三種不同保水劑在不同土壤質(zhì)地和埋深條件下保水性能的比較

李沼鵜，師慶東,3，韓 舒，周耀治

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046)

0 引 言

我國的保水劑開發(fā)與應(yīng)用研究開始于20世紀(jì)80年代初期。在此研究基礎(chǔ)上利用土壤保水劑增產(chǎn)是緩解中國水資源短缺的一種新途徑和方法[1-3]。國內(nèi)外研究表明，保水劑施入土壤后具有明顯的節(jié)水、增長效果[4-5]。而保水劑的正確選擇與科學(xué)施用是緩解農(nóng)作物旱情的主要措施之一[6]。保水劑具有良好的親水性，通過形成凝膠長時間鎖住水分，其吸水量可以達(dá)到自身質(zhì)量的百倍甚至千倍，且可以反復(fù)吸水，因此在農(nóng)業(yè)和生態(tài)保護(hù)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，也越來越受到國內(nèi)外專家的重視[7-9]。保水劑在土壤中施用保水劑可改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙狀況，并且提高土壤的保水性能[10]，改善土壤內(nèi)部水分環(huán)境，從而對作物生長產(chǎn)生正效應(yīng)。加入適量保水劑能夠提高土壤入滲性能[11-13]，促進(jìn)水分向各方向滲入。但保水劑的作用效果因在植物生長過程中經(jīng)歷反復(fù)吸水和釋水而有所降低，雖然保水劑有重復(fù)作用，仍具有一定的保水、保水效果[14-18]。

新疆位于亞歐大陸中部，深處內(nèi)陸受地理環(huán)境的影響，受干旱半干旱大陸性氣候控制降水少而蒸發(fā)量大。北疆干旱度在4～8，南疆干旱度大于9。水資源匱乏制約著本區(qū)域的工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展。干旱狀況在新疆地區(qū)以其范圍廣、持續(xù)時間長，嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。唐自力等利用保水劑對沙漠中梭梭林吸水倍率進(jìn)行研究，表明保水劑可以有效提高20～30 cm深度土層的土壤含水性和梭梭林的成活率。針對保水劑對土壤持水性方面的影響研究，目前多側(cè)重于研究保水劑對同一土壤或不同類型保水劑對同一土壤持水性的影響[19-26]，還有將保水劑施用與其他抗旱節(jié)水措施結(jié)合研究保水劑對土壤特性及作物生長和產(chǎn)量等的影響[27-31]。但是，目前針對保水劑在不同理化性質(zhì)的土壤和埋深條件下的保水性能方面研究較少，在新疆干旱區(qū)開展此項研究顯得尤為重要。

為探索不同保水劑在干旱區(qū)不同理化性質(zhì)和不同深度土壤中的應(yīng)用效果，探尋一條符合新疆地區(qū)保水劑合理施用的科學(xué)方案，本研究選用國外保水劑MP3005KCE、國內(nèi)沃特保水劑(WT)和新疆大學(xué)研制的HG-60保水劑，分別在砂土、壤土和黏土的不同埋深下進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，通過研究3種土壤理化性質(zhì)的改變。以期得出干旱區(qū)施用保水劑的準(zhǔn)確比例。為后期的保水劑在干旱區(qū)的荒漠化治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提供實(shí)際參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)土壤理化性質(zhì)：根據(jù)采集的3種土壤樣品特征和卡慶斯基的土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，黏土采于阜康市九運(yùn)街鎮(zhèn)的黏土礦，壤土和砂土分別采集于阜康綠洲、古爾班通古特沙漠南緣。砂土含水率為0.3%，土壤密度為1.37 g/cm3；壤土含水率為20%，土壤密度為1.46 g/cm3；黏土含水率為40%，土壤密度為1.57 g/cm3。

(2)供試保水劑：采用干燥的MP3005KCE保水劑(法國愛森公司)，其主要成分為聚丙烯鹽酸和聚丙烯酰胺共聚體，吸水倍率(去離子水)為429 g/g，對于0.9%NaCl溶液的吸水倍率為46 g/g；沃特保水劑(WT)(勝利油田長安集團(tuán))，其主要成分為聚丙烯酰胺共聚體和凹凸棒的混合體，吸水倍率(去離子水)為483 g/g，對于0.9%NaCl溶液的吸水倍率為42 g/g；HG-60保水劑(新疆大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院)，其主要成分為高分子聚丙烯鹽酸，吸水倍率(去離子水)為765 g/g，對于0.9%NaCl溶液的吸水倍率為54 g/g。0.9%NaCl溶液的吸水倍率來自韓舒在2014年的測定結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)飽和MP3005KCE保水劑、沃特保水劑(WT)和HG-60保水劑的制備方法具體實(shí)驗(yàn)操作是：根據(jù)表1，將3種干燥的MP3005KCE保水劑、沃特保水劑(WT)、HG-60保水劑以各0.1 g的標(biāo)準(zhǔn)，按照不同的埋深深度，放入裝有黏土、砂土和壤土的燒杯中，各燒杯中土壤含水量均為14%，靜置后使其完全飽和后再進(jìn)行稱重，其后放入60℃烘箱中，每隔6 h稱重一次，直至重量恒定不變?yōu)橹埂?/p>

表1 干燥保水劑與制備飽和保水劑實(shí)驗(yàn)編號

實(shí)驗(yàn)在60 cm×40 cm×50 cm的玻璃缸中進(jìn)行，玻璃缸中土壤密度為1.36 g/m3。為了方便觀測與操作，玻璃缸中每隔20 cm放置一個玻璃薄板(見圖1)。保水劑埋深深度為5、10、15 cm 三個水平，設(shè)置0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm五個梯度為測量含水量的變化。在每一層中采用“S”型樣點(diǎn)法(如圖1所示)，分別測量每個樣點(diǎn)的含水量，通過每層的5個樣點(diǎn)，來反映各層的土壤水分分布狀況。

為減小實(shí)驗(yàn)誤差和人為誤差，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，供試土壤初始含水量相同，并為均勻土質(zhì)(過標(biāo)準(zhǔn)篩的風(fēng)干土樣)。保水劑的施用量，按照與土1∶20的比例施用，施用后將其放置在自然條件下，7 d后測量各層土壤含水量變化。

2 結(jié)果與分析

從表3中可以看出砂土中施用3種干燥保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能的差異(x代表時間，y代表含水量)。通過比較3種保水劑MP3005KCE、沃特(WT)、HG-60在砂土中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果處理之后R2值的大小，得出干燥保水劑KCE5-1和干燥保水劑HG5-1的保水性能大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能，HG5-1保水效果最好，且埋深相對較低，而KCE10-1保水效果最差。說明KCE5-1、HG5-1這兩種干燥保水劑在砂土中的保水效果顯著；砂土中不同保水劑和不同深度的條件下保水效果不同。

圖1 保水劑對土壤水分分布的影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計

表2 實(shí)驗(yàn)編號

表3 砂土中干燥保水劑隨時間變化的保水性能擬和曲線方程

從表4中可以看出砂土中施用3種飽和保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能的差異(x代表時間，y代表含水量)。比較3種保水劑R2值的大小，得出3種飽和保水劑的保水性能全部大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能,飽和保水劑KCE5-2、飽和保水劑KCE10-2的保水性能最大，HG10-2保水性能最好，對比表3與表4得出結(jié)論：在砂土中飽和保水劑保水性能明顯高于干燥保水劑。

表4 砂土中飽和保水劑隨時間變化的保水性能擬和曲線方程

從表5中可以看出壤土中施用三中干燥保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能的差異(x代表時間，y代表含水量)。比較3種保水劑R2值的大小，得出3種干燥保水劑的保水性能都大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能，KCE10-1保水性能最好，而HG10-1保水性能最差，大約接近空白實(shí)驗(yàn)保水性能。說明這3種干燥保水劑在壤土中的保水效果顯著；壤土中不同保水劑和不同深度的條件下保水效果不同。

表5 壤土中干燥保水劑隨時間變化的保水性能擬和曲線方程

從表6中可以看出壤土中施用3種飽和保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能的差異(x代表時間，y代表含水量)。比較3種保水劑R2值的大小，得出3種飽和保水劑的保水性能都大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能,其中飽和保水劑HG10-2的保水性能為最大值，說明這3種干燥保水劑在壤土中的保水效果顯著。對比表5與表6發(fā)現(xiàn)在壤土中干燥保水劑與飽和保水劑保水性能大致相同。

表6 壤土中飽和保水劑隨時間變化的保水性能擬和曲線方程

從表7中可以看出黏土中施用3種干燥保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能的差異(x代表時間，y代表含水量)。比較3種保水劑R2值的大小,其中干燥保水劑KCE5-1的保水性能為最大值，WT10-1保水性能最差。

表7 黏土中干燥保水劑隨時間變化的保水性能擬和曲線方程

從表8中可以看出黏土中施用3種飽和保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能的差異(x代表時間，y代表含水量)。比較3種保水劑R2值的大小，得出只有WT5-2的保水性能大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能，其他不同深度的保水劑都小于空白組的保水性能，說明這3種干燥保水劑在壤土中的保水效果不顯著。對比表7與表8發(fā)現(xiàn)在黏土中干燥保水劑與飽和保水劑保水性能不相同。

表8 黏土中飽和保水劑隨時間變化的保水性能擬和曲線方程

通過表3～8，可以看出：①在砂土中，加入MP3005KCE保水劑后，飽和保水劑放入到干燥土壤的保水性能大于干燥保水劑放入土壤后在吸水的能力，較空白試驗(yàn)保水性能多108 h，并且埋深在5 cm的效果較好；沃特保水劑(WT)的效果均小于MP3005KCE保水劑；HG-60保水劑效果在3種保水劑中最不明顯；施用飽和的保水劑的保水效果比施用干燥保水劑的效果好，施用MP3005KCE飽和保水劑時埋深可優(yōu)先選擇10 cm；施用沃特多功能保水劑時，埋深條件為5 cm與10 cm的效果差異較小，施用HG-60保水劑埋深5 cm為最適宜狀態(tài)。②對于壤土：在施用保水劑時，沃特保水劑(WT)在埋深為5 cm的壤土中保水性能最好，空白實(shí)驗(yàn)的壤土在96 h水分蒸發(fā)完，其余保水劑比空白多保水24 h以上；各處理的壤土含水量均大于空白土壤，而HG-60保水劑在埋深為10 cm的條件下，前60 h蒸發(fā)水分較快。③在黏土中，對于干燥施用保水劑來說，MP3005KCE對黏土的保水性能最差，其結(jié)果均小于空白實(shí)驗(yàn)的本身保水性能，沃特保水劑(WT)在埋深為10 cm和HG-60保水劑在埋深為5 cm時，保水效果最佳；飽和施用保水劑時，3種保水劑的保水強(qiáng)度和時間都有所提高，并且形成隔水層，因此在埋深條件為5～10 cm較為適宜。根據(jù)表3～表8擬合結(jié)果可知，發(fā)現(xiàn)飽和保水劑的持水性能均高于干燥保水劑，故研究保水劑在在砂土和黏土土壤中，不同埋深條件下保水劑對土壤含水量的影響的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)材料均選用飽和保水劑。

圖2 砂土5 cm埋深條件下飽和保水劑對土壤含水量的影響

圖3 砂土10 cm埋深條件下飽和保水劑對土壤含水量的影響

圖4 砂土15 cm埋深條件下飽和保水劑對土壤含水量的影響

由圖2、3、4可知， MP3005KCE和沃特保水劑(WT)均顯著增加了施用層及下層土壤含水量，在初始條件一樣的情況下，飽和保水劑內(nèi)部的水分向外釋放是土壤含水量增加的主要原因；以15 cm為界，上層保水性能較弱，下層較強(qiáng)。相比而言，HG-60保水劑在施用點(diǎn)位及該層的含水率達(dá)到最大值，而該層的下部分土壤含水量則略有升高，這一現(xiàn)象可能是因?yàn)楸Ｋ畡┻_(dá)到飽和后，內(nèi)部凝膠狀態(tài)增強(qiáng)，與流動性強(qiáng)的砂土之間相擠壓，產(chǎn)生不均勻縫隙導(dǎo)致的；以埋深層為界，埋藏越深，其上層的土壤保水性能越弱，而對下層有一定的保水性能。

由圖5可知，當(dāng)保水劑埋深在5 cm時，各保水劑對砂土的0～5和20～25 cm的土壤含水量影響差異較大。在0～5 cm處的保水性能大小順序?yàn)椋篗P3005KCE保水劑>沃特保水劑(WT)>HG-60保水劑；在20～25 cm處，沃特保水劑(WT)>MP3005KCE保水劑>HG-60保水劑；當(dāng)埋深為10 cm時，各保水劑對砂土5～10 cm的含水量影響差異較大，表現(xiàn)為MP3005KCE保水劑>沃特保水劑(WT)>HG-60保水劑；埋深處理15 cm時，各保水劑對砂土5～10、10～15、20～25 cm的含水量影響差異較大，且各層均表現(xiàn)為MP3005KCE保水劑>沃特保水劑(WT)>HG-60保水劑。

從圖5可以看出，施用飽和保水劑后的土壤含水量均高于空白實(shí)驗(yàn)，3種保水劑在埋深為5和10 cm，水分集中分布在5～15 cm之間，上層含水量大于下層；埋深在15 cm時，含水量在20±5 cm較高，并且前5 cm的含水量略大于后5 cm的含水量。

與圖2、3、4的砂土結(jié)果進(jìn)行對比，從水分分布方面來說，砂土中的水分分布比壤土的水分分布較為均勻，壤土中的各層含水量增加的較多。

通過圖6、7、8可以看出，飽和MP3005KCE保水劑和飽和沃特保水劑(WT)施加后，隨著埋深的增加，土壤含水量也在不斷增加，而施用點(diǎn)位的上下層的土壤水分變化較大，說明水分分布不均勻，以5 cm為界上層較弱，下層保水性能較強(qiáng)。HG-60保水劑在施用點(diǎn)位的含水率達(dá)到最大值，上下層的土壤含水量也略有升高，以5 cm為界上層較弱，下層保水性能較強(qiáng)。在埋深為5 cm的條件下，土壤各層水分分布較為均勻；但隨著保水劑埋深的增加，土壤中各深度段的含水量變化較明顯，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)轲ね恋酿ば暂^大，吸水后易產(chǎn)生裂縫并且結(jié)塊，而且不同保水劑釋放水分情況不同，也就使得黏土吸水產(chǎn)生的裂縫大小和位置不同，致使不同飽和保水劑在各層土壤含水量變化不均勻、規(guī)律性不強(qiáng)。

圖6 黏土5 cm埋深條件下飽和保水劑對土壤含水量的影響

圖7 黏土10 cm埋深條件下飽和保水劑對土壤含水量的影響

圖8 黏土15 cm埋深條件下飽和保水劑對土壤含水量的影響

3 討 論

保水劑的吸水保水性能除了受自身組成和結(jié)構(gòu)制約外,還受自身粒度的影響。3種保水劑在砂土中均顯示了較好的保水、釋水能力，其保水和釋水能力的大小順序?yàn)镸P3005KCE保水劑>沃特保水劑>HG-60。這與MP3005KCE在砂土中為粉末狀，吸水速度較快、較均勻，且與砂土的顆粒最為接近，因此與其結(jié)合的最為緊密、均勻，使得水分流失較少，持水性較好所致。

砂土中干燥保水劑KCE5-1、HG5-1兩種，在砂土中的保水效果顯著，砂土中3種飽和保水劑的保水性能全部大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能，飽和保水劑KCE5-2和飽和保水劑KCE10-2的保水性能最大，HG10-2保水性能最好。這與李楊和王百田的研究發(fā)現(xiàn)保水劑對砂土保水性提高效果明顯，并促進(jìn)玉米生長的研究結(jié)果一致[32]。對比兩者發(fā)現(xiàn)在砂土中飽和保水劑保水性能明顯高于干燥保水劑保水性能，與楊永輝等得出來的結(jié)論一致[33]。對比砂土中飽和保水劑與干燥保水劑持水性能，飽和保水劑持水性均好于干燥保水劑持水性能，這是由于保水劑在充分吸水后，過細(xì)的水凝膠顆粒緊密聚集, 使水分蒸發(fā)需要較高的能量, 因而不易散失,具有較高的保水性能[21]。

本研究中3種保水劑在壤土中施用時，在干燥時施用的保水性能都大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能，說明這3種保水劑在土壤干燥狀態(tài)的對壤土的保水效果顯著。壤土中不同保水劑和不同深度的條件下保水效果不同。壤土中施用3種飽和保水劑得出3種飽和保水劑的保水性能都大于空白實(shí)驗(yàn)的保水性能，說明這3種在飽和狀態(tài)的保水劑對壤土的保水效果顯著。兩者對比發(fā)現(xiàn)在壤土中干燥保水劑與飽和保水劑保水性能大致相同。

黏土中施用的3種干燥保水劑，其中KCE5-1的保水性能為最大值，WT10-1保水性能最差。黏土中施用3種飽和保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能的差異顯著。說明這3種干燥保水劑在壤土中的保水效果不顯著；兩者對比發(fā)現(xiàn)在黏土中干燥保水劑與飽和保水劑保水性能不相同。

同一保水劑在不同質(zhì)地土壤條件下持水能力不盡相同，這是因?yàn)楸Ｋ畡┑谋Ｋ阅芘c土壤質(zhì)地關(guān)系密切，在不同質(zhì)地的土壤中，施用3種保水劑于壤質(zhì)土壤時保水性能不如在砂土和黏土質(zhì)地的土壤明顯，這可能與壤土的結(jié)構(gòu)較好，其自身的保水和釋水性能較強(qiáng)有關(guān)[16,17]。

隨著全球干旱、半干旱地區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，越來越多的學(xué)者投入了“如何把荒漠變綠洲”的研究。但由于沙漠地區(qū)常年干旱少雨，即便偶爾降雨也會很快流失，水的有效儲存和利用就成為了該研究的難題。保水劑的作用，使其成為緩解這一難題的關(guān)鍵。保水劑可當(dāng)作水分的保持劑及肥料的緩釋劑，對植樹造林、防沙治沙均有較好的效果。諸多研究表明，保水劑具有節(jié)水、抗旱、保肥、增產(chǎn)的作用，在干旱半干旱地區(qū)治理沙漠、防治水土流失、提高人工造林成活率、提高果樹產(chǎn)量等方面的應(yīng)用己顯示出優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

(1)在砂土中施用保水劑，能顯著增加土壤含水量，位于保水劑施用層的上方5 cm及其下方10 cm的位置，對較深層的土壤含水量也有一定的增加，即各保水劑在砂土中均顯示了較好的保水、釋水能力，且保水性能大小順序?yàn)镸P3005KCE保水劑>沃特保水劑(WT)>HG-60保水劑。

(2)黏土中施用3種飽和保水劑在不同埋深條件下隨時間變化的保水性能差異顯著；3種保水劑的保水、釋水性能最低，推測原因?yàn)轲ね恋酿ば暂^大，吸水后易產(chǎn)生裂縫和結(jié)塊。

(3)在壤土中施用3種保水劑，能大大增加保水劑施用層土壤含水量并且也增加其下方10 cm的土壤含水量；試驗(yàn)表明3種保水劑在壤土中的保水性能比砂土中的保水性能較好。

(4)3種保水劑在壤土中表現(xiàn)出較好的保水和釋水性能，在壤土中含水率最高且各層水分分布較均勻，土壤中在砂土含水率大于黏土中的含水率，這也驗(yàn)證了壤土本身具有較好的保水性能；由于黏土中的黏性較大，吸水后產(chǎn)生裂縫并且結(jié)塊且3種保水劑釋水情況各異，從而黏土吸水產(chǎn)生的裂縫大小和位置不同，使得不同保水劑在各層土壤含水量變化不均勻、沒有規(guī)律性。

(5)保水劑埋深在5 cm時，各保水劑對砂土的0～5和20～25 cm的土壤含水量影響率差異較大。

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