農業保水劑技術與效應范文

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1保水劑的類型、性質及作用機理

1.1保水劑的類型

目前已研制出的保水劑可以根據其制造原料、存在形態和親水性等方面分為如下幾種:(1)從原料上可以分為:淀粉類(淀粉-聚丙烯酰胺型、淀粉-聚丙烯酸型)、纖維素類(羧甲基纖維素型、纖維素型)、聚合物類(聚丙烯酸型、聚丙烯晴、聚乙烯醇等)。(2)從形態上可分為:粉末狀、薄片狀、纖維狀、液體狀,以粉末狀應用為廣。(3)還可從親水化和不溶化等方面來分類。經過在農業上的試驗應用,有報道的保水劑有:創新1號、LT-1、泰來水晶、MA-500、TAB、FY-1、HS、SA、DB-1、XJ-1、SWA、PA、SGA、SPAN、SUP、KD-I等。

1.2保水劑的性質

1.2.1吸水性

保水劑的吸水性包括吸水能力、吸水速度和吸濕能力。它的吸水能力主要決定于保水劑本身的組成和結構,同時水溶液中的鹽類及pH值也有很大影響。一般來說,纖維素接枝改性型的吸水能力要比淀粉接枝改性型高;離子性聚合物的吸水能力比非離子性聚合物要高,而且聚合物的離子化度越高,吸水能力越強。同一保水劑在純水中的吸水能力較強,吸水倍率一般為自身重量的400~1000倍,有的高達2000~3000倍。保水劑不但吸水量大,而且吸水速度快。離子性的保水劑達到飽和需幾個小時到幾十小時,0.5h左右可達飽和吸水量的1/2。非離子性的保水劑達到飽和只需20~60min,幾秒鐘至2min就可達飽和吸水量的1/2以上。保水劑除吸持液態水分外,還能吸收空氣及土壤環境中的汽態水分子。其吸濕能力和吸濕速度主要取決于保水劑的種類和環境濕度的大小。

1.2.2保水性

保水劑吸水后變為水凝膠,吸收的水分在自然條件下蒸發速度明顯下降,而且加壓也不易離析。蔡典雄等在恒溫條件下對美國Poiysor公司生產的保水劑進行的蒸發試驗表明,保水劑抑制水分蒸發的作用相當顯著。在試驗的第17d,1.2%處理的土壤含水量比不施保水劑的對照處理高9倍。SanwetIM300保水劑充分吸水后,通過加壓過濾,當壓力為588kPa時,保水55%以上,而紙纖維當壓力為98~147kPa時,保水率就在2%以下了。

1.2.3持效性

保水劑具有反復吸水功能,即吸水—釋水—干燥—再吸水。據室內測定,保水劑經過多次反復吸水,一般吸水倍數下降50%~70%后而趨于穩定,有的品種甚至失去了吸水功能。田間測定表明,保水劑在土壤中約需3~5年才逐漸分解,但其保水效果已大大降低。保水劑的持效性與其本身性質、土質及用量有關。性能好的保水劑不僅對當季作物有效,對下茬作物也有明顯效果。而性能差的保水劑只能對一茬作物起作用。保水劑的持效性在沙土上相對較長,且用量越大持效性越長。

1.3保水劑的作用機理

保水劑都屬于高分子電解質,它的吸水機理不同于紙漿、海綿等以物理吸水為主、吸水量小的普通吸水材料。保水劑的吸水是由于高分子電解質的離子排斥所引起的分子擴張和網狀結構引起阻礙分子的擴張相互作用所產生的結果。這種高分子化合物的分子鏈無限長地連接著,分子之間呈復雜的三維網狀結構,使其具有一定的交聯度。在其交聯的網狀結構上有許多羧基、羥基等親水基團,當它與水接觸時,其分子表面的親水性基團電離并與水分子結合成氫鍵,通過這種方式吸持大量的水分。在這一過程中,網鏈上電解質使得網絡中的電解質溶液與外部水分之間產生滲透勢差。在這一滲透勢差的作用下,外部水分不斷進入分子內部。網絡上的離子遇水電解,正離子呈游離狀態,而負離子基團仍固定在網鏈上,相鄰負離子產生斥力,引起高分子網絡結構的膨脹,在分子網狀結構的網眼內進入大量的水分。高分子的聚集態同時具有線性和體型兩種結構,由于鏈與鏈之間的輕度交聯,線性部分可自由伸縮,而體型結構卻使之保持一定的強度,不能無限制地伸縮。因此,保水劑在水中只膨脹形成凝膠而不溶解。當凝膠中的水分釋放殆盡后,只要分子鏈未被破壞,其吸水能力仍可恢復。

2保水劑對土壤持水性能和物理性質的影響

2.1保水劑對土壤持水特性的影響

保水劑吸水性強,加入土壤后能提高土壤對灌水及降水的吸收能力。受土壤溶液中各種鹽基離子及土壤顆粒對水分吸持作用的影響,保水劑常常達不到其在純水中的吸水倍率。試驗表明,在一定范圍內土壤吸水能力隨保水劑用量的增加而增加,但用量達到一定限度后,對土壤吸水能力的影響變得不明顯。保水劑不僅能增強土壤的吸水能力,而且能緩慢釋放出大部分水量,成為作物吸收利用的有效水。經測定,性能好的保水劑,90%以上的水能被作物吸收利用成為有效水,性能差的保水劑,有效水占吸持水分的比例為2/3左右。介曉磊等利用張力計和恒溫脫水動力學方法,研究了不同劑量保水劑施入輕壤質潮土后土壤持水特性的變化。結果表明,在土壤低吸力段(0~80kPa),隨保水劑用量的增加,土壤持水容量增大,從而增加了作物可利用的有效水;在相同含水量時,土壤水分能態隨保水劑用量增大而降低;但在相同水分能態下,土壤含水量隨保水劑的增加而明顯增大。施用保水劑后,土壤可在較長時間內保持較高的水分含量,且隨保水劑用量增加,土壤容重下降,總孔隙度和毛管孔隙度則呈上升趨勢;土壤凋萎系數雖有增大趨勢,但增幅很小,土壤有效水容量明顯增大。土壤中加入0.5%的聚丙烯酰胺或0.25%~0.5%的水解淀粉,可顯著改善土壤對有效水的保持和供應。作者在北京昌平進行的施用保水劑果園土壤含水率動態規律的研究表明,經保水劑處理的土壤含水率(質量百分含量)要高出對照9.3%~62.4%,而且保水劑施入范圍附近含水率變化明顯低于表層以及深層。中國農科院土肥所研究表明,在一定范圍內保水劑的保水能力與保水劑的濃度呈正相關,達到極顯著水平。還有研究發現,加入保水劑的土壤在20℃恒溫和空氣相對濕度36.5%的恒濕條件下進行蒸發,達到穩定蒸發的時間較對照提前12~36h;將含有0.1%保水劑的土壤與對照土壤加水飽和后,觀察自然蒸發至風干狀態的土壤含水量變化,發現有保水劑土壤含水量明顯高于對照土壤。從飽和至風干恒重,有保水劑處理的土壤需25d,而對照只有16d,這說明保水劑可使土壤的失水過程顯著減慢。

2.2土壤物理性質的影響

土壤結構直接影響著植物生長所需的水、肥、氣、熱條件。將不同用量的保水劑與土壤混合后,土壤飽和時的固、液、氣三相組成發生了不同程度的變化,總的趨勢是隨保水劑加入量的增大,土壤液相組成比例(相當于毛管孔隙度)增加,固相、氣相組成比例相對減少,容重降低。而總孔隙度增大,主要是增加毛管孔隙度,即增大了毛管持水容量。這說明,保水劑保水的內在機制除與其本身吸水較多有關外,其吸水膨脹后對土壤孔隙性質的改善,尤其是提高毛管孔隙度也是一個重要方面。

2.3土壤團粒結構的影響

黃占斌等實驗研究表明,保水劑對土壤團粒結構的形成有促進作用,特別是對土壤中0.5~5mm粒徑的團粒結構形成最明顯。同時發現,隨著土壤中保水劑含量的增加,土壤膠結形成團聚體,多以大于1mm的大團聚體狀態出現,這些大團聚體對穩定土壤結構,改善土壤通透性,防止表土結皮,減少土面蒸發有較好作用。分析結果表明,團聚體含量與保水劑含量并非直線關系,當土壤中保水劑含量在0.005%~0.01%范圍時,土壤團聚體明顯增加。當土壤中保水劑含量大于0.1%時,形成的團聚體含量占干土重的百分數增加緩慢,這在土壤施用保水劑時有重要的參考價值。

3保水劑在農業生產中的應用

3.1在大田作物生產中的應用

3.1.1玉米

已有的研究均表明,保水劑對玉米的生長有明顯的促進作用,主要表現為:(1)玉米苗期施用保水劑,可以促進玉米苗期的生長發育。株高和葉面積均比對照有不同程度的提高,其中尤以高濃度處理更為明顯。(2)施用保水劑的各處理出現萎蔫的時間均比對照延遲。這是因為:一是保水劑促進了植株的生長,使其器官、組織具有忍受干旱的能力;二是保水劑吸收水分后,在土壤中形成一個具有水分調節能力的“水庫”,對土壤中的水分含量起到了一定的緩沖作用,有利于植株體的生長。(3)施用保水劑的各處理,玉米根系的生長顯著提高。根鮮重平均比對照增加了86%,根的干物質積累比對照增加了37%。(4)施用保水劑可以促進植株地上部的生長,生物量均較對照有明顯增加,株高各處理平均比對照高13cm,莖粗增加了22%,光合作用葉面積是對照的1.79倍,使玉米光合能力得到了加強。保水劑處理的莖葉的良好生長促進了植株生物量的增加與干物質的積累。施用保水劑的各處理,植株鮮、干重平均分別比對照增加了59%。

3.1.2小麥

保水劑具有促進種子發芽,提前出苗,提高出苗率,延遲作物枯萎時間的作用,尤其對旱作作物抗旱、保苗、增產有著良好的作用,保水劑試驗用量范圍內能使冬小麥提前出苗1~4天,出苗率提高10%~30%,延遲作物凋萎3天和延長作物枯萎出現的時間1~5d。滕漢瑋等曾對6種保水劑對小麥出苗率及其產量的影響進行了研究,結果表明:使用6種保水劑處理的出苗率比對照出苗率50.9%分別高出25.0、22.0、28.8、6.8、3.4、18.1個百分點,表明施用6種保水劑均有提高春小麥的出苗率的作用。研究結果還表明每增加1%保水劑用量能使砂土的出苗提前3.7d、延遲凋萎3.2d。還有的研究發現:保水劑促進了小麥的分蘗,各處理平均比對照增加了1.64個。

3.1.3烤煙

保水劑對烤煙生長影響的研究表明:土壤中保水劑含量不同,烤煙移栽的緩苗期也不同。保水劑在0.05%~1%范圍內,烤煙移栽緩苗期均為1d,比對照提前2d,而在3%時緩苗期長達7d,比對照延長4d,這是由于3%的保水劑含量過高,水分過多,影響烤煙的緩苗。保水劑在0.05%~1.0%范圍內,無論是株高還是干重均高于對照,其中株高提高19.08%~23.28%,植株干重提高27.27%~39.81%;但當保水劑達3%時株高和干重分別比對照降低15.19%和19.56%,這充分說明3%保水劑含量過高,不適宜烤煙幼苗的生長和干物質的積累。

3.1.4棉花

高寶巖等的研究表明:施用保水劑可促進棉花出苗率和幼苗的生長發育,其株高和植株鮮、干重均比對照有所增加。

3.2保水劑在果樹上的應用

3.2.1對果樹營養生長的影響

旱地果園施用保水劑的效應研究表明:土壤保水劑改善了旱地果園土壤水分的條件,不同程度地提高了土壤中肥料、特別是微量元素肥料在土壤中的溶解和果樹根系吸收,從而促進了樹體的生殖生長和營養生長,果樹干周、枝條、平均單葉面積和單葉鮮重均比對照有顯著提高;果實品質和質量(果數、著色、單果重等)均明顯增加。土壤保水劑的施用,能夠增加土壤水分含量,有利于春梢生長,秋梢生長相對受到抑制,這將為果樹的生長發育提供更充足的營養,為開花、?；?、結果、保果提供良好的物質基礎。土壤保水劑的施用,推遲了蘋果樹的落葉期,但仍能正常落葉。落葉期的推遲延長了葉片進行光合作用的時間,為樹體提供了更充分的營養,為果樹積累了更多的干物質,為下一年度果樹的正常生長發育和結果奠定了基礎。

3.2.2對果實生長的影響

保水劑不僅能增加蘋果的產量,而且可增加單果重量。作者研究結果表明:保水劑處理的果實體積明顯高于對照,果實體積增長幅度平均為5.6%。保水劑處理的果實生長速率也高于對照,提高幅度為1.7%~29.6%。保水劑處理的產量相對于對照產量提高8.0%,一級果率提高39%。

4保水劑的使用要點

保水劑的使用方式有許多種,不同的使用方式適用于不同的作物,用量也不一樣。目前國際上保水劑的使用方法有拌土、拌種或包衣和蘸根等。丙烯酰胺———丙烯酸共聚交聯物的成本高但壽命長,適合于拌土使用,是保水劑的主流產品。淀粉接枝丙烯酸共聚交聯物成本低,但壽命短,更適合于包衣和蘸根。

4.1包衣

一般用粒度在120目即0.125mm粒徑以上的保水劑與營養物、農藥和細土等混合制成種衣劑,其中保水劑的含量依作物和地區特點而定,一般為5%~20%,種衣劑再作拌種或丸衣化,可大大提高出苗率,使根系發達,壯苗,還能節水、省工和增產。該方法適于水稻、玉米、油菜、烤煙和花草。

4.2蘸根

將作物的根系浸泡于一定濃度的保水劑中,使水凝膠均勻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粒徑的保水劑以水重的0.1%與水充分拌勻,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,延長萎蔫期,利于長途運輸,成活率可提高15%~20%。一般用于樹苗、花卉苗及菜苗的貯存、移栽和運輸,也可用于果樹和林木等的繁殖插條。移植花木以占施入范圍內干土重的0.1%為佳,施用時要與土壤充分混勻,同時要覆蓋,以減少水分蒸發,最初一周要澆透水1~2次;有條件的地方,最好讓保水劑吸水成飽和凝膠后,再與土充分混勻。若需施肥,則應先把飽和凝膠與土拌勻后再摻肥。

4.3拌種

將種子浸在一定濃度的保水劑溶液中,使種子表面形成薄膜外衣;另將保水劑與化肥、農藥以及粉碎均勻過篩的腐殖土按質量分數1%配比摻和均勻;再將包過外衣的種子與混合好的土按1∶3的重量比在制丸機(小型攪拌機)中造粒。此法可使小粒種子大?；?適于精量播種,常用于飛機播種造林、種草。保水劑用量一般采用種子重量的1%~3%較好。

4.4施于土壤

保水劑既可以地表散施、溝(穴)施,也可以地面噴施,但直接施入土壤中的方法在當前經濟條件下尚難做到。地面散施是在播種時或栽植前將保水劑直接撒于地表,使土壤表面形成一層覆蓋的保水膜,以此來抑制土壤蒸發。地面散施一般用于鋪設草皮或大面積直播栽植。鋪設草皮時保水劑用量為90~150kg/hm2,大田一般為37.5~75.0kg/hm2。溝施是直接將種子和保水劑一同均勻地撒入種植溝內,然后覆土耙平。穴施是先將保水劑撒入穴內與土摻合,然后播種覆土。溝(穴)施保水劑用量一般為22.5~75.0kg/hm2。地面噴施是將保水劑配成一定濃度的溶液,用噴霧器噴灑在地面,使之形成一層薄膜減少地面蒸發。此法在經濟作物栽植及育苗中應用效果較好。配制保水劑的體積分數一般為1%~2%。

4.5用作育苗培養基質

將濃度為3~10g/kg的保水劑與營養液按比例混合形成均勻凝膠狀,再與其他基質按比例混合,可用于盆栽花卉、蔬菜、苗木等的工廠化育苗。

4.6流體播種

先用濃度1~5g/kg的保水劑凝膠與發芽種子混合,再通過專門的流體播種機直接播種入土,多用于蔬菜催芽種子的播種,其對出苗的效果明顯,該法是近年歐、美、日采用的一種新工藝。

4.7地面噴灑覆蓋物

將保水劑與水混合,用噴霧器噴灑在土壤表面,使其與地面覆蓋物粘合在一起,既可降低土壤被侵蝕的程度,又可向作物提供充足水分。此外,保水劑添加其他元素或材料可制成抗旱種衣劑、保水儲肥劑、吸水改土劑和果蔬保鮮劑等。

5保水劑研究存在的問題和發展趨勢

5.1保水劑自身生產問題

保水劑化學成分、物理結構和吸水性能特殊,作為一種農藝節水措施得到了廣泛的應用,但其還存在以下幾個方面的問題有待研究。

5.1.1缺乏國標,質量良莠不齊

我國保水劑的研制始于20世紀80年代,至今全國已有10多個單位研制出了保水劑,產品的種類繁多,由于各企業采用的原料來源、技術配方、生產工藝不同,產品分子量相差較大,所以性能和質量相差很大。因而需要研制出吸水能力強、吸水速度快、持效性長、適應范圍廣的系列產品,建立統一的標準進行生產,促進保水劑在農業生產上大面積推廣普及使用。

5.1.2價格居高不下,影響用戶使用

保水劑生產工藝比較復雜,很少實現大規模生產,因而價格普遍較高,一般的農戶很難使用。如何降低保水劑的生產成本是擺在科技工作者和生產者面前亟待解決的問題。

5.1.3宣傳力度不夠,用戶了解少,難以選擇

我國保水劑的推廣速度很慢,許多農戶根本就沒聽說過保水劑,即使了解也只是皮毛,更談不上對保水劑性能以及使用方法等的了解。保水劑類型多樣、性能各異,用戶選擇不當,必將影響保水極的推廣使用。

5.2保水劑應用技術問題

5.2.1深入細致的保水劑抗旱機理研究不夠

保水劑施入土壤,可以改變土壤的物理性質,減少土壤水分的無效蒸發,減少深層滲漏,提高土壤水分利用率,但其抗旱保水性能受土壤質地、土壤濕度、土壤濕潤方式(干濕交替)、土壤鹽分、水質等因素的影響。國內對保水劑性能隨環境因素變化的規律以及吸水、釋水臨界值隨時間的變更過程等的研究甚少,有待加強。

5.2.2缺乏全面、系統的應用技術研究

由于保水劑類型多樣,土壤質地、實驗條件各異,致使試驗結果相互矛盾,而且與國外相比,我國保水劑在高層次的研究較少,大部分只是在低水平的重復,因而需要針對不同作物、不同土壤類型、氣候條件、生產要求制定保水劑施放時間、數量、位置等指標體系。

5.2.3保水劑經濟使用范圍模糊

保水劑特點決定其具有一定的經濟使用范圍,用量過少達不到預期效果,過大不僅會提高成本,而且在土壤水分缺少時會與作物發生爭水矛盾。保水劑只能保水而不能造水,它只有在一定范圍土壤水分條件下才能發揮保水的作用,因而對降雨量有一定的要求,對于太濕潤或太干旱地區均不經濟。建議對保水劑經濟投放量、有益使用區(按降雨量等值線區)進行分區,建立全國范圍內的等值線圖?？萍脊ぷ髡呖梢葬槍ΡＫ畡┐嬖诘膯栴}進行深入探討,同時建議國家有關部門專門立項進行全面系統的研究,以加速我國保水劑研究進程。

6結論

保水劑對改善土壤物理性質、提高土壤水分利用率以及促進作物生長發育有著十分重要的影響,因而保水劑在我國節水農業中具有巨大的開發潛力和廣闊的應用前景。保水劑有可能成為繼化肥、農藥、地膜之后又一個對農作物起重要作用的一種化學制品。通過對保水劑在農業上應用技術及其效應的研究,將會形成一套以保水劑應用為中心的保水節水技術體系,對于緩解我國水資源緊缺問題、提高水肥利用效率,促進旱作農業的發展有著極其重要的意義。