保水劑在農業中的應用及研究進展*

李炎明，陳　云，2，關新元，李永生，王　軍，張海軍（.新疆農墾科學院農業新技術推廣服務中心，新疆　石河子　832000；2.新疆農墾科學院農田水利與土壤肥料研究所）

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保水劑在農業中的應用及研究進展*

李炎明1，陳云1，2，關新元1，李永生1，王軍1，張海軍1
（1.新疆農墾科學院農業新技術推廣服務中心，新疆石河子832000；2.新疆農墾科學院農田水利與土壤肥料研究所）

摘要：保水劑是一種能吸收自身重量數百倍甚至上千倍的去離子水或數十倍的含鹽水分的新型功能性高分子材料，在干旱區農業上有廣泛的應用發展前景，保水劑可提高土壤吸水能力，增加土壤含水量，提高水分利用效率，可增強土壤保肥能力，改善土壤團粒結構。

關鍵詞：保水劑；土壤；保水；保肥

我國是一個水資源缺乏的國家，水資源的地域及時空分配不均進一步加劇了缺水的狀況，干旱缺水和土壤退化已經成為我國農業持續發展的重要制約因素。保水劑是一種能吸收自身重量數百倍甚至上千倍的去離子水或數十倍的含鹽水分的新型功能性高分子材料[1]，并且可以反復吸水，吸水后呈凝膠狀，可緩慢釋放水分供作物吸收利用，從而增強土壤保水和持水能力，改良土壤結構，提高水肥利用率，在農業生產等方面具有廣泛的應用發展前景[2]。

1　保水劑對土壤的作用

1.1提高土壤吸水能力，增加土壤含水量

保水劑是一種內部含有大量強親水性基團（如羧基、磺酸基、酰胺基、羥基等）的三維網狀結構聚合物，吸水后三維網狀結構溶脹，進一步加大了蓄水能力。陳海麗等人[3]在飽和含水量分別為50.02%的壤土和44.08%的沙土中施用不同的保水劑，壤土的飽和含水量提高到59.07%～70.61%，沙土的飽和含水量提高到63.41%～77.59%。

1.2增加土壤保水能力，降低土壤入滲速率和水分蒸發量

合理施用保水劑可以減少土壤的水分蒸發量和入滲速率。岑睿等人[4]在沙壤土中對比不同施用方式和施用量的保水劑，土壤的入滲速率較對照降低4.56%～41.62%；設置相同的初始含水量，土壤水分蒸發量較對照減少15.38%～50.43%。如保水劑用量過多或使用不當，會使土壤表面滲透性下降太快，造成水分無法有效下滲，同時保水劑吸水溶脹后導致土壤孔隙率增加，加快了水分的蒸發，導致保水性能下降[5]。

1.3增強土壤保肥能力，提高肥料利用率

保水劑分子具有的離子基團能通過吸附、離子交換、絡合等方式和部分肥料離子結合，減少肥料淋溶損失，提高肥料利用率。茍春林等人[6]試驗表明，保水劑和尿素混施對氮素的吸持率達52.59%，在上述土壤中種植玉米，玉米的生物學產量、根系干重、氮肥利用率和每千克水產出生物量分別較單施尿素增加16.38%、88.41%、9.03%和27.57%。馬煥成等人[7]在森林土壤中施加保水劑后，顯著提高了土壤中氮、磷、鉀的含量，使土壤堿解氮含量提高133.1%～ 295.8%，有效磷提高10.4%～43.2%，速效鉀提高124.2%～220.3%。

1.4改善土壤團粒結構

保水劑吸水后溶脹，使土壤容重下降，孔隙度增加，促進土壤團粒結構形成，有利于土壤空氣流通；土壤持水量的增加能增加土壤的比熱容，起到調節土壤溫度的作用。實驗表明[8]，保水劑能促進土壤團粒結構的形成，對0.5～5.0mm粒徑的土壤團粒結構的形成起到的作用最明顯；當保水劑施用量在0.005%～0.010%范圍時，土壤團聚體增加量最多。

2　保水劑在農業生產中的應用方式及效果

2.1種子包衣

用保水劑或保水劑和肥料、農藥等混合物拌種或造粒，在種子表面形成一層保護膜，能為種子萌發提供有效的水分和養分供給，降低病害發生率，提高出苗率。向曉明等人[9]用保水劑對春小麥進行包衣處理，小麥出苗提前1～2d，出苗率提高6.5%～11.1%，產量提高7.46%～12.66%，這與李布青等人[10]的試驗結果一致。雷昌云等人[11]在包衣劑中添加保水劑處理水稻種子，較常規包衣劑處理出苗率增加6.6%，增產12.1%。米青榮等人[12]用經保水劑處理的花生與常規播種對比，出苗提前1d，出苗率提高5.6%。

2.2育苗

用保水劑與其他基質混合，可用于蔬菜和苗木的工廠化育苗，也可用于盆栽花卉的種植。董傳遷等人[13]的試驗表明，將保水劑與基質混合進行甜椒穴盤育苗，在保水劑用量為4g/L時，幼苗的葉綠素質量分數、凈光合速率、根系活力、葉片脯氨酸和可溶性糖質量分數最高，壯苗指數比對照提高46.6%；添加保水劑可使甜椒苗期節水、節肥率達到12.8%～51.8%，這與李建設等人[14]的試驗結果一致。在番茄[15-16]、黃瓜[17]、茄子[18]等作物上的試驗也表明，育苗時在基質中添加適量保水劑，作物秧苗的生物量、生理活性、抗逆性增長顯著，有利于提高作物秧苗質量。當保水劑施用量過大時，秧苗的質量開始下降，這可能是由于較多的保水劑凝膠使基質的含水量過高，影響了基質的透氣性，降低了秧苗根系的活力，使秧苗的生長受到抑制。

2.3土壤直接施用

保水劑土壤直接施用主要有地表撒施和溝施或穴施2種。

地表撒施是將保水劑均勻撒于地表或整地時翻入土中，用量為50～100kg/hm2，主要用于飼料作物、綠化草坪等。李中陽等人[19]施用5種不同的保水劑，施用量為30kg/hm2和60kg/hm2，撒施后翻入地中，冬小麥產量增加1.3%～7.9%，水分利用效率由對照的17.1kg/（hm2·mm）提高到18.0～ 20.7kg/（hm2·mm）。毛思帥等人[20]在較貧瘠的沙地種植沙地燕麥，在4個施肥水平 （分別施用N-P2O5-K2O∶15-15-15復合肥375、300、225、150kg/hm2）下，施用保水劑60kg/hm2，與對照相比燕麥平均秸稈產量、籽粒產量、地上部和地下部生物量分別增加38.58%、22.60%、32.02%和24.59%；籽粒產量肥料利用率提高29.6%，土壤中的全N、速效P、速效K含量均相對增加，生物產量肥料利用率提高39.8%。李佳嶺等人[21]的試驗表明，在土壤中施用保水劑50 kg/hm2并翻入土壤表層0～5cm，種植黑麥草草坪，能顯著提高土壤的體積含水量、保肥能力、草坪生長速度和草坪蓋度等。

播種時根據不同的作物選擇不同的保水劑用量，施用量在10～150kg/hm2不等，采用開溝施或穴施，一般在施入的同時或施入后即可播種或移栽。程闖勝等人[22]在玉米苗期溝施保水劑45kg/hm2，與對照相比，土壤20～60cm土層含水量提高18.31%，60～100cm土層含水率降低14.04%，上層土壤中硝態氮、銨態氮和有效磷均有提高，表明保水劑有效降低了水分的下滲和由此帶來的淋溶作用導致的養分流失，玉米粗蛋白、粗淀粉、產量分別提高8.5%、1.0%、20.0%，粗纖維降低24.2%。池文澤等人[23]將保水劑與棉種混合后用播種機隨棉種一同穴施，在滴灌條件下，節水40%，保水劑施用量90kg/hm2和60 kg/hm2時，較常規滴水分別增產18.95%、16.36%。西瓜[24]、馬鈴薯[25]等作物穴施或撒施保水劑后，產量、水分利用效率（WUE）等均有提高。

2.4蘸根

一般用于甘薯、蔬菜和苗木的移栽，保水劑蘸根后在植株根部形成一層保護膜，防止植株根部水分流失，移栽時可提高植株的成活率，縮短緩苗期。試驗表明，番茄、茄子幼苗經保水劑蘸根處理后移栽，定植后2～4周內株高、葉面積等均有提高，緩苗時間明顯縮短[26]。采用保水劑對一年生馬尾松、杉木、板栗苗進行蘸根移栽，成活率分別為88.6%、93.2%、97.0%，對照組為68.2%、77.3%、50.0%。其中，馬尾松苗生物量比對照提高126.9%，其根、枝、葉生物量分別提高53.6%、52.1%和258.5%；采用保水劑蘸根的杉木苗，其生物量比清水對照組提高69.3%，其中根、枝、葉生物量分別提高62.6%、50.3% 和93.1%[27]。

3　未來發展趨勢及需要解決的問題

3.1新型保水劑的研制

目前保水劑生產技術已經較為成熟，主要是聚丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺及它們的共聚物，以及淀粉、纖維素等和它們的接枝共聚物等。聚丙烯酸鹽類保水劑易和土壤中的二價金屬離子如鈣、鎂、錳等發生拮抗反應，降低保水劑的吸水倍數和使用效果[28]。因此，研究抗拮抗、耐水解、耐光老化、微生物降解慢的新型保水劑對延長保水劑的有效期、降低保水劑的綜合使用成本具有重要意義。

3.2系列化、功能化保水劑的研制

拌種、土壤施用、蘸根、育苗等不同用途保水劑的技術指標要求各有不同，保水劑可與肥料、農藥和其他農化產品結合，發展大田作物、植樹造林、防沙治沙等多種用途的專用保水劑系列產品。目前主要有2種技術路線，一是通過化學方法在保水劑分子鏈上引入不同的功能性基團，從而合成多功能復合型保水劑；二是通過混合不同功能和有效成分的保水劑、肥料、農藥等研制復合型保水劑，克服不同組分之間的拮抗作用。通過上述路線確定各種不同功能成分的合理配比，研制出專用型、營養齊全、用途明確、可降解的環保型多功能保水劑。

3.3保水劑的應用技術及機理研究

目前對保水劑的應用研究主要集中在保水劑在育苗和移栽成活率、作物生長與產量等方面，但多數為試驗報告性質。由于保水劑用量少，形狀不規則，不利于機械施用，而影響了在大田農業中的應用。在實際生產中，要使保水劑的節水抗旱效果充分發揮，要綜合考慮氣候、地區、土壤、作物等因素，通過長期系統性研究形成不同保水劑產品的應用技術規范，并研究保水劑和作物、土壤、肥料間的作用機理，研發出適應機械精確施用的物理性狀，降低保水劑的施用成本，提高投入產出比，才能促進保水劑在農業上的規模化應用。

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收稿日期：2016—05—12

*基金項目：新疆農墾科學院青年科學基金項目，項目編號：YQJ201112。