李晶晶，白崗栓

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

保水劑在水土保持中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

李晶晶1，2，白崗栓1，3?

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

保水劑作為一種高分子化合物，具有保水、保土、保肥功能。保水劑通過(guò)自身保水特性和土壤學(xué)作用機(jī)制，可改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤密度，提高土壤抗蝕性，起到水土保持作用。針對(duì)保水劑的水土保持功能，通過(guò)介紹保水劑的水土保持作用機(jī)制、在水土保持應(yīng)用中的關(guān)鍵因素、水土保持效益以及目前應(yīng)用中存在的問(wèn)題，指出保水劑雖具有顯著的水土保持效益，但必須結(jié)合適宜的保水劑類(lèi)型、適宜的施用方法和施用量等因素合理使用。認(rèn)為對(duì)于保水劑的研究，應(yīng)以基礎(chǔ)研究為重點(diǎn)，并開(kāi)發(fā)多功能復(fù)合保水劑，同時(shí)擴(kuò)大保水劑在水土保持中的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。

保水劑;水土保持;防治機(jī)制;關(guān)鍵因素;存在問(wèn)題

20世紀(jì)70年代中期，繼美國(guó)首次研制出保水 劑以來(lái)，日本、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等近30多個(gè)國(guó)家都進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，并將保水劑廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、園藝和衛(wèi)生等多種領(lǐng)域。日本在水稻育苗、日本與埃及政府合作在沙漠綠化、英國(guó)在水土保持、法國(guó)在土壤改良、俄羅斯在節(jié)水農(nóng)業(yè)等方面分別取得了顯著效果［1-2］。我國(guó)保水劑方面的研究起步較晚，始于20世紀(jì)80年代，目前除了將保水劑大量應(yīng)用于工業(yè)外，節(jié)水農(nóng)業(yè)和環(huán)境治理等方面的應(yīng)用還處于試驗(yàn)探索階段。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的南方諸省，在城市美化、道路護(hù)坡、荒礦治理、果蔬及經(jīng)濟(jì)作物栽培，以及防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林建設(shè)等領(lǐng)域有一定程度的應(yīng)用，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相差甚遠(yuǎn)。隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，人們開(kāi)始不斷地探索新途徑和新方法來(lái)進(jìn)行水土流失防治，發(fā)現(xiàn)保水劑的高吸水倍率、強(qiáng)持水性以及能夠改良土壤結(jié)構(gòu)、減少土壤水分和養(yǎng)分流失、提高土壤水肥利用率等特性對(duì)防治水土流失具有一定的作用，且保水劑無(wú)毒無(wú)害無(wú)環(huán)境污染，施于土壤后會(huì)逐漸被微生物分解，對(duì)人體無(wú)刺激，使用安全［3-4］。近年來(lái)，水資源短缺日趨加重，治理水土流失的林草措施顯得勢(shì)單力薄，而保水劑作為防治水土流失一種化學(xué)措施應(yīng)用前景廣闊，但目前相關(guān)系統(tǒng)性的研究甚少。筆者在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上，探討保水劑防治水土流失的機(jī)制、應(yīng)用中的關(guān)鍵因素以及應(yīng)用前景，為其在水土保持領(lǐng)域中的應(yīng)用與推廣提供指導(dǎo)。

1 水土保持作用機(jī)制

保水劑是一種高分子化合物，具有強(qiáng)吸水、保水及反復(fù)吸水功能，能迅速吸收自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍的水分，吸持后的水分85% ～95%可緩慢釋放供作物利用［5-7］。保水劑的分子鏈無(wú)限長(zhǎng)地連接著，分子之間呈復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有一定的交聯(lián)度;在其交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上有許多羧基、羥基等親水基團(tuán)，當(dāng)它與水接觸時(shí)，其分子表面的親水性基團(tuán)電離并與水分子結(jié)合成氫鍵，通過(guò)這種方式吸持大量的水分。在吸水過(guò)程中，網(wǎng)鏈上的電解質(zhì)使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部溶液與外部水分之間產(chǎn)生滲透勢(shì)差，外部水分不斷進(jìn)入分子內(nèi)部。保水劑網(wǎng)絡(luò)上的離子遇水電解，正離子呈游離狀態(tài)，而負(fù)離子基團(tuán)仍固定在網(wǎng)鏈上，相鄰負(fù)離子產(chǎn)生斥力，引起高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膨脹，在分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)眼內(nèi)進(jìn)入大量的水分。保水劑在水中只膨脹形成凝膠而不溶解。當(dāng)凝膠中的水分釋放殆盡后，只要分子鏈未被破壞，其吸水能力仍可恢復(fù)［8-11］。保水劑應(yīng)用于水土保持，主要作用是保水、保土和保肥。

1.1 保水

保水劑的吸水持水性，使其施入土壤后能大幅度提高土壤對(duì)水分的吸收能力，使水“固化”在樹(shù)脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，起到保水的作用。保水劑遇降水或灌溉吸收水分，可增加水分入滲速率，減少地表徑流量，減弱徑流對(duì)地表的直接沖刷，防止坡地土壤侵蝕［12-13］。鄒新禧［14］的研究結(jié)果表明，吸水飽和后的保水劑成為具有一定彈性的凝膠，凝膠中所吸持的水分，一部分為自由能較低的結(jié)合水，約占保水劑自身質(zhì)量的1～1.5倍，其余的水為自由水，根據(jù)保水劑的吸水特征曲線，在0～15 MPa范圍內(nèi)所吸持的水分約占98%，吸持的水分幾乎全部可為植物吸收利用。李云開(kāi)等［15］認(rèn)為，保水劑不僅能增強(qiáng)土壤的吸水能力，提高土壤的吸水速率，而且能緩慢釋放出大部分水量，成為作物吸收利用的有效水。保水劑在提高土壤吸水能力、減少?gòu)搅鞯耐瑫r(shí)，還能將吸收的大部分水分貢獻(xiàn)給植物生長(zhǎng)。保水劑在水土保持工作中，不僅直接減少土壤侵蝕，而且能促進(jìn)生物措施、農(nóng)業(yè)措施的發(fā)揮，具有重要意義。

1.2 保土

保水劑作為一種高吸水性樹(shù)脂，與土壤黏粒間存在吸附作用。保水劑抑制黏粒的水化、膨脹、分散和轉(zhuǎn)移，并且在土壤中吸水膨脹，把分散的土壤顆粒黏結(jié)成團(tuán)塊狀，使土壤密度下降，總孔隙度增加，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，可增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力，起到保土作用。張富倉(cāng)等［16］發(fā)現(xiàn):土壤中施加美國(guó)產(chǎn)的BP保水劑，土壤飽和導(dǎo)水率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，土壤團(tuán)聚作用增強(qiáng)，減少了土壤侵蝕量，其中砂土增加效果顯著。灌溉前或雨季前將保水劑散施于土壤表面，可防止土壤表面結(jié)皮，提高灌水、降水的入滲速率，增加水分利用效率［9，17-18］;但保水劑的這種效果受到保水劑種類(lèi)、施用量、施用方法、土壤質(zhì)地等多種因素的影響。

1.3 保肥

保水劑表面分子有吸附、離子交換作用。土壤溶液中的銨離子能被保水劑中大量可解離的離子交換或絡(luò)合，以“包裹”的方式把銨離子包裹起來(lái)，減少肥料淋失。保水劑對(duì)銨態(tài)氮有明顯的吸附作用，而且保水劑量一定時(shí)，吸肥量隨肥料的增加而增加。李長(zhǎng)榮等［19］的研究結(jié)果表明:NH4Cl、Zn(NO3)2等電解質(zhì)肥料降低了保水劑的溶漲度，而尿素屬于非電解質(zhì)肥料，使用尿素時(shí)保水劑的保水保肥作用都能得到充分發(fā)揮，是水肥耦合的最佳選擇;保水劑的保肥特性不僅能減少土壤侵蝕，而且能增加農(nóng)業(yè)效益，為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)保水劑的應(yīng)用提供了可行性。

2 應(yīng)用中涉及的主要因素

2.1 選用類(lèi)型

保水劑類(lèi)型的選擇對(duì)其水土保持效益起著關(guān)鍵性的作用，關(guān)系到如何在水土保持中施用以及怎樣發(fā)揮更好的效果，如在荒漠地帶，為能將降雨及時(shí)吸收，不僅要考慮使用吸水倍數(shù)較高而且吸水速率快的保水劑，還要考慮保水劑的反復(fù)利用效果。黃震等［20］比較了我國(guó)常用的高分子聚丙烯酸鹽類(lèi)保水劑、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合類(lèi)保水劑、腐植酸型多功能保水劑對(duì)土壤水分和氮肥的保持效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在沙壤土中施用0.2%保水劑混合尿素后，在反復(fù)淋溶8次的條件下，3種不同類(lèi)型保水劑都能提高土壤保水性，其中聚丙烯酸鈉保水劑和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合保水劑土壤水分保持效果較好且保水效果相近，腐植酸型多功能類(lèi)保水劑相對(duì)較差，隨澆水次數(shù)增加，3種保水劑的保水效果均有所降低。黃占斌等［21］對(duì)聚丙烯酸鈉、淀粉接枝丙烯酸鈉、凹凸棒(無(wú)機(jī))/聚丙烯酸鈉(有機(jī))、腐殖酸/聚丙烯酸鉀4種類(lèi)型保水劑的性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸鈉和淀粉接枝丙烯酸鈉的吸水倍率、各種離子濃度下的吸液倍率、保水率等指標(biāo)均高于其他2種保水劑，但淀粉接枝丙烯酸鈉的反復(fù)吸水性最差。這可能是由淀粉添加到高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中使保水劑的凝膠強(qiáng)度下降所致。復(fù)合類(lèi)型保水劑、凹凸棒保水劑和腐殖酸保水劑吸液倍率適中，耐鹽性及穩(wěn)定性較好。蔡典雄等［22］認(rèn)為:同樣組成的聚合物交聯(lián)度越低，吸水倍率和速率相對(duì)越高，其保水性、穩(wěn)定性和凝膠強(qiáng)度越低;保水劑的吸水特性與其交聯(lián)度有一定的關(guān)系，凝膠強(qiáng)度高的保水劑吸水后有一定形狀，不易解體，利于土壤透氣，吸放水可逆性好，所吸80% ～95%的水能夠被植物利用?？梢?jiàn)，選用保水劑時(shí)要根據(jù)不同保水劑吸水倍率、持水性、耐鹽性、穩(wěn)定性等來(lái)選擇。

2.2 施用方法

國(guó)內(nèi)治理水土流失的高分子聚合物多為PAM(聚丙烯酰胺)，保水劑多用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)用在水土保持方面的研究較少。保水劑在農(nóng)業(yè)上的施用方法有種子涂層(種子包衣、浸種)、與土壤混合、凝膠蘸根、飛播及流體播種、作培養(yǎng)基質(zhì)等［22］。保水劑用于水土保持，國(guó)外的施用方法主要是與土壤混施。由于將土壤與保水劑混合均勻十分困難，日本人在保水劑中混入無(wú)機(jī)物質(zhì)(黏土)制成了復(fù)合保水劑及膨潤(rùn)土型保水劑(復(fù)合保水劑B I)［23］。國(guó)內(nèi)保水劑常用使用方法多為溝施、層施、穴施、翻施等。王硯田等［24］認(rèn)為，田間應(yīng)以穴施為宜，也有研究認(rèn)為層施優(yōu)于穴施，但總的來(lái)說(shuō)，保水劑最好避免撒在土壤表面，應(yīng)穴施或深施［16］。綜合來(lái)看，保水劑應(yīng)用于水土保持，施用在0～10 cm土層效果顯著，PAM在水土保持中的應(yīng)用多采用溶解法、撒施法、噴灑法等，多集中在土壤表層。

2.3 施用量

在水土保持應(yīng)用中，保水劑的使用量還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，一般使用量因施用方法、目的、土壤質(zhì)地等因素的不同而不同。在水土流失治理中施用保水劑，理論上為使用量越大效果越好，但考慮到經(jīng)濟(jì)效益，一般采用一個(gè)產(chǎn)投比高的施用量。閆永利等［25］在測(cè)定土壤特性對(duì)保水劑吸水性能的影響時(shí)，采用保水劑與風(fēng)干土壤混合，混合比例為0.5%。黃占斌等［26］的試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤中保水劑在0.005% ～0.01%范圍時(shí)，土壤團(tuán)聚體顯著增加，當(dāng)土壤保水劑含量大于0.1% 時(shí)，土壤團(tuán)聚體量增加緩慢，土壤保水劑含量在0.1%以下時(shí)，可顯著減少?gòu)搅骱屯寥懒魇Я?。李景生等?］認(rèn)為，保水劑在土壤中含量在0.05%～0.1%范圍內(nèi)吸水率最大。室內(nèi)試驗(yàn)［1，25-26］表明，在水土流失治理中，土壤中的保水劑含量應(yīng)以0.1%為佳。

在抗旱造林中使用的保水劑，其施用量并不是越大越好。使用量應(yīng)該科學(xué)合理，使用量太小，發(fā)揮不了蓄水保墑的功效，使用量太大，不僅提高了造林費(fèi)用，而且雨季會(huì)導(dǎo)致土壤蓄水過(guò)量，造成樹(shù)根腐蝕。多年的試驗(yàn)結(jié)果顯示:在降雨量為350～400 mm的黃土高原半干旱氣候區(qū)，培植2～3年生針葉樹(shù)苗木，保水劑使用量為每株20～25 g，培植1～2年生闊葉樹(shù)苗木，保水劑使用量為每株30～40 g，培植1～2年生經(jīng)濟(jì)林苗木，保水劑使用量為每株40～60 g。針對(duì)土層較深較厚、保水保肥能力好的壤土或者黏土地，保水劑的使用量應(yīng)該適量減小，而對(duì)于土層比較淺、保水保肥能力弱的沙地、貧瘠地，應(yīng)適量增加保水劑。在干旱或者半干旱氣候區(qū)，應(yīng)該適量增加保水劑用量，而季節(jié)性干旱氣候區(qū)，可以適量減小保水劑用量，通常增加或減小的幅度大約為20%。如果土壤的含鹽量偏多，保水劑的使用量必須要大，特別是鹽堿地［27］。黨秀麗等［28］還利用正交回歸設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出保水劑粒徑、土壤質(zhì)地、保水劑用量與土壤有效含水量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，可為生產(chǎn)上根據(jù)土壤質(zhì)地合理確定保水劑顆粒大小及用量提供依據(jù)。

2.4 施用范圍

保水劑應(yīng)用于水土保持，其作用的發(fā)揮還存在一個(gè)效應(yīng)時(shí)間和效應(yīng)空間。保水劑吸水性能主要受其本身的組成和結(jié)構(gòu)，以及水溶液或土壤中的鹽分組成、土壤質(zhì)地和pH值等因素的影響，而實(shí)際應(yīng)用中還與外界環(huán)境條件，包括土壤溫度、濕度、微生物狀況、土壤干濕交替程度等因素有關(guān);所以，保水劑應(yīng)用在治理水土流失的過(guò)程中，并不是任何情況下都有效果。

2.4.1 土壤類(lèi)型 我國(guó)土壤類(lèi)型多樣，同種類(lèi)型的保水劑在不同土壤質(zhì)地施用可能會(huì)有不同效果。楊永輝等［29］研究發(fā)現(xiàn):沃特保水劑可顯著提高黑壚土的土壤持水性，對(duì)塿土和黃綿土則無(wú)顯著影響;沃特保水劑可顯著改善黃綿土的土壤導(dǎo)水率，對(duì)黑壚土無(wú)顯著影響，而對(duì)塿土則有抑制作用。保水劑對(duì)粗質(zhì)地的土壤保水效果較好［28］。閆永利等［25］比較了保水劑對(duì)沙壤土、壤砂土、砂黏壤土1和砂黏壤土2等4種土壤的影響，發(fā)現(xiàn):保水劑與土壤混合后明顯降低了吸水倍率，且隨著吸水時(shí)間的加長(zhǎng)，降低幅度增大(表1);吸水初期，土壤中離子溶解量較小，對(duì)保水劑影響較小，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中離子溶解量逐漸增加，對(duì)保水劑影響增大，使保水劑吸水倍數(shù)下降;土壤離子溶解量與土壤黏粒含量有關(guān)，黏粒含量越高，土壤離子溶解量也越高，導(dǎo)致保水劑吸水倍數(shù)降低幅度較大;土壤黏粒含量影響保水劑的吸水倍數(shù)。

表1 保水劑在不同土壤中的吸水倍數(shù)Tab．1 Water absorption rate of water holding agent in different soil types g/g

2.4.2 土壤離子含量 土壤溶液和水溶液中離子濃度對(duì)保水劑應(yīng)用效果有很大的影響。一般離子濃度越大、價(jià)態(tài)越高，則保水劑的吸水倍率越低，不同價(jià)態(tài)離子對(duì)其吸水率的影響表現(xiàn)為Na+＜K+＜Mg2+＜ Ca2+＜ Fe3+［21］。白文波等［30］研究表明:水質(zhì)對(duì)保水劑初次吸水能力降低的效應(yīng)大于土壤介質(zhì)，保水劑雖然在純水中吸水倍數(shù)較高，但有離子影響時(shí)吸水倍數(shù)很低。劉瑞鳳等［31］研究得出PAAAM/SH復(fù)合保水劑在純水中的吸水倍數(shù)可達(dá)到700 g/g，在1%的氯化鈉溶液中吸水倍數(shù)僅為45 g/g，并且隨著氯化鈉溶液濃度的增大而減小。據(jù)黃占斌等［26］報(bào)道，鈣、鎂二價(jià)陽(yáng)離子對(duì)鈉類(lèi)保水劑吸水力拮抗作用明顯，當(dāng)溶液中鈣、鎂離子達(dá)到0.2 mg/g時(shí)，鈉保水劑的吸水倍數(shù)由228 g/g減少到100 g/g左右，減小近50%。由于保水劑對(duì)鹽分敏感，在半干旱地區(qū)，土壤溶液中及降雨中均含有一定量的可溶性鹽離子，尤其在灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，不同灌溉水質(zhì)對(duì)保水劑的水土保持效果有明顯的抑制作用。研究［32-33］表明，PAM可作為防止水土流失的最佳土壤改良劑，可防止溝灌水蝕。我國(guó)西北地區(qū)，土壤中鈣含量較高，在使用保水劑時(shí)會(huì)顯著降低其效果，因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中選擇保水劑時(shí)，要充分考慮土壤鹽堿化程度和灌溉水質(zhì)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)、土壤中的離子類(lèi)型及濃度確定所用保水劑類(lèi)型。

2.4.3 土壤含水量 保水劑的水土保持功能與其保水、持水能力和增加土壤水分入滲速率密切相關(guān)。有研究［34-35］表明，保水劑的使用效果與土壤水分高低有很大關(guān)系。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所等單位的試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤含水量為15.9%時(shí)，保水劑涂層處理的玉米(Zea mays L.)種子出苗率最高，土壤含水量為18%時(shí)，處理與對(duì)照相近，對(duì)生產(chǎn)失去意義。蔡典雄等［34］認(rèn)為，在降水頻率和雨量較高的南方，只要不是干旱季節(jié)，且土壤含水量不低于10%，施用保水劑造林后基本不用澆水。一般認(rèn)為，造林時(shí)土壤有效含水量不能低于7.5%，否則施用保水劑造林難以成功。譚國(guó)波等［35］研究發(fā)現(xiàn):吉林省乾安縣淡黑鈣土表層0～7 cm土壤持水量達(dá)到田間持水量的40%時(shí)，玉米出苗率達(dá)18.8%，當(dāng)土壤持水量達(dá)到田間持水量的45%時(shí)，玉米出苗達(dá)到100%;但施用保水劑后，上述2種土壤上種植的玉米均不能出苗，這可能是由于玉米播種時(shí)采用坐水播種，土壤水分相對(duì)不足，保水劑在種床部位與種子爭(zhēng)水，進(jìn)而影響了種子出苗。

3 水土保持效益

3.1 提高苗木成活，促進(jìn)苗木生長(zhǎng)

目前我國(guó)森林覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，林草措施在水土保持中占據(jù)重要地位。干旱少雨區(qū)成功造林是全世界面臨的難題。保水劑在造林綠化中有顯著作用。趙軍達(dá)等［36］在甘南縣對(duì)云杉(Picea asperata Mast)、樟子松(Pinus sylvestnis var.mongolica Litv.)、楊樹(shù)(Populus bolleana Lauche)施用不同梯度的BJ2101保水劑，結(jié)果表明，保水劑提高了苗木的成活率和保存率，促進(jìn)了苗木生長(zhǎng)。韓恩賢等［37］在黃土高原應(yīng)用AS型高效保水劑進(jìn)行了造林試驗(yàn)，結(jié)果表明，保水劑保水持效期達(dá)3個(gè)月以上，樹(shù)高、莖粗增長(zhǎng)14%和13%。劉衍春等［38］使用河北省天壽化工廠生產(chǎn)的IB-Ⅲ型聚丙烯酸銨顆粒劑和粉劑，樟子松移栽成活率提高了10% ～15%，而且顯著促進(jìn)了苗木生長(zhǎng)。國(guó)外研究認(rèn)為，施用保水劑促進(jìn)了植物嫩枝和根系的生長(zhǎng)，促使植物干物質(zhì)質(zhì)量增加，提高了植物的生物量和葉面積［39］。宋永蓮等［40］在柴達(dá)木盆地使用抗旱保水劑，紫花苜蓿(Medicago sativa L)出苗較對(duì)照增加24.25株/m2，存苗增加35.62株/m2，苗高平均增加0.32 cm，根長(zhǎng)平均增長(zhǎng)0.69 cm，鮮草增加0.41 kg/m2。

3.2 減少?gòu)搅髂嗌?/h3>

以色列農(nóng)業(yè)研究組織(ARO)水土研究所采用當(dāng)?shù)赝寥?沙壤土)混入0.1% 保水劑，進(jìn)行了人工降雨模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn):第1次降雨時(shí)，土壤水分最終入滲率(FIR)為11 mm/h，高于無(wú)保水劑土壤43%，徑流和土壤流失量分別減少1%和34%;第2次降雨時(shí)，F(xiàn)IR為9.3 mm/h，高于對(duì)照44%，徑流和土壤流失量分別減少 5%和 9.4%［26，41］。孫宏義等［42］研究發(fā)現(xiàn)，將保水劑噴施用于黃土、粉煤灰、風(fēng)沙土中具有明顯的抗風(fēng)蝕、抑制沙塵的效果，且保水劑和固沙復(fù)合材料共同施用于風(fēng)沙土，防風(fēng)蝕效果更為顯著。

3.3 改良土壤結(jié)構(gòu)

土壤團(tuán)聚體是表征土壤結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，其數(shù)量和穩(wěn)定性是衡量土壤可蝕性和土壤質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)。保水劑高分子鏈結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)易分散微粒間的黏結(jié)力，使微粒能夠彼此黏結(jié)，團(tuán)聚成水穩(wěn)性團(tuán)粒，從而引起粒徑組成的變化，形成大團(tuán)聚體，提高土壤的抗蝕性。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，在土壤中加入高分子保水劑有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，特別是大于1 mm的團(tuán)聚體比例增長(zhǎng)迅速［41，43］。黃占斌等［44］的試驗(yàn)結(jié)果表明:保水劑對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有促進(jìn)作用(表2);土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤通透性、防止表土結(jié)皮、減少水土流失量有明顯作用。

表2 保水劑對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的影響Tab．2 Effect of water holding agent on soil aggregate structure

3.4 提高土壤保肥性能

保水劑具有明顯的吸附作用，當(dāng)保水劑的用量一定時(shí)，其吸肥量隨肥料的增加而增加［19］，但其保水效果會(huì)受所施肥料種類(lèi)的影響。李長(zhǎng)榮等［19］研究認(rèn)為，尿素等非電解質(zhì)肥料能使保水劑的保水保肥效果得到充分發(fā)揮，是水肥耦合的最佳選擇，而NH4CL、Zn(N03)2等電解質(zhì)肥料則降低了保水劑的吸水能力。張富倉(cāng)等［45］的研究結(jié)果表明，保水劑對(duì)土壤的-N有一定的保持能力，可減少土壤-N淋失，與對(duì)照相比，保水劑用量為0.2%、0.6%、1.0%時(shí)，黃綿土持留的-N含量分別增加25.2%、32.1%、44.0%，塿土持留的-N含量分別增加12.4%、26.8%、28.5%。車(chē)明超等［46］的試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯酸鈉保水劑、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合保水劑、腐植酸型保水劑都顯著降低了土壤中的尿素淋失，對(duì)脲酶活性有一定促進(jìn)作用，可使尿素更有效更持久地分解為能被植物吸收的銨態(tài)氮。杜建軍等［47］研究發(fā)現(xiàn)，施用0.05% ～0.20%的保水劑時(shí)，氮、磷、鉀養(yǎng)分累積淋失量分別較不施保水劑減少13.60% ～39.62%、28.31% ～16.96%和6.76% ～24.55%。

保水劑應(yīng)用于水土保持，不僅可吸收、保存降水，減少?gòu)搅?，增加土壤水分入滲，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少水土流失，改善土壤生態(tài)功能，而且在作物需要水分時(shí)，能將保存的水分釋放出來(lái)促進(jìn)作物生長(zhǎng)。保水劑在保持水土的同時(shí)還可產(chǎn)生一定的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了保水劑在水土保持中的應(yīng)用。

4 應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

我國(guó)應(yīng)用保水劑防治水土流失還處于起步階段。從理論上分析，保水劑具有良好的水土保持效應(yīng)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在很多問(wèn)題。例如:產(chǎn)品價(jià)格高、產(chǎn)品使用性能與實(shí)際需求差距較大;缺乏對(duì)保水劑作用原理的全面正確理解;應(yīng)用技術(shù)缺乏規(guī)范;等等。這使得保水劑的作用沒(méi)有得到充分發(fā)揮甚至出現(xiàn)一些相反的結(jié)果。而且保水劑應(yīng)用效果受多種因素影響，如土壤質(zhì)地、施用時(shí)機(jī)及方法等，給保水劑的使用帶來(lái)很大的困難。

在實(shí)際應(yīng)用保水劑過(guò)程中，要在室內(nèi)和田間針對(duì)本地區(qū)的具體自然狀況進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)，確定保水劑施用的最佳類(lèi)型、施用量、施用方法等，保證保水劑的施用效果。保水劑作為防治水土流失的一種化學(xué)措施，應(yīng)結(jié)合林草及工程措施，才能發(fā)揮更大的作用。保水劑不是造水劑，在過(guò)于干旱的地區(qū)不能過(guò)分依靠保水劑，在年降雨量小于300 mm的地區(qū)不能單純使用保水劑，要在一定的灌水基礎(chǔ)上實(shí)施綜合配套技術(shù)。注重保水劑對(duì)水土流失及土壤可蝕性因子的影響，為保水劑治理水土流失提供指導(dǎo)。

5 展望

保水劑在水土保持中的應(yīng)用與推廣，基礎(chǔ)研究是重點(diǎn)，今后工作方向主要有:1)新型保水劑的開(kāi)發(fā)，即加強(qiáng)研究保水劑添加其他農(nóng)林制劑，形成植樹(shù)造林、防沙治沙、農(nóng)田生產(chǎn)、綠化護(hù)坡等不同用途的保水劑，以及拌種、土壤施用、灌水施用等不同劑型的多功能保水劑系列化復(fù)合產(chǎn)品;2)長(zhǎng)期使用保水劑對(duì)土壤綜合效應(yīng)的影響以及從機(jī)制方面分析其保水、保土、保肥效果，以期為水土保持中正確施用保水劑提供理論依據(jù);3)確定一套以保水劑應(yīng)用為中心的綜合保水、節(jié)水技術(shù)體系，提高降水和灌溉水利用率，防止土壤退化和荒漠化;4)制訂出一個(gè)保水劑評(píng)價(jià)體系，作為保水劑統(tǒng)一生產(chǎn)與使用的規(guī)范。

水土保持中使用保水劑，不但可改善生態(tài)環(huán)境，同時(shí)在一定程度上也可促進(jìn)生產(chǎn)效益的提高，帶來(lái)巨大的生態(tài)效益和社會(huì)效益，只有將經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益結(jié)合起來(lái)，在改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，才能使當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入良性的可持續(xù)發(fā)展軌道。

［1］李景生，黃韻珠.土壤保水劑的吸水保水性能研究動(dòng)態(tài)［J］.中國(guó)沙漠，1996，16(1):86-91

［2］黃占斌，辛小桂，寧榮昌，等.保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2003，21(3):11-14

［3］AI-Harbi A R，AI-Omran A M，Shalaby A A，et al.Efficacy of a hydrophilic polymer declines with time in greenhouse experiments［J］.Hortic Sci，1999，34(2):223-224

［4］Craul P J.The nature of urban soils:their problems and future［J］.Arboricultural Journal，1994，18:275-287

［5］杜太生，康紹忠，魏華.保水劑在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2000，21(5):317-320

［6］莊文化，馮浩，吳普特.高分子保水劑農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(6):265-270

［7］Janardan S J.Effect of stockosorb polymers and potassium levels on potato and onion［J］.Journal of Potassium Research，1998，4(1):78-82

［8］Ben-Hur M，Keren R.Polymer effects on water infiltration and soil aggregation［J］.Soil Science Society of A-merica Journal，1997，61(2):565-570

［9］Levin J，Ben-Hur M，Gal M，et al.Rain energy and soil amendments effect on infiltration and erosion of three different soil types［J］.Australian Journal of Soil Research，1997，29(3):455-465

［10］賈朝霞，鄭焰.高吸水性樹(shù)脂用于水土保持和節(jié)水農(nóng)業(yè)的新思路［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，1999，16(3):38-41

［11］黨秀麗，張玉龍，黃毅.保水劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用與研究進(jìn)展［J］. 土壤通報(bào)，2006，37(2):352-355

［12］夏海江，杜堯東，孟維忠.聚丙烯酰胺防治坡地土壤侵蝕的室內(nèi)模擬試驗(yàn)［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2000，14(3):14-17

［13］Sojka R E，Lentz R D，Westermann D T.Water and erosion management with multiple applications of polyacrylamide in furrow irrigation［J］.Soil Sci Soc Am J，1998，62(6):1672-1680

［14］鄒新禧.超強(qiáng)吸水劑［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991:301-328

［15］李云開(kāi)，楊培玲，劉洪祿.保水劑農(nóng)業(yè)應(yīng)用及其效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(2):182-187

［16］張富倉(cāng)，康紹忠.BP保水劑及其對(duì)土壤與作物的效應(yīng)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(2):74-78

［17］Ben-Hur M，F(xiàn)aris J，Letey J.Polymers as soil conditioners under consecutive irrigation and rainfall［J］.Soil Science Society of America Journal，1989，53(4):1173-1177

［18］Ben-Hur M，Keren R.Polymer effects on water infiltration and soil aggregation［J］.Soil Science Society of A-merica Journal，1997，61(2):565-570

［19］李長(zhǎng)榮，邢玉芬，朱健康，等.高吸水性樹(shù)脂與肥料相互作用的研究［J］.北京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，15(2):187-191

［20］黃震，黃占斌，李文穎，等.不同保水劑對(duì)土壤水分和氮素保持的比較研究［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，18(2):245-249

［21］黃占斌，張玲春，蕫莉，等.不同類(lèi)型保水劑性能及其對(duì)玉米生長(zhǎng)效應(yīng)的比較［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，21(1):140-143

［22］蔡典雄，趙興寶.保水劑的特點(diǎn)和應(yīng)用［J］.中國(guó)林業(yè)，2001(4):30

［23］土壤保水聚合物研究會(huì).土壤保水劑在沙漠地區(qū)的應(yīng)用［J］.世界沙漠研究，1993(2):37-46

［24］王硯田，華孟，趙小雯，等.高吸水性樹(shù)脂對(duì)土壤物理性狀的影響［J］.北京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，16(2):181-187

［25］閆永利，于健，魏占民，等.土壤特性對(duì)保水劑吸水性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(7):76-79

［26］黃占斌，張國(guó)楨，李秧秧，等.保水劑特性測(cè)定及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(1):22-26

［27］李妍.新型保水劑在干旱區(qū)造林中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代園藝，2011(7):29

［28］黨秀麗，張玉龍，黃毅.保水劑對(duì)土壤持水性能影響的模擬研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(4):191-192

［29］楊永輝，趙世偉，黃占斌，等.沃特多功能保水劑保水性能研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006，24(5):35-37

［30］白文波，張浣中，宋吉青.保水劑重復(fù)吸水性能的比較研究［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2010，12(3):92-97

［31］劉瑞鳳，張俊平，王愛(ài)勤.PAA-AM/SH復(fù)合保水劑吸水性能及緩釋效果研究［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2005，21(12):205-208

［32］Sojka R E，Lentz R D.Time for yet another look at soil conditioners［J］.Soil Science，1994，158(4):233-234

［33］袁普金，黃興法，雷廷武，等.波涌灌溉和PAM作用下內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水蝕的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，7(2):36-40

［34］蔡典雄，趙興寶.淺談保水劑在南方果樹(shù)區(qū)的應(yīng)用及前景［J］.中國(guó)南方果樹(shù)，2000，29(2):50

［35］譚國(guó)波，邊少鋒，馬虹，等.保水劑對(duì)玉米出苗率及土壤水分的影響［J］.吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，30(5):26-32

［36］趙軍達(dá)，高野，王立剛，等.BJ2101型保水劑對(duì)苗木成活及生長(zhǎng)影響［J］.防護(hù)林科技，2007(5):31-32

［37］韓恩賢，韓剛，薄穎生，等.半干旱地區(qū)側(cè)柏造林應(yīng)用保水劑試驗(yàn)［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19(3):50-52

［38］劉衍春，李煒，郭新宇，等.保水劑對(duì)提高樟子松造林成效的初步研究［J］.中國(guó)林副特產(chǎn)，2005(1):19

［39］Haas H P，Rober R.Substrate additives，watering and growth of Euphorbia pulcherrima［J］.Gartenbau Magazine，1993，12(2):68-70

［40］宋永蓮，王生福，巴音孟克，等.抗旱保水劑在紫花苜蓿種植中應(yīng)用的試驗(yàn)報(bào)告［J］.青海草業(yè)，2003，12(3):6，10

［41］黃占斌，朱書(shū)全，張鈴春，等.保水劑在農(nóng)業(yè)改土節(jié)水中的效應(yīng)研究［J］.水土保持研究，2004，11(3):57-60

［42］孫宏義，李芳，楊新民，等.保水劑處理土壤的抗風(fēng)蝕性能研究［J］. 中國(guó)沙漠，2005，25(4):618-622

［43］張國(guó)楨，黃占斌，方鋒.保水劑對(duì)土壤和獼猴桃產(chǎn)量的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2003，21(3):26-29

［44］黃占斌，萬(wàn)會(huì)娥，鄧西平，等.保水劑在改良土壤和作物抗旱節(jié)水中的效應(yīng)［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1999，5(4):52-55

［45］張富倉(cāng)，李繼成，雷艷，等.保水劑對(duì)土壤保水持肥特性的影響研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，18(1):120-128

［46］車(chē)明超，黃占斌，王曉茜，等.施用保水劑對(duì)土壤氮素淋溶及脲酶活性的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(增刊):93-97

［47］杜建軍，荀春林，崔英德，等.保水劑對(duì)氮肥銨揮發(fā)和氮磷鉀養(yǎng)分淋溶損失的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(4):1296-1301

Application and development of water holding agents in soil and water conservation

Li Jingjing1，2，Bai Gangshuan1，3

(1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing;3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi:China)

As a high molecular polymer，water holding agents possesses the capability of absorbing water，soil conservation，and preserving fertilizer.It can improve soil structure，reduce soil bulk density，increase soil erosion resistance and play a role in soil and water conservation by its water-conserving function and acting mechanism of soil science.Based on the function of water holding agents on soil and water conservation，this paper introduced the functional mechanisms of water holding agent，the key factors in application processes of soil and water conservation，soil and water conservation effects，and existing problems in the current application and future research directions.It can be concluded that using water holding agents properly had significant effects on soil and water conservation with proper types，application methods and quantity and so on.The multifunctional water holding agents with lower cost should be developed and the application fields and scale should be extended in the further study on soil and water conservation.

water holding agents;soil and water conservation;preventive mechanism;key factors;existing problems

2011-08-01

2011-11-01

項(xiàng)目名稱:國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持與高效農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)集成與示范”(2011BAD31B05-02);水利部科技推廣項(xiàng)目“保水劑技術(shù)的推廣應(yīng)用”(TG1144)

李晶晶(1987—)，女，碩士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:Lijingjing110@mails.gucas.ac.cn

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:白崗栓(1965—)，男，研究員。主要研究方向:果樹(shù)栽培及保水劑應(yīng)用。E-mail:gshb@nwsuaf.edu.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)