海绵型保水材料对土壤水力特性的影响

胡雅张瑞庆

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；5.自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710075)

引言

秦巴山区降水均匀，夏季短时暴雨造成水力侵蚀、良田破坏、土壤肥力减退，而降水少时，连续干旱造成土壤失水严重，农作物枯萎，影响农业生产。商洛地区土壤为砂壤质地，粘粒含量较低，土壤保水保肥性能差。土地整治过程对土体进行改良，添加保水材料能够增加土壤的保水能力，在一定程度上减轻干旱及暴雨对耕地的负面影响[1]。

随着干旱农业研究的不断深入，保水材料近年来受到学者的广泛重视[2]。目前应用较为普遍的保水材料为高吸水性聚合物，保水剂(SAP)是一种人工合成的高分子化合物，可以吸持85%以上植物可以利用的有效水，吸持水量是自身质量数百倍[3]。保水剂吸水后的水凝胶通过缓慢释放水分供作物利用，起到蓄水保墒作用[4]。有学者研究表明，土壤中添加保水剂除了可减少土壤水分和养分流失，还能调节土壤水肥[5]。超吸水纤维(SAF)是一种新型功能材料，通过化学吸收原理吸收液体，吸水溶胀形成内聚力的凝胶，是一种功能纤维，当凝胶纤维失水干燥，即可恢复原来的形态，仍具有吸水能力，可循环利用[6]。与传统吸水材料如脱脂棉、纤维素纤维等相比，超吸水纤维吸水速度快，且无毒无害。保水剂(SAP)与超吸水纤维(SAF)均有“吸水—释水—吸水”可循环利用的作用，因此本研究称之为“海绵型”保水材料。

饱和水流能够代表土壤介质中饱和水分运动的最大能力，土壤饱和导水率反映土壤的渗漏特性，是研究土壤中水分运动的重要水力参数[7-9]。土壤水分特征曲线用来评价土壤的持水特性和孔隙分布状况，受土壤结构、质地、容重等诸多因素影响[10-12]。目前，结合土壤饱和导水率和水分变化特征研究不同保水材料的水分调控和蓄水能力的报道较少。因此，本研究对2种“海绵型”保水材料施用后的土壤饱和水电导率和土壤水分特征曲线进行了测试分析，研究了“海绵型”保水材料对土壤的保水作用，研究结果可为生态用地保水材料的选择提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

商州区位于E109°56′26″～109°57′28″，N34°02′31″～34°03′44″，属暖温带半湿润季风气候。最热月平均气温24.9℃，最冷月平均气温0.1℃，≥0℃积温4731.5℃，无霜期208d。受地理位置、地形、气候等条件的影响，降水时空分布不均，多年平均降雨量740mm。年日照时数1973h，光热条件好。主要气象灾害有干旱、暴雨、霜冻和冰雹。土壤类型主要以褐土为主，呈淡黄褐色。粘粒含量较低，砂壤质地，上层疏松多孔，下层稍紧实。易耕作，吸热快，散热快，不易积水，供肥性快，但保水保肥性能差。

1.2 试验设计与方法

供试保水材料分别为任丘市辉达化工有限公司生产的农业抗旱保水剂(SAP)，选用南通江潮纤维制品有限公司生产的超吸水纤维(SAF)。实验采用两因素完全随机区组设计，包括不同保水材料(保水剂、超吸水纤维)和施用量(5%、2%)，共设4个处理，每个处理3组重复，以不添加保水材料为对照。试验设计如表1所示。

表1 试验设计表

1.3 饱和导水率和土壤水分特征曲线的测定

1.3.1 饱和导水率

土样在蒸馏水中充分饱和后，采用四点式土壤透水性测定仪在恒定水头法下测定土壤饱和导水率。在相同的时间间隔内测定出水流量，直到几次时间间隔所测得出水流量不变作为测定终点。土壤饱和导水率测定后将环刀土样烘干以测土壤容重[8]。饱和导水率计算公式:

式中，Kt为温度t时的饱和导水率，mm·min-1；V为渗透速度，mm·min-1；h为水层厚度，cm；L为土层厚度，cm。

1.3.2 土壤水分特征曲线

根据农田土壤实际体积质量，将供试土壤按1.45g·cm-3的体积质量分层压实、刮毛后装入体积为100cm3的环刀内。回填土壤样本浸泡在去自来水中24h，浸水时保持水面与环刀上口平齐，勿使水淹到环刀上口的土面，每个处理4个重复。

用CR21G型号离心机测定土壤水分特征曲线，测定时温度恒定20℃。设置离心机稳定转速分别在10min、12min、16.6min、21.3min、26.2min、41.5min、48.5min、53.2min、58.2min、67.8min、73.4min、80.5min、90.1min、91.2min达到平衡，对应加压分别为0.01kPa、0.03kPa、0.05kPa、0.07kPa、0.1kPa、0.3kPa、0.5kPa、0.7kPa、1kPa、2kPa、3kPa、5kPa、7kPa、10kPa、12kPa，平衡后平衡后取出环刀称质量，并用游标卡尺测量土体沉降量，试验完成后在105℃下恒温干燥至质量不变并用千分之一天平称质量，采用RETC软件，选择van Genuchten模型进行模拟，并用Excel绘制土壤水分特征曲线。van Genuchten 模型(简称VG模型)拟合水分特征曲线。

2 结果与分析

2.1 不同保水材料对土壤容重的影响

添加保水材料后土壤容重表现为CK>5%SAP>10%SAP>5%SAF>10%SAF，见表2，添加保水剂各添加量的土壤容重(1.28g·cm-3、1.25g·cm-3)均高于添加超吸水纤维(1.21g·cm-3、1.17g·cm-3)，平均高出5.7%～6.8%，且无添加处理(1.3g·cm-3)容重最大。随着保水材料用量的增加，土壤容重呈现逐渐减小的趋势，添加5%SAP处理较10%SAP处理容重高2.3%，5%SAF处理较10%SAF处理容重高3.3%。添加超吸水纤维的土壤容重比较低主要是因为超吸水纤维的物理结构是纤维状，空间结构大，相同体积的土壤和超吸水纤维相比，土壤质量更大。

表2 不同保水材料对土壤容重的影响

2.2 不同保水材料对土壤饱和导水率的影响

土壤饱和导水率作为研究土壤水分运移工作的重要参数之一，是反映农田土壤渗透性能的指标，直接影响作物的生长发育。试验结果对重复取平均值。

表3 不同保水材料对土壤饱和导水率的影响

添加不同保水材料后的土壤饱和导水率存在明显差异，由表3可以看出，添加5%SAF处理饱和导水率最大(30.58mm·h-1)，添加10%SAF处理饱和导水率最小(0.44mm·h-1)，添加5%SAP与10%SAP处理饱和导水率较CK变化幅度较小。这说明添加5%超吸水纤维是较为合适的保水材料添加量，饱和导水率并不随着保水材料添加量的增加而增加，这是因为当添加超吸水纤维过多时，超吸水纤维吸水膨胀并填充满土壤孔隙，水分通道受阻，导水率降低。5%SAF处理的饱和导水率是10%SAF处理的70倍，5%SAP处理的饱和导水率是10%SAP的处理1.5倍，这也说明不同添加量时添加超吸水纤维对土壤饱和导水率影响更敏感。

2.3 不同保水材料处理下的土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线反映了土壤水吸力与土壤含水量间的关系，通过其可以了解土壤的持水和保水性能。将土壤水吸力划分为低吸力和高吸力2个吸力段，低吸力段吸力水头值<1000S/kPa，高吸力段吸力水头值>1000S/kPa。不同处理下土壤含水率随土壤水吸力表现为在高吸力段曲线变化平缓，土壤含水率变化小；在低吸力段曲线斜率增大，含水率急剧降低，见图1。

图1 不同保水材料处理下的土壤水分特征曲线

添加保水材料后，水分特征曲线均处于对照实验右侧，且同一类型保水材料随添加量的增加，水分特征曲线偏离对照实验越远。不同处理间的土壤水分特征曲线差异明显。当土壤含水量一定时，随保水材料添加量增加其土壤水吸力也同步增大，如土壤含水量为25%时，5%SAF和10%SAF处理的土壤水吸力分别为105.4和273.6，即随着保水材料添加量的增加，土壤持水性明显增加。土壤持水能力依次为10%SAF>5%SAF>10%SAP>5%SAP>CK，说明添加SAF较添加SAP土壤持水性更强，也就是说在土壤中添加超吸水纤维能够有效解决砂壤土保水能力差的问题。

2.4 不同保水材料对土壤水分特征曲线参数的影响

表4 土壤水分特征参数拟合结果

van Genuchten模型能够较好地模拟保水材料含量对土壤水分特征曲线的影响。通过RETC软件进行模拟，得到不同处理的土壤水分特征曲线模型参数。CK处理的滞留含水率(θr)和饱和含水率(θs)均小于其它处理，见表4。a值是水分特征曲线接近饱和时拐点吸力值的倒数，a值越大土壤持水性越差，保水材料的添加使4个处理的a值均低于CK，由此可见，保水剂和超级水纤维的添加明显提高了砂壤土持水性能,增强了其保水性。

3 结论

添加保水材料会降低土壤容重，增大土壤供水能力。添加保水剂比添加超吸水纤维土壤容重平均高出5.7%～6.8%；添加5%SAF处理饱和导水率最大，较无添加处理增大了近6倍。随着保水材料添加比例的增大，饱和导水率呈减小趋势。添加SAF较添加SAP保水率减小幅度更明显；随保水材料添加量增加土壤水吸力也同步增大，添加SAF处理较添加SAP处理土壤持水性更强。