián)度的水溶漲型高分子聚合物[3]。保水劑在其他方面也被稱為高吸水劑、保濕劑、超強吸水樹脂以及有機高分子化合物。因其能夠快速吸收比自己體重重幾百倍到數(shù)千倍的水，并且還可以進行多次重復的吸水，在吸水之后還可以慢慢釋放水供農(nóng)作物使用，具有很好的吸水保水特性[3]，在改善干旱地區(qū)土壤持水性、改善土壤結(jié)構(gòu)、減少水分向深層泄漏和減少土壤養(yǎng)分流失等方面具有明顯的效果，因而在節(jié)水農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境恢復中得到了越來越多的應用。因此，本研究通過分析保水劑的性質(zhì)和作用機理，研究保水劑對土壤物理性質(zhì)和吸水保水效應的影響，以期為提高旱作區(qū)農(nóng)業(yè)種植水平和促進保水劑的推廣應用提供科學依據(jù)。

1 保水劑的類型、性質(zhì)及作用機理

1.1 保水劑的類型

按照生產(chǎn)原料保水劑可以分為淀粉類(淀粉-聚丙烯酰胺型、淀粉-聚丙烯酸型)、纖維素類(羧甲基纖維素型、纖維素型)、聚合物類(聚丙烯酸型、聚丙烯晴、聚乙烯醇等)3種類型[4]。按照保水劑形態(tài)可分為粉末狀、薄片狀、纖維狀、液體狀4種類型，目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的保水劑以粉末狀應用最為廣泛[4]。

1.2 保水劑的性質(zhì)

1.2.1 吸水性

保水劑的吸水性包括吸水能力、吸水速度和吸濕能力。其吸水性能與保水劑自身的組成、結(jié)構(gòu)、水溶液中的鹽類、pH等因素有關(guān)[5]。一般而言，離子型高分子的吸水性高于非離子型高分子，并且隨著高分子電離程度的提高，其吸水性也隨之增強，同一種保水劑在純水中的吸水性更強，更迅速；離子型的保水劑需要幾小時到十幾個小時，而非離子型的保水劑則需20～60min[6]。保水劑不僅可以吸附液體中的水分，而且可以吸附大氣和土壤中的水分，其吸濕性能及吸濕速率與保水劑類型及環(huán)境濕度都有關(guān)。

1.2.2 保水性

在自然情況下，使用保水劑后土壤的蒸發(fā)速率顯著降低，并且在壓力作用下，不容易發(fā)生離析。在恒溫下的蒸發(fā)實驗結(jié)果表明，保水劑對水分揮發(fā)具有顯著的抑制效果。

1.2.3 持效性

保水劑有重復吸收作用。根據(jù)實驗室測試結(jié)果，在重復使用的情況下，保水劑的吸水量通常會降低50%～70%，后達到一個穩(wěn)定水平。試驗結(jié)果顯示，3～5年后，保水劑在土壤中會逐步降解，對水分的吸收能力大幅度下降，其維持能力與其自身特性、土質(zhì)和使用量密切相關(guān)[7]。優(yōu)質(zhì)高效保水劑，既能有效保持當季作物水分，又能有效保護后茬作物水分。而低效保水劑只對一次耕作的作物有效。

1.3 保水劑的作用機理

保水劑都是高分子電解質(zhì)，其吸水機理與普通吸水材料以物理吸水為主、吸水量小的吸水機理有很大區(qū)別，保水劑的吸水是由高分子電解質(zhì)的離子斥力所造成的分子膨脹和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所造成阻礙分子的膨脹相互作用所產(chǎn)生的，這種高分子化合物的分子鏈是無限長的，分子之間存在著復雜的三維網(wǎng)絡，因此具有一定關(guān)聯(lián)度，其網(wǎng)絡中含有豐富的羧基和羥基等親水性基團，在與水接觸時，這些親水性基團會被離子化，并與水形成氫鍵，從而吸附水分子[8]。在此過程中，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的電解液和外界水分形成了一個滲透電位，外界水分通過這種滲透電位持續(xù)向分子內(nèi)遷移。由于離子水在網(wǎng)絡中具有較強的解離作用，而帶負離子的離子集團仍然被固定在網(wǎng)絡中，因此，由于負離子之間的相互排斥作用，使得聚合物網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而導致大量的水分進入到分子網(wǎng)絡中。聚合物的聚集狀態(tài)，既有直線的，也有體積的，因為鏈段與鏈段之間存在輕微交聯(lián)，所以直線部分可以自由伸縮，而體積的，則可以保持一定的強度，不能無限伸縮[9]。這樣，保水劑就不會在水里溶解，而是膨脹成凝膠狀，在分子鏈段沒有斷裂的情況下，凝膠的吸水性仍然可以得到很好的恢復。

2 試驗材料與方法

2.1 供試材料

供試土壤為甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心灌溉試驗站(N37°23′，E104°08′)試驗田內(nèi)土壤。供試保水劑為海瑞達保水劑，具有保水、保肥、疏松土壤的性能，主要應用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)種植，應用作物有馬鈴薯、玉米、藥材、蔬菜及經(jīng)濟果林等，由甘肅海瑞達生態(tài)環(huán)境科技有限公司提供。

2.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機試驗設計，保水劑使用量為單因素，設4個水平，分別為處理1(150kg·hm-2)、處理2(210kg·hm-2)、處理3(270kg·hm-2)、處理4(330kg·hm-2)，以不使用保水劑作為對照(CK)。取各處理土壤使其達到飽和持水量，采用烘干稱重法對保水劑的持水性和伸縮性進行測定[9]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用新復極差法(Duncan)比較不同處理間的差異顯著性，采用Excel 2007軟件制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理對土壤含水量影響

由表1可知，第5天、第10天、第15天的土壤含水量隨著保水劑使用量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，第10天、第15天的土壤含水量均顯著高于CK。不同保水劑使用量處理下，處理3、處理4的土壤含水量均顯著高于處理1、處理2、CK，處理3和處理4之間差異不顯著。第5天，處理3、處理4的土壤含水量較CK分別提高了13.0%、17.8%，差異顯著；處理1、處理2的土壤含水量與CK無顯著性差異。第10天，各處理的土壤含水量均顯著高于CK，處理3、處理4的土壤含水量較CK分別提高了38.9%、43.4%，差異顯著，且均顯著高于處理1、處理2。第15天，處理3、處理4的土壤含水量較CK分別提高了87.5%、110.9%，差異顯著。結(jié)果表明，土壤含水量隨著保水劑使用量的增加顯著提高，且隨著時間的推移效果越顯著，較優(yōu)的保水劑使用量為處理3、處理4。

表1 不同處理的土壤含水量

3.2 不同處理對土壤物理性狀的影響

由表2可知，處理4的土壤總孔隙度最高，為59.2%，顯著高于其他處理和CK，較CK提高了15.6%；處理2次之，為55.2%，較CK顯著提高了7.8%，但與處理1、處理2無顯著差異，處理1、處理2與CK差異不顯著。土壤容重方面，處理4的土壤容重最低，為1.11g·cm-3，與其他處理無顯著性差異；處理2、處理3、處理4的土壤容重較CK分別降低了10.6%、12.1%、15.9%，差異顯著。土壤固液氣三相組成方面，處理4的液相最高，為46.3%，顯著高于其他處理和CK，較CK提高了37.4%；處理3(36.3%)較CK提高了7.7%，差異顯著；處理1、處理2和CK無顯著性差異；處理4的土壤固相最低，為41.1%，顯著低于其他處理和CK，較CK降低了13.1%，其他處理和CK之間差異不顯著；處理4的土壤氣相最低，為19.2%，顯著低于其他處理和CK，較CK降低了21.9%；處理3(17.3%)較CK降低了9.9%，差異顯著；處理1和處理2與CK無顯著性差異。結(jié)果表明，保水劑可以有效降低土壤的總孔隙度和土壤容重，提高土壤的液相比重和氣相比重，較優(yōu)的保水劑使用量為處理4。

表2 不同處理的土壤物理性狀

3.3 不同處理對土壤有效水量的影響

由表3可知，處理4的毛管持水量(46.3%)和有效水量(37.0%)均顯著高于其他處理和CK，較CK分別提高了43.3%、44.5%，處理3的土壤毛管持水量較CK提高了19.8%，差異顯著，與其他處理無顯著性差異；處理1、處理3的土壤有效水量次之，分別為32.6%、30.4%，較CK分別提高了27.3%、18.8%，差異顯著。結(jié)果表明，保水劑可以有效提高土壤的毛管持水量和有效水量，較優(yōu)的保水劑使用量為處理4。

表3 不同處理的土壤有效水量

4 討論與結(jié)論

保水劑作為一種重要的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用[10]。保水劑具有降低土壤蒸發(fā)，減少水的滲透，抑制土壤含水率下降(持續(xù)時間可達10～15d[11])及改善土壤結(jié)構(gòu)的作用。本研究表明，使用保水劑后第5天、第10天、第15天的土壤含水量隨著保水劑使用量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，第10天、第15天的土壤含水量均顯著高于CK，且隨著時間的推移效果越顯著。改善土壤理化性質(zhì)方面，有效降低土壤的總孔隙度和土壤容重，提高土壤的液相比重和氣相比重，提高了土壤的毛管持水量和有效水量，表明保水劑有利于提高土壤的致密程度，促進土壤團聚體的形成和土壤結(jié)構(gòu)的良性發(fā)育，還具備優(yōu)良的吸水持水能力，這與王榮蓮等[4]、吳勇等[8]、代大偉等[12]、金哲石[13]等學者研究結(jié)果一致。

結(jié)果表明，本試驗條件下，使用保水劑可以顯著提高土壤含水量、液相比重和氣相比重，有效降低土壤的總孔隙度和土壤容重，較優(yōu)的土壤保水劑使用量為330kg·hm-2。