三种不同保水剂在不同土壤质地和埋深条件下保水性能的比较

李沼鹈，师庆东,3，韩 舒，周耀治

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，乌鲁木齐 830046)

0 引 言

我国的保水剂开发与应用研究开始于20世纪80年代初期。在此研究基础上利用土壤保水剂增产是缓解中国水资源短缺的一种新途径和方法[1-3]。国内外研究表明，保水剂施入土壤后具有明显的节水、增长效果[4-5]。而保水剂的正确选择与科学施用是缓解农作物旱情的主要措施之一[6]。保水剂具有良好的亲水性，通过形成凝胶长时间锁住水分，其吸水量可以达到自身质量的百倍甚至千倍，且可以反复吸水，因此在农业和生态保护中得到了较为广泛的应用，也越来越受到国内外专家的重视[7-9]。保水剂在土壤中施用保水剂可改善土壤结构和土壤孔隙状况，并且提高土壤的保水性能[10]，改善土壤内部水分环境，从而对作物生长产生正效应。加入适量保水剂能够提高土壤入渗性能[11-13]，促进水分向各方向渗入。但保水剂的作用效果因在植物生长过程中经历反复吸水和释水而有所降低，虽然保水剂有重复作用，仍具有一定的保水、保水效果[14-18]。

新疆位于亚欧大陆中部，深处内陆受地理环境的影响，受干旱半干旱大陆性气候控制降水少而蒸发量大。北疆干旱度在4～8，南疆干旱度大于9。水资源匮乏制约着本区域的工业和农业的发展。干旱状况在新疆地区以其范围广、持续时间长，严重影响着农业生产。唐自力等利用保水剂对沙漠中梭梭林吸水倍率进行研究，表明保水剂可以有效提高20～30 cm深度土层的土壤含水性和梭梭林的成活率。针对保水剂对土壤持水性方面的影响研究，目前多侧重于研究保水剂对同一土壤或不同类型保水剂对同一土壤持水性的影响[19-26]，还有将保水剂施用与其他抗旱节水措施结合研究保水剂对土壤特性及作物生长和产量等的影响[27-31]。但是，目前针对保水剂在不同理化性质的土壤和埋深条件下的保水性能方面研究较少，在新疆干旱区开展此项研究显得尤为重要。

为探索不同保水剂在干旱区不同理化性质和不同深度土壤中的应用效果，探寻一条符合新疆地区保水剂合理施用的科学方案，本研究选用国外保水剂MP3005KCE、国内沃特保水剂(WT)和新疆大学研制的HG-60保水剂，分别在砂土、壤土和黏土的不同埋深下进行对比试验研究，通过研究3种土壤理化性质的改变。以期得出干旱区施用保水剂的准确比例。为后期的保水剂在干旱区的荒漠化治理和农业生产中提供实际参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

(1)土壤理化性质：根据采集的3种土壤样品特征和卡庆斯基的土壤分类标准，黏土采于阜康市九运街镇的黏土矿，壤土和砂土分别采集于阜康绿洲、古尔班通古特沙漠南缘。砂土含水率为0.3%，土壤密度为1.37 g/cm3；壤土含水率为20%，土壤密度为1.46 g/cm3；黏土含水率为40%，土壤密度为1.57 g/cm3。

(2)供试保水剂：采用干燥的MP3005KCE保水剂(法国爱森公司)，其主要成分为聚丙烯盐酸和聚丙烯酰胺共聚体，吸水倍率(去离子水)为429 g/g，对于0.9%NaCl溶液的吸水倍率为46 g/g；沃特保水剂(WT)(胜利油田长安集团)，其主要成分为聚丙烯酰胺共聚体和凹凸棒的混合体，吸水倍率(去离子水)为483 g/g，对于0.9%NaCl溶液的吸水倍率为42 g/g；HG-60保水剂(新疆大学化学工程学院)，其主要成分为高分子聚丙烯盐酸，吸水倍率(去离子水)为765 g/g，对于0.9%NaCl溶液的吸水倍率为54 g/g。0.9%NaCl溶液的吸水倍率来自韩舒在2014年的测定结果。

1.2 实验方法

本文试验饱和MP3005KCE保水剂、沃特保水剂(WT)和HG-60保水剂的制备方法具体实验操作是：根据表1，将3种干燥的MP3005KCE保水剂、沃特保水剂(WT)、HG-60保水剂以各0.1 g的标准，按照不同的埋深深度，放入装有黏土、砂土和壤土的烧杯中，各烧杯中土壤含水量均为14%，静置后使其完全饱和后再进行称重，其后放入60℃烘箱中，每隔6 h称重一次，直至重量恒定不变为止。

表1 干燥保水剂与制备饱和保水剂实验编号

实验在60 cm×40 cm×50 cm的玻璃缸中进行，玻璃缸中土壤密度为1.36 g/m3。为了方便观测与操作，玻璃缸中每隔20 cm放置一个玻璃薄板(见图1)。保水剂埋深深度为5、10、15 cm 三个水平，设置0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm五个梯度为测量含水量的变化。在每一层中采用“S”型样点法(如图1所示)，分别测量每个样点的含水量，通过每层的5个样点，来反映各层的土壤水分分布状况。

为减小实验误差和人为误差，确保实验数据的准确性，供试土壤初始含水量相同，并为均匀土质(过标准筛的风干土样)。保水剂的施用量，按照与土1∶20的比例施用，施用后将其放置在自然条件下，7 d后测量各层土壤含水量变化。

2 结果与分析

从表3中可以看出砂土中施用3种干燥保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能的差异(x代表时间，y代表含水量)。通过比较3种保水剂MP3005KCE、沃特(WT)、HG-60在砂土中实验数据结果处理之后R2值的大小，得出干燥保水剂KCE5-1和干燥保水剂HG5-1的保水性能大于空白实验的保水性能，HG5-1保水效果最好，且埋深相对较低，而KCE10-1保水效果最差。说明KCE5-1、HG5-1这两种干燥保水剂在砂土中的保水效果显著；砂土中不同保水剂和不同深度的条件下保水效果不同。

图1 保水剂对土壤水分分布的影响实验设计

表2 实验编号

表3 砂土中干燥保水剂随时间变化的保水性能拟和曲线方程

从表4中可以看出砂土中施用3种饱和保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能的差异(x代表时间，y代表含水量)。比较3种保水剂R2值的大小，得出3种饱和保水剂的保水性能全部大于空白实验的保水性能,饱和保水剂KCE5-2、饱和保水剂KCE10-2的保水性能最大，HG10-2保水性能最好，对比表3与表4得出结论：在砂土中饱和保水剂保水性能明显高于干燥保水剂。

表4 砂土中饱和保水剂随时间变化的保水性能拟和曲线方程

从表5中可以看出壤土中施用三中干燥保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能的差异(x代表时间，y代表含水量)。比较3种保水剂R2值的大小，得出3种干燥保水剂的保水性能都大于空白实验的保水性能，KCE10-1保水性能最好，而HG10-1保水性能最差，大约接近空白实验保水性能。说明这3种干燥保水剂在壤土中的保水效果显著；壤土中不同保水剂和不同深度的条件下保水效果不同。

表5 壤土中干燥保水剂随时间变化的保水性能拟和曲线方程

从表6中可以看出壤土中施用3种饱和保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能的差异(x代表时间，y代表含水量)。比较3种保水剂R2值的大小，得出3种饱和保水剂的保水性能都大于空白实验的保水性能,其中饱和保水剂HG10-2的保水性能为最大值，说明这3种干燥保水剂在壤土中的保水效果显著。对比表5与表6发现在壤土中干燥保水剂与饱和保水剂保水性能大致相同。

表6 壤土中饱和保水剂随时间变化的保水性能拟和曲线方程

从表7中可以看出黏土中施用3种干燥保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能的差异(x代表时间，y代表含水量)。比较3种保水剂R2值的大小,其中干燥保水剂KCE5-1的保水性能为最大值，WT10-1保水性能最差。

表7 黏土中干燥保水剂随时间变化的保水性能拟和曲线方程

从表8中可以看出黏土中施用3种饱和保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能的差异(x代表时间，y代表含水量)。比较3种保水剂R2值的大小，得出只有WT5-2的保水性能大于空白实验的保水性能，其他不同深度的保水剂都小于空白组的保水性能，说明这3种干燥保水剂在壤土中的保水效果不显著。对比表7与表8发现在黏土中干燥保水剂与饱和保水剂保水性能不相同。

表8 黏土中饱和保水剂随时间变化的保水性能拟和曲线方程

通过表3～8，可以看出：①在砂土中，加入MP3005KCE保水剂后，饱和保水剂放入到干燥土壤的保水性能大于干燥保水剂放入土壤后在吸水的能力，较空白试验保水性能多108 h，并且埋深在5 cm的效果较好；沃特保水剂(WT)的效果均小于MP3005KCE保水剂；HG-60保水剂效果在3种保水剂中最不明显；施用饱和的保水剂的保水效果比施用干燥保水剂的效果好，施用MP3005KCE饱和保水剂时埋深可优先选择10 cm；施用沃特多功能保水剂时，埋深条件为5 cm与10 cm的效果差异较小，施用HG-60保水剂埋深5 cm为最适宜状态。②对于壤土：在施用保水剂时，沃特保水剂(WT)在埋深为5 cm的壤土中保水性能最好，空白实验的壤土在96 h水分蒸发完，其余保水剂比空白多保水24 h以上；各处理的壤土含水量均大于空白土壤，而HG-60保水剂在埋深为10 cm的条件下，前60 h蒸发水分较快。③在黏土中，对于干燥施用保水剂来说，MP3005KCE对黏土的保水性能最差，其结果均小于空白实验的本身保水性能，沃特保水剂(WT)在埋深为10 cm和HG-60保水剂在埋深为5 cm时，保水效果最佳；饱和施用保水剂时，3种保水剂的保水强度和时间都有所提高，并且形成隔水层，因此在埋深条件为5～10 cm较为适宜。根据表3～表8拟合结果可知，发现饱和保水剂的持水性能均高于干燥保水剂，故研究保水剂在在砂土和黏土土壤中，不同埋深条件下保水剂对土壤含水量的影响的实验中，实验材料均选用饱和保水剂。

图2 砂土5 cm埋深条件下饱和保水剂对土壤含水量的影响

图3 砂土10 cm埋深条件下饱和保水剂对土壤含水量的影响

图4 砂土15 cm埋深条件下饱和保水剂对土壤含水量的影响

由图2、3、4可知， MP3005KCE和沃特保水剂(WT)均显著增加了施用层及下层土壤含水量，在初始条件一样的情况下，饱和保水剂内部的水分向外释放是土壤含水量增加的主要原因；以15 cm为界，上层保水性能较弱，下层较强。相比而言，HG-60保水剂在施用点位及该层的含水率达到最大值，而该层的下部分土壤含水量则略有升高，这一现象可能是因为保水剂达到饱和后，内部凝胶状态增强，与流动性强的砂土之间相挤压，产生不均匀缝隙导致的；以埋深层为界，埋藏越深，其上层的土壤保水性能越弱，而对下层有一定的保水性能。

由图5可知，当保水剂埋深在5 cm时，各保水剂对砂土的0～5和20～25 cm的土壤含水量影响差异较大。在0～5 cm处的保水性能大小顺序为：MP3005KCE保水剂>沃特保水剂(WT)>HG-60保水剂；在20～25 cm处，沃特保水剂(WT)>MP3005KCE保水剂>HG-60保水剂；当埋深为10 cm时，各保水剂对砂土5～10 cm的含水量影响差异较大，表现为MP3005KCE保水剂>沃特保水剂(WT)>HG-60保水剂；埋深处理15 cm时，各保水剂对砂土5～10、10～15、20～25 cm的含水量影响差异较大，且各层均表现为MP3005KCE保水剂>沃特保水剂(WT)>HG-60保水剂。

从图5可以看出，施用饱和保水剂后的土壤含水量均高于空白实验，3种保水剂在埋深为5和10 cm，水分集中分布在5～15 cm之间，上层含水量大于下层；埋深在15 cm时，含水量在20±5 cm较高，并且前5 cm的含水量略大于后5 cm的含水量。

与图2、3、4的砂土结果进行对比，从水分分布方面来说，砂土中的水分分布比壤土的水分分布较为均匀，壤土中的各层含水量增加的较多。

通过图6、7、8可以看出，饱和MP3005KCE保水剂和饱和沃特保水剂(WT)施加后，随着埋深的增加，土壤含水量也在不断增加，而施用点位的上下层的土壤水分变化较大，说明水分分布不均匀，以5 cm为界上层较弱，下层保水性能较强。HG-60保水剂在施用点位的含水率达到最大值，上下层的土壤含水量也略有升高，以5 cm为界上层较弱，下层保水性能较强。在埋深为5 cm的条件下，土壤各层水分分布较为均匀；但随着保水剂埋深的增加，土壤中各深度段的含水量变化较明显，产生这一现象的主要原因为黏土的黏性较大，吸水后易产生裂缝并且结块，而且不同保水剂释放水分情况不同，也就使得黏土吸水产生的裂缝大小和位置不同，致使不同饱和保水剂在各层土壤含水量变化不均匀、规律性不强。

图6 黏土5 cm埋深条件下饱和保水剂对土壤含水量的影响

图7 黏土10 cm埋深条件下饱和保水剂对土壤含水量的影响

图8 黏土15 cm埋深条件下饱和保水剂对土壤含水量的影响

3 讨 论

保水剂的吸水保水性能除了受自身组成和结构制约外,还受自身粒度的影响。3种保水剂在砂土中均显示了较好的保水、释水能力，其保水和释水能力的大小顺序为MP3005KCE保水剂>沃特保水剂>HG-60。这与MP3005KCE在砂土中为粉末状，吸水速度较快、较均匀，且与砂土的颗粒最为接近，因此与其结合的最为紧密、均匀，使得水分流失较少，持水性较好所致。

砂土中干燥保水剂KCE5-1、HG5-1两种，在砂土中的保水效果显著，砂土中3种饱和保水剂的保水性能全部大于空白实验的保水性能，饱和保水剂KCE5-2和饱和保水剂KCE10-2的保水性能最大，HG10-2保水性能最好。这与李杨和王百田的研究发现保水剂对砂土保水性提高效果明显，并促进玉米生长的研究结果一致[32]。对比两者发现在砂土中饱和保水剂保水性能明显高于干燥保水剂保水性能，与杨永辉等得出来的结论一致[33]。对比砂土中饱和保水剂与干燥保水剂持水性能，饱和保水剂持水性均好于干燥保水剂持水性能，这是由于保水剂在充分吸水后，过细的水凝胶颗粒紧密聚集, 使水分蒸发需要较高的能量, 因而不易散失,具有较高的保水性能[21]。

本研究中3种保水剂在壤土中施用时，在干燥时施用的保水性能都大于空白实验的保水性能，说明这3种保水剂在土壤干燥状态的对壤土的保水效果显著。壤土中不同保水剂和不同深度的条件下保水效果不同。壤土中施用3种饱和保水剂得出3种饱和保水剂的保水性能都大于空白实验的保水性能，说明这3种在饱和状态的保水剂对壤土的保水效果显著。两者对比发现在壤土中干燥保水剂与饱和保水剂保水性能大致相同。

黏土中施用的3种干燥保水剂，其中KCE5-1的保水性能为最大值，WT10-1保水性能最差。黏土中施用3种饱和保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能的差异显著。说明这3种干燥保水剂在壤土中的保水效果不显著；两者对比发现在黏土中干燥保水剂与饱和保水剂保水性能不相同。

同一保水剂在不同质地土壤条件下持水能力不尽相同，这是因为保水剂的保水性能与土壤质地关系密切，在不同质地的土壤中，施用3种保水剂于壤质土壤时保水性能不如在砂土和黏土质地的土壤明显，这可能与壤土的结构较好，其自身的保水和释水性能较强有关[16,17]。

随着全球干旱、半干旱地区面积的不断扩大，越来越多的学者投入了“如何把荒漠变绿洲”的研究。但由于沙漠地区常年干旱少雨，即便偶尔降雨也会很快流失，水的有效储存和利用就成为了该研究的难题。保水剂的作用，使其成为缓解这一难题的关键。保水剂可当作水分的保持剂及肥料的缓释剂，对植树造林、防沙治沙均有较好的效果。诸多研究表明，保水剂具有节水、抗旱、保肥、增产的作用，在干旱半干旱地区治理沙漠、防治水土流失、提高人工造林成活率、提高果树产量等方面的应用己显示出优势。

4 结 论

(1)在砂土中施用保水剂，能显著增加土壤含水量，位于保水剂施用层的上方5 cm及其下方10 cm的位置，对较深层的土壤含水量也有一定的增加，即各保水剂在砂土中均显示了较好的保水、释水能力，且保水性能大小顺序为MP3005KCE保水剂>沃特保水剂(WT)>HG-60保水剂。

(2)黏土中施用3种饱和保水剂在不同埋深条件下随时间变化的保水性能差异显著；3种保水剂的保水、释水性能最低，推测原因为黏土的黏性较大，吸水后易产生裂缝和结块。

(3)在壤土中施用3种保水剂，能大大增加保水剂施用层土壤含水量并且也增加其下方10 cm的土壤含水量；试验表明3种保水剂在壤土中的保水性能比砂土中的保水性能较好。

(4)3种保水剂在壤土中表现出较好的保水和释水性能，在壤土中含水率最高且各层水分分布较均匀，土壤中在砂土含水率大于黏土中的含水率，这也验证了壤土本身具有较好的保水性能；由于黏土中的黏性较大，吸水后产生裂缝并且结块且3种保水剂释水情况各异，从而黏土吸水产生的裂缝大小和位置不同，使得不同保水剂在各层土壤含水量变化不均匀、没有规律性。

(5)保水剂埋深在5 cm时，各保水剂对砂土的0～5和20～25 cm的土壤含水量影响率差异较大。

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