農(nóng)業(yè)保水劑運用狀況探究

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本文作者：尤晶、李永勝、朱國鵬、黃幫裕、張盛楚、杜建軍 單位：海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院、仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院植物營養(yǎng)與新型肥料研究中心

目前，近30個國家把保水劑應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、園藝、建筑等多種領(lǐng)域。我國對保水劑的開發(fā)與應(yīng)用研究開始于20世紀(jì)70年代后期，起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已有數(shù)十個單位進(jìn)行研制和開發(fā)，研究主要側(cè)重于降低成本、提高吸水倍率、吸鹽水能力。80年代初，北京化學(xué)纖維研究所首先研制成功SA型保水劑，隨后，陸續(xù)出現(xiàn)了由不同研究所所生產(chǎn)的不同型號的保水劑，如LPA、KH841、IAC－B等，并大量應(yīng)用于農(nóng)林生產(chǎn)領(lǐng)域。90年代以來，又相繼有一系列的新型保水劑問世。1998年，河北保定市科瀚樹脂公司率先實現(xiàn)保水劑工業(yè)化生產(chǎn)，而且采用生物實驗技術(shù)研制成功“科瀚98”系列高效抗旱保水劑。另外，唐山博亞公司生產(chǎn)的高效抗旱保水劑，“永泰田”保水劑以及陜西楊凌惠中科技開發(fā)公司的吸水率高達(dá)1500倍的保水劑也都投入批量生產(chǎn)。但是我國保水劑的生產(chǎn)能力與發(fā)達(dá)國家的水平差距甚遠(yuǎn)。

保水劑的作用原理

保水劑的吸水是一個很復(fù)雜的過程。當(dāng)保水劑遇水時，親水基團(tuán)與水分子形成氫鍵結(jié)合，并在水分子的作用下電離，電離的陰離子固定在高分子鏈上，隨著電離的進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)上的陰離子不斷增多，離子間的排斥作用使得樹脂溶脹；而為了維持電中性，陽離子不能向外部擴散，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的陽離子濃度不斷增大，從而造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，使水分子不斷進(jìn)入保水劑，但是由于保水劑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴張也產(chǎn)生相應(yīng)的彈性收縮力，隨著吸水量的不斷增加，這種彈性收縮力逐漸增強，當(dāng)這種彈性收縮力與陰離子的靜電斥力相等時，保水劑達(dá)到吸水飽和；同時保水劑內(nèi)部的陽離子濃度降低，保水劑內(nèi)外的滲透壓漸漸趨于零。保水劑內(nèi)部的水分，極小部分與極性離子基團(tuán)通過配位鍵或氫鍵形成水合水，大部分水分子是依靠保水劑的三維網(wǎng)絡(luò)空間的作用，封閉在保水劑內(nèi)部，這些水的吸附是保水劑網(wǎng)絡(luò)的物理吸附。這種吸附不如化學(xué)吸附牢固，只是水分子的運動受到限制，水分子能被植物根系吸收。由于保水劑的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了水分子的運動，故吸收的水在加壓的條件下也不會被擠出來，使得保水劑具有保水性。保水劑的良好保水性又讓保水劑的釋水過程長期有效。

保水劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

在土壤中加入保水劑不僅能有效地提高土壤對灌水和降雨的吸收，提高土壤的持水性，而且還能提高土壤的入滲率，加快土壤的吸水速度，以及降低土壤水分的蒸發(fā)損耗，防止因土面蒸發(fā)而造成的土壤水分的缺失。但加入的保水劑的量需控制在一定的范圍，因為超過一定的限度，保水劑吸水量與保水劑的增加量不會成正比。另一方面，對不同的土壤要選擇不同的保水劑，保水劑吸水倍率在不同pH值下的反應(yīng)不同，分為堿性、酸性和中性保水劑，要根據(jù)土壤的酸堿性來選擇相對于的保水劑；根據(jù)土壤的保水能力以及當(dāng)?shù)亟邓闆r選擇不同吸水速率的保水劑。劉亞敏等[5]研究了保水劑層施用量對水分入滲特性的影響，結(jié)果表明保水劑對水分有阻滲作用，且施用量越大，阻滲作用越強；在降水較少時，保水劑吸水保持水分，減少蒸發(fā)，但當(dāng)降水強度較大時，保水劑大量吸水，使土壤孔隙狀況發(fā)生改變，產(chǎn)生阻滲作用，減弱水分的下滲。黃占斌等[6]研究表明，含0.1%保水劑土壤第1、2次降雨中土壤水分最終水分入滲率分別提高了43%和44%。王慧勇等[7]通過室內(nèi)積水入滲試驗，比較分析了保水劑作用下土壤水分的入滲率、累積入滲量及濕潤鋒等的動態(tài)變化，結(jié)果表明混施保水劑不同程度上減小了沙質(zhì)土壤水分入滲率、累積入滲量和濕潤鋒運移距離；保水劑混施用量越多，入滲率的降低程度越大，累積入滲量和濕潤鋒運移距離越小。白文波等[8]模擬大田積水入滲過程，分別層施和混施不同濃度的保水劑，比較分析保水劑對土壤水分垂直入滲的3個特征量的影響，結(jié)果表明層施和混施保水劑都能不同程度地增加土壤入滲，不同的是，層施保水劑對土壤入滲增加的效應(yīng)是有限的，濃度過高不僅會抑制土壤入滲，而且抑制效應(yīng)會隨著保水劑濃度的進(jìn)一步增加而加??；但是混施條件下，保水劑可使土壤累積入滲量120min內(nèi)增加1.1~2.1倍，且土壤入滲的增加與保水劑濃度正相關(guān)。蘇文強等[9]研究了保水劑施入耕土后土壤持水性質(zhì)的變化，證明了保水劑提高了土壤的蓄水容量和持水能力，能有效抑制土壤蒸發(fā)，可在較長時間內(nèi)使土壤維持較多的水分。

在土壤中加入保水劑有利于穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，形成土壤團(tuán)粒，降低土壤容重，改善土壤通透性，特別是灌溉前或旱地雨季前將保水劑施于土壤表面，可防止表土結(jié)皮，提高灌、降水的土壤入滲速率，增加水分利用效率[10-12]。添加的保水劑高分子鏈結(jié)構(gòu)可增強易分散微粒間的黏結(jié)力，使微粒能夠彼此黏結(jié)，團(tuán)聚成水穩(wěn)性團(tuán)粒，從而引起粒徑組成的變化，形成較大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。楊永輝等[13]研究了保水劑不同用量對施入土層土壤孔隙特征及其分布的影響，結(jié)果表明施用保水劑均提高了土壤剖面不同土層的土壤孔隙數(shù)目、孔隙度和孔隙成圓率，隨著保水劑用量的增加，各土層平均總孔隙數(shù)、總孔隙度及成圓率提高；但保水劑用量過高，其總孔隙數(shù)增加不明顯，總孔隙度和孔隙成圓率降低，但仍高于對照。王正輝等[14]研究聚乙烯醇對沙土的作用后發(fā)現(xiàn)，土壤中的團(tuán)粒數(shù)從6.67%~63.00%增至7.50%~79.00%，同時土壤容重、最大持水量、土壤溫差以及水分蒸發(fā)速率都得到改善。陳寶玉等[15]研究了保水劑對土壤性質(zhì)的影響，表明保水劑能顯著提高土壤水分常數(shù)和土壤孔隙度，能明顯提高土壤的膨脹性能65%~170%。周巖[16]研究保水劑對土壤結(jié)構(gòu)性能的影響結(jié)果表明，隨營養(yǎng)型抗旱保水劑用量增加，砂壤土和砂土容重分別比不施保水劑減小3.4%和4.3%,保水劑對砂土>0.25mm粒徑團(tuán)聚體的影響顯著，并隨用量增加而增大，對砂壤土團(tuán)聚體含量也有所提高。

保水劑一般都含有微孔，可讓一些小分子或離子如CO(NH2)2、NH4+和NO3-擴散進(jìn)入，進(jìn)入到保水劑分子內(nèi)部的養(yǎng)分離子或分子，可以暫時被溶脹的保水劑包裹起來，或被帶電基團(tuán)激活作定向排列，若是陽離子還可以與樹脂內(nèi)部的陽離子發(fā)生交換吸附，而暫時固定下來延緩了養(yǎng)分的釋放，在土壤中加入保水劑能提高土壤對肥料的利用率，減少養(yǎng)分的淋失，起到保肥的作用。杜建軍等[17]采用"靜態(tài)吸收法"和"土柱淋溶法"室內(nèi)模擬試驗，研究了保水劑施入土壤后對尿素氨揮發(fā)以及對尿素、磷酸一銨、氯化鉀養(yǎng)分淋溶損失的影響，結(jié)果表明尿素氨揮發(fā)量顯著降低，并隨著保水劑用量的增加效果更加明顯，加入0.05%~0.20%的保水劑時，氮、磷、鉀養(yǎng)分累積淋失量分別較不施保水劑處理減少13.60%~39.62%、28.31%~16.96%和6.76%~24.55%。姚建武等[18]利用土柱模擬試驗研究了旱地赤紅壤施用保水劑試驗，結(jié)果表明施用保水劑的處理0~30cm土層的氮肥淋失率從26.2％降至17.1％，氮肥淋失減少了34.7％。岳征文等[19]通過整體法和盆栽對比方法發(fā)現(xiàn)，復(fù)合保水劑與同營養(yǎng)型的混合肥料處理相比，提高N元素表觀利用率可提高0.2~1.9倍，P元素表觀利用率可提高0.23~2.00倍。Sojka等[20]發(fā)現(xiàn)在土壤中施入保水劑能夠促進(jìn)土壤中微生物活動，提高土壤養(yǎng)分的利用效率。因此，保水劑對土壤中的養(yǎng)分起保蓄作用，提高養(yǎng)分的利用率，從而減緩了傳統(tǒng)農(nóng)藥及化肥對環(huán)境的污染，有益于凈化環(huán)境。

將保水劑應(yīng)用于播種，可有效促進(jìn)種子的萌發(fā)，提高種子的出苗率。李建設(shè)等[21]研究發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量濃度保水劑對黃瓜幼苗生長、生理指標(biāo)等均有不同程度的促進(jìn)作用，保水劑在一定范圍內(nèi)可以促進(jìn)黃瓜幼苗生長，提高秧苗質(zhì)量和生理活性。杜建軍等[22]以砂子作為育苗基質(zhì)，以黃瓜為供試作物，研究不同種類、不同用量的保水劑對砂子孔隙狀況、持水性能和黃瓜幼苗生長和水分利用效率的影響，結(jié)果表明施用保水劑的各個水平在幼苗植株鮮重上均較對照有不同程度的增加，若保水劑用量過高，雖持水、保水作用增加，且可延長植株萎蔫時間，但由于通氣孔隙減少，不利于幼苗生長。崔娜等[23]以普通栽培型番茄‘遼園多麗’為試驗材料，采用不同粒度保水劑進(jìn)行土壤拌施，研究了其對番茄幼苗生長發(fā)育的影響，結(jié)果表明不同粒度的保水劑土壤拌施能提高番茄幼苗的株高、莖粗、單位面積葉片重、根莖葉的干鮮重，能夠提高G值和壯苗指數(shù)，促進(jìn)番茄幼苗功能葉的光合作用，番茄幼苗功能葉的葉綠素含量和凈光合速率均提高。張蕊等[24]在河套灌區(qū)春小麥播種時研究溝施、混施、撒施BJ2101－L保水劑對土壤水分、土壤溫度和春小麥生長狀況的影響，結(jié)果表明溝施、混施、撒施保水劑促進(jìn)了根系向深層土壤分布，增加了根系及總生物量，較對照分別增產(chǎn)22.6％、16.3％和8.0％。李磐等[25]對施用抗旱保水劑對棉花產(chǎn)量與水分利用效率的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明抗旱劑與保水劑能夠顯著增加棉花產(chǎn)量、增幅為2.55%~29.71%，提高棉花對土壤水分的利用效率、增幅為2.1%~29.8%。

保水劑農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究中存在的問題與發(fā)展展望

保水劑因其獨有的特性，吸水倍率大，保水能力強，無毒、無刺激等而在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用,發(fā)揮著保持水土、防風(fēng)固沙、抗旱節(jié)水、改良土壤、保肥增效等多種功能，成為了既農(nóng)藥、化肥、地膜之后的又一大農(nóng)用化學(xué)制品。但我們必須認(rèn)清保水劑不是萬能的，不能認(rèn)為施用了保水劑就可以不用灌溉，因為保水劑必須在有水的情況下才能發(fā)揮作用，而且保水劑的用量也不是越多越好，必須控制在一定的用量范圍之內(nèi)，否則反而會適得其反。目前，保水劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究尚有許多問題待深入研究，主要包括[26-31]：目前我國生產(chǎn)保水劑的技術(shù)都較單一，而且由于原料選擇范圍小，使得生產(chǎn)成本較大，產(chǎn)品價格偏高，推廣應(yīng)用緩慢，加上缺乏有效的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，作為保水劑統(tǒng)一生產(chǎn)與應(yīng)用的規(guī)范，許多企業(yè)生產(chǎn)的保水劑性能和質(zhì)量相差很大。因而今后應(yīng)通過改進(jìn)加工方法，開發(fā)新的廉價合成原料，研制出吸水能力強，吸水速度快，持效性長，價格低廉，適應(yīng)范圍廣的系列產(chǎn)品，真正促進(jìn)保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大面積開發(fā)應(yīng)用。目前保水劑市場上種類繁多，良莠不齊，各地土壤、氣候條件差異較大，導(dǎo)致保水劑的施用量沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且由于保水劑的宣傳力度不夠，許多農(nóng)民對產(chǎn)品知之甚少，加上對保水劑系統(tǒng)研究缺乏理論指導(dǎo)，導(dǎo)致許多農(nóng)民不知保水劑的用法，對保水劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用產(chǎn)生了許多誤解，為保水劑在全國地區(qū)的推廣使用增加了難度。陰離子型保水劑耐鹽性較差、吸水速度較慢，而非離子型的吸水速度較快、耐鹽性也較好、但吸水能力較低。目前大部分的研究只考慮了保水劑對于純水的吸收性能，對鹽溶液的吸收性能研究較少。雖然近幾年來在這方面加強了研究，也采取一些方法提高了保水劑的耐鹽性，但結(jié)果不是很理想，因為保水劑的耐鹽性增強了，保水劑的吸水性能卻大大降低了。因此，對保水劑的后續(xù)研究就集中于如何提高保水劑的耐鹽性，而又不至于降低保水劑的吸水性能。缺乏系統(tǒng)研究土壤質(zhì)地、水肥條件、氣候、灌水模式等對保水劑應(yīng)用效果的影響機制，許多研究由于土壤質(zhì)地不同，實驗條件也大不相同，導(dǎo)致了許多研究結(jié)果互相矛盾，不利于保水劑的推廣應(yīng)用，因此需通過系統(tǒng)研究，探討針對不同作物、不同土壤類型、氣候條件保水劑的最佳施用量、施用方式，為保水劑的研制、改進(jìn)、生產(chǎn)及其應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。隨著石油資源的日益緊張和人們環(huán)保意識的不斷增強，以天然高分子為原料的可降解性保水劑已越來越受到人們的重視，但我國目前市場上的保水劑仍然集中在合成類上，同時也存在著降解緩慢或難以降解的問題。因此，加強天然可生物降解的保水劑已成為當(dāng)務(wù)之急。國外已做了不少相關(guān)的研究，如海藻酸鈉類、聚氨基酸類、微生物等，而國內(nèi)對這方面的研究還很少。缺少對不同類型的保水劑與肥料間的相互關(guān)系的研究，導(dǎo)致對保水劑的應(yīng)用只注重其保水性能，而忽視其作為緩釋膜的應(yīng)用。解決以上的關(guān)鍵問題，將會使保水劑這項節(jié)水技術(shù)得到更好的推廣，從而形成以保水劑為中心的綜合保水節(jié)水技術(shù)體系，也將會大大緩解我國目前農(nóng)業(yè)水資源嚴(yán)重缺乏的問題，而且保水劑還可以防止土壤退化和荒漠化，提高糧食以及其他作物的產(chǎn)量，從而在一定程度上緩解糧食危機。