保水剂对土壤保水持肥特性的影响研究解析

第１８卷１期２０１０年２月应用基础与工程科学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＢＡＳＩＣＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶ０１．１８．Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１０文章编号：１００５－０９３０（２０１０）Ｏｌ－０１２０－０９中图分类号：Ｓ１４３；ＴＱ４４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０９３０．２０１０．０１．０１４保水剂对土壤保水持肥特性的影响研究张富仓，李继成，雷艳，罗朋（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌７１２１００）摘要：通过对“科瀚”保水剂在不同盐和肥料溶液中的吸水率和施加在两种土壤中的水分特征曲线测定，研究了保水剂对土壤保水持肥性能的影响．结果表明：保水剂在去离子水中的吸水率为３３７９／ｇ，含盐量为０％－－０．１％范围内吸水率变化最大；在０．１％ＮａＣｌ溶液中的吸水率仅为蒸馏水的４５．６％．化学肥料能显著降低保水剂的吸水率，并随着肥料浓度的增加，保水剂的吸水率显著降低．但不同的化学肥料对保水剂吸水率的影响程度不同；肥料对保水剂的影响程度依尿素、磷酸二氢钾、氯化钾、氯化铵依次递增．保水剂施加于土壤中，土壤持水能力显著变强；在０．０１—１．５ＭＰａ土壤水吸力范围内，能显著提高土壤持水容量，从而增加作物被利用的有效水分含量，其中黄绵土（沙壤土）较娄土（重壤土）有显著增加；保水剂与肥料施加在土壤中，土壤持水能力随着肥料浓度的增加而降低，作物被利用的有效水分含量也有所减少．土壤中ＮＯ；一Ｎ持留特性受土壤水吸力的影响，在低吸力条件下，质地较重的娄土对ＮＯ；一Ｎ持留量较黄绵土大；随着保水剂用量的增加，离心滤液中的ＮＯ；一Ｎ浓度呈现减小趋势，土壤ＮＯｒ－Ｎ淋失也减少，从而对土壤的持肥能力有明显的增加作用．关键词：保水剂；化学肥料；吸水率；土壤持水性；土壤持肥性近年来，保水剂作为一种化学抗旱节水材料在农业生产中已得到广泛应用，因其可以利用自身分子表面的亲水性基团电离并与水分子结合成氢键，故可吸收自身重量数百倍的水分，同时这些亲水性官能团可吸附土壤的无机离子和养分¨Ｊ．研究者发现保水剂还具有增强土壤持水能力，改良土壤结构，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，降低土壤ｐＨ值等作用．由于保水剂本身分子的结构特性，使无机离子和养分可以暂时被吸水溶胀的保水剂分子包裹起来，也可通过静电引力、范德华力、离子交换、离子吸附、蟹合等机制增加对养分的吸附作用抑制其流失，并达到保水、保土、保肥的作用，进而促进植物生长嵋引．但在农业实际生产应用中，影响保水剂的使用效果因素很多，如土壤质地、土壤ｐＨ值、离子浓度、保水剂使用方法、使用量、保水剂颗粒大小等Ｈｊｊ．许多学者研究表明，盐分和肥料能明显影响保水剂的吸水能力，这种影响因离子浓度、类型、电价和保水剂种类而收稿日期：２００８－０５－０４；修订日期：２００８－０９—１ｌ基金项目：国家自然科学基金项目（５０５７９０６６，５０８７９０７３）；高等学校学科创新引智计划项目（１１１—２－１６）作者简介：张富仓（１９６２一），男，博士，教授，博士生导师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｒ・出＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎＮｏ．１张富仓等：保水剂对土壤保水持肥特性的影响研究１２１异∞剖．含盐的土壤溶液或施用肥料会显著降低保水剂的吸水能力，增加保水剂的用量和成本一］．近年来，关于不同盐、肥料溶液对保水剂的吸水特性、保水剂单独施加在土壤中对土壤结构、持水能力的影响等方面有较多的报道，但对于保水剂和肥料施加在土壤中，保水剂与土壤和肥料的相互作用的研究报道较少．本文以盐溶液、化学肥料溶液对保水剂的吸水能力影响试验为基础，研究了保水剂和化学肥料混施在土壤中对土壤持水、持肥特性的影响，从机理方面分析其保水持肥效果，以期为农业生产中保水剂和肥料的正确施用和合理配比提供理论依据．１材料和方法１．１供试材料试验采用的土壤为陕西省代表性的两种耕作层土壤（０ｑｏｃｍ）黄绵土和娄土，分别取自陕西安塞和杨凌．土壤质地分别为砂壤土和重壤土．保水剂采用河北保定市科瀚树脂有限公司生产的农用抗旱保水剂．试验所选用化学肥料为尿素、磷酸二氢钾、氯化铵、氯化钾和硝酸铵．表１供试土壤基本性质Ｔａｂｌｅ１Ｂａｓｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｏｉｌｓ注：颗粒含量测定采用吸管法；ｐＨ值用Ｂｅｃｋｍａｎ７０ｐＨＭｅｔｅｒ测定（水土比＝１：１）；有机质含量测定采用重铬酸钾容量法－夕ｈ热源发；ＣＥＣ用批技术平衡法．１．２试验方法１．２．１保水剂吸水率的测定准确称取０．３９保水剂，装入已经称重的尼龙网（２００目）袋子中，袋子长２０ｃｍ，宽１５ｃｍ．将装有保水剂的尼龙袋子分别放入６００ｍｌ的蒸馏水，自来水，人工尿（去离子水９７．０９％，尿素１．９４％，ＮａＣｌ０．８０％，ＭｇＳＯ。

・７Ｈ２００．１１％，ＣａＣｌ２０．０６％），０．２％、０．６％、１．０％的ＮａＣｌ，ＣＯ（ＮＨ２）２，ＫＨ２Ｐ０４，ＮＨ４Ｃ１、ＫＣｌ溶液中，让其充分吸水２４ｈ，之后将布袋提起悬空，过滤１ｈ，称量装有保水剂的袋子重量，每个处理设３个重复．按照如下公式计算保水剂在不同浓度的盐溶液中的吸水率¨叫Ｑ＝（Ｍｌ—Ｍ２）／Ｍｌ（１）式中Ｑ为保水剂的吸水率，ｇ／ｇ；Ｍ．为加水前保水剂重量，ｇ；鸩为过滤后保水剂重量，ｇ．１．２．２保水剂与肥料施加在土壤中的土壤水分特征曲线的测定本试验采取双向４×３试验方案，分别将黄绵土和娄土风干过２ｍｍ筛并按干容重１．３９／ｃｍ３与不同浓度肥料和不同浓度处理的保水剂充分混合均匀．保水剂施用量处理用占干土重的百分比表示，用量分别为０（ＣＫ）、０．２％（ＳＡＰ，）、０．６％（ＳＡＰ２）、１．０％（ＳＡＰ３）；肥料施用量处理分别为不施肥ＣＫ（Ｆｏ），中肥处理ＮＰ０．２、０．１３９／ｋｇ干土（Ｆ１），高肥处理ＮＰ０．４、０．２６９／ｋｇ干应用基础与工程科学学报Ｖ０１．１８土（Ｆ：）．试验共设２４个处理，每处理２个重复．然后将保水剂、土壤、肥料三者混合均匀放入特制并且规格相同的环刀中，放在去离子水中进行吸水饱和，２４ｈ后取出，放在ＰＦ离心机（ＳＣＲ２０型）中进行离心，测定不同处理之间的土壤水分特征曲线．１．２．３不同土壤水吸力条件下保水剂对土壤ＮＯ；一Ｎ持留特性的影响测定将ＮＨ。

ＮＯ，分别与２种土壤按０．２９Ｎｋｇ。

１土拌匀，以容重１．３９／ｃｍ３与不同量的保水剂充分混匀．保水剂施用量（占干土重的百分比）分别为０（ＣＫ）、０．２％（ＳＡＰ，）、０．６％（ＳＡＰ：）、１．ｏ％（ＳＡＰ３）；然后放入含Ｎ０３－一Ｎ浓度为２００ｍｇＬ。

１的ＮＨ。

Ｎ０３溶液中吸水饱和２４小时，放置到ＰＦ离心机中离心，分别测定不同土壤水吸力下的土壤含水量及离心滤液中ＮＯ；一Ｎ浓度．离心滤液中Ｎ０３－一Ｎ浓度用酚二磺酸比色法测定．２结果与分析２．１不同浓度盐溶液对保水剂吸水率的影响表２为科瀚“９８”保水剂在不同浓度盐溶液中的吸水率．结果表明，保水剂的吸水率在盐溶液中迅速降低，溶液中含盐量愈高，其吸水能力愈差．科瀚保水剂在含盐量为。

一０．１％时，吸水率变化最大．在蒸馏水中的吸水率为３３７．４９／ｇ，但在自来水（含盐量为０．１２％）中的吸水率仅是蒸馏水的４５．６％，在１％ＮａＣｌ溶液中，吸水率只有３９．９９／ｓ，仅为蒸馏水的１１．８％．主要是由于保水剂在吸水溶胀过程中，溶液中的离子抑制了树脂链段的松弛，因此松弛吸水所占的比例减小，并且溶液浓度越大，松弛吸水的贡献越小，吸水率越低¨卜１２］．由于保水剂对盐分的敏感性，在半干旱地区使用保水剂，土壤盐分和灌溉水中的盐分对保水剂的吸水有明显的抑制作用，所以在使用时要充分考虑土壤盐碱化程度和灌溉水质以确定最佳用量．表２科瀚“９８”保水剂在不同浓度盐溶液中的吸水率Ｔａｂｌｅ２ＲｅｔａｉｎｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆＫＨｗａｔｅｒｒｅｔａｉｎｉｎｇａｇｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎｓ相对／％：相对吸水率＝（盐溶液中吸水率／蒸馏水中吸水率）×１００％２．２肥料溶液浓度对保水剂吸水率的影响图１为保水剂分别在不同浓度的尿素、磷酸二氢钾、氯化铵和氯化钾溶液中的吸水率．保水剂在ｌ％的４种肥料溶液中的吸水率分别为２９０９／ｇ、４４．５９／ｇ、３４．９９／ｇ、４０．４９／ｇ，分别相当于对照处理的８６％、１３．２％、１０．３％、１２％．试验结果表明保水剂在肥料溶液中的吸水率明显下降，并随着肥料浓度的增大，吸水率降低．各种肥料对保水剂的吸水能力影响顺序依次为：尿素＜磷酸二氢钾＜氯化钾＜氯化铵，除尿素外，其它３种肥料对保水剂的吸水性能影响较大．肥料溶液导致保水剂的吸水能力降低的原因一方面是由于外部电解质溶液离子强度的变化．根据Ｆｌｏｒｙ—Ｈｕｇｇｉｎｓｄ的吸水理论【１３’，随着介质浓度愈大，离子强度越大，吸水率越小¨引．另一方面是由于电解质浓度对保水剂结构性质的影响．当肥张富仓等：保水剂对土壤保水持肥特性的影响研究料溶液浓度增大时，电解质离子浓度升高，降低了分子间的排斥作用，分子的扩展程度下降，分子链可能采取较卷曲状态，因而“包裹”的溶液量下降，从而使保水剂的吸水率下降¨５‘１６］．因此建议在土壤施用保水剂时不要与电解质肥料混合使用，这样才能发挥保水剂的保水效果．由图１可以看出，保水剂在尿素溶液中吸水率明显高于其他肥料溶液，这是由于尿素属于分子态水解性溶液，水解后对保水剂结构性质的影响较小，同时不同浓度的尿素溶液对其吸水率影响的变化也不大．图１不同肥料浓度对保水剂吸水率的影响Ｆｉｇ．１Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｎｗａｔｅｒａｂｓｏｒｂｅｎｔｒａｔｅｏｆｓｕｐｅｒａｂｓｏｒｂｅｎｔｐｏｌｙｍｅｒ２．３保水剂和肥料与土壤混合对土壤保水性能的影响土壤的持水性能即土壤吸持水分的能力，通常用土壤水分特征曲线来表征．表３和表４分别为两种土壤中施用不同量保水剂和肥料的土壤水分特征曲线．结果表明，在土壤中不加保水剂时，不同土壤水吸力条件下，肥料浓度处理之间的土壤含水率并无显著差异．这是由于在试验条件下，肥料浓度增加的土壤的溶质势对土壤水势影响较小的缘故．相反在土壤中加入保水剂和肥料溶液对不同土壤水吸力条件下的土壤含水率有一定的影响．两种土壤的结果表明，与无保水剂处理比较，在低保水剂（０．２％）处理（ＳＡＰ，Ｆ。

）以及低保水剂（０．２％）不同肥料浓度处理的土壤，土壤的持水性能增加的较小，随着保水剂用量的增加，不同土壤吸力下含水率均有明显的增大．处理（ＳＡＰ，Ｆ。

）和对照处理（ＣＫＦ。

）比较，在０．０１珈．０５ＭＰａ土壤水吸力范围内，娄土含水量增加２０％，黄绵土增加７８％，在０．０３—１．５ＭＰａ土壤吸力范围内，娄土增加１６％，黄绵土增加２６％；由表２和表３还可看出，在保水剂用量为ｌ％的不同肥料浓度处理的土壤，随着肥料浓度的增加，土壤的持水性能明显降低．如低肥处理（ＳＡＰ，Ｆ。