本文作者：黃占斌 孫在金 單位：中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院

環境材料在農業抗旱節水中的應用

水是農業的命脈。我國農業年用水約4.0×1011m3,占總用水71%左右。農業用水量中約90%為農田灌溉,即約3.6×1011m3為我國農田灌溉用水量上限[5]。農業灌溉用水存在三大突出問題:一是水資源嚴重不足,制約著農業灌溉進一步擴大,干旱問題嚴重。近年我國年受旱面積2000萬~2700萬hm2,全國中等干旱年農業灌溉缺水3.0×1010m3。二是已開發利用的水資源浪費嚴重,寧夏回族自治區和內蒙古自治區大田漫灌的次灌水量達1200m3•hm2以上,灌溉水利用率40%左右(發達國家80%~90%)。三是水資源遭受嚴重污染。環境材料在農業抗旱節水中的應用主要是土壤保水劑和作物葉面抗蒸騰劑。可生物降解地膜也是一類近年研發較多的環境材料,屬于物理性材料,這里不做深入探討。土壤保水劑(superabsorbentpolymer,SAP)是通過改善植物根土界面環境、又供給植物水分的化學節水技術。土壤保水劑本身是一種超高吸水保水能力的高分子聚合物,它能迅速吸收比自身重數百倍甚至上千倍的純水,且有反復吸水功能,所吸的水可緩慢釋放供作物利用。由于其具有操作簡便、投入少、見效快和易于推廣等特點,因而應用與發展前景廣闊。隨著經濟的發展人們對環境保護意識有所提高,土壤保水劑的高效、低毒和價廉等優點成為其應用農業生產及其環境治理的重要選擇。

20世紀中期,美國首先研制出淀粉型保水劑并在玉米、大豆涂層和造林應用取得效果后,世界各國競相研制。日本發展最快,成為世界上最大的超強吸水性樹脂生產國,20余家主要廠家年產10萬t。英國研制出防止土壤侵蝕和保證作物需水的防蝕聚合物和保水聚合物。法國研制出能吸收自身水500~700倍的“水合土”,用于改良沙特阿拉伯干旱地區的土壤結構。俄羅斯合成的保水劑用于節水農業,在伏爾加格勒每公頃使用100kg,節水50%,農作物增產20%~70%。全球年產土壤保水劑已超過200萬t[6]。我國土壤保水劑研制和應用始于20世紀80年代中期,發展較快。土壤保水劑按照化學組成和功能特點可分為高分子聚丙烯酸鹽類保水劑、有機無機復合類保水劑、多功能類保水劑3類。中國科學院蘭州化學物理研究所研制的有機無機復合保水劑,已在勝利油田長安實業(集團)公司建成3000t•a1生產線;中國礦業大學(北京)利用風化煤研制出腐殖酸復合保水劑。目前土壤保水劑產品的生產技術基本成熟,可查的土壤保水劑相關專利120多項。應用范圍從林業生產推廣至大田作物60多種作物,年推廣面積超過20萬hm2。國家對保水劑研發和應用非常重視,從“十五”到“十二五”的國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目都列入多功能節水制劑課題。

黃占斌[6]總結提出土壤保水劑作用原理包括4個方面:①土壤保水劑自身吸水、保水和釋水原理。保水劑吸水速度快,溶脹比大。保水劑分子含有大量羧基、羥基、酰胺基以及磺酸基等強親水性官能團,對水分有強烈的締合能力,純水中的吸水溶脹比為400~1000倍或更高;保水劑保水能力強。保水方式主要包括吸水和溶脹,以后者為主;保水劑釋水性能好,供水時期長。王硯田等[7]研究表明,保水劑所吸持水分最大吸水力13~14kg•m2,根系吸水力大多為17~18kg•m2,故一般情況下不會出現根系水分倒流,其中90%以上為植物最易吸收利用的水分。此外,保水劑有吸水釋水干燥再吸水反復吸水功能,但反復的保水劑吸水倍率下降10%~70%或失去吸水功能。②土壤保水劑促進土壤改良和保持原理。保水劑在土壤中吸水膨脹,把分散的土壤顆粒粘結成團塊狀,增加土壤團聚體。黃占斌等[8]研究表明,保水劑特別對0.5~5mm粒徑土壤團粒結構形成作用最明顯,且土壤中保水劑在0.005%~0.01%范圍時,團聚體增加量明顯;同時,保水劑應用會使土壤容重下降,孔隙度增加,調節土壤中的水、氣、熱狀況而有利作物生長,改善土壤結構。加之保水劑分子內部大量可電解羧酸鹽基團吸水后網狀結構撐開,可提高土壤吸水能力,增加土壤含水量。此外,保水劑能增加土壤持水能力,降低土壤水分蒸發量和水分滲透。③土壤保水劑提高肥料和農藥等農化產品利用效率原理。保水劑表面分子有吸附和離子交換作用,肥料和農藥中的銨離子等官能團能被保水劑上的離子交換或絡合,以“包裹”方式把土壤中的離子包起來,減少肥料和農藥淋失。但同時會使土壤保水劑失去部分保水能力,故土壤保水劑盡量不與鋅、錳和鎂等二價金屬元素肥料混用。

黃震等[9]試驗表明,尿素等非電解質肥料與土壤保水劑結合應用,保水劑的保水和保肥作用都能得到充分發揮。田間試驗證明[10],土壤保水劑與氮肥配合使用,吸氮量和氮肥利用率分別提高18.7%和27.1%。俞滿源等[11]在陜西延安的試驗表明,開溝10~15cm,單施保水劑和單施氮肥的馬鈴薯產量分別增加42.7%和33.3%,土壤保水劑加氮肥使馬鈴薯產量增加75%以上。近年來,我國每年農田氮肥利用率僅30%~35%,磷肥利用率10%~20%,鉀肥利用率35%~50%;我國每年農藥施用量達30多萬t,其中高毒農藥占農藥總量的70%。農藥平均施用量13.4kg•hm2,農藥過量或不合理使用導致約70%~80%的農藥作用于非靶標生物或直接進入環境。土壤保水劑對化肥和農藥利用效率提高的研究,是治理農田化肥和農藥面源污染等重要的技術應用依據。④土壤保水劑調節植物生理節水效應原理。土壤保水劑植物效應與保水劑的應用方法有關。土壤保水劑處理種子是為種子提供相對濕潤的小環境,促進植物種子發芽;土壤穴施或溝施應用保水劑,主要是改變根土水環境,造成部分根系干旱產生ABA信號而調控植物生理節水。李志軍等[12]試驗證明,作物在其生長發育過程中具有適應土壤干濕交替環境的能力,即作物在受到一定程度水分脅迫時,能夠通過補償效應來彌補產量減少或減少損傷。當土壤保水劑應用于土壤時,隨著土壤水分蒸散,作物根系出現部分低水勢,產生根源ABA,經木質部導管傳輸到作物的地上部分,在作物葉片調節氣孔開度,減少蒸騰。同時,根系經過一定程度水分脅迫鍛煉復水后,水分傳導高于未經脅迫鍛煉的對照。這兩方面作用使作物根系表現出補償效應。

主要有拌種或種子涂層、種子丸衣造粒、根部涂層(亦稱蘸根)、土壤直接施用和用作育苗培養基質等方法,常用土壤直接施用法。種子包衣方法處理種子可顯著提高低土壤濕度條件下的出苗率。黃占斌等[13]試驗表明,施0.05%~1%土壤保水劑的土壤移栽烤煙,緩苗期縮短2d,缺水存活天數較對照多5~20d。大量試驗表明,小麥、大麥、小黑麥、玉米、棉花、大豆、花生和馬鈴薯上應用復合包衣劑后,其增產幅度均在13.8%以上。此外,土壤保水劑也被用作土壤結構改良劑,改善土壤結構和調節肥力,提高作物抗旱力。2.1.4土壤保水劑的發展趨勢土壤保水劑的發展趨勢主要有3個方面:一是加強低成本、長效、多功能、復合和專用保水劑研制。針對土壤保水劑原料漲價和成本增高問題,開發以生物和原生礦物質材料為基質,抗水解且可生物降解的低成本、長效保水劑;加強土壤保水劑應用技術范圍,形成拌種、土壤施用和灌水施用等不同劑型的多功能保水劑產品系列。二是加強土壤保水劑的應用基礎研究,包括土壤保水劑對土壤和植物作用的時效問題,保水劑對農業的環境影響問題,土壤保水劑在植物根土界面水分變化與植物效應的關系問題等;三是建立土壤保水劑應用技術規范,包括適合不同氣候、地區和土壤的保水劑最佳施用量、施用方式和施肥方式等;研究保水劑與其他旱作農業措施相結合的綜合應用技術。