农用保水剂的性能测定与比较

农用保水剂的性能测定与比较

干旱和缺水是限制我国农业可持续发展和环境管理的重要因素。据统计,我国45%的地区年均降水量不足400mm。全国每年因干旱缺水减产粮食300～500亿kg,经济损失300～500亿元;同时,我国环境问题严重,全国水土流失面积367万km2,占国土38.2%;全国沙漠和沙漠化土地面积达171.1万km2,每年仍以2460km2速度扩展,风沙危害日趋加剧。因此,保持水土和抗旱节水已成为我国农林业面向未来持续发展的重要选择。保水剂(Waterretentiveagent)是近年来节水农业和环境治理中发展较快的一种化学节水技术。目前,高分子合成类的聚丙稀酸钠保水剂是保水剂研究和应用较多的一类,因其含有的大量羧基、羟基等亲水性基团,能吸收自身重量几百乃至上千倍的去离子水,并能对土壤溶液中的化学离子进行吸附,影响土壤结构和改变自身吸水特性,具有无环境污染、适用性高等特点,在节水农业和环境治理中应用前景广阔。但是,由于其合成的原料来源于石油加工产品丙烯酸,石油能源的紧缺和丙烯酸的价格上涨使得聚丙稀酸钠保水剂生产成本较高,在农业生产和生态环境治理等方面生产中推广较慢。发展低成本、多功能的复合保水剂是我国保水剂研究和生产发展的重要方向。为此,国内许多科研院所和企业研发了不同类型的保水剂产品。按照其合成材料可以分为有机单体聚合(聚丙稀酸钠)、淀粉与有机单体聚合(淀粉接枝丙稀酸钠)、有机无机复合(凹凸棒/聚丙烯酸钠)、有机单体与功能性成分聚合或复合(腐殖酸/聚丙烯酸钾)等类型。由于各类保水剂的合成材料、工艺不同,其理化性能差异较大,在实际应用中对作物的生长效应也有区别,而此方面的研究文献尚少,在一定程度上造成对不同类型保水剂的合理选择,也限制了这些保水剂推广应用。为此,本研究通过对上述几种类型保水剂各种性能比较分析,采用盆栽实验比较不同类型保水剂对植物生长效应的影响,以期为拓展各类新型复合保水剂在农林园艺等领域中的合理应用提供依据。1材料和方法1.1保水剂、玉米供试保水剂选4种类型产品:①聚丙烯酸钠保水剂由唐山博亚科技集团有限公司提供;②淀粉接枝丙烯酸钠保水剂由中国农科院土壤与肥料研究所提供;③凹凸棒/聚丙烯酸钠保水剂由山东胜利油田长安集团聚合物公司提供;④腐殖酸/聚丙烯酸钾保水剂由中国矿业大学(北京)自行研制。盆栽试验选用上口径20cm、深20cm的塑料桶,其中土壤取自北京市通州区的农田表土,风干后过筛备用;试验作物玉米为中国农科院的农大108#。菌根为真菌摩西球囊菌(Glomusmosseae),由北京市农林科学院植物营养与资源研究所提供。1.2测定指标和方法主要包括吸水(液)倍率、吸水速率、保水性、反复吸水性、对不同离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等)和pH值的吸液性能等指标,测定方法按照文献的方法进行。1.3土壤毛管持水量的测定试验选用4种类型保水剂分别与土壤按照土重0.3%混合,另用菌根与保水剂组合,加上无保水剂的对照共8个处理。将4种保水剂按照下列处理分别均匀拌土装桶,每桶装土2.5kg。装土过程中,先将保水剂与土混合均匀,然后分层装桶,每层用手压实,并用环刀法测定最大毛管持水量(测定结果为28.6%)。T1:对照无任何添加剂的纯土壤;T2:土壤+保水剂①;T3:土壤+保水剂②;T4:土壤+保水剂③;T5:土壤+保水剂④;T6:土壤+菌根;T7:土壤+菌根+保水剂③;T8:土壤+菌根+保水剂④。实验设计2种水分供应:70%～75%的土壤毛管含水量为高水的底限,45%～50%的土壤毛管含水量为低水的底限。当土壤毛管含水量到达底限时,再加水到土壤毛管含水量的95%。浇水水量控制应用15kg感量的电子秤进行称量。8个处理在2种水分供应下形成16个试验处理。每个处理3个重复,共计48盆。1.4干物质量的测定生长速率是单位时间(天)、单位叶面积所同化的干物质量,一般表示为:P=ΔDM/△LA·D,其中ΔDM为某生长阶段植物干物质增加量,ΔLA为该阶段叶面积增加量,D为生长阶段的天数。干物质量采用烘干称重法,先将新鲜植物称重后放入105℃烘箱杀青10min,然后在75℃烘12h左右称量。叶面积采用量算法,即用直尺直接测量植物的叶面长、宽,采用叶面积=长×宽×系数(按0.75计算)。2结果与分析2.1保水剂的吸水倍率和吸水个数测定结果(表1)表明,在去离子水、自来水和0.9%NaCl溶液中,聚丙烯酸钠较其它3种保水剂的吸水倍率都高;其次,各种保水剂在去离子水中吸水倍率均较高,在自来水和0.9%NaCl溶液中吸水倍率明显降低,表明保水剂的吸水倍率受溶液中离子影响较大。再次,不同保水剂吸水倍数受盐离子(Na+)影响不同。相对而言,在自来水和0.9%NaCl溶液中,凹凸棒/聚丙烯酸钠、腐殖酸/聚丙烯酸钾较聚丙烯酸钠保水剂的吸水倍数下降幅度小,说明这两种保水剂的抗Na+特性较强。2.2基本达到饱结果显示(图1),各种保水剂在开始20min左右吸水速率很快,进而缓慢而达到平衡,60min左右都基本达到饱和。其中聚丙烯酸钠的吸水速率最快,次之为淀粉接枝丙烯酸钠、凹凸棒/聚丙烯酸钠和腐殖酸/聚丙烯酸钾吸水速率较慢,但两者相差不大,约在20min左右接近饱和。2.3保水剂的保水性保水剂的保水性能一般可在自然条件下或人工加热条件下进行比较。自然条件下的保水失水曲线(图2)显示,各类型保水剂对去离子水的保水率均比对照时间长,表明皆具有一定的保水性。其中聚丙烯酸钠的保水性能最好,凹凸棒/聚丙烯酸钠和腐殖酸/聚丙烯酸钾保水性居中,淀粉接枝丙烯酸钠保水性能较差。人工加热条件下保水剂的失水曲线(图3)同自然条件下的变化规律大体相同,只是水分散失的速度明显加快。2.4保水剂反复吸水试验反复吸水性是衡量保水剂作用寿命的重要指标。反复吸水次数越多,吸水倍率的减少量越少,其反复吸水性能越好。各类型保水剂通过吸水-烘干-再吸水-再烘干测定证明,保水剂都能反复吸水6次以上(表2)。聚丙烯酸钠在第6次吸水时的吸水倍数为首次量的45%,降幅较大;淀粉接枝丙烯酸钠相应为28%,降幅最大,以至第7次吸水时其网状结构已经丧失,变成糊状凝胶;凹凸棒/聚丙烯酸钠、腐殖酸/聚丙烯酸钾在第4次和第6次吸水时,吸水倍率仍分别高达首次量的80%以上和65%以上,相比而言,这两种复合保水剂的使用寿命明显较长。2.5价值对吸液性能的影响现有树种测定测定表明(表3),离子浓度和价态均对保水剂的吸液倍率影响较大。浓度越大、价态越高,则保水剂的吸液倍率越低。在溶液离子浓度由0.01mol/L变为0.05mol/L时,保水剂的吸液率急剧下降,而离子浓度为0.1mol/L时下降幅度较小。不同价态离子对其吸液率的影响表现为:Na+<K+<Mg2+<Ca2+<Fe3+,三价、二价离子的影响明显大于一价离子。这与离子间电位对水分子的吸引力不同和改变树脂的交联密度变化有关。对于同一价态的离子,半径越大(Ca2+1.97A,Mg2+1.60A)对树脂的吸液能力影响越大。从保水剂吸液性对离子变化的效应看,聚丙烯酸钠和淀粉接枝丙烯酸钠在电解质溶液低浓度时吸液倍率较高,随着离子浓度的升高,下降幅度增大;凹凸棒/聚丙烯酸钠表现出明显的抗二价离子(Ca2+、Mg2+)特性,而腐殖酸/聚丙烯酸钾表现出最强的抗Fe3+特性。2.6ph对吸液率的影响pH值对不同类型保水剂的吸液倍率影响不一(图4)。在中性溶液中,保水剂吸水倍率最高,但在pH<4及pH>11时吸液率明显降低;复合新型保水剂凹凸棒/聚丙烯酸钠和腐殖酸/聚丙烯酸钾受pH值变化的影响较小,表明这两种保水剂较单一类型保水剂在改良盐碱地或酸性土壤中可能会发挥更大的作用。2.7比对照组生长速率植物生长速率是植物光合作用效率的体现,也是评价植物生长和生理活动的综合指标。由图5看出,有保水剂处理的组分均比对照组生长速率高;复合保水剂处理的组分T4、T5较单一保水剂的处理T1、T2、T6能显著提高玉米的生长速率;添加菌根的组分T6、T7、T8同样比对照组生长速率高,表明菌根与保水剂的复合处理发挥了赋肥、促长的协同效应。另外,在整个生长过程中,正常供水条件下玉米的生长速率要高于水分胁迫条件。说明玉米的生长速率与供水状况紧密相关。3复合保水剂的应用前景从4种类型保水剂的性能对比看出:聚丙烯酸钠和淀粉接枝丙烯酸钠的吸水倍率、各种离子浓度下的吸液倍率、保水率等指标均高于其它两种保水剂。其中淀粉接枝丙烯酸钠的反复吸水性最差,这可能是由淀粉添加到高分子网络结构中使得保水剂的凝胶强度下降所致。复合类型保水剂凹凸棒保水剂和腐殖酸保水剂吸液倍率适中,耐盐性及稳定性较好,因此在农林业方面有着潜在的推广应用前景。盆栽试验证明,复合型保水剂对植物生长的促进作用,要明显好于单纯的聚丙烯酸钠型保水剂,这主要是由于复合型保水剂结构中含有利于植物生长的营养成分,如腐殖酸、稀土元素和凹凸棒等。腐殖酸型保水剂和凹凸棒型保水剂与土壤混合后,不仅发挥单一保水剂的作用,使土壤中形成较多和较大的团粒结构,为植物生长发育提供了优良的环境,而且还能发挥赋肥的作用,从而满足玉米对多种营养物质的需求。大量的试验表明保水剂能够发挥抗旱节水作用,本研究同样证明在高、低水两种供水条件下,施加保水剂能有效促进玉米生长,特别是正常供水下比水分