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农业保水剂运用状况探究

本文作者:尤晶、李永胜、朱国鹏、黄帮裕、张盛楚、杜建军 单位:海南大学农学院、仲恺农业工程学院植物营养与新型肥料研究中心

目前,近30个国家把保水剂应用于工业、农业、园艺、建筑等多种领域。我国对保水剂的开发与应用研究开始于20世纪70年代后期,起步较晚,但发展迅速,目前已有数十个单位进行研制和开发,研究主要侧重于降低成本、提高吸水倍率、吸盐水能力。80年代初,北京化学纤维研究所首先研制成功SA型保水剂,随后,陆续出现了由不同研究所所生产的不同型号的保水剂,如LPA、KH841、IAC-B等,并大量应用于农林生产领域。90年代以来,又相继有一系列的新型保水剂问世。1998年,河北保定市科瀚树脂公司率先实现保水剂工业化生产,而且采用生物实验技术研制成功“科瀚98”系列高效抗旱保水剂。另外,唐山博亚公司生产的高效抗旱保水剂,“永泰田”保水剂以及陕西杨凌惠中科技开发公司的吸水率高达1500倍的保水剂也都投入批量生产。但是我国保水剂的生产能力与发达国家的水平差距甚远。

保水剂的作用原理

保水剂的吸水是一个很复杂的过程。当保水剂遇水时,亲水基团与水分子形成氢键结合,并在水分子的作用下电离,电离的阴离子固定在高分子链上,随着电离的进行,网络上的阴离子不断增多,离子间的排斥作用使得树脂溶胀;而为了维持电中性,阳离子不能向外部扩散,导致网络内部的阳离子浓度不断增大,从而造成网络结构内外产生渗透压,使水分子不断进入保水剂,但是由于保水剂的三维网络结构扩张也产生相应的弹性收缩力,随着吸水量的不断增加,这种弹性收缩力逐渐增强,当这种弹性收缩力与阴离子的静电斥力相等时,保水剂达到吸水饱和;同时保水剂内部的阳离子浓度降低,保水剂内外的渗透压渐渐趋于零。保水剂内部的水分,极小部分与极性离子基团通过配位键或氢键形成水合水,大部分水分子是依靠保水剂的三维网络空间的作用,封闭在保水剂内部,这些水的吸附是保水剂网络的物理吸附。这种吸附不如化学吸附牢固,只是水分子的运动受到限制,水分子能被植物根系吸收。由于保水剂的三维交联网络结构限制了水分子的运动,故吸收的水在加压的条件下也不会被挤出来,使得保水剂具有保水性。保水剂的良好保水性又让保水剂的释水过程长期有效。

保水剂在农业上的应用

在土壤中加入保水剂不仅能有效地提高土壤对灌水和降雨的吸收,提高土壤的持水性,而且还能提高土壤的入渗率,加快土壤的吸水速度,以及降低土壤水分的蒸发损耗,防止因土面蒸发而造成的土壤水分的缺失。但加入的保水剂的量需控制在一定的范围,因为超过一定的限度,保水剂吸水量与保水剂的增加量不会成正比。另一方面,对不同的土壤要选择不同的保水剂,保水剂吸水倍率在不同pH值下的反应不同,分为碱性、酸性和中性保水剂,要根据土壤的酸碱性来选择相对于的保水剂;根据土壤的保水能力以及当地降水情况选择不同吸水速率的保水剂。刘亚敏等[5]研究了保水剂层施用量对水分入渗特性的影响,结果表明保水剂对水分有阻渗作用,且施用量越大,阻渗作用越强;在降水较少时,保水剂吸水保持水分,减少蒸发,但当降水强度较大时,保水剂大量吸水,使土壤孔隙状况发生改变,产生阻渗作用,减弱水分的下渗。黄占斌等[6]研究表明,含0.1%保水剂土壤第1、2次降雨中土壤水分最终水分入渗率分别提高了43%和44%。王慧勇等[7]通过室内积水入渗试验,比较分析了保水剂作用下土壤水分的入渗率、累积入渗量及湿润锋等的动态变化,结果表明混施保水剂不同程度上减小了沙质土壤水分入渗率、累积入渗量和湿润锋运移距离;保水剂混施用量越多,入渗率的降低程度越大,累积入渗量和湿润锋运移距离越小。白文波等[8]模拟大田积水入渗过程,分别层施和混施不同浓度的保水剂,比较分析保水剂对土壤水分垂直入渗的3个特征量的影响,结果表明层施和混施保水剂都能不同程度地增加土壤入渗,不同的是,层施保水剂对土壤入渗增加的效应是有限的,浓度过高不仅会抑制土壤入渗,而且抑制效应会随着保水剂浓度的进一步增加而加剧;但是混施条件下,保水剂可使土壤累积入渗量120min内增加1.1~2.1倍,且土壤入渗的增加与保水剂浓度正相关。苏文强等[9]研究了保水剂施入耕土后土壤持水性质的变化,证明了保水剂提高了土壤的蓄水容量和持水能力,能有效抑制土壤蒸发,可在较长时间内使土壤维持较多的水分。

在土壤中加入保水剂有利于稳定土壤结构,形成土壤团粒,降低土壤容重,改善土壤通透性,特别是灌溉前或旱地雨季前将保水剂施于土壤表面,可防止表土结皮,提高灌、降水的土壤入渗速率,增加水分利用效率[10-12]。添加的保水剂高分子链结构可增强易分散微粒间的黏结力,使微粒能够彼此黏结,团聚成水稳性团粒,从而引起粒径组成的变化,形成较大团粒结构。杨永辉等[13]研究了保水剂不同用量对施入土层土壤孔隙特征及其分布的影响,结果表明施用保水剂均提高了土壤剖面不同土层的土壤孔隙数目、孔隙度和孔隙成圆率,随着保水剂用量的增加,各土层平均总孔隙数、总孔隙度及成圆率提高;但保水剂用量过高,其总孔隙数增加不明显,总孔隙度和孔隙成圆率降低,但仍高于对照。王正辉等[14]研究聚乙烯醇对沙土的作用后发现,土壤中的团粒数从6.67%~63.00%增至7.50%~79.00%,同时土壤容重、最大持水量、土壤温差以及水分蒸发速率都得到改善。陈宝玉等[15]研究了保水剂对土壤性质的影响,表明保水剂能显著提高土壤水分常数和土壤孔隙度,能明显提高土壤的膨胀性能65%~170%。周岩[16]研究保水剂对土壤结构性能的影响结果表明,随营养型抗旱保水剂用量增加,砂壤土和砂土容重分别比不施保水剂减小3.4%和4.3%,保水剂对砂土>0.25mm粒径团聚体的影响显著,并随用量增加而增大,对砂壤土团聚体含量也有所提高。

保水剂一般都含有微孔,可让一些小分子或离子如CO(NH2)2、NH4+和NO3-扩散进入,进入到保水剂分子内部的养分离子或分子,可以暂时被溶胀的保水剂包裹起来,或被带电基团激活作定向排列,若是阳离子还可以与树脂内部的阳离子发生交换吸附,而暂时固定下来延缓了养分的释放,在土壤中加入保水剂能提高土壤对肥料的利用率,减少养分的淋失,起到保肥的作用。杜建军等[17]采用"静态吸收法"和"土柱淋溶法"室内模拟试验,研究了保水剂施入土壤后对尿素氨挥发以及对尿素、磷酸一铵、氯化钾养分淋溶损失的影响,结果表明尿素氨挥发量显著降低,并随着保水剂用量的增加效果更加明显,加入0.05%~0.20%的保水剂时,氮、磷、钾养分累积淋失量分别较不施保水剂处理减少13.60%~39.62%、28.31%~16.96%和6.76%~24.55%。姚建武等[18]利用土柱模拟试验研究了旱地赤红壤施用保水剂试验,结果表明施用保水剂的处理0~30cm土层的氮肥淋失率从26.2%降至17.1%,氮肥淋失减少了34.7%。岳征文等[19]通过整体法和盆栽对比方法发现,复合保水剂与同营养型的混合肥料处理相比,提高N元素表观利用率可提高0.2~1.9倍,P元素表观利用率可提高0.23~2.00倍。Sojka等[20]发现在土壤中施入保水剂能够促进土壤中微生物活动,提高土壤养分的利用效率。因此,保水剂对土壤中的养分起保蓄作用,提高养分的利用率,从而减缓了传统农药及化肥对环境的污染,有益于净化环境。

将保水剂应用于播种,可有效促进种子的萌发,提高种子的出苗率。李建设等[21]研究发现不同质量浓度保水剂对黄瓜幼苗生长、生理指标等均有不同程度的促进作用,保水剂在一定范围内可以促进黄瓜幼苗生长,提高秧苗质量和生理活性。杜建军等[22]以砂子作为育苗基质,以黄瓜为供试作物,研究不同种类、不同用量的保水剂对砂子孔隙状况、持水性能和黄瓜幼苗生长和水分利用效率的影响,结果表明施用保水剂的各个水平在幼苗植株鲜重上均较对照有不同程度的增加,若保水剂用量过高,虽持水、保水作用增加,且可延长植株萎蔫时间,但由于通气孔隙减少,不利于幼苗生长。崔娜等[23]以普通栽培型番茄‘辽园多丽’为试验材料,采用不同粒度保水剂进行土壤拌施,研究了其对番茄幼苗生长发育的影响,结果表明不同粒度的保水剂土壤拌施能提高番茄幼苗的株高、茎粗、单位面积叶片重、根茎叶的干鲜重,能够提高G值和壮苗指数,促进番茄幼苗功能叶的光合作用,番茄幼苗功能叶的叶绿素含量和净光合速率均提高。张蕊等[24]在河套灌区春小麦播种时研究沟施、混施、撒施BJ2101-L保水剂对土壤水分、土壤温度和春小麦生长状况的影响,结果表明沟施、混施、撒施保水剂促进了根系向深层土壤分布,增加了根系及总生物量,较对照分别增产22.6%、16.3%和8.0%。李磐等[25]对施用抗旱保水剂对棉花产量与水分利用效率的影响进行了研究,结果表明抗旱剂与保水剂能够显著增加棉花产量、增幅为2.55%~29.71%,提高棉花对土壤水分的利用效率、增幅为2.1%~29.8%。

保水剂农业应用研究中存在的问题与发展展望

保水剂因其独有的特性,吸水倍率大,保水能力强,无毒、无刺激等而在农业上得到了广泛的应用,发挥着保持水土、防风固沙、抗旱节水、改良土壤、保肥增效等多种功能,成为了既农药、化肥、地膜之后的又一大农用化学制品。但我们必须认清保水剂不是万能的,不能认为施用了保水剂就可以不用灌溉,因为保水剂必须在有水的情况下才能发挥作用,而且保水剂的用量也不是越多越好,必须控制在一定的用量范围之内,否则反而会适得其反。目前,保水剂在农业上的应用研究尚有许多问题待深入研究,主要包括[26-31]:目前我国生产保水剂的技术都较单一,而且由于原料选择范围小,使得生产成本较大,产品价格偏高,推广应用缓慢,加上缺乏有效的质量评价标准,作为保水剂统一生产与应用的规范,许多企业生产的保水剂性能和质量相差很大。因而今后应通过改进加工方法,开发新的廉价合成原料,研制出吸水能力强,吸水速度快,持效性长,价格低廉,适应范围广的系列产品,真正促进保水剂在农业生产上大面积开发应用。目前保水剂市场上种类繁多,良莠不齐,各地土壤、气候条件差异较大,导致保水剂的施用量没有统一的标准,而且由于保水剂的宣传力度不够,许多农民对产品知之甚少,加上对保水剂系统研究缺乏理论指导,导致许多农民不知保水剂的用法,对保水剂在农业上的应用产生了许多误解,为保水剂在全国地区的推广使用增加了难度。阴离子型保水剂耐盐性较差、吸水速度较慢,而非离子型的吸水速度较快、耐盐性也较好、但吸水能力较低。目前大部分的研究只考虑了保水剂对于纯水的吸收性能,对盐溶液的吸收性能研究较少。虽然近几年来在这方面加强了研究,也采取一些方法提高了保水剂的耐盐性,但结果不是很理想,因为保水剂的耐盐性增强了,保水剂的吸水性能却大大降低了。因此,对保水剂的后续研究就集中于如何提高保水剂的耐盐性,而又不至于降低保水剂的吸水性能。缺乏系统研究土壤质地、水肥条件、气候、灌水模式等对保水剂应用效果的影响机制,许多研究由于土壤质地不同,实验条件也大不相同,导致了许多研究结果互相矛盾,不利于保水剂的推广应用,因此需通过系统研究,探讨针对不同作物、不同土壤类型、气候条件保水剂的最佳施用量、施用方式,为保水剂的研制、改进、生产及其应用提供理论指导。随着石油资源的日益紧张和人们环保意识的不断增强,以天然高分子为原料的可降解性保水剂已越来越受到人们的重视,但我国目前市场上的保水剂仍然集中在合成类上,同时也存在着降解缓慢或难以降解的问题。因此,加强天然可生物降解的保水剂已成为当务之急。国外已做了不少相关的研究,如海藻酸钠类、聚氨基酸类、微生物等,而国内对这方面的研究还很少。缺少对不同类型的保水剂与肥料间的相互关系的研究,导致对保水剂的应用只注重其保水性能,而忽视其作为缓释膜的应用。解决以上的关键问题,将会使保水剂这项节水技术得到更好的推广,从而形成以保水剂为中心的综合保水节水技术体系,也将会大大缓解我国目前农业水资源严重缺乏的问题,而且保水剂还可以防止土壤退化和荒漠化,提高粮食以及其他作物的产量,从而在一定程度上缓解粮食危机。