李炎明,陳 云,2,關(guān)新元,李永生,王 軍,張海軍(.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)新技術(shù)推廣服務(wù)中心,新疆 石河子 832000;2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所)
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保水劑在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展*
李炎明1,陳云1,2,關(guān)新元1,李永生1,王軍1,張海軍1
(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)新技術(shù)推廣服務(wù)中心,新疆石河子832000;2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所)
摘要:保水劑是一種能吸收自身重量數(shù)百倍甚至上千倍的去離子水或數(shù)十倍的含鹽水分的新型功能性高分子材料,在干旱區(qū)農(nóng)業(yè)上有廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景,保水劑可提高土壤吸水能力,增加土壤含水量,提高水分利用效率,可增強(qiáng)土壤保肥能力,改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞:保水劑;土壤;保水;保肥
我國(guó)是一個(gè)水資源缺乏的國(guó)家,水資源的地域及時(shí)空分配不均進(jìn)一步加劇了缺水的狀況,干旱缺水和土壤退化已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。保水劑是一種能吸收自身重量數(shù)百倍甚至上千倍的去離子水或數(shù)十倍的含鹽水分的新型功能性高分子材料[1],并且可以反復(fù)吸水,吸水后呈凝膠狀,可緩慢釋放水分供作物吸收利用,從而增強(qiáng)土壤保水和持水能力,改良土壤結(jié)構(gòu),提高水肥利用率,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面具有廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景[2]。
1.1提高土壤吸水能力,增加土壤含水量
保水劑是一種內(nèi)部含有大量強(qiáng)親水性基團(tuán)(如羧基、磺酸基、酰胺基、羥基等)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物,吸水后三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)溶脹,進(jìn)一步加大了蓄水能力。陳海麗等人[3]在飽和含水量分別為50.02%的壤土和44.08%的沙土中施用不同的保水劑,壤土的飽和含水量提高到59.07%~70.61%,沙土的飽和含水量提高到63.41%~77.59%。
1.2增加土壤保水能力,降低土壤入滲速率和水分蒸發(fā)量
合理施用保水劑可以減少土壤的水分蒸發(fā)量和入滲速率。岑睿等人[4]在沙壤土中對(duì)比不同施用方式和施用量的保水劑,土壤的入滲速率較對(duì)照降低4.56%~41.62%;設(shè)置相同的初始含水量,土壤水分蒸發(fā)量較對(duì)照減少15.38%~50.43%。如保水劑用量過(guò)多或使用不當(dāng),會(huì)使土壤表面滲透性下降太快,造成水分無(wú)法有效下滲,同時(shí)保水劑吸水溶脹后導(dǎo)致土壤孔隙率增加,加快了水分的蒸發(fā),導(dǎo)致保水性能下降[5]。
1.3增強(qiáng)土壤保肥能力,提高肥料利用率
保水劑分子具有的離子基團(tuán)能通過(guò)吸附、離子交換、絡(luò)合等方式和部分肥料離子結(jié)合,減少肥料淋溶損失,提高肥料利用率。茍春林等人[6]試驗(yàn)表明,保水劑和尿素混施對(duì)氮素的吸持率達(dá)52.59%,在上述土壤中種植玉米,玉米的生物學(xué)產(chǎn)量、根系干重、氮肥利用率和每千克水產(chǎn)出生物量分別較單施尿素增加16.38%、88.41%、9.03%和27.57%。馬煥成等人[7]在森林土壤中施加保水劑后,顯著提高了土壤中氮、磷、鉀的含量,使土壤堿解氮含量提高133.1%~ 295.8%,有效磷提高10.4%~43.2%,速效鉀提高124.2%~220.3%。
1.4改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)
保水劑吸水后溶脹,使土壤容重下降,孔隙度增加,促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,有利于土壤空氣流通;土壤持水量的增加能增加土壤的比熱容,起到調(diào)節(jié)土壤溫度的作用。實(shí)驗(yàn)表明[8],保水劑能促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,對(duì)0.5~5.0mm粒徑的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成起到的作用最明顯;當(dāng)保水劑施用量在0.005%~0.010%范圍時(shí),土壤團(tuán)聚體增加量最多。
2.1種子包衣
用保水劑或保水劑和肥料、農(nóng)藥等混合物拌種或造粒,在種子表面形成一層保護(hù)膜,能為種子萌發(fā)提供有效的水分和養(yǎng)分供給,降低病害發(fā)生率,提高出苗率。向曉明等人[9]用保水劑對(duì)春小麥進(jìn)行包衣處理,小麥出苗提前1~2d,出苗率提高6.5%~11.1%,產(chǎn)量提高7.46%~12.66%,這與李布青等人[10]的試驗(yàn)結(jié)果一致。雷昌云等人[11]在包衣劑中添加保水劑處理水稻種子,較常規(guī)包衣劑處理出苗率增加6.6%,增產(chǎn)12.1%。米青榮等人[12]用經(jīng)保水劑處理的花生與常規(guī)播種對(duì)比,出苗提前1d,出苗率提高5.6%。
2.2育苗
用保水劑與其他基質(zhì)混合,可用于蔬菜和苗木的工廠化育苗,也可用于盆栽花卉的種植。董傳遷等人[13]的試驗(yàn)表明,將保水劑與基質(zhì)混合進(jìn)行甜椒穴盤育苗,在保水劑用量為4g/L時(shí),幼苗的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凈光合速率、根系活力、葉片脯氨酸和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,壯苗指數(shù)比對(duì)照提高46.6%;添加保水劑可使甜椒苗期節(jié)水、節(jié)肥率達(dá)到12.8%~51.8%,這與李建設(shè)等人[14]的試驗(yàn)結(jié)果一致。在番茄[15-16]、黃瓜[17]、茄子[18]等作物上的試驗(yàn)也表明,育苗時(shí)在基質(zhì)中添加適量保水劑,作物秧苗的生物量、生理活性、抗逆性增長(zhǎng)顯著,有利于提高作物秧苗質(zhì)量。當(dāng)保水劑施用量過(guò)大時(shí),秧苗的質(zhì)量開始下降,這可能是由于較多的保水劑凝膠使基質(zhì)的含水量過(guò)高,影響了基質(zhì)的透氣性,降低了秧苗根系的活力,使秧苗的生長(zhǎng)受到抑制。
2.3土壤直接施用
保水劑土壤直接施用主要有地表撒施和溝施或穴施2種。
地表撒施是將保水劑均勻撒于地表或整地時(shí)翻入土中,用量為50~100kg/hm2,主要用于飼料作物、綠化草坪等。李中陽(yáng)等人[19]施用5種不同的保水劑,施用量為30kg/hm2和60kg/hm2,撒施后翻入地中,冬小麥產(chǎn)量增加1.3%~7.9%,水分利用效率由對(duì)照的17.1kg/(hm2·mm)提高到18.0~ 20.7kg/(hm2·mm)。毛思帥等人[20]在較貧瘠的沙地種植沙地燕麥,在4個(gè)施肥水平 (分別施用N-P2O5-K2O∶15-15-15復(fù)合肥375、300、225、150kg/hm2)下,施用保水劑60kg/hm2,與對(duì)照相比燕麥平均秸稈產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、地上部和地下部生物量分別增加38.58%、22.60%、32.02%和24.59%;籽粒產(chǎn)量肥料利用率提高29.6%,土壤中的全N、速效P、速效K含量均相對(duì)增加,生物產(chǎn)量肥料利用率提高39.8%。李佳嶺等人[21]的試驗(yàn)表明,在土壤中施用保水劑50 kg/hm2并翻入土壤表層0~5cm,種植黑麥草草坪,能顯著提高土壤的體積含水量、保肥能力、草坪生長(zhǎng)速度和草坪蓋度等。
播種時(shí)根據(jù)不同的作物選擇不同的保水劑用量,施用量在10~150kg/hm2不等,采用開溝施或穴施,一般在施入的同時(shí)或施入后即可播種或移栽。程闖勝等人[22]在玉米苗期溝施保水劑45kg/hm2,與對(duì)照相比,土壤20~60cm土層含水量提高18.31%,60~100cm土層含水率降低14.04%,上層土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷均有提高,表明保水劑有效降低了水分的下滲和由此帶來(lái)的淋溶作用導(dǎo)致的養(yǎng)分流失,玉米粗蛋白、粗淀粉、產(chǎn)量分別提高8.5%、1.0%、20.0%,粗纖維降低24.2%。池文澤等人[23]將保水劑與棉種混合后用播種機(jī)隨棉種一同穴施,在滴灌條件下,節(jié)水40%,保水劑施用量90kg/hm2和60 kg/hm2時(shí),較常規(guī)滴水分別增產(chǎn)18.95%、16.36%。西瓜[24]、馬鈴薯[25]等作物穴施或撒施保水劑后,產(chǎn)量、水分利用效率(WUE)等均有提高。
2.4蘸根
一般用于甘薯、蔬菜和苗木的移栽,保水劑蘸根后在植株根部形成一層保護(hù)膜,防止植株根部水分流失,移栽時(shí)可提高植株的成活率,縮短緩苗期。試驗(yàn)表明,番茄、茄子幼苗經(jīng)保水劑蘸根處理后移栽,定植后2~4周內(nèi)株高、葉面積等均有提高,緩苗時(shí)間明顯縮短[26]。采用保水劑對(duì)一年生馬尾松、杉木、板栗苗進(jìn)行蘸根移栽,成活率分別為88.6%、93.2%、97.0%,對(duì)照組為68.2%、77.3%、50.0%。其中,馬尾松苗生物量比對(duì)照提高126.9%,其根、枝、葉生物量分別提高53.6%、52.1%和258.5%;采用保水劑蘸根的杉木苗,其生物量比清水對(duì)照組提高69.3%,其中根、枝、葉生物量分別提高62.6%、50.3% 和93.1%[27]。
3.1新型保水劑的研制
目前保水劑生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)較為成熟,主要是聚丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺及它們的共聚物,以及淀粉、纖維素等和它們的接枝共聚物等。聚丙烯酸鹽類保水劑易和土壤中的二價(jià)金屬離子如鈣、鎂、錳等發(fā)生拮抗反應(yīng),降低保水劑的吸水倍數(shù)和使用效果[28]。因此,研究抗拮抗、耐水解、耐光老化、微生物降解慢的新型保水劑對(duì)延長(zhǎng)保水劑的有效期、降低保水劑的綜合使用成本具有重要意義。
3.2系列化、功能化保水劑的研制
拌種、土壤施用、蘸根、育苗等不同用途保水劑的技術(shù)指標(biāo)要求各有不同,保水劑可與肥料、農(nóng)藥和其他農(nóng)化產(chǎn)品結(jié)合,發(fā)展大田作物、植樹造林、防沙治沙等多種用途的專用保水劑系列產(chǎn)品。目前主要有2種技術(shù)路線,一是通過(guò)化學(xué)方法在保水劑分子鏈上引入不同的功能性基團(tuán),從而合成多功能復(fù)合型保水劑;二是通過(guò)混合不同功能和有效成分的保水劑、肥料、農(nóng)藥等研制復(fù)合型保水劑,克服不同組分之間的拮抗作用。通過(guò)上述路線確定各種不同功能成分的合理配比,研制出專用型、營(yíng)養(yǎng)齊全、用途明確、可降解的環(huán)保型多功能保水劑。
3.3保水劑的應(yīng)用技術(shù)及機(jī)理研究
目前對(duì)保水劑的應(yīng)用研究主要集中在保水劑在育苗和移栽成活率、作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量等方面,但多數(shù)為試驗(yàn)報(bào)告性質(zhì)。由于保水劑用量少,形狀不規(guī)則,不利于機(jī)械施用,而影響了在大田農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)中,要使保水劑的節(jié)水抗旱效果充分發(fā)揮,要綜合考慮氣候、地區(qū)、土壤、作物等因素,通過(guò)長(zhǎng)期系統(tǒng)性研究形成不同保水劑產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范,并研究保水劑和作物、土壤、肥料間的作用機(jī)理,研發(fā)出適應(yīng)機(jī)械精確施用的物理性狀,降低保水劑的施用成本,提高投入產(chǎn)出比,才能促進(jìn)保水劑在農(nóng)業(yè)上的規(guī)?;瘧?yīng)用。
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收稿日期:2016—05—12
*基金項(xiàng)目:新疆農(nóng)墾科學(xué)院青年科學(xué)基金項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):YQJ201112。