保水剂在农业中的应用及研究进展*

2016-07-27李炎明关新元李永生张海军新疆农垦科学院农业新技术推广服务中心新疆石河子832000新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所

新疆农垦科技 2016年6期

关键词：保水保水剂土壤

李炎明，陈　云，2，关新元，李永生，王　军，张海军（.新疆农垦科学院农业新技术推广服务中心，新疆　石河子　832000；2.新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所）

保水剂在农业中的应用及研究进展*

李炎明1，陈云1，2，关新元1，李永生1，王军1，张海军1
（1.新疆农垦科学院农业新技术推广服务中心，新疆石河子832000；2.新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所）

摘要：保水剂是一种能吸收自身重量数百倍甚至上千倍的去离子水或数十倍的含盐水分的新型功能性高分子材料，在干旱区农业上有广泛的应用发展前景，保水剂可提高土壤吸水能力，增加土壤含水量，提高水分利用效率，可增强土壤保肥能力，改善土壤团粒结构。

关键词：保水剂；土壤；保水；保肥

我国是一个水资源缺乏的国家，水资源的地域及时空分配不均进一步加剧了缺水的状况，干旱缺水和土壤退化已经成为我国农业持续发展的重要制约因素。保水剂是一种能吸收自身重量数百倍甚至上千倍的去离子水或数十倍的含盐水分的新型功能性高分子材料[1]，并且可以反复吸水，吸水后呈凝胶状，可缓慢释放水分供作物吸收利用，从而增强土壤保水和持水能力，改良土壤结构，提高水肥利用率，在农业生产等方面具有广泛的应用发展前景[2]。

1　保水剂对土壤的作用

1.1提高土壤吸水能力，增加土壤含水量

保水剂是一种内部含有大量强亲水性基团（如羧基、磺酸基、酰胺基、羟基等）的三维网状结构聚合物，吸水后三维网状结构溶胀，进一步加大了蓄水能力。陈海丽等人[3]在饱和含水量分别为50.02%的壤土和44.08%的沙土中施用不同的保水剂，壤土的饱和含水量提高到59.07%～70.61%，沙土的饱和含水量提高到63.41%～77.59%。

1.2增加土壤保水能力，降低土壤入渗速率和水分蒸发量

合理施用保水剂可以减少土壤的水分蒸发量和入渗速率。岑睿等人[4]在沙壤土中对比不同施用方式和施用量的保水剂，土壤的入渗速率较对照降低4.56%～41.62%；设置相同的初始含水量，土壤水分蒸发量较对照减少15.38%～50.43%。如保水剂用量过多或使用不当，会使土壤表面渗透性下降太快，造成水分无法有效下渗，同时保水剂吸水溶胀后导致土壤孔隙率增加，加快了水分的蒸发，导致保水性能下降[5]。

1.3增强土壤保肥能力，提高肥料利用率

保水剂分子具有的离子基团能通过吸附、离子交换、络合等方式和部分肥料离子结合，减少肥料淋溶损失，提高肥料利用率。苟春林等人[6]试验表明，保水剂和尿素混施对氮素的吸持率达52.59%，在上述土壤中种植玉米，玉米的生物学产量、根系干重、氮肥利用率和每千克水产出生物量分别较单施尿素增加16.38%、88.41%、9.03%和27.57%。马焕成等人[7]在森林土壤中施加保水剂后，显著提高了土壤中氮、磷、钾的含量，使土壤碱解氮含量提高133.1%～ 295.8%，有效磷提高10.4%～43.2%，速效钾提高124.2%～220.3%。

1.4改善土壤团粒结构

保水剂吸水后溶胀，使土壤容重下降，孔隙度增加，促进土壤团粒结构形成，有利于土壤空气流通；土壤持水量的增加能增加土壤的比热容，起到调节土壤温度的作用。实验表明[8]，保水剂能促进土壤团粒结构的形成，对0.5～5.0mm粒径的土壤团粒结构的形成起到的作用最明显；当保水剂施用量在0.005%～0.010%范围时，土壤团聚体增加量最多。

2　保水剂在农业生产中的应用方式及效果

2.1种子包衣

用保水剂或保水剂和肥料、农药等混合物拌种或造粒，在种子表面形成一层保护膜，能为种子萌发提供有效的水分和养分供给，降低病害发生率，提高出苗率。向晓明等人[9]用保水剂对春小麦进行包衣处理，小麦出苗提前1～2d，出苗率提高6.5%～11.1%，产量提高7.46%～12.66%，这与李布青等人[10]的试验结果一致。雷昌云等人[11]在包衣剂中添加保水剂处理水稻种子，较常规包衣剂处理出苗率增加6.6%，增产12.1%。米青荣等人[12]用经保水剂处理的花生与常规播种对比，出苗提前1d，出苗率提高5.6%。

2.2育苗

用保水剂与其他基质混合，可用于蔬菜和苗木的工厂化育苗，也可用于盆栽花卉的种植。董传迁等人[13]的试验表明，将保水剂与基质混合进行甜椒穴盘育苗，在保水剂用量为4g/L时，幼苗的叶绿素质量分数、净光合速率、根系活力、叶片脯氨酸和可溶性糖质量分数最高，壮苗指数比对照提高46.6%；添加保水剂可使甜椒苗期节水、节肥率达到12.8%～51.8%，这与李建设等人[14]的试验结果一致。在番茄[15-16]、黄瓜[17]、茄子[18]等作物上的试验也表明，育苗时在基质中添加适量保水剂，作物秧苗的生物量、生理活性、抗逆性增长显著，有利于提高作物秧苗质量。当保水剂施用量过大时，秧苗的质量开始下降，这可能是由于较多的保水剂凝胶使基质的含水量过高，影响了基质的透气性，降低了秧苗根系的活力，使秧苗的生长受到抑制。

2.3土壤直接施用

保水剂土壤直接施用主要有地表撒施和沟施或穴施2种。

地表撒施是将保水剂均匀撒于地表或整地时翻入土中，用量为50～100kg/hm2，主要用于饲料作物、绿化草坪等。李中阳等人[19]施用5种不同的保水剂，施用量为30kg/hm2和60kg/hm2，撒施后翻入地中，冬小麦产量增加1.3%～7.9%，水分利用效率由对照的17.1kg/（hm2·mm）提高到18.0～ 20.7kg/（hm2·mm）。毛思帅等人[20]在较贫瘠的沙地种植沙地燕麦，在4个施肥水平（分别施用N-P2O5-K2O∶15-15-15复合肥375、300、225、150kg/hm2）下，施用保水剂60kg/hm2，与对照相比燕麦平均秸秆产量、籽粒产量、地上部和地下部生物量分别增加38.58%、22.60%、32.02%和24.59%；籽粒产量肥料利用率提高29.6%，土壤中的全N、速效P、速效K含量均相对增加，生物产量肥料利用率提高39.8%。李佳岭等人[21]的试验表明，在土壤中施用保水剂50 kg/hm2并翻入土壤表层0～5cm，种植黑麦草草坪，能显著提高土壤的体积含水量、保肥能力、草坪生长速度和草坪盖度等。

播种时根据不同的作物选择不同的保水剂用量，施用量在10～150kg/hm2不等，采用开沟施或穴施，一般在施入的同时或施入后即可播种或移栽。程闯胜等人[22]在玉米苗期沟施保水剂45kg/hm2，与对照相比，土壤20～60cm土层含水量提高18.31%，60～100cm土层含水率降低14.04%，上层土壤中硝态氮、铵态氮和有效磷均有提高，表明保水剂有效降低了水分的下渗和由此带来的淋溶作用导致的养分流失，玉米粗蛋白、粗淀粉、产量分别提高8.5%、1.0%、20.0%，粗纤维降低24.2%。池文泽等人[23]将保水剂与棉种混合后用播种机随棉种一同穴施，在滴灌条件下，节水40%，保水剂施用量90kg/hm2和60 kg/hm2时，较常规滴水分别增产18.95%、16.36%。西瓜[24]、马铃薯[25]等作物穴施或撒施保水剂后，产量、水分利用效率（WUE）等均有提高。

2.4蘸根

一般用于甘薯、蔬菜和苗木的移栽，保水剂蘸根后在植株根部形成一层保护膜，防止植株根部水分流失，移栽时可提高植株的成活率，缩短缓苗期。试验表明，番茄、茄子幼苗经保水剂蘸根处理后移栽，定植后2～4周内株高、叶面积等均有提高，缓苗时间明显缩短[26]。采用保水剂对一年生马尾松、杉木、板栗苗进行蘸根移栽，成活率分别为88.6%、93.2%、97.0%，对照组为68.2%、77.3%、50.0%。其中，马尾松苗生物量比对照提高126.9%，其根、枝、叶生物量分别提高53.6%、52.1%和258.5%；采用保水剂蘸根的杉木苗，其生物量比清水对照组提高69.3%，其中根、枝、叶生物量分别提高62.6%、50.3% 和93.1%[27]。

3　未来发展趋势及需要解决的问题

3.1新型保水剂的研制

目前保水剂生产技术已经较为成熟，主要是聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺及它们的共聚物，以及淀粉、纤维素等和它们的接枝共聚物等。聚丙烯酸盐类保水剂易和土壤中的二价金属离子如钙、镁、锰等发生拮抗反应，降低保水剂的吸水倍数和使用效果[28]。因此，研究抗拮抗、耐水解、耐光老化、微生物降解慢的新型保水剂对延长保水剂的有效期、降低保水剂的综合使用成本具有重要意义。

3.2系列化、功能化保水剂的研制

拌种、土壤施用、蘸根、育苗等不同用途保水剂的技术指标要求各有不同，保水剂可与肥料、农药和其他农化产品结合，发展大田作物、植树造林、防沙治沙等多种用途的专用保水剂系列产品。目前主要有2种技术路线，一是通过化学方法在保水剂分子链上引入不同的功能性基团，从而合成多功能复合型保水剂；二是通过混合不同功能和有效成分的保水剂、肥料、农药等研制复合型保水剂，克服不同组分之间的拮抗作用。通过上述路线确定各种不同功能成分的合理配比，研制出专用型、营养齐全、用途明确、可降解的环保型多功能保水剂。

3.3保水剂的应用技术及机理研究

目前对保水剂的应用研究主要集中在保水剂在育苗和移栽成活率、作物生长与产量等方面，但多数为试验报告性质。由于保水剂用量少，形状不规则，不利于机械施用，而影响了在大田农业中的应用。在实际生产中，要使保水剂的节水抗旱效果充分发挥，要综合考虑气候、地区、土壤、作物等因素，通过长期系统性研究形成不同保水剂产品的应用技术规范，并研究保水剂和作物、土壤、肥料间的作用机理，研发出适应机械精确施用的物理性状，降低保水剂的施用成本，提高投入产出比，才能促进保水剂在农业上的规模化应用。

参考文献

[1]邹新禧.超强吸水剂（第2版）[M].北京：化学工业出版社，2002：3-4.

[2]黄占斌，辛小桂，宁荣昌，等.保水剂在农业生产中的应用与发展趋势[J].干旱地区农业研究，2003，21（3）：11-14.

[3]陈海丽，吴震，刘明池.不同保水剂的吸水保水特性[J].西北农业学报，2010，19（1）：201-206.

[4]岑睿，屈忠义，于健，等.保水剂对半干旱区沙壤土水分运动的影响试验研究 [J].干旱区资源与环境，2016，30（2）：122-127.

[5]李兴，蒋进，宋春武，等.不同粒径保水剂吸水特性及其对土壤物理性能的影响[J].干旱区研究，2012，29（4）：609-614.

[6]苟春林，王新爱，李永胜，等.保水剂与氮肥的相互影响及节水保肥效果[J].中国农业科学，2011，44（19）：4015-4021.

[7]马焕成，罗质斌，陈义群，等.保水剂对土壤养分的保蓄作用[J].浙江林学院学报，2004，21（4）：404-407.

[8]黄占斌，万惠娥，邓西平，等.保水剂在改良土壤和作物抗旱节水中的效应[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1999，5（4）：52-56.

[9]向晓明，刘作新，郑昭佩.保水剂包衣对春小麦出苗及产量的影响[J].中国农学通报，2001，17（3）：38-40.

[10]李布青，郭肖颖，何传龙，等.抗旱保水剂在小麦种子包衣上的应用[J].安徽农业科学，2004，32（6）：1131-1132.

[11]雷昌云，邢丹英，罗耀美，等.不同水稻种子包衣剂免耕直播效应的初步研究 [J].安徽农业科学，2007，35（20）：6070-6071.