保水剂对土壤持水性影响及在不同土壤中效果比较

闫永利，魏占民，任秀苹，奇 凤v(.内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 009； .内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 0008； .内蒙古包头市土默特右旗水务局，内蒙古 包头 009；.鄂尔多斯工业与城市供水办公室，内蒙古 东胜 07000

保水剂作为一种新型节水材料，由于其具有很强的吸水、保水能力，而且具有反复吸水功能，所吸收的水分可缓慢释放供作物利用[1-4]，近年来受到有关研究者的广泛关注，并对其开展了大量的试验研究。研究表明，保水剂可改善土壤结构，增加土壤含水量，提高土壤的持水性能[5-9]。针对保水剂对土壤持水性方面的影响研究，目前多侧重于研究保水剂对同一土壤或不同类型保水剂对同一土壤持水性的影响[10-17]，还有将保水剂施用与其他抗旱节水措施结合研究保水剂对土壤特性及作物生长和产量等的影响[18-22]。关于保水剂对不同土壤持水效果研究几乎没有。实际上保水剂的吸、持水性能受土壤特性的影响较大[23-25]，这样势必会导致保水剂在不同土壤中的应用效果存在差异，因此，针对保水剂对不同土壤的持水效果开展研究，是关于保水剂对土壤持水性能影响研究的有力补充，对保水剂在农业上的合理、高效应用具有重要的理论及实践指导意义。基于此，本研究选用3种土壤，通过室内试验分析保水剂对土壤持水性影响及在不同土壤中的持水效果进行对比，为保水剂的应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1)保水剂。采用3种保水剂，分别为：BJ-2101S、PR3005S和PR3005KL。BJ-2101S和PR3005S为白色粉末状，粒径分别为0.1～0.25 mm和0.3～0.5 mm；PR3005KL为白色颗粒状，粒径3～4 mm。

(2)土壤。供试土壤3种，分别为：壤沙土、沙黏壤土和壤土。其中壤沙土和沙黏壤土分别取自内蒙古阴山北麓察右中旗和武川县，壤土取自内蒙古阿荣旗，所有土样均取于耕地表层0～20 cm，土壤特性见表1。

1.2 试验设计与方法

(1)试验设计。将保水剂与土壤混合，共设计4个比例(以保水剂质量占土壤质量百分比计)，分别为0.1 0%、0.3 0%、0.50%和1.00%。以单纯土壤(不加保水剂)作为对照处理，用CK表示。本试验共计处理5个，每个处理设3个重复,试验时每个重复土壤用量为150 g。

表1 土壤特性Tab.1 Properties of soil

(2)试验方法。首先将供试土壤风干并过2 mm筛，按试验设计要求分别称取过筛后的风干土150 g，再按设计处理浓度称取一定量的保水剂，将土壤与保水剂混合均匀后装入呈圆柱体形的尼龙布袋中(直径8 cm，高14 cm)。将装有保水剂与土壤的布袋以及只装土壤(CK)的布袋置于装有2 000 mL自来水(电导率EC=0.36 mS/cm)的容器中，使其吸水。15 min后将布袋取出并静置5 min，使其不产生滴水，称重后将布袋置于恒温鼓风干燥箱内在60 ℃下恒温蒸发。此后，每隔1 h取出称重，连续测定7 h。

1.3 数据处理及分析

采用Microsoft office Excell对试验数据进行处理，计算不同处理的土壤含水率，各处理的土壤含水率为对应3个重复的算术平均值。由于试验中土壤装于布袋中，所以各处理的含水率包含布袋吸收水分。将处理后的数据进行比较分析，并利用SAS软件，运用Duncan法进行差异显著性分析(P<0.05)。

试验过程中，不同处理之间，由于土壤特性的差异以及保水剂使用量的不同，在吸水时间相同的情况下，各处理初始的绝对含水率必然会存在差异。而绝对含水率主要反映土壤中水分含量的多少，不能直观反映其保持水分的能力，因此，本文采用能反映土壤持水性能的相对含水率，即保水率(不同时刻土壤含水率占初始含水率百分比)进行比较分析。不同时刻土壤保水率计算完成后，根据分析讨论需要绘制土壤保水率随水分蒸发时间的变化曲线。

2 结果与分析

2.1 保水剂使用量对土壤持水性能影响

图1中(a)、(b)、(c)分别表示保水剂以不同用量与壤沙土、沙黏壤土和壤土混合后，在恒温蒸发过程中，3种土壤保水率随时间变化。保水剂不同用量下土壤保水率以3种保水剂分别与同一土壤混合后土壤保水率的平均值计。可以看出，与对照相比，土壤中施用不同量保水剂后其保水率也增大，且随保水剂用量增大而增大。恒温蒸发7 h后，3种土壤(对照)的保水率为8.71%～34.10%；而保水剂施用比例分别为0.10%、0.30%、0.50%和1.00%时，3种土壤保水率分别为33.04%～43.95%、41.31%～53.79%、48.85%～58.06%和53.78%～58.83%(见表2)。综合3种土壤的平均保水率，经过7 h恒温蒸发后，对照为19.74%，而施加比例为0.10%～1.00%的保水剂后土壤保水率为40.11%～56.61%，较对照提高1.03～1.87倍(见表2)。

保水剂对土壤持水性的影响还可从土壤释水曲线的斜率变化反映出来，土壤释水曲线的斜率大小反映土壤释水速度的快慢，斜率越大，释水速度越快，反之，则越慢。从图1可以看出，与对照相比，土壤中加入保水剂后，土壤释水曲线的斜率有不同程度的减小，这说明土壤的释水速度降低，尤其是随着蒸发时间的不断延长，这一趋势显得更为明显。可见，土壤中施入保水剂后，在蒸发过程中可有效抑制土壤水分蒸发，从而在较长时间内使土壤保持较多的水分，提高土壤保持水分的能力。

图1 土壤保水率随时间变化Fig.1 Water holding rate changes of soil with time

%

注：同一行中不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

在用量影响方面，虽然土壤保水率随保水剂用量的增大而呈现总体增加的趋势，但是不同用量间，随着用量的递增，土壤保水率增幅有一定的差别。以壤沙土为例，恒温蒸发7 h后，土壤保水率由保水剂施用比例为0.10%时的33.04%，增大至比例为0.30%时的41.31%，增幅为25.02%；比例由0.30%增大至0.50%，保水率增幅为29.22%；比例由0.50%增大至1.00%，保水率增幅仅为7.19%。沙黏壤土和壤土也表现出与壤沙土相似的规律。这说明，虽然保水剂有提高土壤保持水分的功效，但是当保水剂达到一定用量后，保水率增幅效果不显著，方差分析进一步表明这一点(见表2)。综合3种土壤平均保水率，保水剂施用比例为0.10%时，恒温蒸发7 h后土壤保水率较对照有明显提高，且差异显著；当比例增大至0.30%时，虽然土壤保水率较对照均有显著提高，但与比例为0.10%时相比，无显著差异；当比例逐渐增大至0.50%和1.00%时，与比例为0.30%时相比，相互间也无显著差异。可见，在实际使用保水剂时，应合理确定保水剂用量，使用量过小，不会产生明显效果；用量过大，不仅其功效得不到充分体现，造成保水剂的浪费，同时增加了投入成本，影响经济效益。

2.2 保水剂对不同土壤持水效果比较

2.2.1未使用保水剂3种土壤持水性比较

图2为3种土壤的保水率随时间变化曲线，总体上，壤土的保水率随时间变化曲线居于图中最上方，沙黏壤土居中，而壤沙土处于最下方，这说明不同土壤间由于其特性的差异，其保持水分的能力也各异。总的来说，土壤保持水分的能力随着土壤中黏粒含量的增加而提高，经过7 h恒温蒸发后，3种土壤的保水率分别为：壤土34.10%、沙黏壤土16.41%、壤沙土8.71%。虽然壤土(黏粒含量25.5%)的黏粒含量是壤沙土(黏粒含量12.5%)的2.04倍，但是，经过7 h恒温蒸发后的保水率，前者是后者的3.92倍；壤土的黏粒含量是沙黏壤土(黏粒含量20.0%)的1.275倍，但其保水率前者是后者的2.08倍。

图2 未施用保水剂3种土壤保水率变化Fig.2 Water holding rate changes of three kinds of soil without water retaining agent

2.2.2施用保水剂后3种土壤持水性比较

图3中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示保水剂施用比例为0.10%、0.30%、0.50%和1.00%时，壤沙土、沙黏壤土和壤土3种土壤的保水率随时间变化曲线。上述分析可知，虽然适量施用保水剂后可显著提高土壤的持水性，但是，保水剂对3种土壤持水性的影响结果有一定的差异，且差异的大小与水分蒸发时间及保水剂用量有关。

由图3可以看出，施用保水剂后，在土壤水分蒸发初期(1 ～ 2 h)，在保水剂用量相同的情况下，不同土壤的保水率随时间变化曲线几乎是重叠在一起的，保水率差异很小。恒温蒸发2 h后，保水剂施用比例为0.10%时，3种土壤的保水率为75.84%～77.18%，比例为0.30%、0.50%、1.00%时，3种土壤的保水率分别为81.82% ～ 83.45%、82.49% ～ 83.02%、84.32% ～ 86.31%。可见，在土壤水分蒸发初期，即使施用保水剂，不同土壤之间其保持水分的能力也没有明显差异，这与未施用保水剂3种土壤的保水率变化规律基本一致(见图2)。在实际应用中，土壤若经充分灌溉或遇大量降雨后，在土壤水分蒸发初期，此时土壤处于含水率较高的状态下，由于土壤水分充足，可为植物生长提供足够的水分，研究该阶段保水剂对土壤持水性能的影响则意义不大，正如研究者所得结论，保水剂在土壤水分较高的情况下，其功效得不到充分体现[26]。所以，针对土壤水分蒸发后期，分析保水剂对不同土壤持水性的影响更具有实际意义。

在土壤水分蒸发后期(2 h后)，对比图2和图3可以看出，与对照相比，保水剂可使不同土壤保持水分能力的差距缩小。恒温蒸发7 h后，未施用保水剂3种土壤间的保水率差异较大，

图3 施用不同量保水剂后3种土壤保水率变化Fig.3 Water holding rate changes of three kinds of soil using different amount of water retaining agent

而施用保水剂后，同样条件恒温蒸发7 h后，3种土壤间的保水率差异相对较小，且随着保水剂用量的增大，差异逐渐缩小，保水剂施用比例为0.10%和0.30%时，虽然壤沙土的保水率仍然为最小，但最大保水率与其比值已降低至1.33和1.30；比例为0.50%和1.00%时，壤沙土的保水率已不是最小，仅次于保水率最高的壤土，壤土与壤沙土保水率的比值分别为1.09和1.03。这从另一层面反映保水剂对提高不同土壤持水性能的功效是有差别的。从上述对比分析可以看出，未施用保水剂时，壤沙土与其他2种土壤相比持水性最差，且差别较大。而施用保水剂后，总体上壤沙土保水率与其他土壤保水率的差距逐渐缩小，甚至出现壤沙土的保水率高于沙黏壤土且接近壤土，这说明保水剂对壤沙土保水率的提高幅度高于其他土壤。

为进一步对比分析保水剂对不同土壤持水性影响的差异，图4给出了不同保水剂施用比例下恒温蒸发7 h后3种土壤保水率较对照提高百分数及不同土壤间的差异性。可以看出，相同保水剂用量下，保水剂在提高土壤保持水分能力方面，在不同土壤中的应用效果是有差别的。保水剂施用比例为0.10%～1.00% ，从土壤保水率较对照提高百分数来看，壤沙土最高为293.08%～591.29%，沙黏壤土次之为181.85%～249.78%，壤土最低为29.53%～73.03%。3种土壤分别在4个不同的保水剂用量下，土壤平均保水率较对照增幅分别为：壤沙土452.72%，沙黏壤土221.44%，壤土55.39%。

图4 不同保水剂用量下恒温蒸发7 h后3种土壤保水率较对照提高百分数Fig.4 Water holding rate of three kinds of soil using different amount of water retaining agent higher than the control group after seven hours constant evaporation注：同一用量下不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由方差分析表明，土壤水分蒸发后期，保水剂对提高土壤保持水分的功效方面，在黏粒含量较低的壤沙土中的应用效果总体上要好于黏粒含量较高的沙黏壤土和壤土，这主要与土壤固有特性及土壤对保水剂性能影响有关。对于3种不同的土壤，壤沙土黏粒含量最低，土壤保水性最差，施用保水剂后保水率增幅最高，而沙黏壤土和壤土的黏粒含量较高，土壤本身的保水性能就高于壤沙土，施用保水剂后其保水能力虽然也有一定的提高，但提高的幅度较壤沙土小。关于土壤对保水剂性能的影响，有研究表明[24]，保水剂在黏粒含量低的土壤中其吸水倍率要明显高于黏粒含量高的土壤，对于实验测试的3种土壤，黏粒含量较高的沙黏壤土和壤土，保水剂与其混合后的吸水倍率要低于黏粒含量较低的壤沙土，这样相同保水剂在黏粒含量较高的沙黏壤土和壤土中吸收水分的能力就低于黏粒含量较低的壤沙土，再加上其自身保持水分的能力就高于壤沙土，导致其功效就不及壤沙土。

在保水剂实际应用中，应综合考虑其应用效果及经济效益，不能单纯追求显著的应用效果而忽视整体的经济效益，这样一方面应选择在适宜的、应用效果明显的土壤中使用，另一方面尽可能使用少量保水剂即可取得较好的应用效果。针对本文所测试的3种土壤，方差分析结果(表2、图4)表明，保水剂以0.10%相对较低的比例施入低黏粒含量的壤沙土中，与对照相比土壤的保水率有显著提高，同时在水分蒸发后期应用效果又明显高于高黏粒含量的壤土；而对于黏粒含量较高的沙黏壤土和壤土，当保水剂施用比例达到0.30%时才与对照产生明显效果， 但效果总体上不及壤沙土。

3 结 论

(1)与对照相比，土壤中施用不同用量保水剂后其保水率增大，且随保水剂用量增大而增大。3种土壤施用比例为0.10%～1.00%，经过7 h恒温蒸发后土壤平均保水率较对照提高103%～187%。

(2)土壤保水率并非随保水剂用量的逐渐增大而显著提高。综合3种土壤平均保水率，保水剂施用比例为0.10%时，与对照差异显著；当比例增大至0.30%时，虽然与对照相比存在显著差异，但与比例为0.10%时比较无显著差异；当比例逐渐增大至0.50%和1.00%时，与比例为0.30%时相比，相互间也无显著差异。

(3)保水剂对提高不同土壤持水性方面的功效存在差异，且差异的大小与水分蒸发时间及保水剂用量有关。土壤水分蒸发初期(1 ～ 2 h)，不同保水剂用量，3种土壤的保水率无明显差异；土壤水分蒸发后期(2 h后)，保水剂对提高不同土壤持水效果的差异逐渐显现，总体上在黏粒含量较低的壤沙土中的应用效果要好于黏粒含量较高的沙黏壤土和壤土。3种土壤施用浓度为0.10%～1.00%保水剂，经过7 h恒温蒸发后保水率较对照提高分别为：壤沙土293.08%～591.29%，沙黏壤土181.85%～249.78%，壤土29.53%～73.03%。

总之，在保水剂应用中，应综合考虑其应用效果及经济效益，首先应选择在适宜的、应用效果明显的土壤中使用，这样方可使保水剂的效果得到充分体现，同时应合理确定用量，使经济效益最大化。针对本试验所测试的壤沙土、沙黏壤土和壤土3种土壤，保水剂更适宜在黏粒含量较低的壤沙土中使用，用量以保水剂占土壤质量百分比为0.10%为宜。

[1] 黄占斌. 农用保水剂应用原理与技术[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2005.

[2] 李云开，杨培岭，刘洪禄，等.保水剂农业应用及其效应研究进展[J]. 农业工程学报，2002，18(2)：182-187．

[3] 廖人宽，杨培岭，任树梅，等. 农用除草剂对土壤保水剂吸液性能的影响[J]. 农业工程学报，2013，29(4)：125-132.

[4] 杜社妮，白岗栓，赵世伟，等.沃特和PAM保水剂对土壤水分及马铃薯生长的影响研究[J]. 农业工程学报，2007，23(8)：72-79．

[5] Akhter J, Mahmood K, Malik K A. Effects of hydrogel amendment on water storage of sandy loam and loam soil and seedling growth of barley, wheat and chickpea[J]. Plant, Soil and Environment, 2004, 50(10): 463-469.

[6] 宋文淼，陶国华，谢建军，等．PAAM高吸水树脂吸水保水性能[J]．节水灌溉，2009，(4)：22-24，28．

[7] 李永胜，杜建军，刘士哲，等. 保水剂对番茄生长和水分利用效率的影响[J]. 生态环境，2006，15(1)：140-144．

[8] 雒天峰，张新民，丁 林，等．干旱绿洲地区春小麦化学节水技术试验研究[J]．中国农村水利水电，2010，(9)：97-99．

[9] 姚 蕾，柯百胜，王盛莉，等. 魔芋超强吸水剂对土壤水分和狗牙根生长的影响 [J]. 节水灌溉，2009，(9)：8-11,16．

[10] 周 岩，武继承，张 彤，等. 2种保水剂对砂土土壤持水性能的影响[J]．河南农业科学，2012，41(2)：78-81，92．

[11] 介晓磊，李有田，韩燕来，等．保水剂对土壤持水特性的影响[J]．河南农业大学学报，2000，34(1)：22-24．

[12] 宫辛玲，高军侠，尹光华，等. 四种不同类型土壤保水剂保水性能的比较[J]. 生态学杂志，2008，27(6)：652-656．

[13] 邱朝霞，张若冰，邱海霞，等．含蒙脱土和多糖的保水剂对土壤物理性质的影响[J]．中国土壤与肥料，2013，(6)：11-16．

[14] 迟 宏，白云岗，张江辉，等．砾石土壤施用保水剂的蓄水保墒技术研究[J]．水土保持研究，2013，20(5)：119-123．

[15] 左广玲，叶红勇，杜朝军，等．大豆秸秆基保水剂对南阳烟田土壤物理性状及烟叶生长的影响[J]. 农业工程学报，2011，27(2)：15-19．

[16] 王志玉，刘作新，蔡崇光，等．两种农用高吸水树脂的制备工艺及其土壤保水效果[J]．农业工程学报，2004，20(6)：64-67．

[17] 郑惠玲，薛毅芳，管秀娟，等．施用不同保水剂对土壤水分变化的影响[J]．河南农业科学，2006，(7)：73-77．

[18] 丁 林，张新民，王福霞．免储水罐施用保水剂注水播种对玉米产量及其构成因素的影响 [J]．中国农村水利水电，2010，(2)：60-63．

[19] 杨直毅，汪有科，赵颖娜，等.树枝覆盖与保水剂对土壤水分的影响[J]．灌溉排水学报，2010，29(1)：97-99．

[20] 郝冬宁，郭成久，冯 洋，等．锯末和保水剂对坡面棕壤土含水量的影响研究 [J]．中国农村水利水电，2014，(9)：12-15．

[21] 李常亮，张富仓.保水剂与氮肥混施对土壤持水特性的影响[J]．干旱地区农业研究，2010，28(2)：172-176．

[22] 刘 兵，杜贞栋，黄 静，等．冬小麦联合施用旱地龙和保水剂试验研究[J]．节水灌溉，2011，(5)：14-16．

[23] J Yu, I Shainberg, Y L Yan, et al. Superabsorbents and semiarid soil properties affecting water absorption[J]. Soil Science Society of America Journal,2011，75：2 305-2 313．

[24] 闫永利，于 健，魏占民，等. 土壤特性对保水剂吸水性能的影响[J]. 农业工程学报，2007，23(7)：76-79.

[25] 闫永利，于 健，魏占民，等. 土壤特性对保水剂持水性能的影响[J]. 土壤通报，2012，43(5)：1 111-1 115.

[26] 胡 芬，姜雁北．高吸水剂KH841在旱地农业中的应用[J]．干旱地区农业研究，1994，12(4)：83-86．