余 曉，彭 燕，徐秋芳

（浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安311300）

竹鋸屑再生型保水劑的保水保肥潛力及施用技術(shù)

余 曉，彭 燕，徐秋芳

（浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安311300）

水分是制約山區(qū)無(wú)灌溉條件商品林地植物生長(zhǎng)的重要因子，保水劑的合理應(yīng)用是解決植物水分供應(yīng)的有效途徑之一。大量的木材加工剩余物可再生為高效保水劑。以竹纖維接枝丙烯酸鉀（2號(hào)）和竹纖維接枝丙烯酰胺（4號(hào)）2種毛竹鋸屑再生型保水劑為研究對(duì)象，將商品保水劑聚丙烯酸鉀（S）作為參照，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比他們?cè)诓煌兌鹊乃校ㄈルx子水、蒸餾水和自來(lái)水），在不同的肥料溶液中（4種肥料，各5種質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比）的吸水倍率；相同用量［m（保水劑）∶m（土壤）=1∶200］的不同保水劑、同一保水劑（4號(hào)）不同用量［m（保水劑）∶m（土壤）分別為1∶100，1∶200，1∶400，1∶600和1∶800］對(duì)施肥和不施肥土壤的保肥、保水能力的影響，旨在找到保水劑最佳施用量。結(jié)果表明：3種保水劑在不同純度水以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的肥料溶液中的吸水倍率由高到低依次為4號(hào)、2號(hào)和S，且在同一純度水中3種保水劑的吸水倍率均存在顯著性差異（P＜0.05）；無(wú)論是否施肥與否，保水劑的保水能力依次為4號(hào)、S和2號(hào)，且4號(hào)、S、2號(hào)和對(duì)照（不加保水劑）之間差異顯著（P＜0.05）。保水劑用量和土壤的持水能力呈正相關(guān)，保水效果受離子型的肥料（復(fù)合肥、硫酸鉀和磷酸二氫銨）配比影響較大，而受分子型肥料尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響很小。當(dāng)淋溶水量超過(guò)土壤持水能力時(shí)，保水能力最強(qiáng)的4號(hào)以及其用量最大的處理（1∶100）養(yǎng)分（氮、鉀）的淋出量最多（除磷以外）。竹纖維接枝丙烯酰胺型保水劑保水保肥能力最強(qiáng)，考慮其經(jīng)濟(jì)成本，得出m（保水劑）∶m （土壤）=1∶200（相當(dāng)于土壤質(zhì)量的0.5%）為最佳施用量；因4號(hào)保水劑1∶200用量承受的最大降水上限為40 mm，應(yīng)避免在大雨前施肥。圖6參33

土壤肥料學(xué)；毛竹鋸屑再生型保水劑；土壤持水能力；土壤養(yǎng)分

隨著木材加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的木材加工剩余物，約0.418億t·a-1［1］。木材加工剩余物是豐富的可再生資源，主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。目前，木材加工剩余物的利用途徑主要包括用作生物質(zhì)燃料，作為造紙的人造板的材料、木塑復(fù)合等新型復(fù)合材料，在可降解環(huán)保領(lǐng)域和航天、軍事類高端領(lǐng)域的應(yīng)用等［1-5］。近年來(lái)，通過(guò)纖維接枝丙烯酸或丙烯酰胺等基團(tuán)，將竹木屑轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｋ畡〉昧溯^好的保水效果［6-7］。水是人類生存與社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，被認(rèn)為是 “生命之源” “生產(chǎn)之要” “生態(tài)之基”［8］。中國(guó)水資源現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，雖然淡水總量排在世界第6位，但是人均較少，僅有世界1/4，并且降水分布存在顯著空間不均勻性和年際變化特征［9-11］。全球農(nóng)、林、畜牧以及生物能源生產(chǎn)耗水占到全部降水資源的62.5%［12-13］。中國(guó)只有通過(guò)建設(shè)節(jié)水高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，才可以基本立足于現(xiàn)有規(guī)模的耕地和灌溉用水量來(lái)滿足未來(lái)的需求［14］。然而，許多商品林（或經(jīng)濟(jì)林）處于無(wú)灌溉丘陵、山區(qū)地帶，如何通過(guò)農(nóng)藝措施特別是水分管理措施來(lái)保持和利用天然降水，成為提高山區(qū)林業(yè)產(chǎn)量和質(zhì)量的有效途徑，而保水劑的特性正好符合以上要求。商品保水劑是一種利用吸水性樹脂制成的具有超高吸水保水能力的高分子化學(xué)材料［15］，具有強(qiáng)吸水性、材料來(lái)源廣、易制取等特點(diǎn)［16-17］，它的使用不但能提高水分利用率，保證水分不流失，同時(shí)可減少養(yǎng)分隨著水分淋失，從根本上提高土壤的肥力［18］。目前，生產(chǎn)上施用的商品保水劑種類較多，如淀粉類保水劑、纖維素類保水劑、合成聚合物類保水劑和其他天然物及其衍生物系、共混物及復(fù)合物的保水劑等［19］，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)上有廣泛應(yīng)用［20-21］，但商品保水劑生產(chǎn)過(guò)程消耗化學(xué)資源和能源，且價(jià)格偏高［22］。利用毛竹Phyllostachys edulis鋸屑再生型保水劑，則不僅能利用農(nóng)林廢棄物資源、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。保水劑通過(guò)保水過(guò)程可起到間接地保肥作用，減少或避免養(yǎng)分通過(guò)淋溶作用損失［23-24］。在林地進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)條件難度較大，本研究將通過(guò)對(duì)自制毛竹鋸屑再生型保水劑的持水、保肥能力室內(nèi)模擬試驗(yàn)，綜合保水、保肥效果以及經(jīng)濟(jì)等3個(gè)因素，確定最佳的施用技術(shù)（高效的保水劑品種和最佳用量），旨在保證林木生長(zhǎng)的水分要求，減緩施肥引起的面源污染。毛竹鋸屑再生型保水劑的推廣應(yīng)用還可為大量的林木生產(chǎn)廢棄物變廢為寶提供新的途徑，對(duì)山區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

保水劑是由浙江農(nóng)林大學(xué)金貞福教授研制的竹纖維接枝丙烯酸鉀型保水劑和竹纖維接枝丙烯酰胺型保水劑。這2種保水劑是由毛竹生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物竹粉、丙烯酸鉀和丙烯酰胺根據(jù)不同的比例調(diào)配共聚制成的竹纖維接枝丙烯酸鹽型高分子保水劑，用氫氧化鉀作為丙烯酸中和劑，產(chǎn)品編號(hào)為2號(hào)和4號(hào)。2號(hào)：丙烯酰胺0.5 g，丙烯酸20.0 g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氧化鉀29.0 mL，中和度為72%。4號(hào)：丙烯酰銨和丙烯酸分別為8.0 g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氧化鉀10.0 mL，中和度63%。商品保水劑由南京賽普高分子材料有限公司提供，名為聚丙烯酸鉀，代號(hào)S。

土壤：采自于浙江農(nóng)林大學(xué)官塘試驗(yàn)田，堿解氮為154.41 mg·kg-1，有效磷31.35 mg·kg-1，速效鉀87.00 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)31.65 g·kg-1，pH 4.79［m（土）∶m（水）=1∶5］。

肥料：復(fù)合肥16-16-16（俄羅斯阿康復(fù)合肥）、尿素、硫酸鉀、磷酸二氫銨。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 保水劑在不同純度水中的最大持水量測(cè)定 于2012年4月進(jìn)行試驗(yàn)。在已知質(zhì)量的300目尼龍網(wǎng)袋中放入0.2 g保水劑，分別將它放入盛有足量超純水、蒸餾水和自來(lái)水的燒杯中，設(shè)置重復(fù)3個(gè)·組-1，靜置48 h，待充分吸水飽和后，將尼龍網(wǎng)袋置于塑料提籃內(nèi)懸空2 h后稱量，減去尼龍網(wǎng)袋和保水劑本身質(zhì)量得出最大持水量。

1.2.2 保水劑在不同肥料液體中的最大持水量測(cè)定 在已知質(zhì)量的300目尼龍網(wǎng)袋中放入0.5 g保水劑，分別將它放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5‰，1.0‰，2.0‰，4.0‰和8.0‰的復(fù)合肥、尿素、硫酸鉀和磷酸二氫銨溶液的燒杯中，設(shè)置重復(fù)3個(gè)·組-1，最大持水量測(cè)定方法同1.2.1。

1.2.3 不同種類、不同用量保水劑對(duì)未施肥土壤最大持水量和養(yǎng)分淋失量的測(cè)定 ①試驗(yàn)設(shè)計(jì)：通過(guò)模擬淋洗實(shí)驗(yàn)比較施用保水劑對(duì)土壤保持水分和養(yǎng)分能力的影響，得出保水劑有效的施用種類和施用量。分2組進(jìn)行試驗(yàn)，各組試驗(yàn)均設(shè)有無(wú)保水劑對(duì)照處理（ck）。第1組是3種保水劑按相同比例［m（保水劑）∶m（土壤）=1∶200］與土壤混合，第2組是選擇保水能力最強(qiáng)的4號(hào)保水劑，按m（保水劑）∶m（土壤）分別為1∶100，1∶200，1∶400，1∶600和1∶800等5個(gè)比例混合，每個(gè)處理的土質(zhì)量統(tǒng)一為120.00 g。重復(fù)3次·處理-1。②模擬淋洗方法和過(guò)程：按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將保水劑和土壤（過(guò)2 mm篩）混均，將混合物裝入環(huán)刀中，底部用墊有濾紙的網(wǎng)孔鋁蓋托??；將環(huán)刀放到鋪有雙層濾布（300目）玻璃漏斗上，按照下述方式進(jìn)行淋洗。為防止土層擾動(dòng)，用注射器汲取蒸餾水緩慢滴入土壤進(jìn)行淋溶，第1天、第2天、第3天、第4天和第5天分別加水70，40，40，40和20 mL，共計(jì)210 mL。用洗凈烘干的燒杯收集淋出液，測(cè)定體積，分析元素含量。③淋洗液養(yǎng)分測(cè)定：淋洗液抽濾（孔經(jīng)0.45 μm）后，采用離子色譜ICS-1500（ion chromatography system戴安）測(cè)定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮，鉀離子用火焰光度計(jì)法測(cè)定，磷元素采用鉬酸銨比色法測(cè)定［25］。

1.2.4 不同種類、不同用量保水劑對(duì)施肥（復(fù)合肥）土壤最大持水量和養(yǎng)分淋失量的測(cè)定 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與1.2.3相同，但土壤中加入2.0‰復(fù)合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=16∶16∶16］，實(shí)驗(yàn)淋洗方法有所改進(jìn)，共進(jìn)行3次淋洗實(shí)驗(yàn)，每次淋洗都記錄淋出液的體積（以淋洗出的液體質(zhì)量和近似為1 g·cm-3的質(zhì)量濃度來(lái)進(jìn)行體積換算的），并測(cè)定元素含量。第1次用210.0 mL水淋洗，分別是第1天80.0 mL，第2天100.0 mL，第3天30.0 mL，用洗凈烘干的燒杯收集淋出液。隔3 d后進(jìn)行第2次淋洗，再隔2 d進(jìn)行第3次淋洗，第2次和第3次淋洗用水均為70.0 mL，淋洗過(guò)程1 d內(nèi)完成。養(yǎng)分離子的測(cè)定方法同1.2.3節(jié)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用DPS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行顯著性差異分析。實(shí)驗(yàn)中保水劑的最大持水能力用以下公式計(jì)算，并用吸水倍率來(lái)表示其持水能力。

其中：Q為保水劑的吸水倍率（%），m為吸水后的保水劑和尼龍網(wǎng)袋質(zhì)量（g），m1為尼龍網(wǎng)袋質(zhì)量（g），m2為保水劑干質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑對(duì)不同純度水的持水能力比較

本次論壇是在商務(wù)部貿(mào)易救濟(jì)調(diào)查局指導(dǎo)下，由上海市商務(wù)委員會(huì)與上海社會(huì)科學(xué)院共同主辦。上海市政協(xié)副主席周漢民到會(huì)并作主旨演講；世貿(mào)組織副總干事易小準(zhǔn)發(fā)表視頻講話，商務(wù)部貿(mào)易救濟(jì)調(diào)查局局長(zhǎng)余本林、上海市商務(wù)委副主任申衛(wèi)華到會(huì)致辭。來(lái)自國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者，行業(yè)組織、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)以及長(zhǎng)三角政府部門的代表近300人參加。

3種保水劑在超純水、蒸餾水和自來(lái)水中的最大吸水倍率依次下降，其中4號(hào)保水劑的下降幅度最大，2號(hào)和S保水劑的下降幅度較小，并且4號(hào)在超純水中吸水倍率顯著高于（P＜0.05）蒸餾水和自來(lái)水。4號(hào)的吸水倍率極顯著高于（P＜0.01）2號(hào)和S，2號(hào)則顯著高于（P＜0.05）S；4號(hào)保水劑對(duì)超純水、蒸餾水和自來(lái)水的吸水倍率分別是2號(hào)和S的5.5倍和6.7倍、5.9倍和6.4倍、2.9倍和3.7倍（圖1）。

2.2 不同保水劑對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)肥料溶液的持水能力比較

所有肥料溶液中持水能力最大的是4號(hào)，次之為2號(hào)，S最小（圖2）。在硫酸鉀、磷酸二氫銨和復(fù)合肥這3種肥料溶液中，3種保水劑的持水能力均隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而下降（圖2A，2B，2C），其中4號(hào)下降幅度最大；質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.0‰吸水倍率與0.5‰相比，2號(hào)、4號(hào)和S保水劑在硫酸鉀溶液中分別下降了62%，68%和51%，在磷酸二氫銨溶液中下降值分別49%，72%和60%，在復(fù)合肥溶液中下降值分別是68%，62%和66%。然而，在尿素溶液中吸水倍率隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加變化不大（圖2D），2號(hào)和S基本沒(méi)變化，4號(hào)保水劑從0.5‰到2.0‰有一定下降，之后質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加吸水率基本不變，4號(hào)的吸水倍率是2號(hào)和S的3倍左右。

2.3 不同種類、不同用量保水劑對(duì)未施肥土壤保持水分和養(yǎng)分能力的影響

2.3.1 不同種類、不同用量保水劑對(duì)未施肥土壤保持水分能力的影響 通過(guò)在土壤中加入保水劑的淋溶實(shí)驗(yàn)，比較不同種類以及不同用量保水劑的保水效率，用等體積 （210.00 mL）的水分淋溶，淋出的水分越多則保水能力越差。圖3A表明：對(duì)照淋出的水量最多、2號(hào)和S居中，4號(hào)最少，3組之間存在顯著差異（P＜0.05），說(shuō)明4號(hào)保水劑在土壤中的保水能力最強(qiáng)。4號(hào)保水劑不同用量之間存在顯著差異（P＜0.05），淋出水量隨著保水劑用量的增加而下降，說(shuō)明保水劑用量與持水能力呈正相關(guān)（圖3B）。

圖1 保水劑在不同純度水中的最大吸水倍率Figure 1 Water absorbent rate of super absorbent polymer in in different purity of water

圖2 保水劑在不同肥料溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的吸水倍率Figure 2 Water absorbent rate of super absorbent polymer in in various concentration of fertilizer solution

圖3 保水劑在未施肥土壤中對(duì)下滲水的影響Figure 3 Effect of super absorbent polymer to influent seepage in no-fertilization

2.3.2 不同種類、不同用量保水劑對(duì)未施肥土壤保持養(yǎng)分能力的影響 當(dāng)土壤的持水能力超過(guò)土壤的田間持水量（最大持水能力）時(shí)，溶解于土壤溶液中的土壤養(yǎng)分隨水分淋失。4號(hào)保水劑土壤中銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3-N）的淋出量顯著高于（P＜0.05）2號(hào)、S以及對(duì)照（圖4A，4C），其他三者之間差異不顯著；隨著4號(hào)保水劑使用量的增加，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋出量也隨之增加（圖4B，4D），最顯著的下降發(fā)生在1∶100和1∶200之間，說(shuō)明持水能力越強(qiáng)，淋出的養(yǎng)分越多。除2號(hào)保水劑外，不同保水劑類型及不同用量對(duì)磷元素淋出量的影響不明顯（圖4E，4F）。施用3種保水劑比對(duì)照組淋出更多鉀離子（圖4G），尤其是2號(hào)和S，是對(duì)照的20.0倍和18.0倍；隨著4號(hào)保水劑使用量的增加土壤鉀的淋出量也隨之增加（圖4H），但鉀離子的淋出量最高出現(xiàn)在1∶200而非1∶100。

圖4 保水劑在未施肥土壤中對(duì)土壤養(yǎng)分元素保持能力的影響Figure 4 Holding capacity of super absorbent polymer to soil nutrients in no-fertilization

2.4 不同種類、不同用量保水劑對(duì)施肥土壤中保持水分和養(yǎng)分能力的影響

2.4.2 不同種類、不同用量保水劑對(duì)施肥土壤保持養(yǎng)分能力的影響 不同種類保水劑和4號(hào)保水劑不同用量處理銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、磷和鉀等4種養(yǎng)分淋出總量差異規(guī)律與未施肥土壤完全一致，但處理間的差異更加明顯，且各養(yǎng)分的淋出總量明顯增加。除磷元素以外，第1次養(yǎng)分的淋出量明顯多于第2次和第3次，特別是硝態(tài)氮（圖6C，6D），其次是鉀元素（圖6G，6H），說(shuō)明第1次養(yǎng)分淋失最多。

圖5 保水劑在施肥土壤中對(duì)下滲水的影響Figure 5 Effect of super absorbent polymer to influent seepage in the fertilized soil

圖6 保水劑在施肥土壤中對(duì)土壤養(yǎng)分元素保持能力影響Figure 6 Holding capacity of super absorbent polymer to soil nutrients in the fertilized soil

3 討論

3.1 保水劑在不同介質(zhì)中的持水能力比較

4號(hào)保水劑在3種純度的水中、不同肥料的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液中、以及施肥與不施肥的土壤中，其保水能力最強(qiáng)，2號(hào)和S在3種純度的水中表現(xiàn)為2號(hào)高于S，而在肥料溶液和土壤中則正好相反。保水劑主要通過(guò)2種途徑持水：一是高分子化合物分子鏈上的親水基團(tuán)直接與水分子結(jié)合，二是保水劑內(nèi)部離子和基團(tuán)與水溶液離子的濃度之差產(chǎn)生的滲透壓吸水，形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（保水劑高分子鏈在水溶液中電離產(chǎn)生陰離子，陰離子之間的互斥力產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象）［26-27］，通過(guò)滲透壓吸水的形式，其吸水能力受溶液中離子濃度影響較大。超純水、蒸餾水和自來(lái)水等3種水的離子濃度依次增高，3種保水劑的持水能力則呈下降趨勢(shì)；同樣，土壤施肥后由于離子濃度增加，保水能力明顯低于不施肥的土壤。4號(hào)保水劑在各種純度水中的保水能力最強(qiáng)，原因是4號(hào)保水劑的竹纖維上同時(shí)有丙烯酸和丙烯酰胺基團(tuán)的接枝，而2號(hào)雖然也有丙烯酰胺基團(tuán)接枝，但主要是丙烯酸接枝。一般認(rèn)為，接枝率越高，樹脂上的電荷密度高，樹脂內(nèi)外滲透壓增大，吸水能力提高［26］，因此，4號(hào)的接枝率高于2號(hào)，通過(guò)直接吸水和滲透壓吸水均比2號(hào)多。在各種純度水中2號(hào)的吸水倍率比S高，而在肥料溶液和土壤中的吸水倍率正好相反，而且兩者存在顯著差異（P＜0.05），2號(hào)和S保水劑在不同的介質(zhì)中保水能力表現(xiàn)不同也是保水劑結(jié)構(gòu)差異所致。2號(hào)是丙烯酸接枝到竹屑的纖維，S則是丙烯酸聚合物，前者的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比后者發(fā)達(dá)，滲透壓吸水量也大，但滲透壓吸水受到介質(zhì)的離子濃度影響較大，2號(hào)在肥料溶液和土壤中的吸水倍率下降幅度大于S。

3種保水劑隨著離子型肥料溶液（硫酸鉀、磷酸二氫銨和復(fù)合肥）質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加其持水能力下降（圖2A，2B，2C），但不同保水劑隨著離子型肥料溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加下降的幅度并非一致，其中4號(hào)下降幅度最大，可能原因是4號(hào)保水劑的合成反應(yīng)后多余的鉀離子沒(méi)有2號(hào)和S多（不施肥土壤的2號(hào)和S處理的鉀淋出量明顯高于對(duì)照，說(shuō)明保水劑本身含有很多的鉀離子），當(dāng)溶液中離子濃度增加時(shí)，滲透壓梯度減少比2號(hào)和S大，因而吸水倍率下降幅度大。非離子型肥料溶液（尿素）質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)保水劑的保水影響不大（圖2D），因?yàn)槟蛩厝苡谒鬀](méi)有產(chǎn)生大量離子而導(dǎo)致溶液的水勢(shì)下降，因此，保水劑內(nèi)外滲透壓梯度變化很小，說(shuō)明非離子型的尿素肥料對(duì)保水劑吸水的能力影響甚微。這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)果一致［28-29］。

不同用量4號(hào)保水劑的土壤吸水能力結(jié)果表明，保水劑用量越多，土壤的持水能力越強(qiáng)，但m（保水劑）∶m（土壤）為1∶800和1∶600時(shí)差異不大（圖3B和圖5B），保水能力只略高于對(duì)照；隨著m（保水劑）∶m（土壤）從1∶600增加到1∶100，土壤的保水能力呈梯度增加，且不施肥土壤的增加幅度大于施肥土壤。然而，用量越多、經(jīng)濟(jì)成本越高，因此，綜合保水效果和經(jīng)濟(jì)成本，確定1∶200（保水劑施用量為0.50%）或1∶400（保水劑施用量為0.25%）為合理施用量，施入根層或根際周圍。土壤質(zhì)地輕、植物對(duì)水分要求高、降水偏少的地區(qū)，保水劑用量可適當(dāng)偏高，反之則用量減少。

施肥土壤的3次淋溶試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同種類和不同用量保水劑的淋出量差異主要體現(xiàn)在第1次（圖5A，5B），而第2次、第3次淋出量差異很少。這是由于保水劑的持水能力有一定上限，而第1次澆水已經(jīng)達(dá)到了其上限（1∶100的除外），雖然后2次（70.00 mL）澆水時(shí)土壤仍然吸持了部分水，但不同處理之間差別不大。表明保水劑的作用主要體現(xiàn)在長(zhǎng)期干旱后降雨或灌水后階段。

3.2 保水劑對(duì)土壤中養(yǎng)分的保持能力比較

施肥后各種養(yǎng)分的淋出量顯著高于不施肥土壤，而不同處理之間的差異規(guī)律兩者基本一致。因此，我們著重分析施肥土壤的淋溶結(jié)果，一是施肥土壤更接近實(shí)際生產(chǎn)情況，二是施肥土壤3次淋溶液分別記錄體積和分析元素，數(shù)據(jù)更豐富。研究發(fā)現(xiàn)：3號(hào)用量最大的處理（1∶100）其銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和鉀淋失量均大于其他用量，4號(hào)處理土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的氮素流失量最大，2號(hào)最小，S居中，原因可能與4號(hào)保水劑中含有酰胺基有關(guān)。鉀淋失量則是2號(hào)最多，4號(hào)最少，S仍然居中，是因?yàn)?號(hào)和S保水劑本身含有較多的鉀。

磷的淋失規(guī)律不同于銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和鉀，由于磷的溶解度較低，土壤溶液中磷含量很低，一般生產(chǎn)中土壤磷的淋失途徑主要通過(guò)細(xì)土淋失。研究發(fā)現(xiàn)：無(wú)論施肥與否，磷的淋出量均大于對(duì)照，且2號(hào)保水劑處理的土壤磷的淋出量最大，其淋出量是4號(hào)和S的2.0倍左右。3種保水劑本身都不含磷元素，保水劑處理磷的淋出量明顯大于對(duì)照，且2號(hào)又高于4號(hào)和S。原因是什么？研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)淋出液呈黃色，黃色深淺依次為2號(hào)、S、4號(hào)和對(duì)照。分析表明：磷的淋出量高低順序與淋洗液的黃色深淺一致，因?yàn)?種保水劑呈堿性，加入保水劑后原來(lái)的酸性土壤（pH 4.79）可能呈弱酸性、中性或弱堿性（因保水劑的堿性強(qiáng)弱和加入的量而變）。堿性保水劑的加入，一方面可能將部分有機(jī)態(tài)磷水解（淋洗液黃色是有機(jī)質(zhì)的水解的結(jié)果）成為無(wú)機(jī)磷；另一方面，保水劑合成反應(yīng)后剩余的丙烯酸根可能與鐵和鋁形成絡(luò)合，起到活化磷的作用［30-31］。2號(hào)保水劑的中和度（72%）高于4號(hào)（63%），堿性比4號(hào)強(qiáng)，加入的丙烯酸也比4號(hào)多，這可能是2號(hào)保水劑處理土壤淋出的磷明顯高于4號(hào)和S的原因。說(shuō)明堿性保水劑的施用，還能起到提高土壤磷的有效性作用。4號(hào)保水劑不同用量對(duì)不施肥磷的淋失影響不大（圖4F），而對(duì)施肥土壤磷的淋失影響則較大（圖6F），土壤磷的淋出量呈兩端低中間高的規(guī)律，對(duì)照和1∶100處理的土壤較低，而1∶600處理的土壤最高。這是因?yàn)榱椎牧艹隽咳Q于2個(gè)因素，一是土壤磷的溶解能力（即溶解度），二是淋出的水量，因?yàn)橥寥廊芤旱牧踪|(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，貧瘠土壤中為0.001 mg·kg-1，極肥沃的土壤中也只有1.000 mg·kg-1［32］，這也是第2次和第3次的淋出液中仍有較多磷的原因。因此，溶解度高且淋出液體積大，則磷的淋出量高。對(duì)照和1∶800處理的土壤，因?yàn)闆](méi)有加入或加入的保水劑量少，不利于磷的溶解，所以是磷的低溶解度導(dǎo)致磷的淋出量少；而加入較高比例保水劑時(shí)，雖有利于磷的溶解，但溶液中的磷并不是直線增加，此時(shí)，淋出液體積將決定磷的淋出量，所以，高比例的保水劑處理土壤磷的淋出量較少。1∶600處理的土壤正好是以上2個(gè)因素的作用最大，磷的淋出量達(dá)到最大值。由于不施肥土壤中有效磷含量本身較少（31.350 mg·kg-1），4號(hào)保水劑對(duì)磷的溶解度影響較小，所以加入的保水劑量對(duì)磷的淋出總量也沒(méi)有明顯影響。

除元素磷以外，施肥土壤第1次養(yǎng)分的淋出量明顯多于第2次和第3次（圖6C，6D，6G，6H），這是因?yàn)槭┤胪寥赖膹?fù)合肥中的可溶性養(yǎng)分大部分溶解第1次的210.00 mL的水中，特別是硝態(tài)氮，以后再加入水后只有少量養(yǎng)分溶入水中。不加保水劑土壤磷的第1次淋出量顯著高于第2次第3次，而加入保水劑處理土壤磷的3次淋出量差異縮??；4號(hào)保水劑隨著用量的增加，第2次和第3次的磷淋出量逐漸增加，1∶200處理土壤的第2次和第3次（383.8 μg，379.6 μg）略低于第1次（452.5 μg），而1∶100處理時(shí)第2次和第3次的淋出量（238.5 μg，131.0 μg）反而高于第1次（98.2 μg）。這是因?yàn)榈?次淋溶后土壤的持水量已達(dá)最大值，只有少量溶液淋溶出土體，后續(xù)淋洗時(shí)土壤溶液中的磷被不斷淋出，使得第1次的淋出量少則后續(xù)淋出則多。

3.3 保水能力強(qiáng)水分淋失少的處理反而養(yǎng)分淋失多的可能原因

保水劑對(duì)土壤養(yǎng)分的保持主要是通過(guò)增加土壤的保水能力起作用［24］，因?yàn)榇蟛糠逐B(yǎng)分（除磷以外）是隨著土壤水分淋失離開土體。就此推理，保水越強(qiáng)的養(yǎng)分淋失越少，而本研究出現(xiàn)相反情況是否說(shuō)明保水劑對(duì)養(yǎng)分保持起到副作用呢？實(shí)際情況分析如下：不施肥土壤淋洗試驗(yàn)是通過(guò)注射器滴注方式分5 d即5次分別注入（共計(jì)210.00 mL蒸餾水，見實(shí)驗(yàn)方法），保水能力強(qiáng)的4號(hào)保水劑處理，在前3 d加入150.00 mL（70.00+40.00+40.00 mL）時(shí)幾乎沒(méi)有水淋出，最后2 d繼續(xù)加入60.00 mL（40.00+20.00 mL）時(shí)才有淋出液。由于淋溶持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，水分在保水能力強(qiáng)的土壤中停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于土壤養(yǎng)分溶解于水中，當(dāng)加入的水分超過(guò)其保水能力時(shí)，大部分養(yǎng)分隨著水移出土體；相反，保水能力差的處理，因?yàn)樗衷谕寥乐型Ａ舻臅r(shí)間較短，溶于土壤溶液中的養(yǎng)分也少。當(dāng)加入的水量不超過(guò)土壤最大持水量時(shí)，溶液中的養(yǎng)分不會(huì)移出土體，此時(shí)其保水能力與養(yǎng)分成正比。本次淋溶試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水量為210.00 mL，折算成降水量相當(dāng)于54.60 mm，達(dá)到暴雨級(jí)水平［降水量等級(jí)以中國(guó)氣象局頒布的 “降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)陸部分）”為分類依據(jù)］。對(duì)于不施肥土壤，4號(hào)保水劑1∶200處理后土壤的最大持水量為152.67 mL（加入210.00 mL-淋出量57.33 mL），折算成降水量相當(dāng)于39.70 mm，達(dá)到大雨—暴雨級(jí)水平，當(dāng)降水量大于39.70 mm才會(huì)產(chǎn)生養(yǎng)分淋失大量淋失。施肥對(duì)4號(hào)的保水能力沒(méi)有影響，施肥土壤（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0‰復(fù)合肥）第1階段210.00 mL淋溶時(shí)土壤的最大持水量為153.92 mL（不施肥152.67 mL），相當(dāng)于40.00 mm降水量。4號(hào)保水劑1∶200處理，即保水劑施用量為土壤質(zhì)量的0.50%能承受的最大降水量為大雨范疇，而浙江省降水在大雨及以上水平年平均天數(shù)只有22.37 d［33］。因此，只要避免在大雨前施肥，施用保水劑能夠起到很好的養(yǎng)分保持作用。當(dāng)然，不同土壤類型、不同肥料種類和用量都會(huì)影響土壤的最大保水能力，因此，即使相同用量的同一種保水劑能夠保持的水分也會(huì)有差異，實(shí)際施用時(shí)要作相應(yīng)調(diào)整，對(duì)于降水量較大的地區(qū)，建議用量在1∶400比較安全。對(duì)于本研究而言，在降水量小于40.00 mm時(shí)，前言提出 “保水能力越強(qiáng)、養(yǎng)分淋失越少”的假設(shè)成立。

4 結(jié)論

自制的纖維接枝丙烯酰胺型保水劑在不同純度水和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的肥料溶液中保水效果最好，保水效果受離子型的肥料濃度影響較大，而受分子型尿素肥料的濃度影響很??；纖維接枝丙烯酸鉀型保水劑效果則略優(yōu)于聚丙烯酸鉀的商品保水劑；竹纖維接枝丙烯酰胺型保水劑用量與保水效果呈正比，但如果降水量達(dá)大雨級(jí)時(shí)，則 “保水能力越強(qiáng)或加入的保水劑比例越高，養(yǎng)分淋失越少”的假設(shè)不成立。綜合其保水、保肥能力以及經(jīng)濟(jì)成本得出m（保水劑）∶m（土壤）=1∶200（土壤質(zhì)量的5.0‰）為最佳施用量。根據(jù)本次研究結(jié)果，4號(hào)保水劑1∶200用量承受的最大降水上限為40.00 mm，建議避免在大雨前施肥。

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YU Xiao,PENG Yan,XU Qiufang
（Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration of Zhejiang Provincial,School of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China）

Water for irrigation is a critical factor for plant growth in mountainous commercial forests.To solve this water deficiency one effective way would be application of super absorbent polymers（SAPs）that could be produced from wood processing residues.In this study two SAPs,bamboo fiber grafted with potassium acrylate（No.2）and bamboo fiber grafted with acryl amide （No.4）,regenerated from bamboo sawdust were compared with commercial potassium polyacrylate（S）to determine the water-holding capacity（WHC）in three types of water（deionized water,tap water,and distilled water）and four fertilizer solutions（potassium sulfate,ammonium dihydrogen phosphate,compound fertilizer,and urea）with five gradient concentrations （0.5‰，1.0‰，2.0‰，4.0‰and 8.0‰）,as well as the WHC and nutrients protection in soils with or without fertilizers with same dosage（mass ratio of SAP to soil are 1∶200）.Also,effects of five dosages with a mass ratio of No.4 to soilbeing 1：100,1：200,1：400,1：600,and 1：800,were designed to determine WHC and nutrient protection in soils with and without fertilizers.Results showed that the water absorption rate in the three types of water and four types of fertilizer solutions was highest with No.4（P＜0.05）;whereas,S was significantly lower than the two SAPs （P＜0.05）.Water absorption rates for soils with and without fertilizers varied significantly （P＜0.05）and followed the order of No.4＞S＞No.2.WHC was positively related to SAP dosage and greatly affected by the solution concentration from ionic fertilizers of potassium sulfate,ammonium dihydrogen phosphate,and compound fertilizer but not by urea,the non-ionic fertilizer.Also the highest WHC with SAP No.4,especially the treatment with highest dosage（mass ratio of SAP：soil=1：100）resulted in the greatest loss of ammonium-N,nitrate-N,and potassium when the leaching water volume exceeded the WHC of the soil.In conclusion,SAP No.4 exhibited the greatest WHC and nutrient protection with a recommended dosage of 0.50%of the SAPs based on a dry soil mass（mass ratio of SAP：soil=1：200）,but should avoid fertilizing with maximum precipitation＞40 mm to minimize leaching.［Ch,6 fig.33 ref.］

soil fertilizer science;bamboo sawdust regenerated super absorbent polymer;water-holding capacity of soil;soil nutrients

S714.8

A

2095-0756（2017）03-0473-11

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2017，34（3）：473-483

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.03.013

2016-04-29；

2016-10-17

浙江省科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015C02G4010091）

余曉，從事水土資源利用與保護(hù)研究。 E-mail：416124114@qq.com。通信作者：徐秋芳，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事土壤生物學(xué)及森林生態(tài)學(xué)等研究。E-mail：xuqiufang@zafu.edu.cn