使用聚合物能否改善退化土壤的物理-水力性质？

《Soil Science Society of America Journal》：Can the physical-hydraulic properties of degraded soil be improved using polymers?

沙质土壤超级吸收聚合物（SAP）应用率与湿干循环交互作用对物理水力性质的影响。柱实验显示，SAP最佳应用率为2.4 g/kg，经6次湿干循环后土壤密度降低4%-9%，孔隙结构优化（大孔隙减少28%，微孔隙增加20%），有效水分提升40%-50%，为退化砂土修复提供新策略。

　　土壤退化是全球农业和生态环境面临的重要问题之一，尤其是在干旱和半干旱地区，土壤的物理和水力特性往往受到严重影响，导致土壤结构松散、水分保持能力差，从而影响植物的生长和土壤的生态功能。为了应对这一挑战，近年来，研究者们开始关注一种新型的土壤改良材料——超吸水聚合物（Superabsorbent Polymer, SAP）。SAP是一种具有高吸水能力的材料，能够在土壤中吸收大量水分并将其保持在土壤结构中，从而提高土壤的水分可用性，改善土壤的物理结构，增强其持水能力和透气性。本研究旨在探讨不同SAP施用量与反复湿润干燥（Wetting and Drying, W/D）循环次数对退化沙壤土的物理和水力特性的影响，评估其在改善土壤功能和生态服务中的潜力。

### 土壤物理和水力特性的改善

研究采用了沙壤土作为实验对象，该土壤来源于巴西塞阿拉州的Quixadá地区，具有典型的沙壤特征，即粗砂占比45%、细砂28%、粉砂8%、黏土19%。这种土壤由于过度放牧、缺乏植被覆盖以及侵蚀现象，导致土壤结构破坏，物理和水力特性较差。实验中，研究人员将不同施用量的SAP（0、0.15、0.30、0.60、1.20和2.40 g/kg）与土壤混合，并将其置于PVC柱中，进行不同次数的湿润干燥循环（1、3、6和9次）。实验结果表明，随着SAP施用量的增加，土壤的物理和水力特性得到了显著改善。

首先，土壤容重（Bulk Density, BD）是衡量土壤紧实程度的重要指标。研究发现，在六次湿润干燥循环后，最高SAP施用量（2.4 g/kg）使土壤容重降低了4%–9%，显著优于对照组。这种容重的降低可能与SAP对土壤颗粒的分散和重新排列有关，SAP在吸水膨胀时能够促进土壤颗粒之间的相互作用，形成稳定的结构，从而减少土壤的紧实度。此外，随着SAP施用量的增加，土壤总孔隙度（Total Porosity, TP）也有所提高，尤其是在0.15 g/kg及以上的施用量下，TP增加了20%。这表明，SAP的加入能够有效改善土壤的通气性和水分保持能力，提高土壤的孔隙空间，从而为植物根系的生长提供更有利的条件。

其次，土壤的微孔隙度（Microporosity, Micro）和大孔隙度（Macroporosity, Macro）也发生了显著变化。微孔隙度在0.15 g/kg及以上的SAP施用量下显著增加，尤其是在2.4 g/kg的高施用量下，微孔隙度增加了28%。大孔隙度则在SAP施用量增加后有所减少，尤其是在0.15 g/kg及以上时，Macro减少了20%。这一现象可能与SAP在湿润状态下膨胀形成更多的微孔结构有关，而大孔隙度的减少则可能是由于SAP的物理结构改变了土壤颗粒之间的排列方式，从而减少了大孔隙的空间。然而，这种变化在六次湿润干燥循环后更为显著，说明SAP的效应在多次循环中得到了强化。

### 植物可用水分的提升

植物可用水分（Plant Available Water, AW）是衡量土壤水分供给能力的关键指标。实验结果表明，随着SAP施用量的增加，土壤的AW显著提高。在0.15–0.6 g/kg的SAP施用量下，AW提高了12%–33%，而在最高施用量（2.4 g/kg）下，AW提高了40%–50%。这一结果具有重要的农业意义，因为提高土壤的水分可用性可以直接提升作物的产量和生长效率。此外，AW的增加不仅有助于植物的水分吸收，还能增强土壤的抗旱能力，使其在干旱条件下仍能维持一定的水分供给，从而改善土壤的生态功能。

研究还发现，SAP的施用量与湿润干燥循环次数之间存在显著的相互作用。例如，在六次湿润干燥循环后，2.4 g/kg的SAP施用量显著提高了土壤的水分保持能力，而在九次循环后，这一效应则进一步增强。然而，值得注意的是，当施用量较低时，湿润干燥循环对AW的影响并不显著。这可能是因为在低施用量下，SAP的吸水能力不足以对土壤水分供给产生显著影响，而随着施用量的增加，SAP对土壤结构的改变更为明显，从而增强了其对水分的保持和供给能力。

### 土壤结构的改善与生态服务的提升

土壤结构的改善是SAP作用的重要表现之一。研究表明，SAP能够促进土壤颗粒的聚集，形成稳定的土壤结构，从而提高土壤的通气性和排水能力。例如，在六次湿润干燥循环后，2.4 g/kg的SAP施用量显著增加了土壤的总孔隙度，并改善了土壤的结构稳定性。这一现象可能与SAP的物理和化学特性有关，其吸水膨胀和收缩过程能够促使土壤颗粒重新排列，形成更稳定的结构。

此外，SAP对土壤的结构稳定性也有积极影响。研究发现，在0.30 g/kg的施用量下，土壤的聚集度（Degree of Flocculation, DF）显著提高，达到81%。这一结果表明，SAP不仅能够改善土壤的物理结构，还能通过促进土壤颗粒之间的结合，增强土壤的稳定性。在多次湿润干燥循环后，DF的变化更加明显，尤其是在高施用量（2.4 g/kg）和六次循环条件下，DF达到了84%。这说明，SAP的长期应用能够进一步增强土壤的结构稳定性，提高其对侵蚀和风化等自然因素的抵抗能力。

### SAP在干旱地区土壤修复中的应用潜力

在干旱和半干旱地区，土壤的水分保持能力是制约农业生产的主要因素之一。因此，SAP的应用具有重要的现实意义。研究表明，SAP能够在湿润干燥循环中持续发挥其作用，尤其是在高施用量和多次循环条件下，其对土壤物理和水力特性的改善更为显著。例如，在六次湿润干燥循环后，2.4 g/kg的SAP施用量使土壤的水分可用性提高了50%，这一效果显著优于对照组。这种提高不仅有助于植物的生长，还能增强土壤的生态服务功能，如水分调节、养分保持和碳固存等。

然而，SAP的应用也需要注意其对土壤通气性的影响。虽然微孔隙度的增加有助于提高土壤的水分保持能力，但大孔隙度的减少可能会影响土壤的排水能力，从而增加土壤的饱和风险。因此，在实际应用中，需要根据土壤的具体条件和作物的需求，合理控制SAP的施用量和循环次数，以达到最佳的土壤改良效果。

### 结论与建议

综上所述，SAP在改善退化沙壤土的物理和水力特性方面具有显著的潜力。不同施用量和湿润干燥循环次数的组合能够有效提高土壤的水分可用性、孔隙度和结构稳定性，从而增强土壤的生态服务功能。然而，SAP的施用量和循环次数需要根据土壤的具体条件进行优化，以避免对土壤通气性和排水能力造成负面影响。此外，SAP的长期效果和环境安全性也是需要进一步研究的方向，尤其是在高施用量和复杂环境条件下。未来的研究可以进一步探讨SAP在不同土壤类型和气候条件下的应用效果，以及其对土壤微生物群落和植物生长的影响，以期为干旱地区的土壤修复提供更加科学和可持续的解决方案。