农业环境治理材料运用

本文作者：黄占斌 孙在金 单位：中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院

环境材料在农业抗旱节水中的应用

水是农业的命脉。我国农业年用水约4.0×1011m3,占总用水71%左右。农业用水量中约90%为农田灌溉,即约3.6×1011m3为我国农田灌溉用水量上限[5]。农业灌溉用水存在三大突出问题:一是水资源严重不足,制约着农业灌溉进一步扩大,干旱问题严重。近年我国年受旱面积2000万~2700万hm2,全国中等干旱年农业灌溉缺水3.0×1010m3。二是已开发利用的水资源浪费严重,宁夏回族自治区和内蒙古自治区大田漫灌的次灌水量达1200m3•hm2以上,灌溉水利用率40%左右(发达国家80%~90%)。三是水资源遭受严重污染。环境材料在农业抗旱节水中的应用主要是土壤保水剂和作物叶面抗蒸腾剂。可生物降解地膜也是一类近年研发较多的环境材料,属于物理性材料,这里不做深入探讨。土壤保水剂(superabsorbentpolymer,SAP)是通过改善植物根土界面环境、又供给植物水分的化学节水技术。土壤保水剂本身是一种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数百倍甚至上千倍的纯水,且有反复吸水功能,所吸的水可缓慢释放供作物利用。由于其具有操作简便、投入少、见效快和易于推广等特点,因而应用与发展前景广阔。随着经济的发展人们对环境保护意识有所提高,土壤保水剂的高效、低毒和价廉等优点成为其应用农业生产及其环境治理的重要选择。

20世纪中期,美国首先研制出淀粉型保水剂并在玉米、大豆涂层和造林应用取得效果后,世界各国竞相研制。日本发展最快,成为世界上最大的超强吸水性树脂生产国,20余家主要厂家年产10万t。英国研制出防止土壤侵蚀和保证作物需水的防蚀聚合物和保水聚合物。法国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区的土壤结构。俄罗斯合成的保水剂用于节水农业,在伏尔加格勒每公顷使用100kg,节水50%,农作物增产20%~70%。全球年产土壤保水剂已超过200万t[6]。我国土壤保水剂研制和应用始于20世纪80年代中期,发展较快。土壤保水剂按照化学组成和功能特点可分为高分子聚丙烯酸盐类保水剂、有机无机复合类保水剂、多功能类保水剂3类。中国科学院兰州化学物理研究所研制的有机无机复合保水剂,已在胜利油田长安实业(集团)公司建成3000t•a1生产线;中国矿业大学(北京)利用风化煤研制出腐殖酸复合保水剂。目前土壤保水剂产品的生产技术基本成熟,可查的土壤保水剂相关专利120多项。应用范围从林业生产推广至大田作物60多种作物,年推广面积超过20万hm2。国家对保水剂研发和应用非常重视,从“十五”到“十二五”的国家高技术研究发展计划(863计划)项目都列入多功能节水制剂课题。

黄占斌[6]总结提出土壤保水剂作用原理包括4个方面:①土壤保水剂自身吸水、保水和释水原理。保水剂吸水速度快,溶胀比大。保水剂分子含有大量羧基、羟基、酰胺基以及磺酸基等强亲水性官能团,对水分有强烈的缔合能力,纯水中的吸水溶胀比为400~1000倍或更高;保水剂保水能力强。保水方式主要包括吸水和溶胀,以后者为主;保水剂释水性能好,供水时期长。王砚田等[7]研究表明,保水剂所吸持水分最大吸水力13~14kg•m2,根系吸水力大多为17~18kg•m2,故一般情况下不会出现根系水分倒流,其中90%以上为植物最易吸收利用的水分。此外,保水剂有吸水释水干燥再吸水反复吸水功能,但反复的保水剂吸水倍率下降10%~70%或失去吸水功能。②土壤保水剂促进土壤改良和保持原理。保水剂在土壤中吸水膨胀,把分散的土壤颗粒粘结成团块状,增加土壤团聚体。黄占斌等[8]研究表明,保水剂特别对0.5~5mm粒径土壤团粒结构形成作用最明显,且土壤中保水剂在0.005%~0.01%范围时,团聚体增加量明显;同时,保水剂应用会使土壤容重下降,孔隙度增加,调节土壤中的水、气、热状况而有利作物生长,改善土壤结构。加之保水剂分子内部大量可电解羧酸盐基团吸水后网状结构撑开,可提高土壤吸水能力,增加土壤含水量。此外,保水剂能增加土壤持水能力,降低土壤水分蒸发量和水分渗透。③土壤保水剂提高肥料和农药等农化产品利用效率原理。保水剂表面分子有吸附和离子交换作用,肥料和农药中的铵离子等官能团能被保水剂上的离子交换或络合,以“包裹”方式把土壤中的离子包起来,减少肥料和农药淋失。但同时会使土壤保水剂失去部分保水能力,故土壤保水剂尽量不与锌、锰和镁等二价金属元素肥料混用。

黄震等[9]试验表明,尿素等非电解质肥料与土壤保水剂结合应用,保水剂的保水和保肥作用都能得到充分发挥。田间试验证明[10],土壤保水剂与氮肥配合使用,吸氮量和氮肥利用率分别提高18.7%和27.1%。俞满源等[11]在陕西延安的试验表明,开沟10~15cm,单施保水剂和单施氮肥的马铃薯产量分别增加42.7%和33.3%,土壤保水剂加氮肥使马铃薯产量增加75%以上。近年来,我国每年农田氮肥利用率仅30%~35%,磷肥利用率10%~20%,钾肥利用率35%~50%;我国每年农药施用量达30多万t,其中高毒农药占农药总量的70%。农药平均施用量13.4kg•hm2,农药过量或不合理使用导致约70%~80%的农药作用于非靶标生物或直接进入环境。土壤保水剂对化肥和农药利用效率提高的研究,是治理农田化肥和农药面源污染等重要的技术应用依据。④土壤保水剂调节植物生理节水效应原理。土壤保水剂植物效应与保水剂的应用方法有关。土壤保水剂处理种子是为种子提供相对湿润的小环境,促进植物种子发芽;土壤穴施或沟施应用保水剂,主要是改变根土水环境,造成部分根系干旱产生ABA信号而调控植物生理节水。李志军等[12]试验证明,作物在其生长发育过程中具有适应土壤干湿交替环境的能力,即作物在受到一定程度水分胁迫时,能够通过补偿效应来弥补产量减少或减少损伤。当土壤保水剂应用于土壤时,随着土壤水分蒸散,作物根系出现部分低水势,产生根源ABA,经木质部导管传输到作物的地上部分,在作物叶片调节气孔开度,减少蒸腾。同时,根系经过一定程度水分胁迫锻炼复水后,水分传导高于未经胁迫锻炼的对照。这两方面作用使作物根系表现出补偿效应。

主要有拌种或种子涂层、种子丸衣造粒、根部涂层(亦称蘸根)、土壤直接施用和用作育苗培养基质等方法,常用土壤直接施用法。种子包衣方法处理种子可显著提高低土壤湿度条件下的出苗率。黄占斌等[13]试验表明,施0.05%~1%土壤保水剂的土壤移栽烤烟,缓苗期缩短2d,缺水存活天数较对照多5~20d。大量试验表明,小麦、大麦、小黑麦、玉米、棉花、大豆、花生和马铃薯上应用复合包衣剂后,其增产幅度均在13.8%以上。此外,土壤保水剂也被用作土壤结构改良剂,改善土壤结构和调节肥力,提高作物抗旱力。2.1.4土壤保水剂的发展趋势土壤保水剂的发展趋势主要有3个方面:一是加强低成本、长效、多功能、复合和专用保水剂研制。针对土壤保水剂原料涨价和成本增高问题,开发以生物和原生矿物质材料为基质,抗水解且可生物降解的低成本、长效保水剂;加强土壤保水剂应用技术范围,形成拌种、土壤施用和灌水施用等不同剂型的多功能保水剂产品系列。二是加强土壤保水剂的应用基础研究,包括土壤保水剂对土壤和植物作用的时效问题,保水剂对农业的环境影响问题,土壤保水剂在植物根土界面水分变化与植物效应的关系问题等;三是建立土壤保水剂应用技术规范,包括适合不同气候、地区和土壤的保水剂最佳施用量、施用方式和施肥方式等;研究保水剂与其他旱作农业措施相结合的综合应用技术。