杜维薇 刘子凡 董志国 陈思婷 符厚隆

(1 海南大学热带作物学院 海南海口 570228;2 中国热带农业科学院椰子研究所 海南文昌 571339)

保水剂可以吸收比自身重量重几百倍至几千倍的水分，对土壤水具有储存和缓释的作用［1］，且可反复多次吸水，已作为化学节水的重要制剂，并在生产中得到广泛应用。国外预言，保水剂将成为继化肥、农药、薄膜之后的第四大农用化学品［2-3］。目前，保水剂产品无统一标准，生产厂家众多。保水剂的使用效果与土壤、粒径等因素密切相关。前人研究认为，粒径小的保水剂容易受到土壤阳离子干扰，降低保水剂的吸水和保水能力，且其吸水膨胀后易阻塞土壤孔隙，增加土壤容重［4-5］；大粒径保水剂可克服小粒径因吸水膨胀而导致的长链尾端易堵塞土壤孔隙的缺陷。因此，开展大粒径保水剂的研发和应用已成为国内外保水剂研究的热点。本研究以塇土保水剂为对象，研究其吸水、释水、重复吸水等性能及其对水分和养分固持效果，为该类保水剂的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 塇土保水剂（简称保水剂）

成份为交联聚丙烯酰胺，全称是丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物，粒径为6～10 mm，由北京汉力淼新技术有限公司提供。

1.1.2 供试肥料

尿素（四川美丰化工股份有限公司，总氮≥46.4%）、氯化钾（中化化肥有限公司，氧化钾≥62.0%）和过磷酸钙（平湖金波化肥有限公司，有效P2O5≥12.0%）。

1.1.3 供试土壤

土壤为砖红壤，采自海南省儋州市新州镇新州林场椰子园表层0～20 cm，基本理化性质为：有机质17.70 mg/kg，碱解氮51.73 mg/kg，速效磷13.25 mg/kg，速效钾62.22 mg/kg，pH 4.22，自然风干后过2 mm筛，备用。

1.2 方法

1.2.1 土壤处理

取上述土壤来制备以下4种处理的土壤：添加保水剂并混匀的土壤（用“保水剂”表示）、添加肥料并混匀的土壤（用“肥料”表示）、添加肥料和保水剂并混匀的土壤（用“肥料＋保水剂”表示）和未添加保水剂和肥料的土壤（用“均空白”表示）。其中，保水剂添加量按株施1 kg 折算，得单位质量土壤（kg）添加保水剂0.1 g；肥料添加量按每公顷成龄椰子树的施肥量折算［9］，得单位质量土壤（kg） 尿素、过磷酸钙和氯化钾添加量分别为0.4、0.3和0.3 kg。

1.2.2 性能测定

1.2.2.1 吸水性能

称保水剂5 g 置于网袋中，浸在加满去离子水的水盆中，3 个重复；于浸水后5、10、30、450 min，分别将保水剂捞起，在纱网上静置2 min以滤去表面浮水，称重，绘制吸水曲线，并计算保水剂的吸水倍率。

吸水倍率＝（吸水饱和状态的保水剂重－初始状态的保水剂重）/初始状态的保水剂重。

1.2.2.2 重复吸水性能

参考文献［7］。取保水剂0.5 g，充分吸胀，静置24 h 后称重；于80℃烘干，称重，重新吸水，称重、烘干，重复吸水－烘干－再吸水8次。

1.2.2.3 水分释放性能

采用水汽平衡法测定保水剂的保水率。将充分吸胀的保水剂置于底层盛有不同类型饱和盐溶液的密闭干燥器内，将干燥器放置20 ℃恒温培养箱内；首次隔25 d 称重，之后每隔4 d 称重，第67天时所有饱和盐溶液下的保水剂均达到吸附平衡，不同饱和盐溶液的平衡水汽压见表1，具体参考文献［8］。

表1 20℃时不同类型饱和盐溶液下的平衡水汽压［9］

1.2.2.4 保水与保肥特性

（1）采用淋溶土柱法模拟保水剂的保水和保肥特性［10］。选择内径7.0 cm、高度60 cm的聚氯乙烯管（以下简写为PVC 管），2 层10 目防虫网封底。先取供试土壤1.25 kg，置于土柱，压实，高度约20 cm，该土柱区域为淋溶区；然后分别将上述4种处理的土壤装入PVC管内、压实，土柱总高度约55 cm；最后用过3mm 筛的洗净粗砂粒覆盖土柱表面，砂粒高约4 cm，以防淋溶时扰乱土柱土壤和减少水分挥发。每个处理设4个模拟淋溶土柱，将土柱填装完成后置于淋溶架上，土柱下端放置漏斗，漏斗下放置500 mL 塑料瓶收集淋溶液；土柱装好后24 h 才开始用蒸馏水对土柱进行模拟灌溉淋溶，待无明显渗漏时停止淋溶，模拟灌溉4次，共灌溉1 200 mL蒸馏水。

用量筒测定淋溶液体积；全氮和全磷采用过硫酸钾消煮，分别用钼锑抗比色法和分光光度计法测定；全钾采用火焰光度法测定。

（2）模拟灌溉淋溶完毕后，除去覆盖砂层，对土柱进行分割：先将下部淋溶区土柱切下，取出该区域土柱的土壤，该区域土壤用“下部”表示，余下的土柱再平均切割；切割后，从PVC管壁中取出土壤，清理出未降解的保水剂，上部土柱土壤用“上部”表示，中部土柱土壤用“中部”表示，测土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量。

1.2.3 数据处理

采用Excel 2006 软件处理数据和绘图；采用DPS 软件进行S 曲线模拟和统计分析，多重比较选用邓肯氏新复极差法。

2 结果与分析

2.1 保水剂的吸水曲线

吸水速率是评价保水剂应用性能和是否快速吸水的一个重要指标。从图1可知，保水剂吸水达到稳定前，吸水速率基本保持一个相对稳定的状态，且保水剂的吸水量呈现出S型曲线规律。对该曲线进行模拟，得方程0.995 6，p＝0.000 1，说明模拟的logistic 方程效果较好。对模拟方程进行分析可知，吸水量快速递增的起止时间为64.29～219.24 min，有效吸水时间达406.18 min，吸水最大速度0.52 g/min，在141.76 min 时吸水速度最大，理论最大吸水量为121.79 g/g。说明该保水剂具有稳定快速吸水的性能，且吸水有效期较长，吸水倍率高。

2.2 重复吸水性能

图1 保水剂的吸水曲线

重复吸水能力的大小反映了保水剂有效使用期的长短［11］。保水剂重复吸水性能见图2。从图2可知，随着重复吸水次数的增加，吸水倍率逐渐下降，前5 次的吸水倍率无显著差异；至第7 次时，吸水倍率显著小于前6 次，第7 次和第8 次的吸水倍率无明显差异，但吸水倍率仍维持在100以上。说明该保水剂重复吸水性能较好。

图2 保水剂重复吸水性能

2.3 保水性能

从图3可以发现，保水剂处理的淋溶液体积显著小于均空白处理，肥料＋保水剂处理的淋溶液体积显著小于肥料处理，说明无论土壤是否添加肥料，保水剂均具有较好的保水效果。从图4 可知，随着土壤吸力的增加，保水剂释放的水分增多，当pF值增到6.159 时，吸水后的保水剂释放的水分量达993 mg/g。

2.4 保肥性能

淋溶作用是土壤养分损失的主要途径之一［12］。从表2可以看出，保水剂处理的淋溶液中全磷和全钾含量均显著低于均空白处理的；肥料＋保水剂处理的淋溶液中全磷和全钾含量均显著低于肥料处理的。此外，保水剂处理的淋溶液中全氮含量小于均空白处理，但二者之间无显著差异；肥料＋保水剂处理的淋溶液中全氮含量显著低于肥料处理的。

图3 不同处理淋溶液体积

图4 不同土壤吸力下保水剂释放水分量

保水剂对PVC 管不同部位土壤养分的影响见表3，肥料处理的碱解氮含量表现出下部土壤显著高于上部和中部土壤；均空白、保水剂处理和肥料＋保水剂处理的土壤碱解氮含量在PVC 管不同部位间均无显著差异。

从表3 还可知，均空白处理、保水剂处理的上部土壤速效磷和速效钾含量与中部和下部土壤间均无显著差异；肥料处理下部土壤速效磷显著高于上部和中部土壤，上部土壤速效钾含量显著低于中部和下部土壤；肥料＋保水剂处理上部土壤速效磷含量与中部之间、中部土壤与下部土壤间无明显差异，上部土壤速效钾含量与中部土壤和下部土壤间均无显著差异。说明施有肥料的土壤中添加保水剂可在一定程度上降低全氮、全磷和全钾的淋失，该保水剂具有较好的保肥性能。

表2 保水剂对淋溶液中的全氮、全磷和全钾含量的影响 单位：mg/kg

3 讨论与结论

保水剂的吸水、释水特性是评价保水剂性能的重要指标［13］。保水剂的吸水速率与材料类型、表面结构、外形、粒径等有关［14］。保水剂粒径越小，接触的表面积越大，溶液可更快进入其中［15］；粒径增大，吸水速率下降，吸水倍数降低，且粒径越大吸水倍数下降越显著［16］。保水剂所吸持的水主要保持在0.1～0.5 bar 低吸力范围内属于植物最容易利用的水，也是容易被周围较干燥土壤吸收的水［17］。本研究发现，塇土蓄肥保水剂在高吸力下吸收的水分90%以上是能释放且有效的，这一点与蔡典雄等［18］的研究结果相一致；但是，该保水剂具有吸水较快，吸水速率变化较小，重复吸水性能较好，吸水倍率可高达121倍以上，且重复吸水8 次以上其吸水倍数仍达100 以上等优点，这可能与塇土蓄肥保水剂成份有关，丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物能克服普通保水剂重复吸水时，由于网状结构逐渐变劣而导致吸水性能下降［16，19-20］的缺点，同时能克服常规聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠类、腐殖酸钾保水剂因粒径大而导致吸水速率慢和吸水倍数小的缺点。因该保水剂具有能多次重复吸收大量的水分的性能，尤其适合在海南雨热同季的自然气象条件下使用。但是，保水剂毕竟不是造水剂，且该保水剂吸水倍率也仅为100左右，所以，使用该保水剂时，特别是在耗水量大的热带作物上使用时，仍须间隔一定的时间再进行浇水或灌溉，以保证作物对水分的需求。

表3 保水剂对PVC管不同部位土壤养分的影响 单位：mg∕kg

吸附元素能力是体现保水剂保肥效果的一项重要指标［16］。本研究以海南西部干旱半旱地区椰子园土壤为对象，通过模拟实验发现，添加保水剂可显著减少土壤水分的渗漏，降低施入肥料土壤中全氮、全磷和全钾元素的淋溶；这些被保水剂吸附的养分，可以被暂时固定下来，起到保持和缓释肥料的效果。本研究结果为该保水剂在椰子抗旱栽培中的合理利用提供理论依据，在施肥时配合添加适量的保水剂，可减少土壤水分的渗漏和氮、磷、钾等养分的淋失，且可增强土壤保肥能力，并延长肥料有效作用时间。