黃大明張文奎陸瑋唐先龍郗貴明

（1.清華大學生命學院生態(tài)學實驗室，北京 100084；2.北京森林麗葉綠洲生態(tài)科技發(fā)展有限公司，北京 101100；3.黑龍江大龍生態(tài)肥股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161000）

保水劑在中國農林業(yè)中的應用

黃大明1張文奎2陸瑋1唐先龍3郗貴明3

（1.清華大學生命學院生態(tài)學實驗室，北京 100084；2.北京森林麗葉綠洲生態(tài)科技發(fā)展有限公司，北京 101100；3.黑龍江大龍生態(tài)肥股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161000）

保水劑是一種正在世界范圍改變農林業(yè)和園藝進程的土壤調理劑。是一類具有抗旱保濕特性的高分子聚合物。適于在土壤壓力下保濕，優(yōu)化濕度條件，蓄水涵養(yǎng)，功能性緩釋，促進植物快速生長。它通過控制濕度釋放，大大減輕植物的干旱損傷，同時增加土壤的通氣與排水。本文探討保水劑在中國農林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一些應用。

保水劑 SAP 農林業(yè) 生態(tài)系統(tǒng) 應用

保水劑是一種正在世界范圍改變農林業(yè)和園藝進程的土壤調理劑。是一類具有抗旱保濕特性的高分子聚合物，被稱為土壤中的“微型水庫”。適于在土壤壓力下保濕，優(yōu)化濕度條件，蓄水涵養(yǎng)，功能性緩釋，促進植物快速生長。它通過控制濕度釋放，大大減輕植物的干旱損傷，同時增加土壤的通氣與排水。它促進肥料有效利用，降低水域富養(yǎng)化污染，同時控制水土流失。無毒，無副作用，一般在土壤中保持活性7-10年。吸水速度1小時內達100%。小顆粒比大顆粒吸水快。pH值是中性，6.0—6.8［1-5］。盡管許多實驗室和野外研究結果都證明其卓越的性能，但是實際應用仍不夠廣泛，生產企業(yè)還是感到市場艱難，無法生存。本文試圖在產品角度探討其原因。采用2015年《中國學術期刊（網絡版）》檢索關鍵詞：保水劑，獲學術論文共2845篇。

1　對土壤調理

有研究表明：保水劑是一種具有很強分子吸水能力的土壤調理機，在土壤中能夠極大地改變土壤孔隙持水性，增加土壤有效水貯量，應當受到應有的重視和廣泛使用［6］。不同的保水劑粒徑與不同質地土壤的吸、失水性也有不同的效果。研究表明：0.25～0.5mm粒徑保水劑在3種土壤中累積蒸發(fā)量最小［7］。農田施入量為2g/m2的處理水分蒸發(fā)量最小，保水效果最好；而隨著保水劑用量的增加，累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)失水比呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當保水劑用量超過175g/m2后對蒸發(fā)的抑制作用開始顯現(xiàn)［8］。保水劑對典型半干旱砂性土壤的入滲和蒸發(fā)影響的研究表明：入滲速率最大降至對照的0.77（混施）和0.89（溝施）；在相同初始含水率，連續(xù)蒸發(fā)條件下，土壤含水率均高于對照，其中混施6kg/畝的各層含水率是對照的1.3-39倍，其15cm處提高了42%；混施比溝施減少了6-25%的土壤蒸發(fā)量［9］。保水劑使用促進農田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)利用效率：農業(yè)生產過程中使用保水劑和各種農資會產生一定的碳投入，提高碳吸收，降低碳成本，提高碳效率，促進作物生長，提高作物干物質量。研究中60kg/hm2保水劑用量的碳成本最低，較對照減少了25.6%，而其碳效率和碳凈匯最大，較對照分別提高了35.3%和30.6%。施用保水劑提高了冬小麥的水分利用效率，且以60kg/hm2保水劑用量效果最佳。水分利用效率與碳吸收、碳效率和碳凈匯呈顯著正相關，而與碳成本呈極顯著負相關［10］。保水劑在改良土壤和作物抗旱節(jié)水中有良好的效果：實驗表明，土壤中保水劑含量在0.1% 以下時，土壤團聚體增加，土面蒸發(fā)明顯降低；模擬降雨實驗證明，0.1% 保水劑的土壤，在15% 坡度下，其水分入滲增加43%，土壤流失率減少54%。田間試驗發(fā)現(xiàn)，土壤穴施保水劑使馬鈴薯增產52%；盆栽實驗證明，土壤加入保水劑后的玉米和烤煙抗旱存活率增加，保苗效果好［11］。

2　水土保持應用

保水劑在水土保持生態(tài)建設中的應用研究。保水劑具有保水、保土、保肥功能，通過自身保水特性和土壤學作用機制，改善土壤結構，降低土壤密度，提高土壤抗蝕性，起到水土保持作用［12］。已經廣泛應用于各種水土保持、生態(tài)建設工程、治理水土流失、防止沙漠化等方面［13］。研究表明：保水劑的吸水倍率隨復合肥溶液濃度的增加而減小，與吸水時間呈明顯的對數(shù)相關；0.1%和0.2%保水劑的時蒸發(fā)量達到0.896g。在不同時間段0.05%保水劑失水速率相對差異性較??；可以為種子的萌發(fā)以及植物的生長營造良好的生長環(huán)境；保水劑與復合肥的復配施用，通過改變水分時空分配和土壤理化性質，提高植物覆蓋度［14］。在黃土高原植被建設中，堅持“適地適樹適法”原則，實行分類指導、合理布局，加大經濟樹種營造比重，大力采用保水集水、保水劑等抗旱造林技術，加強造林后的管理?？朔S土高原造林種草中存在的成活率低、保存率低、生長率低、延緩黃土坡地的產流時間，減小地表徑流、徑流系數(shù)、泥沙含量和降雨侵蝕量等問題。實現(xiàn)黃土高原的植被重建［15］。未來，保水劑水土保持應用上有很大的開發(fā)空間，但應該選擇合適的類型、應用量、應用方法、應用范圍，注意及應用效果的系統(tǒng)分析［16］。

3　林業(yè)

保水劑能顯著促進造林樹種植株的生長發(fā)育，使植株的基徑、樹高、側根數(shù)、側根長、總干重、根干重等比不用保水劑的對照植株明顯增加，根冠比增大。需要注意的是在使用保水劑進行造林時，要選擇適宜的劑型和造林季節(jié)，這是保水劑抗旱造林的關鍵環(huán)節(jié)［17］。保水劑在育苗、造林、果樹栽培、園林綠化、治理水土流失、防止沙漠化等方面有很多應用，能大大提高造林成活率［18，19］。研究表明：保水劑處理的油松苗，與不加保水劑處理比，其葉片內的相對含水量明顯較高，MDA的含量較低，說明添加保水劑使油松幼苗產生了較好的耐旱性，為干旱地區(qū)的育苗技術提供了理論基礎。 豫西丘陵區(qū)新型造林模式中：截干、容器苗、保水劑、高效節(jié)水為主的抗旱配套技術，有效地提高了造林成活率［20］。保水劑和覆蓋措施有效提高黑松造林效果：保水劑埋深在0～60cm土層內，土壤含水率比對照提高10.2～79.3個百分點。加之黑塑料地膜或鋸屑、落葉覆蓋，可提高造林成活率和保存率［21］。在北京南口風沙區(qū)側柏造林施用保水劑，成活率達90%以上，與澆水量高1倍的對照相差無幾，施用保水劑后第2年春季土壤含水量比對照提高了84.7～119.4 g.kg-1，比對照提高7.78～25.56%，同時顯著地提高了側柏的初期生長量。研究中所選定的不同保水劑及其劑量對側柏苗生長的影響差異并不顯著［22］。在黃條紋金剛竹育苗過程中，使用保水劑處理后，土壤含水量增加，保水劑用量越大效果越好。使用保水劑處理的葉片含水量下降時間能推遲3 d，苗木生長受抑制時間推后。使用保水劑處理的植物葉片電導率升高時間推遲，能有效延長黃條金剛竹的萎蔫點，大約能推遲5-7 d。使用保水劑的竹種成活率明顯高于未使用保水劑的竹種［23］。保水劑用于何首烏扦插育苗，使出苗率，苗的莖長、分枝數(shù)、葉片數(shù)、根數(shù)和最長根長等性狀均較未施用保水劑的處理差異達極顯著水平，并隨著保水劑用量的增加而變好，但不同保水劑用量間差異多不顯著。綜合考慮，采取用量3kg/6672棵最為經濟［24］。保水劑還可用于穩(wěn)定而有效地供給草坪植物所需水分［25］。在冷地型草坪使用保水劑：草種發(fā)芽率明顯提高，幼苗生長增快。干旱條件下適當濃度的保水劑可以提高土壤的含水量，對草坪草種子出苗及生長也有一定促進作用［26］。小粒咖啡生產經常受到季節(jié)性干旱和土壤營養(yǎng)不足的制約。施入低氮、低保水劑處理可以獲得小?？Х让缒镜淖畲笊L量（株高、莖粗及葉面積）。和對照（無氮處理）相比，低氮可使干物質累積量提高24.10%，而高氮減少干物質累積11.95%。和無保水劑處理相比，低保水劑提高干物質累積11.53%，而高保水劑抑制干物質累積8.65%。此外氮肥和保水劑能不同程度地降低日蒸散量，提高水分利用效率；施氮和保水劑可分別提高小?？Х人掷眯?. 72%～35.37%和8.48%～20.24%。小?？Х鹊乩鄯e量隨著施氮量增加先增后降。過高水平保水劑和氮肥都會對小?？Х鹊拿缒旧L產生明顯的抑制作用，而低氮低保處理可同時提高干物質累積和水分利用效率［27］。施用保水劑與對照相比，蘋果樹的葉面積增大，葉片光合速率提高6.13%～17.45%，水分利用效率提高9.46%～22.44%，產量提高6.28%～7.25%，土壤含水量提高3.50%～28.96%［28］。貴州喀斯特山區(qū)桃樹栽培過程中施用保水劑，能提高幼苗移栽的成活率，增加根際周圍土壤含水量，減少土表蒸發(fā)。另外土壤中保水劑含量在0.01%～0.05%范圍內，土壤團粒結構增加較為明顯，土面蒸發(fā)明顯降低，pH值有降低的趨勢（0.1～0.2），速效磷含量有所提高；每株施40g保水劑為最佳經濟使用量；保水劑使獼猴桃的根冠比趨于合理，具有明顯提高商品果之效應；配合微肥施用可減緩黃葉病的發(fā)病程度，提高樹體抗性，改善果實品質［29］。保水劑處理的核桃幼樹地徑、新梢數(shù)量、新梢平均長度均顯著高于對照，對葉片葉綠素含量無顯著影響。單株雌花數(shù)大于對照。株施40~60g為適宜施用量［30］。干旱條件下用保水劑丸化沙打旺種子，與對照相比，保水劑含量在7%和9%時，種子萌發(fā)速率分別加快了70%和63.19%；保水劑含量在7%時，幼苗根長、根表面積分別提高了19.36%和45.26%。沙打旺丸化添加保水劑適宜含量為7%～9%［31］。在造林實踐中，利用杉木屑和竹屑等與土壤（1∶200）混合（0.50%），也有比較好的保水緩釋功效［32］。蘭州市南北兩山保水劑造林實踐證明：保水劑造林能有效的提高根際土壤含水量、造林成活率，施保水劑+覆地膜效果最好；保水劑必須拌土埋在根系周圍，上面覆土；保水劑的最佳用量為20g/穴［33］。

4　農業(yè)

大量研究表明：保水劑在農業(yè)中有非常積極廣泛的應用效果。1%保水劑包膜涂層可促進大豆、綠豆等豆類種子出苗率，使其出苗早，苗齊苗壯，抗旱能力增強，而對小麥玉米等淀粉種子的出苗無明顯作用；低濃度的保水劑蘸根可提高苗木的成活率，促進其生長，增強抗旱能力，而高濃度的保水劑蘸根則降低苗木成活率，生長下降［34］。施用保水劑能明顯提高麥田土壤水分含量，尤其對上層土壤水分含量的影響更為明顯，同時還能增加分蘗，提高葉綠素含量和使光合速率增加，從而使干物質積累加快，90kg/hm2為適宜施入量［35］。研究表明，灌水水平在20%～80%條件下，不施保水劑時，灌水量為80%時冬小麥產量達到最大值；施用保水劑時，灌水量為60%時冬小麥產量最高。隨著灌水量的增加，土壤水分含量有所提高，施用保水劑后土壤水分顯著提高；在冬小麥孕穗期灌水量為田間持水量的60%時，施用保水劑后土壤水分增加1.57倍。低灌水水平和高灌水水平均削弱保水劑對水分生產效率、灌水利用效率和降水利用效率的增加效應。可見，灌水的增產效應與灌水對水分生產效率、灌水利用效率、降水利用效率的提高有著密切關系。在本年度（2011年10月～2012年6月）降水及氣候條件下，施用保水劑時，最佳灌水量為田間持水量的60%時冬小麥產量最高。［36］。保水劑與氮肥配施的各種處理中，以氮肥（225kg/km2）和保水劑 （60kg/hm2）配施處理對于小麥總群體數(shù)、株高、穗長和穗粒數(shù)的提高效果最為顯著， 提高旗葉光合速率和光合水分利用效率，增加小麥產量［37］。也有認為，最優(yōu)處理為：每666.7m2施純氮20 kg結合使用粒徑1.6～4.0 mm的保水劑0.5 kg能夠改善小麥生育后期的群體狀況［38］，保水劑用量對裸燕麥籽粒產量有顯著影響，滴灌條件下施用保水劑比不施保水劑增產2.95%～12.14%，傳統(tǒng)灌溉條件下施用保水劑比不施保水劑增產1.1%～5.0%。60kg/hm2保水劑有利于裸燕麥大多數(shù)品質性狀的提高，以及礦質元素的吸收利用［39］。在閩南丘陵旱地對秋植大豆施用保水劑，與對照相比，施用保水劑的大豆各生育時期都有所延長，全生育日數(shù)比對照延長了2～7天，并且提高了大豆單位面積產量與有效莢率，單株粒重增多，百粒重提高；且隨施用量的增加，效果更為明顯。溝施保水劑60 kg/hm2用量的增產增收效果最佳，可增加純收入1503.00元/hm2，其投入產出比為1：2.67［40］。在甘蔗施種植中，施用保水劑處理，在兩年宿根蔗中仍表現(xiàn)增產，膠體型保水劑和顆粒型保水劑與對照相比，宿根第1年分別增產6.97%、8.01%，宿根第2年分別增產3.20%、3.96%。兩種劑型保水劑在土壤中的殘留后效對宿根蔗均具有增產作用，其增產效果隨施入土壤時間的延長而降低［41］。在寧夏中部半干旱偏旱區(qū)馬鈴薯種植中使用，穴施保水劑90kg/hm2的增產效果最佳（44.1%），穴施保水劑60kg/hm2的商品薯率最高（20.9%）［42］。在辣椒種植中施用保水劑對辣椒生長及水分利用效率有明顯促進作用，辣椒葉面積、葉數(shù)、株高、生物量和水分利用效率均優(yōu)于未施保水劑處理。水分控制對辣椒的影響表現(xiàn)為充分供水促進辣椒生長，水分脅迫延緩辣椒生長速度?；疑P聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)：施用保水劑處理耗水量與各性狀關聯(lián)度順序依次為生物量 ＞莖葉干物質量 ＞根干物質量 ＞葉數(shù) ＞株高 ＞葉面積 ＞根冠比 ＞干物質含量，而未施用保水劑處理耗水量與各性狀關聯(lián)度順序依次為生物量 ＞葉數(shù) ＞莖葉干物質量 ＞根干物質量 ＞株高 ＞葉面積 ＞干物質含量 ＞根冠比［43］。在烤煙種植中保水劑可以增強煙葉的光合能力，施用量為45kg/hm2的光合能力最強；延邊雨季為土壤提供了充足的水分，這是烤煙成熟期沒有“午休”現(xiàn)象的主要原因；保水劑主要是通過調節(jié)煙葉的氣孔導度，進而影響其凈光合速率［44］。保水劑用量在1.0～3.0 g/株范圍內，土壤蒸發(fā)明顯降低，能顯著促進烤煙根、莖、葉的生長；田間試驗結果表明：施用保水劑，能促進煙株生長，提高煙葉中總糖、還原糖的含量，降低總煙堿、總氮和氯離子的含量，促進化學成分協(xié)調，改善煙葉品質；移栽時隨營養(yǎng)土每667m2施用3.0kg保水劑，經濟效益增加111.4元。施用保水劑，能減緩土壤水分蒸發(fā)，增加土壤的保水性能，促進煙株生長，提高煙葉產量，改善煙葉品質，增加經濟效益［45］。在黃土高原旱作春玉米施用保水劑，增加產量12%～33.47%，在大豆生產上增產3.9%～23.1%，產量隨保水劑用量增加而增加，但保水劑施用在土壤中的增產效益較低。用保水劑處理種子，成苗率增加，增產效果顯著，是一項有效的增產措施［46］。

5　保水劑其它作用

對土壤持水特性的影響：在土壤低吸力段（0～80kPa），隨保水劑用量增加，土壤持水容量增大，增加作物可利用的有效水；在相同含水量時，土壤水能態(tài)隨保水劑用量增大而降低；但在相同水分能態(tài)下，土壤含水量隨保水劑的增加而明顯增大，施用保水劑后，土壤可在較長時間內保持較高的水分含量；且隨保水劑用量增加，土壤容重下降，總孔隙度和毛管孔隙度則呈上升趨勢；土壤凋萎系數(shù)雖有增大趨勢，但增幅很小，土壤有效水容量明顯增大。土壤中加入0.5%的聚丙烯酰胺或0.25%～0.5%的水解淀粉，可顯著改善土壤對有效水的保持和供應［47］。

對土壤養(yǎng)分的保蓄作用：保水劑在雨季能夠吸收水分，并將水分保持于土壤中，待到旱季來臨，又能夠將吸持的水分緩慢釋放給植物利用，從而幫助植物渡過干旱期，提高造林成活率。試驗發(fā)現(xiàn)：保水劑使北美紅杉Sequoiasempervirens和川滇榿木Alnusferdinandivar. coburgii的氮流失量減少23.8%～65.2%，鉀流失量減少19.8%～86.2%。當養(yǎng)分施加量一定時，養(yǎng)分的流失量隨保水劑施加量的增加而減少。野外試驗證明：森林土壤中施加保水劑后，顯著提高土壤中養(yǎng)分（氮磷鉀）含量，使土壤堿解氮量提高133.1%～295.8%，有效磷提高10.4%～43.2%，速效鉀提高124.2%～220.3%?？梢哉J為：保水劑不僅可以改善土壤水分狀況，而且可以通過減少養(yǎng)分淋失，可以作為調理土壤的水肥營養(yǎng)緩釋劑［48］。保水劑對尿素緩釋效果研究結果表明：在玉米生長前期，保水劑能夠吸持速效態(tài)氮，使土壤氮素不會過快地被作物吸收，生長中后期，土壤堿解氮含量比較平穩(wěn)，說明保水劑能不斷地釋放氮養(yǎng)分，使其轉化為速效態(tài)供玉米吸收，從而證明保水劑有水肥營養(yǎng)緩釋的效果［49］。

對土壤特性長效影響：施用保水劑可明顯增加土壤微團粒結構.增大土壤持水率和表層土壤pH。保水劑施用1～5年期間.表層土壤（0～10cm）中0.05～0.01mm粒徑質量分數(shù)增加0.81%～7.74%，0.01～0.005mm粒徑質量分數(shù)減少；施用保水劑第3年時表層土壤0.05～0.01mm粒徑質量分數(shù)提高最顯著，且保水劑施用后第3年土壤的控水能力最強。施用保水劑0～10、10～20、20～40cm土層土壤持水率比對照增加6.54%、6.22%、8.50%，飽和含水率分別比對照增加1.3%～30.7%、2.4%～28.7%和0.8%～21.7%，保水劑連續(xù)施用第3年性能最佳［50］。在黃綿土、南方赤紅壤理等不同土壤中表現(xiàn)穩(wěn)定［51］。

不同種類保水劑：所有保水劑在純水中都有較高的吸水倍數(shù)，但不同濃度的不同肥料溶液對所有保水劑吸水倍數(shù)有著不同的影響。粒徑只對保水劑吸水速率有較大的影響，而對吸水倍率、保水能力和反復吸水次數(shù)影響不大［52］。保水劑吸水倍率隨著鹽濃度的增加而下降；同時偏酸或偏堿都會使保水劑的吸水倍率呈下降趨勢，但在堿性條件下的變化趨勢小于酸性條件下的變化；無論干燥冷凍或者凝膠冷凍，保水劑吸水性能均受到顯著影響，干燥狀態(tài)冷凍后比凝膠狀態(tài)冷凍后的吸水倍率要高，不同保水劑在不同土壤中保水抗蒸發(fā)能力不同［53］。不同類型、粒徑保水劑隨著反復吸釋水次數(shù)的增加，吸水倍率降低。大粒徑比小粒徑降幅更大。各保水劑反復吸釋水特性與粒徑不成線性規(guī)律變化。在反復吸釋水條件下，各保水劑吸水速率均高于第1次吸水速率。隨著吸釋水次數(shù)的增加，保水劑凝膠達到飽和的時間提前。2+離子對保水劑的反復吸水能力影響更為顯著，其次為1+離子。Zn2+最易使保水劑失效，KNO3對保水劑的影響在前期略大［54］。

使用注意：避免盲目使用造成土壤板結、土壤肥力下降、固化土壤重金屬等問題［55，56］。

6　研究發(fā)展

從保水劑進入農林業(yè)后，各級機構都有一定支持，如：國家自然科學基金項目、國際合作項目、國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目、國家公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項、國家星火計劃項目、科技部農業(yè)成果轉化項目、科技支疆項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會項目、水利部科技推廣計劃項目、三峽后續(xù)工作科研課題、內蒙古自治區(qū)科技廳應用項目、內蒙古自然科學基金項目、內蒙古民族大學基金項目、內蒙古民族大學科研創(chuàng)新團隊支持計劃、貴州省重大科技平臺項目、貴州省科技廳農業(yè)攻關項目、貴州省中藥現(xiàn)代化項目、貴陽市科技局低碳計劃項目、貴州省農業(yè)科學院院專項、貴州省中藥現(xiàn)代化重大專項、河南省杰出青年基金項目、福建省泉州市重點項目等等。產業(yè)上，民營投資占了絕大多數(shù)，但總數(shù)不大，全國40多個廠規(guī)模在年產300噸-3000噸之間。每個投資在300萬-3000萬人民幣之間。目前市場發(fā)展困難。

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Super absorbent polymer （SAP） is a new and proven miraculous soil additive. Its application is important for improving water and fertilizer use efficiency. The super nutrient absorbent polymer dramatically conserves water and reduces fertilizer usage while significantly increasing plant and crop yield. This leap forward in polymer and ecological technology is changing the course of agriculture and horticulture the world over. Moreover， there are numerous benefits that SAP was engineered to produce and with every new application we are discovering even more each day. The versatility of this scientific discovery will undoubtedly produce even more discoveries. We have only scratched the surface. SAP is a part of the solution to ending world hunger in areas of the world that cannot grow ample food due to poor soil and hot， arid conditions. When SAP crystals are installed into the soil， irrigation schedules can be reduced. Fertilizer usage is also reduced. SAP also significantly increases crop yield and assists in the abundant growth of horticultural plants， trees and flowers. In this paper， basic research and specific recommendations will be made available to determine the best rates and application methods for the desired plant crops and soil condition in the agroforestry ecosystems， China.

Super absorbent polymer； SAP； Agroforestry；Ecosystem；Application