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保水剂在中国农林业中的应用

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   【摘 要】 保水剂是一种正在世界范围改变农林业和园艺进程的土壤调理剂。是一类具有抗旱保湿特性的高分子聚合物。适于在土壤压力下保湿,优化湿度条件,蓄水涵养,功能性缓释,促进植物快速生长。它通过控制湿度释放,大大减轻植物的干旱损伤,同时增加土壤的通气与排水。本文探讨保水剂在中国农林业生态系统中的一些应用。
  【关键词】 保水剂 SAP 农林业 生态系统 应用

保水剂是一种正在世界范围改变农林业和园艺进程的土壤调理剂。是一类具有抗旱保湿特性的高分子聚合物,被称为土壤中的“微型水库”。适于在土壤压力下保湿,优化湿度条件,蓄水涵养,功能性缓释,促进植物快速生长。它通过控制湿度释放,大大减轻植物的干旱损伤,同时增加土壤的通气与排水。它促进肥料有效利用,降低水域富养化污染,同时控制水土流失。无毒,无副作用,一般在土壤中保持活性7-10年。吸水速度1小时内达100%。小颗粒比大颗粒吸水快。pH值是中性,6.0―6.8[1-5]。尽管许多实验室和野外研究结果都证明其卓越的性能,但是实际应用仍不够广泛,生产企业还是感到市场艰难,无法生存。本文试图在产品角度探讨其原因。采用2015年《中国学术期刊(网络版)》检索关键词:保水剂,获学术论文共2845篇。

1 对土壤调理
  有研究表明:保水剂是一种具有很强分子吸水能力的土壤调理机,在土壤中能够极大地改变土壤孔隙持水性,增加土壤有效水贮量,应当受到应有的重视和广泛使用[6]。不同的保水剂粒径与不同质地土壤的吸、失水性也有不同的效果。研究表明:0.25~0.5mm粒径保水剂在3种土壤中累积蒸发量最小[7]。农田施入量为2g/m2的处理水分蒸发量最小,保水效果最好;而随着保水剂用量的增加,累积蒸发量与蒸发失水比呈现先增加后减少的趋势,当保水剂用量超过175g/m2后对蒸发的抑制作用开始显现[8]。保水剂对典型半干旱砂性土壤的入渗和蒸发影响的研究表明:入渗速率最大降至对照的0.77(混施)和0.89(沟施);在相同初始含水率,连续蒸发条件下,土壤含水率均高于对照,其中混施6kg/亩的各层含水率是对照的1.3-39倍,其15cm处提高了42%;混施比沟施减少了6-25%的土壤蒸发量[9]。保水剂使用促进农田生态系统碳循环利用效率:农业生产过程中使用保水剂和各种农资会产生一定的碳投入,提高碳吸收,降低碳成本,提高碳效率,促进作物生长,提高作物干物质量。研究中60kg/hm2保水剂用量的碳成本最低,较对照减少了25.6%,而其碳效率和碳净汇最大,较对照分别提高了35.3%和30.6%。施用保水剂提高了冬小麦的水分利用效率,且以60kg/hm2保水剂用量效果最佳。水分利用效率与碳吸收、碳效率和碳净汇呈显著正相关,而与碳成本呈极显著负相关[10]。保水剂在改良土壤和作物抗旱节水中有良好的效果:实验表明,土壤中保水剂含量在0.1% 以下时,土壤团聚体增加,土面蒸发明显降低;模拟降雨实验证明,0.1% 保水剂的土壤,在15% 坡度下,其水分入渗增加43%,土壤流失率减少54%。田间试验发现,土壤穴施保水剂使马铃薯增产52%;盆栽实验证明,土壤加入保水剂后的玉米和烤烟抗旱存活率增加,保苗效果好[11]。

2 水土保持应用

保水剂在水土保持生态建设中的应用研究。保水剂具有保水、保土、保肥功能,通过自身保水特性和土壤学作用机制,改善土壤结构,降低土壤密度,提高土壤抗蚀性,起到水土保持作用[12]。已经广泛应用于各种水土保持、生态建设工程、治理水土流失、防止沙漠化等方面[13]。研究表明:保水剂的吸水倍率随复合肥溶液浓度的增加而减小,与吸水时间呈明显的对数相关;0.1%和0.2%保水剂的时蒸发量达到0.896g。在不同时间段0.05%保水剂失水速率相对差异性较小;可以为种子的萌发以及植物的生长营造良好的生长环境;保水剂与复合肥的复配施用,通过改变水分时空分配和土壤理化性质,提高植物覆盖度[14]。在黄土高原植被建设中,坚持“适地适树适法”原则,实行分类指导、合理布局,加大经济树种营造比重,大力采用保水集水、保水剂等抗旱造林技术,加强造林后的管理。克服黄土高原造林种草中存在的成活率低、保存率低、生长率低、延缓黄土坡地的产流时间,减小地表径流、径流系数、泥沙含量和降雨侵蚀量等问题。实现黄土高原的植被重建[15]。未来,保水剂水土保持应用上有很大的开发空间,但应该选择合适的类型、应用量、应用方法、应用范围,注意及应用效果的系统分析[16]。
  3 林业
  保水剂能显著促进造林树种植株的生长发育,使植株的基径、树高、侧根数、侧根长、总干重、根干重等比不用保水剂的对照植株明显增加,根冠比增大。需要注意的是在使用保水剂进行造林时,要选择适宜的剂型和造林季节,这是保水剂抗旱造林的关键环节[17]。保水剂在育苗、造林、果树栽培、园林绿化、治理水土流失、防止沙漠化等方面有很多应用,能大大提高造林成活率[18,19]。研究表明:保水剂处理的油松苗,与不加保水剂处理比,其叶片内的相对含水量明显较高,MDA的含量较低,说明添加保水剂使油松幼苗产生了较好的耐旱性,为干旱地区的育苗技术提供了理论基础。 豫西丘陵区新型造林模式中:截干、容器苗、保水剂、高效节水为主的抗旱配套技术,有效地提高了造林成活率[20]。保水剂和覆盖措施有效提高黑松造林效果:保水剂埋深在0~60cm土层内,土壤含水率比对照提高10.2~79.3个百分点。加之黑塑料地膜或锯屑、落叶覆盖,可提高造林成活率和保存率[21]。在北京南口风沙区侧柏造林施用保水剂,成活率达90%以上,与浇水量高1倍的对照相差无几,施用保水剂后第2年春季土壤含水量比对照提高了84.7~119.4 g.kg-1,比对照提高7.78~25.56%,同时显著地提高了侧柏的初期生长量。研究中所选定的不同保水剂及其剂量对侧柏苗生长的影响差异并不显著[22]。在黄条纹金刚竹育苗过程中,使用保水剂处理后,土壤含水量增加,保水剂用量越大效果越好。使用保水剂处理的叶片含水量下降时间能推迟3 d,苗木生长受抑制时间推后。使用保水剂处理的植物叶片电导率升高时间推迟,能有效延长黄条金刚竹的萎蔫点,大约能推迟5-7 d。使用保水剂的竹种成活率明显高于未使用保水剂的竹种[23]。保水剂用于何首乌扦插育苗,使出苗率,苗的茎长、分枝数、叶片数、根数和最长根长等性状均较未施用保水剂的处理差异达极显著水平,并随着保水剂用量的增加而变好,但不同保水剂用量间差异多不显著。综合考虑,采取用量3kg/6672棵最为经济[24]。保水剂还可用于稳定而有效地供给草坪植物所需水分[25]。在冷地型草坪使用保水剂:草种发芽率明显提高,幼苗生长增快。干旱条件下适当浓度的保水剂可以提高土壤的含水量,对草坪草种子出苗及生长也有一定促进作用[26]。小粒咖啡生产经常受到季节性干旱和土壤营养不足的制约。施入低氮、低保水剂处理可以获得小粒咖啡苗木的最大生长量(株高、茎粗及叶面积)。和对照(无氮处理)相比,低氮可使干物质累积量提高24.10%,而高氮减少干物质累积11.95%。和无保水剂处理相比,低保水剂提高干物质累积11.53%,而高保水剂抑制干物质累积8.65%。此外氮肥和保水剂能不同程度地降低日蒸散量,提高水分利用效率;施氮和保水剂可分别提高小粒咖啡水分利用效率2.72%~35.37%和8.48%~20.24%。小粒咖啡氮素累积量随着施氮量增加先增后降。过高水平保水剂和氮肥都会对小粒咖啡的苗木生长产生明显的抑制作用,而低氮低保处理可同时提高干物质累积和水分利用效率[27]。施用保水剂与对照相比,苹果树的叶面积增大,叶片光合速率提高6.13%~17.45%,水分利用效率提高9.46%~22.44%,产量提高6.28%~7.25%,土壤含水量提高3.50%~28.96%[28]。贵州喀斯特山区桃树栽培过程中施用保水剂,能提高幼苗移栽的成活率,增加根际周围土壤含水量,减少土表蒸发。另外土壤中保水剂含量在0.01%~0.05%范围内,土壤团粒结构增加较为明显,土面蒸发明显降低,pH值有降低的趋势(0.1~0.2),速效磷含量有所提高;每株施40g保水剂为最佳经济使用量;保水剂使猕猴桃的根冠比趋于合理,具有明显提高商品果之效应;配合微肥施用可减缓黄叶病的发病程度,提高树体抗性,改善果实品质[29]。保水剂处理的核桃幼树地径、新梢数量、新梢平均长度均显著高于对照,对叶片叶绿素含量无显著影响。单株雌花数大于对照。株施40~60g为适宜施用量[30]。干旱条件下用保水剂丸化沙打旺种子,与对照相比,保水剂含量在7%和9%时,种子萌发速率分别加快了70%和63.19%;保水剂含量在7%时,幼苗根长、根表面积分别提高了19.36%和45.26%。沙打旺丸化添加保水剂适宜含量为7%~9%[31]。在造林实践中,利用杉木屑和竹屑等与土壤(1∶200)混合(0.50%),也有比较好的保水缓释功效[32]。兰州市南北两山保水剂造林实践证明:保水剂造林能有效的提高根际土壤含水量、造林成活率,施保水剂+覆地膜效果最好;保水剂必须拌土埋在根系周围,上面覆土;保水剂的最佳用量为20g/穴[33]。
  4 农业
  大量研究表明:保水剂在农业中有非常积极广泛的应用效果。1%保水剂包膜涂层可促进大豆、绿豆等豆类种子出苗率,使其出苗早,苗齐苗壮,抗旱能力增强,而对小麦玉米等淀粉种子的出苗无明显作用;低浓度的保水剂蘸根可提高苗木的成活率,促进其生长,增强抗旱能力,而高浓度的保水剂蘸根则降低苗木成活率,生长下降[34]。施用保水剂能明显提高麦田土壤水分含量,尤其对上层土壤水分含量的影响更为明显,同时还能增加分蘖,提高叶绿素含量和使光合速率增加,从而使干物质积累加快,90kg/hm2为适宜施入量[35]。研究表明,灌水水平在20%~80%条件下,不施保水剂时,灌水量为80%时冬小麦产量达到最大值;施用保水剂时,灌水量为60%时冬小麦产量最高。随着灌水量的增加,土壤水分含量有所提高,施用保水剂后土壤水分显著提高;在冬小麦孕穗期灌水量为田间持水量的60%时,施用保水剂后土壤水分增加1.57倍。低灌水水平和高灌水水平均削弱保水剂对水分生产效率、灌水利用效率和降水利用效率的增加效应。可见,灌水的增产效应与灌水对水分生产效率、灌水利用效率、降水利用效率的提高有着密切关系。在本年度(2011年10月~2012年6月)降水及气候条件下,施用保水剂时,最佳灌水量为田间持水量的60%时冬小麦产量最高。[36]。保水剂与氮肥配施的各种处理中,以氮肥(225kg/km2)和保水剂 (60kg/hm2)配施处理对于小麦总群体数、株高、穗长和穗粒数的提高效果最为显著, 提高旗叶光合速率和光合水分利用效率,增加小麦产量[37]。也有认为,最优处理为:每666.7m2施纯氮20 kg结合使用粒径1.6~4.0 mm的保水剂0.5 kg能够改善小麦生育后期的群体状况[38],保水剂用量对裸燕麦籽粒产量有显著影响,滴灌条件下施用保水剂比不施保水剂增产2.95%~12.14%,传统灌溉条件下施用保水剂比不施保水剂增产1.1%~5.0%。60kg/hm2保水剂有利于裸燕麦大多数品质性状的提高,以及矿质元素的吸收利用[39]。在闽南丘陵旱地对秋植大豆施用保水剂,与对照相比,施用保水剂的大豆各生育时期都有所延长,全生育日数比对照延长了2~7天,并且提高了大豆单位面积产量与有效荚率,单株粒重增多,百粒重提高;且随施用量的增加,效果更为明显。沟施保水剂60 kg/hm2用量的增产增收效果最佳,可增加纯收入1503.00元/hm2,其投入产出比为1:2.67[40]。在甘蔗施种植中,施用保水剂处理,在两年宿根蔗中仍表现增产,胶体型保水剂和颗粒型保水剂与对照相比,宿根第1年分别增产6.97%、8.01%,宿根第2年分别增产3.20%、3.96%。两种剂型保水剂在土壤中的残留后效对宿根蔗均具有增产作用,其增产效果随施入土壤时间的延长而降低[41]。在宁夏中部半干旱偏旱区马铃薯种植中使用,穴施保水剂90kg/hm2的增产效果最佳(44.1%),穴施保水剂60kg/hm2的商品薯率最高(20.9%)[42]。在辣椒种植中施用保水剂对辣椒生长及水分利用效率有明显促进作用,辣椒叶面积、叶数、株高、生物量和水分利用效率均优于未施保水剂处理。水分控制对辣椒的影响表现为充分供水促进辣椒生长,水分胁迫延缓辣椒生长速度。灰色关联分析发现:施用保水剂处理耗水量与各性状关联度顺序依次为生物量 >茎叶干物质量 >根干物质量 >叶数 >株高 >叶面积 >根冠比 >干物质含量,而未施用保水剂处理耗水量与各性状关联度顺序依次为生物量 >叶数 >茎叶干物质量 >根干物质量 >株高 >叶面积 >干物质含量 >根冠比[43]。在烤烟种植中保水剂可以增强烟叶的光合能力,施用量为45kg/hm2的光合能力最强;延边雨季为土壤提供了充足的水分,这是烤烟成熟期没有“午休”现象的主要原因;保水剂主要是通过调节烟叶的气孔导度,进而影响其净光合速率[44]。保水剂用量在1.0~3.0 g/株范围内,土壤蒸发明显降低,能显著促进烤烟根、茎、叶的生长;田间试验结果表明:施用保水剂,能促进烟株生长,提高烟叶中总糖、还原糖的含量,降低总烟碱、总氮和氯离子的含量,促进化学成分协调,改善烟叶品质;移栽时随营养土每667m2施用3.0kg保水剂,经济效益增加111.4元。施用保水剂,能减缓土壤水分蒸发,增加土壤的保水性能,促进烟株生长,提高烟叶产量,改善烟叶品质,增加经济效益[45]。在黄土高原旱作春玉米施用保水剂,增加产量12%~33.47%,在大豆生产上增产3.9%~23.1%,产量随保水剂用量增加而增加,但保水剂施用在土壤中的增产效益较低。用保水剂处理种子,成苗率增加,增产效果显著,是一项有效的增产措施[46]。   5 保水剂其它作用
  对土壤持水特性的影响:在土壤低吸力段(0~80kPa),随保水剂用量增加,土壤持水容量增大,增加作物可利用的有效水;在相同含水量时,土壤水能态随保水剂用量增大而降低;但在相同水分能态下,土壤含水量随保水剂的增加而明显增大,施用保水剂后,土壤可在较长时间内保持较高的水分含量;且随保水剂用量增加,土壤容重下降,总孔隙度和毛管孔隙度则呈上升趋势;土壤凋萎系数虽有增大趋势,但增幅很小,土壤有效水容量明显增大。土壤中加入0.5%的聚丙烯酰胺或0.25%~0.5%的水解淀粉,可显著改善土壤对有效水的保持和供应[47]。
  对土壤养分的保蓄作用:保水剂在雨季能够吸收水分,并将水分保持于土壤中,待到旱季来临,又能够将吸持的水分缓慢释放给植物利用,从而帮助植物渡过干旱期,提高造林成活率。试验发现:保水剂使北美红杉Sequoiasempervirens和川滇桤木Alnusferdinandivar. coburgii的氮流失量减少23.8%~65.2%,钾流失量减少19.8%~86.2%。当养分施加量一定时,养分的流失量随保水剂施加量的增加而减少。野外试验证明:森林土壤中施加保水剂后,显著提高土壤中养分(氮磷钾)含量,使土壤碱解氮量提高133.1%~295.8%,有效磷提高10.4%~43.2%,速效钾提高124.2%~220.3%。可以认为:保水剂不仅可以改善土壤水分状况,而且可以通过减少养分淋失,可以作为调理土壤的水肥营养缓释剂[48]。保水剂对尿素缓释效果研究结果表明:在玉米生长前期,保水剂能够吸持速效态氮,使土壤氮素不会过快地被作物吸收,生长中后期,土壤碱解氮含量比较平稳,说明保水剂能不断地释放氮养分,使其转化为速效态供玉米吸收,从而证明保水剂有水肥营养缓释的效果[49]。
  对土壤特性长效影响:施用保水剂可明显增加土壤微团粒结构.增大土壤持水率和表层土壤pH。保水剂施用1~5年期间.表层土壤(0~10cm)中0.05~0.01mm粒径质量分数增加0.81%~7.74%,0.01~0.005mm粒径质量分数减少;施用保水剂第3年时表层土壤0.05~0.01mm粒径质量分数提高最显著,且保水剂施用后第3年土壤的控水能力最强。施用保水剂0~10、10~20、20~40cm土层土壤持水率比对照增加6.54%、6.22%、8.50%,饱和含水率分别比对照增加1.3%~30.7%、2.4%~28.7%和0.8%~21.7%,保水剂连续施用第3年性能最佳[50]。在黄绵土、南方赤红壤理等不同土壤中表现稳定[51]。
  不同种类保水剂:所有保水剂在纯水中都有较高的吸水倍数,但不同浓度的不同肥料溶液对所有保水剂吸水倍数有着不同的影响。粒径只对保水剂吸水速率有较大的影响,而对吸水倍率、保水能力和反复吸水次数影响不大[52]。保水剂吸水倍率随着盐浓度的增加而下降;同时偏酸或偏碱都会使保水剂的吸水倍率呈下降趋势,但在碱性条件下的变化趋势小于酸性条件下的变化;无论干燥冷冻或者凝胶冷冻,保水剂吸水性能均受到显著影响,干燥状态冷冻后比凝胶状态冷冻后的吸水倍率要高,不同保水剂在不同土壤中保水抗蒸发能力不同[53]。不同类型、粒径保水剂随着反复吸释水次数的增加,吸水倍率降低。大粒径比小粒径降幅更大。各保水剂反复吸释水特性与粒径不成线性规律变化。在反复吸释水条件下,各保水剂吸水速率均高于第1次吸水速率。随着吸释水次数的增加,保水剂凝胶达到饱和的时间提前。2+离子对保水剂的反复吸水能力影响更为显著,其次为1+离子。Zn2+最易使保水剂失效,KNO3对保水剂的影响在前期略大[54]。
  使用注意:避免盲目使用造成土壤板结、土壤肥力下降、固化土壤重金属等问题[55,56]。
  6 研究发展
  从保水剂进入农林业后,各级机构都有一定支持,如:国家自然科学基金项目、国际合作项目、国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目、“十二五”国家科技支撑计划资助项目、国家公益性行业(农业)科研专项、国家星火计划项目、科技部农业成果转化项目、科技支疆项目、中国科学院青年创新促进会项目、水利部科技推广计划项目、三峡后续工作科研课题、内蒙古自治区科技厅应用项目、内蒙古自然科学基金项目、内蒙古民族大学基金项目、内蒙古民族大学科研创新团队支持计划、贵州省重大科技平台项目、贵州省科技厅农业攻关项目、贵州省中药现代化项目、贵阳市科技局低碳计划项目、贵州省农业科学院院专项、贵州省中药现代化重大专项、河南省杰出青年基金项目、福建省泉州市重点项目等等。产业上,民营投资占了绝大多数,但总数不大,全国40多个厂规模在年产300吨-3000吨之间。每个投资在300万-3000万人民币之间。目前市场发展困难。

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