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城市园林绿化保水剂的应用及其效果

发布时间:2017-01-02 20:01


近年来,随着园林绿化建设的迅速发展以及气候干旱、降水偏少等因素的影响,城市园林绿化的用水量逐年提高,由于缺水所导致的草坪、花卉与苗木等生长不良的现象普遍存在。面对日趋紧张的城市供水,如何节约用水,提高园林用水利用率已经成为城市园林绿化中的一个突出问题。为了科学地解决这个问题并最大限度地节约宝贵的淡水资源,使用保水剂成为目前园林绿化行业节水研究中的重要课题。


本文在介绍保水剂发展概况的基础上,重点对保水剂在城市园林绿化中的应用研究进行了综述,指出了保水剂应用中存在的问题并对其进一步的研究方向进行了探讨。


1保水剂发展概况


保水剂(WaterRetainingAgent)是一种含强亲水性基团并经过适度交联的功能高分子材料,它的最大吸水力高达1.32万~1.43万Pa,能吸收自身重量几百倍甚至上千倍的水分,而且其保持的水分85%以上可供作物吸收利用。20世纪60年代,美国农业部首次利用玉米制成淀粉接枝聚丙烯脂类保水剂,作为“改善水分状况的重要工具”在西部干旱地区推广应用,并取得良好效果。20世纪70年代以来,保水剂的研究与应用全面推广,日本在沙漠绿化、英国在水土保持、法国在土壤改良、俄罗斯在节水农业等领域应用保水剂并取得了显着成效。中国从20世纪80年代开始研制和应用保水剂,现已在60多种作物上试验示范,应用面积超过7万。


保水剂作为新型功能性材料,已被广泛应用于农林、园艺、工业、纺织、医疗卫生、人工器官、石油化工、建材、环保、食品、日用品、化妆品等多个领域。目前,由于保水剂在农业、林业、园林园艺等领域所获得喜人的应用效果,受到了国内外农林专家的高度重视,被誉为继农药、化肥、塑料薄膜之后的第四大农用化学品。


生产上使用的保水剂种类较多,主要包括2类:聚丙烯酸盐类和聚丙烯酰胺类。聚丙烯酸盐类主要以丙烯酸为聚合单体,而聚丙烯酰胺类主要以丙烯酸、丙烯酰胺为聚合单体。丙烯酸盐是极为活泼的聚合单体,含羧基,其聚合交联物吸水能力和速率很强,但耐盐和稳定性差,寿命短。丙烯酰胺是极具极性而相对惰性的单体,其聚合物吸水倍率较小,但稳定性和耐盐性较好,使用周期和寿命较长,凝胶强度高,颗粒状产品在土壤中的蓄水保墒能力可维持1年以上,甚至4~5年,是主流产品,发达国家的产品多属此类。保水剂的合成就是综合了上述成分的特定优化组合的结果。丙烯酸盐可能是钾型,也可能是钠型,钾型较钠型贵得多,但钾型比钠型好。如果其盐完全是钠型的,对植物和土壤不利。对于同样组成的聚合物,在一定范围内,交联度越低,吸水倍率和速率相对越高,其保水性、稳定性和凝胶强度就越低,反之亦然。


不同原材料,不同生产厂家,不同工艺过程生产出的保水剂,其吸水性、保水性、耐盐性、稳定性和价格相差万别。园林绿化用保水剂要根据使用对象和目的考虑这几个方面的问题进行优化筛选。例如,育苗一般选用丙烯酸盐类保水剂,吸水倍率高,吸水速度快,使用寿命为1?2年,与园林树木育苗的周期相吻合。管理中多用聚丙烯酰胺类保水剂,使用期和寿命较长,在土壤中的蓄水保墒能力维持时间长,可减少园林管理用工。


2城市园林绿化保水剂的应用及其效果


2.1拌土施用


拌土施用即在土壤中直接施用保水剂,具体分为2种方法:一是先使保水剂吸水成凝胶后拌土施用,适合干旱地区和保水保肥差的土壤采用;二是保水剂不吸水与土壤拌匀后施用,施后浇水,简便直接,适合自然降水多的地区。拌土施用的保水剂用量为土壤质量的0.1%~0.2%,绿化大苗定植时保水剂的用量以占施入范围内(植树穴)干土重的0.1%为最佳,草坪铺设用量为90kg/hm2左右\Asgha。利用再生纤维素合成的复合保水剂按1%的比例同沙土混合施用时,可使沙土的持水时间增加3倍。大面积应用时,可配合土壤耕作,采用穴施和沟施的办法,保水剂施用深度一般为15~20cm,栽植好后浇透水,使土层中的保水剂能充分吸水。


保水剂具有较强的保水和提供植物水分的释水特性,同时具有改善土壤结构,增强土壤吸水、保水和保肥能力的特点。当土壤中施加一定剂量的保水剂时,由于保水剂的强吸水性,土壤的水分含量增加,同时保水剂所吸持的水分的释放比较缓慢,因此起到了抑制土壤水分蒸发的作用。保水剂施用在土壤中,吸水后体积膨胀,土壤的体积也明显增加,这种膨胀效应有利于改善土壤紧实度,调节土壤透气性。另外,Sojka等发现在土壤中施入保水剂能够促进土壤中微生物活动,提高土壤养分的利用效率。重要的是,保水剂还能促进土壤团粒结构的形成,提高土壤渗透系数,适当提高土壤坚实度,降低土壤容重,从而有效改善土壤状况。例如,在进行边坡恢复时,可利用保水剂拌土和其他辅助材料在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统,然后再喷播草种。保水剂吸收和保持土壤中的水分,改善边坡植被生长的生态环境,从而大大提高了边坡植被恢复的可能性。


在保肥方面,杜建军等研究了土壤中施用保水剂后尿素氨挥发以及尿素、磷酸二氢铵、氯化钾养分淋溶损失的变化。结果表明,与未施用保水剂的空白土壤相比,保水剂的使用增加了土壤吸附氮、磷和钾的能力,土壤氨挥发和氮、磷、钾淋溶损失显着减少,使土壤的保肥能力和供肥能力都得到了提高。黄凤球等的研究表明,保水剂拌土可有效降低植物的蒸腾速率,提高植物的叶片水势,增加植物叶绿素含量,增加光合强度,降低叶片相对电导率。梁砚清等使用保水剂处理仙客来,发现保水剂能延缓土壤的干旱出现时间,且使用保水剂的仙客来植株叶片比未使用保水剂的厚绿。在万寿菊、矮牵牛等露地栽培时,土中拌入保水剂可有效减少灌溉水量,促进花卉整齐生长与开花,提高花卉质量。在北方地区,施用保水剂的草坪返青期可提前10d,绿色期延长约20d。


2.2拌基质施用


在基质栽培中,由于基质对水分、养分的吸持能力有限,水分无效蒸发严重,容易产生盐害,过量灌溉引起营养液或肥料养分直接排入地表、地下水体,不仅造成水和肥料的浪费,还会加重水源污染。因此,降低水分和肥料的淋溶渗漏量,提升水肥利用效率是解决这些问题的根本。利用保水剂的节水保水和对养分、农药的缓释性能,开发具有节水保肥、缓释养分或农药的复合基质是国内外这一研究领域的重要课题。拌基质施用与拌土施用类似,可以用干燥的保水剂或凝胶与其他基质材料按一定比例混合。研究表明,一般按基质体积计,用量为0.5?4g/L。


将保水剂与肥料、农药等进行混合或使用保水剂对肥料进行包膜,形成具有缓释作用的颗粒,施用后能控/缓释肥料、农药的有效成分,延长肥料、农药的作用时间的研究表明,交联聚丙烯酰胺具有一定的密封性、养分缓释性、保水性,可作为控释肥料的包膜材料,还可用醋酸乙烯乙酯做密封剂可进一步提高交联聚丙烯酰胺包膜材料的控释性能。李雅丽[28]在糊化淀粉和丙烯酸盐及丙烯酰胺共溶液中加入微量元素锌肥或硼砂,制成的400~600g,g-1吸水倍率、90?120g.g-1吸0.19%NaC丨溶液的保水肥料,是一种保水缓释微肥。Kay海藻酸钠溶液中加入硝酸铵,通过凝胶化作用包埋和吸附硝酸铵肥料,最终形成的海藻酸钠氮肥能显着降低氮素的淋失。邢海洪等用氧化乐果乳油与保水剂按1:4比例混配,防治杨十星吉丁,效果显着。


将保水剂与营养液按一定体积分数搅和均匀成凝胶状,再与其他基质按比例混合形成的基质,其保水保肥效果显着,用于基质育苗效果显着。谢勇等研究发现,保水剂应用于无土栽培基质,可以增加基质的持水量,从而减少灌溉次数和水分的浪费,提高水分利用效率,节省人力、物力和财力。张华君也发现培养基质中施加保水剂能促进高羊茅(Fensfucaarundinacea)、百喜草(Paspalunnotatumflugge)、白三叶(Trifoliumrepens)等草坪植物的出苗和株高的生长,并能显着增加其地上部分生物量。陈宝玉等研究表明,在干旱胁迫条件下,用保水剂处理过的爬山虎的叶水势与电导率成周期性降低趋势,有效缓解了水分对植物的胁迫。杜建军等研究表明,保水剂应用于基质栽培,其功能是多方面的,主要包括增加基质持水量,减少渗漏损失;改变基质空隙度状况,协调基质固、液、气三相组成;促进根系发育,增强植物吸水能力;减少基质表面蒸发,延长植物萎蔫天数,增加抗旱能力;提高光合效率;减少水肥损失,同时提高水肥利用效率;促进植物生长,改善品质。


2.3种子包衣或造粒


种子包衣是先按体积分数0.15%的保水剂和体积分数2%的水量制成保水剂水凝胶,然后浸入种子,静置一段时间后捞出晾干,种子表面即形成一层薄膜包衣。种子造粒是将保水剂与化肥、微肥、农药以及粉碎均匀过筛的腐殖土按质量分数1%配比掺和均匀,再将用保水剂水凝胶包衣的种子与混合好的土按1:3的重量比在制丸机中造粒。


用保水剂对植物种子进行包衣、造粒后再播种,能较好地改善种子及幼苗根系周围的生态环境,促进优质种苗的形成。马哓娣等用保水剂包衣、造粒的鸡冠花种子进行研究,同时用未用保水剂包衣的鸡冠花种子作为对照,实验表明,用保水剂包衣、造粒的鸡冠花种子的出苗率比对照种子提高4.2%和5.5%,出苗时间缩短1~2d。同时幼苗的株高、叶片的长度和宽度、主根的直径和侧根数等均高于对照,但主根的长度低于对照,说明保水剂的保水作用促进了根的增粗,一定程度上限制了根的伸长,有利于形成优质壮苗。


2.4蘸根涂层


蘸根涂层是把保水剂制成浓度为0.75%~11%的水凝胶液,充分搅拌和吸水后将裸根苗放入浸蘸后取出,这样可以在根部表面形成一层保水剂凝胶保护膜,防止根部干燥,延长植物萎蔫期。这种方法主要应用于绿化苗木的移栽和运输。


裸根苗在保水剂凝胶中浸泡30s后,可保证苗木根系在10h内不失水,提高栽植成活率。苹果、山楂、油松等使用保水剂蘸根处理后,其移栽成活率提高12%~60%。马哓娣等在鸡冠花幼苗移栽时进行保水剂蘸根处理,发现保水剂有利于缓苗和形成壮苗,促进植株的生长发育,花径增大,花色鲜艳,花期延长。


2.5花木保鲜


在保水剂中添加成膜剂、杀菌剂、除氧剂等做成保鲜剂或涂覆剂,涂于用作切叶切花切枝生产的植物材料切口处,可达到保水保鲜的效果。


富贵竹产品装前需要进行根部保湿处理,目前美国海运采用保水剂保湿,保水剂与水按比例1:150吸水6h,膨胀后加入2~3cm厚,装箱。孙玉霞等采用保水剂浸沾月季切花枝叶,并对切花的蒸腾量、呼吸速率以及保鲜期等进行测定与观察。结果表明用保水剂处理不同开放度的月季切花,可减少日蒸腾量4.49%~28.54%,降低呼吸速率15.61%~25.49%,延长保鲜期2~6d。


保水剂在花卉生产中的应用可显着延长花卉的保鲜期,增加观赏价值,是提高花卉生产经济效益和社会效益的重要途径,值得推广应用。


3保水剂在城市园林绿化应用研究中存在的问题与展望


保水剂因其独有的特性,吸水倍率大,保水能力强,无毒、无刺激等而在城市园林绿化中得到越来越广泛的应用。但也必须清楚保水剂不是万能的,不能认为施用了保水剂就可以不用灌溉,因为保水剂必须在有水的情况下才能发挥作用,而且保水剂的用量也不是越多越好,必须控制在一定的用量范围之内,否则反而会适得其反。目前,保水剂在城市园林绿化上的应用研究尚有许多问题有待深入研究。


1)保水剂生产成本高,推广应用缓慢。目前,我国生产保水剂的技术都比较单一,而且由于原料选择范围小,使得生产成本较大,产品价格偏高,推广应用缓慢,加上缺乏有效的质量评价标准,作为保水剂统一生产与应用的规范,许多企业生产的保水剂性能和质量相差很大。因而今后应通过改进生产工艺,开发新的廉价合成原料,研制出吸水能力强,吸水速度快,持效性长,价格低廉,适应范围广的系列产品,真正促进保水剂在园林生产上大面积应用。


2)缺乏保水剂使用的成套技术。目前,保水剂市场上种类繁多,良莠不齐,加之保水剂作用的发挥受到多种因素的限制,如土壤质地、养分条件、气候、灌水模式等,导致保水剂的施用量没有统一的标准,而且由于保水剂的宣传力度不够,许多用户对产品知之甚少,施用方法不当,作用不明显,为保水剂的推广使用增加了难度。探讨不同条件下保水剂的最佳施用量、施用方式,才能减少浪费,充分发挥保水剂的效益。另外,使用保水剂应与其他栽培措施相配合,针对不同的情况合理搭配。


3)缺乏保水剂对园林植物作用的系统研究。保水剂的应用研究资料较多,但绝大部分集中在保水剂在不同植物上的应用效果。由于保水剂种类繁多,在使用过程中又受到不同植物、不同自然条件和不同使用方法的影响,得到的结果缺乏代表性。在水一土一植物系统中,保水剂不仅有水的吸收和释放的功能,还有许多其他方式对植物产生作用,如:影响土壤对肥料的吸持和释放,影响土壤空隙率、毛管持水量、土壤团粒结构等多种土壤物理特性。系统研究保水剂对植物的生长发育的综合应用,才能对保水剂的合理使用提供有效的指导。


4)缺乏针对性强的专用保水剂。虽然保水剂种类繁多,但这是对保水剂的组成而言。在实际应用中,不同情况下对保水剂的要求差异很大,如:在拌种或种子包衣时要求保水剂对种子发芽无毒害,并且应有一定的促进作用;在保水剂蘸根时要求保水剂有足够的黏性和吸水倍数;在与肥料一起使用时要求保水剂有强的耐盐性;在一般沟施或穴施时希望保水剂能长期有效。一般保水剂的生产厂家往往声称其产品能应用于多种场合,但并未进行针对性的开发。


随着我国城市环境建设水平的提高,园林绿化面积将不断增加并发展到立体绿化,城市园林绿地灌溉用水量逐年增加、城市生态环境用水供需矛盾更加突出。因此,发展节水型园林,把喷灌、微灌等先进的灌溉技术和保水剂应用结合起来,提高园林绿地灌水利用效率是缓解用水供需矛盾的重要途径。这为保水剂在城市园林绿化中的应用提供了广阔的空间。


作者:阚玉景,杜建军,李永胜

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