05-第五章-农艺节水灌溉技术-节水农业概论-山西农业大学

节水农业概论山西农业大学孙敏山西农业大学第五章农艺节水灌溉技术农艺节水技术包括农田保蓄水技术、节水耕作技术、节水栽培技术、适水种植技术、水肥藕合技术、抗旱作物品种筛选、作物合理布局、培肥地力等方面。农艺节水技术有它许多独特性：首先，它是科技工作者与广大农民群众在千百年的农业生产实践中逐渐总结出的农业节水抗旱耕作经验；其次，它易于推广，是在农民习惯的耕作技术上的改进与提高；再次，它具有投资少、见效快、易实施等特点，有许多农艺节水技术农民完全可以掌握，并能以家庭为单位组织实施，因而具有大范围、大面积推广应用的基础。由于灌溉用水大约50%消耗在田间，因此如何提高农田的蓄水能力、抑制土壤蒸发和作物奢侈蒸腾、提高作物水分利用效率是在农作物高产的前提条件下，实现节水农业的一个重要组成部分。国内外许多实践经验证明，农艺节水技术既可降低农业用水的投人成本，又能促进增产增收。据测算，采用合理耕作方式、水肥耦合方式、化学制剂控水措施等可节水30%。农艺措施还具有灌水均匀、避免土壤板结、保土保肥、调节田间小气候、减轻病虫害发生、提高地温等特点，可促使农作物增产20%以上。在干旱和半干旱地区，通过修建小水库、小塘坝、小水窖等小型水利工程，再配以深耕深松蓄水、以肥调水、合理控制群体种植密度等农艺措施，可以保证农田的稳产高产。化学节水技术化学节水技术是节水农业技术中的重要措施之一，它包括吸水保水、抑制蒸发、减少蒸腾的作用，从而在干旱胁迫时提高了降雨保蓄率和水分利用效率，具有高效节水增产的作用，是一般常规节水技术难以达到和无法替代的。化学节水技术措施包括抗旱型种子包衣剂和保水剂，土壤结构改良剂和保墒剂，黄腐酸(FA)抗旱剂等的应用。早在20世纪30年代，原苏联就开始用石脑油皂抑制土壤水分蒸发，减少水分蒸发60%~70%，到20世纪70年代中期由美国研制成了吸水性很强的保水剂，用于种子造林，种子涂层和树苗移栽等方面，取得了良好的效果。我国在20世纪60年代后期，在抑制蒸腾方面做了大量的研究工作，并研制出“土面增温剂”、“保墒增温剂”，其抑制和增温效果己达到国际水平。20世纪70年代末，我国从风化煤申提取的黄腐酸(FA)是一种极好的调节植物生长的抗蒸腾剂，具有显著的抗旱节水功能。在我国保水剂的研制始于20世纪80年代迄今为止我国已研制出了多种类型的保水剂，并在不同作物上进行了应用试验，许多品种在推广应用中获得明显的节水增产效果。有实验结果表明，玉米种子用保水剂拌种包衣播种，包衣的比对照出苗率提高20%~26%，增产26%~28%；小麦叶面喷施黄腐酸，结果叶片气孔阻力提高1.5~2.4倍，蒸腾强度降低25%~30%，产量提高了13.2%，水分利用效率提高了15.5%~25.5%。利用土壤保水剂、抗蒸腾剂等化学制剂达到节水增产目的，是节水农业的一种新途径和新方法。保水剂1抗旱型种衣剂2抑制蒸腾剂3一、保水剂保水剂又称高吸水性树脂，它与传统的吸水材料在吸水性与吸水量方面有所不同。如纸、脱脂棉、海绵、蛙石等材料主要靠物理吸附吸水，只能吸收其自身质量几倍到几十倍的水，并且稍加挤压吸附水就被挤出。而高吸水性树脂则完全不同，它是由分子主链或接枝的侧链上含有大量的亲水基团，如羧基、羟基、酰氨基等。这些亲水基团与水发生水合作用，导致网状链结构内外有较大的渗透压；又由于高吸水树脂的分子之间具有合适的交联度，使分子间形成了三维网络结构，在同性基团间由于相互排斥作用使网链扩张，水分子向树脂内部扩散，吸水率达到几百至上千倍。树脂的交联结构又保证了树脂只能溶胀不能溶解，保证了吸水凝胶的稳定性即具有保水性，这种结构也赋予高吸水性树脂吸水和释水的可逆性。这些特性使得它可以广泛地应用于农、林、医药、卫生、石油化工、污水处理、航空航天等许多领域，在农林业领域的应用就称作保水剂。(一)保水剂的分类与性能保水剂按原材料可以分为如下类别：淀粉接枝聚合物体系，纤维素接枝聚合物体系及合成聚合物体系，目前在农业上应用较多的是丙烯酸类聚合物。其中，聚合单体丙烯酸盐如果是钠型，长期使用会造成土壤中钠离子含量的递增，则对土壤和植物不利。因此，生产厂家多数现已改为生产聚丙烯酸钾或者聚丙烯酸铵。天然淀粉类由于原料丰富、价廉，主要原料有玉米淀粉和土豆淀粉，常与之接枝的有丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸醋类等。这类吸水树脂由于含有淀粉，吸水后有一定黏性，易粘到植物根部，在农业上可用作水稻蘸根抛秧，抛出的秧苗直立，且缓苗快，它还具有较好的生物降解性，成本也较低。纤维素类吸水性能较差，需要通过接枝的方法改善其吸水性。纤维素类的接枝通常有两种，其一是直接与亲水性单体接枝共聚，这种方法与淀粉接枝类似；其二是将一氯醋酸与纤维素反应引人羧甲基再用交联剂交联而成。这种方法虽然吸收率不高，同时易受微生物的分解而失去保水功能，但可以制成高吸水性织物，与合成纤维混纺，改善产品昀终性能。合成树脂类主要为丙烯酸盐系列和改性聚乙烯醇系列。丙烯盐类的吸水与淀粉等天然高分子接枝共聚物相当，但产品吸水率高，凝胶的强度大，结构稳定，产品综合性能好，目前研究较多。聚乙烯醇由于聚合物中存在有亲水性官能团，因而除了具有一般吸水性树脂的性能外，还具有其他吸水树脂所不具备的优良性能，例如耐盐性、高凝胶强度等，它与其他吸水树脂相比具有的昀大优越性在于吸水后易向土壤、沙层中释放，保持土壤的湿润性。目前，在国际市场上作为保水剂用的高吸水性树脂主要有两类：一类是淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物(简称淀粉接枝型);另一类是丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物(简称聚丙烯酰胺型)。丙烯酸盐是极其活泼的呈离子性的聚合单体，其聚合交联物吸水倍率和速率昀强，但稳定性和耐盐性差，寿命短。淀粉是天然性高分子，价格便宜且易于降解，其吸水能力较聚丙烯酸盐差，但其亲水性受水中离子浓度的影响较小。丙烯酰胺是具有极性，但又有相对惰性的单体，其聚合物吸水倍率和速率较聚丙烯酸盐差，但稳定性和耐盐性好。可见，这两类保水剂综合了上述成分的特点。保水剂产品的形态呈粉末状、片状、颗粒状、纤维状和液体状等，国内以粉末状应用为广。聚丙烯酰胺型较淀粉接枝型成本高，但寿命长。(二)保水剂的应用机理吸水倍率、速率、保水性、稳定性、凝胶强度是衡量保水剂吸水和释水性能的指标，一般来说，同样组成的聚合物交联度越低，吸水倍率和吸水速率相对越高，但其保水性、稳定性、凝胶强度则越差；反之亦然。对于农用保水剂来说不能单纯追求高吸水倍率，同样还要关注凝胶强度。因为凝胶强度决定了保水剂的吸水倍率与释水性的平衡关系。当然凝胶强度也不能过高，这样会降低吸水倍率，减缓其释水性能。凝胶强度好的保水剂吸完水后保持一定形状，不易解体，有良好的吸放水能力。因此，保水剂交联度要适当。对保水剂吸水后的释水过程研究表明，在室温条件下各类保水剂中水分都不是均匀蒸发的，前期蒸发速度较快、总量大，后期蒸发慢。对3种常用类型的保水剂研究结果如图5-4所示。在同一时间不同种类保水剂的保水性能是有所差异的。聚丙烯酸盐保水率昀高，丙烯酸-丙烯酰胺共聚物次之，淀粉-丙烯酸接枝共聚物昀低。(三)保水剂对土壤有效含水率的影响根据保水剂的吸水特性，保水剂加入土壤中可减少水分的无效蒸发，减少深层渗漏，从而提高水分利用率。然而保水剂与土壤混合后，对土壤保水能力的影响是由多种因素决定的，其中包括保水剂类型、土壤类型、保水剂施人量、施用方法、土壤含盐量、盐分类型、湛溉方式、灌水量等许多因素。通过对不同种类土壤的研究发现，当保水剂(聚丙烯酸盐类)以1/50和1/100的比例与细砂土混合时，保水剂对田间持水量和有效含水量的促迸很大，有效含水量比不加保水剂时增加1倍以上；当保水剂比例为1/500和1/1000时，有效水含量由不加保水剂时的1%增加到14%左右。但是上述结果比理论值要小很多，特别是田间持水量的理论值总是明显高于实测值，萎蔫含水量的理论值与实测值相差不是太大。对保水剂与壤土混合研究发现，在保水剂与壤土比例为1/50时，土壤的有效含水量增加了1/2；保水剂与壤土比例为1/100时，土壤的有效含水量仅仅增加了大约4%；保水剂比例为1/500和1/l000时，土壤有效含水量基本上没有变化。与砂土相比较，壤土对保水剂吸水效果的抑制作用更强一些，这是由壤土的特点，如较高的阳离子代换量、有机质含量、微生物活性等所决定。加保水剂后的萎蔫含水量理论值与实测值相差不算大，而田间持水量的理论值与实测值相差就比较明显。其原因是保水剂在未与土壤混合时吸水后体积可以自由膨胀，而当保水剂混人土壤后，在吸水过程中的体积膨胀受到周围土粒的限制，从而其吸水潜力难以充分发挥。由此可见，由于土壤质地和结构的差异造成与保水剂混合后的持水性能各不相同。对于砂土来说，与保水剂混合能够较好地减少水分的无效蒸发、保持水分，有利于作物的吸收，提高水分利用效率的效果是明显的。保水剂加入量同样对土壤有效含水量有着直接的影响，随着保水剂用量的增加，土壤的有效含水量相应增大，萎蔫含水量也随之增大。这时可能会造成低吸力范围内的有效水过多，由此对植物生长极为不利，所以保水剂的用量应该是有一定限度的。此外，当保水剂(聚丙烯酣胺类)与土壤混合后，土壤毛管水饱和时的固相、液相、气相组成发生了不同程度的变化，从总的趋势看，随着保水剂加人量的增大，土壤中的毛管孔隙度增加，即土壤中液相组成比例增大，而土壤中的固相和气相比例相对减少，使土壤容重明显降低。土壤总孔隙度的增大主要是增加毛管孔隙度(包括毛管孔隙和无效孔隙)，由此增大了土壤毛管的持水量。这说明保水剂对土壤含水率的提高机制除与其本身具有的高吸水性有关外，还在于其吸水膨胀后，对土壤物理性状的改善，尤其对土壤毛管孔隙度的提高也是使土壤含水率得到提高的一个重要因素。(四)保水剂浓度对土壤水吸力的影响通常情况下土壤的水吸力随着土壤含水量的下降而增大，土壤含水量愈接近萎蔫湿度，土壤水吸力愈大，即水分能态愈低。土壤水分特征曲线反映了土壤水分对作物的有效程度。在相同土壤水吸力下，随着保水剂用量的增加，土壤含水量相应增大。在相同含水量时，土壤水吸力随着保水剂用量增大也在增大，即水分能态随保水剂的增加而下降，这在一定程度上降低了水分的有效性。由于保水剂用量的增加使土壤水势降低，造成植物根系从土壤中吸取水分所消耗的能量大幅度增加，即植物从土壤中获取土壤水分相对要困难一些，因此这给大部分植物的生长活动带来一些影响。但这部分水分能态的下降都是在土壤低吸力段的下降，故仍属有效水的范围。在土壤中施入保水剂后，可提高土壤的含水量，尤其在低吸力范围内，土壤含水量提高得更为显著，且主要增加土壤有效水分。在土壤含水量相同的情况下，土壤水分能态随保水剂加人的浓度增大而降低;但在相同能态下，土壤含水量增加。土壤中施人保水剂后，可增强保水性，土壤饱和含水量和有效贮水量明显增加。不同浓度保水剂处理的土壤，其释放有效水分程度不同。上述结果表明，土壤中混施不同浓度的饱和保水剂凝胶，可改变土壤水分能态，增加作物可利用的有效水分，从而降低土壤水分的蒸发，提高土壤水分有效利用率和作物生产力。保水剂保持的水分只在一定保水剂浓度范围内才能被植物有效吸收利用，保水剂施用量过高会适得其反。(五)保水剂对土壤团粒结构的影响有结果表明(表5-5)将保水剂(钠类)按一定比例配成水溶液，洒在试验土上(陕西关中重壤土)搅拌均匀，使土壤保水剂含量为0·005~0.200进行不同处理，与无保水剂土样进行对照。按照Yoder法测定土壤团粒的变化，保水剂对土壤团粒结构的形成有促迸作用，特别是对土壤中0.55mm粒径的团粒结构形成昀明显。同时发现，随着土壤中保水剂含量的增加，土壤胶结形成团聚体，多以大于lmm的大团聚体状态出现，这些大团聚体对稳定土壤结构，改善土壤通透性，防止表层土壤结皮，减少土壤表面蒸发有较好作用。结果表明，团聚体含量与保水剂含量并非直线关系，当土壤中保水剂含量在0.005~0.01范围时，土壤团聚体明显增加。当土壤中保水剂含量大于0·1时，形成的团聚体含量占干土重户比例增加减缓。(六)保水剂对土壤蒸发的影响有研究表明将保水剂溶液喷洒在经风干的土壤上