保水剂在农业生产应用上的研究进展*

寇燕燕 ，李 华 ，刘 斌 ，陈 亮 ，杨世梅 ，丁世国

（1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400；2.甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006）

农用保水剂是化学节水技术的一种，而且是符合我国国情的一种农田节水措施。保水剂，即高吸水性聚合物（Super Absorbent Polymer, SAP），也称吸水剂、持水剂，是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团、具有一定交联度的水溶涨型高分子聚合物，具有较强的吸水性、材料来源广泛、便于制取等特点，在农业发展中被广泛应用。保水剂加入土壤中后可使土壤容重降低，总孔隙度增加，改善土壤整体的透气性，提高水分和肥料的利用效率。但是，保水剂在实际应用过程中会受到其自身属性、土壤物理和化学特性、自然气候等多方面因素的影响。因此，研究人员需要加大对保水剂与土壤水分和物理特性影响相关的研究力度，积极探索保水剂在土壤中发挥持久性效用的方式，为水资源高效利用和农业健康持续发展提供有力的支撑和保障。

1 保水剂特性和作用机理

1.1 特性

1）保水、释水。保水剂在实际应用过程中，吸水之后会形成特殊的分散体系，在该种分散体系中可吸附大量水分，并在一定程度上限制水分的自由程度，促进水分固结，有效提高土壤的含水量，缓解泥土释水速度，减少土壤中水分的渗透和流失。部分区域在旱季合理应用保水剂，能够保证本地的土壤环境始终处于湿润的状态，为本地作物或者植物根系提供充足的水分。保水剂吸收水分之后，能最大程度地制约水分子的自由运行，但是针对农作物生长发育过程中根系对水分的吸收，大部分是有效的。结合相关试验分析，测定保水剂需要吸收的大量水分普遍保持在50 kPa 的土壤水势之内，其中有98%被认为能够使植物更好地吸收和应用，保水剂最大吸水能力大约为14 kg/m3，而植物根系最大吸水性能普遍为17 kg/m3，故保水剂不会导致植物根系中的水分倒流到土壤内[1]。

2）应用寿命长，抗旱性良好。通常情况下，聚丙烯酰胺类的保水剂使用寿命为4~6 年，在实际应用过程中具有吸水、释水、干燥、再次吸水的反复吸水效果，但是在经过反复吸水的过程之后，会降低保水剂大约50%的吸水倍率，最后保水剂甚至失去吸水功能。此外，保水剂在土壤中作用的持久性也和其性质、泥土质地、产品用量等具有直接关系。

3）可治疗缓解干旱植物。在农业生产中应用保水剂之后，农作物生长速度加快，并具有良好的抗旱能力，当保水剂将水分吸收完全之后，可以通过提高农作物根部周围可利用的土壤水，有效减少水分流失。在遇到旱季的情况下，充分发挥保水剂的重要作用，缓解缺水对农作物生长发育造成的伤害，可有效促进农作物生殖生长。相关研究人员针对小麦、水稻、葡萄等作物进行研究，发现在缺水压制下，能够通过保水剂有效提高叶片含水率，同时全面增加植株叶绿素含量，增强植物根系生长能力[2]。另外，相关人员研究了保水剂对干旱情况下叶绿素动力学参数的作用，发现在缺水压制下的叶绿素部分动力学参数相应的治疗效果均下降，但是随着保水剂用量的不断增加，下降速度逐渐减小，充分证明了药物中保水剂用量越多，对受到干旱压制的植物具有越显著的治疗缓解效果。

4）保水剂拌土能够有效降低农作物蒸腾速度。不仅可以增加叶绿素含量，提高光合作用强度，最大程度减少叶片的电导率，对酶的活性也具有一定的影响，不同酶增加、减少的表现存在一定差异。例如，甘蔗生长过程中，其水分被压制处理之后，借助保水剂能够有效减缓甘蔗水分在空气中的蒸腾速度，加快净光合速度，且抗旱能力越差的品类，在土壤中应用保水剂的效果越好。

1.2 作用机理

保水剂属于高分子电解质产品，分子链能够无限长地连接，具有繁杂的3D 网状结构和相应程度上的关联度。保水剂吸水机理和其物理化学结构具有紧密联系，在其交联网状结构上，具有较多亲水性的基团，在其和水进行接触的过程中，表面具有亲水性的分子链具有相应的电离，并且会和水中分子互相结合形成氢键，有效吸住水分，整个过程被称为物理吸附。当亲水性的基团与水接触后，亲水性分子链会发生电离形成电解质，从而与外界水分形成渗透差，促进分子链外部的水分子进入亲水性的分子链，本质上该过程属于一种化学吸附的过程。因此，保水剂的全部吸收过程主要是化学和物理吸附互相作用而形成的。其高分子聚集态具备线型和体型结构，线型结构主要是链与链之间的交联，对吸水时的随意伸缩和膨胀具有决定性影响；体型结构在整个吸水过程中不能无限伸缩，具有确保保水剂维持一定的形状结构的作用[3]。保水剂的两种结构使其不会和水相融合，并且能够在水中膨大，产生凝胶物质，当全部水分释放之后，也能保证其结构不被损坏，依然可以恢复吸水功能。

2 保水剂对土壤的作用

2.1 对土壤物理性状的影响

土壤物理性状中的土壤含水量是对作物生长具有直接影响的主要指标之一。施用保水剂能够有效抑制施用层之上的土壤含水量下降，具有良好的抗旱效用，持续时间能够达到15~20 天。相比之下，在保水剂施用层之下的土壤含水量和未施用保水剂的土壤含水量下降较显著，保水剂施用量越大的情况下，差异越明显。

保水剂不同施用方式对土壤含水量的影响存在一定差异性。相关试验表明，在农业大田中应用沟施、穴施或者混施的方式，施用量保持在45 kg/hm2，控制施用深度在0~20 cm，能够明显提高0~40 cm 深土壤的含水量，并且保持提高范围在7.5%~12.7%之间，而沟施效果相较于穴施、混施效果更加显著。主要由于混施保水剂主要在浅层土壤中分布，在吸水之后出现膨胀、收缩现象，容易产生和大气连通的土壤孔隙，从而造成土壤水分流失，同时容易出现地面结皮现象，大幅度减少雨水入渗[4]。另外，穴施的保水剂相对集中，和土壤接触范围相对较小，吸水量小，同时会由于保水剂过分集中形成较大的膨胀力，产生和大气连通的土壤孔隙，大大增加了土壤水分蒸发量。沟施方式虽然会出现相似的孔隙，但是由于保水剂上面覆盖土壤，通常情况下孔隙和大气不易连通，从而土壤水分流失缓慢。

保水剂对于土壤物理性状的影响和土壤质地具有一定的关系，在不断增加保水剂用量的情况下，砂土的团聚体具有明显的增大现象，而中壤和重壤土自身团聚性较好，保水剂对其影响不显著。土壤团聚体增大的机理主要在于，保水剂吸水之后呈现出凝胶状，能够将松散的土壤颗粒有效粘连成团状。因此，保水剂在砂壤土和黏壤土中应用效果相对较好，主要是因为黏粒、有机质含量越高的土壤，离子置换的影响更加显著，对保水剂吸水抑制效果更加明显[5]。

2.2 对土壤水力性能的影响

保水剂对土壤水力性能的影响和土壤质地、pH值相关。人们普遍认可的结论是在应用保水剂之后，砂土在持水性增大、水分蒸发和渗透性降低等多个方面的效果明显优于中壤、重壤土；保水剂在中性土壤中吸水性最佳，在碱性、酸性土壤中有一定程度的降低。同时，保水剂能够增大或者减小土壤pH 值，相关试验证明，其能够使砂质黏土、壤土的pH 值从6.03降低到5.6。

保水剂对土壤水力性能的影响和施用方式具有密切关系。通过试验进行分析，发现沟施、混施的水分入渗速率和对照CK 相比下降较明显，其中，混施的最大降幅能够达到45.1%，沟施的最大降幅达到11%，入渗速率的降幅会随着保水剂施用量的增加不断增大，土壤水分深层渗漏不断减少，从这方面进行分析，混施优于沟施。另外，保水剂施用时的土壤水分蒸发和CK 相比减少15.37%~50.42%，混施和沟施相比少6%~25%，混施施用量90 kg/hm2时最小[6]。主要是因为混施能够促进保水剂更加均匀地分布在土壤中，在整个土壤面内具有良好的作用，可以充分吸水，有效抑制水分深层渗漏、蒸发；但是沟施保水剂分布相对较集中，没有干预到较多渗漏和蒸发通道。当前较多研究人员针对保水剂对土壤水力性能的影响进行了大量研究，但是在实际操作中由于温湿度、持续时间等测试条件存在一定差异性，并且缺乏统一标准进行衡量，保水剂对于土壤水力性能的动态影响规律也不清晰，导致针对保水剂施用层和非施用层之间的土壤水力联系、水分入渗、蒸发的联系等的研究相对较少，需要在今后的研究中对上述内容进行重点分析。

3 保水剂在农业生产中的应用方法和效果

3.1 种子包衣

农业生产过程中应用保水剂和肥料、农药等混合物拌和种子或者造粒时，能够在种子表面形成一层保护膜，为种子萌发提供充足的水分和养分，增强种子的抗病虫害能力，最大程度降低病虫害发生概率，有效提高种子出苗率。相关人员应用保水剂对春小麦种子进行包衣处理，通过研究发现小苗出苗提前了1~2 天，种子出苗率提高了6.05%~11.1%，春小麦种植产量提高了7.45%~7.65%。另外，相关人员在水稻种子包衣剂中增加保水剂，对种子进行包衣处理之后，和常规包衣剂处理的水稻种子相比，出苗率增加了6.6%，产量提高了12.1%，获得了理想效果[7]。

3.2 育苗

农业生产过程中应用保水剂和其他基质进行混合，在蔬菜和苗木的工厂化育苗中具有良好的适用性，同时能够应用在盆栽花卉种植中。相关研究人员通过试验，将保水剂和基质混合进行甜椒穴盘育苗，选用保水剂的过程中，控制其用量为4 g/L 时，甜椒幼苗的叶绿素质量分数、净光合速率、根系活力、可溶性糖质量分数最高，壮苗指数对比常规甜椒育苗方法提高46.6%[8]。另外，相关人员不断在西红柿、黄瓜和茄子等多种农作物育苗中应用保水剂进行试验，充分表明了在育苗的过程中，选择适量的保水剂和基质相混合，能够有效提高农作物幼苗的生物量、生理活性，具有显著的抗逆性增长，可全面提高农作物幼苗质量。但是，当保水剂应用量较大时，会逐渐降低农作物幼苗的质量，主要是由于大量保水剂凝胶造成基质含水量较高，大大影响了基质的透气性，降低了农作物幼苗根系的活力，从而对幼苗的生长发育具有一定的抑制性。

3.3 蘸根

通常情况下，蘸根在甘薯、蔬菜、苗木移栽中具有良好的适用性，当保水剂蘸根之后能够在农作物根部形成一层保护膜，有效避免农作物根部出现水分流失现象，从而在移栽过程中有效提高农作物植株的存活率，缩短缓苗期。相关人员通过试验，充分证明了应用保水剂的农作物在定植之后的2~4 周之内植株高度、叶面积等全部指标均有所提升，明显缩短了缓苗时间。例如，应用保水剂对一年生马尾松、板栗苗进行蘸根移栽的过程中，平均存活率为88.5%、97%；在试验过程中合理设置对照组，存活率分别为68.2%、50%；其中，马尾松苗生物量和对照组相比有效提高了126.8%，根生物量提高了53.5%，叶生物量提高了258.4%，枝生物量提高了52.0%。

3.4 土壤直接施用

保水剂土壤直接施用主要包含地表撒施、沟施或者穴施。其中，地表撒施主要是在地表或者整地翻土的过程中均匀撒施保水剂，用量控制在50 kg/hm2~100 kg/hm2，在饲料作物、绿化草坪等植物种植中具有良好的适用性，普遍获得显著的应用效果。相关研究人员在冬小麦种植过程中，分别应用5种不同类型的保水剂，控制施用量分别为30 kg/hm2、60 kg/hm2，在保水剂撒施之后翻入土壤中，冬小麦产量增加了1.3%~7.9%，水分利用效率和常规冬小麦种植相比提高了3.6 kg/（hm2·mm）。另外，相关研究人员在相对贫瘠的沙地上种植沙地燕麦，分别在4 个施肥水平上施用保水剂，控制施用量为60 kg/hm2，燕麦平均秸秆、籽粒产量、地上生物量、地下生物量分别增加了38.57%、22.5%、32.01%、24.58%；肥料实际利用效率提高了29.5%，土壤中的全氮、速效磷和钾的含量都有一定的提高[9]。

在不同农作物播种的过程中，需要根据不同作物选择相适应的保水剂用量，控制保水剂施用量在10 kg/hm2~150 kg/hm2之间，通常情况下应用沟施、穴施的方式，在施入的同时或者在施入之后进行播种、移栽。相关研究人员在玉米种植的过程中，在玉米苗期沟施保水剂，控制施加量为45 kg/hm2，和对照组相比，30 cm~60 cm 土层含水量有效提高了18.32%，60 cm~100 cm 土层含水量下降了14.03%；在上层土壤中有效提高了硝态氮、铵态氮和有效磷含量，充分证明了保水剂能够阻止水分下渗出现淋溶作用并导致养分流失；玉米粗淀粉、粗蛋白含量及玉米产量分别提高了1.1%、8.4%及20.1%，而粗纤维含量下降了24.1%。另外，研究表明，棉花种子和保水剂均匀混合之后进行播种，在滴灌条件下可有效节水40%，保水剂施加量控制在60 kg/hm2、90 kg/hm2时，和常规滴灌相比分别增产16.35%、18.94%。

4 未来研究方向和需要解决的问题

4.1 研发新型保水剂

当前保水剂生产技术相对成熟，主要是聚丙烯酸钠和酰胺、淀粉、纤维素等种类。聚丙烯酸盐类保水剂和土壤内的钙、镁、锰等二价金属容易发生拮抗反应，降低其吸水倍数和应用效果[9]。因此，保水剂在农业生产应用的研究过程中，需要更多研究抗拮抗、耐水解和光老化、微生物降解缓慢的新型保水剂，有效延长其使用寿命，最大程度地减少保水剂的综合应用成本[10]。

4.2 研制系列化、功能化保水剂

拌种和土壤施用、蘸根、育苗等多种用途的保水剂相关技术指标要求存在一定差异性。保水剂在实际应用过程中可以和肥料、农药及其他相关农化产品进行有效结合，不断研制大田作物种植、植树造林等不同用途的专用保水剂系列产品。相关研究人员可以借助化学方法在保水剂分子链上引入不同功能性基团，有效研制多功能复合型保水剂，或者针对不同功能和有效成分的保水剂、肥料、农药进行有效混合，研制出复合型保水剂，有效解决不同组分出现的拮抗作用。相关研究人员应采用多种技术路线，明确不同功能成分的合理配比，有效研制出专用型、营养充足、用途明确、可降解的环保型、多功能保水剂，最大程度地发挥保水剂在农业生产中的重要作用。

4.3 加大保水剂应用技术和作用机理研究力度

当前人们对于保水剂的应用研究普遍集中在育苗、移栽、农作物生长和产量等多个方面，但是大多数为试验报告性质。实际上保水剂用量较少，形状不规则，难以进行机械施用，给在大田农业中应用保水剂带来不便。因此，在农业实际生产过程中，为了充分发挥保水剂的节水抗旱作用，需要全面分析和考虑自然气候条件、区域特点、土壤和作物等多种影响因素，通过长期系统性的研究，针对不同类型的保水剂产品制定相适应的应用技术规范和标准。另外，相关研究人员需要进一步研究保水剂和土壤、肥料、作物之间的作用机理，研制出适应机械设备精准施用的物理性状，最大程度减少保水剂的应用成本，全面提高投入产出比，有利于实现保水剂在农业生产上的规模化应用目标。

5 结束语

保水剂在农业生产上的应用范围和方式逐渐呈现出多元化的趋势，但是保水剂材料相对较单一，限制了其与其他改良土壤材料的综合应用，并且会在土壤中不断积累，引发土壤问题，影响环境，未来还需要对此进行进一步深入研究。