保水剂对风沙土水分垂直入渗和含水量的影响

王昱程，刘 鹏，邵慧杨，温海娇，张玉斌，2，闫 飞，潘洪玉

（1.吉林大学 植物科学学院，吉林 长春130062；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100）

我国是土壤沙化最严重的国家之一，全国沙化土地面积约为1.74×106hm2，约占国土面积的18%［1－2］，且 以 每 1.0×105hm2／a 的 速 度 不 断 增加［3］。沙化土地有机质含量低，保水保肥能力差，上层土壤易流失，导致其肥力连年下降［4］。而利用和改良风沙土都需要提高土壤含水量和保水能力，在目前的措施中，施用保水剂由于使用方便、效果明显等原因成为改良风沙土，提高风沙土作物产量的一个重要途径。

保水剂是一种具有超高吸水和保水能力的高分子聚合物，能够吸收达到自身重量百倍甚至千倍的水分，吸水后可缓慢释放吸收的水分供植物利用［5－7］。近年来，对保水剂的研究开始从简单的吸水释水性能逐渐发展为对其多方面功能的研究，保水剂对土壤结构的改良，对土壤各类生化指标的影响，对植物根际环境的影响等也越来越被重视，但关于保水剂对风沙土水分垂直入渗和含水量垂直分布影响的研究较少［8－15］。本文通过测定几个入渗参数和土壤各层含水量，研究了在土壤5—7cm深处混合层施保水剂对水分垂直入渗特性和土壤含水量垂直分布的影响，对风沙土区域保水剂对农业生产、水资源的可持续开发利用以及土壤改良和防治水土流失等都有一定的意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

土壤样品为松嫩平原瘠薄农田风沙土，取自吉林省松原市前郭县乌兰图嘎镇的风沙瘠薄农田，经自然风干后，过2mm筛后待用。选择目前市面上4种常见的保水剂进行研究［4］，分别为地津牌高效抗旱保水剂（地津），由天津三农金科技有限公司生产，主要成分为由聚丙烯酰胺制成的高分子聚合物；安信保水牌农林保水剂（安信），由东莞市安信保水有限公司生产，主要成分为具有电离性集团羟基结构的高吸水性有机分子；东营沃特牌农林保水剂（沃特），由东营华业新材料有限公司生产，主要成分为高分子有机聚合物和刚性无机原料；旱宝贝牌高效土壤保水剂（旱宝贝），由法国SNF（爱森）公司授权北京金易元生态工程技术中心生产，主要成分是聚丙烯盐酸和聚丙烯酰胺共聚体。以上4种保水剂均选择20～40目规格供试验用。

1.2 试验设计和方法

将土壤样品装入内径10.5cm，高30cm的塑料桶中制成受试体系，容重控制在1.55g／cm3［4］。风沙土主要作物的根系50%以上分布在土表以下20cm范围内［16］，因此受试土壤体系设计为20cm深。大面积使用保水剂的成本较大，因此，需要在保证效用的基础上减少单位面积使用量，加之考虑到保水剂的反复吸释水能力和风沙土主要作物根系吸收活力和吸收面积均随土壤深度增加而减小［17］，所以保水剂采用混合层施的方法加入受试体系，保水剂—土壤混合层设置于土柱表面以下5—7cm处（2cm厚），以保证其所吸收的水分在释放后可被作物有效利用且不易随表层土壤流失。试验设置0.25%，0.5%，0.75%，1%这4个保水剂添加比例［4］。受试体系共分3层：上层土、保水剂混施层（混合层）和下层土，各层之间用尼龙网分隔，以便入渗试验结束后测定各层含水量，体系底部垫双层滤纸并用尼龙网封底。

入渗试验中水分的入渗可分为渗吸和渗透两个过程，渗吸过程是指体系下部未滴水前在基质势和重力势双重作用下水分的入渗过程；渗透过程是指下部滴水后，水分主要在重力势作用下的入渗过程［18］。入渗试验开始前测量水温，开始后打开供水装置止水夹，使水层迅速达到5cm，并开始计时，整个渗透试验中需保持体系（包括土柱和水层）高度为25cm。每隔2min从供水装置中读数以记录进水量，直至土柱下部滴出第一滴水，记录所经历的时间。移开供水装置，每隔2min测量渗出水量并记录，测完后将水倒回上部水层以保持恒定的重力势，直至连续3次出水量恒定。入渗试验结束后，将水层倒出，随后将土柱倒出土桶，利用尼龙网将土柱分层，采用烘干称重法测定各层土壤含水量［19］。

2 结果与分析

2.1 保水剂对水分垂直入渗特性的影响

2.1.1 对入渗率的影响 测得各时间垂直入渗率如图1所示。由图1可以看出，所有处理的入渗率随时间变化的趋势大致相同，入渗开始阶段入渗率较大，在前5min内迅速减小，随后减小趋势愈来愈小并逐渐趋于恒定。施用保水剂在各时段对水分入渗率有明显的抑制作用，而且随着保水剂施用比例的加大，该抑制作用增强。这与王慧勇等［14］和白文波等［15，20］关于添加保水剂后入渗率随时间的变化情况以及保水剂可降低垂直入渗率的研究结果相一致，故可以判定保水剂可以显著降低垂直入渗率。

2.1.2 对渗吸持续时间的影响 试验发现，施用保水剂可显著增加渗吸持续时间。旱宝贝保水剂的影响最为明显，该保水剂4个处理渗吸持续时间均为无穷大。地津、安信和沃特3种保水剂1.00%处理比对照组持续时间分别增加了390.2%，572.5%和134.2%，达到94.6，129.8和45.2min；地津和安信保水剂不同施用比例的影响差异明显，沃特保水剂各处理间差别相对较小，这3种保水剂1.00%处理比0.25%处理的渗吸阶段持续时间分别增加了269.5%，203.9%和38.6%。

图1 4种保水剂对垂直入渗率的影响

2.1.3 对累积入渗量的影响 因累积入渗量对于分析灌溉和降雨入渗等问题的重要性［21］，本试验测定了入渗开始至渗吸结束这一时间段各处理的累积入渗量。由表1可知，相对于对照试验，地津、安信、沃特、旱宝贝4种保水剂1.00%处理在该段时间内累积入渗量分别增 加 了 41.4%，44.1%，44.4% 和28.1%；地津、安信、沃特3种保水剂不同施用比例之间差异明显，其中1.00%比例比0.25%比例累积入渗量分别多出33.6%，44.2%和44.2%。

表1 不同添加比例保水剂处理累积入渗量 ml

研究结果与白文波等［20］关于层施保水剂对累积入渗量的影响研究结果基本相符；但却与王慧勇等［5］的相关结论不一致，其研究显示施用保水剂后一定时间内累积入渗量与保水剂用量呈负相关关系，且试验组累积入渗量均小于对照组，这可能与其保水剂混施层较厚、保水剂使用量大有关，因为较大的保水剂施用量会使水分入渗率大幅减小，在测试时间内水分无法充分入渗而导致累积入渗量降低。

2.1.4 对渗透系数的影响 将测得的各处理在渗透阶段达到稳渗时的渗水速度，按照惯例计算得到各处理10℃时的渗透系数［18］（表2）。由于旱宝贝处理水分无法通过混合层继续下渗，一定时间后入渗终止，没有进入渗透阶段，所以该体系无渗透系数。由表2可知，各保水剂不同处理均可降低受试体系的渗透系数，地津、安信和沃特3种保水剂1.00%处理渗透系数相对于对照组分别下降了84.7%，84.2%和65.5%；随着保水剂施用量的加大，渗透系数持续降低，但降低的幅度因保水剂不同而异，其中地津处理的降低幅度最大，其次为安信和沃特，3种保水剂1.00%比例相比于0.25%比例其渗透系数分别下降了82.1%，58.1%和31.9%。

表2 不同添加比例保水剂处理10℃时的渗透系数10－4 cm／s

2.2 保水剂对土壤含水量垂直分布的影响

测定了入渗试验结束后，计算各处理体系中各层的含水率（表3）。由表3表明，试验处理可明显增加上层土壤含水量，地津、安信、沃特和旱宝贝4种保水剂1%处理比对照组含水率分别提高了7.3%，57.3%，69.9%和92.7%。混合层是含水量增加最多的一层，1%处理较对照组平均含水率增幅达434.2%；各保水剂不同添加比例间混合层的含水率也有显著差异，施用量增加导致混合层含水率大幅上升，这说明保水剂用量对该层水分含量影响最为直接，效果最显著。这一结果与白文波等［15］关于保水剂对其他类型土壤水分垂直分布情况影响的研究结果一致。

表3 不同添加比例保水剂处理各层土壤含水率 %

与上层和混合层效果相反，施用保水剂会降低下层土壤含水量，4种保水剂1.00%处理的下层土壤含水率分别比对照减少了25.1%，17.3%，10.1%和97.4%，其中旱宝贝保水剂由于对水分入渗的阻滞作用，降幅远超其他3种保水剂。这与王慧勇等［5］关于混施保水剂对保水剂层以下土壤含水量影响的研究结果一致。

此外，对不同保水剂处理的各层含水率进行横向比较发现，混合层含水率随保水剂的吸水能力的增强而上升，但是上层和下层土壤含水率则随之降低。

3 结论

（1）供水充足的情况下，在风沙土5—7cm处混合层施保水剂可降低风沙土水分垂直入渗率，增加渗吸持续时间，减小体系渗透系数，并均随保水剂用量的增加而加剧，不同保水剂的影响差异很大。保水剂可显著增加一段时间内水分累积入渗量，不同保水剂的吸水和保水能力存在很大差别，但地津、安信和沃特等种保水剂对于土表以下0—20cm范围内水分累积入渗量的影响大致相同，其增加量均集中在41%～45%。这些说明在一定深度处施用较少量的保水剂即可以对入渗率、累积入渗量、渗透系数产生较大的影响，这对于在风沙土上大面积、低成本地使用保水剂调整降水或灌溉时水分的入渗情况和增强土壤的保水持水能力都有一定的指导意义。

（2）供水充足的情况下，在风沙土中混合层施保水剂可显著提高上层土壤和混合层含水量，略微降低下层土壤含水量，保水剂的吸水能力越强，混合层含水量则越高，而上层和下层土壤含水量相对越低。基于此，在实际应用中可以根据不同作物或者风沙土改良植物的根系吸收面积和吸收活力分布情况选择合适的保水剂并适当调整保水剂层的深度，使其更好地发挥效用。

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