人工土壤环境下保水剂性能的衰减

蒙玺+李绍才+孙海龙

摘要：为探明保水剂性能在人工土壤环境下随时间和施肥量变化而变化的情况，将人工土壤混合保水剂作为试验基质，以室外条件下植物生长为背景，以时间尺度与施肥量作为变量因子，观察基质中保水剂吸水倍率、吸水速率、保水率、吸力的动态变化。结果表明：（1）保水剂上述各项指标总体上与其放入基质中的时间呈负相关关系。其中，吸水倍率与吸水速率在保水剂与人工基质混合伊始即表现出最大降幅，而后这种降幅逐渐降低；保水率下降的量则是先增大后减小再增大，且在保水剂与人工基质混合后20个月出现1个较为明显的拐点；不同外部吸力阶段，保水剂在土壤中的出水率随时间增大而降低，最大出水率出现在外部吸力为4 MPa时，最小出水率出现在外部吸力为0.5 MPa时。（2）与未使用保水剂（T0）的性能相比，施肥量对保水剂吸水倍率的影响为T6>T5>T1>T2>T4>T3；2014年7月至2016年7月各梯度间吸水速率并无较大差异；施肥量对保水率影响为T5>T3>T6>T4>T1>T2；各梯度吸力变化并无明确规律。

关键词：人工土壤环境；保水剂；性能；衰减规律；出水率；外部吸力；施肥量；水土保持；绿化工程；治沙工程

中图分类号： S157文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0205-04

收稿日期：2017-02-27

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2015BAC05B03）。

作者简介：蒙玺（1991—），女，重庆人，硕士研究生，主要从事植被恢复、生态工程研究。E-mail：m921001885549@sina.cn。

通信作者：孙海龙，博士，讲师，主要从事生态工程研究。E-mail：merecedes@126.com。保水剂在医疗（卫生）、冶金及农业（补水）等领域的积极作用得到了越来越多的认可，尤其在农业方面更成为干旱区、半干旱区水土保持、绿化、治沙工程必不可少的因素。研究表明，保水剂的合成原料决定其性能优劣[1]，其吸水倍率与其粒径大小呈负相关关系[2]，保水剂对土壤水分蒸发有明显的抑制效应，能显著提高土壤的含水率[3]。然而，保水剂在实践过程中真实的性能变化却鲜有报道，研究保水剂在土壤中的衰减规律可以明确其在土壤中的作用时长与作用效果。目前，肥料在农林技术中的应用举足轻重，研究发现，营养元素种类与浓度能直接影响保水剂在溶液中的吸水能力及保水能力[4-5]，研究不同施肥量条件下保水剂衰减规律对其在不同养分土壤中的施加量具有指导作用。由于天然土壤中矿质元素分布不均，难以量化，试验中选用人工配置的土壤并种植物，模拟在自然生境中保水剂性能的变化。本研究采用植物盆栽，施加等量保水剂与不等量肥料，在不同时刻对保水剂性能进行测定，研究自然条件下人工基质中保水剂的衰减过程，为水土保持、绿化、治沙工程的人工土壤中保水剂的使用提供理论参考。

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1试验地概况试验于2014年7月至2016年7月在四川省彭州市山地生态工程技术研究中心进行。彭州市位于成都平原中北部，介于103°13′～103°40′E、30°54′～31°26′N，气候类型大体属亚热带湿润气候。根据多年气像资料分析，年平均气温16.9 ℃，最热月（8月）均温为27.1 ℃，最冷月（1月）为4.7 ℃，全年无霜期平均为276 d，年平均降水量为9325 mm。

1.1.2研究对象本试验以盆栽为对象，盆栽载体选用自制水泥盒（图1），每个水泥盒长约50 cm，宽约50 cm，高3 cm。

盆栽基质以四川省遂宁广德寺的紫色土（有机质含量 56.66 g/kg，全氮含量64.41 mg/kg，全磷含量1.64 g/kg，全钾含量16.89 g/kg）通过晒干或补水，把含水率控制为 30%±1.5%。保水剂选用成都市亿鑫化工有限公司生產的AQUASORB保水剂，主要成分为丙烯酰钾-丙烯酰胺共聚体，聚丙烯酸钾在亚甲基双丙烯酰胺的二乙烯基化合物存在下进行聚合得到高吸水材料，型号为3005KM，粒径0.3～1.0 mm。肥料由一定比例尿素、过磷酸钙、硫酸钾的复合肥组成。

1.2试验方法

1.2.1试验设计

1.2.1.1保水剂所有试验盆栽取等量保水剂，以拌土干施法施加，即利用电子天平称取一定量保水剂颗粒，与适量基质颗粒充分混合，作为盆栽土壤。

1.2.1.2施肥量设置6个梯度施肥量的盆栽，第1个梯度施肥量为0，命名为T1；其余盆栽施肥量分别为T2、T3、T4、T5、T6，其中施肥量T4为标准配方试件，其余试件用量根据比例调节（即各施肥量为0.5T4、0.7T4、T4、1.2T4、1.5T4）。将未使用的保水剂作为对照组，命名为T0。本试验在浇水过程中对盆栽进行肥料施加。

1.2.1.3盆栽设计为模拟野外水分贫瘠区的立地条件，本

试验将盆栽设立在完全水泥地面上，水泥盒与水平地面呈5°。根据此条件对植物耐寒、 耐旱及抗病虫害等功能的需求选取盆栽植物，并以撒播种子方式放入基质中。试验区周围无建筑遮挡，通风性能良好。盆栽安置完成后，放入等质量的土壤保水剂混合而成的基质，进行第1次均匀饱和浇水。本试验不进行养分人为补给，后期根据植物生长情况制定处理方案。

1.2.2测定项目与方法[6-9]

1.2.2.1保水率测定每2个月于盆栽中取出基质混合物，筛选出保水剂，并吸水至饱和。称取50 g饱和吸水的保水剂，于电热恒温干燥箱中，恒温30°烘干至无质量损失，每2 h用电子天平记录保水剂质量变化。

1.2.2.2吸水倍率与吸水速率将30 ℃烘干后的保水剂取出1 g，置于蒸馏水中重新吸水，每10 min称取保水剂质量，直至保水剂恒质量。

1.2.2.3保水剂吸力用环刀取50 g饱和吸水保水剂，环刀下部用无纺布固定，放入美国土壤水分仪器公司生产的1050型压力膜仪中，分别加压0.5、1.0、1.5、2.0、4.0 MPa，每24 h取出称质量，至完全平衡质量不再减少为止。endprint

1.2.3计算方法[10]

1.2.3.1保水剂吸水倍率计算

Q=m0-m1-m2m2。

式中：m0为保水剂饱和吸水后与烧杯的总质量；m1为烧杯质量；m2为干保水剂质量。

1.2.3.2保水剂的保水率计算

ω=M-M1-M2M0。

其中：ω为烧杯与溶胀的保水剂总质量；M为烧杯质量；M1为干保水剂质量；M0为保水剂初始吸水量。

1.2.4数据处理本研究数据结果采用Excel 2007、SPSS、GraphPad Prism 5等软件处理，并对数据进行拟合分析。

2结果与分析

2.1放入基质的时间对保水剂性能的影响

2.1.1放入基质的时间对保水剂吸水倍率的影响吸水倍率是衡量保水剂应用性能的重要评价指标，影响保水剂的应用范围和领域。从保水剂放入盆栽基质中后2～26个月，随着保水剂放入盆栽基质中的时间延长，所有施肥量处理盆栽基质中的保水剂吸水倍率减小且呈明显的负相关关系。6个梯度处理盆栽中保水剂与未放入基质中的保水剂吸水倍率相比有较大的下滑幅度，且在最初放入保水剂的2个月内吸水倍率下降最大，约为40%，而后吸水倍率逐渐趋于平稳（图2）。

2.1.2放入基质时间对保水剂吸水速率的影响吸水速率指单位时间内保水剂吸收的水分量，是衡量保水剂能否快速收藏土壤径流的重要依据。取2014、2015、2016年7月基质中的保水剂进行吸水速率试验，结果如图3所示。随着时间的推移，与未使用保水剂（T0）相比，各浓度盆栽基质中的保水剂吸水速率都有较大幅度下降，且在2014年时下降最快，约下降50%；与2014年相比，2015、2016年基质中的保水剂吸水速率下降逐渐放缓，分别约30%、10%。分析其走势可知，几个时间点所有曲线都在吸水5 min的附近出现1个拐点，吸水速率在前5 min达到最大，往后逐渐减小；吸水 40 min 后，吸水速率基本不变。

2.1.3放入基质的时间对保水剂保水能力的影响保水剂的保水能力指的是吸水后的膨胀体保持其水溶液不离析的能力，是反映所获溶液能否被充分并长期加以应用的一项重要指标[11]，其主要表现在保水剂保水率上[12]， 保水剂的保水率

可以通过保水剂失水量除以饱和保水剂总质量来体现。保水率越大，供给植物的水分越多。由图4可知，随着时间的推进，50 g饱和保水剂的失水量逐渐降低，在与土壤混合后的2个月（2014年7月）后，失水量为48.27 g，2015年7月为4628 g，2016年7月为44.29 g，其保水率随保水剂放入基质中的时间增长而降低；饱和保水剂失水下降的量则是先增大后减小再增大，且在保水剂与人工基质混合后20个月出现1个较为明显的拐点，因此，保水剂保水率降低速度为先增大后减小再增大，且在混合后20个月出现1个明显的转折。

2.1.4放入基质时间对保水剂吸力的影响土壤水势与植物蒸腾作用、根系吸水机理有极大的相关性[13-14]，人工基质盆栽中保水剂吸力的变化直接影响土壤的水势情况。依据土壤特征曲线，保水剂吸力可以用不同外界吸力下饱和保水剂出水率的曲线来表示。如表1所示，在外部吸力为0.5～4.0 MPa 之间，未使用保水剂的出水率范围可达到8346%～91.29%，平均出水率达到90%以上，从2014年7月到2016年7月，随着时间的延长，总体出水率范围缩小，出水率范围数值变小，平均出水率降低；保水剂最大出水率出现在 4.0 MPa 情况下，而最小出水率都出现在0.5 MPa。

表12014年7月至2016年7月不同外部吸力下

保水剂出水率对比参数

年份出水率（%）配方范围平均值最大出水

率梯度

[压力（MPa）]最小出水

率梯度

[压力（MPa）]201473.99～89.5983.46T1（4.0）T6（0.5）201570.95～79.2375.20T3（4.0）T4（0.5）2016 67.87～75.7472.52T4（4.0）T2（0.5）保水剂对照86.46～91.2990.134.00.5

2.2施肥量对保水剂性能的影响

2.2.1施肥量对保水剂吸水倍率的影响保水剂吸水倍率能影响肥料利用效率、减少化肥污染[15]，弄清楚在人工土壤中施肥量对保水剂倍率的影响是合理利用保水剂特性的必要步骤。在盆栽基质中，保水剂吸水倍率下降幅度越大，其对应的施肥量对保水剂吸水倍率影响越大。把2年后盆栽基质中保水剂吸水倍率与最初将保水剂放入基质中2个月后的吸水倍率对比发现，吸水倍率下降幅度表现为T6>T5>T1>T2>T4>T3，因此施肥量对保水剂吸水倍率的影响表现为T6>T5>T1>T2>T4>T3（图5）。

2.2.2施肥量对保水剂吸水速率的影响吸水速率是保水剂性能的一个重要指标，在自然降雨不够充分的情况下，可以影响土壤基质最终储水量。肥料通过长时间与保水剂作用影响保水剂结构，进而影响吸水速率。根据图3可知，3年各施肥量对保水剂吸水速率影响并无较大差异。

2.2.3施肥量对保水剂保水率的影响保水率是保水剂能供给植物水分利用量的一个重要依据，保水率下降越快，保水率下降率越大，其对应浓度施肥量对保水剂保水率的影响就越大。根据图6可知，随着时间的延长，2年后各浓度处理后基质中的保水剂与2年前相比保水率下降率表现为T5>T3>T6>T4>T1>T2，施肥量對保水率影响表现为T5>T3>T6>T4>T1>T2。

2.2.4施肥量对保水剂吸力的影响施加不同量的肥料处理后的保水剂吸力变化并无特定规律，因此未展开研究。

3讨论

保水剂本质上是一种交联型高分子电解质，其吸水原理是高分子链中的羧基和大量酰胺亲水团在溶液中电离，阴阳离子分开堆积，产生浓度差，从而形成溶胀吸水现象[16]。未使用的全新AQUASORB保水剂在自来水中有较高的吸水倍率，可以吸收相当于自身质量100倍以上的水分，但保水剂与人工土壤混合饱和吸水后，土壤中的极小粒径颗粒进入保水剂空隙中，在短时间内阻塞保水剂吸水通道，迅速降低其吸水倍率、吸水速率与保水率[17]；保水剂自身的交联网络结构决定其吸水溶胀能力，自然条件下，保水剂数次反复吸水、失水后，网络结构收缩舒张，内部间架结构逐渐崩塌或老化，保水剂通透性降低[18]，使得上述3个因子值与刚放入时相比又有一定的降低；土壤颗粒密度大于保水剂，土壤微小颗粒阻塞保水剂空隙，同等质量饱和保水剂，烘干试验后T0干质量小于与土壤混合后的保水剂，导致失水试验中保水剂失水量、保水率下降的现象[19]；同时，随着时间的延长，土壤中的细菌及微生物对保水剂有分解的能力[20]，导致饱和保水剂势能与对照组相比相对较低，出水率降低。最终随着时间的推移，保水剂性能降低。endprint

施肥量对保水剂吸水倍率有较大的影响，施肥量增加，吸水率下降[21]。T5、T6肥料施加量高，从而抑制保水剂吸水。保水剂为高分子电解质，其性能易受离子破坏，水中离子电离程度越大，吸水倍率下降越快[22]。T1、T2肥料施加量低，利于植物根部固氮菌生长及固氮，产物以离子状态留存于土壤中，使土壤中可电离的离子浓度增加[23]，保水剂吸水倍率降低。肥料中的尿素属于非电解质肥料，对保水剂吸水率影响较小[21]，因此T3、T4盆栽施肥量虽大，但保水剂吸水倍率却小于低施肥量盆栽；每年各施肥量处理下盆栽基质中保水剂吸水速率差异不大，则是因为吸水速率只与保水剂放置的溶液有关，本试验将所有保水剂均置于自来水中，因此每年各浓度处理的保水剂吸水速率相差不大；保水剂保水率主要受保水剂状态的影响，在高施肥量盆栽中，保水剂结构易被破坏，保水率下降大，但在自然环境下，土壤中一些微生物及不可控因素使保水剂出现结皮现象[24]，各施肥量条件下保水率下降规律紊乱，导致施肥量对保水率影响表现为T5>T3>T6>T4>T1>T2。

4结论

保水剂吸水倍率随其放入人工土壤中时间的延长而降低，这一降低趋势最大出现在与土壤混合的前2个月，后逐渐趋于平缓。放入人工土壤环境时间越长，土壤环境因素对保水剂吸水速率的制约作用越明显。保水剂的保水率随放入土壤中时间的延长而降低，保水率下降的幅度则是先增大后减小再增大，且在保水剂与人工基质混合后20个月出现1个较为明显的拐点，AQUASORB保水剂在20个月以前具有较好的保水率。人工土壤环境对保水剂的吸力改变较大，直接影响保水剂对自然雨水的吸收及对植物水分的供给。在外界高吸力阶段，2年后保水剂的持水率为未使用保水剂的8297%；在外界低吸力阶段，2年后保水剂的持水率为未使用保水剂的78.49%。综合考虑2年内保水剂的性能得知，施加肥料量为T2和T4时，保水剂性能变化最小，这表明在此肥料施加下保水剂发挥作用的时间较长。但在实际的保水剂使用中，不仅须要从基质配方设计、植物种类、土壤中微生物菌种等方面考虑，还须结合具体的地理条件、降水量以及干湿程度等具体因素综合调控，使基质中保水剂使用时间更长久，以达到节水抗旱的目的。

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