農(nóng)業(yè)保水劑運(yùn)用狀況探究

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本文作者：尤晶、李永勝、朱國(guó)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(yíng)養(yǎng)與新型肥料研究中心

目前，近30個(gè)國(guó)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(guó)對(duì)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(gè)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(hào)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(shí)現(xiàn)保水劑工業(yè)化生產(chǎn)，而且采用生物實(shí)驗(yàn)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(guó)保水劑的生產(chǎn)能力與發(fā)達(dá)國(guó)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(gè)很復(fù)雜的過程。當(dāng)保水劑遇水時(shí)，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(kuò)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(kuò)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(qiáng)，當(dāng)這種彈性收縮力與陰離子的靜電斥力相等時(shí)，保水劑達(dá)到吸水飽和；同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，故吸收的水在加壓的條件下也不會(huì)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(zhǎng)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(duì)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?yàn)槌^一定的限度，保水劑吸水量與保水劑的增加量不會(huì)成正比。另一方面，對(duì)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(duì)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(duì)水分入滲特性的影響，結(jié)果表明保水劑對(duì)水分有阻滲作用，且施用量越大，阻滲作用越強(qiáng)；在降水較少時(shí)，保水劑吸水保持水分，減少蒸發(fā)，但當(dāng)降水強(qiáng)度較大時(shí)，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(yàn)，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(rùn)鋒等的動(dòng)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(rùn)鋒運(yùn)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(rùn)鋒運(yùn)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(duì)土壤水分垂直入滲的3個(gè)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(duì)土壤入滲增加的效應(yīng)是有限的，濃度過高不僅會(huì)抑制土壤入滲，而且抑制效應(yīng)會(huì)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(qiáng)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(zhǎng)時(shí)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(qiáng)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(duì)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(duì)照。王正輝等[14]研究聚乙烯醇對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)土壤結(jié)構(gòu)性能的影響結(jié)果表明，隨營(yíng)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(duì)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(duì)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(kuò)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(shí)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(shí)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(duì)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(yàn)，研究了保水劑施入土壤后對(duì)尿素氨揮發(fā)以及對(duì)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(shí)，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(yàn)研究了旱地赤紅壤施用保水劑試驗(yàn)，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(duì)比方法發(fā)現(xiàn)，復(fù)合保水劑與同營(yíng)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(dòng)，提高土壤養(yǎng)分的利用效率。因此，保水劑對(duì)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(duì)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(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)、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(zhǎng)，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(duì)砂子孔隙狀況、持水性能和黃瓜幼苗生長(zhǎng)和水分利用效率的影響，結(jié)果表明施用保水劑的各個(gè)水平在幼苗植株鮮重上均較對(duì)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(zhǎng)植株萎蔫時(shí)間，但由于通氣孔隙減少，不利于幼苗生長(zhǎng)。崔娜等[23]以普通栽培型番茄‘遼園多麗’為試驗(yàn)材料，采用不同粒度保水劑進(jìn)行土壤拌施，研究了其對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)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(shí)研究溝施、混施、撒施BJ2101－L保水劑對(duì)土壤水分、土壤溫度和春小麥生長(zhǎng)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(duì)照分別增產(chǎn)22.6％、16.3％和8.0％。李磐等[25]對(duì)施用抗旱保水劑對(duì)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(duì)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(dú)有的特性，吸水倍率大，保水能力強(qiáng)，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?yàn)楸Ｋ畡┍仨氃谟兴那闆r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(huì)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(guó)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(jià)格偏高，推廣應(yīng)用緩慢，加上缺乏有效的質(zhì)量評(píng)價(jià)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(jià)合成原料，研制出吸水能力強(qiáng)，吸水速度快，持效性長(zhǎng)，價(jià)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(chǎng)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(duì)產(chǎn)品知之甚少，加上對(duì)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(duì)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(guó)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(duì)于純水的吸收性能，對(duì)鹽溶液的吸收性能研究較少。雖然近幾年來在這方面加強(qiáng)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?yàn)楸Ｋ畡┑哪望}性增強(qiáng)了，保水劑的吸水性能卻大大降低了。因此，對(duì)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(duì)保水劑應(yīng)用效果的影響機(jī)制，許多研究由于土壤質(zhì)地不同，實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)的不斷增強(qiáng)，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(guó)目前市場(chǎng)上的保水劑仍然集中在合成類上，同時(shí)也存在著降解緩慢或難以降解的問題。因此，加強(qiáng)天然可生物降解的保水劑已成為當(dāng)務(wù)之急。國(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還很少。缺少對(duì)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(duì)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(huì)使保水劑這項(xiàng)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(huì)大大緩解我國(guó)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(jī)。