本文作者：黃占斌 孫在金 單位：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院

環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)抗旱節(jié)水中的應(yīng)用

水是農(nóng)業(yè)的命脈。我國農(nóng)業(yè)年用水約4.0×1011m3,占總用水71%左右。農(nóng)業(yè)用水量中約90%為農(nóng)田灌溉,即約3.6×1011m3為我國農(nóng)田灌溉用水量上限[5]。農(nóng)業(yè)灌溉用水存在三大突出問題:一是水資源嚴(yán)重不足,制約著農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)一步擴(kuò)大,干旱問題嚴(yán)重。近年我國年受旱面積2000萬~2700萬hm2,全國中等干旱年農(nóng)業(yè)灌溉缺水3.0×1010m3。二是已開發(fā)利用的水資源浪費嚴(yán)重,寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)大田漫灌的次灌水量達(dá)1200m3•hm2以上,灌溉水利用率40%左右(發(fā)達(dá)國家80%~90%)。三是水資源遭受嚴(yán)重污染。環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)抗旱節(jié)水中的應(yīng)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(fā)較多的環(huán)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(huán)境、又供給植物水分的化學(xué)節(jié)水技術(shù)。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(shù)百倍甚至上千倍的純水,且有反復(fù)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(yīng)用與發(fā)展前景廣闊。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人們對環(huán)境保護(hù)意識有所提高,土壤保水劑的高效、低毒和價廉等優(yōu)點成為其應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其環(huán)境治理的重要選擇。

20世紀(jì)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(yīng)用取得效果后,世界各國競相研制。日本發(fā)展最快,成為世界上最大的超強吸水性樹脂生產(chǎn)國,20余家主要廠家年產(chǎn)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(qū)的土壤結(jié)構(gòu)。俄羅斯合成的保水劑用于節(jié)水農(nóng)業(yè),在伏爾加格勒每公頃使用100kg,節(jié)水50%,農(nóng)作物增產(chǎn)20%~70%。全球年產(chǎn)土壤保水劑已超過200萬t[6]。我國土壤保水劑研制和應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代中期,發(fā)展較快。土壤保水劑按照化學(xué)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(fù)合類保水劑、多功能類保水劑3類。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研制的有機無機復(fù)合保水劑,已在勝利油田長安實業(yè)(集團(tuán))公司建成3000t•a1生產(chǎn)線;中國礦業(yè)大學(xué)(北京)利用風(fēng)化煤研制出腐殖酸復(fù)合保水劑。目前土壤保水劑產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)基本成熟,可查的土壤保水劑相關(guān)專利120多項。應(yīng)用范圍從林業(yè)生產(chǎn)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(fā)和應(yīng)用非常重視,從“十五”到“十二五”的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目都列入多功能節(jié)水制劑課題。

黃占斌[6]總結(jié)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(tuán),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(xiàn)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(fù)吸水功能,但反復(fù)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(jìn)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(jié)成團(tuán)塊狀,增加土壤團(tuán)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成作用最明顯,且土壤中保水劑在0.005%~0.01%范圍時,團(tuán)聚體增加量明顯;同時,保水劑應(yīng)用會使土壤容重下降,孔隙度增加,調(diào)節(jié)土壤中的水、氣、熱狀況而有利作物生長,改善土壤結(jié)構(gòu)。加之保水劑分子內(nèi)部大量可電解羧酸鹽基團(tuán)吸水后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(fā)量和水分滲透。③土壤保水劑提高肥料和農(nóng)藥等農(nóng)化產(chǎn)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(nóng)藥中的銨離子等官能團(tuán)能被保水劑上的離子交換或絡(luò)合,以“包裹”方式把土壤中的離子包起來,減少肥料和農(nóng)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(zhì)肥料與土壤保水劑結(jié)合應(yīng)用,保水劑的保水和保肥作用都能得到充分發(fā)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(chǎn)量分別增加42.7%和33.3%,土壤保水劑加氮肥使馬鈴薯產(chǎn)量增加75%以上。近年來,我國每年農(nóng)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(nóng)藥施用量達(dá)30多萬t,其中高毒農(nóng)藥占農(nóng)藥總量的70%。農(nóng)藥平均施用量13.4kg•hm2,農(nóng)藥過量或不合理使用導(dǎo)致約70%~80%的農(nóng)藥作用于非靶標(biāo)生物或直接進(jìn)入環(huán)境。土壤保水劑對化肥和農(nóng)藥利用效率提高的研究,是治理農(nóng)田化肥和農(nóng)藥面源污染等重要的技術(shù)應(yīng)用依據(jù)。④土壤保水劑調(diào)節(jié)植物生理節(jié)水效應(yīng)原理。土壤保水劑植物效應(yīng)與保水劑的應(yīng)用方法有關(guān)。土壤保水劑處理種子是為種子提供相對濕潤的小環(huán)境,促進(jìn)植物種子發(fā)芽;土壤穴施或溝施應(yīng)用保水劑,主要是改變根土水環(huán)境,造成部分根系干旱產(chǎn)生ABA信號而調(diào)控植物生理節(jié)水。李志軍等[12]試驗證明,作物在其生長發(fā)育過程中具有適應(yīng)土壤干濕交替環(huán)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(yīng)來彌補產(chǎn)量減少或減少損傷。當(dāng)土壤保水劑應(yīng)用于土壤時,隨著土壤水分蒸散,作物根系出現(xiàn)部分低水勢,產(chǎn)生根源ABA,經(jīng)木質(zhì)部導(dǎo)管傳輸?shù)阶魑锏牡厣喜糠?在作物葉片調(diào)節(jié)氣孔開度,減少蒸騰。同時,根系經(jīng)過一定程度水分脅迫鍛煉復(fù)水后,水分傳導(dǎo)高于未經(jīng)脅迫鍛煉的對照。這兩方面作用使作物根系表現(xiàn)出補償效應(yīng)。

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(yǎng)基質(zhì)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(shù)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(yīng)用復(fù)合包衣劑后,其增產(chǎn)幅度均在13.8%以上。此外,土壤保水劑也被用作土壤結(jié)構(gòu)改良劑,改善土壤結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)肥力,提高作物抗旱力。2.1.4土壤保水劑的發(fā)展趨勢土壤保水劑的發(fā)展趨勢主要有3個方面:一是加強低成本、長效、多功能、復(fù)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(fā)以生物和原生礦物質(zhì)材料為基質(zhì),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(yīng)用技術(shù)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(chǎn)品系列。二是加強土壤保水劑的應(yīng)用基礎(chǔ)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(nóng)業(yè)的環(huán)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(yīng)的關(guān)系問題等;三是建立土壤保水劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范,包括適合不同氣候、地區(qū)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(nóng)業(yè)措施相結(jié)合的綜合應(yīng)用技術(shù)。