保水剂主要特性及对土壤和作物影响的研究进展

王荣莲，莫 彦，王富贵，高世华，任志宏

（1.内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古包头014109；2.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京100048；3.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特010051）

0 引 言

SAP是一种具有三维网状结构的高分子聚合物，含大量的羟基与羧基等亲水官能团，遇水时可吸收自身重量的数百至数千倍水（不同SAP 类型差异较大）[1]。SAP 用于农业，遇水吸水后由固体颗粒或粉末状膨胀成凝胶状，缺水时可慢慢释放水分，供作物利用，作物利用量可达其吸水量的80%～95%[2]，故被农业生产者称为“迷你水库”[3]。施用SAP 可降低土壤蒸发，减少水的渗透，抑制土壤含水率下降（持续时间可达15～20 d[1]），故可延长灌水周期，减少灌水量，提高作物抗旱能力和水分利用率，同时可减少肥料和重金属在土壤剖面上的淋溶，减少农药残留，提高土壤微生物活性，增加土壤颗粒团聚性，改良土壤结构，降低作物对土壤盐分的敏感性，提高抗盐碱能力，进而促进作物生长、提高产量并改善品质[4]。试验表明，施用60 kg/hm2SAP 可使燕麦增产30%～70%[5]，对干旱半干旱区及土壤较贫瘠的地区效果更加显著，加之SAP在土壤中的有效期一般可达3～5年之久[6]，经济效益显著，故越来越受到人们的重视。

本文从SAP主要类型、吸水、释水性能及影响因素、SAP对土壤性能的影响、SAP对作物的影响、存在问题及今后研究方向几个方面进行详细分析总结。

1 SAP主要类型、吸水、释水性能及影响因素

按材料构成要素，SAP可分为天然聚合、合成聚合、半合成聚合3种类型，天然聚合SAP主要包括多肽和多糖；合成聚合SAP 通常由石化单体合成，如丙烯酸酯或丙烯酰胺等；半合成SAP 是将天然和合成构建块组合在一起，可根据生产需求对某些特定性能（如吸水性、释水性、降解性及成本等）进行调整[7]。天然聚合SAP 具有显著的降解特性，但吸水倍率（吸收水量/SAP 质量）较低，而合成聚合SAP 的吸水倍率高，吸、释水次数多，成本低，但不易降解，可能会对土壤环境产生不利影响，目前农业生产中使用的大多数SAP 采用半合成方法，兼备了天然和合成材料的优点，通过对某些特定性能的调整来改善其缺点，故综合性能较好[8]。

农业应用中，SAP自身的吸水和释水性是影响其使用效果的两个重要性能。吸水性主要用吸水倍数或吸水倍率进行评价，吸水倍率越高，吸水性越强。SAP 的吸水过程及机理为：遇水后，SAP表面润湿，表面的亲水基团及荷电基团与水分子结合并诱导氢键，通过氢键在交叉连接中将水固定；通过毛细管力包裹水，使水分子进一步进入SAP 内的微孔，在有效渗透压梯度作用下使其溶胀，体积增大；当水的渗透压力与SAP 分子结合力达到平衡时，达到最大吸水能力，体积也最大[9]。释水过程则与之相反。SAP 在受到一定压力下，由于结构内的微孔体积减小，吸水性会下降30%左右[10]，且在去离子水中下降幅度高于在0.9%NaCl 溶液中[11]，可能是因为NaCl 溶液中的离子可改善受损的亲水基团或荷电基团的结构，抑或是渗透压发生了一些有利的改变。

SAP的吸水、释水性与多种因素有关，如SAP结构内交联链的密度、粒径、溶胀介质的电荷数和离子强度、pH 值、浓度、温度及浸泡时间等[9,12]。一般而言，交联链密度越低，吸水能力和溶胀性越高，因为密度低对体积胀大的约束力就低；粒径越小，比表面积越大，吸水膨胀越快，但吸水倍率并不与SAP 粒径成反比，试验得出，4 种粒径（0.25～0.5、0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0 mm）中1.0～2.0 mm SAP 吸水及释水性最大，不同粒径都随吸水次数（自然风干）增加吸水倍率逐步下降，且粒径越小下降程度越大，释水量随失水次数增加呈波浪变化[13,14]。SAP 的吸水性易受溶胀介质中电荷数和离子强度的影响，如聚丙稀酸盐类SAP 的吸水性会受水中Ca2+、Mg2+等的影响而降低[15,16]，因为这些离子会降低SAP 亲水基团的离子浓度差，且会与羧基上的Na+交换形成难电解物，使羧基所带负电荷降低，从而降低SAP 膨胀力和吸水性，一般水中离子浓度越高、价态越高，SAP吸水性越差，阳离子浓度与吸水倍率为幂函数关系[16]。再比如SAP在盐水溶液中，其亲水基团会通过络合作用结合盐离子，导致其三维网络结构被破坏，阻碍水分子的吸收，可通过SAP 半合成聚合过程中增加亲水基团的数量和类型（如淀粉、纤维、壳聚糖衍生物、黏土、蒙脱石、酸改性淀粉等）来提高其耐盐性[9,17]。

2 SAP对土壤性能的影响

重点介绍SAP 对土壤物理性状及水力性能的改变，物理性状主要包括土壤含水量、容重、孔隙度和土壤颗粒团聚性（即黏聚力）、可塑性及压实性等，水力性能主要包括土壤吸水性、持水性、饱和含水率、饱和导水率（反映入渗的指标）、蒸发及渗透性等。较普遍的结论是SAP 可使土壤含水量、总孔隙度、团聚性、可塑性、压实性、吸水性、田间持水量及饱和含水率提高，使饱和导水率、蒸发、渗透及排水能力减弱，容重下降[18-22]。SAP 对土壤性能的影响与多因素有关，如SAP 类型、施用方式、施用量、土壤质地、土壤pH、阳离子含量、土壤初始含水量及其交互作用等，规律较复杂。

SAP 在农业中的施用方式主要有4 种：沟施、穴施、浸种或种子包衣、与土壤混施[23]，其中沟施为将SAP均匀施到作物种植行，并覆土，沟施深度与种子播深相同或比播深大3～5 cm；穴施为将SAP 施到种子埋设位置；浸种是先将SAP 与水制成溶液，再与种子搅拌均匀，待SAP 吸水变成凝胶状，浸泡6～10 h 后种植；种子包衣是用SAP、水及其他辅助材料对种子进行包衣后种植；混施为将SAP 均匀撒施于地表，通过翻耕使其与深0～20 cm左右的土壤混合均匀。

2.1 SAP对土壤物理性状的影响

土壤物理性状中的土壤含水量（W）是对作物生长很直接很重要的一个指标。施用SAP 可显著抑制施用层以上的W下降，起到抗旱作用，持续时间可达15～20 d 不等[1]，而施用层以下的W会较不施用的明显下降，施用量越大，这种差异越显著[14,24]（采用的是室内土柱试验，SAP 层施用量0.1%～0.5%）。结合本人的试验情况进行分析，这种情况只针对降雨或地面灌溉方式，因为水分是由上向下运移，经过SAP 施用层时，由于大量水被SAP 吸收且SAP 吸胀后减小了土壤孔隙，在施用层出现截流现象，或形成了类似隔水膜，就使得施用层以上的W上升，而施用层以下的W下降，此现象说明SAP的施用深度很关键，若是为了促进作物出苗，则施到种子略向下的位置较合适，若是为了促进作物生育期生长，则施到作物主根系略向下的位置较合适。此外，若采用地下滴灌方式，滴灌管的埋深一般为30～40 cm，如果SAP 施用深小于滴灌管的埋深，灌溉水分在毛细管吸力作用下由下而上运移时，遇到SAP 施用层水分易被截流，可能会出现施用层以上的W较不施的下降而施用层以下的W升高的现象。目前，针对地下滴灌系统施用SAP 的研究及应用较少，相关成果还未见报道，今后需加强这方面的研究。

不同施用方式对W的影响不同。试验显示，大田中采用沟施、穴施及混施，施用量45 kg/hm2，施用深0～20 cm，都显著提高0～40 cm 深的W[25]，提高范围为7. 5%～12. 7%[26]，沟施效果好于混施和穴施，分析其原因，由于混施SAP 分布在浅层土壤内，吸水后由于膨胀、收缩易形成与大气连通的土壤孔隙，造成土壤水分散失，此外混施会导致地面结皮，降低雨水入渗[27,28]；穴施的SAP 较集中，与土壤接触范围较小，吸水量也相对较小，有时会因为过分集中产生较大的膨胀力形成与大气连通的土壤孔隙，进而增大了蒸发量；而沟施亦会形成类似的孔隙，但由于SAP 上面有覆土，孔隙一般不易与大气连通，水分散失较慢。施用SAP 提高0～40 cm 深W的结论与上段施用层以下W会下降的结论相矛盾，分析原因，可能是因为前者为大田试验，SAP 施用量45 kg/hm2，采用沟施、穴施及混施，而后者为室内土柱试验，SAP 为层施，即一层内均匀撒施，用量为0.1%～0.5%，二者试验条件相差较大，因而不具有可比性。

SAP对土壤物理性状的影响与土壤质地有关。随SAP用量增加，砂土的团聚体增大最明显，中壤及重壤土本身团聚性较好，SAP 对其影响不明显[29]。增大土壤团聚体的机理在于SAP吸水后成为凝胶状，可将松散的土壤颗粒粘连成团状。在0.01～1.5 MPa 土壤水势内，重壤土和砂土较中壤及轻壤土的W明显增大[29]。总体而言，SAP 在砂壤土中效果好于粘壤土，原因是黏粒及有机质含量越高的土壤中，离子的置换影响越明显，对SAP吸水的抑制作用越强烈[30-33]。

SAP 对土壤物理性状的影响与土壤初始含水量（W初）关系密切，因为SAP 是保水剂而不是造水剂，只有遇到一定量的水才能发挥作用[34]。试验得出，在干旱期SAP对W无显著影响，在雨季主要影响0～50 cm 深的W，较对照CK 提高5.24%～6. 38%；雨季末0～50 cm 的W提高5. 91%～16.70%；翌年春天提高7.62%～13.96%，故应在降雨前或土壤有一定水分时施用SAP效果较佳[35]。由此可知，施用SAP后，采用适宜的灌水定额至关重要，既要尽量减少灌水量，还要充分发挥好SAP的保水性，达到节水增产的作用。

2.2 SAP对土壤水力性能的影响

当SAP 施入土壤，吸水倍率较自由吸水倍率下降14.4%～90.2%[9]，原因是吸水初期SAP 体积膨胀受土壤限制，随后受土壤溶液中离子交换的影响，使吸水倍率下降。SAP与土壤混合，不仅降低自身的释水速度，而且降低土壤的释水速度，即土壤-SAP 混合物干燥的速度比纯SAP 干燥的速度慢得多，原因是SAP 吸水后，降低了土壤颗粒与空隙间驱动蒸发的水力梯度，减缓了土壤颗粒水分的扩散速度[31]，这对农业生产是有利的，可延长灌水周期。

SAP 在土壤中随时间变化，对土壤水分扩散的影响不同，在试验初期，SAP 对土壤水扩散影响显著，0～10 d 内，不饱和扩散率平均下降30.6%～76.6%；60～120 d 内，不饱和扩散率平均下降1.2%～26.1%；再延长时间，SAP 的吸水率下降，阻碍土壤水运动的影响逐渐减弱；而对照CK 的不饱和扩散率在整个过程几乎没有变化[15]，说明SAP可降低土壤的不饱和扩散率，且作用功效随时间逐渐减弱[36]。由前可知，这方面的研究需细化土壤内不同的位置及水的流向，在SAP 施用层上和下、水源由上到下及由下到上可能会出现不同的结论。

SAP在土壤内随土壤水分的变化一般都具有吸水—释水—干燥—再吸水过程，可以反复吸收和释放水分，以减少深层渗漏，随着土壤干燥及作物根系水势的变化，逐渐向作物释放水分，但经过多次反复后吸水倍率会下降10%～70%或完全失去吸水性[37,38]，这是由于SAP 的亲水基团及荷电基团被微生物分解或与土壤溶液中的高电荷离子相互作用导致。该结论与前面SAP 在土壤中的有效期一般可达3～5 a 之久不甚统一，对不同SAP 类型、不同土壤及周围环境等结论有所不同。SAP 对水的周期性吸收和释放使得土壤水力性能也产生时变，改变了土壤水分运动模式，使其规律变得复杂多变，这方面的研究还有待加强。

SAP 对土壤水力性能的影响与土壤质地和pH 有关。较普遍认可的结论[31-33]是施用SAP 后，砂土在增大持水性、降低水分蒸发及渗透性等方面的效果显著优于壤土、中壤及重壤土，其原因与SAP对土壤物理性质的影响类似。SAP的吸水性在中性土中最优，在酸性和碱性土中都不同程度下降[39]。反之，SAP 也可增大或减小土壤pH，可使砂质黏土、壤土的pH 从6.04 降到5.7 左右。以质量浓度0.05%施用SAP 最初增加了土壤pH，但在12d 后pH 相对CK 降低。此影响与SAP 类型（不同的化学成分）、施用时长和土壤缓冲能力有关[40]。

SAP 对土壤水力性能的影响与施用方法有关。试验得出：混施和沟施水分入渗速率都较对照CK显著降低，最大降幅混施可达45.2%、沟施11%，且入渗速率随SAP 用量增大降幅也增大，土壤水分深层渗漏随之减小，从这方面而言混施优于沟施；施用SAP 的土壤蒸发较CK 减小15.38%～50.43%，其中混施比沟施小6%～25%，混施90 kg/hm2的最小[41]。分析上述原因，混施可使SAP 均匀分布于土壤内，在整个面内都起作用，可充分吸水，抑制水分深层渗漏和蒸发，而沟施SAP较集中，是在线上分布，很多渗漏和蒸发通道未被干预。

到目前，关于SAP 对土壤水力性能的影响已开展了大量研究，但由于测试条件（如温度、湿度和测试持续时间等）各不相同，缺乏统一标准来衡量；SAP对土壤水力性能的动态影响规律尚不完全清晰；目前多数研究是基于SAP 施用层，对于施用层与非施用层之间的土壤水力联系、水分入渗与蒸发间的相互联系等研究较少，今后需着重研究。

3 SAP对作物的影响

3.1 SAP对作物出苗的影响

目前，围绕SAP 对作物出苗影响的研究方法主要分为盆栽试验和大田试验两种，学者们普遍认为只有在适宜的土壤初始水分条件下，采用正确的施用方法和适宜的施用量，SAP才能改善作物出苗情况。多项研究表明，作物出苗率随SAP的施用量增加先提高后降低，当用量超过一定值时，反而会抑制作物出苗。浸种和沟施效果优于混施，不同施用方式得出不同的结果，都体现在种子周围SAP 量的差异引起的土壤含水量不同[42,43]。

在大田壤砂土中开展胡萝卜出苗试验，SAP采用浸种，用量为3～15 kg/hm2时，出苗率较CK 提高29.5%～73.3%；采用沟施，SAP 用量为30 kg/hm2时，出苗率较CK 提高77.8%；当SAP 用量为75 kg/hm2时，出苗率较CK 提高32.2%，提高幅度明显降低；当SAP 用量增大到105 kg/hm2时，出苗率较CK 下降10%；采用混施，当SAP 用量为15～45 kg/hm2时，出苗率较CK 增加4.6%～7.0%，故在适宜用量下，采用浸种和沟施对出苗率的提升效果最佳[44]。当SAP用量过大，吸水膨胀后形成的凝胶层过厚，会造成种子周围液相增加、气相减小，土壤透气性下降，阻碍种子呼吸；另一方面，当SAP 上的覆土厚较小时，SAP体积胀大会造成土体开裂，促进水分蒸发，使土壤含水量下降从而降低出苗率。

SAP 对作物出苗的影响与土壤含水率（W）关系密切，当土壤内水分过多或过少效果都可能不理想，水分过多时，不加SAP 也可保证作物出苗，加了反而会被SAP 吸持掉一部分水，影响出苗；当土壤水分过少时，SAP吸不到水也就释放不出水。对于高羊茅作物，当W=40%FC（FC为田间持水量）时，施用SAP的出苗率为90%，较CK提高35%；当W=55%FC时，施用SAP 的出苗率为75%，较CK 提高5%[19]。对于玉米，当不灌出苗水，W＜30%FC 时，无论是否施用SAP，玉米的出苗率都为0；当W=40%FC，CK 的出苗率为41.7%，而施加SAP 的处理不出苗；当W=50%FC，CK 的出苗率为100%，SAP 处理为58.3%，说明当W低于或接近50%FC时，存在SAP同种子争水的现象，影响作物出苗[45]。

综上，采用SAP 提高作物出苗率的做法并不完全可靠，主要决定于SAP 给种子提供水分的多少。故施用SAP 后，灌溉水量（或在一定的降雨条件下）一定要把握好才能有效促进作物出苗。对于不同作物，如何施用SAP 及W保持多少才能确保提高出苗率并没有非常明确的结论，这方面文献也相对较少，还需进一步研究。

3.2 SAP的增产效应与机理

SAP对作物出苗率的影响结论差距较大，但对整个生育期而言，对作物生长及产量的影响基本都是正效应，在检索论文中，只有一篇提出施用SAP 对作物生长出现负效应，原因是SAP 内丙烯酸和Na+浓度较高，改变了根系形态，抑制了玉米生长[46]。分析其原因，可能是在错综复杂、不断变化的土壤和自然环境下，SAP对作物生长的正效应累积大于阶段性的负效应，而对出苗率的影响是在短期内完成，故阶段性负效应就可产生较明显的反作用。

SAP对作物产量影响的试验主要包括大田、温室盆栽及室内土柱试验，大田试验的施用量一般为3～225 kg/hm2，温室盆栽和室内土柱试验施用量一般按SAP 用量占混合土壤的质量百分比（BM）来计算，常用的范围为BM0.05%～2%[47]。

在水分胁迫条件下，SAP对作物产量提高的效应比水分充足时更加明显[48]，故施用SAP 对干旱半干旱区的抗旱至关重要。在沙壤土中施入30 kg/hm2SAP，玉米生物量在水分亏缺下增加99%，在适量灌溉下增加39%，在充分灌溉下仅增加11%[49]。在沙壤土中施入75、150、225 kg/hm2SAP，只有在水分亏缺时[40%～80%ETc（作物需水量）]，高粱干物质产量（DM）较CK 增加19%～39%；在40%、60%和80%ETc处理中，DM 与SAP 用量的关系依次为线性增大、递增的二次函数、先增大后减小的二次函数[50]，也充分说明水分充足时SAP用量增大增产效应逐渐降低。

同样，在低肥力情况下，SAP对作物产量提高的效应比高肥力时更加明显，故对贫瘠土壤施用SAP 效益更加显著[5]。SAP可防止肥料随水发生深层渗漏而流失，研究发现，施SAP处理与单施N 肥相比，土柱中的N 淋失减少45%，植物中的N累积增加50%，生物量增加40%[51]。分析其机理，当土壤中的SAP和肥料遇水后，可形成水合聚合物，大量营养物在SAP膨胀时进入其结构内部，然后缓慢释放，有助于减少肥料损失，最终提高产量。

综上所述，施用SAP 可有效提高作物的水、肥利用率，促进作物生长，提高产量，但选择适宜的施用量、水分和肥力条件很关键，这方面还需不断加强研究。

4 存在问题及今后研究方向

SAP在农业中的主要研究成果规律较复杂，与多种因素有关，且各因素间存在交互作用，虽然国内外做了大量研究，但仍存在一些不足，今后还需不断加强研究。

（1）SAP的吸水性、释水性与其类型、粒径等存在较复杂的关系，还需进一步研究其规律，揭示内部机理。

（2）关于SAP 保水能力及对土壤物理性能和水力性能等影响的测试条件，如温度、湿度和测试持续时间等各不相同，缺乏统一标准来衡量。

（3）SAP对水的周期性吸收和释放使得土壤水力性能产生时变，改变了土壤水分运动模式，使其动态变化规律复杂多变，这方面的研究还有待加强。

（4）针对地下滴灌系统及其他水流自下而上的情况下施用SAP 的研究及应用较少，对不同位置土壤水分的变化规律尚不清晰，需开展研究。

（5）目前多数研究是基于SAP 施用层，对于施用层与非施用层之间的土壤水力联系、水分入渗与蒸发间的相互联系等研究较少。

（6）大多学者对SAP 室内模拟试验的施用浓度与目前大田实际用量差异较大，试验结论难以指导实践。因此，按照田间SAP施用量进一步开展大规模田间试验研究很有必要。

（7）目前SAP 对作物出苗方面的结论存在较大差异，针对不同地区、土壤、作物及SAP类型等，如何确定最佳的SAP施用方式、施用量及灌溉量，由SAP 对出苗的影响进而延续到对作物生长和产量的影响效应等还需进一步系统研究，寻找规律，以指导生产实践。