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1試驗(yàn)材料與方法

保水劑材料:西北工業(yè)大學(xué)提供的鈉類保水劑,白色粉粒狀干劑。實(shí)驗(yàn)方法:室內(nèi)測定、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和田間試驗(yàn),主要包括以下方面:保水劑溶液化學(xué)特性:用蒸溜水將保水劑配成0、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、1.0%濃度,用火焰光度計(jì)測定其溶液中鈉離子濃度,酸度儀測定pH值,電導(dǎo)度儀測定電導(dǎo)度。高價(jià)金屬離子和尿素對保水劑吸水力影響試驗(yàn)在以色列和澳大利亞分別進(jìn)行:測定Na+、Mg++、Ca++、H2PO-4和尿素在0～10000mg/kg濃度梯度下保水劑吸水倍數(shù)變化。做法是:稱取NaCl、MgCl2.6H2O、CaCl2、KH2PO4、NH2.CONH2制劑,分別放入1.8L去離子水中攪拌均勻,然后各加入3g保水劑干劑。靜置24h后,過濾紗網(wǎng)濾去水分,稱吸水后保水劑晶塊重量,以此重量與干劑重量之比得保水劑吸水倍數(shù)。保水劑對土壤保水釋水特性影響:土壤為陜西北部沙壤土和關(guān)中重壤土,性質(zhì)見表1。該實(shí)驗(yàn)分兩組:一組為兩種土壤各加入2%保水劑;另一組為重壤土加入0.5%保水,分大、小顆粒兩種。方法是風(fēng)干土與保水劑按比例充分混合,裝入專用容器中,下部墊紗布在蒸溜水盤中靜置一晝夜充分飽和后,用高速離心機(jī)(HIACHI產(chǎn)HimacXR21型),以不同離心力轉(zhuǎn)速模擬土壤壓力勢,每個(gè)離心速率下歷時(shí)10min后,取樣測定。保水劑對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)影響:土壤為關(guān)中重壤土,把保水劑溶液稀釋灑在試驗(yàn)土上,攪拌均勻,使土壤保水劑含量為0.005%～0.200%不同處理,與無保水劑對照。然后測定團(tuán)粒的變化(Yoder法)。

保水劑保持水土的模擬實(shí)驗(yàn):在以色列農(nóng)業(yè)研究組織水土與環(huán)境科學(xué)所的降雨廳進(jìn)行。土壤為沙壤土,將土壤裝入30×50cm2的土盒后放置在15%的坡度下。人工降雨采用去離子水,降雨強(qiáng)度為44mm/h,雨滴平均直徑1.9mm,雨滴速度6.2m/s,雨滴動(dòng)能18.1J/(mm•m2)。降雨分第1d和第2d兩次進(jìn)行。測定土壤水分入滲率、徑流量和土壤流失量等。田間試驗(yàn)在定西地區(qū)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行,該地區(qū)屬于黃土丘陵區(qū),年降雨量420mm左右。田間實(shí)驗(yàn)以玉米(ZeamaysL.)掖單13號、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)渭薯4號為材料。試驗(yàn)分兩組,保水劑不同用量穴施試驗(yàn)是在作物苗期根部5cm左右處,用鏟或帶尖木棒開穴,將保水劑與少許濕土混合按15、30、60kg/hm2量處理,以不施為對照。氮磷肥與保水劑混合試驗(yàn),是將保水劑分別尿素、過磷酸鈣為氮、磷源,按照保水劑加N,保水劑加P,保水劑加NP為處理,以單施保水劑、N、P和不施保水劑為對照。

2結(jié)果與分析

2.1保水劑溶液的電導(dǎo)度、pH值和鈉離子濃度變化鈉類保水劑是一種電解質(zhì),溶液電導(dǎo)度和pH值自然要受影響。結(jié)果證明,保水劑溶液電導(dǎo)度(EC)在去離子水時(shí)為0.00127ms/cm,0.5%保水劑含量溶液時(shí)為0.307ms/cm,pH值相應(yīng)為7.23和7.62,鈉離子濃度相應(yīng)為零和87.5mg/kg。日常飲用水的電導(dǎo)度為1.0ms/cm左右,pH值為6.87.6左右。因此,保水劑在0.5%濃度溶液范圍內(nèi),電導(dǎo)度和pH值影響相對幅度不大。

2.2不同化學(xué)離子濃度對保水劑吸水特性影響鈉類保水劑吸水后,鈉離子游離,與溶液中的二價(jià)陽離子發(fā)生置換反應(yīng),使得保水劑結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,網(wǎng)孔縮小,吸水倍數(shù)減小,其反應(yīng)方程可用下列式表示。[CH2=CH-COO-Na+]n+C2+a=[CH2=CH-COO-]n-C2+a-[CH2=CH-COO-]n+2Na+圖1表明,鈣、鎂二價(jià)陽離子對鈉類保水劑吸水力拮抗作用明顯。當(dāng)溶液中鈣、鎂離子達(dá)到200mg/kg時(shí),鈉保水劑的吸水倍數(shù)由228減少到100左右,減小近50%。在北方地區(qū)含鈣、鎂離子較高的土壤中,正是通過鈉類保水劑與鈣、鎂離子結(jié)合,增強(qiáng)了土壤團(tuán)粒間作用力而改善團(tuán)粒結(jié)構(gòu),因此,使用保水劑時(shí)存在一個(gè)量的范圍問題。尿素對鈉性保水劑的吸水特性沒有影響。因?yàn)槟蛩責(zé)o離子析出,與鈉離子沒有交換反應(yīng),所以,鈉性保水劑與尿素混合使用,不會(huì)產(chǎn)生離子拮抗作用。

2.3保水劑對土壤保水釋水特性影響加入2%保水劑的沙壤土和重壤土,充分飽和后的含水率分別為113%和102%,無保水劑對照為37%和33%。保水劑使沙壤土含水率提高76%,重壤土增加69%。在土壤壓力勢作用下,土壤含水率降低過程按指數(shù)函數(shù)變化。當(dāng)壓力勢達(dá)到-1MPa,沙壤土和重壤土含水率分別降到59.6%和67.4%,較初始含水率降低53%和35%;同時(shí),無保水劑處理的沙壤土和重壤土含水率為6.7%和11%,較初始含水率下降30.6%和21.7%?？梢哉f,重壤土較沙壤土的保水性能強(qiáng),但加入保水劑后的沙壤土保水作用較重壤土更顯著。0.01MPa壓力下,含0.5%大、小顆粒保水劑的土壤最大持水量分別為54.4%和40.1%,無保水劑對照土壤為33.3%。隨著壓力勢減小,土壤含水率降低。當(dāng)土壤壓力勢為-1.0MPa時(shí),含大、小顆粒保水劑的土壤含水量分別降到15.0%和13.1%,對照為13.1%。相對而言,大、小顆粒保水劑本身所持水的90%和100%已經(jīng)被釋放出來了。對于植物而言,土壤水勢-1.5MPa是萎焉系數(shù)。所以,保水劑本身所持水分至少90%可為植物所利用。

2.4保水劑對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的影響表明,保水劑對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有促進(jìn)作用,特別是土壤中0.5～5mm粒徑的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增加顯著。同時(shí),隨著土壤保水劑含量的增加,土壤中大于1mm的大團(tuán)聚體膠結(jié)狀態(tài)較多,這對穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),改善通透性,防止表土結(jié)皮,減少土面蒸發(fā)有重要作用。分析表明,團(tuán)聚體含量與保水劑含量并非直線關(guān)系,當(dāng)土壤中保水劑含量在0.005%～0.01%范圍時(shí),土壤團(tuán)聚體增加量明顯。當(dāng)土壤保水劑含量大于0.1%時(shí),形成的團(tuán)聚體量占干土重百分?jǐn)?shù)則增加緩慢,這在土壤施用保水劑中有重要參考。

2.5保水劑對水土保持的效應(yīng)圖4表明,0.1%保水劑的土壤在第一次降雨時(shí),土壤水分最終水分入滲率(FIR)為11mm/h,高于無保水劑土壤對照的43%,徑流和土壤流失量分別減少1%和34%;第二次降雨時(shí),FIR為9.3mm/h,高于對照44%,徑流和土壤流失量分別減少5%和9.4%。

2.6保水劑穴施對玉米和馬鈴薯生長及產(chǎn)量影響1999年玉米和馬鈴薯施用保水劑后增產(chǎn)效果很明顯,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:最佳用量為15kg/hm2。玉米旁施處理較對照增產(chǎn)22%,穴施增產(chǎn)16%;馬鈴薯穴施15kg/hm2保水劑后產(chǎn)量達(dá)28668kg/hm2,較對照增加15.76%。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析以市場價(jià)計(jì)算,

2.7保水劑與氮、磷肥配合對玉米產(chǎn)量和肥效影響保水劑與氮肥或氮磷肥配合使用,可明顯提高玉米的產(chǎn)量和水分利用效率;但保水劑與磷肥混施,對產(chǎn)量和水分利用效率影響不大。由于玉米生長前期降水較多,N、P肥促進(jìn)了作物地上部分的生長,為后期抽穗、結(jié)實(shí)打下了基礎(chǔ)。水分測定表明施用保水劑能提高土壤含水率,主要表現(xiàn)在生育前期0～40cm土層,對生育后期及40cm以下土壤含水率影響不大。保水劑與氮肥或氮磷肥配合使用時(shí),可增加吸氮量,氮肥利用率分別提高了18.72%和27.06%。單施保水劑,或與氮肥或磷肥混施時(shí)對植株吸磷量影響不大,但保水劑與氮磷肥混施時(shí)可增加吸磷量,且使磷肥利用率從16.49%提高到20.91%。

3結(jié)論

1)鈉類保水劑溶液鈉離子濃度和電導(dǎo)度(EC)隨其濃度而增加,但溶液pH值影響不大。鈣、鎂等二價(jià)離子對保水劑吸水特性的拮抗作用明顯,尿素溶液濃度對保水劑吸水倍數(shù)沒有影響,二者可混合使用。

2)保水劑能增加土壤保水能力,沙壤土較重壤土更顯著。保水劑本身所持水分至少90%可為植物所利用。保水劑改善土壤結(jié)構(gòu),主要是增加土壤的團(tuán)聚體量,但二者并非直線關(guān)系,當(dāng)土壤中保水劑含量在0.005%～0.01%范圍時(shí),土壤團(tuán)聚體增加量明顯。

3)保水劑能有效保持水土,含0.1%保水劑土壤第1、2次降雨中土壤水分最終水分入滲率為高于無保水劑43%和44%,土壤流失量分別減少34%和5%。保水劑保水作用主要表現(xiàn)在4個(gè)方面,一是本身吸水為植物根系直接提供水源;二是保水劑通過改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤保水性能。三是促進(jìn)植物生長,提高肥料利用率;四是減少土壤表面蒸發(fā)。

4)適宜使用保水劑,能增加作物產(chǎn)量和提高肥料利用效率。采用穴施方法,保水劑用量15kg/hm2,玉米和馬鈴薯可分別增產(chǎn)22%和16%,其投產(chǎn)比分別為1∶3.5和1∶4.2。

5)保水劑與尿素、或與尿素磷肥混合使用,可明顯提高玉米的產(chǎn)量和水分利用效率,同時(shí)提高尿素和磷肥利用效率18.7%和27.1%。