保水剂对土壤水分运移和水吸力变化的影响

周 客，王利书，程东娟，齐 鸣

（河北工程大学，河北邯郸056107）

干旱缺水和土壤退化是制约中国农业持续发展的重要因素。近年来，为缓解水资源匮乏，合理高效的利用水分，保水剂被广泛应用于我国抗旱节水、水土保持和土壤污染治理领域。保水剂作为保水材料的一种已被广泛使用，能够通过自身特殊的结构改善土壤物理性状，提高土壤水分利用率，影响土壤水分的时空分布，从一定程度上缓解农田干旱缺水的现状[1]。杨永辉等人[2]的研究结果表明，保水剂能提高冬小麦不同生育阶段0～100 cm 土层土壤水分含量，促进生物量的积累，从而提高作物产量。井大炜等人[3]通过不同保水剂施用方式，得出了保水剂有利于改善侧柏根际土壤微生态环境，增强抵御干旱胁迫的能力。白文波等人[4]认为保水剂会限制土壤水分向下运移，提高土壤含水率。同时，还有研究保水剂粒径对土壤吸、失水特性相关关系，得出随着保水剂吸水次数的增多，吸水量逐渐降低，保水剂的施用增加土壤的累积蒸发量[5]。可见，保水剂对水分入渗和植物生长有很大的影响。许多研究者通过试验研究保水剂对湿润锋、累积入渗量、土壤含水量以及对植物生长的影响较多，但通过均匀层施保水剂研究土壤入渗特性、土壤水吸力研究较少。本文通过室内试验研究不同层施深度和保水剂施用量对土壤入渗特性的影响，旨在为保水剂科学施用及农田灌溉效果评估等提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

为研究保水剂的施用量和层施深度对土壤水分运移分布特性的影响，在室内进行一维垂直均匀土柱入渗试验。试验于2019年7月在河北工程大学实验室进行。供试土壤为壤土，自然风干过2 mm 土筛，按照土壤初始含水率2%进行配土。沃特多功能保水剂，具有吸水性好，凝胶强度高等特性。

1.2 试验设计

试验主要由土柱和马氏瓶（供水系统）组成。土柱采用内径为5 cm、高20 cm 的透明有机玻璃管，其内部按照土壤容重1.25 g/cm3，每层均匀填装50 g 风干土。土柱每层高为2cm且中间有一个取土孔。试验采取马氏瓶供水，其供水水位控制在4cm。试验装置见图1。

试验以入渗35 min结束，马氏瓶停止供水。试验设置4个处理，分别为对照组CK（不施保水剂）和处理组0.1%（W0.1%，S0.1%）、0.3%（W0.3%，S0.3%）、0.5%（W0.5%，S0.5%）[4]，每个处理重复3次。保水剂为均匀层施，层施深度分别在5 cm 和10 cm。其中0.1%、0.3%、0.5%表示保水剂的施用量。W代表层施深度5 cm处的处理组，S代表层施深度10 cm处的处理组。

1.3 测定项目及方法

图1 试验装置Fig.1 Test apparatus

入渗开始后，用秒表计时，分别于1、3、 5、10、15、20、25、30 和35 min时记录马氏瓶水位读数，同时观察湿润锋入渗距离随时间的变化。入渗结束后从土层表面向下用小勺取土，取土位置分别是0～2，2～4，4～6，6～8，8～10，10～12，12～14，14～16 cm，用烘干法测定土壤质量含水量。

对照组CK 和处理组分别在层施保水剂相邻位置，即土层深度为3、7和9、11 cm，插入T5微型水势传感器，用于测量土壤水吸力。T5微型水势传感器采用美国METER 品牌，其原理是土壤水势通过陶瓷杯传递到传感器内部，造成传感器内水压变化，位于传感器内的压力传感器以模拟信号输出压力变化情况，得到相应的水势[12]。

1.4 数据的处理与分析

图中所用的数据均是重复3次的平均值，采用Excel 和SPSS软件分别进行作图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 保水剂对湿润锋运移的影响

图2分别为保水剂在层施深度5 cm、10 cm 处，湿润锋运移距离随时间的变化关系图。由图可知，湿润锋运移距离随随着时间的延长而增大。在同一层施深度下，保水剂施用量的越大，湿润锋运移距离越小。在不同层施深度下，湿润锋运移距离随时间的变化趋势大致相同[6]。

由表1可知，在保水剂层施深度5 cm、10 cm 处，分别是在5和15 min之后各处理之间出现差异，并随着时间的延长各处理差异性越明显。这主要是由于各处理之间因保水剂施用量的不同，保水剂吸水膨胀后对水分入渗形成阻滞作用有强有弱，即保水剂施用量越大，阻滞作用越强，阻碍土壤水分向下运移越明显。层施保水剂分布集中，保水剂遇水后快速吸收水分，入渗量小于保水剂吸水速率，水分下渗相对缓慢，导致水分到达保水剂层施深度时，湿润锋移动出现滞缓现象[4]。

图2 在保水剂不同位置和施用量下湿润锋运移距离随时间的变化关系图Fig.2 The diagram of the migration distance of wetting front with time under different locations and application amounts of super absorbent polymers

表1 不同层施深度和时刻下保水剂含量对湿润锋运移的统计分析Tab.1 Statistical analysis of the migration of wetting front with super absorbent polymers content at different depth and time

2.2 保水剂对累积入渗量影响

图3分别为保水剂在层施深度5 cm、10 cm 处，累积入渗量随时间的变化关系图。由图3可知，累积入渗量与湿润锋运移距离随入渗时间的变化趋势一致，均是随着入渗时间的延长逐渐增大。不同保水剂施用量下，累积入渗量均小于对照组。相同层施深度下，随着保水剂含量的变化，累积入渗量变化小于湿润锋运移的变化。累积入渗量随着保水剂含量的增大而逐渐减小[7]。

由表1和表2对比可知，在不同层施深度和时刻下，保水剂施用量对累积入渗量的影响小于湿润锋运移。在相同层施深度下，累积入渗量随着入渗时间的延长差异性不大。这是因为保水剂吸水膨胀体积增大，改变了土壤的微结构，使得土壤的孔隙度减小，阻碍水分向下运移[8]。

2.3 保水剂对含水量影响

图4分别是保水剂在层施深度5 和10 cm 处土壤含水量随时间的变化关系。由图4可知，保水剂影响着土壤含水量分布，总体而言，各处理土壤含水量随着土层深度的增加而逐渐减小W0.5%>W0.3%>W0.1%>CK。5 cm 处层施，处理组中0～5 cm 土层深度内的土壤含水量比对照中相应层位的显著增加。当土层深度在7～15 cm时，土壤含水量表现为CK>W0.1%>W0.3%>W0.5%；根据土壤含水量在剖面分布可划分为0～3 cm 和3～15 cm 两段，在0～3 cm，处理组土壤含水量随着保水剂含量的增加而逐渐增大，3～15 cm 土壤含水量逐渐的减小。10 cm 处层施，在不同保水剂施用量下，各处理土壤含水量变化趋势一致，随着土层深度的增大而减小；在0～10 cm 土层深度范围内，处理组的土壤含水量比对照组大，即S0.5%>S0.3%>S0.1%>CK；10～15 cm，二者相比，对照组较大，即CK>S0.1%>S0.3%>S0.5%。保水剂能够增加土壤上层土壤的含水量，随着保水剂含量的增大，效果越明显，这主要是由于保水剂能够吸收水分，有效抑制水分的蒸发，改善土壤结构，使水分入渗通道减少，阻碍水分向下入渗，使大量水分在保水剂上层停留[9]。

表2 不同层施深度和时刻下保水剂含量对累积入渗量的统计分析Tab.2 Statistical analysis of cumulative infiltration with super absorbent polymers content at different depth and time

图3 在保水剂不同位置和施用量下累积入渗量随时间的变化关系图Fig.3 The diagram of cumulative infiltration with time under different locations and application amounts of super absorbent polymers

图4 在保水剂不同位置和施用量下，含水量随时间的变化关系图Fig.4 Relation diagram of water content changing with time at different locations and application amounts of super absorbent polymerst

2.4 保水剂对土壤水吸力的影响

图5分别是保水剂在层施深度5 cm 和10 cm，土层深度3、7、9、11 cm 土壤水吸力随时间的变化情况。在不同土层深度下，不同保水剂含量的土壤水吸力随时间变化趋势基本是一致的。

由图5可知，在不同层施深度和保水剂含量下，不同土层深度土壤水吸力随着时间速由小到大，再由大到小。不同土层深度下，各处理土壤水吸力达到峰值的时间和峰值大小各不相同。在相同层施深度下，不同土层深度下，保水剂含量对下层土壤水吸力影响较大，即保水剂施用量越大，峰值越大，到达峰值的时间越长。保水剂的存在一定程度上延缓水分入渗，同时保水剂能够吸附水分膨胀，阻碍土层中水分的入渗，导致保水剂上下两层土壤水吸力产生差异。

图5 在保水剂不同位置和施用量下，土壤水吸力随时间的变化关系图Fig.5 The relationship diagram of soil water suction with time under different locations and application amounts of super absorbent polymers

表3 不同处理下土壤水吸力的峰值及峰值所对应的时间Tab.3 Under different treatments,the peak value of soil water suction and the time corresponding to the peak value

由表3可知，层施深度和保水剂施用量对响土壤水吸力都有影响。土层深度越深和保水剂含量越大所对应的土壤水吸力相对较大。保水剂层施深度5 cm时，土层深度3 cm 在保水剂上层，因此在一定时间内保水剂对此处土壤水吸力影响不明显，当T5 逐渐到达平衡，各处理出现了差异性；在土层深度7 cm时，土壤中的水流通过保水剂层，保水剂吸水膨胀体积增大，改变了土壤的微结构，使得土壤的孔隙度减小，阻碍水分向下运移，且随着保水剂含量的增加阻碍作用增强。同时，保水剂自身吸水形成凝胶，也减小了水分入渗的速率保水剂施用量越大，吸胀体积越大，形成凝胶量越多，对水分的阻渗能力也就越强。所以在土层深度7 cm 处的T5（微型张力计）周围土壤水吸力随着保水剂施用量的不同，峰值大小与到达峰值的时间出现差异性。当保水剂层到达一定含水量时，水分向下运移，延长到达峰值的时间和大小，即保水剂含量越大，T5 测量土壤水吸力越大，即峰值越大。这表明保水剂增加了上层土壤的含水量，随着保水剂含量的增加各处理由峰值到达拐点值大小不同，即保水剂上层随着保水剂含量的增加土壤水吸力拐点值越小，保水剂下层与之相反[10−13]。例如：土层深度3 cm处，各处理到达拐点的时间均是2 min，大 小 依次 是230（W0.1%）、210（W0.3%）、198（W0.5%）、234（CK）hPa；土层深度7cm 处，各处到达拐点的时间8（W0.1%）、10（W0.3%）、12（W0.5%）、6（CK）min，大 小 依次 是225（W0.1%）、 252（W0.3%）、 280（W0.55）、220（CK）hPa。

保水剂层施深度10cm时，层施位置相对较深，水分入渗相对缓慢，到达土层深度9 cm时，各处理峰值大小有明显不同，这主要是由于保水剂对土壤中的水分有吸附作用，且随着保水剂含量增加对水分的吸附作用就越强，导致土层深度9 cm 处T5所测土壤水吸力峰值出现差异，同时，影响各处理到达拐点值时间11(S0.1%)、14(S0.3%)、14(S0.5%)、11(CK)min，大小依次是295（S0.1%）、265(S0.3%)、242(S0.5%)、302(CK)hPa。土层深度11 cm 处，保水剂层对土壤水分的阻碍作用有明显的体现。各处理峰值大小和到达峰值时间有较大差异，此处各处理达到拐点的时间依次是22(S0.1%)、27(S0.3%)、34(S0.5%)、15(CK)min，大 小 依次 是420(S0.1%)、458(S0.3%)、543(S0.5%)、400(CK)hPa。

由以上分析可知，不同层施深度和保水剂施用量影响土层深度水吸力的变化。土壤水吸力的变化体现着张力计先释水再吸水变化过程，这个过程同时也反映了土壤水吸力峰值的相对大小以及达到峰值的时刻。保水剂影响土壤水吸力整个变化过程，同时，不同土层深度也会造成土壤水吸力的差异。但，保水剂影响土壤水吸力更明显，由于保水剂对水分具有很强的吸附性，会造成T5 周围水分含量的变化，进而引起土壤水吸力的变化。

保水剂含量越大和层施位置越深，所对应的土壤水吸力越大含水量越小，原因是保水剂层施，分布集中，遇水后快速吸收水分，入渗速率小于保水剂吸收的速率，水分下渗缓慢，此时，水分在保水剂层停留，导致保水剂下层T5 探头得到充分的释水过程，随着保水剂层吸水逐渐趋于饱和，吸水速率小于入渗量，水分会继续下渗，T5 探头从土壤中再吸收水分,水吸力出现骤降。随着入渗的进行，保水剂吸水趋于饱和，吸水速率小于入渗量，但水分会继续下渗。保水剂含量和层施位置造成不同土层深度下土壤水吸力出现先变大后变小的差异[14−16]。

3 结 论

（1）保水剂对土壤入渗性能的影响因保水剂层施深度和施用比例的不同而变化。保水剂对累积入渗量和湿润锋运移都有不同程度的抑制，即随着保水剂含量的增加，累积入渗量和湿润锋运移逐渐减小。保水剂含量对湿润锋运移的影响较大且差异性更为显著。

（2）保水剂能够有效提高土壤含水率。与对照组相比，保水剂主要提高上层土壤含水率，下层土壤含水率偏低。相同层施深度下，保水剂层施量越大，上层土壤含水率越高，下层土壤含水率越低。

（3）保水剂影响层施相邻位置土层土壤水吸力的相对大小。随着保水剂含量越大，上层土壤在T5 释水阶段所测土壤水吸力偏大，在T5 吸水阶段所测土壤水吸力偏小，下层土壤两阶段所测土壤水吸力越大。相同层施深度下，保水剂影响上层土壤水吸力峰值大小，并不影响到达峰值的时间，对于下层土壤水吸力二者皆有应影响且随着保水剂含量的增加，土壤水吸力峰值越大，达到峰值的时间越长。