保水剂对土壤性质及含水量的影响研究

李华闫沛玉刘斌陈亮杨世梅王翠丽杜雷超

(1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 景泰 730400；2.甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006)

我国干旱和半干旱地区幅员辽阔，因此，水资源的匮乏及其引起的水土流失对我国农业的可持续发展造成了很大的影响。农业用水是各用水领域中需水量最大的，长期以来，我国农业受土壤环境污染、干旱缺水、土壤养分下降等多种因素制约，应当利用有限的水资源尽可能高效地解决农田中的各种问题，提高农业用水效率是节约用水的必然措施，发展节水农业将成为一项重要的国家战略[1]。在众多的节水农业技术措施中，减少土壤的无效蒸发和作物蒸腾，提高作物的用水效率是提高农田水分利用效率的关键部分。因此，将少量的化学制剂应用于农田抗旱节水的研究中，是一种全新的节水方式——化学节水。农用保水剂是化学节水技术的一种，而且是符合我国国情的一种农田节水措施。农用保水剂的研发和应用，是开发和利用在干旱区开展节水农业的一种较为理想的节水措施，在农业生产等多方面都有着广泛的应用和发展前景[2]。

保水剂，即高吸水性聚合物(Super Absorbent Polymer 简称SAP)，也称吸水剂、持水剂，是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团，并具有一定交联度的水溶涨型高分子聚合物[3]。保水剂在其他方面也被称为高吸水剂、保湿剂、超强吸水树脂以及有机高分子化合物。因其能够快速吸收比自己体重重几百倍到数千倍的水，并且还可以进行多次重复的吸水，在吸水之后还可以慢慢释放水供农作物使用，具有很好的吸水保水特性[3]，在改善干旱地区土壤持水性、改善土壤结构、减少水分向深层泄漏和减少土壤养分流失等方面具有明显的效果，因而在节水农业和生态环境恢复中得到了越来越多的应用。因此，本研究通过分析保水剂的性质和作用机理，研究保水剂对土壤物理性质和吸水保水效应的影响，以期为提高旱作区农业种植水平和促进保水剂的推广应用提供科学依据。

1 保水剂的类型、性质及作用机理

1.1 保水剂的类型

按照生产原料保水剂可以分为淀粉类(淀粉-聚丙烯酰胺型、淀粉-聚丙烯酸型)、纤维素类(羧甲基纤维素型、纤维素型)、聚合物类(聚丙烯酸型、聚丙烯晴、聚乙烯醇等)3种类型[4]。按照保水剂形态可分为粉末状、薄片状、纤维状、液体状4种类型，目前农业生产中使用的保水剂以粉末状应用最为广泛[4]。

1.2 保水剂的性质

1.2.1 吸水性

保水剂的吸水性包括吸水能力、吸水速度和吸湿能力。其吸水性能与保水剂自身的组成、结构、水溶液中的盐类、pH等因素有关[5]。一般而言，离子型高分子的吸水性高于非离子型高分子，并且随着高分子电离程度的提高，其吸水性也随之增强，同一种保水剂在纯水中的吸水性更强，更迅速；离子型的保水剂需要几小时到十几个小时，而非离子型的保水剂则需20～60min[6]。保水剂不仅可以吸附液体中的水分，而且可以吸附大气和土壤中的水分，其吸湿性能及吸湿速率与保水剂类型及环境湿度都有关。

1.2.2 保水性

在自然情况下，使用保水剂后土壤的蒸发速率显著降低，并且在压力作用下，不容易发生离析。在恒温下的蒸发实验结果表明，保水剂对水分挥发具有显著的抑制效果。

1.2.3 持效性

保水剂有重复吸收作用。根据实验室测试结果，在重复使用的情况下，保水剂的吸水量通常会降低50%～70%，后达到一个稳定水平。试验结果显示，3～5年后，保水剂在土壤中会逐步降解，对水分的吸收能力大幅度下降，其维持能力与其自身特性、土质和使用量密切相关[7]。优质高效保水剂，既能有效保持当季作物水分，又能有效保护后茬作物水分。而低效保水剂只对一次耕作的作物有效。

1.3 保水剂的作用机理

保水剂都是高分子电解质，其吸水机理与普通吸水材料以物理吸水为主、吸水量小的吸水机理有很大区别，保水剂的吸水是由高分子电解质的离子斥力所造成的分子膨胀和网状结构所造成阻碍分子的膨胀相互作用所产生的，这种高分子化合物的分子链是无限长的，分子之间存在着复杂的三维网络，因此具有一定关联度，其网络中含有丰富的羧基和羟基等亲水性基团，在与水接触时，这些亲水性基团会被离子化，并与水形成氢键，从而吸附水分子[8]。在此过程中，网状结构中的电解液和外界水分形成了一个渗透电位，外界水分通过这种渗透电位持续向分子内迁移。由于离子水在网络中具有较强的解离作用，而带负离子的离子集团仍然被固定在网络中，因此，由于负离子之间的相互排斥作用，使得聚合物网络的结构发生了变化，从而导致大量的水分进入到分子网络中。聚合物的聚集状态，既有直线的，也有体积的，因为链段与链段之间存在轻微交联，所以直线部分可以自由伸缩，而体积的，则可以保持一定的强度，不能无限伸缩[9]。这样，保水剂就不会在水里溶解，而是膨胀成凝胶状，在分子链段没有断裂的情况下，凝胶的吸水性仍然可以得到很好的恢复。

2 试验材料与方法

2.1 供试材料

供试土壤为甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心灌溉试验站(N37°23′，E104°08′)试验田内土壤。供试保水剂为海瑞达保水剂，具有保水、保肥、疏松土壤的性能，主要应用于农业、林业种植，应用作物有马铃薯、玉米、药材、蔬菜及经济果林等，由甘肃海瑞达生态环境科技有限公司提供。

2.2 试验设计

试验采用单因素随机试验设计，保水剂使用量为单因素，设4个水平，分别为处理1(150kg·hm-2)、处理2(210kg·hm-2)、处理3(270kg·hm-2)、处理4(330kg·hm-2)，以不使用保水剂作为对照(CK)。取各处理土壤使其达到饱和持水量，采用烘干称重法对保水剂的持水性和伸缩性进行测定[9]。

2.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，采用新复极差法(Duncan)比较不同处理间的差异显著性，采用Excel 2007软件制图。

3 结果与分析

3.1 不同处理对土壤含水量影响

由表1可知，第5天、第10天、第15天的土壤含水量随着保水剂使用量的增加呈现增加的趋势，第10天、第15天的土壤含水量均显著高于CK。不同保水剂使用量处理下，处理3、处理4的土壤含水量均显著高于处理1、处理2、CK，处理3和处理4之间差异不显著。第5天，处理3、处理4的土壤含水量较CK分别提高了13.0%、17.8%，差异显著；处理1、处理2的土壤含水量与CK无显著性差异。第10天，各处理的土壤含水量均显著高于CK，处理3、处理4的土壤含水量较CK分别提高了38.9%、43.4%，差异显著，且均显著高于处理1、处理2。第15天，处理3、处理4的土壤含水量较CK分别提高了87.5%、110.9%，差异显著。结果表明，土壤含水量随着保水剂使用量的增加显著提高，且随着时间的推移效果越显著，较优的保水剂使用量为处理3、处理4。

表1 不同处理的土壤含水量

3.2 不同处理对土壤物理性状的影响

由表2可知，处理4的土壤总孔隙度最高，为59.2%，显著高于其他处理和CK，较CK提高了15.6%；处理2次之，为55.2%，较CK显著提高了7.8%，但与处理1、处理2无显著差异，处理1、处理2与CK差异不显著。土壤容重方面，处理4的土壤容重最低，为1.11g·cm-3，与其他处理无显著性差异；处理2、处理3、处理4的土壤容重较CK分别降低了10.6%、12.1%、15.9%，差异显著。土壤固液气三相组成方面，处理4的液相最高，为46.3%，显著高于其他处理和CK，较CK提高了37.4%；处理3(36.3%)较CK提高了7.7%，差异显著；处理1、处理2和CK无显著性差异；处理4的土壤固相最低，为41.1%，显著低于其他处理和CK，较CK降低了13.1%，其他处理和CK之间差异不显著；处理4的土壤气相最低，为19.2%，显著低于其他处理和CK，较CK降低了21.9%；处理3(17.3%)较CK降低了9.9%，差异显著；处理1和处理2与CK无显著性差异。结果表明，保水剂可以有效降低土壤的总孔隙度和土壤容重，提高土壤的液相比重和气相比重，较优的保水剂使用量为处理4。

表2 不同处理的土壤物理性状

3.3 不同处理对土壤有效水量的影响

由表3可知，处理4的毛管持水量(46.3%)和有效水量(37.0%)均显著高于其他处理和CK，较CK分别提高了43.3%、44.5%，处理3的土壤毛管持水量较CK提高了19.8%，差异显著，与其他处理无显著性差异；处理1、处理3的土壤有效水量次之，分别为32.6%、30.4%，较CK分别提高了27.3%、18.8%，差异显著。结果表明，保水剂可以有效提高土壤的毛管持水量和有效水量，较优的保水剂使用量为处理4。

表3 不同处理的土壤有效水量

4 讨论与结论

保水剂作为一种重要的农业节水技术，在农业生产中广泛应用[10]。保水剂具有降低土壤蒸发，减少水的渗透，抑制土壤含水率下降(持续时间可达10～15d[11])及改善土壤结构的作用。本研究表明，使用保水剂后第5天、第10天、第15天的土壤含水量随着保水剂使用量的增加呈现增加的趋势，第10天、第15天的土壤含水量均显著高于CK，且随着时间的推移效果越显著。改善土壤理化性质方面，有效降低土壤的总孔隙度和土壤容重，提高土壤的液相比重和气相比重，提高了土壤的毛管持水量和有效水量，表明保水剂有利于提高土壤的致密程度，促进土壤团聚体的形成和土壤结构的良性发育，还具备优良的吸水持水能力，这与王荣莲等[4]、吴勇等[8]、代大伟等[12]、金哲石[13]等学者研究结果一致。

结果表明，本试验条件下，使用保水剂可以显著提高土壤含水量、液相比重和气相比重，有效降低土壤的总孔隙度和土壤容重，较优的土壤保水剂使用量为330kg·hm-2。