保水劑對(duì)土壤持水特性的影響研究

肖紅玉

(惠州市綠景水土保持咨詢(xún)服務(wù)有限公司，廣東 惠州 516001)

新疆是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，然而水資源的嚴(yán)重匱乏和水土不平衡的發(fā)展現(xiàn)狀嚴(yán)重制約著新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展。新疆60%的地區(qū)處于干旱氣候區(qū)，降雨與蒸發(fā)量不成比例，年平均蒸發(fā)量為1 750～2 700 mm，而年平均降水量?jī)H占17.5%。因此，如何保持土壤水分成為新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。

土壤中添加保水劑是緩解目前水資源短缺的一種重要方法，研究結(jié)果表明，土壤中添加保水劑后具有明顯的節(jié)水、增產(chǎn)效果[1]。保水劑是一種高分子聚合物，能迅速吸收比自身重?cái)?shù)100～1 000倍的去離子水，并且具有反復(fù)吸水能力，吸水膨脹后形成水凝膠，能夠緩慢釋放水分供植物吸收利用，從而增強(qiáng)土壤保水性能、提高水分利用率[2-3]。為探究保水劑對(duì)土壤持水性能的影響，本文以新疆昌吉州古爾班通古特沙漠南部的粘壤土和砂壤土為研究對(duì)象，研究了不同類(lèi)型保水劑對(duì)土壤持水性能、抗蒸發(fā)效果和有效含水量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1供試土壤

試驗(yàn)土壤選用新疆昌吉州阜康市綠洲西側(cè)(44°11′～46°20′N(xiāo)，84°31′～90°00′E)，古爾班通古特沙漠南部的粘壤土和砂壤土，該地區(qū)屬于典型的大陸性氣候，夏季干旱少雨， 冬季寒冷少雪， 晝夜溫差大。年降水為70～120 mm，蒸發(fā)量為 2 800～3 000 mm；平均氣溫為 4℃～9℃， 7月溫度最高，平均溫度為23.13℃～37.69℃。冬季最低溫度為-41℃。本地區(qū)無(wú)霜期為150 d， 冬季積雪為15～20 mm[4]。選取土樣時(shí)去除表面雜質(zhì)，分別選取田間0～30 cm的表層土壤。土樣經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干、去除雜質(zhì)。試驗(yàn)土壤具體物理性質(zhì)見(jiàn)表1所示。

1.1.2供試材料

篩選出3種保水劑作為試驗(yàn)材料，保水劑的基本情況見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)土壤的物理性質(zhì)

表2 保水劑的基本情況

1.2 試驗(yàn)處理與方法

1.2.1試驗(yàn)處理

在粘壤土、砂壤土中按質(zhì)量比加入0.025%、0.05%和0.1%保水劑后，將其混合均勻，不加保水劑的作為對(duì)照組(CK)，試驗(yàn)共有20個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.2.2土壤飽和含水率

將不同類(lèi)型、不同含量的保水劑與土壤樣品，設(shè)定容重分別為1.35 g/cm3、1.78 g/cm3后裝入環(huán)刀，測(cè)試土壤的飽和含水率。

1.2.2土壤水分特征曲線

利用離心機(jī)測(cè)定不同土壤(粘壤土、砂壤土)在不同吸力條件下的土壤含水量(將吸水飽和平衡后的土壤樣品，選取不同的吸力值進(jìn)行離心)。利用水汽平衡法測(cè)定土壤持水性(高吸力值范圍)，即將土樣放在恒溫(20℃)密閉干燥器內(nèi)(底層有不同的飽和鹽溶液)，使其在高吸力條件下吸水45 d以上，直至水汽吸附達(dá)到平衡為止。

1.2.3土壤抗蒸發(fā)性能

試驗(yàn)溫度控制在45℃的溫度條件下進(jìn)行。將吸水(去離子水)飽和后的保水劑(0.2 g)凝膠，按不同埋深放入裝有不同土壤的燒杯中，加入去離子水使土壤含水率達(dá)到17%[5]，靜置使水分完全滲入土壤后稱(chēng)重，然后放入烘箱中恒溫烘干(45℃)，每間隔12 h稱(chēng)重1次，直到重量恒定不變?yōu)橹筟6]。具體的試驗(yàn)設(shè)置如表3。

表3 保水劑抗蒸發(fā)能力試驗(yàn)

注：NAG-5表示埋深5 cm，A保水劑在粘壤土干燥狀態(tài)下的處理；NAJ-5表示埋深5 cm，A保水劑在粘壤土凝膠狀態(tài)下的處理。

1.2.4土壤有效含水量的測(cè)定

土壤有效含水量為田間持水量與調(diào)萎含水量之間的差值[7]。本實(shí)驗(yàn)中測(cè)定土壤吸力為300 kPa時(shí)的土壤含水量，估算粘壤土的田間持水量；用土壤吸力為800 kPa時(shí)的土壤含水量，估算砂壤土的田間持水量，具體的測(cè)定方法是將土壤樣品與保水劑充分混合后，將土壤樣品用水充分飽和后，利用懸掛水柱法測(cè)定土壤的含水量，用壓力鍋法測(cè)定土壤的萎蔫含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑對(duì)土壤持水性的影響

利用土壤水分特征曲線能夠完整地表征土壤水吸力、土壤持水特性及其持水機(jī)理之間的關(guān)系[8]。當(dāng)土壤吸力較低時(shí)，土壤水分主要受土壤毛管孔隙力的影響，通過(guò)毛管空隙力能夠體現(xiàn)土壤的結(jié)構(gòu)特征；當(dāng)土壤吸力較大時(shí)，土壤水分主要受土壤顆粒表面分子吸附力作用的影響。通過(guò)土壤水分特性曲線可直觀了解保水劑對(duì)土壤持水性的影響和作用。

圖1為不同保水劑對(duì)土壤持水特性的影響變化曲線。圖1(a)為添加保水劑A后土壤水分特征變化曲線。從圖1中可以看出，加入保水劑后，與對(duì)照組相比，在相同的土壤吸力下土壤可以保持較高的含水率；當(dāng)含水率相同時(shí)，加入保水劑后，土壤具有較高的土壤吸力，加入保水劑后土壤水分變特征曲線高于對(duì)照組。如當(dāng)土壤吸力為1 000 kPa時(shí)，粘壤土中保水劑含量分別為0.025%、0.05%和0.1%時(shí)，與對(duì)照組相比土壤含水率分別大1.2%、2.4%和3.2%；砂壤土中加入保水劑后，土壤含水率比對(duì)照組分別大0.75%、1.36%和2.48%。隨著土壤含水率的增加，土壤吸力差異漸漸變小，當(dāng)土壤含水率大于30%后，不同土壤、不同保水劑含量的土壤吸力相差很小，基本相同。

(a)A添加劑

(b)B添加劑

(c)C添加劑

從圖1(a)(b)(c)中可以看出，土壤中加入不同類(lèi)型的保水劑后，土壤水分特征曲線情況基本相同。土壤吸力隨土壤含水率的增大而減小，土壤吸力相同條件下，保水劑含量越高，粘壤土含水率比砂壤土含水率大。當(dāng)土壤吸力為1 000 kPa，添加劑含量相同時(shí)，不同類(lèi)型添加劑的土壤含水率不同。加入0.025%的A、B和C 3種添加劑后，粘壤土含水率與對(duì)照組相比分別增加了1.3%、3.4%和5.2%；砂壤土含水率與對(duì)照組相比分別增了4.6%、2.8%和1.2%。當(dāng)加入.05%和0.1%的A、B和C 3種保水劑后，粘壤土含水率分別增加了7.3%、5.7%、2.4%和9.4%、7.8%、4.7%；砂壤土含水率分別增加了6.6%、4.1%、2.2%和8.9%、7.3%、3.2%。由于A、B、C 3種保水劑的吸水倍率分別為800 mL/m3、400 mL/m3、200 mL/m3，所以保水劑吸水倍率越大時(shí)，土壤含水率越高。

2.2 保水劑對(duì)土壤抗蒸發(fā)性能的影響

土壤保水能力不僅受保水劑類(lèi)型、土壤特性的影響，還受到土壤和保水劑相互作用的影響。當(dāng)土壤相同時(shí)，保水能力還受保水劑吸水倍率和埋深的影響。不同條件下保水劑對(duì)土壤抗蒸發(fā)變化效果如圖2所示。從圖2中可以看出，土壤中加入保水劑后能有效地保持土壤水分，凝膠狀態(tài)下保水劑的保水效果比干燥狀態(tài)下的保水效果好。5 cm埋深條件下，粘壤土平均含水率在不同保水劑膠凝狀態(tài)下比干燥狀態(tài)下分別高1.8%、1.2%。0.9%；砂壤土平均含水率在不同保水劑膠凝狀態(tài)下比干燥狀態(tài)下分別高1.2%、0.8%。1.6%。10 cm埋深條件下，粘壤土平均含水率在不同保水劑膠凝狀態(tài)下比干燥狀態(tài)下分別高1.2%、0.9%。0.7%；砂壤土平均含水率在不同保水劑膠凝狀態(tài)下比干燥狀態(tài)下分別高1.4%、1.2%。2.1%。所以，粘壤土中保水劑的保水能力分別為A>B>C；砂壤土中保水劑的保水能力分別為C>A>B。當(dāng)保水劑吸水速度大于土壤吸水速度時(shí)，保水劑吸收的水分會(huì)形成一層隔水層，會(huì)導(dǎo)致隔水層下層土壤水分蒸發(fā)慢，在一定程度上起到了保護(hù)土壤水分的作用；相反，如果當(dāng)保水劑吸水速度小于土壤吸水速度時(shí)，保水劑埋深越深，吸收的水分會(huì)越少，所以土壤的抗蒸發(fā)能力較強(qiáng)。綜上所述，當(dāng)土壤相同時(shí)，凝膠狀態(tài)下保水劑的抗蒸發(fā)能力大于干燥狀態(tài)下的抗蒸發(fā)能力。加入保水劑后粘壤土比砂壤土的抗蒸發(fā)能力強(qiáng)，保水劑的吸水倍率越大，土壤的抗蒸發(fā)能力越強(qiáng)[6]。

(a)干燥條件下粘壤土

(b)干燥條件下砂壤土

(a)膠凝條件下粘壤土

(b)膠凝條件下砂壤土

2.3 保水劑對(duì)土壤有效含水量的影響

圖3為保水劑對(duì)不同土壤有效含水量影響的變化曲線。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，保水劑飽和吸水量為自身重量的80倍以上，保水劑萎蔫含水量為自身重量的10倍。當(dāng)土壤吸力為300 kPa時(shí)，保水劑有效含水量為自身重量的50倍；當(dāng)土壤吸力為800 kPa時(shí)，保水劑有效含水量為自身重量的42倍。

從圖3(a)中可以看出，保水劑對(duì)田間持水量和有效含水量有很大的促進(jìn)作用。砂壤土中加入0.1%的保水劑時(shí)，土壤有效含水量增加了1倍以上；加入0.05%的A、B、C 3種保水劑后，土壤有效水含量與對(duì)照組相比從11%增加到了14%左右；在加入A、B、C 3種保水劑后，土壤有效含水量實(shí)測(cè)值和理論值差異較大，萎蔫含水量理論值與實(shí)測(cè)值差異不是很大。

從圖3(b)中可以看出，粘壤土中加入0.1%的保水劑后，土壤有效含水量增加了0.5倍，添加保水劑后從16%增加到了25%左右；保水劑含量為0.05%時(shí)，加入A、B、C 3種保水劑后，土壤有效水含量和對(duì)照組相比從16%增加到了21%左右。當(dāng)保水劑的含量為0.025%時(shí)，土壤有效含水量基本不會(huì)變化，與砂壤土相比，由于粘壤土具有較高的陽(yáng)離子代換量、有機(jī)質(zhì)含量、微生物活性等特點(diǎn)，導(dǎo)致對(duì)保水劑吸水效果的抑制作用更加明顯[9]。

土壤中添加保水劑后，土壤萎蔫含水量理論值和實(shí)測(cè)值之間差異不大，但是田間持水量理論值和實(shí)測(cè)值之間差異較大。主要原因是吸水后保水劑體積可以自由膨脹，當(dāng)土壤添加保水劑后，由于保水劑吸水過(guò)程中體積膨脹受到土壤顆粒的阻礙，導(dǎo)致保水劑的吸水潛力難以充分發(fā)揮。

(a)對(duì)砂壤土含水量的影響

(b)對(duì)粘壤土含水量的影響

3 結(jié)語(yǔ)

1) 粘壤土和砂壤土中添加保水劑土壤可以保持較高的含水率。含水率相同時(shí)，添加保水劑可使土壤保持較高的土壤吸力，而這種變化趨勢(shì)與保水劑的含量和類(lèi)型相關(guān)，添加劑含量越高，土壤持水性越強(qiáng)，但是當(dāng)添加含量達(dá)到一定程度后，土壤持水性會(huì)降低，粘壤土比砂壤土的持水性能更強(qiáng)。

2) 保水劑的保水能力受保水劑吸水倍率和土壤及其自身性質(zhì)的共同影響，所以要針對(duì)不同的土壤添加不同類(lèi)型的保水劑。不同土壤中添加保水劑后，土壤的保水能力不同。在不同的埋深條件下，無(wú)論添加劑含量多少，粘壤土中保水劑的保水能力分別為A>B>C；砂土中保水劑的保水能力分別為C>A>B。粘壤土選用A保水劑比較好；砂壤土建議選用C保水劑。

3) 在土壤(粘壤土、砂壤土)中添加不同的保水劑后，對(duì)土壤飽和含水量和有效含水量均有促進(jìn)作用，但由于土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的差異，對(duì)土壤持水性性能的影響也不同，添加保水劑后粘壤土的持水性能平均增強(qiáng)2.5%。