楊永輝，李宗軍，武繼承，李學軍，何方，楊先明

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，450002，鄭州;2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽科學觀測站，453514，河南原陽;3.通許縣農(nóng)業(yè)科學研究所，475600，河南通許;4.鄭州錦榮生物科技有限公司，450002，鄭州)

不同水分條件下保水劑對土壤持水與供水能力的影響

楊永輝1，2，李宗軍3，武繼承1，2，李學軍3，何方1，2，楊先明4

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，450002，鄭州;2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽科學觀測站，453514，河南原陽;3.通許縣農(nóng)業(yè)科學研究所，475600，河南通許;4.鄭州錦榮生物科技有限公司，450002，鄭州)

為探明水分條件對保水劑作用效果的影響，采用盆栽實驗，測定冬小麥生長結束后不同水分條件下保水劑不同用量(T1:0、T2:27 mg/kg、T3:54 mg/kg、T4:81 mg/kg)處理的土壤持水、供水及導水性能等。結果表明:保水劑的施用均提高了土壤持水、供水、導水能力及土壤有效水含量。輕度脅迫條件下，以T3處理的持水能力、有效水含量及導水能力最強，而供水能力以T4處理為佳;充分供水條件下，隨保水劑用量的增加，土壤持水能力、供水能力、有效水含量及導水能力均提高，但T3和T4處理間差異不顯著。與輕度脅迫相比，充分供水條件下各處理的持水能力、供水能力及導水能力均較高，而有效水含量以輕度脅迫條件下的T3處理較高，較對照增加18.6%。從經(jīng)濟的角度考慮，2水分條件下以T3處理(54 mg/kg)效果為佳。

保水劑;水分條件;持水能力;供水能力;土壤有效水

土壤的持水性能體現(xiàn)了土壤蓄集和保持水分的能力，而植物對土壤水分的吸收與利用受土壤水分狀況及其在土壤中運動快慢的影響，飽和持水量、田間持水量及凋萎濕度等可表示土壤持水性能的大小。土壤水分特征曲線可反映土壤保持水分的狀況和表現(xiàn)土壤水分的數(shù)量與能量之間的關系［1－2］。

保水劑具有反復吸水功能，施用保水劑能提高土壤持水能力［3－4］、抑制土壤水分無效損耗［5］，提高土壤入滲能力、減少徑流及肥力流失［6－8］。同時，保水劑可吸附土壤或肥料中的養(yǎng)分，且具有緩慢釋放的作用［9－11］，可減少可溶性養(yǎng)分的淋溶損失;但保水劑的吸水倍率顯著下降，并隨肥料濃度的增加下降幅度增加［12］。相關研究［13－14］表明，保水劑所保持的水分大多在低吸力段(0～80 kPa)可被作物吸收利用。姚建武等［15］研究表明，施用1‰的保水劑，土壤吸持的水量可提高18% ～25%，且供水量較低時效果更明顯。吳迪等［16］研究表明:施用保水劑45 kg/hm2能夠提高作物產(chǎn)量，提高壤砂土樣地的田間持水量、降低土壤密度;但隨年限的延長，效果逐漸降低。類似研究并不少見，但因保水劑類型以及與不同肥料配比的不同而表現(xiàn)的結果并不一樣［17－19］。以往研究多以模擬土柱的形式進行［20］，僅考慮保水劑的直接改土功能［21］，而在作物參與的情況下，在經(jīng)歷作物整個生育期后，其對土壤持水、供水及導水能力的影響還鮮見報道。同時，水分條件不同，保水劑的漲縮程度存在一定差異，因此影響土壤顆粒之間的黏結程度，進而導致對土壤物理性質的改善也會存在一定的影響。這方面的研究更能反映保水劑在生產(chǎn)過程中的改土作用以及合理應用的效果。

因此，筆者通過對盆栽條件下經(jīng)歷冬小麥(Triticum aestivumL.)完整生育期后保水劑對土壤持水、供水、導水性能以及土壤所持水分有效性等進行研究，探討保水劑在經(jīng)受反復吸收過程后的作用效果，闡明保水劑改善土壤水分參數(shù)的作用機制，為保水劑的合理應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

盆栽所用土壤為褐土，土壤母質為黃土性物質，土壤有機質質量含量12.3 g/kg、全氮0.80 g/kg、水解氮 47.82 mg/kg、速效磷 6.66 mg/kg、速效鉀114.8 mg/kg。所采土壤前茬作物為玉米(Zea mayL.)。土壤機械組成為:砂粒(2～0.02 mm)占59.1%，粉粒(0.02～0.002 mm)占22.5%，黏粒(＜0.002 mm)占18.4%。

1.2 試驗材料、方法及觀測

采用河南省農(nóng)科院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所研制的營養(yǎng)型抗旱保水劑，為白色粉末，主要成分為聚丙烯酰胺類物質、有機物質和稀土等。主要性能為:1)持效性能好，其充分吸水后，在土壤中形成一個個植物生長所需的“小水庫”，比目前保水劑直接使用蒸發(fā)量降低10% ～20%，延長釋放時間20～40 d。2)吸水速度快，在充分水分條件下，在土壤中10～25 min可以使保水劑的蓄水量達到飽和狀態(tài);水分釋放緩慢，在埋深15～20 cm土層時，保水劑蓄積的水分80～120 d釋放95%以上。3)吸水倍數(shù)為250～300倍。

1.2.1 試驗設計 根據(jù)對該保水劑的前期研究結果，從經(jīng)濟的角度、作物產(chǎn)量和水分利用率及對土壤結構的影響等方面出發(fā)，確定了保水劑合理施用量范圍，將大田試驗保水劑用量折合成單位質量(耕層)土壤的保水劑用量，以其2倍用量為盆栽保水劑用量，故設置4個保水劑用量，處理1(T1):0 mg/kg(CK);處理2(T2):27 mg/kg;處理3(T3):54 mg/kg;處理4(T4):81 mg/kg。設置2種水分條件:輕度脅迫(占田間持水量50% ～65%)和充分供水(占田間持水量70% ～85%)。N肥為尿素(含氮量為46.2%)，用量為432 mg/kg，普通過磷酸鈣(P2O5)(含磷量為12.0%)為533 mg/kg，保水劑、肥料與5 kg過篩10 mm的土混勻施于盆2/3處，盆底層和上層均覆蓋相同的過篩土壤，盆裝土質量(風干土)18 kg，裝好盆后每盆澆足水(5 kg)，待7 d后選擇飽滿的小麥種子播種。播量為63粒/盆。于返青期剔苗，每盆剩36株。每處理設3個重復，2種水分條件分別為4×3=12盆，共24盆。播種到返青期正常供水，并從返青期開始控水(輕度脅迫和充分供水)直至小麥收獲。播種時間為2009年10月26日。裝盆后對照田間持水量為18%，土壤密度為1.35 g/cm3。在冬小麥收獲后分別用環(huán)刀采集各處理土壤原狀土柱，帶回室內(nèi)進行分析。

1.2.2 實驗測定與方法

1)土壤飽和導水率采用恒水頭法［22］測定。

式中:Ks為飽和導水率，mm/h;Q為流量，mm3;L為土柱長度，均為50 mm(環(huán)刀高度);A為土柱截面積，mm2(直徑為50 mm標準環(huán)刀的橫截面積);t為時間，h;H為水頭高度，mm。

2)原狀環(huán)刀土柱采用高速離心機法測定土壤水分特征曲線［23］，離心機轉速對應吸力大小及離心時間見表1，每次離心結束后進行稱量;試驗結束后將土樣放置烘箱烘干并稱量，最后計算不同土壤水吸力下對應的土壤含水量，并擬合水分特征曲線。試驗所有曲線均可擬合為冪函數(shù)

式中:θ為計算土層土壤的質量含水量，%;S為土壤吸力，MPa;a和b為方程擬合參數(shù)。根據(jù)該擬合方程可算出每個原狀土樣在0.03和1.5 MPa時的土壤含水量，即田間持水量和凋萎含水量(濕度)。

3)土壤比水容量能夠說明土壤水的有效性和供水能力的強弱［24］。

式中:Cθ為比水容量，mL/(MPa·g);θ為土壤含水量，%;S為土壤水吸力，MPa;a、b為參數(shù)，a反映土壤持水性能的大小;式中a×b是土壤水吸力S為0.01 MPa時的比水容量，其反映土壤的供水能力的大小，a×b值越大，土壤供水能力越強。通過該方程可計算出不同吸力下對應的土壤比水容量。

表1 應用高速離心機對應不同水勢下的轉速及時間Tab．1 Speed and time of soil water potential corresponding to high－speed centrifuge

1.3 數(shù)據(jù)處理

各樣地各指標值均為3次重復的算術平均值。植株及土樣分析所得的數(shù)據(jù)應用統(tǒng)計學及相關的數(shù)理統(tǒng)計軟件(DPS)進行處理。

2 結果與分析

2.1 土壤水分特征曲線數(shù)學模型與持水能力

土壤水分特征曲線是表征土壤水吸力和土壤含水量之間的關系曲線［1］，其曲線的高低表征了土壤持水能力的大小，即相同吸力下，曲線越高，其持水能力越強，反之持水能力越弱［25］。

本研究中得到的水分特征曲線的擬合方程均達到極顯著水平(P＜0.01)。從圖1可以看出，輕度脅迫條件下(圖1(a))，在不同土壤吸力段，其持水能力均表現(xiàn)為:T4＞T3＞T2＞T1，且T4和T3明顯高于T2和T1處理。而在充分供水條件下(圖1(b))，在土壤吸力0～0.1 MPa時，各處理間的持水曲線基本重合，說明在該吸力段，各處理間差異不顯著;但隨土壤吸力的增加，且當大于0.1 MPa時，施用保水劑的處理顯著大于對照(T1)，且隨保水劑用量的增加，持水能力增強，且持水能力差異增大，但T3和T4處理間無顯著性差異。與輕度脅迫相比，在充分供水條件下各處理的持水能力(曲線高度)均顯著高于輕度脅迫下的對應處理，尤其是對應的T1和T2處理。說明充分供水條件下更利于保水劑促進土壤持水能力的提高。這可能與保水劑反復吸水量的大小而造成的漲縮程度和作物根系生長對土壤結構的改善有關。

圖1 不同水分條件下各處理土壤持水能力比較Fig．1 Comparison of capability of soil water retention between different treatments under different water conditions

2.2 土壤供水能力

比水容量是土壤釋水的量化指標，可用于評價土壤水分有效性程度，其反映了土壤水吸力變化時引起的土壤含水量的變化，其隨土壤吸力的增大而減小，表征了土壤水分的有效性及供水能力的強弱。相同土壤吸力下，比水容量越大，供水能力越強。

對不同水分條件下各處理的比水容量進行計算(表2)得出:保水劑的施用均提高了土壤的比水容量。在0.01 MPa土壤吸力條件下，充分供水條件下的各處理的比水容量均顯著高于輕度脅迫的對于處理，但二者均以T4處理的比水容量最大。隨著土壤吸力的增大，充分供水與輕度脅迫二者間差異逐漸減小，尤其是在0.2 MPa以后，二者的差異更小。說明在輕度脅迫與充分供水條件下，均以T4處理的供水能力最強。在低吸力段(0.01～0.02 MPa)，充分供水條件下更利于土壤供水能力的提高。

表2 不同水分條件各處理比水容量Tab．2 Specific water capacity of different treatments under different water conditions mL/(MPa·g)

2.3 土壤水分常數(shù)

飽和含水量是指土壤孔隙全部充滿水分時的最大含水量，其包括吸濕水、膜狀水、毛管水和重力水。田間持水量是植物有效水的上限，可表示土壤持水能力高低［26］，而凋萎濕度為土壤有效水的下限。

從表3可知:輕度脅迫條件下，隨保水劑用量的增加，土壤飽和含水量先增后降再增，各處理中以T4處理最高;而田間持水量和凋萎濕度均隨保水劑用量的增加而提高，且田間持水量以T3和T4處理顯著高于T1(對照)和T2處理，而凋萎濕度以T4處理最高，其他處理間差異不顯著。充分供水條件下，隨保水劑用量的增加，土壤飽和含水量、田間持水量及凋萎濕度均提高，且均顯著高于對照，且T4處理的土壤飽和含水率顯著高于其他處理;但保水劑處理間的田間持水量以及凋萎濕度沒有顯著性差異。與輕度脅迫相比，除充分供水時的T2處理的田間持水量顯著高于輕度脅迫外，其他處理二者各土壤水分常數(shù)間差異不顯著。說明在2種水分條件下，保水劑的施用均提高了土壤水分常數(shù)，且保水劑用量越高(T4)，土壤水分常數(shù)提高幅度越大，尤其是土壤飽和含水量。

表3 不同水分條件下各處理土壤水分常數(shù)Tab．3 Soil moisture constant of different treatments under different water conditions %

2.4 土壤水分有效性

土壤所吸持水分總存在一部分植物無法吸收利用的無效水。保水劑加入土壤中能夠提高土壤持水能力，但其所吸持水分中能夠被植物吸收利用的多寡才是人們所關心的。

從圖2中可以看出，不同水分條件下，土壤有效水含量(土壤有效水含量=田間持水量－凋萎含水量)均顯著高于對照。說明保水劑在增加了土壤持水能力的同時，提高了可供作物吸收利用水分的比例;但因水分條件的不同，各處理的有效水含量存在一定的差異。在輕度脅迫條件下，隨保水劑用量的增加土壤有效水先增后降，各處理中以T3處理最高，較對照增加22.2%。充分供水條件下，隨保水劑用量的增加，土壤有效水含量逐漸增加，保水劑處理T2、T3和T4分別比對照有效水含量提高5.1%、6.3%和11.4%。與輕度脅迫相比，除T3處理外，充分供水處理的有效水含量均高于輕度脅迫的對應處理，這可能因該水分條件下有利于作物根系的生長而促進土壤毛管孔隙的形成。

圖2 不同水分條件下各處理土壤有效水含量(質量含水量)Fig．2 Available soil water of different treatments under different water condition(quality water content)

2.5 土壤飽和導水率

土壤飽和導水率是反映土壤入滲性能的一個重要指標，同一質地土壤入滲性能越大，轉化到土壤中的降雨越多，土壤墑情越佳，土壤水分利用潛力越大。從圖3可以看出，在輕度脅迫和充分供水條件下，隨保水劑用量的增加，土壤飽和導水率均表現(xiàn)為先增后降，且T3和T4處理顯著高于其他處理。2種水分條件相比，充分供水條件更利于保水劑提高土壤導水能力，更能促進下層土壤含量的提高。這可能與充分供水條件下，在干濕交替過程中其更能促進保水劑與團粒的膠結作用，提高了土壤有效孔隙，同時，該條件下更有利于小麥根系的生長，綜合效應表現(xiàn)為土壤導水能力的顯著提高。

3 結論與討論

保水劑施入土壤后，可改善土壤結構和土壤孔隙狀況［27］，提高土壤的持水能力［28］，改善土壤水分環(huán)境，從而促進作物生長。適量保水劑能夠提高土壤入滲能力［29］，促進水分向更深層次入滲。保水劑的作用效果因在作物生長過程經(jīng)歷反復吸水和降解而有所降低，但其在作物生長過程中仍具有一定的保水、持水效果［30］。水分條件不同，對于保水劑的作用效果也產(chǎn)生一定的影響。有研究［31］表明，在田間試驗條件下，不進行灌水更有利于土壤結構穩(wěn)定性的增強，且土壤導水能力顯著提高。而過篩土在種植作物的條件下施用保水劑，其經(jīng)歷作物整個生育期后的持水、供水及導水等性能如何，對探明保水劑的改土效果及合理應用具有重要意義。

圖3 不同水分條件下各處理土壤飽和導水率Fig．3 Saturated hydraulic conductivity of soil with different treatments under different water conditions

本研究發(fā)現(xiàn):在冬小麥生長過程中，灌水量控制在田間持水量50% ～65%(輕度脅迫)時，隨保水劑用量的增加，土壤持水能力顯著增強;而在充分供水條件下，當土壤吸力大于0.1 MPa時，隨保水劑用量的增加，持水能力提高，但T3和T4處理間差異不顯著。與輕度脅迫相比，在充分供水(田間持水量70%～85%)條件下各處理的持水能力均顯著高于輕度脅迫下的對應處理，尤其是對應的T1和T2處理。說明充分供水條件更利于保水劑發(fā)揮其作用以提高土壤持水能力，這可能與保水劑吸收水量的多寡而導致其膨脹的體積大小對土壤毛管孔隙的改善及作物根系生長等有關，有待進一步研究。

保水劑所吸持的水分能被作物利用多少及水分的有效性一直以來是研究的熱點，而其施入土壤后，土壤的供水能力如何反映了作物利用其所吸持水分的潛力。本研究表明:施用保水劑提高了土壤的供水能力，增加了土壤水分的有效性，提高了土壤飽和導水率。輕度脅迫條件下，以T4處理供水能力最強，T3的有效水含量和飽和導水率均最高，分別較對照提高22.2%和28.0%;充分供水條件下，以T4處理的供水能力、有效水含量及飽和導水率均較高，其有效水含量和飽和導水率分別較對照增加11.0%和22.9%;2種水分條件相比，除T3處理外，其他處理均以充分供水條件下的處理有效含水量和飽和導水率較高。說明充分供水條件下更利于保水劑改善土壤水分狀況和導水能力。

綜上所述，充分供水較輕度脅迫更利于促進土壤有效水含量、導水能力及持水能力的提高，且各處理中以T4處理效果最佳，而輕度條件下以T3處理效果為佳;但從經(jīng)濟的角度考慮，2種水分條件下宜選用的保水劑用量為T3處理(54 mg/kg)。

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Effects of water-retaining agent onsoil water retention and supplying water under different water conditions

Yang Yonghui1，2，Li Zongjun3，Wu Jicheng1，2，Li Xuejun3，He Fang1，2，Yang Xianming4

(1.Institute of Plant Nutrition ＆ Resource Environment，Henan Academy of Agricultural Sciences，450002，Zhengzhou;2.Yuanyang Experimental Station of Crop Water Use ，Ministry of Agriculture，453514，Yuanyang，Henan;3.Tongxu Institute of Agriculture Sciences，475600，Tongxu，Henan;4.Zhengzhou Jinrong Bio－technology Co.，Ltd，450002，Zhengzhou:China)

In order to ascertain the effects of water－retaining agent on soil moisture characteristics under different soil moisture conditions after the growth of winter wheat，the effects of different dosage of waterretaining agent(T1:0;T2:27 mg/kg;T3:54 mg/kg;T4:81 mg/kg)on soil water retention，supplying water and infiltration capacity were studied through potting experiment condition were studied.The results indicated that water－retaining agent increased the capability of soil water retention，supplying water，infiltration and available moisture.Under mild stress condition，the capability of soil water retention，infiltration and available moisture of treatment 3 were the best compared with other treatments，while treatment 4 was the best for the capability of supplying water compared with other treatments.Under sufficient irrigation，the capability of soil water retention，supplying water，infiltration and available moisture increased with the dosage of water－retaining agent，but there was not significant difference between treatment 3 and treatment 4.Compared with mild water stress，the capability of soil water retention，supplying water and infiltration under the condition of sufficient irrigation were higher.Soil available moisture of treatment 3 under mild water stress was highest among all treatments，which increased by 18.6%compared to the control.In all，from economical aspect，treatment 3 was the best to improve the soil properties.

water－retaining agent;water conditions;capability of soil water retention;capability of water supplying;available soil water

2012－04－16

2012－10－13

國家“863”節(jié)水農(nóng)業(yè)項目“綠色環(huán)保多功能保水制劑”(2006AA100215);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目“黃淮海高產(chǎn)農(nóng)田作物需水及高效用水技術研究與示范”(201203077);河南省杰出青年基金“保水劑應用對土壤環(huán)境的影響研究”(104100510024)

楊永輝(1978—)，男，博士，助理研究員。主要研究方向:土壤生態(tài)與節(jié)水農(nóng)業(yè)。E－mail:yangyongh@mails.gucas.ac.cn

(責任編輯:程 云)