環境友好型保水材料對土壤水分特征的影響及評價

侯美娟，蔚阿龍，叢日春

(中國林業科學研究院生態保護與修復研究所，北京 100091)

中國干旱半干旱區總面積為455萬km2，占國土總面積的47%[1]。高效利用水資源成為干旱半干旱區農林業可持續發展的重要途徑[2]。保水材料具有操作簡便、節水效果明顯等優點，成為人們高度關注的節水技術之一[3-4]。傳統土壤保水材料是一種有機高分子聚合物[5]，主要分為聚丙烯酸鈉鹽型、聚丙烯酸鉀鹽型和丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聯共聚物型。傳統保水材料可以反復吸收釋放水分，改變土壤顆粒間的孔隙率和土壤微結構特征，吸水后體積膨脹與土壤顆粒作用形成土壤團聚物，使土壤水分蓄積在保水材料混和層及其附近的土壤中[6-7]。但傳統保水材料工藝復雜、吸水保肥耐鹽性能差、難降解且施入到土壤中易造成土壤的二次污染[8-9]，在用量過大時一定程度上會造成土壤板結[10]，以及存在土壤含水量極低時，由于水吸力過高，不能將水分供給植物吸收利用的問題[11]。而環境友好型保水材料是由天然礦物鹽、生物秸稈和巖棉等材料高溫熔融后通過高速離心或高壓氣體噴吹成纖維，再經過特殊工藝處理后壓制、固化而成的礦質材料。具有穩定性高、多孔結構獨特、比表面積大、低耗能、無污染、可降解、高利用等優點[12-15]。環境友好型保水材料具有良好的透儲水功能，可以作為“海綿體”，吸收降雨帶來的大量雨水，迅速減少地表徑流，不僅可以為植物補充水分，還可以作為植物生長的基質，在海綿城市建設、森林生態修復、荒漠化防治中取得良好效果[16-18]。

第24屆冬季奧林匹克運動會于2022年2月在我國北京市和河北省張家口市聯合舉行，冬奧廊道沿線植被景觀成為我國生態文明建設成果展示窗口。但冬奧廊道沿線區域內存在山地土層瘠薄、水分條件差、造林成活率低等突出問題。為舉辦綠色奧運，既要解決干旱缺水、植物成活率低的難題，又要保證綠色環保。開展環境友好型保水材料的研究成為當務之急。為了探究保水材料在惡劣土壤環境中的保水特性，本文選用土粒分散、結構差、吸附能力弱、保水性差的沙土[19]作為基質，對比傳統保水材料，探究環境友好型保水材料對土壤持水能力的影響。以期為改善土壤水分狀況、合理施用保水材料提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年4—7月在中國林業科學研究院科研溫室內（晝夜溫度25/18 ℃）進行，供試土壤為沙土，取自于河南新鄉，粒徑為0.15～1.0 mm，堿解氮25.30 mg·kg-1，有效磷5.63 mg·kg-1，有效鉀95.30 mg·kg-1，有機質3.31 g·kg-1，pH為8.12。選取6種保水材料進行試驗，其中，環境友好型保水材料選用巖棉、生物炭和生物炭棉，其成分天然無污染、可降解，不會對土壤環境造成危害。由于環境友好型保水材料形態特征不同，相關研究較少，因此依據廠家提供的經驗用量設置保水材料配比，基本情況見表1。

表1 保水材料的基本情況Table 1 Basic information of water-retaining material

1.2 試驗設計

1.2.1 保水材料對土壤持水特性的影響 取沙土5 kg，將不同種類的保水材料與沙土按比例均勻混合（表2），以沙土作為對照（CK），共13個處理，每個處理設3個重復。測定各土樣水分特性指標。

表2 保水材料用量Table 2 The amount of water-retaining material

1.2.2 保水材料對土壤水分保持的影響 取沙土5 kg，保水材料和沙土按比例混合配置土樣（表2），試驗開始將土壤灌溉飽和，然后不再澆水，使其自然干旱（環境相對濕度15%～25%），觀察添加不同保水材料后土壤含水量隨時間的變化。

1.2.3 保水材料對土壤水分特征曲線的影響 以5 kg沙土作為對照（CK），取5個直徑20 cm，高20 cm的塑料桶，按質量比加入各種保水材料于土壤中（表2），每個處理設置10個水分梯度，即土壤質量含水量θm分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%。每個處理設3個重復。

1.3 測定指標與方法

土壤水分保持曲線 采用稱量法（最小感量為0.01 g的電子秤），于每天下午17:00稱量盆土質量，記錄數據。

土壤水分特征曲線 采用德國Ecomatik公司生產的DL90土壤水勢監測系統，將其安插到每個土樣中，密封放置，待儀器穩定后讀取土壤水勢值，制作土壤水分特征曲線。

1.4 保水效果評價

應用主成分分析[23]和隸屬函數法[24]對各保水材料進行評價。公式如下：

式中，CI(m)為綜合指標值，Bj為單項指標相對值進行規范化標準化的值，prin(m)j為綜合指標的系數。

式中，μ(xj)為某個處理第j個指標的的隸屬函數值，且μ(xj)∈[0,1]，xj表示第j個綜合指標，xmin表示第j個綜合指標的最小值，xmax表示第j個綜合指標的最大值。

式中，Wj值表示第j個綜合指標的相對重要程度即權重，pj為第j個綜合指標的貢獻率。

式中，D值為綜合評價值。

對于同一順序位內的船舶，在通常情況下按照所靠泊位的不同，根據西側泊位先、東側泊位后的原則進行排序，但要避免進靠相鄰泊位的船舶尾隨進港，造成一船等待相鄰船舶靠泊的局面。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel和Orogin 2018進行圖表制作，采用SPSS 19.0進行差異顯著性檢驗和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同保水材料對土壤持水特性的影響

2.1.1 土壤密度、孔隙度 土壤持水性能與土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度等有關[25]。不同保水材料對土壤密度的影響見圖1(a)。在土壤中添加不同保水材料，均使土壤密度降低，其中S3效果最顯著，T3次之，分別降低了29.94%、29.43%。K、H、S1的降低效果不顯著（p＜0.05）；各處理土壤孔隙度的結果見圖1(b)(c)(d)。可知，在土壤中添加6種保水材料均有利于提高孔隙體積比。N、H、S2、S3、T1、T2、T3土壤總孔隙度的影響顯著（p＜0.05）；N、H、T3對土壤毛管孔隙度影響顯著，相比于CK分別增加了15.12%、22.18%、9.25%；S2、S3、T1、T2、T3使土壤非毛管孔隙度顯著增加（p＜0.05），相比于CK分別增加了9.38%、13.61%、8.73%、11.24%、13.85%。說明環境友好型保水材料在用量增加時不會造成土壤板結，可以提高土壤總孔隙度，改善土壤結構，有利于土壤蓄持更多水分。

圖1 不同保水材料對土壤密度、孔隙度的影響Fig.1 Effect of different water-retaining materials on soil volumetric weight capillary

2.1.2 土壤持水量 不同保水材料對土壤飽和含水率的影響見圖2(a)。添加6種保水材料都使土壤飽和含水率增加，其中T3最為顯著，與對照相比增加了29.58%。不同保水材料對土壤毛管持水量的影響見圖2(b)。N、H、S3、T2、T3顯著增加土壤毛管持水量，與CK相比分別增加了16.20%、14.82%、10.56%、9.80%、17.36%。不同保水材料對土壤田間持水量的影響見圖2(c)。可知，N、H、S3、T2、T3顯著增加田間持水量（p＜0.05），分別比CK增加了12.46%、10.63%、7.03%、7.51%、12.96%。其中，T3對各持水量的增加最為顯著。環境友好型保水材料的種類及用量對土壤飽和含水率、毛管持水量、田間持水量和土壤孔隙度的影響規律基本一致。

圖2 不同保水材料對土壤持水量的影響Fig.2 Effect of different water-retaining materials on soil water holding

2.2 不同保水材料對土壤水分保持的影響

自然干旱條件下，通過土壤持水量隨時間的變化可以看出保水材料抑制蒸發、保持水分的能力。不同保水材料處理的土壤水分動態曲線如圖3，保水材料施入土壤后，土壤水分蒸發受到抑制，水分保持能力提高，并且隨著保水材料量的增加，抑制蒸發能力增強。各處理土壤含水量變化趨勢一致，且前20 d土壤含水量下降較快，后20 d含水量差異進一步減小。在40 d時，CK組土壤含水量趨于0，經保水材料處理的土壤含水量均高于CK組。其中T3處理的含水量最高，比CK組含水量增加3.37%。

圖3 各試驗組土壤水分動態曲線Fig.3 Soil moisture dynamic curve of each experiment group

土壤含水量與時間的關系擬合參數見表3。以40 d為區間得到積分值，CK為例（圖4）。由各保水材料數學模型得出40 d內土壤累計含水量，排序為T3＞D3＞H＞N＞S3＞D2＞D1＞S2＞T2＞T1＞K＞S1＞CK。分析得出添加保水材料均可以提升土壤保持水分的能力，其中T3持續含水量最多，長時間內保持較多水分。說明環境友好型保水材料不僅改變了水分充足時土壤持水能力，也改變了整個失水過程中土壤的持水能力。

圖4 CK組40 d累計含水量示意圖Fig.4 Schematic diagram of the 40-day accumulative water content in the CK group

表3 土壤水分保持曲線擬合參數、累計含水量Table 3 Soil moisture retention curve fitting parameters,accumulated water content

2.3 不同保水材料對土壤水分有效性的影響

2.3.1 土壤水分特征曲線 土壤含水量并不能充分說明土壤水分的有效性，而土壤水勢可以反映土壤對水分的吸納能力及土壤水分對植物的供給狀況，是進行水分調控常用的參考指標。試驗得出土壤水分特征曲線如圖5，土壤含水量與土壤水吸力關系擬合后符合數學模型Y=AX-B，各處理相關系數R2均大于0.9，該模型能較好地反映本試驗土壤含水量與水吸力之間的關系。各處理模型擬合參數見表4。從圖5可以看出，隨著土壤含水量的增加，土壤水吸力降低。在含水量為2%～4%時，D1、D2、D3保水材料的水吸力相比CK顯著降低。水分從低吸力處流向高吸力處，說明含水量極低時，在添加D1、D2、D3保水材料的土壤中，植物根系從土壤中吸取水分所消耗的能量少，土壤水分更容易被植物吸收利用，這在一定程度上增加了土壤水分的有效性。而當土壤含水量大于12%時，圖中各試驗組的土壤水吸力趨近于0 kPa。這說明土壤水分逐漸達到飽和，不再吸水。此時土壤毛管孔隙多，大孔隙水更容易釋放，能有效地被植物根系吸收利用。

圖5 各試驗組土壤含水量與水吸力關系擬合曲線Fig.5 Soil water content and suction curves of each experiment group

2.3.2 土壤有效含水量 土壤萎蔫含水量相當于1 500 kPa吸力下所對應的土壤含水量[26]，代入表4各保水材料的數學模型得到此時的土壤含水量為萎蔫含水量（表5）。萎蔫含水量是土壤有效水的下限，土壤田間持水量是土壤有效水的上限，因此土壤有效含水量等于田間持水量與萎蔫含水量的差值。分析發現，各保水材料處理均可以增加土壤有效水含量，由多到少排序為T3＞N＞H＞T2＞S3＞S2＞D3＞K＞D2＞S1＞T1＞D1＞CK。環境友好型保水材料T3處理的有效含水量最多，為24.88%，其次是N和H，此3種保水材料分別比CK增加了12.98%、12.49%、10.64%的有效水含量。

表4 各試驗組模型擬合參數Table 4 Model fitting parameters of each experiment group

表5 各處理土壤水分有效性Table 5 Soil water availability of each treatment

2.4 保水材料效果評價

應用主成分分析法和隸屬函數法對保水材料進行效果評價。利用各指標的相對值將逆向指標正向化。對各指標進行主成分分析后（表6），提取了2個主成分，利用主成分分析結果中成分矩陣以及成分特征值計算各綜合指標系數，第一主成分貢獻率是64.067%，第二主成分貢獻率是20.907%，累計貢獻率84.974%。可見2個主成分包含了12個處理10個指標84.974%的數據信息。特征值能夠反映出各指標在各個主成分的荷載[27]，第一主成分特征值為6.407，有效含水量和毛管持水量在第一主成分上的荷載較高，毛管孔隙度和土壤密度在第二主成分上的荷載較高。說明保水材料的主要表征為有效含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和土壤密度。

表6 各指標主成分的特征向量、貢獻率及綜合指標系數Table 6 Characteristic vector,contribution rate and comprehensive index coefficient of principal components of each index

利用公式（1）、（2）、（3）計算得出綜合指標值、隸屬函數值和權重，2個綜合指標的權重分別為0.75和0.25。利用公式（4）計算得出各保水材料的保水能力綜合評價值D（表7）。由D值可以看出各處理保水材料效果排序：H＞T3＞N＞S3＞T2＞D3＞D2＞S2＞D1＞T1＞K＞S1。可以看出T3效果僅次于H，在環境友好型保水材料中效果最好。

表7 各處理綜合指標值Cl(m)、隸屬函數值μ(x)和綜合評價值DTable 7 The value of comprehensive index value Cl(m),subordinative function value μ(x) and integrated assessment value D of each treatment

3 討論

3.1 保水材料對土壤水分特征的影響

多項研究表明，聚丙烯酸鹽型等傳統保水材料可以改變土壤顆粒間的孔隙率和土壤微結構特征[6]，吸水后與土壤顆粒作用形成土壤團聚物，使土壤含水率提高[28-29]，與本研究結果一致。含0.25%聚丙烯酸鹽類保水材料的土壤既能滿足植物生長需要，又能節省成本，應用效果較好[30]。因此，本研究沿用此用量與環境友好型保水材料進行比較，得出傳統保水材料中丙烯酰胺-丙烯酸鉀聚合型保水材料在土壤中效果較好，聚丙烯酸鉀鹽型效果最差。與楊浩等[31]在保水劑對黃綿土水分特征影響研究中結果不一致，原因可能是保水材料上離子與不同類型土壤中離子結合對保水材料的吸水及土壤的保水產生不同影響。

3.2 土壤水分特征曲線

通過土壤水分特征曲線來描述土壤基本水力特性[32]。本研究得出，隨著土壤含水量的減少，土壤水吸力升高，在低吸力階段，添加各保水材料土壤含水量差異明顯，高吸力階段土壤含水量差異不明顯，其變化規律與Zeng等人[33]研究結果一致。本研究土壤水分特征曲線符合數學模型Y=AX-B，與趙雪晴等[34]研究中Gardner模型存在差異，其多采用離心機法測定土壤水分特征曲線，而本研究通過水勢儀實測得到土壤水分特征曲線，因此，可能是因為試驗方法和土壤質地的不同所導致數學模型及水吸力范圍的不同。

3.3 土壤水吸力

本研究發現，在土壤含水量極低時，巖棉的水吸力最小，最易被植物吸收利用。為了利用巖棉這一特性，應進一步探究如何提高巖棉保持水分的能力。本研究中環境友好型保水材料對于土壤有效含水量的影響結果顯示，土壤有效含水量與環境友好型保水材料的用量成正比。這與宋海燕等[11]研究中傳統保水材料用量超過0.3%后，增加保水材料只能增加土壤無效水含量的結果不一致，說明，傳統保水材料不能像環境友好型材料一樣，可以通過增加用量提升土壤有效水含量。

3.4 環境友好型保水材料環保性和經濟性

在林業生態工程建設中，林木栽植間距較大，密度較小，對于單株林木采用穴施的方法，在苗木栽植時將保水材料混施于根部附近土壤中。環境友好型保水材料10%的用量是合理的，不會對環境造成污染。雖然保水材料價格較高，但施用保水材料可以提高造林成活率，減少補植工作量或重造次數，造林成本相應降低。平均到每棵樹的成本來看，環境友好型保水材料10%的用量在經濟性上是可行的。但降低保水材料造林成本，研發價格低廉效果又好的產品以及保水材料的使用方法和用量都需要進一步探究。

4 結論

（1）環境友好型保水材料可以提高土壤總孔隙度，降低土壤密度，改善土壤結構，有利于土壤蓄持更多水分。環境友好型保水材料的種類及用量對持水量和孔隙度的影響規律基本一致。10%炭棉對各持水參數都有顯著影響，增加土壤持水能力效果最好。

（2）自然干旱條件下，環境友好型保水材料有利于抑制土壤水分蒸發，不僅改變了水分充足時土壤持水能力，也改變了整個失水過程中土壤的持水能力，通過比較，環境友好型保水材料10%炭棉在整個失水過程中保持水分效果最好。

（3）環境友好型保水材料均能提高土壤有效水含量，由多到少排序為T3＞N＞H＞T2＞S3＞S2＞D3＞K＞D2＞S1＞T1＞D1＞CK。其中T3保持有效水含量最多，為24.88%。通過主成分分析和隸屬函數法得出，環境友好型保水材料10%炭棉效果最好。