閆永利，魏占民，任秀蘋，奇 鳳v(.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 009； .內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 0008； .內(nèi)蒙古包頭市土默特右旗水務(wù)局，內(nèi)蒙古 包頭 009；.鄂爾多斯工業(yè)與城市供水辦公室，內(nèi)蒙古 東勝 07000

保水劑作為一種新型節(jié)水材料，由于其具有很強的吸水、保水能力，而且具有反復(fù)吸水功能，所吸收的水分可緩慢釋放供作物利用[1-4]，近年來受到有關(guān)研究者的廣泛關(guān)注，并對其開展了大量的試驗研究。研究表明，保水劑可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤含水量，提高土壤的持水性能[5-9]。針對保水劑對土壤持水性方面的影響研究，目前多側(cè)重于研究保水劑對同一土壤或不同類型保水劑對同一土壤持水性的影響[10-17]，還有將保水劑施用與其他抗旱節(jié)水措施結(jié)合研究保水劑對土壤特性及作物生長和產(chǎn)量等的影響[18-22]。關(guān)于保水劑對不同土壤持水效果研究幾乎沒有。實際上保水劑的吸、持水性能受土壤特性的影響較大[23-25]，這樣勢必會導(dǎo)致保水劑在不同土壤中的應(yīng)用效果存在差異，因此，針對保水劑對不同土壤的持水效果開展研究，是關(guān)于保水劑對土壤持水性能影響研究的有力補充，對保水劑在農(nóng)業(yè)上的合理、高效應(yīng)用具有重要的理論及實踐指導(dǎo)意義?；诖耍狙芯窟x用3種土壤，通過室內(nèi)試驗分析保水劑對土壤持水性影響及在不同土壤中的持水效果進行對比，為保水劑的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1)保水劑。采用3種保水劑，分別為：BJ-2101S、PR3005S和PR3005KL。BJ-2101S和PR3005S為白色粉末狀，粒徑分別為0.1～0.25 mm和0.3～0.5 mm；PR3005KL為白色顆粒狀，粒徑3～4 mm。

(2)土壤。供試土壤3種，分別為：壤沙土、沙黏壤土和壤土。其中壤沙土和沙黏壤土分別取自內(nèi)蒙古陰山北麓察右中旗和武川縣，壤土取自內(nèi)蒙古阿榮旗，所有土樣均取于耕地表層0～20 cm，土壤特性見表1。

1.2 試驗設(shè)計與方法

(1)試驗設(shè)計。將保水劑與土壤混合，共設(shè)計4個比例(以保水劑質(zhì)量占土壤質(zhì)量百分比計)，分別為0.1 0%、0.3 0%、0.50%和1.00%。以單純土壤(不加保水劑)作為對照處理，用CK表示。本試驗共計處理5個，每個處理設(shè)3個重復(fù),試驗時每個重復(fù)土壤用量為150 g。

表1 土壤特性Tab.1 Properties of soil

(2)試驗方法。首先將供試土壤風(fēng)干并過2 mm篩，按試驗設(shè)計要求分別稱取過篩后的風(fēng)干土150 g，再按設(shè)計處理濃度稱取一定量的保水劑，將土壤與保水劑混合均勻后裝入呈圓柱體形的尼龍布袋中(直徑8 cm，高14 cm)。將裝有保水劑與土壤的布袋以及只裝土壤(CK)的布袋置于裝有2 000 mL自來水(電導(dǎo)率EC=0.36 mS/cm)的容器中，使其吸水。15 min后將布袋取出并靜置5 min，使其不產(chǎn)生滴水，稱重后將布袋置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)在60 ℃下恒溫蒸發(fā)。此后，每隔1 h取出稱重，連續(xù)測定7 h。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft office Excell對試驗數(shù)據(jù)進行處理，計算不同處理的土壤含水率，各處理的土壤含水率為對應(yīng)3個重復(fù)的算術(shù)平均值。由于試驗中土壤裝于布袋中，所以各處理的含水率包含布袋吸收水分。將處理后的數(shù)據(jù)進行比較分析，并利用SAS軟件，運用Duncan法進行差異顯著性分析(P<0.05)。

試驗過程中，不同處理之間，由于土壤特性的差異以及保水劑使用量的不同，在吸水時間相同的情況下，各處理初始的絕對含水率必然會存在差異。而絕對含水率主要反映土壤中水分含量的多少，不能直觀反映其保持水分的能力，因此，本文采用能反映土壤持水性能的相對含水率，即保水率(不同時刻土壤含水率占初始含水率百分比)進行比較分析。不同時刻土壤保水率計算完成后，根據(jù)分析討論需要繪制土壤保水率隨水分蒸發(fā)時間的變化曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑使用量對土壤持水性能影響

圖1中(a)、(b)、(c)分別表示保水劑以不同用量與壤沙土、沙黏壤土和壤土混合后，在恒溫蒸發(fā)過程中，3種土壤保水率隨時間變化。保水劑不同用量下土壤保水率以3種保水劑分別與同一土壤混合后土壤保水率的平均值計?？梢钥闯?，與對照相比，土壤中施用不同量保水劑后其保水率也增大，且隨保水劑用量增大而增大。恒溫蒸發(fā)7 h后，3種土壤(對照)的保水率為8.71%～34.10%；而保水劑施用比例分別為0.10%、0.30%、0.50%和1.00%時，3種土壤保水率分別為33.04%～43.95%、41.31%～53.79%、48.85%～58.06%和53.78%～58.83%(見表2)。綜合3種土壤的平均保水率，經(jīng)過7 h恒溫蒸發(fā)后，對照為19.74%，而施加比例為0.10%～1.00%的保水劑后土壤保水率為40.11%～56.61%，較對照提高1.03～1.87倍(見表2)。

保水劑對土壤持水性的影響還可從土壤釋水曲線的斜率變化反映出來，土壤釋水曲線的斜率大小反映土壤釋水速度的快慢，斜率越大，釋水速度越快，反之，則越慢。從圖1可以看出，與對照相比，土壤中加入保水劑后，土壤釋水曲線的斜率有不同程度的減小，這說明土壤的釋水速度降低，尤其是隨著蒸發(fā)時間的不斷延長，這一趨勢顯得更為明顯?？梢?，土壤中施入保水劑后，在蒸發(fā)過程中可有效抑制土壤水分蒸發(fā)，從而在較長時間內(nèi)使土壤保持較多的水分，提高土壤保持水分的能力。

圖1 土壤保水率隨時間變化Fig.1 Water holding rate changes of soil with time

%

注：同一行中不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

在用量影響方面，雖然土壤保水率隨保水劑用量的增大而呈現(xiàn)總體增加的趨勢，但是不同用量間，隨著用量的遞增，土壤保水率增幅有一定的差別。以壤沙土為例，恒溫蒸發(fā)7 h后，土壤保水率由保水劑施用比例為0.10%時的33.04%，增大至比例為0.30%時的41.31%，增幅為25.02%；比例由0.30%增大至0.50%，保水率增幅為29.22%；比例由0.50%增大至1.00%，保水率增幅僅為7.19%。沙黏壤土和壤土也表現(xiàn)出與壤沙土相似的規(guī)律。這說明，雖然保水劑有提高土壤保持水分的功效，但是當(dāng)保水劑達到一定用量后，保水率增幅效果不顯著，方差分析進一步表明這一點(見表2)。綜合3種土壤平均保水率，保水劑施用比例為0.10%時，恒溫蒸發(fā)7 h后土壤保水率較對照有明顯提高，且差異顯著；當(dāng)比例增大至0.30%時，雖然土壤保水率較對照均有顯著提高，但與比例為0.10%時相比，無顯著差異；當(dāng)比例逐漸增大至0.50%和1.00%時，與比例為0.30%時相比，相互間也無顯著差異?？梢?，在實際使用保水劑時，應(yīng)合理確定保水劑用量，使用量過小，不會產(chǎn)生明顯效果；用量過大，不僅其功效得不到充分體現(xiàn)，造成保水劑的浪費，同時增加了投入成本，影響經(jīng)濟效益。

2.2 保水劑對不同土壤持水效果比較

2.2.1未使用保水劑3種土壤持水性比較

圖2為3種土壤的保水率隨時間變化曲線，總體上，壤土的保水率隨時間變化曲線居于圖中最上方，沙黏壤土居中，而壤沙土處于最下方，這說明不同土壤間由于其特性的差異，其保持水分的能力也各異?？偟膩碚f，土壤保持水分的能力隨著土壤中黏粒含量的增加而提高，經(jīng)過7 h恒溫蒸發(fā)后，3種土壤的保水率分別為：壤土34.10%、沙黏壤土16.41%、壤沙土8.71%。雖然壤土(黏粒含量25.5%)的黏粒含量是壤沙土(黏粒含量12.5%)的2.04倍，但是，經(jīng)過7 h恒溫蒸發(fā)后的保水率，前者是后者的3.92倍；壤土的黏粒含量是沙黏壤土(黏粒含量20.0%)的1.275倍，但其保水率前者是后者的2.08倍。

圖2 未施用保水劑3種土壤保水率變化Fig.2 Water holding rate changes of three kinds of soil without water retaining agent

2.2.2施用保水劑后3種土壤持水性比較

圖3中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示保水劑施用比例為0.10%、0.30%、0.50%和1.00%時，壤沙土、沙黏壤土和壤土3種土壤的保水率隨時間變化曲線。上述分析可知，雖然適量施用保水劑后可顯著提高土壤的持水性，但是，保水劑對3種土壤持水性的影響結(jié)果有一定的差異，且差異的大小與水分蒸發(fā)時間及保水劑用量有關(guān)。

由圖3可以看出，施用保水劑后，在土壤水分蒸發(fā)初期(1 ～ 2 h)，在保水劑用量相同的情況下，不同土壤的保水率隨時間變化曲線幾乎是重疊在一起的，保水率差異很小。恒溫蒸發(fā)2 h后，保水劑施用比例為0.10%時，3種土壤的保水率為75.84%～77.18%，比例為0.30%、0.50%、1.00%時，3種土壤的保水率分別為81.82% ～ 83.45%、82.49% ～ 83.02%、84.32% ～ 86.31%?？梢姡谕寥浪终舭l(fā)初期，即使施用保水劑，不同土壤之間其保持水分的能力也沒有明顯差異，這與未施用保水劑3種土壤的保水率變化規(guī)律基本一致(見圖2)。在實際應(yīng)用中，土壤若經(jīng)充分灌溉或遇大量降雨后，在土壤水分蒸發(fā)初期，此時土壤處于含水率較高的狀態(tài)下，由于土壤水分充足，可為植物生長提供足夠的水分，研究該階段保水劑對土壤持水性能的影響則意義不大，正如研究者所得結(jié)論，保水劑在土壤水分較高的情況下，其功效得不到充分體現(xiàn)[26]。所以，針對土壤水分蒸發(fā)后期，分析保水劑對不同土壤持水性的影響更具有實際意義。

在土壤水分蒸發(fā)后期(2 h后)，對比圖2和圖3可以看出，與對照相比，保水劑可使不同土壤保持水分能力的差距縮小。恒溫蒸發(fā)7 h后，未施用保水劑3種土壤間的保水率差異較大，

圖3 施用不同量保水劑后3種土壤保水率變化Fig.3 Water holding rate changes of three kinds of soil using different amount of water retaining agent

而施用保水劑后，同樣條件恒溫蒸發(fā)7 h后，3種土壤間的保水率差異相對較小，且隨著保水劑用量的增大，差異逐漸縮小，保水劑施用比例為0.10%和0.30%時，雖然壤沙土的保水率仍然為最小，但最大保水率與其比值已降低至1.33和1.30；比例為0.50%和1.00%時，壤沙土的保水率已不是最小，僅次于保水率最高的壤土，壤土與壤沙土保水率的比值分別為1.09和1.03。這從另一層面反映保水劑對提高不同土壤持水性能的功效是有差別的。從上述對比分析可以看出，未施用保水劑時，壤沙土與其他2種土壤相比持水性最差，且差別較大。而施用保水劑后，總體上壤沙土保水率與其他土壤保水率的差距逐漸縮小，甚至出現(xiàn)壤沙土的保水率高于沙黏壤土且接近壤土，這說明保水劑對壤沙土保水率的提高幅度高于其他土壤。

為進一步對比分析保水劑對不同土壤持水性影響的差異，圖4給出了不同保水劑施用比例下恒溫蒸發(fā)7 h后3種土壤保水率較對照提高百分?jǐn)?shù)及不同土壤間的差異性?？梢钥闯?，相同保水劑用量下，保水劑在提高土壤保持水分能力方面，在不同土壤中的應(yīng)用效果是有差別的。保水劑施用比例為0.10%～1.00% ，從土壤保水率較對照提高百分?jǐn)?shù)來看，壤沙土最高為293.08%～591.29%，沙黏壤土次之為181.85%～249.78%，壤土最低為29.53%～73.03%。3種土壤分別在4個不同的保水劑用量下，土壤平均保水率較對照增幅分別為：壤沙土452.72%，沙黏壤土221.44%，壤土55.39%。

圖4 不同保水劑用量下恒溫蒸發(fā)7 h后3種土壤保水率較對照提高百分?jǐn)?shù)Fig.4 Water holding rate of three kinds of soil using different amount of water retaining agent higher than the control group after seven hours constant evaporation注：同一用量下不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由方差分析表明，土壤水分蒸發(fā)后期，保水劑對提高土壤保持水分的功效方面，在黏粒含量較低的壤沙土中的應(yīng)用效果總體上要好于黏粒含量較高的沙黏壤土和壤土，這主要與土壤固有特性及土壤對保水劑性能影響有關(guān)。對于3種不同的土壤，壤沙土黏粒含量最低，土壤保水性最差，施用保水劑后保水率增幅最高，而沙黏壤土和壤土的黏粒含量較高，土壤本身的保水性能就高于壤沙土，施用保水劑后其保水能力雖然也有一定的提高，但提高的幅度較壤沙土小。關(guān)于土壤對保水劑性能的影響，有研究表明[24]，保水劑在黏粒含量低的土壤中其吸水倍率要明顯高于黏粒含量高的土壤，對于實驗測試的3種土壤，黏粒含量較高的沙黏壤土和壤土，保水劑與其混合后的吸水倍率要低于黏粒含量較低的壤沙土，這樣相同保水劑在黏粒含量較高的沙黏壤土和壤土中吸收水分的能力就低于黏粒含量較低的壤沙土，再加上其自身保持水分的能力就高于壤沙土，導(dǎo)致其功效就不及壤沙土。

在保水劑實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮其應(yīng)用效果及經(jīng)濟效益，不能單純追求顯著的應(yīng)用效果而忽視整體的經(jīng)濟效益，這樣一方面應(yīng)選擇在適宜的、應(yīng)用效果明顯的土壤中使用，另一方面盡可能使用少量保水劑即可取得較好的應(yīng)用效果。針對本文所測試的3種土壤，方差分析結(jié)果(表2、圖4)表明，保水劑以0.10%相對較低的比例施入低黏粒含量的壤沙土中，與對照相比土壤的保水率有顯著提高，同時在水分蒸發(fā)后期應(yīng)用效果又明顯高于高黏粒含量的壤土；而對于黏粒含量較高的沙黏壤土和壤土，當(dāng)保水劑施用比例達到0.30%時才與對照產(chǎn)生明顯效果， 但效果總體上不及壤沙土。

3 結(jié) 論

(1)與對照相比，土壤中施用不同用量保水劑后其保水率增大，且隨保水劑用量增大而增大。3種土壤施用比例為0.10%～1.00%，經(jīng)過7 h恒溫蒸發(fā)后土壤平均保水率較對照提高103%～187%。

(2)土壤保水率并非隨保水劑用量的逐漸增大而顯著提高。綜合3種土壤平均保水率，保水劑施用比例為0.10%時，與對照差異顯著；當(dāng)比例增大至0.30%時，雖然與對照相比存在顯著差異，但與比例為0.10%時比較無顯著差異；當(dāng)比例逐漸增大至0.50%和1.00%時，與比例為0.30%時相比，相互間也無顯著差異。

(3)保水劑對提高不同土壤持水性方面的功效存在差異，且差異的大小與水分蒸發(fā)時間及保水劑用量有關(guān)。土壤水分蒸發(fā)初期(1 ～ 2 h)，不同保水劑用量，3種土壤的保水率無明顯差異；土壤水分蒸發(fā)后期(2 h后)，保水劑對提高不同土壤持水效果的差異逐漸顯現(xiàn)，總體上在黏粒含量較低的壤沙土中的應(yīng)用效果要好于黏粒含量較高的沙黏壤土和壤土。3種土壤施用濃度為0.10%～1.00%保水劑，經(jīng)過7 h恒溫蒸發(fā)后保水率較對照提高分別為：壤沙土293.08%～591.29%，沙黏壤土181.85%～249.78%，壤土29.53%～73.03%。

總之，在保水劑應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮其應(yīng)用效果及經(jīng)濟效益，首先應(yīng)選擇在適宜的、應(yīng)用效果明顯的土壤中使用，這樣方可使保水劑的效果得到充分體現(xiàn)，同時應(yīng)合理確定用量，使經(jīng)濟效益最大化。針對本試驗所測試的壤沙土、沙黏壤土和壤土3種土壤，保水劑更適宜在黏粒含量較低的壤沙土中使用，用量以保水劑占土壤質(zhì)量百分比為0.10%為宜。

[1] 黃占斌. 農(nóng)用保水劑應(yīng)用原理與技術(shù)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

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

[3] 廖人寬，楊培嶺，任樹梅，等. 農(nóng)用除草劑對土壤保水劑吸液性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(4)：125-132.

[4] 杜社妮，白崗栓，趙世偉，等.沃特和PAM保水劑對土壤水分及馬鈴薯生長的影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(8)：72-79．

[5] Akhter J, Mahmood K, Malik K A. Effects of hydrogel amendment on water storage of sandy loam and loam soil and seedling growth of barley, wheat and chickpea[J]. Plant, Soil and Environment, 2004, 50(10): 463-469.

[6] 宋文淼，陶國華，謝建軍，等．PAAM高吸水樹脂吸水保水性能[J]．節(jié)水灌溉，2009，(4)：22-24，28．

[7] 李永勝，杜建軍，劉士哲，等. 保水劑對番茄生長和水分利用效率的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境，2006，15(1)：140-144．

[8] 雒天峰，張新民，丁 林，等．干旱綠洲地區(qū)春小麥化學(xué)節(jié)水技術(shù)試驗研究[J]．中國農(nóng)村水利水電，2010，(9)：97-99．

[9] 姚 蕾，柯百勝，王盛莉，等. 魔芋超強吸水劑對土壤水分和狗牙根生長的影響 [J]. 節(jié)水灌溉，2009，(9)：8-11,16．

[10] 周 巖，武繼承，張 彤，等. 2種保水劑對砂土土壤持水性能的影響[J]．河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，41(2)：78-81，92．

[11] 介曉磊，李有田，韓燕來，等．保水劑對土壤持水特性的影響[J]．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，34(1)：22-24．

[12] 宮辛玲，高軍俠，尹光華，等. 四種不同類型土壤保水劑保水性能的比較[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2008，27(6)：652-656．

[13] 邱朝霞，張若冰，邱海霞，等．含蒙脫土和多糖的保水劑對土壤物理性質(zhì)的影響[J]．中國土壤與肥料，2013，(6)：11-16．

[14] 遲 宏，白云崗，張江輝，等．礫石土壤施用保水劑的蓄水保墑技術(shù)研究[J]．水土保持研究，2013，20(5)：119-123．

[15] 左廣玲，葉紅勇，杜朝軍，等．大豆秸稈基保水劑對南陽煙田土壤物理性狀及煙葉生長的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(2)：15-19．

[16] 王志玉，劉作新，蔡崇光，等．兩種農(nóng)用高吸水樹脂的制備工藝及其土壤保水效果[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(6)：64-67．

[17] 鄭惠玲，薛毅芳，管秀娟，等．施用不同保水劑對土壤水分變化的影響[J]．河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，(7)：73-77．

[18] 丁 林，張新民，王福霞．免儲水罐施用保水劑注水播種對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響 [J]．中國農(nóng)村水利水電，2010，(2)：60-63．

[19] 楊直毅，汪有科，趙穎娜，等.樹枝覆蓋與保水劑對土壤水分的影響[J]．灌溉排水學(xué)報，2010，29(1)：97-99．

[20] 郝冬寧，郭成久，馮 洋，等．鋸末和保水劑對坡面棕壤土含水量的影響研究 [J]．中國農(nóng)村水利水電，2014，(9)：12-15．

[21] 李常亮，張富倉.保水劑與氮肥混施對土壤持水特性的影響[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28(2)：172-176．

[22] 劉 兵，杜貞棟，黃 靜，等．冬小麥聯(lián)合施用旱地龍和保水劑試驗研究[J]．節(jié)水灌溉，2011，(5)：14-16．

[23] J Yu, I Shainberg, Y L Yan, et al. Superabsorbents and semiarid soil properties affecting water absorption[J]. Soil Science Society of America Journal,2011，75：2 305-2 313．

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

[25] 閆永利，于 健，魏占民，等. 土壤特性對保水劑持水性能的影響[J]. 土壤通報，2012，43(5)：1 111-1 115.

[26] 胡 芬，姜雁北．高吸水劑KH841在旱地農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1994，12(4)：83-86．