环境友好型保水材料对土壤水分特征的影响及评价

侯美娟，蔚阿龙，丛日春

(中国林业科学研究院生态保护与修复研究所，北京 100091)

中国干旱半干旱区总面积为455万km2，占国土总面积的47%[1]。高效利用水资源成为干旱半干旱区农林业可持续发展的重要途径[2]。保水材料具有操作简便、节水效果明显等优点，成为人们高度关注的节水技术之一[3-4]。传统土壤保水材料是一种有机高分子聚合物[5]，主要分为聚丙烯酸钠盐型、聚丙烯酸钾盐型和丙烯酰胺-丙烯酸钾交联共聚物型。传统保水材料可以反复吸收释放水分，改变土壤颗粒间的孔隙率和土壤微结构特征，吸水后体积膨胀与土壤颗粒作用形成土壤团聚物，使土壤水分蓄积在保水材料混和层及其附近的土壤中[6-7]。但传统保水材料工艺复杂、吸水保肥耐盐性能差、难降解且施入到土壤中易造成土壤的二次污染[8-9]，在用量过大时一定程度上会造成土壤板结[10]，以及存在土壤含水量极低时，由于水吸力过高，不能将水分供给植物吸收利用的问题[11]。而环境友好型保水材料是由天然矿物盐、生物秸秆和岩棉等材料高温熔融后通过高速离心或高压气体喷吹成纤维，再经过特殊工艺处理后压制、固化而成的矿质材料。具有稳定性高、多孔结构独特、比表面积大、低耗能、无污染、可降解、高利用等优点[12-15]。环境友好型保水材料具有良好的透储水功能，可以作为“海绵体”，吸收降雨带来的大量雨水，迅速减少地表径流，不仅可以为植物补充水分，还可以作为植物生长的基质，在海绵城市建设、森林生态修复、荒漠化防治中取得良好效果[16-18]。

第24届冬季奥林匹克运动会于2022年2月在我国北京市和河北省张家口市联合举行，冬奥廊道沿线植被景观成为我国生态文明建设成果展示窗口。但冬奥廊道沿线区域内存在山地土层瘠薄、水分条件差、造林成活率低等突出问题。为举办绿色奥运，既要解决干旱缺水、植物成活率低的难题，又要保证绿色环保。开展环境友好型保水材料的研究成为当务之急。为了探究保水材料在恶劣土壤环境中的保水特性，本文选用土粒分散、结构差、吸附能力弱、保水性差的沙土[19]作为基质，对比传统保水材料，探究环境友好型保水材料对土壤持水能力的影响。以期为改善土壤水分状况、合理施用保水材料提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年4—7月在中国林业科学研究院科研温室内（昼夜温度25/18 ℃）进行，供试土壤为沙土，取自于河南新乡，粒径为0.15～1.0 mm，碱解氮25.30 mg·kg-1，有效磷5.63 mg·kg-1，有效钾95.30 mg·kg-1，有机质3.31 g·kg-1，pH为8.12。选取6种保水材料进行试验，其中，环境友好型保水材料选用岩棉、生物炭和生物炭棉，其成分天然无污染、可降解，不会对土壤环境造成危害。由于环境友好型保水材料形态特征不同，相关研究较少，因此依据厂家提供的经验用量设置保水材料配比，基本情况见表1。

表1 保水材料的基本情况Table 1 Basic information of water-retaining material

1.2 试验设计

1.2.1 保水材料对土壤持水特性的影响 取沙土5 kg，将不同种类的保水材料与沙土按比例均匀混合（表2），以沙土作为对照（CK），共13个处理，每个处理设3个重复。测定各土样水分特性指标。

表2 保水材料用量Table 2 The amount of water-retaining material

1.2.2 保水材料对土壤水分保持的影响 取沙土5 kg，保水材料和沙土按比例混合配置土样（表2），试验开始将土壤灌溉饱和，然后不再浇水，使其自然干旱（环境相对湿度15%～25%），观察添加不同保水材料后土壤含水量随时间的变化。

1.2.3 保水材料对土壤水分特征曲线的影响 以5 kg沙土作为对照（CK），取5个直径20 cm，高20 cm的塑料桶，按质量比加入各种保水材料于土壤中（表2），每个处理设置10个水分梯度，即土壤质量含水量θm分别为2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%。每个处理设3个重复。

1.3 测定指标与方法

土壤水分保持曲线 采用称量法（最小感量为0.01 g的电子秤），于每天下午17:00称量盆土质量，记录数据。

土壤水分特征曲线 采用德国Ecomatik公司生产的DL90土壤水势监测系统，将其安插到每个土样中，密封放置，待仪器稳定后读取土壤水势值，制作土壤水分特征曲线。

1.4 保水效果评价

应用主成分分析[23]和隶属函数法[24]对各保水材料进行评价。公式如下：

式中，CI(m)为综合指标值，Bj为单项指标相对值进行规范化标准化的值，prin(m)j为综合指标的系数。

式中，μ(xj)为某个处理第j个指标的的隶属函数值，且μ(xj)∈[0,1]，xj表示第j个综合指标，xmin表示第j个综合指标的最小值，xmax表示第j个综合指标的最大值。

式中，Wj值表示第j个综合指标的相对重要程度即权重，pj为第j个综合指标的贡献率。

式中，D值为综合评价值。

对于同一顺序位内的船舶，在通常情况下按照所靠泊位的不同，根据西侧泊位先、东侧泊位后的原则进行排序，但要避免进靠相邻泊位的船舶尾随进港，造成一船等待相邻船舶靠泊的局面。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel和Orogin 2018进行图表制作，采用SPSS 19.0进行差异显著性检验和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同保水材料对土壤持水特性的影响

2.1.1 土壤密度、孔隙度 土壤持水性能与土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度等有关[25]。不同保水材料对土壤密度的影响见图1(a)。在土壤中添加不同保水材料，均使土壤密度降低，其中S3效果最显著，T3次之，分别降低了29.94%、29.43%。K、H、S1的降低效果不显著（p＜0.05）；各处理土壤孔隙度的结果见图1(b)(c)(d)。可知，在土壤中添加6种保水材料均有利于提高孔隙体积比。N、H、S2、S3、T1、T2、T3土壤总孔隙度的影响显著（p＜0.05）；N、H、T3对土壤毛管孔隙度影响显著，相比于CK分别增加了15.12%、22.18%、9.25%；S2、S3、T1、T2、T3使土壤非毛管孔隙度显著增加（p＜0.05），相比于CK分别增加了9.38%、13.61%、8.73%、11.24%、13.85%。说明环境友好型保水材料在用量增加时不会造成土壤板结，可以提高土壤总孔隙度，改善土壤结构，有利于土壤蓄持更多水分。

图1 不同保水材料对土壤密度、孔隙度的影响Fig.1 Effect of different water-retaining materials on soil volumetric weight capillary

2.1.2 土壤持水量 不同保水材料对土壤饱和含水率的影响见图2(a)。添加6种保水材料都使土壤饱和含水率增加，其中T3最为显著，与对照相比增加了29.58%。不同保水材料对土壤毛管持水量的影响见图2(b)。N、H、S3、T2、T3显著增加土壤毛管持水量，与CK相比分别增加了16.20%、14.82%、10.56%、9.80%、17.36%。不同保水材料对土壤田间持水量的影响见图2(c)。可知，N、H、S3、T2、T3显著增加田间持水量（p＜0.05），分别比CK增加了12.46%、10.63%、7.03%、7.51%、12.96%。其中，T3对各持水量的增加最为显著。环境友好型保水材料的种类及用量对土壤饱和含水率、毛管持水量、田间持水量和土壤孔隙度的影响规律基本一致。

图2 不同保水材料对土壤持水量的影响Fig.2 Effect of different water-retaining materials on soil water holding

2.2 不同保水材料对土壤水分保持的影响

自然干旱条件下，通过土壤持水量随时间的变化可以看出保水材料抑制蒸发、保持水分的能力。不同保水材料处理的土壤水分动态曲线如图3，保水材料施入土壤后，土壤水分蒸发受到抑制，水分保持能力提高，并且随着保水材料量的增加，抑制蒸发能力增强。各处理土壤含水量变化趋势一致，且前20 d土壤含水量下降较快，后20 d含水量差异进一步减小。在40 d时，CK组土壤含水量趋于0，经保水材料处理的土壤含水量均高于CK组。其中T3处理的含水量最高，比CK组含水量增加3.37%。

图3 各试验组土壤水分动态曲线Fig.3 Soil moisture dynamic curve of each experiment group

土壤含水量与时间的关系拟合参数见表3。以40 d为区间得到积分值，CK为例（图4）。由各保水材料数学模型得出40 d内土壤累计含水量，排序为T3＞D3＞H＞N＞S3＞D2＞D1＞S2＞T2＞T1＞K＞S1＞CK。分析得出添加保水材料均可以提升土壤保持水分的能力，其中T3持续含水量最多，长时间内保持较多水分。说明环境友好型保水材料不仅改变了水分充足时土壤持水能力，也改变了整个失水过程中土壤的持水能力。

图4 CK组40 d累计含水量示意图Fig.4 Schematic diagram of the 40-day accumulative water content in the CK group

表3 土壤水分保持曲线拟合参数、累计含水量Table 3 Soil moisture retention curve fitting parameters,accumulated water content

2.3 不同保水材料对土壤水分有效性的影响

2.3.1 土壤水分特征曲线 土壤含水量并不能充分说明土壤水分的有效性，而土壤水势可以反映土壤对水分的吸纳能力及土壤水分对植物的供给状况，是进行水分调控常用的参考指标。试验得出土壤水分特征曲线如图5，土壤含水量与土壤水吸力关系拟合后符合数学模型Y=AX-B，各处理相关系数R2均大于0.9，该模型能较好地反映本试验土壤含水量与水吸力之间的关系。各处理模型拟合参数见表4。从图5可以看出，随着土壤含水量的增加，土壤水吸力降低。在含水量为2%～4%时，D1、D2、D3保水材料的水吸力相比CK显著降低。水分从低吸力处流向高吸力处，说明含水量极低时，在添加D1、D2、D3保水材料的土壤中，植物根系从土壤中吸取水分所消耗的能量少，土壤水分更容易被植物吸收利用，这在一定程度上增加了土壤水分的有效性。而当土壤含水量大于12%时，图中各试验组的土壤水吸力趋近于0 kPa。这说明土壤水分逐渐达到饱和，不再吸水。此时土壤毛管孔隙多，大孔隙水更容易释放，能有效地被植物根系吸收利用。

图5 各试验组土壤含水量与水吸力关系拟合曲线Fig.5 Soil water content and suction curves of each experiment group

2.3.2 土壤有效含水量 土壤萎蔫含水量相当于1 500 kPa吸力下所对应的土壤含水量[26]，代入表4各保水材料的数学模型得到此时的土壤含水量为萎蔫含水量（表5）。萎蔫含水量是土壤有效水的下限，土壤田间持水量是土壤有效水的上限，因此土壤有效含水量等于田间持水量与萎蔫含水量的差值。分析发现，各保水材料处理均可以增加土壤有效水含量，由多到少排序为T3＞N＞H＞T2＞S3＞S2＞D3＞K＞D2＞S1＞T1＞D1＞CK。环境友好型保水材料T3处理的有效含水量最多，为24.88%，其次是N和H，此3种保水材料分别比CK增加了12.98%、12.49%、10.64%的有效水含量。

表4 各试验组模型拟合参数Table 4 Model fitting parameters of each experiment group

表5 各处理土壤水分有效性Table 5 Soil water availability of each treatment

2.4 保水材料效果评价

应用主成分分析法和隶属函数法对保水材料进行效果评价。利用各指标的相对值将逆向指标正向化。对各指标进行主成分分析后（表6），提取了2个主成分，利用主成分分析结果中成分矩阵以及成分特征值计算各综合指标系数，第一主成分贡献率是64.067%，第二主成分贡献率是20.907%，累计贡献率84.974%。可见2个主成分包含了12个处理10个指标84.974%的数据信息。特征值能够反映出各指标在各个主成分的荷载[27]，第一主成分特征值为6.407，有效含水量和毛管持水量在第一主成分上的荷载较高，毛管孔隙度和土壤密度在第二主成分上的荷载较高。说明保水材料的主要表征为有效含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和土壤密度。

表6 各指标主成分的特征向量、贡献率及综合指标系数Table 6 Characteristic vector,contribution rate and comprehensive index coefficient of principal components of each index

利用公式（1）、（2）、（3）计算得出综合指标值、隶属函数值和权重，2个综合指标的权重分别为0.75和0.25。利用公式（4）计算得出各保水材料的保水能力综合评价值D（表7）。由D值可以看出各处理保水材料效果排序：H＞T3＞N＞S3＞T2＞D3＞D2＞S2＞D1＞T1＞K＞S1。可以看出T3效果仅次于H，在环境友好型保水材料中效果最好。

表7 各处理综合指标值Cl(m)、隶属函数值μ(x)和综合评价值DTable 7 The value of comprehensive index value Cl(m),subordinative function value μ(x) and integrated assessment value D of each treatment

3 讨论

3.1 保水材料对土壤水分特征的影响

多项研究表明，聚丙烯酸盐型等传统保水材料可以改变土壤颗粒间的孔隙率和土壤微结构特征[6]，吸水后与土壤颗粒作用形成土壤团聚物，使土壤含水率提高[28-29]，与本研究结果一致。含0.25%聚丙烯酸盐类保水材料的土壤既能满足植物生长需要，又能节省成本，应用效果较好[30]。因此，本研究沿用此用量与环境友好型保水材料进行比较，得出传统保水材料中丙烯酰胺-丙烯酸钾聚合型保水材料在土壤中效果较好，聚丙烯酸钾盐型效果最差。与杨浩等[31]在保水剂对黄绵土水分特征影响研究中结果不一致，原因可能是保水材料上离子与不同类型土壤中离子结合对保水材料的吸水及土壤的保水产生不同影响。

3.2 土壤水分特征曲线

通过土壤水分特征曲线来描述土壤基本水力特性[32]。本研究得出，随着土壤含水量的减少，土壤水吸力升高，在低吸力阶段，添加各保水材料土壤含水量差异明显，高吸力阶段土壤含水量差异不明显，其变化规律与Zeng等人[33]研究结果一致。本研究土壤水分特征曲线符合数学模型Y=AX-B，与赵雪晴等[34]研究中Gardner模型存在差异，其多采用离心机法测定土壤水分特征曲线，而本研究通过水势仪实测得到土壤水分特征曲线，因此，可能是因为试验方法和土壤质地的不同所导致数学模型及水吸力范围的不同。

3.3 土壤水吸力

本研究发现，在土壤含水量极低时，岩棉的水吸力最小，最易被植物吸收利用。为了利用岩棉这一特性，应进一步探究如何提高岩棉保持水分的能力。本研究中环境友好型保水材料对于土壤有效含水量的影响结果显示，土壤有效含水量与环境友好型保水材料的用量成正比。这与宋海燕等[11]研究中传统保水材料用量超过0.3%后，增加保水材料只能增加土壤无效水含量的结果不一致，说明，传统保水材料不能像环境友好型材料一样，可以通过增加用量提升土壤有效水含量。

3.4 环境友好型保水材料环保性和经济性

在林业生态工程建设中，林木栽植间距较大，密度较小，对于单株林木采用穴施的方法，在苗木栽植时将保水材料混施于根部附近土壤中。环境友好型保水材料10%的用量是合理的，不会对环境造成污染。虽然保水材料价格较高，但施用保水材料可以提高造林成活率，减少补植工作量或重造次数，造林成本相应降低。平均到每棵树的成本来看，环境友好型保水材料10%的用量在经济性上是可行的。但降低保水材料造林成本，研发价格低廉效果又好的产品以及保水材料的使用方法和用量都需要进一步探究。

4 结论

（1）环境友好型保水材料可以提高土壤总孔隙度，降低土壤密度，改善土壤结构，有利于土壤蓄持更多水分。环境友好型保水材料的种类及用量对持水量和孔隙度的影响规律基本一致。10%炭棉对各持水参数都有显著影响，增加土壤持水能力效果最好。

（2）自然干旱条件下，环境友好型保水材料有利于抑制土壤水分蒸发，不仅改变了水分充足时土壤持水能力，也改变了整个失水过程中土壤的持水能力，通过比较，环境友好型保水材料10%炭棉在整个失水过程中保持水分效果最好。

（3）环境友好型保水材料均能提高土壤有效水含量，由多到少排序为T3＞N＞H＞T2＞S3＞S2＞D3＞K＞D2＞S1＞T1＞D1＞CK。其中T3保持有效水含量最多，为24.88%。通过主成分分析和隶属函数法得出，环境友好型保水材料10%炭棉效果最好。