不同保水剂对土壤物理性质影响的探究

许紫峻，韩 舒，师庆东

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046)

新疆位于亚欧大陆中部，深处内陆受地理环境的影响，受干旱半干旱大陆性气候控制降水少而蒸发量大。北疆干旱度在4～8，南疆干旱度大于9[1]。随着社会和经济的高速发展，水资源短缺成为限制新疆发展的重要因素之一[2]。

保水剂又称作高吸水性聚合物(Super Absorbent Polymer，SAP)是一种高分子材料。能吸纳本身质量几百甚至上千倍的水，并具有反复吸水的功能[3]。因此保水剂的作用也越来越引起国内外专家的重视[4-6]。有研究指出保水剂不仅能够提高土壤持水性，还对改良土壤结构具有良好的效果，在农业生产和生态保护中得到了较为广泛的应用[7-12]。但是关于保水剂对土壤物理性质影响的研究还不多见，杨红善、崔娜等[13,14]研究表明保水剂能够降低土壤密度。李兴等[2]研究表明保水剂能够改善土壤孔隙度，并随着保水剂浓度的增大土壤孔隙度逐渐增加。杨永辉等[15]发现保水剂可以增加土壤水稳性团聚体含量。汪亚峰等[16]研究表明土壤体积膨胀率随保水剂的浓度增加而增加，保水剂在短期内增加大于2 mm土壤团聚体含量效果明显。侯贤清、马鑫等[17,18]研究表明保水剂能增加土壤大团聚体数量。现有研究多集中于单种保水剂或两种保水剂对同种土壤物理性质的影响研究，关于不同保水剂对不同土壤的研究较少。不同种类保水剂之间的比较结果不尽相同[13-18]。因此，有必要针对干旱区的不同土壤环境，明确相应的保水剂浓度和类型，以期对土壤进行最适改良。

为了进一步探明不同保水剂对干旱区不同土壤物理性质的影响，本研究选用国外保水剂MP3005 KCE与国内沃特保水剂和新疆大学研制的HG-60保水剂进行对比，分析沙土、壤土和黏土施用3种保水剂前后的物理性质的变化，以期探明不同保水剂在干旱区不同土壤的应用效果以及最佳的施用量和适用类型，从而为保水剂在荒漠化治理和农业生产中的应用提供参考。

1 试验设材料与方法

1.1 试验材料

(1)供试土壤。根据卡庆斯基质地分类法[19,20]的分类标准，结合《新疆土壤地理》中3种质地的土壤特征[21]，在项目研究区----阜康绿洲西侧，古尔班通古特沙漠南缘，采用四分法分别采集沙土、壤土、黏土。3种土壤的含水率与密度见表1。

表1 土壤含水率、密度背景值Tab.1 Background value of soil moisture content and bulk density

(2)保水剂。本研究筛选出3种保水剂为实验材料，保水剂的基本情况如表2所示。

1.2 试验设计

本试验的目的在于研究不同保水剂对干旱区常见的3种土壤物理性质的影响，土壤物理性质的改善往往表现在土壤孔隙度的增大、土壤密度的降低或者土壤大团聚体的增加等方面。选取土壤团粒结构、密度、孔隙度和体积膨胀率4个指标，通过分析这些指标的变化判断保水剂对土壤物理性质的影响，并对比不同保水剂之间指标的差异，得出在不同土壤环境下哪种保水剂对哪些指标有更明显作用。参考孙福强、孙建和王亚峰[16,22,23]等测定土壤团粒结构和土壤膨胀率的方法，参考中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室主编[24]的《土壤物理性质测定法》中土壤密度和孔隙度的测定方法，选取合适的保水剂浓度进行上述指标的分析试验。

表2 供试保水剂的基本情况Tab.2 Line of Super absorbent polymers applied in the experiment

1.3 试验方法

(1)团粒结构测定 。3种不同土壤分别加入1%浓度的MP3005 KCE、沃特和HG-60用干筛法[16,22]，取干土样1 kg过套筛，每筛一次的土样不宜过多，以100～200 g为益。将套筛置于振荡机上振荡10 min后，取下上面3个筛子，再振荡5 min，晒完后分成>2、1～2、0.5～1、0.25～0.5和<0.25 mm的粒径，分别计算各级筛子中团聚体占总土样的百分比。

(2)土壤体积膨胀率测定。采用竖直玻璃管法测定土壤体积膨胀率[22,23]，将两支带刻度的分液漏斗(100 mL)，用乳胶管相连，一支分液漏斗基部塞入适量双层脱脂棉纱布，然后放入风干的各试样(加1%浓度保水剂的处理，需要将相应质量的保水剂与干土样搅拌均匀)，记录起始读数。将装自来水一端的分液漏斗打开，让水流入装试样端的分液漏斗，等土壤全部湿润的时候，读取并记录土壤所占的体积值，每个处理做3次重复，计算膨胀率。

(3)土壤密度与土壤孔隙度的测定。土壤密度和孔隙度也是重要的土壤物理因子。其变化对土壤的水分、养分和其他属性都有显著影响，进而影响水循环和植物生长。土壤密度、 总孔隙度采用常规方法测定[24]。保水剂的施入量设置3个水平梯度与空白土样进行对比，保水剂质量梯度分别为土壤重的0.1%、0.5%、1.0%。

2 试验结果与分析

2.1 土壤团聚体结构影响结果分析

土壤团粒结构是评判土壤物理性质的重要指标之一，土壤结构的好坏可以直接影响到土壤的通气性、透水性和水稳性，保水剂的加入不仅可以增加土壤水稳性团聚体的比例，还可以改善土壤的通气性[13,15](见表3～表5)。

沙土、壤土和黏土加入MP3005 KCE、沃特和HG-60等3种保水剂后，土壤粒径大于0.25 mm的水稳性团粒体比例较空白均明显增加。在沙土中分别增加了22.37%、25.6%、31.5%；壤土中分别增加了28.1%、32.8%、39.9%；黏土中分别增加了5.1%、15.8%、19.81%。随着沙土、壤土加入MP3005 KCE、沃特和HG-60这3种保水剂之后粒径处于0.25～0.5 mm之间利于增加土壤透气性的团粒体比例也均有所增加，增加幅度在沙土和壤土中皆呈现出MP3005 KCE>沃特>HG-60。但在黏土中土壤粒径在0.25～0.5 mm之间的部分都呈下降趋势，分别下降了3.89%、5.23%、5.52%。

表3 不同保水剂对沙土不同粒径团聚体影响结果Tab.3 The affect results of different particle size of sandy with different SAP

表4 不同保水剂对壤土不同粒径团聚体影响结果Tab.4 The affect results of different particle size of loam with different SAP

表5 不同保水剂对黏土不同粒径团聚体影响结果Tab.5 The affect results of different particle size of clay with different SAP

沙土、壤土和黏土在施加3种保水剂后，水稳性团聚体比例皆明显增加，增加幅度为HG-60>沃特>MP3005 KCE，说明经过3种保水剂的反复吸水，可以起到对土壤中孔隙和团粒形成的影响，这种过程对土壤结构的形成具有促进和改善作用[25,26]还可以有效的稳定土壤养分促进植物生长[15]。3种保水剂对沙土和壤土的通气性皆有改善，改善幅度呈MP3005 KCE>沃特>HG-60的趋势，因此MP3005 KCE保水剂对改善沙土和壤土的通气性较其他两种保水剂来说效果较好。但在施用3种保水剂后黏土中0.25～0.5 mm粒径的团聚体呈下降趋势。

2.2 土壤体积膨胀率的影响结果分析

土壤膨胀率的增加可以增大土壤中的气相比，从而降低土壤密度和增加土壤孔隙度[25]。保水剂对土壤体积膨胀率的影响，主要是自身吸水膨胀形成具有一定强度凝胶挤压土体使土体体积增加，并且跟土壤密度有较大关系，土壤密度大时，土体会对保水剂吸水膨胀产生约束作用，不仅可以降低保水剂的吸水倍率，也会减少土体体积膨胀率，反之，当土壤密度小时，保水颗粒受到的约束作用小可以在一定程度上充分膨胀，从而既可以使保水剂的吸水倍率提高，又能增加土体体积膨胀率[27](见图1和图2)，在沙土、壤土和黏土中添加3种保水剂后其膨胀体积有明显的增加(p<0.05)，其中HG-60对沙土、壤土和黏土中的膨胀体积和膨胀率较其他两种保水剂有较大贡献，并且通过HG-60保水剂处理不同土壤后的膨胀率对比于其他两种保水剂有较大的显著性(p<0.05)，从总体来说，经3种保水剂处理后沙土和壤土之间的膨胀率并不显著(p>0.05)，保水剂在沙土和壤土中的膨胀率对在黏土中的膨胀率明显增加(p<0.05)。

图1 不同保水剂对沙土、壤土和黏土膨胀体积影响图Fig.1 The expansion volume influence diagram of different SAP on sand, loam and clay

图2 不同保水剂对沙土、壤土和黏土膨胀率影响图Fig.2 The expansion rate influence diagram of different SAP on sand, loam and clay

不同保水剂在不同土壤中膨胀的均匀程度也有所不同。这主要由保水剂的形状规格、吸水性质所决定。在沙土中MP3005 KCE为粉末状，吸水速度较快、较均匀，且与沙土的颗粒最为接近，因此与其结合的最为紧密、均匀[见图3(a)]；沃特多功能保水剂为小颗粒状，吸水后体积增加较KCE大，与沙土结合的较为均匀[见图3(b)]；HG-60保水剂为大颗粒状，吸水后体积增加最大，且沙土土质松，易于挤压，因此与沙土结合不均匀[见图3(c)]。在壤土中加入不同保水剂后，各保水剂在壤土中的膨胀程度如图4所示。由图4可见，沃特多功能保水剂与壤土结合的最为均匀，MP3005 KCE次之，HG-60保水剂与壤土结合较不均匀。在黏土中由于黏土的黏性大，吸水后易结块，颗粒小的保水剂在黏土中不易吸到水分，颗粒大保水剂吸水后对黏土的挤压力较小，因此3种保水剂在黏土中膨胀都不均匀。

图3 不同保水剂在沙土中膨胀程度图Fig.3 The expansion degree of SAP in sandy

图4 不同保水剂在壤土中膨胀程度图Fig.4 The expansion degree of SAP in loam

2.3 土壤密度和总孔隙度的影响结果分析

土壤孔隙是水分和空气的主要通道，决定着土壤的持水性和保肥性，影响着植物的正常生长[2]，而土壤密度则是衡量土壤肥力高低的一个重要辅助标准[13]，保水剂反复的进行吸水膨胀释水收缩这一过程，可以明显改善土壤的密度和孔隙度(见表6)。加入3种保水剂后，沙土、壤土和黏土的密度对比空白组均有显著降低(p<0.05)，且随着保水剂用量的增加，密度逐渐减小。沙土、壤土和黏土的孔隙度对比空白组均有显著增加(p<0.05)，并随着保水剂的浓度增加而增加。3种保水剂在不同浓度下，降低沙土、壤土和黏土的密度和增加土壤孔隙度作用能力均为HG-60>沃特>MP3005 KCE。且3种保水剂的浓度超过0.5%以后对沙土、壤土和黏土的密度和土壤总孔隙度的作用没有显著性(p>0.05)，HG-60、沃特、MP3005 KCE这3种保水剂浓度达到0.5%时，分别降低沙土密度的15.3%、13.1%和11.7%，沙土总孔隙度与对照相比分别提高了7.9%、6.8%和6%；分别降低了壤土密度的20.5%、12.3%和11.6%，壤土总孔隙度与对照相比分别提高了8.3%、6.8%和6.4%；分别降低黏土密度的12.1%、10.8%和9.5%，黏土的总孔隙度与对照组相比分别提高了7.2%、6.5%和5.7%。

表6 不同保水剂对沙土、壤土、黏土密度和总孔隙度的影响Tab.6 The soil bulk density and porosity influence of different SAP on sand, loam, clay

注： 同列数据不同小写字母表示不同处理下差异达显著水平(p<0.05)。

3 讨 论

(1)沙土、壤土和黏土在保水剂的作用下其水稳性团聚体均明显增加，与杨永辉等[15]发现保水剂可以增加土壤水稳性团聚体含量的结论相符，沙土和壤土的通气性增加黏土的通气性降低与杨红善[13]等得出的保水剂可以增加土壤的通气性的结论有差异，推测可能的原因是由于黏土本身的团聚体较大施用的保水剂浓度过高导致土壤板结，导致黏土的通气性下降。HG-60增加土壤水稳性团聚体的效果最好，MP3005 KCE增加沙土和壤土通气性的效果较其他两种保水剂好。按颗粒大小HG-60最大沃特次之MP3005 KCE最小，推测大颗粒保水剂对增加土壤水稳性团聚体的效果较好，小颗粒保水剂对土壤通气性的效果较好。

(2)在不同土壤环境下保水剂对增加土壤体积膨胀率有显著作用与汪亚峰等[16]等研究表明土壤体积膨胀率随保水剂的浓度增加而增加的结论一致，其中HG-60的效果最好，就膨胀的均匀程度沃特的效果较好。推测大颗粒的保水剂对增加土壤体积膨胀率较好，中颗粒的保水剂在土壤中膨胀的更均匀。

(3)保水剂的施用有效的降低土壤密度和增加土壤孔隙度与杨红善、崔娜等[13,14]研究发现保水剂能够降低土壤密度增加土壤孔隙度的结论相一致，其中HG-60在不同土壤环境下降低土壤密度和增加土壤孔隙度的能力较其他两种保水剂强，与李兴等[2]研究表明保水剂能够改善土壤孔隙度，保水剂的粒径越大土壤密度下降的趋势越明显，土壤孔隙度增加幅度越大的结论一致。说明保水剂确实可以改善土壤密度和孔隙度两个指标，且保水剂的粒径越大改善的效果越好。

4 结 语

(1)保水剂对增加沙土、壤土和黏土中水稳性团聚体的数量有明显作用，在3种土壤中作用能力的共性表现为HG-60>沃特>MP3005 KCE，其中在沙土和壤土中MP3005 KCE对增加0.25～0.5 mm粒径的比例贡献较大，说明 MP3005 KCE保水剂对土壤通气性较其他两种保水剂好。

(2)保水剂可以显著提高土壤的膨胀率，在不同土壤中作用能力均表现为HG-60>沃特>MP3005 KCE(p<0.05)。但从保水剂与土壤结合的均匀的角度来看，在沙土中MP3005 KCE>沃特>HG-60；壤土中沃特>MP3005 KCE>HG-60；黏土中3种保水剂都不均匀。综合土壤体积膨胀率与膨胀均匀程度来说，沃特保水剂在3种土壤中的表现较好。实验表明不同保水剂在沙土、壤土和黏土中膨胀率的大小为沙土>壤土>黏土。当土壤密度大时，土体会对保水剂吸水膨胀产生约束作用，会减少土体体积膨胀率，反之，当土壤密度小时，保水颗粒受到的约束作用小可以在一定程度上充分膨胀，从而增加土体体积膨胀率。

(3)施用保水剂能显著降低土壤密度(p<0.05)，增加土壤孔隙度(p<0.05)，并且随着保水剂浓度的增加，土壤密度逐渐降低；土壤孔隙度逐渐增加。HG-60在降低沙土、壤土和黏土的密度以及增加沙土、壤土和黏土的土壤总孔隙度方面效果较其他两种保水剂好，且在3种土壤中作用能力均表现为HG-60> 沃特>MP3005 KCE。保水剂浓度在超过0.5%后在降低密度和增加孔隙度方面没有显著效果(p>0.05)。所以在考虑成本或土壤板结等因素的情况下可以考虑将保水剂的施用浓度控制在0.5%左右。

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