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第一章 保水剂农业应用及其效应研究进展（第2页）

在干旱胁迫的条件下，保水剂的浓度越大，抑制土壤水分蒸发的能力越强，但随着时间的延长，不同含量的保水剂抑制土壤水分的蒸发的差异会变小（安琪和李红影，2011）。也有研究认为，施用保水剂对土壤蒸发没有明显影响，反而在轻壤土和重壤土中施加保水剂之后累积蒸发量有所增加（张富仓和康绍忠，1999），而且肥料能够降低保水剂抑制土壤蒸发量的能力（李继成等，2008；Yu，etal。，2012）。赵霞等（2013）经过大田试验对比发现，保水剂结合播后镇压及秸秆覆盖能够有效抑制土壤水分蒸发。也有研究发现，保水剂与生物炭结合能够有效的抑制土壤水分的蒸发并增强土壤的保水效果、降低土壤水分蒸发速率（程红胜等，2017）。李兴等（2012）把不同粒径的保水剂对土壤的蒸发过程进行了比较，发现保水剂与土壤水分蒸发间的关系不受粒径大小的影响，但马生丽等（2012）通过试验得出，较小粒径的保水剂更能抑制水分的蒸发，而且水分的稳定蒸发期随着保水剂用量的增大而变长。对于这几种观点的不一致可能是因为在试验设计中选取保水剂的粒径大小范围不同有关。

（四）保水剂对土壤入渗的影响

在土壤中加入保水剂不仅能有效地提高土壤对灌水和降雨的吸收，提高土壤的持水性，而且还能提高土壤的入渗率，加快土壤的吸水速度。以及降低土壤水分的蒸发损耗，防止因土面蒸发而造成的土壤水分的缺失。员学锋等（2005a）用入渗透仪法测定了轻壤土、中壤土和重壤土3种土壤加入1%BP保水剂后土壤饱和导水率。结果表明，3种土壤加入BP保水剂使土壤饱和导水率降低1个数量级左右，其原因是在溶胀过程中体积膨大使土壤中大孔隙不断减小而使土壤饱和导水率逐渐降低。龙明杰等（2002）根据试验得出，施用聚丙烯酰胺的土壤渗透系数比对照增加，土壤结构的改善使土壤的孔隙增多，从而也使其渗透性增强，因而可减少降雨或灌溉时的地表径流，并使水土流失降低。另外亦有试验研究（员学锋等，2005a）表明，在土壤中加入聚丙烯酰胺浓度为110000时可以增加土壤入渗速率，当聚丙烯酰胺以410000和810000的比例与土壤混合时，土壤的稳渗速率大幅度降低，二者分别较对照土壤的稳渗速率减少65。88%和88。23%。

刘亚敏等（2011）研究了层施保水剂用量对水分入渗特性的影响，结果表明保水剂对水分有阻渗作用，且施用量越大，阻渗作用越强；在降水较少时，保水剂吸水保持水分，减少蒸发，但当降水强度较大时，保水剂大量吸水，使土壤空隙状况发生改变，产生阻渗作用，减弱水分的下渗。黄占斌等（2002）研究表明，含0。1%保水剂土壤第1、2次降雨中土壤水分最终入渗率分别提高43%和44%。王慧勇等（2011）研究结果表明，混施保水剂不同程度上减小砂质土壤水分入渗率、累积入渗量和湿润锋运移距离；保水剂混施用量越多，入渗率的降低程度越大，累积入渗量和湿润锋运移距离越小。白文波等（2010）研究结果表明，层施和混施保水剂都能不同程度地增加土壤入渗。层施保水剂对土壤入渗增加的效应有限，浓度过高不仅会抑制土壤入渗，而且抑制效应会随着保水剂浓度的进一步增加而加剧；但混施条件下保水剂可使土壤累积入渗量120min内增加1。1~2。1倍，且土壤入渗的增加与保水剂浓度正相关。

（五）对土壤水稳性团粒结构的影响

施用保水剂可增加土壤团粒结构的百分率，增加孔隙的比例（黄占斌等，1999；刘春生等，2003），在红壤中也有相似的变化趋势（高超等，2005）。然而，当保水剂用量超过某临界值时，团粒含量下降，土壤结构可能遭到破坏（杨红善等，2005）。添加的保水剂高分子链结构可增强易分散微粒间的粘结力，使微粒能够彼此粘结，团聚成水稳性团粒，从而引起粒径组成的变化，形成较大团粒结构（庄文化等，2007）。大量试验研究证明，在土壤中加入高分子保水剂有利于土壤团粒结构的形成，特别是大于1mm的团聚体比例增长迅速（黄占斌等，2004；张国桢等，2003；员学锋等，2005b）。而且随着保水剂用量的增加，土壤团聚体的含量提高，但并非成线性关系。当土壤中保水剂含量小于某一值时，随着加入量的增加，团聚体含量明显提高。王正辉等（2005）研究聚乙烯醇对沙土的作用后发现，土壤中的团粒数从6。7%~63%%增至7。5%~79%。周岩（2011）研究保水剂对土壤结构性能的影响结果表明，随营养型抗旱保水剂用量增加，保水剂对砂土>0。25mm粒径团聚体的影响显著，并随用量增加而增大，对砂壤土团聚体含量也有所提高。黄占斌等（2002）试验表明，保水剂对0。5~5mm土壤粒径的大团粒形成效应明显，经过比较发现，保水剂添加土壤0。005%~0。01%量使土壤团聚体增加效果最明显。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（李云开等，2002）。

（六）保水剂对土壤温度、pH值的影响

保水剂能够吸收大量的水分，对土壤温度的升降有一定的缓冲作用，因此保水剂可在不同的气温下调节土壤的温度，提高作物的抗旱性能，促进作物的生长（纪冰祎等，2018）。已有试验表明，在土壤中施用不同种类的保水剂后，对地表以下不同深度的温度变化进行观察，发现保水剂均能够有效的调节地温，起到稳定土壤温度的作用（陈宝玉等，2008）。方锋和黄占斌（2003）在陕北延安地区的试验中发现，在田间使用保水剂可提高土壤温度1。5℃~2。5℃，在全生育期增加有效积温200℃~300℃。但保水剂的不同种类以及不同施用方式对于调节土壤温度的差异并不明显（周东果等，2011；杜社妮等，2012）。在砂壤土上进行试验表明，6d内保水剂处理的最高地温比对照低3℃，最低气温却高1。5℃，地温日变化量比对照缩小近5℃（李云开等，2002）。另外一些研究也表明，施用保水剂且能使地温的日变化量缩小（李秋梅等，2000）。保水剂对土壤pH值的影响研究尚有争议。有研究表明，在苗圃熟土与沙子按2∶1比例混合的土壤中添加丙烯酰胺-丙烯酸盐交联共聚物保水剂，随保水剂用量的增加pH值稍微减小，几乎无影响（陈宝玉等，2008）。有研究认为，合适用量的保水剂能显著降低碱性土的pH值（魏胜林等，2011）。有研究也发现，保水剂的施用使土壤向碱性方向变化，而且随保水剂用量的增加，土壤pH值逐渐增大，在保水剂用量大于0。10%时增大趋势更加明显（杨红善等，2005）。由于保水剂的生产材料和性质的一些差别，土壤pH值增加趋势可能会有所不同。刘春生等（2003）研究表明，KD-1型抗旱保水剂对土壤酸碱度的影响作用不明显。

二、保水剂对土壤化学性质的影响

（一）保水剂对土壤养分的影响

保水剂具有吸收和保蓄水分的作用，可将溶于水中的化肥、农药等农作物生长所需要的营养物质固定其中，在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失，达到了节水节肥、提高水肥利用率的效果（庒文化等，2007）。百喜草栽培中土壤添加保水剂，土壤营养元素淋溶损失减少明显（陈晓佳等，2004）。模拟试验表明（安娟等，2013），保水剂有削减径流和抑制产沙的作用，淋溶液中总氮和总磷流失量较对照减少28。9%和26。6%。Sojka，etal。，（2006）发现在土壤中施入保水剂能够促进土壤中微生物活动，提高土壤养分的利用效率。员学锋等（2005a）通过室内模拟试验发现，淋溶过程中保水剂处理的土壤淋溶液中PO43-、K+、NO3-的含量均远远低于对照。马焕成等（2004）在森林土壤中进行试验，结果表明施加保水剂后，氮钾流失量大幅度减少，同时随着保水剂施用浓度的增加，土壤中养分淋溶损失量愈少。因此，保水剂的使用能够提高肥料利用效率，具有很高的社会效益、经济效益和生态效益。

（二）保水剂对肥料利用效率的影响

在土壤中加入保水剂能提高土壤对肥料的利用率，减少养分的淋失，起到保肥的作用。化学氮肥的铵离子等官能团被保水剂上离子交换或络合，在植物根系量作用下缓慢释放，提高氮肥利用效率（黄占斌等，2016）。黄震等（2010）试验表明，不同类型保水剂对氮素（硝态氮、铵态氮和尿素）保肥效果差异很大，尿素等非电解质肥料与保水剂混用保肥效果都较好。保水剂在氮肥溶液中吸水倍数降低，且随氮肥浓度增大而降（宫辛玲等，2008）。杜建军等（2007）研究结果表明，尿素氨挥发量显著降低。并随着保水剂用量的增加效果更加明显，加入0。05%~0。2%的保水剂时，氮、磷、钾养分累积淋失量分别较不施保水剂处理减少13。6%~39。62%、28。31%~16。96%和6。76%、24。55%。研究表明（李嘉竹等，2012），尿素等非电质肥料与保水剂等材料混施，能很好地发挥材料的协同作用，实现土壤水分和氮肥最佳耦合，较常规施肥提高水分和氮素利用效率110%和39%以上。姚建武等（2010）研究结果表明，施用保水剂的处理0-30cm土层的氮肥淋失率从26。2%降至17。1%，氮肥淋失减少34。7%。岳征文等（2011）发现，复合保水剂与同营养型的混合肥料处理相比，提高N元素表观利用率可提高0。2~1。9倍，磷元素表观利用率可提高0。23~2。0倍。因此，保水剂对土壤中的养分起保蓄作用，提高养分的利用率，从而减缓了传统农药及化肥对环境的污染，有益于净化环境。

（三）保水剂对土壤酶活性的影响

土壤酶参与土壤各种生物化学过程中，对土壤有机质的矿化和营养元素的循环具有非常重要的作用，与环境质量和作物生产力具有相关（包开花，2015）。不同粒度的保水剂均能降低土壤过氧化氢酶活性，增加土壤蔗糖转化酶活性；中粒、粉末状的保水剂均能提高蛋白酶的活性；大粒、中粒保水剂能提高多酚氧化酶活性；中粒保水剂能增加土壤脲酶活性（崔娜等，2010）。邢世和等（2005）研究发现，石灰、粉煤灰、白云石和废菌棒4种保水材料施用于土壤后，都能不同程度的提高土壤过氧化氧酶、脲酶、磷酸酶和纤维素酶活性。相关研究发现，保水剂及其复材料对土壤重金属元素的钝化固化效应与土壤pH、全盐、有机质、养分及土壤酶活性等变化紧密相关（黄占斌等，2016）。

（三）保水剂对土壤微生物的影响

适量施用保水剂对增大土壤孔隙有积极作用，因此可以推定土壤微生物有增加的趋势。过量施用保水剂破坏土壤结构，减小孔隙，则对土壤微生物可能产生消极影响。当土壤含水量降低到一定程度时，微生物数量就会大幅度下降（蔡艳等，2002）。Joshua，etal。，（1999）研究了桦树凋落物分解过程中湿度对微生物活性和群落结构的影响，发现长时间干燥导致微生物呼吸和生物量降低，微生物群落结构变化，特别是潮湿和干燥的时间尺度对微生物影响很大。有研究表明（Sojka，etal。，2006），在保水剂高施用量条件下，微生物生物量比无保水剂条件下小的多。分析原因是由于保水剂使得微生物与土壤颗粒紧密结合，或者微生物之间结合紧密，从而抑制了微生物的增长。该研究还表明，多年连续施用保水剂与每年的用量和总用量有关。在高水平保水剂施用条件下，微生物生物量差异不显著。这可能与过量施用保水剂减少土壤孔隙有关。

第四节保水剂对作物生长影响及在农业上应用的研究进展

保水剂的植物效应与其应用方法有关。保水剂直接可为种子包衣材料促进种子发芽；采取土壤穴施或沟施应用保水剂，可明显改善植物的根际土水环境，形成干湿交替或植物部分根系受旱，受旱根系产生一种植物受旱信号-植物激素，减少蒸腾而产生植物生理节水效应。作物生长发育过程中在土壤干湿交替或者部分根系受旱时，会产生生长补偿效应来弥补产量减少（李志军等，2005）。

一、保水剂对作物生长发育的影响

（一）对作物出苗的影响

保水剂应用于播种，可有效促进种子的萌发，提高种子的出苗率。何传龙等（2002）通过试验发现小麦在土壤含水率16%时，对照出苗明显受到影响，而新型抗旱保水剂处理则能全苗，到土壤含水率降至12%时，不论对照还是新型抗旱保水剂处理小麦都不能出全苗，但用新型抗旱保水剂处理小麦出苗率明显高于对照。王志玉（2004）研究结果表明，经高吸水树脂包衣处理的大豆，出苗期提前12~24h，出苗率提高4。6%~27。3%。李建设等（2010）研究发现，不同质量浓度保水荆对黄瓜幼苗生长、生理指标等均有不同程度的促进作用。保水剂在一定范围内可以促进黄瓜幼苗生长，提高秧苗质量和生理活性。杜建军等（2006）结果表明，施用保水剂的各个水平在幼苗植株鲜重上均较对照有不同程度的增加，若保水剂用量过高，虽持水、保水作用增加，且可延长植株萎蔫时间。但由于通气孔隙减少，不利于幼苗生长。崔娜等（2011）研究结果表明，不同粒度的保水剂土壤拌施能提高番茄幼苗的株高、茎粗、单位面积叶片重、根茎叶的干鲜重，能够提高，壮苗指数，促进番茄幼苗功能叶的光合作用，番茄幼苗功能叶的叶绿素含量和净光合速率均提高。

（二）对作物生长及产量的影响

保水剂种类、粒径、施用量不同，对植株生长影响效果不一（黄占斌，2005）。王志玉（2004）研究结果表明，两种树脂（二元接枝共聚物SA和三元接枝共聚物SAM）包衣都表现出促进大豆早期营养生长的作用，导致其生殖生长期的净光合速率均高于对照，有利于作物光合产物的积累，并提高了其生殖生长期的水分利用效率。张蕊等（2012）研究结果表明，沟施、混施、撒施保水剂促进了春小麦根系向深层土壤分布，增加了根系及总生物量，较对照分别增产22。6%、16。3%和8。0%。在相同土壤条件下，施用适量的保水剂，可促进甘蔗生长，增加生长后期的青叶片数，增强光合作用，促进糖分积累，提高单产和糖分，能提高经济效益幅度达14。04%（罗维康，2005）。

杨晓昀等（2005）研究结果表明，采用抗旱保水剂500g拌种冬小麦种子20kg可使翌年3~7月份不同耕层土壤含水率较对照提高15~30gkg，冬小麦产量较对照增产10。86%。黄占斌等（2002）在田间试验发现，穴施15kghm2的保水剂的玉米和马铃薯分别增产22%和16%，投产比为1：3。5和1：4。2。小白菜盆栽试验发现在其他条件相同情况下，分期施入保水剂的比对照产量有很大提高（杜建军等，2004）。保水剂的施用能有效提高玉米的生物量（马焕成等，2004；刘世亮等，2005），使玉米、辣椒和大豆在低水条件下干物质的水分利用效率分别提高63。6%、47%和27。8%（黄占斌等，2004），且施用保水剂有利于辣椒形成壮苗，增加分枝，提高生物产量和保持土壤水分，提高干旱区有限水分利用率（方锋等，2004）。李磐等（2011）研究结果表明，抗旱剂与保水剂能够显著增加棉花产量、增幅为2。55%、29。71%，提高棉花对土壤水分的利用效率、增幅为2。1%、29。8%。因此，在实际应用中不仅要慎重选择保水剂种类，还要考虑适宜的粒径，确定最佳施用量，在保证产量同时，兼顾经济效益，以达节水高效生产目的（黄占斌等，2005）。

二、保水剂在马铃薯生产中的应用效果

施加保水剂对马铃薯生长的土壤环境有很大影响。有研究表明保水剂的施用能提高土壤的持水性能，改善土壤理化性质，增加土壤微生物的数量、活动，及土壤酶活性，进而起到保水保肥、疏松土壤、促进马铃薯生长发育的效果。

（一）马铃薯生长土壤环境

适宜的保水剂用量可调节土壤中固、液、气相，从而提供植物根系良好的物理环境。马铃薯在不同生育时期施用保水剂同样会对土壤环境的持水性能产生不同的影响。研究表明，马铃薯生长前期，土壤含水率随保水剂用量的加大而增加，而在生长后期，则呈现出相反的规律，随保水剂用量的加大，土壤含水率减小（张扬等，2009；杜社妮等，2007a）。李倩等（2013）通过对旱作马铃薯的研究证明，在单施保水剂处理下，土壤含水率较对照高出20。72%，这主要是因为保水剂施入土壤后发生溶胀，体积不断增大，土壤大空隙不断减少，但毛管孔隙逐渐增加。同时还表明，施用保水剂可有效提高土壤含水量，但这是以保水剂适宜的用量为前提条件，当保水剂超过一定用量后，施用量越大土壤水势越低，水分有效性也会降低，进而不利于马铃薯生物量积累及水分利用效率的提高。

（二）马铃薯出苗