不同水分条件下保水剂对土壤持水与供水能力的影响

杨永辉，李宗军，武继承，李学军，何方，杨先明

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，450002，郑州;2.农业部作物高效用水原阳科学观测站，453514，河南原阳;3.通许县农业科学研究所，475600，河南通许;4.郑州锦荣生物科技有限公司，450002，郑州)

不同水分条件下保水剂对土壤持水与供水能力的影响

杨永辉1，2，李宗军3，武继承1，2，李学军3，何方1，2，杨先明4

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，450002，郑州;2.农业部作物高效用水原阳科学观测站，453514，河南原阳;3.通许县农业科学研究所，475600，河南通许;4.郑州锦荣生物科技有限公司，450002，郑州)

为探明水分条件对保水剂作用效果的影响，采用盆栽实验，测定冬小麦生长结束后不同水分条件下保水剂不同用量(T1:0、T2:27 mg/kg、T3:54 mg/kg、T4:81 mg/kg)处理的土壤持水、供水及导水性能等。结果表明:保水剂的施用均提高了土壤持水、供水、导水能力及土壤有效水含量。轻度胁迫条件下，以T3处理的持水能力、有效水含量及导水能力最强，而供水能力以T4处理为佳;充分供水条件下，随保水剂用量的增加，土壤持水能力、供水能力、有效水含量及导水能力均提高，但T3和T4处理间差异不显著。与轻度胁迫相比，充分供水条件下各处理的持水能力、供水能力及导水能力均较高，而有效水含量以轻度胁迫条件下的T3处理较高，较对照增加18.6%。从经济的角度考虑，2水分条件下以T3处理(54 mg/kg)效果为佳。

保水剂;水分条件;持水能力;供水能力;土壤有效水

土壤的持水性能体现了土壤蓄集和保持水分的能力，而植物对土壤水分的吸收与利用受土壤水分状况及其在土壤中运动快慢的影响，饱和持水量、田间持水量及凋萎湿度等可表示土壤持水性能的大小。土壤水分特征曲线可反映土壤保持水分的状况和表现土壤水分的数量与能量之间的关系［1－2］。

保水剂具有反复吸水功能，施用保水剂能提高土壤持水能力［3－4］、抑制土壤水分无效损耗［5］，提高土壤入渗能力、减少径流及肥力流失［6－8］。同时，保水剂可吸附土壤或肥料中的养分，且具有缓慢释放的作用［9－11］，可减少可溶性养分的淋溶损失;但保水剂的吸水倍率显著下降，并随肥料浓度的增加下降幅度增加［12］。相关研究［13－14］表明，保水剂所保持的水分大多在低吸力段(0～80 kPa)可被作物吸收利用。姚建武等［15］研究表明，施用1‰的保水剂，土壤吸持的水量可提高18% ～25%，且供水量较低时效果更明显。吴迪等［16］研究表明:施用保水剂45 kg/hm2能够提高作物产量，提高壤砂土样地的田间持水量、降低土壤密度;但随年限的延长，效果逐渐降低。类似研究并不少见，但因保水剂类型以及与不同肥料配比的不同而表现的结果并不一样［17－19］。以往研究多以模拟土柱的形式进行［20］，仅考虑保水剂的直接改土功能［21］，而在作物参与的情况下，在经历作物整个生育期后，其对土壤持水、供水及导水能力的影响还鲜见报道。同时，水分条件不同，保水剂的涨缩程度存在一定差异，因此影响土壤颗粒之间的黏结程度，进而导致对土壤物理性质的改善也会存在一定的影响。这方面的研究更能反映保水剂在生产过程中的改土作用以及合理应用的效果。

因此，笔者通过对盆栽条件下经历冬小麦(Triticum aestivumL.)完整生育期后保水剂对土壤持水、供水、导水性能以及土壤所持水分有效性等进行研究，探讨保水剂在经受反复吸收过程后的作用效果，阐明保水剂改善土壤水分参数的作用机制，为保水剂的合理应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

盆栽所用土壤为褐土，土壤母质为黄土性物质，土壤有机质质量含量12.3 g/kg、全氮0.80 g/kg、水解氮 47.82 mg/kg、速效磷 6.66 mg/kg、速效钾114.8 mg/kg。所采土壤前茬作物为玉米(Zea mayL.)。土壤机械组成为:砂粒(2～0.02 mm)占59.1%，粉粒(0.02～0.002 mm)占22.5%，黏粒(＜0.002 mm)占18.4%。

1.2 试验材料、方法及观测

采用河南省农科院植物营养与资源环境研究所研制的营养型抗旱保水剂，为白色粉末，主要成分为聚丙烯酰胺类物质、有机物质和稀土等。主要性能为:1)持效性能好，其充分吸水后，在土壤中形成一个个植物生长所需的“小水库”，比目前保水剂直接使用蒸发量降低10% ～20%，延长释放时间20～40 d。2)吸水速度快，在充分水分条件下，在土壤中10～25 min可以使保水剂的蓄水量达到饱和状态;水分释放缓慢，在埋深15～20 cm土层时，保水剂蓄积的水分80～120 d释放95%以上。3)吸水倍数为250～300倍。

1.2.1 试验设计 根据对该保水剂的前期研究结果，从经济的角度、作物产量和水分利用率及对土壤结构的影响等方面出发，确定了保水剂合理施用量范围，将大田试验保水剂用量折合成单位质量(耕层)土壤的保水剂用量，以其2倍用量为盆栽保水剂用量，故设置4个保水剂用量，处理1(T1):0 mg/kg(CK);处理2(T2):27 mg/kg;处理3(T3):54 mg/kg;处理4(T4):81 mg/kg。设置2种水分条件:轻度胁迫(占田间持水量50% ～65%)和充分供水(占田间持水量70% ～85%)。N肥为尿素(含氮量为46.2%)，用量为432 mg/kg，普通过磷酸钙(P2O5)(含磷量为12.0%)为533 mg/kg，保水剂、肥料与5 kg过筛10 mm的土混匀施于盆2/3处，盆底层和上层均覆盖相同的过筛土壤，盆装土质量(风干土)18 kg，装好盆后每盆浇足水(5 kg)，待7 d后选择饱满的小麦种子播种。播量为63粒/盆。于返青期剔苗，每盆剩36株。每处理设3个重复，2种水分条件分别为4×3=12盆，共24盆。播种到返青期正常供水，并从返青期开始控水(轻度胁迫和充分供水)直至小麦收获。播种时间为2009年10月26日。装盆后对照田间持水量为18%，土壤密度为1.35 g/cm3。在冬小麦收获后分别用环刀采集各处理土壤原状土柱，带回室内进行分析。

1.2.2 实验测定与方法

1)土壤饱和导水率采用恒水头法［22］测定。

式中:Ks为饱和导水率，mm/h;Q为流量，mm3;L为土柱长度，均为50 mm(环刀高度);A为土柱截面积，mm2(直径为50 mm标准环刀的横截面积);t为时间，h;H为水头高度，mm。

2)原状环刀土柱采用高速离心机法测定土壤水分特征曲线［23］，离心机转速对应吸力大小及离心时间见表1，每次离心结束后进行称量;试验结束后将土样放置烘箱烘干并称量，最后计算不同土壤水吸力下对应的土壤含水量，并拟合水分特征曲线。试验所有曲线均可拟合为幂函数

式中:θ为计算土层土壤的质量含水量，%;S为土壤吸力，MPa;a和b为方程拟合参数。根据该拟合方程可算出每个原状土样在0.03和1.5 MPa时的土壤含水量，即田间持水量和凋萎含水量(湿度)。

3)土壤比水容量能够说明土壤水的有效性和供水能力的强弱［24］。

式中:Cθ为比水容量，mL/(MPa·g);θ为土壤含水量，%;S为土壤水吸力，MPa;a、b为参数，a反映土壤持水性能的大小;式中a×b是土壤水吸力S为0.01 MPa时的比水容量，其反映土壤的供水能力的大小，a×b值越大，土壤供水能力越强。通过该方程可计算出不同吸力下对应的土壤比水容量。

表1 应用高速离心机对应不同水势下的转速及时间Tab．1 Speed and time of soil water potential corresponding to high－speed centrifuge

1.3 数据处理

各样地各指标值均为3次重复的算术平均值。植株及土样分析所得的数据应用统计学及相关的数理统计软件(DPS)进行处理。

2 结果与分析

2.1 土壤水分特征曲线数学模型与持水能力

土壤水分特征曲线是表征土壤水吸力和土壤含水量之间的关系曲线［1］，其曲线的高低表征了土壤持水能力的大小，即相同吸力下，曲线越高，其持水能力越强，反之持水能力越弱［25］。

本研究中得到的水分特征曲线的拟合方程均达到极显著水平(P＜0.01)。从图1可以看出，轻度胁迫条件下(图1(a))，在不同土壤吸力段，其持水能力均表现为:T4＞T3＞T2＞T1，且T4和T3明显高于T2和T1处理。而在充分供水条件下(图1(b))，在土壤吸力0～0.1 MPa时，各处理间的持水曲线基本重合，说明在该吸力段，各处理间差异不显著;但随土壤吸力的增加，且当大于0.1 MPa时，施用保水剂的处理显著大于对照(T1)，且随保水剂用量的增加，持水能力增强，且持水能力差异增大，但T3和T4处理间无显著性差异。与轻度胁迫相比，在充分供水条件下各处理的持水能力(曲线高度)均显著高于轻度胁迫下的对应处理，尤其是对应的T1和T2处理。说明充分供水条件下更利于保水剂促进土壤持水能力的提高。这可能与保水剂反复吸水量的大小而造成的涨缩程度和作物根系生长对土壤结构的改善有关。

图1 不同水分条件下各处理土壤持水能力比较Fig．1 Comparison of capability of soil water retention between different treatments under different water conditions

2.2 土壤供水能力

比水容量是土壤释水的量化指标，可用于评价土壤水分有效性程度，其反映了土壤水吸力变化时引起的土壤含水量的变化，其随土壤吸力的增大而减小，表征了土壤水分的有效性及供水能力的强弱。相同土壤吸力下，比水容量越大，供水能力越强。

对不同水分条件下各处理的比水容量进行计算(表2)得出:保水剂的施用均提高了土壤的比水容量。在0.01 MPa土壤吸力条件下，充分供水条件下的各处理的比水容量均显著高于轻度胁迫的对于处理，但二者均以T4处理的比水容量最大。随着土壤吸力的增大，充分供水与轻度胁迫二者间差异逐渐减小，尤其是在0.2 MPa以后，二者的差异更小。说明在轻度胁迫与充分供水条件下，均以T4处理的供水能力最强。在低吸力段(0.01～0.02 MPa)，充分供水条件下更利于土壤供水能力的提高。

表2 不同水分条件各处理比水容量Tab．2 Specific water capacity of different treatments under different water conditions mL/(MPa·g)

2.3 土壤水分常数

饱和含水量是指土壤孔隙全部充满水分时的最大含水量，其包括吸湿水、膜状水、毛管水和重力水。田间持水量是植物有效水的上限，可表示土壤持水能力高低［26］，而凋萎湿度为土壤有效水的下限。

从表3可知:轻度胁迫条件下，随保水剂用量的增加，土壤饱和含水量先增后降再增，各处理中以T4处理最高;而田间持水量和凋萎湿度均随保水剂用量的增加而提高，且田间持水量以T3和T4处理显著高于T1(对照)和T2处理，而凋萎湿度以T4处理最高，其他处理间差异不显著。充分供水条件下，随保水剂用量的增加，土壤饱和含水量、田间持水量及凋萎湿度均提高，且均显著高于对照，且T4处理的土壤饱和含水率显著高于其他处理;但保水剂处理间的田间持水量以及凋萎湿度没有显著性差异。与轻度胁迫相比，除充分供水时的T2处理的田间持水量显著高于轻度胁迫外，其他处理二者各土壤水分常数间差异不显著。说明在2种水分条件下，保水剂的施用均提高了土壤水分常数，且保水剂用量越高(T4)，土壤水分常数提高幅度越大，尤其是土壤饱和含水量。

表3 不同水分条件下各处理土壤水分常数Tab．3 Soil moisture constant of different treatments under different water conditions %

2.4 土壤水分有效性

土壤所吸持水分总存在一部分植物无法吸收利用的无效水。保水剂加入土壤中能够提高土壤持水能力，但其所吸持水分中能够被植物吸收利用的多寡才是人们所关心的。

从图2中可以看出，不同水分条件下，土壤有效水含量(土壤有效水含量=田间持水量－凋萎含水量)均显著高于对照。说明保水剂在增加了土壤持水能力的同时，提高了可供作物吸收利用水分的比例;但因水分条件的不同，各处理的有效水含量存在一定的差异。在轻度胁迫条件下，随保水剂用量的增加土壤有效水先增后降，各处理中以T3处理最高，较对照增加22.2%。充分供水条件下，随保水剂用量的增加，土壤有效水含量逐渐增加，保水剂处理T2、T3和T4分别比对照有效水含量提高5.1%、6.3%和11.4%。与轻度胁迫相比，除T3处理外，充分供水处理的有效水含量均高于轻度胁迫的对应处理，这可能因该水分条件下有利于作物根系的生长而促进土壤毛管孔隙的形成。

图2 不同水分条件下各处理土壤有效水含量(质量含水量)Fig．2 Available soil water of different treatments under different water condition(quality water content)

2.5 土壤饱和导水率

土壤饱和导水率是反映土壤入渗性能的一个重要指标，同一质地土壤入渗性能越大，转化到土壤中的降雨越多，土壤墒情越佳，土壤水分利用潜力越大。从图3可以看出，在轻度胁迫和充分供水条件下，随保水剂用量的增加，土壤饱和导水率均表现为先增后降，且T3和T4处理显著高于其他处理。2种水分条件相比，充分供水条件更利于保水剂提高土壤导水能力，更能促进下层土壤含量的提高。这可能与充分供水条件下，在干湿交替过程中其更能促进保水剂与团粒的胶结作用，提高了土壤有效孔隙，同时，该条件下更有利于小麦根系的生长，综合效应表现为土壤导水能力的显著提高。

3 结论与讨论

保水剂施入土壤后，可改善土壤结构和土壤孔隙状况［27］，提高土壤的持水能力［28］，改善土壤水分环境，从而促进作物生长。适量保水剂能够提高土壤入渗能力［29］，促进水分向更深层次入渗。保水剂的作用效果因在作物生长过程经历反复吸水和降解而有所降低，但其在作物生长过程中仍具有一定的保水、持水效果［30］。水分条件不同，对于保水剂的作用效果也产生一定的影响。有研究［31］表明，在田间试验条件下，不进行灌水更有利于土壤结构稳定性的增强，且土壤导水能力显著提高。而过筛土在种植作物的条件下施用保水剂，其经历作物整个生育期后的持水、供水及导水等性能如何，对探明保水剂的改土效果及合理应用具有重要意义。

图3 不同水分条件下各处理土壤饱和导水率Fig．3 Saturated hydraulic conductivity of soil with different treatments under different water conditions

本研究发现:在冬小麦生长过程中，灌水量控制在田间持水量50% ～65%(轻度胁迫)时，随保水剂用量的增加，土壤持水能力显著增强;而在充分供水条件下，当土壤吸力大于0.1 MPa时，随保水剂用量的增加，持水能力提高，但T3和T4处理间差异不显著。与轻度胁迫相比，在充分供水(田间持水量70%～85%)条件下各处理的持水能力均显著高于轻度胁迫下的对应处理，尤其是对应的T1和T2处理。说明充分供水条件更利于保水剂发挥其作用以提高土壤持水能力，这可能与保水剂吸收水量的多寡而导致其膨胀的体积大小对土壤毛管孔隙的改善及作物根系生长等有关，有待进一步研究。

保水剂所吸持的水分能被作物利用多少及水分的有效性一直以来是研究的热点，而其施入土壤后，土壤的供水能力如何反映了作物利用其所吸持水分的潜力。本研究表明:施用保水剂提高了土壤的供水能力，增加了土壤水分的有效性，提高了土壤饱和导水率。轻度胁迫条件下，以T4处理供水能力最强，T3的有效水含量和饱和导水率均最高，分别较对照提高22.2%和28.0%;充分供水条件下，以T4处理的供水能力、有效水含量及饱和导水率均较高，其有效水含量和饱和导水率分别较对照增加11.0%和22.9%;2种水分条件相比，除T3处理外，其他处理均以充分供水条件下的处理有效含水量和饱和导水率较高。说明充分供水条件下更利于保水剂改善土壤水分状况和导水能力。

综上所述，充分供水较轻度胁迫更利于促进土壤有效水含量、导水能力及持水能力的提高，且各处理中以T4处理效果最佳，而轻度条件下以T3处理效果为佳;但从经济的角度考虑，2种水分条件下宜选用的保水剂用量为T3处理(54 mg/kg)。

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Effects of water-retaining agent onsoil water retention and supplying water under different water conditions

Yang Yonghui1，2，Li Zongjun3，Wu Jicheng1，2，Li Xuejun3，He Fang1，2，Yang Xianming4

(1.Institute of Plant Nutrition ＆ Resource Environment，Henan Academy of Agricultural Sciences，450002，Zhengzhou;2.Yuanyang Experimental Station of Crop Water Use ，Ministry of Agriculture，453514，Yuanyang，Henan;3.Tongxu Institute of Agriculture Sciences，475600，Tongxu，Henan;4.Zhengzhou Jinrong Bio－technology Co.，Ltd，450002，Zhengzhou:China)

In order to ascertain the effects of water－retaining agent on soil moisture characteristics under different soil moisture conditions after the growth of winter wheat，the effects of different dosage of waterretaining agent(T1:0;T2:27 mg/kg;T3:54 mg/kg;T4:81 mg/kg)on soil water retention，supplying water and infiltration capacity were studied through potting experiment condition were studied.The results indicated that water－retaining agent increased the capability of soil water retention，supplying water，infiltration and available moisture.Under mild stress condition，the capability of soil water retention，infiltration and available moisture of treatment 3 were the best compared with other treatments，while treatment 4 was the best for the capability of supplying water compared with other treatments.Under sufficient irrigation，the capability of soil water retention，supplying water，infiltration and available moisture increased with the dosage of water－retaining agent，but there was not significant difference between treatment 3 and treatment 4.Compared with mild water stress，the capability of soil water retention，supplying water and infiltration under the condition of sufficient irrigation were higher.Soil available moisture of treatment 3 under mild water stress was highest among all treatments，which increased by 18.6%compared to the control.In all，from economical aspect，treatment 3 was the best to improve the soil properties.

water－retaining agent;water conditions;capability of soil water retention;capability of water supplying;available soil water

2012－04－16

2012－10－13

国家“863”节水农业项目“绿色环保多功能保水制剂”(2006AA100215);公益性行业(农业)科研专项经费项目“黄淮海高产农田作物需水及高效用水技术研究与示范”(201203077);河南省杰出青年基金“保水剂应用对土壤环境的影响研究”(104100510024)

杨永辉(1978—)，男，博士，助理研究员。主要研究方向:土壤生态与节水农业。E－mail:yangyongh@mails.gucas.ac.cn

(责任编辑:程 云)