干旱是一个全球性问题，是限制农业生产、威胁粮食安全的重要因素^[1]。全球约有29.45%的土地处于极度干旱条件，并随着全球气候变化在逐年加剧。松嫩平原是我国工农业的“粮仓”，其风沙土比例为7.5%^[2]，大大影响粮食产量的提升。因此，采取有效的节水措施是缓解干旱和半干旱地区缺水状况的重要需求。

保水剂(super absorbent polymers，SAP)是一类功能性高分子聚合物，具有膨胀和保留土壤水分的能力，可有效改善干旱危机^[3-4]，已被广泛应用于生物工程、生物医学、食品工业、水净化和林业等领域^[5]，是旱地农业一项重要的非工程节水技术^[6-8]。作为土壤改良剂，SAP被广泛应用于干旱、半干旱及风沙土区，以提高土壤的保水能力和雨水的利用效率。大量研究表明，保水剂通过改善土壤团粒结构、降低土壤饱和导水率、提高土壤蓄水能力，抑制土壤水分蒸发^[9-11]。王昱程等^[12]研究发现，3种保水剂使风沙土水分垂直渗吸时间延长134%~390%，渗透系数减小65%~85%。马晓凡等^[13]通过盆栽试验验证了SAP在风沙土中具有良好的保水保肥性能，对油菜增产贡献达10. 85%。Zheng等^[14]最新的Meta分析数据表明作物增产效率和土壤保水能力取决于SAP的特性。

市售SAP类型、粒径及推荐用量千差万别，使其保水性能在不同环境条件下作用效果存在较大变异^[15-16]。目前的研究主要关注于保水剂类型及用量对作物生长发育和土壤肥力、结构等方面的影响，而SAP在土壤中是如何影响土壤有效水的，仍尚待解决，对高施用剂量SAP土壤中有效水效率的评估缺少科学数据。笔者以4种常用SAP为研究对象，通过比较不同SAP类型、粒径、用量及三者互作条件下，风沙土田间持水量、凋萎系数和有效水含量的差异，评价不同SAP处理在风沙土中的持水特性，明确实际生产中保水剂的合理选择，激发东北旱区低产农田旱地作物增产潜力。

吉林省松原市位于吉林省西北部，松嫩平原南部，属于温带大陆性季风气候，年均气温为4.5 ℃，年均降水量为451 mm，春季干旱多风，夏季湿热多雨，耕地土壤大致可分为黑钙土、草甸土、风沙土、盐碱土、沼泽土、泥炭土等6个土类。

供试土样取自吉林省松原市前郭县乌兰图嘎镇万宝山村(E 124°29′, N 44°51′)风沙瘠薄农田表层0~20 cm。土壤肥力指标见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 供试土壤基本理化性状 Tab. 1 Soil physicochemical properties pH 电导率 Electrical conductivity/ (μS·cm-1) 有机质 Organic matter/(g·kg-1) 碱解氮 Alkaline nitrogen/(g·kg-1) 全磷 Available phosphorus/(mg·kg-1) 砂粒 Sand (0.02~2 mm)/% 粉粒 Silt (0.002~0.02 mm)/% 黏粒 Clay (＜0.002 mm)/% 土粒密度 Bulk density/(g·cm3) 田间持水量 Field capacity/% 7.6 251.9 8.9 55.2 4.5 94.5 1.9 3.6 1.55 28.42

表 1 供试土壤基本理化性状 Tab. 1 Soil physicochemical properties

选取4种市面上常见保水剂：地津高效抗旱保水剂(地津，Dijin)、东营沃特农林保水剂(沃特，Wote)、安信农林保水剂(安信，Anxin)和旱宝贝高效土壤保水剂(旱宝贝，Hanbaobei)。处理包括小粒径(0.18~0.40 mm)和大粒径(0.40~0.84 mm)2种粒径级别。保水剂基本化学性状见表 2。

表 2(Tab. 2)

表 2 4种保水剂基本化学性质 Tab. 2 Basic characteristics of tested SAP 保水剂类型 SAP 粒径 Particle size/mm 吸液类型a Absorbent type pH 电导率b Conductivity/ (Ec×105 dS· m-1) 离子质量摩尔浓度Ion concentration/(cmol·kg-1) K+ Na+ Ca2+ Mg2+ CEC 地津Dijin 0.18~0.40 A 6.28 1.00 0.002 0.897 0 0.997 1.896 B 7.21 301.33 0.026 1.057 0 2.844 3.927 0.40~0.84 A 6.70 0.97 0.001 0.650 0 0.810 1.461 B 6.77 538.00 0.027 1.657 0 1.504 3.188 沃特Wote 0.18~0.40 A 7.11 1.00 0.718 0.288 4.421 2.062 7.489 B 7.25 741.67 0.669 0.258 19.042 3.953 23.922 0.40~0.84 A 7.14 0.99 0.701 0.323 6.093 0.772 7.888 B 7.24 617.33 0.723 0.309 28.374 1.352 30.757 安信Anxin 0.18~0.40 A 6.28 1.00 0.051 1.070 0 0.524 1.645 B 7.21 301.33 0.021 0.914 0 2.431 3.367 0.40~0.84 A 6.24 1.00 0.038 0.988 0 0.227 1.252 B 7.14 379.33 0.022 1.016 0 4.879 5.917 旱宝贝Hanbaobei 0.18~0.40 A 6.81 1.07 0.838 0.054 0 0.845 1.737 B 6.83 391.00 0.564 0.057 0 3.384 4.004 0.40~0.84 A 6.75 0.97 0.767 0.056 0 0.728 1.551 B 6.72 557.00 0.691 0.072 0 4.080 4.843 注：a) A和B为保水剂吸取的水溶液，分别为蒸馏水和0.9%NaCl溶液；b) pH、电导率、K+、Na+、Ca2+、Mg2+和CEC依据文献[11]介绍的方法进行测定。Notes: a) A and B are aqueous solutions of water retainer aspirates, distilled water and 0.9% NaCl solution, respectively; b) pH, conductivity, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, and CEC were determined according to the method described in the literature [11].

表 2 4种保水剂基本化学性质 Tab. 2 Basic characteristics of tested SAP

土样风干后过2 mm的筛，将保水剂按质量比分别为0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%和6.0%与风沙土混匀，同时以不加SAP为对照处理，每处理3个重复。将混合样装入环刀(100 cm³)并压实，至其土粒密度与原始土壤的土粒密度相一致。

将各处理按土粒密度为1.55 g/cm³装入环刀中浸水至饱和，待上部土壤有水膜析出后，将环刀取出置于沙盘中静置24 h，并称量，然后置于105 ℃烘箱中烘至恒质量，根据农业行业标准(NY/T1121.22—2010)计算得到田间持水量。凋萎系数采用间接测定法，即称取20 g土样平铺于铝盒底部，将铝盒平置于下部放有饱和硫酸钠(土液比为1 ∶3，g ∶mL)的恒温干燥器内，将恒温箱调至20 ℃，吸湿1周后称量，重新放入箱内继续吸水，每隔2 d取出称量，直至2次质量差＜0.005 g，于105 ℃烘箱中烘干至恒质量后称量，得到土壤最大吸湿系数，再乘以1.5计算得到。土壤有效水含量由田间持水量与凋萎系数做差计算所得。

利用BONC DSS软件对数据进行多因素方差分析，运用SigmaPlot 14.0软件作图，图中数据均为平均值±标准差。

SAP类型、颗粒大小、用量及其交互作用对土壤田间持水量影响较显著。不同保水剂间田间持水性能差异较显著，总体趋势为Dijin>Anxin>Wote>Hanbaobei，其中Dijin处理对风沙土田间持水量提升最大，相较对照平均增辐为891%；且田间持水量与SAP用量存在显著的正相关，在相同用量条件下，施用小粒径SAP的处理田间持水量普遍高于大粒径处理(表 3)。

表 3(Tab. 3)

表 3 保水剂类型、粒径、施用量对凋萎系数、田间持水量和土壤有效水含量影响的多因素分析 Tab. 3 Multifactor analysis for the effects of SAP type, particle size, application dosage on wilting coefficient, field water-holding capacity and available soil water capacity 处理 Treatment 田间持水量 Field water-holding capacity 凋萎系数 Wilting coefficient 土壤有效水 Available soil water capacity 类型Type of SAP 地津Dijin 281.74 a 6.33 b 275.12 a 沃特Wote 163.62 c 5.87 d 157.09 c 安信Anxin 267.25 b 7.33 a 259.81 b 旱宝贝Hanbaobei 125.20 d 6.10 c 120.26 d 用量Dosage/% 0 28.42 g 4.00 fg 24.43 g 0.2 66.57 f 4.18 f 61.46 f 0.5 105.62 e 4.49 e 101.45 e 1.0 169.09 d 5.06 d 164.20 d 2.0 255.81 c 6.20 c 249.48 c 4.0 370.82 b 9.10 b 362.47 b 6.0 469.84 a 11.81 a 458.00 a 粒径Particle size/mm 0.18~0.40 229.35 a 6.21 b 223.67 a 0.40~0.84 189.55 b 6.60 a 182.47 b 显著性描述, P值Significant description, P-Value 类型×粒径Type × Size 0 0 0 类型×用量Type × Dose 0 0 0 粒径×用量Size × Dose 0 0 0 类型×粒径×用量Type × Size × Dose 0 0 0 注：小写字母表示不同类型保水剂和用量间的显著差异，显著性水平为0.05，下同。Notes: The lowercase letters indicate significant difference between SAP types and different dosages at the significant level of 0.05, the same below.

表 3 保水剂类型、粒径、施用量对凋萎系数、田间持水量和土壤有效水含量影响的多因素分析 Tab. 3 Multifactor analysis for the effects of SAP type, particle size, application dosage on wilting coefficient, field water-holding capacity and available soil water capacity

随着Dijin和Anxin用量的加大，田间持水量呈线性增加，大小粒径SAP处理间的田间持水量无规律性变化，但施用小粒径Hanbaobei和Wote处理随着用量的增加持水性能优势更显著。4%用量条件下，小粒径Hanbaobei田间持水量是大粒径的3.67倍，而Wote用量增至1%后田间持水量增长率逐渐增大，且小粒径处理增速高于大粒径处理(图 1)。

图 1(Fig. 1)

图 1 保水剂对风沙土田间持水量的影响 Fig. 1 Effects of SAP on field water-holding capacity of aeolian sandy soil

由表 3可知，不同类型SAP的添加均对风沙土凋萎系数产生了显著影响，与对照相比，施用Dijin、Wote、Anxin和Hanbaobei后，土壤凋萎系数分别增加2.33%、1.87%、3.33%和2.10%，表明Anxin对风沙土具有最优的改土性能，2因素及3因素交互作用对凋萎系数的影响均达到显著性水平，可见，保水剂对土壤的保墒性能并非单因素决定，而是多因素协同作用的结果。

与图 1变化趋势不同，随施用量的增加，4种SAP对凋萎系数影响的变化趋势为：当用量小于0.5%时，凋萎系数增幅缓慢；而当田间用量达到1%之后，凋萎系数增幅显著提高。在用量相同的情况下，大粒径SAP对凋萎系数的影响显著大于小粒径。对于Wote品牌保水剂，随着施用量的增加，大小粒径之间的凋萎系数差异也随之增大，最大差值达1.59%(图 2)。由此可知，SAP组分和用量可能会使风沙土土壤基质势产生变异，进而影响其凋萎系数。

图 2(Fig. 2)

图 2 保水剂对风沙土凋萎系数的影响 Fig. 2 Effects of SAPs on the wilting coefficient of aeolian sandy soil

与以上结果一致，SAP类型、粒径、用量及其交互作用对土壤有效水含量也具有显著影响；受SAP类型影响，土壤有效水含量增幅由大到小依次为Dijin、Anxin、Wote和Hanbaobei，分别为对照的11.26、10.63、6.43和4.92倍；不同粒径处理间呈现显著差异，与田间持水量结果表现一致。从土壤有效水保持方面考虑，小粒径保水剂则是最佳选择(表 3)。

由图 3可知，土壤水有效含量与SAP施用量之间存在着显著的线性正相关，且其变化速率在不同SAP类型间变幅较大。具体表现为：小粒径处理条件下，SAP类型对土壤有效水容量增幅呈现Dijin>Anxin>Hanbaobei>Wote，而对于大粒径处理，则为Dijin > Anxin> Wote> Hanbaobei；总体上，用量6.0%的Dijin小粒径处理增幅最大，可达2 412.8%。

图 3(Fig. 3)

图 3 保水剂对风沙土土壤有效水的影响 Fig. 3 Effects of SAP on the soil available water capacity of aeolian sandy soil

近年来，关于作物生产体系中保水剂的应用主要集中在其对土壤保水保肥性能和作物生长发育的影响2方面^[17-18]。笔者发现，4种SAP在提高土壤保水能力方面存在显著差异，其中，Dijin和Anxin在改善土壤水分状况方面表现优异，说明SAP成分的差异是影响其性能的关键因素之一。已有研究结果表明，不同Ca²⁺或Mg²⁺含量的SAP在非饱和多孔介质中水分的萃取性和持水性方面存在显著差异^[11]，尤其是土壤有效水，与SAP的组成、结构和交联强度等特性密切相关^[19]。而文中Dijin和Anxin的离子类型和交换性(CEC)在4种SAP之间并未呈现出规律性差异，表明该保水剂可能对阳离子交换更敏感，保水性能受离子类型或数量的影响较大。这与早期研究SAP的膨胀系数取决于其所具备的价态、类型和数量这一结果一致^[8]；如黏土含量较高的土壤中的Ca²⁺和Mg²⁺可取代SAP中的K⁺和Na⁺，从而降低SAP的吸水性^{[9, 11]}；据此可知，造成土壤水分状况差异的主要因素可能是SAP中的Na⁺和K⁺的含量，而Dijin和Anxin中的K⁺含量明显低于Wote和Hanbaobei，Na⁺含量却与之相反(表 2)。说明风沙土中保水剂间的膨胀能力差异是由一价阳离子差异造成的而非二价阳离子^[8]。该结论不仅为SAP提升风沙土有效水含量提供直接证据，还初步阐明了该土壤类型下高性能SAP类型的选择原则，为专用型保水剂的进一步研发提供理论支撑。

不同粒径的SAP在田间持水量、抑制蒸发率和保墒能力方面没有显著差异^[20]，但与粗颗粒相比，细颗粒因其比表面积大，吸水能力强，吸水速度快，且小颗粒的吸附和解吸曲线之间不会出现显著的滞后性^[21]。笔者研究发现，施用小粒径SAP的土壤吸水持水性能远高于施用大粒径处理(表 3)，然而，SAP颗粒越细，成本越高。这也极大地制约保水剂的田间适应性施用。同时，SAP是一种亲水性大分子，具有多孔结构，颗粒吸水溶胀过程中，推动力使土壤基质中的空间增大，土壤孔隙水增多，且土壤含水量随着SAP施用量增加而增大^[9]。这与本研究结论相一致。对于风沙土区，当SAP用量高于1%时，土壤田间持水量增幅显著提高；且6.0%施用剂量的Dijin处理可使土壤有效水含量增幅达2 412.8%，不考虑投入成本的前提下，保水剂用量越多越有利于旱区丰产。当然，对于孔隙水较少的土壤，高剂量的SAP可能会加剧其与作物吸水之间的竞争^[22]，反而使土壤水分下降，对作物的生存和产量产生不利影响。因此，SAP施用量对土壤保水性能的影响比SAP类型和粒径更大，考虑到SAP的经济效益和成本投入之间的匹配关系，建议依据土壤类型，将SAP的应用比例控制在1.0%~2.0%为宜。

本研究旨在研究风沙土土壤条件下，SAP种类、粒径、用量及其相互作用对有效土壤水容量的影响。结果表明，虽然SAP类型、粒径、用量3者存在交互作用，可显著提高土壤的可用水量，但与SAP类型和粒径相比，施用量可能是影响土壤水分有效性的主导因素；同时，该土壤水分状况与SAP类型密切相关，尤其是Dijin和Anxin，因高Na⁺、低K⁺改善土壤吸水性能；在粒径选择上，小颗粒对土壤的持水性能更具优势。此外，建议将耕作措施、土壤类型与保水剂种类、粒径、剂量进行耦合，通过长期田间试验进行合理施用来提升低产农田作物产量。