聚丙烯酸钠的释水特征及对土壤物理参数的影响

文章编号：1100-7601 (2017)02-0172-0

Agricultural Research in the Arid Areas

doi ： 10

干旱地区农业研究

Vol.35 No.2

Mar. 2017

.7606/j. issn. 1000-7601.2017.02.27

聚丙烯酸钠的释水特征及对土壤物理参数的影响

吕国华1蒋树芳2

白文波1武永峰1宋吉青1

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081; 2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101)

摘要：聚丙烯酸钠作为保水剂的一种，在农业应用中能够防止水土流失，改善土壤水分状况，促进作物增 产，提高作物品质。通过室内试验分析了聚丙烯酸钠的释水特征及土壤中混施不同比例（0、0. 3 %、0. 5 %、1 %和 1.5%)聚丙烯酸钠对土壤饱和导水率、收缩比和紧实度的影响。研究结果表明，聚丙烯酸钠释水与混施土壤后释 水存在较大差异，100%聚丙烯酸钠在1.5 MPa吸力条件下能保持46.4%的水分，而在干土中可以快速100%的释放 水分；随着土壤聚丙烯酸钠用量的增加，土壤透水性急剧降低，均匀混施达到1%时，饱和导水率接近㊀!!!“-1;干燥 后土壤紧实度和收缩比增加，导致聚丙烯酸钠的农业应用也存在一定的潜在风险。

关键词：聚丙烯酸钠；土壤导水率;土壤紧实度;土壤收缩 中图分类号：S152

文献标志码：A

Water releae characters of sodium polyacrylate and its

effects on soil physical parameters

LVGuo-hua1，JIANGShu-fang2，BAI Wen-bo1, WUYong-feng1，SONGJi-qing1

(1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 100081, China;

2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research , Chiness Academy yf Sciences , Bdjing 100101

Abstract： Application of sodium polyacrylte

(PAANa)

in

agriculture

can

prevent s

ture ,increase grain yield , and improve crop quality. Through laboratory experiments, the water release characters of PAANa was analyzed , and the saturated hydraulic conductivity , shrinkage ratio and compactness of soil under different application ratio of PAANa

(0 ,

0.3% , 0.5% , 1%

and

1.5%) were

measured.

The

difference in water release between PAANa and mixed application with soil. PAANa could absorb 46.4% water at thesuction of 1.5 MPa , but could release 100% water in dry soil. Te soil water permeability dramatically decreased withthe increase of PAANa ratio , and the saturated hydraulic conductivity decreased nearly to 0 m day_ 1 when the ratioreached 1% . Soil compactness and soil shrinkageratio increased after drying, thus there wre some potential risks whenapplyingPAANainagriculture.

Keywords: sodium polyacryle; soil water permeability; soil compactness; soil shrinkage聚丙烯酸钠是丙烯酸和丙烯酸纳的高分子聚合 物，在农业中可用作土壤保水剂。我国自“七五”以 来开展了大量关于保水剂应用方面的研究，取得了 丰硕的研究成果。保水剂与土壤黏粒相互作用，特 别是吸附作用，可以抑制土壤的水化、膨胀及分散作 用，防止土壤流失[1;保水剂有助于增加土壤中团聚 体含量，改良土壤结构，增加土壤保水和蓄水能 力[2; 土壤表层施用保水剂可以缓慢释水，减少蒸 发[3]，保蓄水分和养分[4]，提高出苗率[5]，有利于提 高产量和水分利用效率[6-9]，一定程度上增强植物

抗性，改善果实品质[10];由于保水剂的吸附作用，可 以防止和减缓土壤养分的淋溶[1 -12]，同时，能够促 进土壤中微生物活动[3]，有利于提高养分的利用效率。

但是现阶段对保水剂的研究仍然存在一定的不 足，部分作用机理尚不清楚，有些研究结果还存在一 定的差异。例如，保水剂是增大还是减小土壤的渗 透性？已有研究结果表明保水剂施用量过大，土壤 表层过度粘结土粒，会降低土壤的渗透性[4]，但也 有研究表明较小比例混施保水剂会增大土壤的渗透

收稿日期=2015-12-23基金项目：农业部公益性行业专项(201503116);国家自然科学基金课题(51309211)和863课题(2011AA100503)作者简介：吕国华(1979—)，山东青州人，副研究员，农业环境与新材料研究。E-mail: lvgu0hua@Cafe•Cn。通信作者:宋吉青(1963—)，青海西宁人，研究员，主要从事农业环境与作物响应机理相关研究。E-maill: songqingf^caa. cn。

第2期吕国华等:聚丙烯酸钠的释水特征及对土壤物理参数的影响173

性[15];其次，保水剂使用中存在的潜在风险也缺乏 定量研究。如，保水剂施用过量，一定程度破坏土壤 结构，引起土壤板结[16]，但是施用量及土壤板结程 度的关系尚且不够清楚;再次，在混有保水剂的土壤 中，土壤水势是否能够被负压计准确测定等。本论 文以聚丙烯酸钠为实验材料，针对聚丙烯酸钠保水 剂的释水特征及其对土壤物理参数的影响开展研 究，以期为农用保水剂的应用开发提供参考依据。

倍左右，在模拟的土壤水吸力条件下，当0.03 MPa (田间持水量）、0.5 MPa(土壤有效水）、1.5 MPa(永 久萎蔫点)条件下的吸水倍率分别为74.3倍、54. 8 倍和37.4倍。在土壤有效水分对应的压力条件下， 保水剂仅释放了 32.0%的水分;在永久萎蔫点对应 压力条件下，保水剂释放了 53.6%的水分。聚丙烯 酸钠在高吸力梯度下（1.5 MPa)仍然可以蓄持

46.4%的水分，从作物吸水的能量梯度考虑，这一部

1

材料与方法

1.1聚丙烯酸钠

聚丙烯酸钠由日本触媒公司生产，外观为白色

颗粒状，粒径在0.8〜1.0 mm左右。在蒸馏水中的 吸水倍率为204.1倍左右[5]。但是，受灌溉水中离 子影响，其吸水倍率在80.5倍左右。1.2聚丙烯酸钠的释水特征

取定量保水剂在灌溉水中充分吸水饱和40 min 以上，放置于2 mm 土筛中，覆盖上层，静置10分钟 左右，去除多余水分，以备在高速离心机(HITACHI， CR22G)中测定;在高速离心机中不同转速离心，分 别模拟不同土壤吸力条件下的含水量，用来分析保 水剂的释水特征。

1.3饱和聚丙烯酸钠颗粒在干土中的释水特征

将吸水饱和的聚丙烯酸钠颗粒放置于干土中， 距表层1 cm左右，每15分钟利用热红外成像仪测 定表面图像，用来反映饱和聚丙烯酸钠在干燥土壤 中的释水特征。1.4饱和导水率

饱和导水率采用定水头法测定。聚丙烯酸钠质 量比分别为0,0.3%，0.5%，1%，1.5% ;聚丙烯酸钠 与土壤充分混勻后，按容重1.25 g* cm-3填充环刀， 饱和，除去部分膨胀土壤后，装人人渗仪，进行测定计算。

1.5干燥后土壤收缩比及紧实度

试验中土壤类型为华北潮土，土壤质地为粉壤 土(黏粒:粉粒:砂粒=0.6:40.3:54.6);聚丙烯酸钠 的质量比分别为0,0.3%，0.5%，1%，1.5%，按容重1.5 g* cm-3填充环刀，自来水充分饱和，去掉膨胀 部分，此时体积为V1;自然风干后，体积为V2;计算 收缩体积(V2-V1)后，用土壤紧实度仪测定土壤紧 实度（kg.cm-2)

2

结果与分析

2.1聚丙烯酸钠的释水特征

聚丙烯酸钠在自来水中的最大吸水倍率为80.5

分水分并不能被作物吸收。

(

-、EJII•ISO)CI/ J#O逛SCIEx s0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

土Soil water suction

壤水吸力/MPa 图

1聚丙烯酸钠（100%)在不同吸力条件下的吸水倍率 Fig. 1 Water absorbent rate of sodium poly acrylate (100% )

under different soil water suction

相关研究也表明，在土壤中，保水剂吸收的

98%的水分易被作物吸收利用[17]。但是，聚丙烯酸 钠（100%)在离心机1.5 MPa作用下仍然保存很多 的水分。因此，为了验证保水剂中的水分是否能够 完全提供给土壤，试验中将吸水饱和的聚丙烯酸钠 颗粒放置于干土中，距表层1 cm通过热成像图反 映聚丙烯酸钠的释水特征。如图2-1所示，饱和的 聚丙烯酸钠颗粒在干土中显著温度偏低，15分钟后 (图2 - 2)聚丙烯酸钠周围温度降低，聚丙烯酸钠中 的水分发生了明显扩散;30分钟后（图2 - 3)扩散进 一步增加，当45分钟时（图2 - 4)聚丙烯酸钠的温 度低点基本消失。这说明聚丙烯酸钠中的水分已经 完全供给给周围的土壤。因此，聚丙烯酸钠的释水 能力与是否与土壤颗粒接触有直接的关系。100% 的聚丙烯酸钠与具有多孔结构的土壤胶体的失水特 征并不相同。保水剂混施人土壤中，保水剂与土壤 颗粒之间的水分交换过程影响保水剂中水分的有效 性。聚丙烯酸钠作为一种多孔的无机聚合物结构， 其与土壤的水分交换机制才是理解聚丙烯酸钠向土 壤供水或从土壤中夺水的基础。

2.2混施不同聚丙烯酸钠含量的土壤渗透性

如图3所示，没有混合聚丙烯酸钠的土壤的饱和 导水率达到56.8 crd-1，随着聚丙烯酸钠含量的增 加，饱和导水率急剧下降，0.3%和0.5%时，分别为

174干旱地区农业研究第35卷

18.6 cm*d_1和7.6 cm*d_，当其含量达到1%时，土 壤饱和导水率接近0,土壤表现出显著的不透水性。

2饱和吸水的保水剂颗粒在干土中的土壤热成像图（1-2-3-4的时间间隔均为15分钟）

Fig.2 Thermography of sodium polyacrylate with saturated moisture in dry soil (time interval： 15 minutes)

图

x

-(A-- on^嫌u爷o u#--耍lB

nJ1E-EiSpx q P

*103}/含量的增加，土壤体积收缩显著增大。

一般情况下，聚丙烯酸钠混施于作物根系附近， 起到保水和持水的作用。但是，当土壤发生剧烈的 干湿交替时，较大的收缩比可能导致部分植物根系 拉伤或根系悬空，反而不利于作物抗旱。

-图3

均匀混施不同含量保水剂的土壤饱和导水率

Fig.3 Saturated hydraulic conductivity of uniformly mixed soil

under different ratio of sodium polyacrylate

当土壤中混施聚丙烯酸钠时，土壤的渗透性降 低，当比例达到1%时，土壤的饱和导水率接近于0, 此时混合土壤具有较好的隔水性。这与前人的研究 有一定的一致性[18]，也有一定的冲突[14]，这主要是 由测定方法和测定尺度引起的，并不存在本质的矛 盾。

图

0.00 0.30

1.00

质量百分比含量/%

Weight content

0.50 1.50

4不同聚丙烯酸钠含量的土壤干燥后的体积比例

Fig.4 Soil shrinkage rate after drying under different

ratio of sodium polyacrylate

按土壤容重1.25 g*cm_3填充环刀，土壤干燥

2.3

混施不同聚丙烯酸钠含量的土壤收缩比及紧 实度

后，没有混施聚丙烯酸钠的土壤紧实度很小，仅为

2.3 kg*cnT2。随着聚丙烯酸钠含量的增加，土壤紧

实度显著增加，0.3%含量的土壤紧实度为5.2 kg*

〇^

土壤颗粒具有吸水膨胀，失水收缩的现象，收缩 比例与土壤矿物组成有一定的关系。本试验中，土 壤收缩比例较小，干燥后体积为充分吸水的95% ; 但是含有聚丙烯酸钠保水剂的土壤收缩较大，0.3 % 时，体积为7 9 % ; 0.5 %时，体积为6 5 % ; 1 %时，体积 为52%;.5%时，体积仅为47%。随着聚丙烯酸钠

2,0.5%含量的土壤紧实度为23让8*〇^2，1%含

量的土壤紧实度达到10 kg* cm_2,1.5%含量的土 壤紧实度更大，为10 kg*cm_2。当聚丙烯酸钠含量 超过1%时，干燥后的土壤紧实度很大，耕作阻力显 著增强，不利于播种及农机操作。因此，均勻混施聚

第2期吕国华等:聚丙烯酸钠的释水特征及对土壤物理参数的影响175

丙烯酸钠时，其含量以不超过0.5 %为宜。

C

-S*.3ao501 %左右，达到相同的保水目的，其吸水倍率仅为24 倍左右。因此，保水剂合成的材料和成本可以进一 步扩大选择范围，有利于进一步降低保水剂的成本，

5 o

o

UOUEdlnoDISS从而克服其推广应用的根本问题。因此，研究 低成本、低吸水倍率、多功能的保水剂及其复合功能 o5

/铽^

赛o輝

-H

A

Weight content

图

5不同聚丙烯酸钠含量的土壤干燥后的紧实度

Fig.5 Soil compactness after drying under different

ratio of sodium polyacrylate

3

结论与讨论

1本试验以聚丙烯酸钠为例，分析了其释水特

征。在纯聚丙烯酸钠条件下，高速离心机模拟了不 同土壤水吸力梯度下的释水情况。结果发现，在永 久萎蔫点对应水吸力条件下，保水剂仅仅释放了 53.6%的水分。这与在土壤混施条件下接近98% 的水分有效性[17]相比，存在较大差别。采用热成像 技术，分析了吸水饱和的聚丙烯酸钠颗粒在干土中 的释水特征，结果发现吸持的水分能够完全提供给 周围的干土。100%的聚丙烯酸钠和混施在土壤中 时，聚丙烯酸钠的释水特征不同。聚丙烯酸钠的释 水能力与是否与土壤颗粒接触有直接的关系。保水 剂的多孔结构与土壤颗粒的作用及土壤孔隙之间的 水分交换过程是保水剂吸收水分有效性的关键。因 此，保水剂的孔隙结构的变化及其与土壤颗粒之间的 作用机理是理解保水剂在土壤中吸水或释水的基础。

2聚丙烯酸钠的施用对土壤物理参数产生了 较大的影响，尤其是土壤饱和导水率和紧实度。当 均勻混施聚丙烯酸钠含量达到1%时，饱和导水率 接近〇。聚丙烯酸钠的这种不透水性，可以用来阻 断剖面土壤水分的渗透，这种特性在其他领域可能 也具有一定的应用空间。例如，高地下水位条件下， 盐碱地下界面不透水层的构建等。

3)聚丙烯酸钠在土壤中均勻混施时，以不超过 0.5%为宜。随着聚丙烯酸钠含量的增加，土壤收缩 比增加，土壤紧实度急剧增大。土壤物理属性的这 种变化对根系健康及机械耕作产生不利影响。因 此，低吸水倍率的土壤改良型保水剂，更适合在农业 中应用。本试验中，当0.3%比例使用时，土壤的有 效含水量增加2.44倍左右。当土壤中使用比例在

材料，是农用保水材料研发的方向。

参考文献：

[]庄文化，冯浩，吴普特.高分子保水剂农业应用研究进展[J]. 农业工程学报，2007，23(6):265-270.

[2]黄占斌，张国桢，李秧秧，等.保水剂特性测定及其在农业中的

应用[J].农业工程学报，2002，18⑴:22-26.[3 ]黄占斌，朱书全，张铃春，等.保水剂在农业改土节水中的效应

研究[J ].水土保持研究，2004，11⑶:57-60.

[4] Bai Wenbo, Zhang Huanzhong, Liu Buchun, et al. Hfect of super ab­

sorbent polymers on the physical and chemical properties of soil follow­ing different wetting and drying cycles[j]. Soil Use and Management, 2010,26:253-260.[5 ]谭国波，边少锋，马虹，等.保水剂对玉米出苗率及土壤水分

的影响[J].吉林农业科学，2005，30(5):26-32.[6] 马焕成，罗质斌，陈义群，等.保水剂对土壤养分的保蓄作用

[J].浙江林学院学报，2004，21⑷:404-407.[7] 方锋，黄占斌，俞满源，等.保水剂与水分控制对辣椒生长及

水分利用效率的影响研究[J].中国生态农业学报，2004,12(2): 73-76．[8] 杜建军，王新爱.PAA对土壤水肥保持作用的研究[J].仲恺农

业技术学院学报，2004,17(2) :1-5.

[9] Hass H P, Rober R. Substrate additives, watering and growth of eu­

phorbia pulchenima[ J]. Gartenbau Magazine, 1993,12(2)：68-70.[10] 李秋梅，刘明义，王跃邦.保水剂在果树丰产栽培中的应用研

究[J].中国水土保持，2005,30(5) :26-32.[11 ]员学锋，汪有科，吴普特，等.聚丙烯酰胺减少土壤养分的淋溶

损失研究[J].农业环境科学学报，2005，24(5):923-929.

[12] Melissa E H, Michael D M, Phillip M F. Polyacrylamide added as a

nitrogen source stimulate methanogenesis in consortia from various wa- ter[J]. Water Research, 2005, (39) ：333-334.

[13] Sojka R E, James A E, Jeffry J F. The influence of high application

rates of polyacrylamide on microbial metabolic potential in an agricul­tural soil[J]. Applied Soil Ecolog, 2006, (32) ：243-252.[14] 员学锋，汪有科，吴普特，等.PAM对土壤物理性状影响的试验

研究及机理分析[J].水土保持学报，2005,19(2) :37-40.[15] 白文波，李茂松，赵虹瑞，等.保水剂对土壤积水入渗特征的影

响[J].中国农业科学，2010,43(24) :5055-5062.[16] 杨红善，刘瑞凤，张俊平，等.PAAM - aa复合保水剂对土壤持

水性及其物理性能的影响[J].水土保持学报，2005，19(3): 38- 41．

[17] 黄占斌，夏春良.农用保水剂作用原理研究与发展趋势分析

[J].水土保持研究，2005，12(5): 104-106.[18] 王砚田，华孟，赵小雯，等.高吸水性树脂对土壤物理性状的

影响[J].北京农业大学学报，1990,16(2): 181-187.