李芳然 趙名彥 霍惠玉 趙亞鋒 張占會

摘要：介紹了保水劑的作用機(jī)理，綜述了高分子保水劑在農(nóng)業(yè)、林業(yè)水土保持及綠化中的應(yīng)用研究進(jìn)展，分析了保水劑在水土保持作用中的的影響因素，并就新型保水劑的研究應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：保水劑;農(nóng)業(yè)水土保持;林業(yè)水土保持;綠化工程

中圖分類號：S157.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-1463（2019）05-0056-05

Abstract：In this article， the functional mechanisms of water-retaining agent was introduced， the applied research progress of polymer water-retaining agent in agricultural， forestry， soil and water conservation， and the application research in the afforest engineering was summarized， the influencing factors in application processes of soil and water conservation were analyzed， and the research on new-type water-retaining agent was prospected.

Key words：Water-retaining agent;Agricultural soil and water conservation;Forestry soil and water conservation;Afforest engineering

保水劑是一種高分子吸水材料，具有很好的吸水、持水能力，還可改善土壤理化性質(zhì)，具有顯著的水土保持效益。能夠提高作物成活率、促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量。高分子保水劑又稱高吸水劑、保濕劑、超強(qiáng)吸水樹脂。它能夠迅速吸收比自身重?cái)?shù)百倍甚至上千倍的純水，并且具有反復(fù)吸水功能，吸水后的水凝膠可緩慢釋放水分供作物利用，是化學(xué)節(jié)水技術(shù)中重要的化學(xué)制劑，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)園藝、食品生產(chǎn)、市政工程建設(shè)等方面。保水劑具有較強(qiáng)的保水和提供植物水分的釋水特性，同時(shí)具有改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤吸水、保水和保肥性能的特點(diǎn)，可在干旱和荒漠化治理、水土保持方面發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢。

1? ?高分子保水劑的作用

1.1? ?作用機(jī)理

高分子保水劑為高分子吸水樹脂，是含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子電解質(zhì)，主要分為兩大類：丙烯酰胺-丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物和淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物。其吸水是由于高分子電解質(zhì)的離子排斥所引起的分子擴(kuò)張及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)引起阻礙分子的擴(kuò)張作用產(chǎn)生的結(jié)果。高分子鏈相互靠攏纏繞，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整體緊密，在其交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上有許多羧基、羥基等親水基團(tuán)，與水接觸時(shí)，水分子通過毛細(xì)及擴(kuò)散作用進(jìn)入到樹脂中，分子鏈上的電離基團(tuán)在水中電離并與水分子結(jié)合形成氫鍵，吸持大量的水分。同離子之間的靜電斥力使分子鏈伸展、溶脹，由于電中性要求，反離子不能遷移到樹脂內(nèi)部，樹脂內(nèi)外溶液間的離子濃度差形成反滲透壓。水在反滲透壓的作用下進(jìn)一步進(jìn)入樹脂，形成水凝膠。而樹脂本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及氫鍵作用又限制了凝膠無限膨脹。二者達(dá)到平衡時(shí)吸水飽和。凝膠中的水分釋放完全后，只要分子格未被破壞，其吸水能力仍可恢復(fù)。

1.2? ?提高土壤吸水保水能力

保水劑能夠顯著提高土壤吸水能力，大幅增加土壤的含水量，在土壤中形成“小水庫”，當(dāng)土壤干旱時(shí)，保水劑將釋放出存儲的水分供植物生長所需。由于保水劑具有很強(qiáng)的保水性能，與土壤混合后會顯著增加土壤飽和含水量。研究表明，施用保水劑后土壤的質(zhì)量飽和含水率明顯增加，最高質(zhì)量含水率可提高12.9%，但隨著保水劑性能的逐漸衰減，飽和含水率呈現(xiàn)下降趨勢[1 - 2 ]。保水劑的作用不僅是吸水，更重要的是其保水能力，可將降水或灌溉水快速吸納且保持于耕作層，減少深層滲漏，增加水分利用率，并將所保持的水分緩慢釋放供植物生長，從而有效減少水分流失及蒸發(fā)，起到保墑抗旱作用。趙永貴[3 ]研究表明，在沙土中混合0.5%的保水劑后，土壤中水分保持時(shí)間可由14 d增加為50 d。黃占斌等[4 ]對加入0.1%保水劑的土壤進(jìn)行風(fēng)干對比，結(jié)果表明，加水飽和后添加保水劑的土壤失水過程顯著減慢，由飽和至風(fēng)干失水恒重的時(shí)間由16 d增加至25 d。

1.3? ?保水劑的使用對土壤理化性質(zhì)的影響

保水劑的使用，能夠顯著影響土壤的理化性質(zhì)。研究表明，保水劑的使用能夠優(yōu)化土壤團(tuán)粒分級，大大提高土壤中粒徑大于0.25 mm的大水穩(wěn)性團(tuán)粒體的含量，團(tuán)聚體的形成可抵抗雨滴破壞作用，增強(qiáng)土壤抗蝕性能;同時(shí)可以提高土壤的體積膨脹率及滲透系數(shù)，降低土壤容重，有效增加土壤含水量，改善土壤通透性，阻礙土壤結(jié)皮產(chǎn)生，減少地表徑流，從而有效控制水土流失[5 ]。

保水劑吸水后其周圍的理化環(huán)境發(fā)生改變，從而引起生化性質(zhì)的變化[6 ]。距離保水劑越遠(yuǎn)，土壤濕度越小，孔隙度越大，好氧微生物越多，厭氧微生物越少，土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變了土壤中有機(jī)質(zhì)分解速率，促進(jìn)了土壤中微生物活動，提高了土壤養(yǎng)分利用率。

保水劑的使用可提高肥料的利用率，減少養(yǎng)分淋失，提高土壤肥力。研究表明，施用保水劑后，土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量均明顯提高，且隨著保水劑施用量的增加，其效果更加明顯[7 ]。 此外，保水劑的使用可降低土壤中水溶態(tài)重金屬含量，減少植物吸收重金屬的量[8 ]。

2? ?高分子保水劑在水土保持中的應(yīng)用

2.1? ?在農(nóng)地水土保持中的應(yīng)用

農(nóng)地水土保持即在有水土流失危害的農(nóng)耕地上，通過實(shí)施農(nóng)地水土保持技術(shù)措施，防止水土流失和養(yǎng)分消耗等土壤退化現(xiàn)象的發(fā)生，并且合理、高效地利用有限的農(nóng)業(yè)自然資源（包括光、熱、水、肥、氣），確保土地生產(chǎn)力經(jīng)久不衰，獲得高效、豐富和永續(xù)的生產(chǎn)。保水劑具有吸水、保水、保肥和改善土壤性質(zhì)的作用，可在農(nóng)地水土保持、節(jié)水灌溉中發(fā)揮一定作用。張?jiān)琜9 ]通過大田試驗(yàn)研究了保水劑的施用對黑龍江地區(qū)春小麥和大豆生長需水量及產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用保水劑后耕種土壤持水性較好，含水量處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，受天氣影響較小，蒸發(fā)蒸騰量較小;在降水量相同的情況下，隨保水劑施用量增加，灌溉水耗水量最高可降低13%左右;施用保水劑后，提高了各生育階段干物質(zhì)積累，作物生育性狀及產(chǎn)量明顯提高，其中春玉米最高可增產(chǎn)13.72%。羅華等[10 ]的研究表明，保水劑能夠提高土壤含水量，減少水分脅迫對生菜植株造成的損害，提高生菜葉片葉綠素含量;并且能夠減少土壤淋溶液體積，降低氮、磷、鉀淋溶損失。武繼承? ?等[11 ]的研究表明，保水劑能夠提高冬小麥產(chǎn)量和降水利用率，采用地膜覆蓋與保水劑結(jié)合，麥田土壤含水率最高提高6.5%;采用秸稈覆蓋與保水劑結(jié)合，冬小麥可增產(chǎn)20.1%。

2.2? ?在林地水土保持中的應(yīng)用

我國干旱、半干旱地區(qū)年降水量少、氣候干燥、風(fēng)蝕和蒸發(fā)強(qiáng)烈，人工造林成活率、林木存活率低，生態(tài)環(huán)境脆弱。保水劑應(yīng)用于干旱地區(qū)林業(yè)生產(chǎn)，能起到保水、保肥、保土、改善土壤結(jié)構(gòu)和抗旱作用。肖輝杰[12 ]研究了保水劑對黃土丘陵溝壑區(qū)防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林樹種的影響，土壤中加入保水劑后含水率可提高12%～40%，有效貯水量提高25%;土壤水分入滲率提高50%～100%，減少了地表徑流，水土保持作用顯著;同時(shí)降低了地表溫度及水分蒸發(fā)量。施用保水劑后顯著提高了油松、側(cè)柏、蘋果樹苗成活率，平均提高20.4%～47.0%;油松樹高和地徑、生物量最多可提高76%、75% 和126.9%;杏樹施加保水劑后花朵坐果率最高提高700%。汪勇[13 ]研究認(rèn)為，使用保水劑對調(diào)節(jié)坡面徑流和防止土壤侵蝕有顯著作用，在陜西榆林山地區(qū)坡面棗林施用保水劑后，坡面產(chǎn)流速率降低32.52%～60.64%，徑流量減少11.28～20.74 L，土壤流失量最高減少72.5%;紅棗可增產(chǎn)1 650～4 702 kg/hm2，節(jié)約水費(fèi)10 278.5～28 637.6元/hm2。李晶晶[14 ] 的研究表明，陜北黃土高原蘋果園施用保水劑后，水土流失量較空白組最高減少27.5%，下年蘋果產(chǎn)量最高可提高22.11%。

2.3? ? 在工程綠化中的應(yīng)用

處于干旱地區(qū)、礦區(qū)、石質(zhì)山地區(qū)、鹽堿地等的綠化建設(shè)項(xiàng)目，由于土質(zhì)貧瘠或灌溉不便等原因，在后期水土保持植物措施落實(shí)方面存在較大困難，使植被出現(xiàn)生長緩慢甚至成活率很低的狀況。保水劑可應(yīng)用于植被脆弱地區(qū)綠化中，提高植被成活率并促進(jìn)植被生長，有助于植物措施的落實(shí)。保水劑應(yīng)用于煤矸石基質(zhì)綠化方面具有較好的效果，基質(zhì)中添加保水劑后持水能力增強(qiáng)，有利于植株吸收養(yǎng)分，從而促進(jìn)植株生長。趙陟峰等[15 ]試驗(yàn)表明，添加保水劑后，煤矸石基質(zhì)表面的高羊茅生長高度可提高10.32%，并且可以使高羊茅更快適應(yīng)基質(zhì)環(huán)境，增加生物量。

公路在建設(shè)過程中原有地表自然土壤被土方工程破壞，新破面表層或是原聲土壤母質(zhì)裸露，或者是由填埋碾壓所形成的回填土，坡面土壤已經(jīng)不具備自然土壤層狀結(jié)構(gòu)，難以為植物生長提供養(yǎng)分、水分等必要條件[16 ]。郭文等[17 ]研究了保水劑對G214公路路基邊坡土壤含水率的影響，綠化地土壤雜質(zhì)、碎石較多，保水功能較差，使用保水劑10 d后土壤含水量明顯高于2次澆水后含水率，能夠在植被生長初期提高其成活率，而養(yǎng)分、肥料的供給是保證植被后期生長的必要因素。

城市園林綠化用水量逐年提高，由于缺水導(dǎo)致的草坪、花卉、苗木等生長不良現(xiàn)象普遍存在。在中度干旱脅迫條件下，施用保水劑有利于增加綠化草坪的地上生物量，提高水分和肥料利用率[18 ]。李佳嶺等[19 ]的研究表明，經(jīng)保水劑處理后，黑麥草草坪生長速度明顯提高，草坪蓋度最高可提高12%，并可提高土壤保肥能力，減少養(yǎng)分淋失，且持肥能力與保水劑施用深度有關(guān)。

3? ?影響保水劑作用的因素及新型保水劑研究

3.1? ?影響保水劑作用的因素

保水劑的作用主要受施用方式、施用量、施用深度的影響。保水劑的使用方式主要包括種子包衣、植前蘸根、土表撒施、開穴填底、挖溝拌土、盆土應(yīng)用等;保水劑施用量及施用深度也是影響其保水效果的重要因素，針對不同土壤、作物的最佳施用條件也不盡相同，通過對不同施用條件下保水劑效果試驗(yàn)，可獲得防治水土流失、增加植被生長量的最佳條件。

3.2? ?新型保水劑研究

隨著保水劑的適用范圍逐漸擴(kuò)大，國內(nèi)新型保水劑的實(shí)驗(yàn)室研究近年來層出不窮。新型保水劑的研究主要包括耐鹽保水劑和生產(chǎn)成本較低的天然材料、礦物材料復(fù)合保水劑的制備等。朱正[20 ]在二元共聚高吸水樹脂基礎(chǔ)上進(jìn)行三元共聚，合成了三元共聚高吸水樹脂，耐鹽性能優(yōu)異，在0.9 wt %的NaCl水溶液中的吸鹽水倍率可達(dá)100.82 g/g。陳瑞環(huán)[21 ]采用溶液聚合法制備得到的新型耐鹽保水劑，在10 g/kg KCl溶液中吸液能力可達(dá)201 g/g，可減少48%鉀肥淋溶損失，提高鉀肥利用率。商平等[22 - 23 ]采用天然杭錦土作為無機(jī)礦物材料制備出一種高吸水材料，具有反應(yīng)速度快、凝膠強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn);并通過微波輻射的方法，直接添加海帶作為單體合成了高吸水樹脂，降低了制備成本，同時(shí)提高了海帶附加值。

4? ?展望

保水劑的保水、保肥性能應(yīng)用于農(nóng)地、林業(yè)水土保持及園林綠化方面具有顯著效果，具有較好的保水保土效益及經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。目前針對吸水樹脂的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，鑒于對保水劑耐抗特性及降低成本的訴求，大田試驗(yàn)及擴(kuò)大生產(chǎn)任務(wù)緊迫。

面對目前我國面臨的水危機(jī)，海綿城市成為政府鼓勵(lì)、支持的城市建設(shè)發(fā)展模式。吸水樹脂能夠做到下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水，需要時(shí)緩慢釋放水，并加以利用，能夠輔助實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透。因此將其應(yīng)用于城市綠化及海綿城市的建設(shè)具有很好的研究價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李? ?楊，王百田.? 高吸水性樹脂對沙質(zhì)土壤物理性質(zhì)和玉米生長的影響[J].? 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（1）：72-82.

[2] 韓玉國，武亨飛，楊培嶺，等.? 保水劑對土壤的物理性質(zhì)與水分入滲的動態(tài)影響[J].? 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013，31（5）：162-167.

[3] 趙永貴.? 保水劑的開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展[J].? 中國水土保持，1999（5）：52-54.

[4] 黃占斌，萬會娥，鄧西平，等.? 保水劑在改良土壤和作物抗旱節(jié)水中的效應(yīng)[J].? 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1999，5（4）：52-55.

[5] 孫福強(qiáng).? 高吸水性樹脂對土壤的水肥性質(zhì)及土壤結(jié)構(gòu)的影響研究[D].? 廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2003：34-45.

[6] SOJKA R E，JAMES A EN TRY，JEFFRY J FUHRMAN. The influence of high application rates of polyacrylamide on microbial metabo licpotential in an agricultural soil[J].? Applied Soil Ecology，2006（32）：243-252.

[7] 劉紀(jì)霜， 羅興錄，樊吳靜，等.? 保水劑對土壤理化性狀和木薯產(chǎn)量影響研究[J].? 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（33）：253-258.

[8] SANTOS E S，ABREU M M，MAC？魱AS F，et al. Improvement of chemical and biological properties of gossan mine wastes following application of amendments and growth of Cistus ladanifer L[J].? Journal of Geochemical Exploration，2014（147）：173-181.

[9] 張? ?袁.? 保水劑對春玉米、大豆生長發(fā)育及騰發(fā)量影響的實(shí)驗(yàn)研究[D].? 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：1-36.

[10] 羅? ?華，宋? ?濤，劉? ?輝.? 施用保水劑對生菜生長發(fā)育的影響[J].? 中國土壤與肥料，2014（2）：72-76.

[11] 武繼承，管秀娟，楊永輝.? 地面覆蓋和保水劑對冬小麥生長和降水利用的影響[J].? 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（1）：86-92.

[12] 肖輝杰.? 土壤保水劑持水特性及對土壤結(jié)構(gòu)和林木生長的影響研究[D].? 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2004：1-48.

[13] 汪? ?勇.? 不同保水劑在山地棗林中應(yīng)用效果的研究[D].? 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009：1-43.

[14] 李晶晶.? 高分子材料對山地蘋果園水土保持效益的影響[D].? 北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2013：1-48.

[15] 趙陟峰，王冬梅，趙廷寧.? 保水劑對煤矸石基質(zhì)上高羊茅生長及營養(yǎng)吸收的影響[J].? 生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（16）：5101-5108.

[16] 馬建榮， 汪偉剛，王? ?丹.? 高速公路邊坡植被建植技術(shù)適應(yīng)性研究[J].? 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2014（12）：428-431.

[17] 郭? ?文，單永體，張? ?博.? 保水劑對G214路域土壤含水率的影響分析[J].? 交通安全與環(huán)保，2014，11：26-27;32.

[18] 闞玉景.? 保水劑對養(yǎng)分的緩釋性能及其對地毯草水肥調(diào)控效果研究[D].? 廣州：仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，2014：1-73.

[19] 李佳嶺，李龍保，廖宗文，等.? 保水劑施用層次對草坪生長及土壤水肥的影響[J].? 草業(yè)學(xué)報(bào)，2014，23（4）：61-67.

[20] 朱? ?正.? 耐鹽性丙烯酸系列高吸水樹脂的合成與性能研究[D].? 青島：中國海洋大學(xué)，2014：1-59.

[21] 陳瑞環(huán).? 一種耐鹽保水劑的合成及應(yīng)用[D].? 蘭州：蘭州交通大學(xué)，2015：1-46.

[22] 商? ?平，蔡旭艷，劉美榮.? 杭錦土/P（AA-AM）復(fù)合高吸水樹脂合成實(shí)驗(yàn)研究[J].? 非金屬礦，2010，33（4）：60-62.

[23] 商? ?平，郝冬英，閆? ?豐，等.? 微波輻射海帶接枝AA/AM合成高吸水樹脂[J].? 化工新型材料，2013，41（1）：25-27.

（本文責(zé)編：陳? ? 珩）

收稿日期：2019 - 01 - 07

作者簡介：李芳然（1998 — ），女，河北衡水人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樗帘３?。Email：1988lifangran@163.com。