农业保水剂技术与效应范文

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1保水剂的类型、性质及作用机理

1.1保水剂的类型

目前已研制出的保水剂可以根据其制造原料、存在形态和亲水性等方面分为如下几种:(1)从原料上可以分为:淀粉类(淀粉-聚丙烯酰胺型、淀粉-聚丙烯酸型)、纤维素类(羧甲基纤维素型、纤维素型)、聚合物类(聚丙烯酸型、聚丙烯晴、聚乙烯醇等)。(2)从形态上可分为:粉末状、薄片状、纤维状、液体状,以粉末状应用为广。(3)还可从亲水化和不溶化等方面来分类。经过在农业上的试验应用,有报道的保水剂有:创新1号、LT-1、泰来水晶、MA-500、TAB、FY-1、HS、SA、DB-1、XJ-1、SWA、PA、SGA、SPAN、SUP、KD-I等。

1.2保水剂的性质

1.2.1吸水性

保水剂的吸水性包括吸水能力、吸水速度和吸湿能力。它的吸水能力主要决定于保水剂本身的组成和结构,同时水溶液中的盐类及pH值也有很大影响。一般来说,纤维素接枝改性型的吸水能力要比淀粉接枝改性型高;离子性聚合物的吸水能力比非离子性聚合物要高,而且聚合物的离子化度越高,吸水能力越强。同一保水剂在纯水中的吸水能力较强,吸水倍率一般为自身重量的400~1000倍,有的高达2000~3000倍。保水剂不但吸水量大,而且吸水速度快。离子性的保水剂达到饱和需几个小时到几十小时,0.5h左右可达饱和吸水量的1/2。非离子性的保水剂达到饱和只需20~60min,几秒钟至2min就可达饱和吸水量的1/2以上。保水剂除吸持液态水分外,还能吸收空气及土壤环境中的汽态水分子。其吸湿能力和吸湿速度主要取决于保水剂的种类和环境湿度的大小。

1.2.2保水性

保水剂吸水后变为水凝胶,吸收的水分在自然条件下蒸发速度明显下降,而且加压也不易离析。蔡典雄等在恒温条件下对美国Poiysor公司生产的保水剂进行的蒸发试验表明,保水剂抑制水分蒸发的作用相当显著。在试验的第17d,1.2%处理的土壤含水量比不施保水剂的对照处理高9倍。SanwetIM300保水剂充分吸水后,通过加压过滤,当压力为588kPa时,保水55%以上,而纸纤维当压力为98~147kPa时,保水率就在2%以下了。

1.2.3持效性

保水剂具有反复吸水功能,即吸水—释水—干燥—再吸水。据室内测定,保水剂经过多次反复吸水,一般吸水倍数下降50%~70%后而趋于稳定,有的品种甚至失去了吸水功能。田间测定表明,保水剂在土壤中约需3~5年才逐渐分解,但其保水效果已大大降低。保水剂的持效性与其本身性质、土质及用量有关。性能好的保水剂不仅对当季作物有效,对下茬作物也有明显效果。而性能差的保水剂只能对一茬作物起作用。保水剂的持效性在沙土上相对较长,且用量越大持效性越长。

1.3保水剂的作用机理

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。在这一渗透势差的作用下,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。

2保水剂对土壤持水性能和物理性质的影响

2.1保水剂对土壤持水特性的影响

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,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2/3左右。介晓磊等利用张力计和恒温脱水动力学方法,研究了不同剂量保水剂施入轻壤质潮土后土壤持水特性的变化。结果表明,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;在相同含水量时,土壤水分能态随保水剂用量增大而降低;但在相同水分能态下,土壤含水量随保水剂的增加而明显增大。施用保水剂后,土壤可在较长时间内保持较高的水分含量,且随保水剂用量增加,土壤容重下降,总孔隙度和毛管孔隙度则呈上升趋势;土壤凋萎系数虽有增大趋势,但增幅很小,土壤有效水容量明显增大。土壤中加入0.5%的聚丙烯酰胺或0.25%~0.5%的水解淀粉,可显著改善土壤对有效水的保持和供应。作者在北京昌平进行的施用保水剂果园土壤含水率动态规律的研究表明,经保水剂处理的土壤含水率(质量百分含量)要高出对照9.3%~62.4%,而且保水剂施入范围附近含水率变化明显低于表层以及深层。中国农科院土肥所研究表明,在一定范围内保水剂的保水能力与保水剂的浓度呈正相关,达到极显著水平。还有研究发现,加入保水剂的土壤在20℃恒温和空气相对湿度36.5%的恒湿条件下进行蒸发,达到稳定蒸发的时间较对照提前12~36h;将含有0.1%保水剂的土壤与对照土壤加水饱和后,观察自然蒸发至风干状态的土壤含水量变化,发现有保水剂土壤含水量明显高于对照土壤。从饱和至风干恒重,有保水剂处理的土壤需25d,而对照只有16d,这说明保水剂可使土壤的失水过程显著减慢。

2.2土壤物理性质的影响

土壤结构直接影响着植物生长所需的水、肥、气、热条件。将不同用量的保水剂与土壤混合后,土壤饱和时的固、液、气三相组成发生了不同程度的变化,总的趋势是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,容重降低。而总孔隙度增大,主要是增加毛管孔隙度,即增大了毛管持水容量。这说明,保水剂保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。

2.3土壤团粒结构的影响

黄占斌等实验研究表明,保水剂对土壤团粒结构的形成有促进作用,特别是对土壤中0.5~5mm粒径的团粒结构形成最明显。同时发现,随着土壤中保水剂含量的增加,土壤胶结形成团聚体,多以大于1mm的大团聚体状态出现,这些大团聚体对稳定土壤结构,改善土壤通透性,防止表土结皮,减少土面蒸发有较好作用。分析结果表明,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,土壤团聚体明显增加。当土壤中保水剂含量大于0.1%时,形成的团聚体含量占干土重的百分数增加缓慢,这在土壤施用保水剂时有重要的参考价值。

3保水剂在农业生产中的应用

3.1在大田作物生产中的应用

3.1.1玉米

已有的研究均表明,保水剂对玉米的生长有明显的促进作用,主要表现为:(1)玉米苗期施用保水剂,可以促进玉米苗期的生长发育。株高和叶面积均比对照有不同程度的提高,其中尤以高浓度处理更为明显。(2)施用保水剂的各处理出现萎蔫的时间均比对照延迟。这是因为:一是保水剂促进了植株的生长,使其器官、组织具有忍受干旱的能力;二是保水剂吸收水分后,在土壤中形成一个具有水分调节能力的“水库”,对土壤中的水分含量起到了一定的缓冲作用,有利于植株体的生长。(3)施用保水剂的各处理,玉米根系的生长显著提高。根鲜重平均比对照增加了86%,根的干物质积累比对照增加了37%。(4)施用保水剂可以促进植株地上部的生长,生物量均较对照有明显增加,株高各处理平均比对照高13cm,茎粗增加了22%,光合作用叶面积是对照的1.79倍,使玉米光合能力得到了加强。保水剂处理的茎叶的良好生长促进了植株生物量的增加与干物质的积累。施用保水剂的各处理,植株鲜、干重平均分别比对照增加了59%。

3.1.2小麦

保水剂具有促进种子发芽,提前出苗,提高出苗率,延迟作物枯萎时间的作用,尤其对旱作作物抗旱、保苗、增产有着良好的作用,保水剂试验用量范围内能使冬小麦提前出苗1~4天,出苗率提高10%~30%,延迟作物凋萎3天和延长作物枯萎出现的时间1~5d。滕汉玮等曾对6种保水剂对小麦出苗率及其产量的影响进行了研究,结果表明:使用6种保水剂处理的出苗率比对照出苗率50.9%分别高出25.0、22.0、28.8、6.8、3.4、18.1个百分点,表明施用6种保水剂均有提高春小麦的出苗率的作用。研究结果还表明每增加1%保水剂用量能使砂土的出苗提前3.7d、延迟凋萎3.2d。还有的研究发现:保水剂促进了小麦的分蘖,各处理平均比对照增加了1.64个。

3.1.3烤烟

保水剂对烤烟生长影响的研究表明:土壤中保水剂含量不同,烤烟移栽的缓苗期也不同。保水剂在0.05%~1%范围内,烤烟移栽缓苗期均为1d,比对照提前2d,而在3%时缓苗期长达7d,比对照延长4d,这是由于3%的保水剂含量过高,水分过多,影响烤烟的缓苗。保水剂在0.05%~1.0%范围内,无论是株高还是干重均高于对照,其中株高提高19.08%~23.28%,植株干重提高27.27%~39.81%;但当保水剂达3%时株高和干重分别比对照降低15.19%和19.56%,这充分说明3%保水剂含量过高,不适宜烤烟幼苗的生长和干物质的积累。

3.1.4棉花

高宝岩等的研究表明:施用保水剂可促进棉花出苗率和幼苗的生长发育,其株高和植株鲜、干重均比对照有所增加。

3.2保水剂在果树上的应用

3.2.1对果树营养生长的影响

旱地果园施用保水剂的效应研究表明:土壤保水剂改善了旱地果园土壤水分的条件,不同程度地提高了土壤中肥料、特别是微量元素肥料在土壤中的溶解和果树根系吸收,从而促进了树体的生殖生长和营养生长,果树干周、枝条、平均单叶面积和单叶鲜重均比对照有显著提高;果实品质和质量(果数、着色、单果重等)均明显增加。土壤保水剂的施用,能够增加土壤水分含量,有利于春梢生长,秋梢生长相对受到抑制,这将为果树的生长发育提供更充足的营养,为开花、保花、结果、保果提供良好的物质基础。土壤保水剂的施用,推迟了苹果树的落叶期,但仍能正常落叶。落叶期的推迟延长了叶片进行光合作用的时间,为树体提供了更充分的营养,为果树积累了更多的干物质,为下一年度果树的正常生长发育和结果奠定了基础。

3.2.2对果实生长的影响

保水剂不仅能增加苹果的产量,而且可增加单果重量。作者研究结果表明:保水剂处理的果实体积明显高于对照,果实体积增长幅度平均为5.6%。保水剂处理的果实生长速率也高于对照,提高幅度为1.7%~29.6%。保水剂处理的产量相对于对照产量提高8.0%,一级果率提高39%。

4保水剂的使用要点

保水剂的使用方式有许多种,不同的使用方式适用于不同的作物,用量也不一样。目前国际上保水剂的使用方法有拌土、拌种或包衣和蘸根等。丙烯酰胺———丙烯酸共聚交联物的成本高但寿命长,适合于拌土使用,是保水剂的主流产品。淀粉接枝丙烯酸共聚交联物成本低,但寿命短,更适合于包衣和蘸根。

4.1包衣

一般用粒度在120目即0.125mm粒径以上的保水剂与营养物、农药和细土等混合制成种衣剂,其中保水剂的含量依作物和地区特点而定,一般为5%~20%,种衣剂再作拌种或丸衣化,可大大提高出苗率,使根系发达,壮苗,还能节水、省工和增产。该方法适于水稻、玉米、油菜、烤烟和花草。

4.2蘸根

将作物的根系浸泡于一定浓度的保水剂中,使水凝胶均匀附在幼苗或苗木的根系上,直接栽植或取出晾干,捆扎成捆后再栽植。一般用40~80目即0.18~0.425mm粒径的保水剂以水重的0.1%与水充分拌匀,吸水20min,把裸根苗浸泡其中30s后取出,用塑料包扎好根部,可防止根部干燥,延长萎蔫期,利于长途运输,成活率可提高15%~20%。一般用于树苗、花卉苗及菜苗的贮存、移栽和运输,也可用于果树和林木等的繁殖插条。移植花木以占施入范围内干土重的0.1%为佳,施用时要与土壤充分混匀,同时要覆盖,以减少水分蒸发,最初一周要浇透水1~2次;有条件的地方,最好让保水剂吸水成饱和凝胶后,再与土充分混匀。若需施肥,则应先把饱和凝胶与土拌匀后再掺肥。

4.3拌种

将种子浸在一定浓度的保水剂溶液中,使种子表面形成薄膜外衣;另将保水剂与化肥、农药以及粉碎均匀过筛的腐殖土按质量分数1%配比掺和均匀;再将包过外衣的种子与混合好的土按1∶3的重量比在制丸机(小型搅拌机)中造粒。此法可使小粒种子大粒化,适于精量播种,常用于飞机播种造林、种草。保水剂用量一般采用种子重量的1%~3%较好。

4.4施于土壤

保水剂既可以地表散施、沟(穴)施,也可以地面喷施,但直接施入土壤中的方法在当前经济条件下尚难做到。地面散施是在播种时或栽植前将保水剂直接撒于地表,使土壤表面形成一层覆盖的保水膜,以此来抑制土壤蒸发。地面散施一般用于铺设草皮或大面积直播栽植。铺设草皮时保水剂用量为90~150kg/hm2,大田一般为37.5~75.0kg/hm2。沟施是直接将种子和保水剂一同均匀地撒入种植沟内,然后覆土耙平。穴施是先将保水剂撒入穴内与土掺合,然后播种覆土。沟(穴)施保水剂用量一般为22.5~75.0kg/hm2。地面喷施是将保水剂配成一定浓度的溶液,用喷雾器喷洒在地面,使之形成一层薄膜减少地面蒸发。此法在经济作物栽植及育苗中应用效果较好。配制保水剂的体积分数一般为1%~2%。

4.5用作育苗培养基质

将浓度为3~10g/kg的保水剂与营养液按比例混合形成均匀凝胶状,再与其他基质按比例混合,可用于盆栽花卉、蔬菜、苗木等的工厂化育苗。

4.6流体播种

先用浓度1~5g/kg的保水剂凝胶与发芽种子混合,再通过专门的流体播种机直接播种入土,多用于蔬菜催芽种子的播种,其对出苗的效果明显,该法是近年欧、美、日采用的一种新工艺。

4.7地面喷洒覆盖物

将保水剂与水混合,用喷雾器喷洒在土壤表面,使其与地面覆盖物粘合在一起,既可降低土壤被侵蚀的程度,又可向作物提供充足水分。此外,保水剂添加其他元素或材料可制成抗旱种衣剂、保水储肥剂、吸水改土剂和果蔬保鲜剂等。

5保水剂研究存在的问题和发展趋势

5.1保水剂自身生产问题

保水剂化学成分、物理结构和吸水性能特殊,作为一种农艺节水措施得到了广泛的应用,但其还存在以下几个方面的问题有待研究。

5.1.1缺乏国标,质量良莠不齐

我国保水剂的研制始于20世纪80年代,至今全国已有10多个单位研制出了保水剂,产品的种类繁多,由于各企业采用的原料来源、技术配方、生产工艺不同,产品分子量相差较大,所以性能和质量相差很大。因而需要研制出吸水能力强、吸水速度快、持效性长、适应范围广的系列产品,建立统一的标准进行生产,促进保水剂在农业生产上大面积推广普及使用。

5.1.2价格居高不下,影响用户使用

保水剂生产工艺比较复杂,很少实现大规模生产,因而价格普遍较高,一般的农户很难使用。如何降低保水剂的生产成本是摆在科技工作者和生产者面前亟待解决的问题。

5.1.3宣传力度不够,用户了解少,难以选择

我国保水剂的推广速度很慢,许多农户根本就没听说过保水剂,即使了解也只是皮毛,更谈不上对保水剂性能以及使用方法等的了解。保水剂类型多样、性能各异,用户选择不当,必将影响保水极的推广使用。

5.2保水剂应用技术问题

5.2.1深入细致的保水剂抗旱机理研究不够

保水剂施入土壤,可以改变土壤的物理性质,减少土壤水分的无效蒸发,减少深层渗漏,提高土壤水分利用率,但其抗旱保水性能受土壤质地、土壤湿度、土壤湿润方式(干湿交替)、土壤盐分、水质等因素的影响。国内对保水剂性能随环境因素变化的规律以及吸水、释水临界值随时间的变更过程等的研究甚少,有待加强。

5.2.2缺乏全面、系统的应用技术研究

由于保水剂类型多样,土壤质地、实验条件各异,致使试验结果相互矛盾,而且与国外相比,我国保水剂在高层次的研究较少,大部分只是在低水平的重复,因而需要针对不同作物、不同土壤类型、气候条件、生产要求制定保水剂施放时间、数量、位置等指标体系。

5.2.3保水剂经济使用范围模糊

保水剂特点决定其具有一定的经济使用范围,用量过少达不到预期效果,过大不仅会提高成本,而且在土壤水分缺少时会与作物发生争水矛盾。保水剂只能保水而不能造水,它只有在一定范围土壤水分条件下才能发挥保水的作用,因而对降雨量有一定的要求,对于太湿润或太干旱地区均不经济。建议对保水剂经济投放量、有益使用区(按降雨量等值线区)进行分区,建立全国范围内的等值线图。科技工作者可以针对保水剂存在的问题进行深入探讨,同时建议国家有关部门专门立项进行全面系统的研究,以加速我国保水剂研究进程。

6结论

保水剂对改善土壤物理性质、提高土壤水分利用率以及促进作物生长发育有着十分重要的影响,因而保水剂在我国节水农业中具有巨大的开发潜力和广阔的应用前景。保水剂有可能成为继化肥、农药、地膜之后又一个对农作物起重要作用的一种化学制品。通过对保水剂在农业上应用技术及其效应的研究,将会形成一套以保水剂应用为中心的保水节水技术体系,对于缓解我国水资源紧缺问题、提高水肥利用效率,促进旱作农业的发展有着极其重要的意义。