生态材料在水土保持中的应用及展望

分类：农业环境论文发表 时间：2020-02-03 19:03 关注：(1)

　　摘要: 通过介绍 2 种农业生产中常用的用于水土保持的生态材料: 作物抗蒸腾剂和土壤保持剂，对其种类、作用原 理和研究应用进展进行论述，并提出几点应用建议，期望对生态材料在农业上的水土保持应用提供理论依据和实 践指导。

　　关键词:水土保持; 作物抗蒸腾剂; 土壤保水剂; 应用

　　我国是世界上干旱地半干旱土地较多的国家， 干旱土地面积占领土一半以上[1 - 3]，半干旱地区脆 弱的生态环境和人为造成的水土流失严重阻碍了当 地农业的可持续发展。如何高效合理利用水土资源 是我国尤其西北地区亟待解决的问题。生 态 材 料[4]具有良好的功能性、环保性以及经济性，作物 抗蒸腾剂和土壤保水剂是农业生产中常用于“节水 抗旱”的 2 种生态材料[5]。作物生长过程中 90% 的 水分用于蒸腾消耗，而作物抗蒸腾剂能显著降低作 物水耗从而达到节水抗旱的目的。土壤保水剂能高 度吸水保水，具有水肥保持的作用。本文对这 2 种 “保水”生态材料的最新研究应用进展进行了分析， 以期对生态材料在农业生产中的水土保持应用提供 理论依据和实践指导。

　　1 作物抗蒸腾剂

　　1. 1 作物抗蒸腾剂种类及功能

　　抗蒸腾剂又叫蒸腾抑制剂，是一类人工合成或 制造的作用于植物叶片表面，有效抑制植物蒸腾、减 少水分散失的抗旱化学物质。在农业生产中，抗蒸 腾剂的喷施能有效抑制植物体内的水分散失，使其 成为化学节水技术中的研究热点。目前已知的抗蒸 腾剂包括代谢型抗蒸腾剂、薄膜型抗蒸腾剂以及反 射型抗蒸腾剂[6 - 9]。

　　1. 2 作物抗蒸腾剂研究进展

　　自 1950 年代开始，经国内外不同时期的研究者 们对上百种抗蒸腾剂的实验筛选及应用，得到有明 显抑制蒸腾效果的大约有 20 种。以高岭土和高岭 石为主的反射材料，由于其实际应用价值低，对其研 究较少。抗蒸腾剂的研究主要是 Wilt - Pruff、Mobileaf、Vapor Gard、Folicote 等成膜型抗蒸腾剂和以 脱落酸、黄腐酸为代表的代谢型抗蒸腾剂[10，11]。

　　成膜型抗蒸腾剂较代谢型抗蒸腾剂蒸腾抑制作 用更明显，瞬时水分利用效率更高[12]，适用于程度 较轻的干旱、偶发性干旱; 代谢型抗蒸腾剂能引发植 物自身生理调节[13]，所以对于中重度干旱则使用代 谢型抗蒸腾剂效果更好。在实际应用中，对抗蒸腾 剂类型的选择要根据当地干旱程度考量。对于幼苗 期植株喷施成膜型抗蒸腾剂，抑制蒸腾、提高成活率等方面的效果均优于代谢型抗蒸腾剂，当植物萌芽 生叶后，二者的使用效果则差不多[14]。因此，抗蒸 腾剂类型的选择也要依作物的不同生长期特点而 定。施用抗蒸腾剂的浓度也对作用效果有影响。研 究证明[15]，在干旱条件下对叶子花施用 800 倍稀释 的抗蒸腾剂时抗旱效果最好，且抗蒸腾剂的浓度过 高时，并不会提高植物的抗旱性，还会在干旱胁迫初 期加速相对含水量、叶绿素含量的下降。

　　复杂的地理环境、气候条件以及繁杂的作物种 类等都会对抗蒸腾剂的应用效果产生影响，目前对 很多抗蒸腾剂的应用仍处于试验示范阶段。在实际 农业生产中主要推广黄腐酸( FA) ，其作为抗蒸腾剂 的突出代表，兼并抗蒸腾作用和促进生长作用于一 体，已在玉米、小麦、甘薯等多种作物上应用，表现出 显著的抗逆增产效果，且具有较好的经济效益[16]。

　　2 土壤保水剂

　　2. 1 土壤保水剂种类及功能

　　土壤保水剂( Super Absorbent Polymer，SAP) 是 一类能高度吸水、保水的高分子聚合物，它能迅速吸 收上千倍的水分并缓速释放供作物利用[17]。采用 这种技术经济、简便、效率高、易于推广，不仅能节水 增产还能有效缓解中国水资源短缺，其应用和发展 前景广阔。

　　土壤保水剂可以通过有机单体聚合( 如聚丙稀 酸盐) 、有机无机复合( 如凹凸棒/聚丙烯酸钠) 、淀 粉聚合( 如淀粉接枝丙稀酸钠 ) 、有机单体与功能性 成分复合( 如腐殖酸型保水剂 ) 等类型[18]。土壤保 水剂在农业生产中的水土保持作用主要是保水、保 土、保肥。研究发现[19]，保水剂对水分吸收的最大 吸水力为 13 ～ 14 kg / cm2 ，根系的吸水力有 17 ～ 18 kg / cm2 ，所以一般能避免根系水分倒流，此外，保 水剂还能反复吸水，在这个过程中保水剂吸水倍率 下降甚至失掉吸水能力。模拟降雨条件下在土壤中 加入保水剂，第一次降雨时土壤的水分入渗率较无 保水剂土壤对照处理高 43% ，土壤流失量和土壤径 流量分别较对照降低 34% 和 1% ; 第二次降雨时土 壤的水分入渗率较对照高 44% ，水分和土壤流失量 分别较对照低 5% 和 9. 4% ，保水剂具有改土保水特 性，在水土保持实践中有重要应用前景[20，21，22]。保 水剂具有吸附和离子交换作用。保水剂上的离子能 与肥料和农药中的铵离子交换或者络合，采用这种 方式把土壤中的离子包裹着，使肥料“淋失”减少， 提高了肥料利用率。研究表明[22，23]，保水剂的类型 对氮素( 尿素、铵态氮、硝态氮) 的保肥效果差别很 大，但各种保水剂与尿素等非电解质肥料混用时的 保肥效果都较好。陕西延安试验表明[24]，沟施 SAP 和尿素的马铃薯经济产量分别较对照增加 42. 7% 和 33. 3% ，而 SAP 与尿素混用使马铃薯增产达 75% 以上。

　　2. 2 土壤保水剂的研究应用进展

　　自 1969 年美国研制出淀粉型保水剂并应用于 玉米、小麦后，各国开始积极展开对保水剂的研究应 用，而中国在这方面也有了较大发展，特别是 21 世 纪以来，作为一类化学节水技术，中国对保水剂的研 发和应用非常重视，将其列为“863”节水农业重大 专项研究重点。保水剂的水土保持应用效果与多种 因素有关，包括保水剂的类型、施用方式、施用量、土 壤的性质等，为此研究者们进行了大量研究。

　　蔡典雄[25]等认为: 保水剂的吸水性质与其组成 的聚合物交联度有关，吸水倍率、速率和交联度成负 相关; 其保水性、稳定性和凝胶强度则与交联度成正 相关，在使用保水剂时要根据实际需要进行选择。 保水剂的施用方法包括根部处理( 蘸根 ) 、种子处理 ( 包衣、涂层等 ) 和土壤应用( 沟施、穴施、层施、地 面散施等) ，一般都采用后者，施用时最好避免撒在 土壤表面。对于保水剂的施用量要同时考虑到效果 和经济效益，黄占斌等[21]通过试验发现，土壤团聚 体随着保水剂的施用量从 0. 005% 增加到 0. 01% 时 明显增多，而当施用量大于 0. 1% 时，其增加速度明 显变缓。治理水土流失时保水剂施用量为 0. 1% 最 佳[26]。实际生产中对保水剂的使用可参考党秀 丽[27]试验得出的关于土壤质地、保水剂粒径、用量 与土壤有效含水量关系的数学模型。

　　保水剂对不同土壤的作用效果也可能不同，作 用于粗质地的土壤时有很好的保水效果[26，28]。此 外，保水剂的吸水倍率随土壤溶液所含离子价态和 浓度的增加而降低[18]，不同价态的离子对保水剂的 吸水率的影响表现为 Na + < K + < Mg 2 + < Ca 2 + < Fe 3 + 。土壤中的水分含量也对保水剂的使用效果有 影响[29]。在农业生产中，对于保水剂的应用要结合 当地土壤的具体情况“因材施教”。

　　3 结语

　　从理论上分析，这两种生态材料在农业生产中 的节水抗旱作用不可小觑，在未来的研究应用中，除了加强对生态材料进行基础理论研究，开发低成本， 高效率，多功能的复合生态材料; 还要根据不同环境 条件和特定的生产目标建立不同生态材料的应用指 标体系，以便实际应用中对生态材料进行选择和有 效使用; 建立对生态材料使用的应用技术规范等。 在中国“节水抗旱”的大背景下，随着可持续发展思 想和循环经济理论的重视和深化，生态材料的应用 价值和发展前景不可估量。