保水剂在农业中的作用
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1试验材料与方法
保水剂材料:西北工业大学提供的钠类保水剂,白色粉粒状干剂。实验方法:室内测定、室内模拟实验和田间试验,主要包括以下方面:保水剂溶液化学特性:用蒸溜水将保水剂配成0、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、1.0%浓度,用火焰光度计测定其溶液中钠离子浓度,酸度仪测定pH值,电导度仪测定电导度。高价金属离子和尿素对保水剂吸水力影响试验在以色列和澳大利亚分别进行:测定Na+、Mg++、Ca++、H2PO-4和尿素在0～10000mg/kg浓度梯度下保水剂吸水倍数变化。做法是:称取NaCl、MgCl2.6H2O、CaCl2、KH2PO4、NH2.CONH2制剂,分别放入1.8L去离子水中搅拌均匀,然后各加入3g保水剂干剂。静置24h后,过滤纱网滤去水分,称吸水后保水剂晶块重量,以此重量与干剂重量之比得保水剂吸水倍数。保水剂对土壤保水释水特性影响:土壤为陕西北部沙壤土和关中重壤土,性质见表1。该实验分两组:一组为两种土壤各加入2%保水剂;另一组为重壤土加入0.5%保水,分大、小颗粒两种。方法是风干土与保水剂按比例充分混合,装入专用容器中,下部垫纱布在蒸溜水盘中静置一昼夜充分饱和后,用高速离心机(HIACHI产HimacXR21型),以不同离心力转速模拟土壤压力势,每个离心速率下历时10min后,取样测定。保水剂对土壤团粒结构影响:土壤为关中重壤土,把保水剂溶液稀释洒在试验土上,搅拌均匀,使土壤保水剂含量为0.005%～0.200%不同处理,与无保水剂对照。然后测定团粒的变化(Yoder法)。
保水剂保持水土的模拟实验:在以色列农业研究组织水土与环境科学所的降雨厅进行。土壤为沙壤土,将土壤装入30×50cm2的土盒后放置在15%的坡度下。人工降雨采用去离子水,降雨强度为44mm/h,雨滴平均直径1.9mm,雨滴速度6.2m/s,雨滴动能18.1J/(mm•m2)。降雨分第1d和第2d两次进行。测定土壤水分入渗率、径流量和土壤流失量等。田间试验在定西地区实验站进行,该地区属于黄土丘陵区,年降雨量420mm左右。田间实验以玉米(ZeamaysL.)掖单13号、马铃薯(SolanumtuberosumL.)渭薯4号为材料。试验分两组,保水剂不同用量穴施试验是在作物苗期根部5cm左右处,用铲或带尖木棒开穴,将保水剂与少许湿土混合按15、30、60kg/hm2量处理,以不施为对照。氮磷肥与保水剂混合试验,是将保水剂分别尿素、过磷酸钙为氮、磷源,按照保水剂加N,保水剂加P,保水剂加NP为处理,以单施保水剂、N、P和不施保水剂为对照。
2结果与分析
2.1保水剂溶液的电导度、pH值和钠离子浓度变化钠类保水剂是一种电解质,溶液电导度和pH值自然要受影响。结果证明,保水剂溶液电导度(EC)在去离子水时为0.00127ms/cm,0.5%保水剂含量溶液时为0.307ms/cm,pH值相应为7.23和7.62,钠离子浓度相应为零和87.5mg/kg。日常饮用水的电导度为1.0ms/cm左右,pH值为6.87.6左右。因此,保水剂在0.5%浓度溶液范围内,电导度和pH值影响相对幅度不大。
2.2不同化学离子浓度对保水剂吸水特性影响钠类保水剂吸水后,钠离子游离,与溶液中的二价阳离子发生置换反应,使得保水剂结构发生变化,网孔缩小,吸水倍数减小,其反应方程可用下列式表示。[CH2=CH-COO-Na+]n+C2+a=[CH2=CH-COO-]n-C2+a-[CH2=CH-COO-]n+2Na+图1表明,钙、镁二价阳离子对钠类保水剂吸水力拮抗作用明显。当溶液中钙、镁离子达到200mg/kg时,钠保水剂的吸水倍数由228减少到100左右,减小近50%。在北方地区含钙、镁离子较高的土壤中,正是通过钠类保水剂与钙、镁离子结合,增强了土壤团粒间作用力而改善团粒结构,因此,使用保水剂时存在一个量的范围问题。尿素对钠性保水剂的吸水特性没有影响。因为尿素无离子析出,与钠离子没有交换反应,所以,钠性保水剂与尿素混合使用,不会产生离子拮抗作用。
2.3保水剂对土壤保水释水特性影响加入2%保水剂的沙壤土和重壤土,充分饱和后的含水率分别为113%和102%,无保水剂对照为37%和33%。保水剂使沙壤土含水率提高76%,重壤土增加69%。在土壤压力势作用下,土壤含水率降低过程按指数函数变化。当压力势达到-1MPa,沙壤土和重壤土含水率分别降到59.6%和67.4%,较初始含水率降低53%和35%;同时,无保水剂处理的沙壤土和重壤土含水率为6.7%和11%,较初始含水率下降30.6%和21.7%。可以说,重壤土较沙壤土的保水性能强,但加入保水剂后的沙壤土保水作用较重壤土更显著。0.01MPa压力下,含0.5%大、小颗粒保水剂的土壤最大持水量分别为54.4%和40.1%,无保水剂对照土壤为33.3%。随着压力势减小,土壤含水率降低。当土壤压力势为-1.0MPa时,含大、小颗粒保水剂的土壤含水量分别降到15.0%和13.1%,对照为13.1%。相对而言,大、小颗粒保水剂本身所持水的90%和100%已经被释放出来了。对于植物而言,土壤水势-1.5MPa是萎焉系数。所以,保水剂本身所持水分至少90%可为植物所利用。
2.4保水剂对土壤团粒结构的影响表明,保水剂对土壤团粒结构的形成有促进作用,特别是土壤中0.5～5mm粒径的团粒结构增加显著。同时,随着土壤保水剂含量的增加,土壤中大于1mm的大团聚体胶结状态较多,这对稳定土壤结构,改善通透性,防止表土结皮,减少土面蒸发有重要作用。分析表明,团聚体含量与保水剂含量并非直线关系,当土壤中保水剂含量在0.005%～0.01%范围时,土壤团聚体增加量明显。当土壤保水剂含量大于0.1%时,形成的团聚体量占干土重百分数则增加缓慢,这在土壤施用保水剂中有重要参考。
2.5保水剂对水土保持的效应图4表明,0.1%保水剂的土壤在第一次降雨时,土壤水分最终水分入渗率(FIR)为11mm/h,高于无保水剂土壤对照的43%,径流和土壤流失量分别减少1%和34%;第二次降雨时,FIR为9.3mm/h,高于对照44%,径流和土壤流失量分别减少5%和9.4%。
2.6保水剂穴施对玉米和马铃薯生长及产量影响1999年玉米和马铃薯施用保水剂后增产效果很明显,统计结果表明:最佳用量为15kg/hm2。玉米旁施处理较对照增产22%,穴施增产16%;马铃薯穴施15kg/hm2保水剂后产量达28668kg/hm2,较对照增加15.76%。技术经济分析以市场价计算,
2.7保水剂与氮、磷肥配合对玉米产量和肥效影响保水剂与氮肥或氮磷肥配合使用,可明显提高玉米的产量和水分利用效率;但保水剂与磷肥混施,对产量和水分利用效率影响不大。由于玉米生长前期降水较多,N、P肥促进了作物地上部分的生长,为后期抽穗、结实打下了基础。水分测定表明施用保水剂能提高土壤含水率,主要表现在生育前期0～40cm土层,对生育后期及40cm以下土壤含水率影响不大。保水剂与氮肥或氮磷肥配合使用时,可增加吸氮量,氮肥利用率分别提高了18.72%和27.06%。单施保水剂,或与氮肥或磷肥混施时对植株吸磷量影响不大,但保水剂与氮磷肥混施时可增加吸磷量,且使磷肥利用率从16.49%提高到20.91%。
3结论
1)钠类保水剂溶液钠离子浓度和电导度(EC)随其浓度而增加,但溶液pH值影响不大。钙、镁等二价离子对保水剂吸水特性的拮抗作用明显,尿素溶液浓度对保水剂吸水倍数没有影响,二者可混合使用。
2)保水剂能增加土壤保水能力,沙壤土较重壤土更显著。保水剂本身所持水分至少90%可为植物所利用。保水剂改善土壤结构,主要是增加土壤的团聚体量,但二者并非直线关系,当土壤中保水剂含量在0.005%～0.01%范围时,土壤团聚体增加量明显。
3)保水剂能有效保持水土,含0.1%保水剂土壤第1、2次降雨中土壤水分最终水分入渗率为高于无保水剂43%和44%,土壤流失量分别减少34%和5%。保水剂保水作用主要表现在4个方面,一是本身吸水为植物根系直接提供水源;二是保水剂通过改良土壤结构,提高土壤保水性能。三是促进植物生长,提高肥料利用率;四是减少土壤表面蒸发。
4)适宜使用保水剂,能增加作物产量和提高肥料利用效率。采用穴施方法,保水剂用量15kg/hm2,玉米和马铃薯可分别增产22%和16%,其投产比分别为1∶3.5和1∶4.2。
5)保水剂与尿素、或与尿素磷肥混合使用,可明显提高玉米的产量和水分利用效率,同时提高尿素和磷肥利用效率18.7%和27.1%。
