我国干旱半干旱地区总面积为 4 55万 hm2 ,占国土总面积的 4 7% ,随着我国战略重点逐步向西部转移 ,水资源越来越成为国民经济发展的重要制约因素之一。而我国的农业又是用水大户 ,农业用水占总用水量的73.4 % ,生产效率不足 1.0 kg/ m3 。我国农业每年缺水约 30 0亿 m3 ,农业用水危机不断加剧 ,农业生产要向高产稳产方向发展 ,必须发展以充分利用有限降水为中心的节水灌溉和旱地农田节水保水技术。利用土壤保水剂达到节 水增产目的是目前试验研究的一种新途径和新方法。保水剂又称土壤保水剂、高吸水剂、保湿剂、高吸水性树脂、高分子吸水剂,是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物。它能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的去离子水、数十倍至近百倍的含盐水分 ,而且具有反复吸水功能 ,吸水后膨胀为水凝胶 ,可缓慢释放水分供作物吸收利用 ,从而增强土壤保水性 ,改良土壤结构 ,减少水的深层渗漏和土壤养分流失 ,提高水分利用率。保水剂是调节土壤水、热、气状况 ,改善土壤结构 ,提高土壤肥力的有效手段 <1,2 > ,本文主要对保水剂在节水农业中的研究状况与进展和存在的一些问题进行探讨。1 保水剂的研制、生产与应用概况196 9年 ,美国农业部北部研究中心 (NRRC)首先研制出保水剂并于 70年代中期将其利用于玉米、大豆种子涂层、树苗移栽等方面。随后 ,美国农业部森林服务部和一些大学采用 Terra sorb(TAB)进行了一系列试验 ,发现 TAB用于地面撒施可节约用水 50 %— 85% <2 >。 1974年 ,保水剂在美国 Granprocessingo公司实现了工业化生产。但日本随后重金购买了其专利 ,并在此基础上迅速赶上并超过了美国 ,相继开发了聚丙烯酸盐高吸水性树脂 ,自 1987年后 ,日本保水剂产量以 2 6 %速度递增 ,目前已超过 9万 t,无论生产能力还是种类及应用 ,日本在保水剂领域内均处于领先地位 <3 > 。 80年代初 ,法国里昂沙菲姆化学公司研制成功保水剂 ,并将其应用于沙特阿拉伯干旱地区的土壤改良。韩国也开发出了吸水 50 0 0倍的“IKR30 10”高分子材料。 1998年 ,世界保水剂需求总量在 70万 t左右。其中美国市场占 1/ 3,并且近两年以 8%幅度递增。欧盟国家消费 2 2万 t,日本市场消费 8.2万 t。另外 ,发展中国家如墨西哥、东南亚及中东地区也开始推广应用。据专家预测 ,2 0 0 0年世界保水剂需求总量将突破 10 0万 t。我国的保水剂开发与应用研究开始于 80年代初期 ,但发展速度较快。目前已有 4 0多个单位进行研制和开发 ,但产品生产还比较落后 ,总产量不过 10 0 0 t<3 > 。 80年代初 ,北京化学纤维研究所研制成功 SA型保水剂 ,中科院兰州化学物理研究所研制成 L PA型保水剂 ,中科院化学研究所、长春应用化学研究所也分别研制了KH84 1型和 IAC 13型保水剂 ,并陆续应用于农林生产领域 ,但均未进行批量化生产。 90年代以来 ,一批新型的保水剂产品陆续问世。1998年 ,河北保定市科瀚树脂公司科技人员采用生物实验技术研制成功“科瀚 98”系列高效抗旱保水剂 ,该产品吸水倍率高 ,有颗粒型、凝胶型两种剂型。最近还研制生产出一种利于干旱无水条件下 ,保证植物成活的蓄水能力很强的、含水量高达 99.5%的透明胶状物质——“沙漠王”固体水 (又叫干水 )。另外 ,唐山博亚高效抗旱保水剂、“永泰田”保水剂等新型保水剂产品也投入了工业化生产 ,陕西杨凌惠中科技开发公司也研制出吸水率达 150 0倍的保水剂并投入批量生产。2 保水剂的应用研究现状2 .1 保水剂的应用机理保水剂应用于节水农业 ,能起到保水、保肥、保土作用。研究表明 ,保水剂能大幅度提高土壤含水量 ,提高肥料利用率 <4 ,5> 。但盐分、电解质肥料能剧烈降低保水剂的吸水性 <6> ,保水剂的保水效果还与土壤质地有关 ,特别对粗质地的土壤保水效果最好 <7> 。土壤加入保水剂后可增加对肥料的吸附作用 ,减少肥料的淋失 ,保水剂对氨态氮有明显的吸附作用 ,而且保水剂量一定时 ,吸肥量随肥料的增加而增加。李长荣等研究表明 ,NH4 Cl、Zn(NO3 ) 2 等电解质肥料降低了保水剂的溶涨度 ,而尿素属于非电解质肥料 ,使用尿素时保水剂的保水保肥作用都能得到充分发挥 ,是水肥耦合的最佳选择 <8>。保水剂加入土壤中可减少水分的无效蒸发 ,减少深层渗漏 ,从而提高水分利用率。保水剂施入土壤还可同时可减缓地温波动 ,使土壤体积膨胀 ,总孔隙度增加 ,密度降低 ,土壤结构得到改善。但其改良作用受保水剂种类、施用量、土壤质地等因素影响。土壤加入保水剂还能改变土壤整体结构 ,增强土壤抗侵蚀能力 ,使土壤液相显著增加 ,气相和固相减少 ,但也应防止加入过多造成过湿危害 <6> 。保水剂与土壤混合后 ,其保水效果受到保水剂类型、加入量、施用方法、土壤含盐量、盐分类型、灌溉方式、灌水量等许多因素的制约 ,其吸水保水能力远远低于纯水中的吸水率。对这些影响因素的研究是目前保水剂应用研究中涉及较多的内容。关于保水剂的吸持水特性 ,目前主要集中于对保水剂保持水分的水势及水分特征曲线的研究 <5,7,9> 。在实际应用时 ,由于受土壤结构、水分、温度、通气状况等因素的影响 ,只是在一定浓度范围内 ,保水剂保持的水分才能被植物吸收利用。保水剂所吸收和保持的水分能否为作物利用 ,还取决于保水剂对水分的吸附力和植物水分的生理特征 <10 > 。国外研究表明 ,吸水率低的保水剂吸收的水如果减少到 1/ 3左右 ,根就很难再吸收保水剂所保持的水 ,所以应把土壤水势特征与作物节水灌溉结合起来研究保水剂保持水的有效性。有关研究表明 <11> ,保水剂安全、无毒 ,施于土壤中几年后被微生物分解 ,对环境无不良影响。有些保水剂产品可持续几年至几十年有效。但国内关于这方面的系统研究还未见报道。2 .2 保水剂在不同作物上的应用效果国内外研究表明 ,保水剂施用得当 ,可促进作物根系发育 ,提高出苗率和移栽成活率 ,促进植株生长发育 ,延缓凋萎时间 <3 ,9,12— 14 >。但保水剂用量过大 ,非但不能促进根系发育 ,反而抑制根的伸长和降低根的生理机能 <6> ,抑制种子萌发 <15> ,降低移栽后成活率和出苗率 <16> 。施用保水剂可取得显著的增产效果 ,使水分利用效率大大提高。胡芬等研究表明 ,保水剂不仅对作物生长有促进作用 ,单株叶面积和干物重都比对照显著增长 ,而且可提高穗粒数和粒重 ,使 WUE提高 2 3.1%—2 5.2 % <17> 。冯金朝等发现在 0 .1%— 0 .3%浓度范围内保水剂处理增产效果显著 <15> ,保水剂在玉米、大豆上的应用研究也表明 ,在土壤中施入 7.5kg/ hm2 和 15kg/ hm2 条件下 ,玉米可平均增产 15.9% ,大豆平均增产12 % <18> 。何腾兵等研究表明 ,在模拟干旱条件下 ,保水剂对玉米主要经济性状产生一定的影响 ,并因土壤质地不同而异 ,但保水剂用量过大会降低这种作用 <19> 。川岛和夫等也认为保水剂的增产效应必须在灌水量较大的前提下才能表现出来 <6> 。李青丰等则认为保水剂对环境中水分的吸收与对种子释放水分是互相矛盾的 <2 0 > 。可见保水剂的应用效果受多种因素制约 ,必须对此进行系统的研究 ,才能使保水剂的节水功能得到充分发挥。2 .3 保水剂应用技术保水剂在农业上的施用方法有种子涂层 (种子包衣、浸种 )、保水剂按不同方式与土壤混合、凝胶蘸根、飞播及流体播种、作培养基质等。在国外 ,保水剂主要作为土壤改良剂施用 ,日本的施用方法主要是与土壤混施 ,由于将土壤与保水剂混合均匀十分困难 ,日本人在保水剂中混入无机物质 (粘土 )制成复合保水剂。他们还试制了膨润土型保水剂 (复合保水剂 BI) <2 1>。而国内由于保水剂价格高 ,保水剂与土壤混匀的方法主要用于盆栽试验及小区试验 ,大田应用时与土壤混合费用相对较高。我国目前应用较多的有沟施、层施、穴施、翻施等。王砚田等认为田间应以穴施为宜 <7> ,北京农业大学树脂应用协作组却认为层施优于穴施 <2 2 >。褚达华等研究表明 ,表施 IAC— 13保水剂使土壤表层形成一层保水膜 ,能减少蒸发 ,利于保墒 <2 3 >。刘俊渤等在玉米生产中则采用将保水剂与种子一起播入的方法 <18>。国内外对以保水剂为中心的综合保水技术研究也越来越多。日本的竹内等人在利用保水剂的同时 ,配合地膜覆盖来抑制蒸发 ,发现可累加二者的优势。Silberbush等人用聚丙烯酰胺类保水剂结合喷灌、滴灌在沙丘区的卷心菜、玉米上进行了试验研究 <2 4 ,2 5> 。在小麦、蚕豆、甜菜等作物上进行保水剂与抗旱剂配施的研究也有报道 <2 6,2 7> 。尉庆丰等则就地面秸秆覆盖、保水剂和蒸腾抑制剂的综合效应进行了探讨 ,在玉米上进行的种衣剂、抗旱剂、保水剂 (简称“三剂”)配合施用试验也可显著提高植株抗旱增产能力。3 保水剂应用研究中存在的问题保水剂在节水农业中的应用目前多集中于纯保水剂的吸持水能力研究 ,或只研究电解质对纯保水剂吸水的影响 <7,9,10 ,16> ,关于盐分对保水剂保水效果的影响则多集中于盐分浓度影响的研究 ,而对盐分离子类型影响研究较少。对保水剂的保肥作用也有大量的研究 <4 ,5,8,2 2 > ,并已应用于作物生产 <18,19> ,但对保水剂的吸肥保肥机理、保水性能与保肥功效的合理优化、保水剂与不同肥
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