保水剂对红砂岩土壤持水特性的影响

李阳明，涂安国，谢颂华*，郑海金，卢玉东

(1. 长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710054； 2. 江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029； 3. 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

红砂岩土壤约占江西省土地面积的10%，主要分布在海拔30～300 m的低丘陵岗地，存在土壤结构差、蓄水能力弱、有机质含量低、水土流失严重等问题[1].该地区属亚热带季风气候区, 具有降雨丰沛、热量充足, 春秋短、夏冬长的特点.但此地降雨时空分布不均，与蒸发不同步，4—6月降雨量约占全年总降雨量的50%，7—9月蒸发量接近全年的50%.由此，该区常出现严重伏、秋季节性干旱灾害，从而阻碍农作物生长，甚至引起成灾绝收现象.因此，提高红砂岩土壤的水土保持能力，是促进旱地农业可持续发展的重要举措.

保水剂是近年来迅猛发展的一种新型高分子材料[2]，具有反复吸收和释放水分的功能，可增强土壤保水性[3-5]，减少土壤水分和养分流失，在增加农业产量[6]、缓解农田干旱缺水现状、提高土壤保水保肥能力等方面发挥重要作用.研究发现，保水剂在一定浓度范围内，具有降低土壤密度、提高土壤孔隙度的功效[7].在保水剂对入渗性能的影响方面，学者们的观点不完全一致，有的发现施用保水剂能够增加入渗率，减少土壤侵蚀[8]；有的则发现保水剂对土壤入渗的影响具有范围性[9].还有的发现，保水剂可使垂直入渗率在各时间点有不同程度减小，累积入渗量增加了42%左右，渗吸持续时间增长了134%～390%，渗透系数减小了65%～85%，且这4种变化具有随保水剂用量增加而加剧的趋势[10].因为保水剂保水、改善土壤结构的功效，随着施用量的增加，其抑制土壤水分蒸发速率的能力也越强[11]；同时保水剂可以提高土壤水分的利用率，当土壤水分亏缺时，保水剂吸收的水能释放补充土壤水分[12]，增强保水抗旱效益.然而已有研究结果也表明，在不同地区、不同土质的土壤中施用保水剂均出现不同的反应.

因此，文中针对南方红壤区季节性干旱的气候特点，开展在主要土壤类型为由红砂岩发育形成的红壤的柑橘果树种植园内施用保水剂，以应对土壤抗旱问题的应用性研究，通过控制保水剂施用量，进行土柱入渗试验、土壤水分蒸发试验和土壤水分特征曲线测定，以探究保水剂对红砂岩土壤持水特性的影响及最优施用量，旨在为南方丘陵季节性干旱区保水剂科学施用、提高水资源利用及农业可持续发展等提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用的红砂岩土壤取自江西省宁都县石上镇一旱坡地(116°4′19″E,26°37′2″N).采集0～40 cm土层的土壤，取样后将其充分混合，自然风干，去除杂质，过2 mm筛后制成样品备用.通过比重计法对供试土壤进行颗粒分析，其砂粒含量90.22%、粉粒含量7.93%、黏粒含量1.85%，按照国际制土壤质地分类标准，土壤定名为壤质砂土.保水剂为东营华业新材料有限公司生产的沃特多功能保水剂，颗粒大小2.36 mm左右，主要成分为丙烯酰胺+丙烯酸+氢氧化钾+凹凸棒，可反复吸放水.经试验测定，沃特多功能保水剂在去离子水中的吸水倍率约为220倍，在0.9%生理盐水中的吸水倍率约为90倍.

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

土柱入渗试验装置由土柱装置和供水装置2个部分组成，如图1所示.土柱装置分为上下2个部分，材质均为有机玻璃，上部为土柱，下部是集水装置.有机玻璃管土柱底部用0.074 mm滤布封底口，并在滤布上垫少量砂子(约2 cm厚)，便于土柱通气排水.供水装置包括马氏瓶、电子天平(精度0.01 g)和升降平台.试验通过调节升降平台的高度保证水头供水，土柱外侧贴有刻度尺，方便观测并记录湿润锋进尺深度.利用电子天平读取马氏瓶内剩余水量.

图1 试验装置简图

1.2.2 土柱入渗试验

试验设计保水剂占干土质量分数δ分别为0，0.25‰，0.50‰，1.00‰和2.00‰，共5个处理，分别记为CK，T1，T2，T3和T4.将保水剂按设定比例与红砂岩土壤混合均匀后，根据野外田间测定的土壤容重，装填土壤容重设定为1.4 g/cm3，总装填深度为25 cm，整个试验重复3次.

入渗试验利用马氏瓶供水并保持土柱表面2.0 cm的液面深度.湿润锋进度和马氏瓶内水量消耗(入渗量)将按试验设计时间间隔记录，0～1 min每0.5 min记录1次，1～6 min每1 min记录1次，6 min以后每2 min记录1次.

入渗试验结束后，对每个土柱逐渐加入1 000 mL水，以保证土壤处于饱和状态.之后每日上午利用时域反射仪(TDR)测定记录土壤含水量，首次测量前将进行TDR校准，每个土柱重复测量3次，最后取平均值，试验连续35 d.

1.2.3 土壤水分特征曲线的测定及曲线拟合

将5个处理的土样按1.4 g/cm3的容重装填后充分吸水24 h，测定其土壤水分特征曲线，每个处理设2个重复.土壤水分特征曲线所采用的仪器是美国Soil Moisture公司生产的1.5 MPa压力膜仪.仪器设定9个压力，分别为0.01，0.03，0.05，0.07，0.10，0.15，0.30，0.50，1.00和1.50 MPa.

采用Van Genuchten(VG)模型，通过非线性最小二乘法并借助RETC软件求解拟合模型的各参数.

1.3 数据处理

所有试验数据均采用Excel 2016和SPSS 20.0软件进行统计分析，Origin 2016软件作图.

2 结果与分析

2.1 保水剂对土壤水分特征曲线的影响

土壤水分特征曲线反映了土壤中含水量(质量或者体积含水量)与土壤水吸力之间的关系.图2为不同保水剂施用量处理土壤水分特征曲线，图中ω为质量含水量、h为土壤水吸力(水柱高度).由图可知，保水剂没有明显改变红砂岩持水的基本特征，即与未施用保水剂的土壤一样(CK)，土壤均大约在水吸力196.13 kPa(2 000 cm水柱)范围内仍然保持着一个明显的快速失水区域.根据张斌等[13]研究得出红壤土壤水分的有效库容量为30 kPa(水柱305 cm)～1 500 kPa(水柱153 000 cm)的土壤贮水量，这表明在土壤中施用保水剂不会对作物根系吸水造成影响.

图2 不同保水剂施用量处理土壤水分特征曲线

土壤水分含量随着土壤水吸力增大而减小.杨浩等[14]将800 kPa作为土壤水吸力低吸力阶段(水柱0～8 160 cm)和高吸力阶段(水柱8 160～15 300 cm)的分水岭.低吸力阶段，土壤重力水从大孔隙流失，脱水过程迅速，土壤持水能力较弱，土壤含水量随吸力增大而下降明显，土壤水分特征曲线表现为“陡直状”；高吸力阶段，受到土壤颗粒表面分子吸附力的作用，脱水过程缓慢，土壤持水能力较强，含水量随吸力增大而变化不明显，土壤水分特征曲线表现为“平缓状”.这说明土壤水分消耗处于低吸力阶段时，通过增加保水剂施用量以提高土壤水分含量效果显著；而高吸力阶段，通过增加保水剂施用量以提高土壤水分含量的意义不大.

邢旭光等[15]对多个模型开展适应性研究，得出VG模型对于不同土壤质地的土壤水分特征曲线，具有模拟精度高、普适性强和拟合效果好的特点.表1为VG模型的拟合参数值，表中物理量分别为残余含水量θr(体积)，饱和含水量θs(体积)，进气值相关参数α，开关系数n，确定性系数R2，标准差σ.由表可以看出，添加保水剂的红砂岩土壤水分特征曲线VG模型确定性系数(R2)均大于0.996，标准差均小于0.000 2，且拟合曲线与实测值基本重合.表明VG模型对不同保水剂施用量的红砂岩土壤水分特征曲线拟合效果好、精度高.

表1 VG模型的拟合参数值

由表1还可知，随保水剂施用量增加，除θs呈现出增大的趋势外，其余θr，α和n总体上呈先增大后减小的规律.θs升高的原因在于土体内部的保水剂吸水后形成的水凝胶体积膨胀，挤压周围土体，提高了土壤内部的孔隙度，使得土壤中重力水含量增加.

综上可知，保水剂主要增强低吸力阶段的红砂岩土壤水分含量.因此保水剂对红砂岩土壤的持水作用在于改善土壤大孔隙持水能力，即增加重力水，而不是增强土壤颗粒表面分子吸附力.

2.2 保水剂对土壤入渗的影响2.2.1 保水剂对累积入渗量的影响

图3为不同保水剂施用量条件下红砂岩土壤的入渗过程，图中物理量：累积入渗量Q，入渗率μ，湿润锋运移距离H，入渗时间t.分析图3a可得，累积入渗量与入渗时间呈良好的幂函数关系(P<0.01).相同入渗时间内，不施用保水剂(CK)的红砂岩土壤的累积入渗量最大，且随着施用量增加，累积入渗量持续减少.例如入渗至30 min时，处理CK，T1，T2，T3，T4的累积入渗量分别为6.72，6.35，5.83，6.29，5.28 cm；相对于CK，经保水剂处理的T1，T2，T3，T4累积入渗量分别减少5.4%，13.2%，6.3%和21.4%.这说明保水剂处理降低了水分入渗量，抑制了红砂岩土壤的入渗性能.

图3 不同保水剂施用下的入渗过程

2.2.2 保水剂对土壤入渗率的影响

由图3b可知，整个入渗过程中，各处理的土壤入渗率随时间的变化趋势基本一致，入渗率与入渗时间呈负相关关系.根据入渗率随入渗时间的变化关系，可将入渗过程分成初渗阶段和稳渗阶段.初渗阶段入渗率较大，在0～7 min急剧减小；后随入渗时间推移，进入稳渗阶段，该阶段土壤入渗率减小趋势愈来愈小并逐渐趋于稳定.保水剂是一种高分子聚合物，吸水后发生膨胀，初渗阶段土壤入渗率主要受到土壤内部结构影响，而稳渗阶段则受到土壤中溶解离子的影响增大，使得保水剂吸水倍率降低，导致土壤入渗率减少并逐渐趋于平缓.

初渗阶段0～7 min，处理CK的平均入渗率最大，为109.1 cm/min，而受到抑制程度最大的是处理T4，其平均入渗率为76.8 cm/min，抑制程度达到了29.6%；稳渗阶段各处理平均入渗率基本一致，保水剂对该阶段的平均入渗率影响不大.由此可知，保水剂的施用对土壤水分入渗率的抑制效果主要作用在初渗阶段.试验结果与王昱程等[10]研究所得出的关于土壤添加保水剂后对水分入渗率随时间变化规律及保水剂有着降低水分垂直入渗率的结果一致，但与于健等[8]的研究结果不一致，其研究显示施用保水剂能够增加入渗率，这可能与试验土质的不同有关.因为其使用的供试土壤为砂壤土，砂粒含量约为60%，而文中的土壤为壤质砂土，砂粒含量接近90%.

2.2.3 保水剂对土壤湿润锋运移的影响

由图3c可知，土体湿润锋运移距离随入渗时间的变化趋势和累积入渗量随入渗时间的变化规律具有一致性，两者均与入渗时间存在正相关关系，随着入渗时间延长，保水剂施用量对湿润锋推移距离的影响不断加大.

同一时刻，入渗湿润锋推移距离与保水剂施用量存在负相关关系，不施用保水剂的对照组CK的湿润锋推进深度最大，随着保水剂施用量增加，湿润锋运移距离越短.当入渗时间处于60 min时，处理CK，T1，T2，T3和T4的湿润锋推进距离分别为25.0，22.8，22.2，21.3，20.7 cm，相对于CK的湿润锋推进距离，处理T1，T2，T3和T4的分别减少8.8%，11.2%，14.8%和17.2%.处理CK，T1，T2，T3和T4的入渗持续时间分别为60，68，72，76，80 min，相对于CK入渗至土柱底部的时间，处理T1，T2，T3和T4分别增加了13.3%，20.0%，26.7%和33.3%.表明保水剂能延缓入渗，延长入渗持续时间.这与费良军等[16]的研究结果一致，土壤内部的保水剂吸水，延缓了湿润锋推移进程，说明红砂岩土壤中保水剂施用量的增加，有助于土壤保水性能的提升.

2.2.4 保水剂施用对土壤蒸发的影响

图4为蒸发过程中土壤水分含量变化，图中θ为体积含水率，td为水分蒸发时间.通过拟合曲线，土壤水分含量变化拟合曲线的斜率分别为-0.627，-0.576，-0.556，-0.532和-0.501，其正值即为土壤水分蒸发速率γ.由此可知，随着保水剂施用量增加，土柱内土壤水分蒸发速率显著减小，通过统计分析，整个过程中处理T1，T2，T3和T4相比CK的土壤水分蒸发速率分别降低了8.1%，11.3%，15.2%和20.1%，其中T4对土壤含水量变化率的降幅最大，可达20.1%.经过35 d自然蒸发后，相对于CK，处理T1，T2，T3和T4的土壤水分含量分别高26.6%，43.6%，35.6%和58.5%.可见，通过保水剂抑制土壤水分蒸散发是提高红砂岩土壤水分利用率和土壤持水抗旱能力的重要途经.这与王露等[17]的研究结果是一致的.

图4 土壤35 d水分含量

2.3 保水剂最佳施用量

以保水剂施用量(即保水剂占干土质量分数δ)、饱和含水量θs和蒸发速率γ为基础计算效益表，见表2，表中Δθs为饱和含水量提升率、λ为蒸发抑制程度.通过绘制散点图，拟合二次函数曲线求其倒数，获得极值，确定最佳保水剂施用量.

表2 保水剂施用量效益表

以表2中保水剂施用量为横坐标，以其土壤饱和含水量提升率为纵坐标，制作散点图，如图5所示，将两者关系进行拟合，得到一元二次函数，经求导后取得极值，保水剂最佳施用量质量分数为0.88‰，最佳饱和含水量提升率为29.75%.同理，以表2中保水剂施用量为横坐标，以其土壤蒸发抑制程度为纵坐标，制作散点图，如图6所示，可知在蒸发方面保水剂最佳施用量质量分数为0.71‰，最佳蒸散发抑制程度为32.65%.

图5 保水剂施用量与饱和含水量提升率的关系

图6 保水剂施用量与蒸散发抑制程度的关系

因此，在仅考虑保水剂施用量、饱和含水量提升率与蒸发抑制程度的前提下，由二次函数法可得，红砂岩土壤最佳保水剂施用量范围为0.50‰～1.00‰，此范围饱和含水量提升率与蒸发抑制程度均能取得极值.今后研究中应加强该浓度区间插值分析.

3 结 论

通过红砂岩土壤的保水剂土柱试验和测定土壤水分特征曲线，对比分析了不同保水剂施用量对红砂岩土壤持水性能的影响，得到以下主要结论：

1) 施用保水剂主要增强低吸力阶段的红砂岩土壤含水量，增加重力水.

2) 保水剂的施用可抑制红砂岩土壤的入渗性能，降低水分垂直入渗率，延长入渗持续时间，从而提升土壤保水性能.

3) 保水剂施用量的增加，能显著降低土壤水分蒸发速率，增强红砂岩土壤的抗旱能力.

4) 红砂岩土壤最佳保水剂施用量范围为0.50‰～1.00‰，此区间内最佳饱和含水量提升率可达29.75%，最佳蒸散发抑制程度可达32.65%.

5) 保水剂能够有效增强红砂岩土壤持水性能，减少土壤水分流失，提高土壤抗旱能力，是促进旱地农业可持续发展的有效措施.