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第一章 保水剂农业应用及其效应研究进展（第1页）

第一节研究背景

中国是一个农业和人口大国，农业作为最重要的基础产业，其农业现代化水平和生产力水平较低，其中主要的制约因素是水资源短缺。根据相关资料，我国多年人均水资源量为2000m3，不足世界人均水平的14，预计到2030年，在降水情况不改变的条件下，人均水资源量将逼近国际上公认的严重缺水警戒线1700m3！因此，我国的水资源形势非常严峻（李继成，2008）。

干旱是我国最常见、对农业生产影响最大的自然灾害，干旱受灾面积占农作物总受灾面积的一半以上，严重干旱年份比例高达75%。水是农业的命脉，也是整个国民经济和人类生活的命脉。特别是2009年秋季以来，我国西南部分地区持续少雨，气温偏高，遭遇严重旱灾。这次灾害影响范围广、程度重。西南部分地区严重气象干旱已对群众生活、农业生产、塘库蓄水、森林防火等造成极大影响。干旱导致云南、贵州、广西、四川部分地区出现人畜饮水困难。这次持续干旱严重影响了西南5省市的农业生产。农业是我国的用水大户，根据有关部门预测，到2030年农业缺水达500~700亿m3（李常亮，2010）。

鉴于水资源短缺、水土流失严重两大问题，抗旱节水和保持生态环境已成为我国农业面向未来可持续发展的重要选择。因此，我国政府提出大力发展节水农业。经过不断试验研究和生产实践，化学节水技术已经成为一种现代农业生产中即具有现实应用价值、更具发展前景的新技术（华孟和苏宝林，1989；黄占斌等2003；吴德瑜，1991）。实行旱地农业节水技术，科学地利用有限的区域水资源，提高旱地农业区的水分生产效率，促进旱地农业的高效发展，是现代旱地农业发展的必由之路。保水剂是化学节水材料的一种，又称高吸水剂，它能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的纯水，而且具有反复吸水功能，保水剂所吸持的大部分水分可释放供作物吸收利用。同时，保水剂可以改良土壤结构，提高土壤的水分保持，提高水肥的利用率（Moslemi，etal。，2011；穆俊祥等，2016；李荣等，2021）。当土壤中加入保水剂后，保水剂在土壤中吸水膨胀，把分散的土壤颗粒粘结成团块状，使土壤容重下降，孔隙度增加，调节土壤中的水、汽、热状况而有利于作物生长（庄文化等，2007）。保水剂具有吸附、离子交换作用，肥料溶液中离子能被保水剂中的离子交换，可减少肥料的淋失（黄占斌等，2016）。

宁夏中部半干旱偏旱区年降雨量250mm左右，降雨主要集中在7-9月份。水分不足和年降雨量分布不均严重限制作物的生长（Wang，etal。，2009）。由于该地区土地肥力瘠薄，气候干旱少雨，土壤沙化严重、保水保肥性能差，同时，在农业生产中仍存在着用水效率不高、土壤肥力难以维持等突出问题（李小炜等，2016），导致作物单产水平很低，制约着当地经济的发展（廖佳丽等，2009a）。因此，抗旱保水和提高土壤肥力已成为该区提高宁夏当地特色优势作物生产力和农业可持续发展的重要选择。因此，项目分别在宁夏同心扬黄灌区和盐环定灌区，以马铃薯和春玉米为研究对象，主要开展保水剂的保水保肥效应及对马铃薯、玉米生长发育、养分吸收以及水分利用效率的影响进行大田试验，研究其作用机制，探寻适合旱地马铃薯和玉米田保水剂的种类及最佳施用量，为宁夏农业节水增产、提高水肥利用效率和现代高效节水农业的发展提供理论依据和技术支持。

第二节保水剂的作用原理研究进展

干旱是制约我国农业生产与发展的一个重要因素，水资源的合理开发与利用迫在眉睫（王春芳等，2019）。我国是13个贫水国家之一，新型保水剂的研制和利用是提高我国水资源利用率的有效手段之一（李备等，2016）。保水剂是一种化学抗旱节水材料，可以提高土壤持水力，改良土壤结构，吸附土壤速效养分，减少养分的淋溶流失，实现保水保肥的作用（黄占斌等，2016）。保水剂是利用强吸水性树脂制成的一种具有超高吸水保水能力的高分子化合物颗粒剂。这类物质含有大量结构特异的强吸水基团，可吸收自身重量的数百倍至上千倍的纯水（JanardanandSingh，1998）。这些被保水剂吸附的水能够慢慢释放出来供土壤、植物利用，遇到外界来水时保水剂能够继续膨胀吸水达到蓄水作用。由于分子结构交联，能够将吸收的水分全部凝胶化，分子网络所吸水分不能用一般物理方法挤出，因而具有很强的保水性。其溶于水后溶液呈弱碱性或弱酸性、无毒、无刺激性，使用时安全（庄文化等，2007）。因此在农业生产、水土与保持和环境治理等方面等到广泛应用，发展前景广阔。

一、保水剂的研发历程与现状

保水剂的研制起源于20世纪中期，最初在美国研制成功后世界许多国家都致力于对其进行创新研究（赵元霞等，2016）。美国研制的淀粉型保水剂在玉米、大豆等作物应用后，引起各方面关注（Sojka，etal。，2006；VarennesandTorres，2000）。其中日本研发速度最快，现已成为全球最大保水剂生产国，主要20家公司年产力已达到10万t。法国研制出能吸水500~700倍数的“水合土”，在沙特阿拉伯旱区的土壤改良应用取得成功。俄罗斯研制出保水剂在伏尔加格勒用量100kghm2，作物增产20%~70%。从20世纪80年代初，中国40余个研究单位陆续展开了保水剂的研究工作，目前有110余项保水剂专利，产品生产技术日趋成熟（赵元霞等，2016）。中国高分子保水剂研发和应用经历3次较大发展（黄占斌，2005）。首次是20世纪80年代，全国40多个科研院所开展研发，在植树造林和旱区土壤改良等方面得到应用。90年代后期，新型保水剂研制加快并得到广泛应用研究，使用范围也不断扩大，形成保水剂研发应用的第二次高潮。21世纪以来，随着气候变化、植树造林和抗旱节水等方面的加强，保水剂产品研发和应用到土壤改良、城市绿化和荒坡造林、水土保持、边坡治理、矿区废弃地复垦，以及保水肥料等新型肥料研发等方面，形成保水剂研发与应用的第三次高潮，复合、多功能和低成本保水剂成为发展重要方向。作为一种化学节水技术，中国对保水剂研发和应用非常重视，国家“十五”、“十二五”计划、国家“863”节水农业重大专项将“新型多功能保水系列产品研制与产业化开发”列为重要研究内容（黄占斌和夏春良，2005；李寿强和关菁，2012）。

二、保水剂合成途径与产品类型

高分子保水剂的合成，主要是天然亲水性单体经交联剂和引发剂等助剂发生合成反应而成，其合成反应类型可分3种（黄占斌和夏春良，2005）：接枝共聚反应、羧甲基化反应和交联反应。保水剂的合成方法一般有本体共聚法、溶液共聚法、反向悬浮聚合法和反向乳液聚合法，较先进的方法还有光辐射聚合法和保水剂的共混和复合。保水剂的成分因生产厂家和剂型而不同，主要成分有聚丙烯酸、聚乙烯酸、乙烯酸、异丁烯无水顺式丁烯二酸、淀粉聚丙烯酸、聚乙烯、纤维素、γ-2聚谷氨酸（γ-PGA）等高分子材料。目前，保水剂根据原料来源不同，现有保水剂产品一般有三种类型：第一种为高分子聚合物类，例如聚丙烯酸钠、聚乙烯酸、聚乙烯酰胺类等；第二种为天然高分子改性类，例如改性羧甲基纤维素、纤维素接枝共聚类等；第三种为有机无机复合类，粘土矿物与高分子树脂复合（黄占斌等，2007；李备等，2016）。

（一）合成聚合类：合成聚合类保水材料是1970年前后兴起的，是目前发展最快、种类最全、工业化批量生产最多的一类，改高吸水树脂种类很多，具代表性的有聚丙烯酸盐类和丙烯酰胺丙烯盐复合类等。其合成方法主要有水溶液法和方向悬浮聚合法。水溶液法在反应中存在热量不易散失、容易爆聚、出料困难等缺点，但是水溶液法过程简单、成本低廉、对环境污染小，是制备该类高吸水物质备受青睐的方法。（二）天然高分子改性类：天然高吸水改性类保水材料被研究较早，但因工艺繁杂、稳定性较差而迅速被其他方法超越。天然高分子改性类保水材料是由本身存在多个接枝位点且具有一定吸水能力的高分子材料改性而得到。淀粉类、纤维素类、腐殖酸类目前得到广泛研究。（三）有机无机复合类：1980年前后，诸多学者通过将高吸水树脂和其他材料复合来改善吸水材料的耐盐性、凝胶强度、保水性能等，有机无机保水剂在此时期内得到了迅速发展。凭借具有表面羟基、可交换阳离子等特点的粘土矿物被用于和高分子聚合物复合，从而提高了吸水能力、降低了生产成本。该类工艺具有反应过程容易控制、反应物不粘容器、吸水倍率高、成本低廉等特点。

三、保水剂的作用原理

保水剂都属于高分子电解质，它的吸水机理不同于纸浆、海绵等以物理吸水为主、吸水量小的普通吸水材料。保水剂的吸水是由于高分子电解质的离子排斥所引起的分子扩张和网状结构引起阻碍分子的扩张相互作用所产生的结果。这种高分子化合物的分子链无限长地连接着，分子之间呈复杂的三维网状结构，使其具有一定的交联度。在其交联的网状结构上有许多羧基、羟基等亲水基团，当它与水接触时，其分子表面的亲水性基团电离并与水分子结合成氢键，通过这种方式吸持大量的水分。在这一过程中，网链上电解质使得网络中的电解质溶液与外部水分之间产生渗透势差。在这一渗透势差作用下，外部水分不断进入分子内部。网络上的离子遇水电解，正离子呈游离状态，而负离子基团仍固定在网链上，相邻负离子产生斥力，引起高分子网络结构的膨胀，在分子网状结构的网眼内进入大量的水分。高分子的聚集态同时具有线性和体型两种结构，由于链与链之间的轻度交联，线性部分可自由伸缩，而体型结构却使之保持一定的强度，不能无限制地伸缩。因此，保水剂在水中只膨胀形成凝胶而不溶解。当凝胶中的水分释放殆尽后，只要分子链未被破坏，其吸水能力仍可恢复（李景生等，1996；介晓磊等，2000；尤晶等，2012）。

高分子保水剂具有吸水速度快、吸水倍数大的特点，主要是其含有大量羧基、羟基及酰胺基、磺酸基等亲水性基团，对水分有较强的吸附能力，对纯水的吸水倍数可达400~600倍；其次，保水剂的保水能力也很强，其保水方式有吸水和溶胀两种方式，以后者为主；此外，保水剂的释水性能也很好，可直接为作物提供较长时间供水。研究发现（王砚田等，1990），保水剂吸水力13~14kgm2，植物根系对水的吸力达17~18kgm2。因此，保水剂所吸持水分的85%以上可为植物可利用水。试验证明（黄占斌等，2002），保水剂具有吸水和释水，在干燥和再吸水的反复吸水能力，保水剂的每次反复吸水，其吸水倍率可下降10%~70%，最终失去吸水功能。

不同类型保水剂在保水特性方面，特别是对去离子水、自来水（电导率0。8~1。0scm）和不同离子溶液中的吸水倍数降低率、反复吸水性等方面有较大差异（黄震等，2010）。不同高分子材料的吸水原理基本相同，衡量保水剂性能的主要参数包括吸水倍数、吸水速率和保水能力（庄文化等，2007）。不同材料的保水剂在吸水倍数、吸水速率及耐盐性等方面都有差异，即便是同一种类的保水剂，性质也不尽相同。目前，市场上销售的保水剂材料主要以丙烯酰胺-丙烯酸盐交联共聚物及聚丙烯酰胺为主（赵元霞等，2016）。有机单体聚合保水剂（聚丙烯酸盐）在去离子水吸水倍数最高，在自然条件下10多天的保水性能；淀粉聚合类保水剂成本较低易分解，适宜作物成苗等短时期的土壤保水；有机无机复合保水剂（凹凸棒聚丙烯酸钠）、有机单体与功能性成分复合保水剂（腐殖酸型保水剂），反复吸水性和抗二价（Ca2＋）和三价（Fe3＋）离子特性明显，适合盐碱地和废弃地的土壤改良应用（黄占斌等，2016）。

第三节保水剂对土壤理化性质影响的研究进展

我国大部分地区处于干旱和半干旱地区，发展节水农业是我国农业发展的必然趋势。高分子化合物作为一种新型保水抗旱材料在农业上得到了广泛的应用。保水剂由于其高吸水性和良好的保水能力，增加土壤团粒结构，降低土壤容重，增加空隙度，抑制蒸发达到保水效果，有效的满足了我国发展节水农业的要求，在农业生产中受到了越来越多的重视，具有广阔的应用前景。

一、保水剂对土壤物理性质的影响

保水剂自身有多种官能团，能与周边土壤发生各种物理化学反应而促进土壤结构改变，增加土壤的团聚体数量。保水剂直接作用土壤水分的效应为40%，其余效应为其提高土壤吸水能力，增加土壤含水量，保水剂改良土壤结构的效应则占其效应力的60%。正是该效应使保水剂使土壤的容重下降、孔隙度增加，土壤的水、肥、气、热得到协调（黄占斌等，2016）。

（一）保水剂对土壤持水性状的影响

保水剂吸水性强，加入土壤后能提高土壤对灌水及降水的吸收能力。受土壤溶液中各种盐基离子及土壤颗粒对水分吸持作用的影响，保水剂常常达不到其在纯水中的吸水倍率。试验表明，在一定范围内土壤吸水能力随保水剂用量的增加而增加，但用量达到一定限度后，对土壤吸水能力的影响变得不明显。保水剂不仅能增强土壤的吸水能力，提高土壤的吸水速度，而且能缓慢释放出大部分水量，成为作物吸收利用的有效水。经测定，性能好的保水剂，90%以上的水能被作物吸收利用成为有效水，性能差的保水剂，有效水占吸持水分的比例为23左右，13左右的水分成为无效水（黄占斌等，1999）。

有研究表明，在一定范围内保水剂的保水能力与保水剂的浓度呈极显著正相关。在土壤低吸力段（0~80kPa），随保水剂用量的增加，土壤持水容量增大，从而增加了作物可利用的有效水；在相同含水率时，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，土壤含水率随保水剂的增加而明显增加（李云开等，2002）。由于土壤性质不同，持水量的增加也有差别。保水剂与土壤以1：50混合，细沙有效含水量比不加保水剂增加1倍以上，而壤土有效含水量增加50%（谢伯承等，2003）。蔡典雄等（1999）研究也表明，施用保水剂可提高土壤持水量。保水剂与土壤混合比例不同，持水量的增幅也不相同。研究还发现，保水剂与壤土混合比例为1：50时，土壤有效含水量由不加保水剂时的15。67%增加为23。77%；比例为1：100时，土壤有效含水量增加到19。63%，比例为1：500和1：1000时，土壤有效含水量基本没有变化。

（二）保水剂对土壤水分的影响

保水剂的吸水持水性，使其施入土壤后能大幅度提高土壤对水分的吸收能力，使水“固化”在树脂网络结构中，起到保水的作用（李晶晶和白岗栓，2018）。李云开等（2002）认为，保水剂不仅能增强土壤的吸水能力，提高土壤的吸水速率，而且能缓慢释放出大部分水量，成为作物吸收利用的有效水。有研究（袁普金等，2002；蔡典雄和赵兴宝，2000）表明，保水剂的使用效果与土壤水分高低有很大关系。有研究表明，土壤含水量与保水剂浓度呈正相关趋势，土壤含水量随着保水剂浓度的增加而提高（宋永莲等，2003；黄占斌等，2004；孙宏义等，2005）。吴德瑜（1991）研究表明，施用保水剂之后，可大幅提高土壤含水量，在干旱期间缓慢释放储存的水分，使种子、植株根系周围的土壤可利用水增加，显著抑制土壤水分蒸发消耗，减缓了旱情。蔡典雄等（1999）发现，当水势相同处于0-0。6MPa时，0。2%-1。2%梯度的保水剂与沙土混合之后，土壤含水量随保水剂梯度增大而增大，土壤含水量较对照提高1。5~35。4倍。黄占斌等（2004）研究发现，将2%的保水剂与沙壤土或重壤土混合施用使沙壤土和重壤土的土壤含水量比对照分别高76%和69%，且保水剂吸收的水分有90%可供给作物直接吸收利用。陈宝玉等（2008）研究表明向土壤中分别施入保水剂0。5%、1。0%、1。5%并混合拌匀，施入保水剂的处理的田间含水率、自然含水率、毛管含水率、饱和含水率等均比对照有一定提高，且随保水剂的施用量增大而随之增大。

（二）保水剂对土壤容重的影响

保水剂施用于土壤之后迅速吸水膨胀，使土壤中分散颗粒黏结成块状，增加了土壤总孔隙度及非毛管孔隙度，使土壤容重降低（纪冰祎等，2018）。将不同用量的保水剂与土壤混合后，土壤毛管水饱和时的固、液、气三相组成发生了不同程度的变化，随保水剂加入量的增大，土壤液相组成比例（相当于毛管孔隙度）增加，固相、气相组成比例相对减少，容重明显降低。而总孔隙度增大，主要是增加毛管孔隙度（包括毛管孔隙和无效孔隙），即增大了毛管持水容量。保水剂保水供水的内在机制除与其本身吸水较多有关外，其吸水膨胀后对土壤孔隙性质的改善，尤其是提高毛管孔隙度也是一个重要方面。

施用保水剂后，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。高超等（2005）将聚丙烯酸钾盐型保水剂施用在红壤上发现，因为保水剂吸水膨胀，使土壤也发生膨胀，变得疏松，孔隙度增加容重降低，土壤容重随着使用保水剂量的增加，降低的程度增大。何传龙等（2002）用新型抗旱保水剂处理砂姜黑土发现，土壤容重下降13。5%，毛管持水量、总孔隙度分别提高18。3%、9。4%；高有机质砂姜黑土容重下降9。6%、毛管持水量、总孔隙度分别提高9。1%、6。3%；盐碱土容重下降23。8%，毛管持水量、总孔隙度分别提55。2%、23。5%；黄棕壤容重下降9。7%，总孔隙度分别提高28。6%、8。5%。龙明杰等（2002）通过试验得出近似结论。各保水剂处理的土壤容重均比对照减小，减小幅度为4。9%~11。3%；土壤坚实度减小范围达52。4%~113。8%。施入保水剂后也使土壤总孔隙度有大幅度增加，提高幅度为7。5%~15。5%，非毛管孔隙比对照提高9。1%~37。9%，较好改善土壤的通气性和透水性；毛管孔隙度比对照增加7。3%~11。9%，显著提高土壤吸水能力（刘瑞凤等，2005；林文杰等，2004）。

（三）保水剂对土壤蒸发的影响

保水剂具有明显抑制蒸发、保持水分的效果。其原因可能有以下两方面：一是保水剂改善了土壤孔隙的组成，毛管上升水被团粒间的毛管孔隙吸持而减少，同时它还与团粒内非毛管孔隙增加而切断表面土毛管联系相关；二是由于聚合电解质的作用，影响水分形态，使其发生变化，降低水压，从而降低土壤水分的蒸发强度，增加土壤的持水量（张国桢等，2003）。黄占斌等（2004）证明，保水剂可改变土壤孔隙的组成，降低土壤不饱和导水率，使表层土与下层土的水势梯度变陡，减缓了土面蒸发（王志玉等，2004）。