生物质炭保水剂的吸水保水性能研究

陈 静，李恋卿，郑金伟，俞欣妍，潘根兴，林振衡

（1.南京农业大学 农业资源与生态环境研究所，江苏 南京210095；2.商丘三利新能源有限公司，河南 商丘476000）

我国是缺水型国家，干旱半干旱地区水资源缺乏是农业长期生产力低下的主要原因。近30a来，由于气候变化，东北、华北和西北有效降雨日趋减少，旱灾受灾率不断增加，已成为气候变化下我国农业发展的最主要挑战［1］。为保障我国农业可持续发展，抵御日益频繁的干旱胁迫是旱地农业当前的关键任务［2］。

生物质炭是植物生物质在完全或部分缺氧情况下经热解炭化生成的一类高度芳香化的难熔性固态物质［3］。研究表明［3－8］，生 物 质 炭 施 入 土 壤 后 可 起 到固碳增汇及减少温室气体排放，提高酸性土壤pH值，降低土壤容重，提高土壤养分有效性以及改善土壤质地等作用。生物质炭具有较大的比表面积，孔隙度高。Karhu等［9］指出生物质炭具有的高孔隙性，施用生物质炭使土壤的保水能力提高了11%。Asai等［10］研究发现，大量生物质炭的施用会提高土壤饱和导水率和植物木质部汁液流量，表明生物质炭的施用不仅提高了土壤水分的通透性和土壤保水能力，也提高了植物水资源的可利用量。由此可见，生物质炭有一定的保水能力。但由于生物质炭中有机物质多含疏水性基团［11］，故其保水作用有限。

聚丙烯酰胺（PAM）是一种多功能表面改性物质，它作为一种重要的絮凝剂、表面活性剂、增稠剂、土壤改良剂及保水剂等广泛用于石油开采，农业及水处理等行业［12］。PAM施用土壤后可以增加土壤团聚性，稳定土壤结构，防止土壤流失和抑制土壤水分蒸发及保水保肥等作用［13－16］，但由于 PAM 成本较高，在农业生产中大量施用存在着较大的局限性。本研究拟利用PAM对生物质炭进行改性，增加生物质炭中的亲水性基团，提高生物质炭的保水能力和黏结性，减低保水和节水的成本，为旱地农业保水节水技术发展提供新的方法和途径。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试生物质炭是以小麦秸秆制成，购于商丘市三利新能源有限公司。聚丙烯酰胺（PAM）为 MW型PAM，型号1000万，购自国药集团化学试剂有限公司；阴型PAM，型号1200万，购自广州亚泰化工有限公司；阳型PAM，型号1200万，购自广州亚泰化工有限公司。供试土壤为黄棕壤，取自南京农业大学牌楼教学科研基地，自然风干后过10目筛备用。生物质炭和供试土壤的基本性状详见表1。

表1 供试土壤和生物质炭的基本性质

1.2 研究方法

1.2.1 生物质炭保水剂的制备 MW型生物质炭保水剂的制备:将生物质炭磨碎后过60目筛孔，且混合均匀。称取3份生物质炭100g放置于烧杯中，分别加入65，70，75ml蒸馏水用玻璃棒搅匀，之后在烧杯中分别加入MW型PAM 10，15和20g，搅匀后铺平放在托盘上，于60℃烘箱中烘3～5h至含水率为10%～30%时取出，切成长、宽各约0.3～0.5cm的颗粒，然后继续于60℃烘箱中烘至恒重，即得到1∶10MW 型，1.5∶10MW 型，2∶10MW 型生物质炭保水剂，分别制取阴型和阳型生物质炭保水剂，制备方法与MW型相同。

1.2.2 生物质炭保水剂的吸水倍率测定 分别称取不同生物质炭保水剂5g置于烧杯中，各加入100ml蒸馏水，吸水24h后用已称重的400目尼龙筛网过滤，1h后（保证多余的水漏干）称重，每个处理3个重复。按照公式（1）计算每克生物质炭保水剂的吸水倍率:

式中:Q——生物质炭保水剂的吸水倍率（g/g）；

M1——吸水前生物质炭保水剂的重量（g）；M2——尼龙筛网的重量（g）；M3——吸水后生物质炭保水剂与尼龙筛网的总重量（g）。

1.2.3 生物质炭保水剂在单质肥料溶液中的吸水倍率测定 分别称取各种生物质炭保水剂5g置于烧杯中，分别加入100ml以下3种肥料溶液:A为尿素溶液，浓度为0.01和0.1mol/L；B为磷酸二氢钙溶液，浓度为0.01和0.05mol/L；C为硫酸钾溶液，浓度为0.01和0.1mol/L。24h后用已称重的400目尼龙筛网过滤，1h后（保证多余的水漏干）称重，每个处理3个重复。按照公式（1）计算每克生物质炭保水剂的吸水倍率。此外设置蒸馏水为对照，方法相同。

1.2.4 生物质炭保水剂对土壤水分蒸发的影响测定

将生物质炭磨碎过20目筛孔、60℃烘箱烘至恒重，称取50g土壤于塑料杯中，然后分别称取1.5g生物质炭及生物质炭保水剂（相对于风干土重的3%）放入对应塑料杯中，同时设置不加生物质炭及生物质炭保水剂的对照（CK）。将所加物质混匀后，加入30ml蒸馏水，每天称重一次，持续两周，每个处理3个重复。

1.2.5 生物质炭及其保水剂对玉米幼苗生长和土壤水分的影响试验 试验共9个处理，分别为:（1）生物质炭:2.5%和5%水平；（2）MW 型:2.5%和5%水平；（3）阴型:2.5%和5%水平；（4）阳型:2.5%和5%水平。以上的生物质炭保水剂均为1∶10型。同时以不添加生物质炭及保水剂的为对照（CK）。称取1.5kg土壤于塑料盆钵（12cm×20cm×18cm）中，分别加入3.75或7.5g生物质炭及生物质炭保水剂，每个处理3重复。在塑料盆钵中加入尿素（N 0.1g/kg）、磷酸二氢钙（P2O50.1g/kg）、硫酸钾（K2O 0.1g/kg）等肥料后混匀，按容重1.3g/cm3装好，加入600ml蒸馏水，隔夜后播4粒/盆玉米种子，等出苗后留2株长势相似的玉米苗，将盆钵移到大棚中，22d后收获并测定玉米苗的长势情况及盆栽土的水分含量。供试玉米品种为苏玉24。玉米苗生长期间浇水量为200ml/（次·盆），共浇水4次。试验于2011年8月8日开始，8月9日加水，8月10日播种，8月13日部分出苗，8月14日全部出苗，8月15日移除多余苗后将盆钵移至大棚，9月5日收获。

玉米苗的株高、叶长及叶宽用直尺测定，其中叶面积＝叶长×叶宽×0.7（选取每株玉米苗最大一片苗叶测定），玉米苗生物量用烘干法测定［17］。盆栽土的水分含量采用烘干法测定［18］。

1.3 数据分析

所有的试验数据利用SPSS 17.0进行单因素方差分析，通过LSD多重比较分析判断处理间的差异显著性（p＜0.05），用Excel 2003进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 生物质炭保水剂的吸水倍率

各类型生物质炭保水剂的吸水倍率详见表2。由表2可以看出，除1∶10阴型保水剂，其余各类型保水剂的吸水倍率均显著高于生物质炭，且MW型、阴型及阳型生物质炭保水剂的吸水倍率随PAM用量所占比例的增加而显著增大。其中MW型保水剂的增加效果最为明显，1.5∶10型和2∶10型保水剂的吸水倍率比1∶10型分别提高175.43%和252.59%。阴型保水剂中1.5∶10型，2∶10型保水剂的吸水倍率比1∶10型的分别提高了46.11%，95.21%；阳型保水剂则分别提高了54.24%，115.82%。总体上MW型保水剂的增加效果显著高于阴型和阳型，而后两者1∶10阳型与阴型间没有显著差异，但1.5∶10和2∶10阳型分别显著高于阴型。

2.2 在单质肥料溶液中生物质炭保水剂的吸水倍率

生物质炭保水剂在不同单质肥料溶液中的吸水倍率详见表2。由表2可以看出，MW型、阴型及阳型生物质炭保水剂在单质肥料溶液中的吸水倍率均随PAM用量所占比例的增加而显著增大。其中在0.01mol/L的 K2SO4溶液、0.01和0.1mol/L的尿素溶液中各类型生物质炭保水剂的吸水倍率均显著高于生物质炭；在0.1mol/L的K2SO4溶液中，除阴1∶10型保水剂外，其余生物质炭保水剂的吸水倍率均显著高于生物质炭；而在0.01和0.1mol/L的Ca（H2PO4）2溶液中，只有1.5∶10和2∶10MW 型，2:10阴型，1.5∶10和2∶10阳型的吸水倍率显著高于生物质炭。

与对照相比，MW 型2∶10保水剂在0.01和0.1mol/L的尿素溶液中的吸水倍率显著增大了11.98%和8.92%，但 MW 型1∶10和1.5∶10均没有明显变化。而在Ca（H2PO4）2和K2SO4溶液中MW型保水剂吸水倍率显著降低，其吸水倍率随着肥料浓度的增大而逐渐下降，且Ca（H2PO4）2溶液对吸水倍率的降低幅度显著大于K2SO4溶液。

在0.01mol/L的尿素溶液中，阴型1∶10，1.5∶10和2∶10保水剂的吸水倍率分别比对照显著提高了74.25%，57.49%和69.67%；0.1mol/L尿素溶液中则比对照显著提高了79.10%，86.81%和90.49%。阳型1∶10，1.5∶10和2∶10保水剂的吸水倍率分别比对照显著提高100.56%，98.87%和52.01%；43.59%，18.85%和17.54%。但在 K2SO4溶液中阴型和阳型保水剂吸水倍率没有明显影响，而在Ca（H2PO4）2溶液中，阴型和阳型保水剂吸水倍率均显著降低，且吸水倍率随着肥料溶度的增大而呈现逐渐下降的趋势。

2.3 生物质炭及保水剂对土壤水分蒸发的影响

生物质炭及生物质炭保水剂施用两周的土壤水分累积蒸发量变化情况详见表3。由表3可知，施用阳型保水剂处理的土壤水分累积蒸发量与CK相比几乎没有差异，而生物质炭、MW型及阴型保水剂处理的土壤水分累积蒸发量则低于CK，表明后者的施用有降低土壤水分蒸发的作用，其中施用生物质炭两周后可降低土壤水分蒸发量4.11%，施用 MW型1∶10，1.5∶10，2∶10保水剂两周后可分别降低土壤水分蒸发量8.66%，10.42%和7.98%，阴型1∶10，1.5∶10，2∶10型可分别降低13.50%，7.00%和8.23%。由此可见，MW型和阴型保水剂对土壤水分蒸发的抑制作用最强，其中阴型1∶10保水剂抑制该土壤的水分蒸发效果最好，其次是生物质炭，而阳型保水剂对抑制该土壤的水分蒸发几乎无明显影响。

2.4 生物质炭及保水剂对土壤水分和玉米幼苗生长的影响

不同处理间土壤水分含量的差异较大。表4显示，生物质炭和生物质炭保水剂中2.5%和5%处理的土壤水分含量分别在21.39%～28.16%和23.02%～37.52%范围。2.5%和5%水平的生物质炭、MW型、阴型及阳型组土壤含水量分别比对照显著提高了39.65%，54.32%，64.45%，83.95% 以 及 50.36%，145.09%，119.46%和130.79%，并且5%水平的处理显著高于2.5%水平的处理，其中MW型提高幅度达58.78%。与生物质炭组2.5%和5%水平相比，MW型、阴型及阳型组土壤含水量分别显著提高10.46%，17.70%，31.67%和63.00%，45.96%，53.49%。

表2 生物质炭保水剂在不同单质肥料溶液中的吸水倍率 g/g

表3 施用不同生物质炭保水剂后不同时间土壤水分的累积蒸发量 g/100g

表4 不同处理下的玉米苗的各生长指标及盆栽土壤含水量

施用生物质炭及保水剂后玉米苗期生长指标变化详见表4。由表4可知，2.5%水平的生物质炭以及阴型、阳型组处理的玉米株高、叶面积和干物质总重与对照相比均没有显著差异，而MW型2.5%处理的叶面积比对照显著提高15.01%，干物质总重显著提高27.82%，但5%水平的处理中玉米株高、叶面积和干物质总重均显著降低。

3 结果讨论

施用生物质炭可以显著提高土壤的水分含量。Karhu等［9］研究表明，生物质炭的施用使土壤的保水能力提高了11%；Glaser等［19］研究表明，在亚马逊施有生物质炭的土壤保水能力提高了18%，这可能是由于生物质炭含有丰富的孔隙，水分可在生物质炭的小孔隙及大孔隙内储存，从而提高土壤水分含量。本研究发现PAM改性的生物质炭的保水能力显著提高。这可能是由于PAM是一类高吸水性物质，施用后可提高土壤的持水及导水性能，也可有效减少土壤水分的蒸发［20］。此外，PAM分子链上的酰胺基可与许多物质亲和而吸附形成氢键，从而在两个粒子之间产生黏结［21］。利用PAM的黏结性将生物质炭制成颗粒状，这样既改善了生物质炭的保水效果，又提高了生物质炭保水剂在运输和农业生产中推广利用的便宜性。

随着PAM量的增加，MW型、阴型及阳型生物质炭保水剂的吸水倍率也逐渐增加，其中MW型保水剂的吸水倍率显著高于阴型及阳型。说明不同类型PAM保水剂在单质肥料溶液中的吸水倍率不同。苟春林［22］研究表明，除尿素溶液外，保水剂在各种肥料溶液中的吸水倍率会显著下降，并且会随着肥料浓度的增加下降幅度增加。本研究结果也表明溶液中的电解质肥料可降低保水剂的吸水倍率，这可能是因当聚合物在盐溶液中发生水合反应后，其膨胀能力降低的缘故［23］。此外，阴型和阳型保水剂在尿素溶液中的吸水倍率提高幅度大于 MW型，K2SO4及Ca（H2PO4）2溶液对阴型和阳型保水剂的影响小于对MW型的影响，这可能是由于阴、阳离子型PAM链状分子上的荷电基团分别为带负、正电荷，可以与接触的颗粒间产生吸附和架桥及吸附表面阳、阴离子的作用［24－26］。此外，由于保水剂中的生物质炭可吸附溶液中的分子或离子，而MW型的吸水倍率原本就高于阳型和阴型，故提升幅度低于阴型和阳型。

施用生物质炭可显著提高玉米产量。Zhang等［27］通过田间试验研究表明，施用生物炭20和40 t/hm2时，玉米产量显著提高，但张晗芝等［28］通过室内盆栽试验研究发现施用生物炭对玉米苗期的生长没有促进作用。本研究也表明，生物质炭的施用水平为2.5%和5%时对玉米苗的生长没有显著性影响。PAM同样可促进玉米的生长及提高玉米产量［29－30］，但对苗期玉米生长作用不显著［12，31］。本研究结果表明，施用2.5%的阴型及阳型保水剂也未明显促进苗期玉米的生长，而施用2.5%MW型保水剂对苗期玉米生长有一定的促进作用，这说明本研究中，MW型PAM比阴型及阳型PAM在促进苗期玉米生长的效果方面作用更为显著。此外，5%MW型、阴型及阳型保水剂的施用均显著抑制了玉米幼苗的生长。本研究结果中施用5%生物质炭保水剂时土壤含水量高达33.60%～37.52%，可能过高的土壤含水量抑制了玉米幼苗根系呼吸，进而抑制玉米的生长。

4 结论

（1）施用生物质炭可降低土壤水分蒸发，通过PAM改性的生物质炭保水剂较生物质炭的保水效果更好。适量的MW型保水剂施用可促进苗期玉米生长。

（2）生物质炭保水剂中PAM的质量比越高，其吸水倍率越高，三种保水剂的吸水倍率均表现为:2∶10型＞1.5∶10型＞1∶10型，且 MW 型生物质炭保水剂的吸水倍率显著高于阴型和阳型。

（3）除尿素外，磷酸二氢钙和硫酸钾溶液均降低了保水剂的吸水倍率，且吸水倍率随着肥料浓度的增大而逐渐下降。可见施用保水剂时需适当选择合适的肥料类型配合施用。

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