保水劑對土壤水分運移和水吸力變化的影響

周 客，王利書，程東娟，齊 鳴

（河北工程大學，河北邯鄲056107）

干旱缺水和土壤退化是制約中國農業持續發展的重要因素。近年來，為緩解水資源匱乏，合理高效的利用水分，保水劑被廣泛應用于我國抗旱節水、水土保持和土壤污染治理領域。保水劑作為保水材料的一種已被廣泛使用，能夠通過自身特殊的結構改善土壤物理性狀，提高土壤水分利用率，影響土壤水分的時空分布，從一定程度上緩解農田干旱缺水的現狀[1]。楊永輝等人[2]的研究結果表明，保水劑能提高冬小麥不同生育階段0～100 cm 土層土壤水分含量，促進生物量的積累，從而提高作物產量。井大煒等人[3]通過不同保水劑施用方式，得出了保水劑有利于改善側柏根際土壤微生態環境，增強抵御干旱脅迫的能力。白文波等人[4]認為保水劑會限制土壤水分向下運移，提高土壤含水率。同時，還有研究保水劑粒徑對土壤吸、失水特性相關關系，得出隨著保水劑吸水次數的增多，吸水量逐漸降低，保水劑的施用增加土壤的累積蒸發量[5]。可見，保水劑對水分入滲和植物生長有很大的影響。許多研究者通過試驗研究保水劑對濕潤鋒、累積入滲量、土壤含水量以及對植物生長的影響較多，但通過均勻層施保水劑研究土壤入滲特性、土壤水吸力研究較少。本文通過室內試驗研究不同層施深度和保水劑施用量對土壤入滲特性的影響，旨在為保水劑科學施用及農田灌溉效果評估等提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

為研究保水劑的施用量和層施深度對土壤水分運移分布特性的影響，在室內進行一維垂直均勻土柱入滲試驗。試驗于2019年7月在河北工程大學實驗室進行。供試土壤為壤土，自然風干過2 mm 土篩，按照土壤初始含水率2%進行配土。沃特多功能保水劑，具有吸水性好，凝膠強度高等特性。

1.2 試驗設計

試驗主要由土柱和馬氏瓶（供水系統）組成。土柱采用內徑為5 cm、高20 cm 的透明有機玻璃管，其內部按照土壤容重1.25 g/cm3，每層均勻填裝50 g 風干土。土柱每層高為2cm且中間有一個取土孔。試驗采取馬氏瓶供水，其供水水位控制在4cm。試驗裝置見圖1。

試驗以入滲35 min結束，馬氏瓶停止供水。試驗設置4個處理，分別為對照組CK（不施保水劑）和處理組0.1%（W0.1%，S0.1%）、0.3%（W0.3%，S0.3%）、0.5%（W0.5%，S0.5%）[4]，每個處理重復3次。保水劑為均勻層施，層施深度分別在5 cm 和10 cm。其中0.1%、0.3%、0.5%表示保水劑的施用量。W代表層施深度5 cm處的處理組，S代表層施深度10 cm處的處理組。

1.3 測定項目及方法

圖1 試驗裝置Fig.1 Test apparatus

入滲開始后，用秒表計時，分別于1、3、 5、10、15、20、25、30 和35 min時記錄馬氏瓶水位讀數，同時觀察濕潤鋒入滲距離隨時間的變化。入滲結束后從土層表面向下用小勺取土，取土位置分別是0～2，2～4，4～6，6～8，8～10，10～12，12～14，14～16 cm，用烘干法測定土壤質量含水量。

對照組CK 和處理組分別在層施保水劑相鄰位置，即土層深度為3、7和9、11 cm，插入T5微型水勢傳感器，用于測量土壤水吸力。T5微型水勢傳感器采用美國METER 品牌，其原理是土壤水勢通過陶瓷杯傳遞到傳感器內部，造成傳感器內水壓變化，位于傳感器內的壓力傳感器以模擬信號輸出壓力變化情況，得到相應的水勢[12]。

1.4 數據的處理與分析

圖中所用的數據均是重復3次的平均值，采用Excel 和SPSS軟件分別進行作圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 保水劑對濕潤鋒運移的影響

圖2分別為保水劑在層施深度5 cm、10 cm 處，濕潤鋒運移距離隨時間的變化關系圖。由圖可知，濕潤鋒運移距離隨隨著時間的延長而增大。在同一層施深度下，保水劑施用量的越大，濕潤鋒運移距離越小。在不同層施深度下，濕潤鋒運移距離隨時間的變化趨勢大致相同[6]。

由表1可知，在保水劑層施深度5 cm、10 cm 處，分別是在5和15 min之后各處理之間出現差異，并隨著時間的延長各處理差異性越明顯。這主要是由于各處理之間因保水劑施用量的不同，保水劑吸水膨脹后對水分入滲形成阻滯作用有強有弱，即保水劑施用量越大，阻滯作用越強，阻礙土壤水分向下運移越明顯。層施保水劑分布集中，保水劑遇水后快速吸收水分，入滲量小于保水劑吸水速率，水分下滲相對緩慢，導致水分到達保水劑層施深度時，濕潤鋒移動出現滯緩現象[4]。

圖2 在保水劑不同位置和施用量下濕潤鋒運移距離隨時間的變化關系圖Fig.2 The diagram of the migration distance of wetting front with time under different locations and application amounts of super absorbent polymers

表1 不同層施深度和時刻下保水劑含量對濕潤鋒運移的統計分析Tab.1 Statistical analysis of the migration of wetting front with super absorbent polymers content at different depth and time

2.2 保水劑對累積入滲量影響

圖3分別為保水劑在層施深度5 cm、10 cm 處，累積入滲量隨時間的變化關系圖。由圖3可知，累積入滲量與濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化趨勢一致，均是隨著入滲時間的延長逐漸增大。不同保水劑施用量下，累積入滲量均小于對照組。相同層施深度下，隨著保水劑含量的變化，累積入滲量變化小于濕潤鋒運移的變化。累積入滲量隨著保水劑含量的增大而逐漸減小[7]。

由表1和表2對比可知，在不同層施深度和時刻下，保水劑施用量對累積入滲量的影響小于濕潤鋒運移。在相同層施深度下，累積入滲量隨著入滲時間的延長差異性不大。這是因為保水劑吸水膨脹體積增大，改變了土壤的微結構，使得土壤的孔隙度減小，阻礙水分向下運移[8]。

2.3 保水劑對含水量影響

圖4分別是保水劑在層施深度5 和10 cm 處土壤含水量隨時間的變化關系。由圖4可知，保水劑影響著土壤含水量分布，總體而言，各處理土壤含水量隨著土層深度的增加而逐漸減小W0.5%>W0.3%>W0.1%>CK。5 cm 處層施，處理組中0～5 cm 土層深度內的土壤含水量比對照中相應層位的顯著增加。當土層深度在7～15 cm時，土壤含水量表現為CK>W0.1%>W0.3%>W0.5%；根據土壤含水量在剖面分布可劃分為0～3 cm 和3～15 cm 兩段，在0～3 cm，處理組土壤含水量隨著保水劑含量的增加而逐漸增大，3～15 cm 土壤含水量逐漸的減小。10 cm 處層施，在不同保水劑施用量下，各處理土壤含水量變化趨勢一致，隨著土層深度的增大而減小；在0～10 cm 土層深度范圍內，處理組的土壤含水量比對照組大，即S0.5%>S0.3%>S0.1%>CK；10～15 cm，二者相比，對照組較大，即CK>S0.1%>S0.3%>S0.5%。保水劑能夠增加土壤上層土壤的含水量，隨著保水劑含量的增大，效果越明顯，這主要是由于保水劑能夠吸收水分，有效抑制水分的蒸發，改善土壤結構，使水分入滲通道減少，阻礙水分向下入滲，使大量水分在保水劑上層停留[9]。

表2 不同層施深度和時刻下保水劑含量對累積入滲量的統計分析Tab.2 Statistical analysis of cumulative infiltration with super absorbent polymers content at different depth and time

圖3 在保水劑不同位置和施用量下累積入滲量隨時間的變化關系圖Fig.3 The diagram of cumulative infiltration with time under different locations and application amounts of super absorbent polymers

圖4 在保水劑不同位置和施用量下，含水量隨時間的變化關系圖Fig.4 Relation diagram of water content changing with time at different locations and application amounts of super absorbent polymerst

2.4 保水劑對土壤水吸力的影響

圖5分別是保水劑在層施深度5 cm 和10 cm，土層深度3、7、9、11 cm 土壤水吸力隨時間的變化情況。在不同土層深度下，不同保水劑含量的土壤水吸力隨時間變化趨勢基本是一致的。

由圖5可知，在不同層施深度和保水劑含量下，不同土層深度土壤水吸力隨著時間速由小到大，再由大到小。不同土層深度下，各處理土壤水吸力達到峰值的時間和峰值大小各不相同。在相同層施深度下，不同土層深度下，保水劑含量對下層土壤水吸力影響較大，即保水劑施用量越大，峰值越大，到達峰值的時間越長。保水劑的存在一定程度上延緩水分入滲，同時保水劑能夠吸附水分膨脹，阻礙土層中水分的入滲，導致保水劑上下兩層土壤水吸力產生差異。

圖5 在保水劑不同位置和施用量下，土壤水吸力隨時間的變化關系圖Fig.5 The relationship diagram of soil water suction with time under different locations and application amounts of super absorbent polymers

表3 不同處理下土壤水吸力的峰值及峰值所對應的時間Tab.3 Under different treatments,the peak value of soil water suction and the time corresponding to the peak value

由表3可知，層施深度和保水劑施用量對響土壤水吸力都有影響。土層深度越深和保水劑含量越大所對應的土壤水吸力相對較大。保水劑層施深度5 cm時，土層深度3 cm 在保水劑上層，因此在一定時間內保水劑對此處土壤水吸力影響不明顯，當T5 逐漸到達平衡，各處理出現了差異性；在土層深度7 cm時，土壤中的水流通過保水劑層，保水劑吸水膨脹體積增大，改變了土壤的微結構，使得土壤的孔隙度減小，阻礙水分向下運移，且隨著保水劑含量的增加阻礙作用增強。同時，保水劑自身吸水形成凝膠，也減小了水分入滲的速率保水劑施用量越大，吸脹體積越大，形成凝膠量越多，對水分的阻滲能力也就越強。所以在土層深度7 cm 處的T5（微型張力計）周圍土壤水吸力隨著保水劑施用量的不同，峰值大小與到達峰值的時間出現差異性。當保水劑層到達一定含水量時，水分向下運移，延長到達峰值的時間和大小，即保水劑含量越大，T5 測量土壤水吸力越大，即峰值越大。這表明保水劑增加了上層土壤的含水量，隨著保水劑含量的增加各處理由峰值到達拐點值大小不同，即保水劑上層隨著保水劑含量的增加土壤水吸力拐點值越小，保水劑下層與之相反[10?13]。例如：土層深度3 cm處，各處理到達拐點的時間均是2 min，大 小 依次 是230（W0.1%）、210（W0.3%）、198（W0.5%）、234（CK）hPa；土層深度7cm 處，各處到達拐點的時間8（W0.1%）、10（W0.3%）、12（W0.5%）、6（CK）min，大 小 依次 是225（W0.1%）、 252（W0.3%）、 280（W0.55）、220（CK）hPa。

保水劑層施深度10cm時，層施位置相對較深，水分入滲相對緩慢，到達土層深度9 cm時，各處理峰值大小有明顯不同，這主要是由于保水劑對土壤中的水分有吸附作用，且隨著保水劑含量增加對水分的吸附作用就越強，導致土層深度9 cm 處T5所測土壤水吸力峰值出現差異，同時，影響各處理到達拐點值時間11(S0.1%)、14(S0.3%)、14(S0.5%)、11(CK)min，大小依次是295（S0.1%）、265(S0.3%)、242(S0.5%)、302(CK)hPa。土層深度11 cm 處，保水劑層對土壤水分的阻礙作用有明顯的體現。各處理峰值大小和到達峰值時間有較大差異，此處各處理達到拐點的時間依次是22(S0.1%)、27(S0.3%)、34(S0.5%)、15(CK)min，大 小 依次 是420(S0.1%)、458(S0.3%)、543(S0.5%)、400(CK)hPa。

由以上分析可知，不同層施深度和保水劑施用量影響土層深度水吸力的變化。土壤水吸力的變化體現著張力計先釋水再吸水變化過程，這個過程同時也反映了土壤水吸力峰值的相對大小以及達到峰值的時刻。保水劑影響土壤水吸力整個變化過程，同時，不同土層深度也會造成土壤水吸力的差異。但，保水劑影響土壤水吸力更明顯，由于保水劑對水分具有很強的吸附性，會造成T5 周圍水分含量的變化，進而引起土壤水吸力的變化。

保水劑含量越大和層施位置越深，所對應的土壤水吸力越大含水量越小，原因是保水劑層施，分布集中，遇水后快速吸收水分，入滲速率小于保水劑吸收的速率，水分下滲緩慢，此時，水分在保水劑層停留，導致保水劑下層T5 探頭得到充分的釋水過程，隨著保水劑層吸水逐漸趨于飽和，吸水速率小于入滲量，水分會繼續下滲，T5 探頭從土壤中再吸收水分,水吸力出現驟降。隨著入滲的進行，保水劑吸水趨于飽和，吸水速率小于入滲量，但水分會繼續下滲。保水劑含量和層施位置造成不同土層深度下土壤水吸力出現先變大后變小的差異[14?16]。

3 結 論

（1）保水劑對土壤入滲性能的影響因保水劑層施深度和施用比例的不同而變化。保水劑對累積入滲量和濕潤鋒運移都有不同程度的抑制，即隨著保水劑含量的增加，累積入滲量和濕潤鋒運移逐漸減小。保水劑含量對濕潤鋒運移的影響較大且差異性更為顯著。

（2）保水劑能夠有效提高土壤含水率。與對照組相比，保水劑主要提高上層土壤含水率，下層土壤含水率偏低。相同層施深度下，保水劑層施量越大，上層土壤含水率越高，下層土壤含水率越低。

（3）保水劑影響層施相鄰位置土層土壤水吸力的相對大小。隨著保水劑含量越大，上層土壤在T5 釋水階段所測土壤水吸力偏大，在T5 吸水階段所測土壤水吸力偏小，下層土壤兩階段所測土壤水吸力越大。相同層施深度下，保水劑影響上層土壤水吸力峰值大小，并不影響到達峰值的時間，對于下層土壤水吸力二者皆有應影響且隨著保水劑含量的增加，土壤水吸力峰值越大，達到峰值的時間越長。