保水剂对土壤持水特性的影响研究

肖红玉

(惠州市绿景水土保持咨询服务有限公司，广东 惠州 516001)

新疆是我国重要的农业生产区，然而水资源的严重匮乏和水土不平衡的发展现状严重制约着新疆农业发展。新疆60%的地区处于干旱气候区，降雨与蒸发量不成比例，年平均蒸发量为1 750～2 700 mm，而年平均降水量仅占17.5%。因此，如何保持土壤水分成为新疆农业可持续发展亟待解决的问题。

土壤中添加保水剂是缓解目前水资源短缺的一种重要方法，研究结果表明，土壤中添加保水剂后具有明显的节水、增产效果[1]。保水剂是一种高分子聚合物，能迅速吸收比自身重数100～1 000倍的去离子水，并且具有反复吸水能力，吸水膨胀后形成水凝胶，能够缓慢释放水分供植物吸收利用，从而增强土壤保水性能、提高水分利用率[2-3]。为探究保水剂对土壤持水性能的影响，本文以新疆昌吉州古尔班通古特沙漠南部的粘壤土和砂壤土为研究对象，研究了不同类型保水剂对土壤持水性能、抗蒸发效果和有效含水量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1供试土壤

试验土壤选用新疆昌吉州阜康市绿洲西侧(44°11′～46°20′N，84°31′～90°00′E)，古尔班通古特沙漠南部的粘壤土和砂壤土，该地区属于典型的大陆性气候，夏季干旱少雨， 冬季寒冷少雪， 昼夜温差大。年降水为70～120 mm，蒸发量为 2 800～3 000 mm；平均气温为 4℃～9℃， 7月温度最高，平均温度为23.13℃～37.69℃。冬季最低温度为-41℃。本地区无霜期为150 d， 冬季积雪为15～20 mm[4]。选取土样时去除表面杂质，分别选取田间0～30 cm的表层土壤。土样经过自然风干、去除杂质。试验土壤具体物理性质见表1所示。

1.1.2供试材料

筛选出3种保水剂作为试验材料，保水剂的基本情况见表2。

表1 试验土壤的物理性质

表2 保水剂的基本情况

1.2 试验处理与方法

1.2.1试验处理

在粘壤土、砂壤土中按质量比加入0.025%、0.05%和0.1%保水剂后，将其混合均匀，不加保水剂的作为对照组(CK)，试验共有20个处理，每个处理设置3个重复。

1.2.2土壤饱和含水率

将不同类型、不同含量的保水剂与土壤样品，设定容重分别为1.35 g/cm3、1.78 g/cm3后装入环刀，测试土壤的饱和含水率。

1.2.2土壤水分特征曲线

利用离心机测定不同土壤(粘壤土、砂壤土)在不同吸力条件下的土壤含水量(将吸水饱和平衡后的土壤样品，选取不同的吸力值进行离心)。利用水汽平衡法测定土壤持水性(高吸力值范围)，即将土样放在恒温(20℃)密闭干燥器内(底层有不同的饱和盐溶液)，使其在高吸力条件下吸水45 d以上，直至水汽吸附达到平衡为止。

1.2.3土壤抗蒸发性能

试验温度控制在45℃的温度条件下进行。将吸水(去离子水)饱和后的保水剂(0.2 g)凝胶，按不同埋深放入装有不同土壤的烧杯中，加入去离子水使土壤含水率达到17%[5]，静置使水分完全渗入土壤后称重，然后放入烘箱中恒温烘干(45℃)，每间隔12 h称重1次，直到重量恒定不变为止[6]。具体的试验设置如表3。

表3 保水剂抗蒸发能力试验

注：NAG-5表示埋深5 cm，A保水剂在粘壤土干燥状态下的处理；NAJ-5表示埋深5 cm，A保水剂在粘壤土凝胶状态下的处理。

1.2.4土壤有效含水量的测定

土壤有效含水量为田间持水量与调萎含水量之间的差值[7]。本实验中测定土壤吸力为300 kPa时的土壤含水量，估算粘壤土的田间持水量；用土壤吸力为800 kPa时的土壤含水量，估算砂壤土的田间持水量，具体的测定方法是将土壤样品与保水剂充分混合后，将土壤样品用水充分饱和后，利用悬挂水柱法测定土壤的含水量，用压力锅法测定土壤的萎蔫含水量。

2 结果与分析

2.1 保水剂对土壤持水性的影响

利用土壤水分特征曲线能够完整地表征土壤水吸力、土壤持水特性及其持水机理之间的关系[8]。当土壤吸力较低时，土壤水分主要受土壤毛管孔隙力的影响，通过毛管空隙力能够体现土壤的结构特征；当土壤吸力较大时，土壤水分主要受土壤颗粒表面分子吸附力作用的影响。通过土壤水分特性曲线可直观了解保水剂对土壤持水性的影响和作用。

图1为不同保水剂对土壤持水特性的影响变化曲线。图1(a)为添加保水剂A后土壤水分特征变化曲线。从图1中可以看出，加入保水剂后，与对照组相比，在相同的土壤吸力下土壤可以保持较高的含水率；当含水率相同时，加入保水剂后，土壤具有较高的土壤吸力，加入保水剂后土壤水分变特征曲线高于对照组。如当土壤吸力为1 000 kPa时，粘壤土中保水剂含量分别为0.025%、0.05%和0.1%时，与对照组相比土壤含水率分别大1.2%、2.4%和3.2%；砂壤土中加入保水剂后，土壤含水率比对照组分别大0.75%、1.36%和2.48%。随着土壤含水率的增加，土壤吸力差异渐渐变小，当土壤含水率大于30%后，不同土壤、不同保水剂含量的土壤吸力相差很小，基本相同。

(a)A添加剂

(b)B添加剂

(c)C添加剂

从图1(a)(b)(c)中可以看出，土壤中加入不同类型的保水剂后，土壤水分特征曲线情况基本相同。土壤吸力随土壤含水率的增大而减小，土壤吸力相同条件下，保水剂含量越高，粘壤土含水率比砂壤土含水率大。当土壤吸力为1 000 kPa，添加剂含量相同时，不同类型添加剂的土壤含水率不同。加入0.025%的A、B和C 3种添加剂后，粘壤土含水率与对照组相比分别增加了1.3%、3.4%和5.2%；砂壤土含水率与对照组相比分别增了4.6%、2.8%和1.2%。当加入.05%和0.1%的A、B和C 3种保水剂后，粘壤土含水率分别增加了7.3%、5.7%、2.4%和9.4%、7.8%、4.7%；砂壤土含水率分别增加了6.6%、4.1%、2.2%和8.9%、7.3%、3.2%。由于A、B、C 3种保水剂的吸水倍率分别为800 mL/m3、400 mL/m3、200 mL/m3，所以保水剂吸水倍率越大时，土壤含水率越高。

2.2 保水剂对土壤抗蒸发性能的影响

土壤保水能力不仅受保水剂类型、土壤特性的影响，还受到土壤和保水剂相互作用的影响。当土壤相同时，保水能力还受保水剂吸水倍率和埋深的影响。不同条件下保水剂对土壤抗蒸发变化效果如图2所示。从图2中可以看出，土壤中加入保水剂后能有效地保持土壤水分，凝胶状态下保水剂的保水效果比干燥状态下的保水效果好。5 cm埋深条件下，粘壤土平均含水率在不同保水剂胶凝状态下比干燥状态下分别高1.8%、1.2%。0.9%；砂壤土平均含水率在不同保水剂胶凝状态下比干燥状态下分别高1.2%、0.8%。1.6%。10 cm埋深条件下，粘壤土平均含水率在不同保水剂胶凝状态下比干燥状态下分别高1.2%、0.9%。0.7%；砂壤土平均含水率在不同保水剂胶凝状态下比干燥状态下分别高1.4%、1.2%。2.1%。所以，粘壤土中保水剂的保水能力分别为A>B>C；砂壤土中保水剂的保水能力分别为C>A>B。当保水剂吸水速度大于土壤吸水速度时，保水剂吸收的水分会形成一层隔水层，会导致隔水层下层土壤水分蒸发慢，在一定程度上起到了保护土壤水分的作用；相反，如果当保水剂吸水速度小于土壤吸水速度时，保水剂埋深越深，吸收的水分会越少，所以土壤的抗蒸发能力较强。综上所述，当土壤相同时，凝胶状态下保水剂的抗蒸发能力大于干燥状态下的抗蒸发能力。加入保水剂后粘壤土比砂壤土的抗蒸发能力强，保水剂的吸水倍率越大，土壤的抗蒸发能力越强[6]。

(a)干燥条件下粘壤土

(b)干燥条件下砂壤土

(a)胶凝条件下粘壤土

(b)胶凝条件下砂壤土

2.3 保水剂对土壤有效含水量的影响

图3为保水剂对不同土壤有效含水量影响的变化曲线。根据测试结果可知，保水剂饱和吸水量为自身重量的80倍以上，保水剂萎蔫含水量为自身重量的10倍。当土壤吸力为300 kPa时，保水剂有效含水量为自身重量的50倍；当土壤吸力为800 kPa时，保水剂有效含水量为自身重量的42倍。

从图3(a)中可以看出，保水剂对田间持水量和有效含水量有很大的促进作用。砂壤土中加入0.1%的保水剂时，土壤有效含水量增加了1倍以上；加入0.05%的A、B、C 3种保水剂后，土壤有效水含量与对照组相比从11%增加到了14%左右；在加入A、B、C 3种保水剂后，土壤有效含水量实测值和理论值差异较大，萎蔫含水量理论值与实测值差异不是很大。

从图3(b)中可以看出，粘壤土中加入0.1%的保水剂后，土壤有效含水量增加了0.5倍，添加保水剂后从16%增加到了25%左右；保水剂含量为0.05%时，加入A、B、C 3种保水剂后，土壤有效水含量和对照组相比从16%增加到了21%左右。当保水剂的含量为0.025%时，土壤有效含水量基本不会变化，与砂壤土相比，由于粘壤土具有较高的阳离子代换量、有机质含量、微生物活性等特点，导致对保水剂吸水效果的抑制作用更加明显[9]。

土壤中添加保水剂后，土壤萎蔫含水量理论值和实测值之间差异不大，但是田间持水量理论值和实测值之间差异较大。主要原因是吸水后保水剂体积可以自由膨胀，当土壤添加保水剂后，由于保水剂吸水过程中体积膨胀受到土壤颗粒的阻碍，导致保水剂的吸水潜力难以充分发挥。

(a)对砂壤土含水量的影响

(b)对粘壤土含水量的影响

3 结语

1) 粘壤土和砂壤土中添加保水剂土壤可以保持较高的含水率。含水率相同时，添加保水剂可使土壤保持较高的土壤吸力，而这种变化趋势与保水剂的含量和类型相关，添加剂含量越高，土壤持水性越强，但是当添加含量达到一定程度后，土壤持水性会降低，粘壤土比砂壤土的持水性能更强。

2) 保水剂的保水能力受保水剂吸水倍率和土壤及其自身性质的共同影响，所以要针对不同的土壤添加不同类型的保水剂。不同土壤中添加保水剂后，土壤的保水能力不同。在不同的埋深条件下，无论添加剂含量多少，粘壤土中保水剂的保水能力分别为A>B>C；砂土中保水剂的保水能力分别为C>A>B。粘壤土选用A保水剂比较好；砂壤土建议选用C保水剂。

3) 在土壤(粘壤土、砂壤土)中添加不同的保水剂后，对土壤饱和含水量和有效含水量均有促进作用，但由于土壤质地和结构的差异，对土壤持水性性能的影响也不同，添加保水剂后粘壤土的持水性能平均增强2.5%。