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。

　　2.2作物叶面抗蒸腾剂

　　作物叶面抗蒸腾剂(anti-transpirant)是能够降低植物蒸腾减少水分损失的一类化学物质。由于作物光合作用和生长保存在干物质中的水分仅占其耗水量的1%左右,90%以上水分为蒸腾消耗,因而降低作物蒸腾耗水是节水和抗旱的重要环节。

　　2.2.1作物抗蒸腾剂类型与作用原理

　　抗蒸腾剂按其性质和作用方式分为代谢型气孔抑制剂(metabolicanti-transpirant)、薄膜型抗蒸腾剂(filmforminganti-transpirant)和反射型抗蒸腾剂(reflectinganti-transpirant)3类。

　　①代谢型气孔抑制剂,能控制气孔开张度而减少水分蒸腾损失。比较有效的有2,4-二硝基酚(2,4-dinitrophenol,DNP)、整形素和甲草胺等。喷施1次DNP降低蒸腾的药效可维持12d;低浓度甲草胺可维持20~22d;CaCl2和粉锈宁等也具有较好的效果,在降低蒸腾作用的同时,对光合作用的影响不太显著,药效可维持2周左右。另一类是K+螯合剂,叶面喷施能影响保卫细胞的膨压而调节气孔运动,降低叶片蒸腾的效果明显,如地衣酸、藻酸和环己基18-冠-6等在极低浓度(10.15mol·L.1)下使大麦叶片蒸腾下降50%,环己基18-冠-6在低浓度下的效果比脱落酸(abscisicacid,ABA)还高1~2个数量级。

　　②薄膜型抗蒸腾剂,是应用单分子膜覆盖叶面,阻止水分子向大气中扩散。Davenport等[15]试验证明,用薄膜型抗蒸腾剂CS6432(一种蜡质乳液)以1.5%浓度在夹竹桃上喷1次可使蒸腾下降25%~30%,土壤水分的消耗减少40%,叶片水势升高,其效果相当于一次灌水。薄膜型抗蒸腾剂还可用于树苗移栽。用丁二烯酸对欧洲白桦、小叶椴、挪威槭和钻天杨等树苗进行处理,叶片上形成的薄腊使蒸腾在8~12d内下降30%~70%。该技术可使春季造林的季节延长2周。

　　③反射型抗蒸腾剂,是利用反光物质反射部分光能,达到降低叶面温度减少蒸腾损失的目的。目前研究使用较多的是成本低廉的高岭土(kaolin)。Abou-Khaled等研究表明,旱地小麦播种后45d叶面施用6%的高岭土溶液,叶温较对照低1~2.5℃,蒸腾降低,产量较对照有明显提高,在不同降水年份中,产量提高幅度为16.5%~27.7%。

　　2.2.2作物叶面抗蒸腾剂的研发与应用

　　经过多年筛选与应用,作物抗蒸腾剂的研发已有上百种,其中对苯汞乙酸(phenylmercuricacetate,PMA)、ABA、高岭土(kaolin)、聚氨基葡萄糖(chitosan)和黄腐酸等研究较多。国外抗蒸腾剂研究以薄膜型为主,代谢型抗蒸腾剂的研究主要是对ABA的研究较多,而对反射型抗蒸腾剂研究很少。我国20世纪60年代研究抗蒸腾剂,70年代末期以黄腐酸抗旱剂(fulvicacid,FA)研究为中心。河南省科学院化学研究所对各种FA提取分离,并命名和建立“抗旱剂1号”50t中试车间,后扩展为年产150~200t的生产厂。该研究1992年获国家发明奖,实现我国第一个代谢型抗蒸腾剂的产业化。

　　作物抗蒸腾剂研究虽然取得一定进展,但由于价格、毒性及效果等问题,至今仍处于试验示范阶段。目前生产中主要推广的是黄腐酸。黄腐酸被认为是一种兼具抗蒸腾作用和促进生长的物质。在实际生产中,中国农业科学院研发的“FA旱地龙”抗旱剂是我国目前农业抗旱节水应用最广泛的节水制剂,为国家水利部推广应用的农作物抗旱新技术。

　　“FA旱地龙”主要成分为天然资源黄腐酸,其黄腐酸含量≥8%,有效磷≥2%,并含有16种氨基酸和20多种植物所必需的微量元素,是集抗旱、抗寒、抗病和营养为一体的多功能制剂。主要应用方法有喷施、拌种或浸种、随水浇灌和与酸性农药复配。“FA旱地龙”全国年使用面积约1300多万hm2。冯建灿等试验证明,冬小麦宜用“FA旱地龙”500倍稀释液于拔节后抽穗前,视天气喷施1~2次,玉米在拔节前后视天气情况喷施1~2次。“FA旱地龙”可使粮食作物增产10%~15%,经济作物增产15%~40%,节水20%~30%,提早成熟3~7d,投入产出比在1︰15以上。

　　3、环境材料在土壤重金属污染治理中的应用

　　3.1土壤重金属污染及其危害

　　土壤重金属污染是土壤污染研究和解决的重点。随着工业、城市污染的加剧和农业施肥、污水灌溉、污泥应用的增加,土壤重金属污染日益严重,作物生长和质量越来越受到人们关注。我国受重金属污染的农业土地面积大、分布范围广。全国约2500万hm2土地受到不同程度的重金属污染,占农田总面积的1/5,污染严重的土地超过70万hm2。其中1.3万hm2土地因镉含量超标而被迫弃耕,涉及11个省市的25个地区,我国24个省(市)工矿、城郊污水灌溉区等320个重点污染区中,重金属含量超标的农产品产量占所有污染超标的农产品产量的80%以上,尤其是镉、汞、铅、铜及其复合污染尤为明显。土壤重金属污染物通过直接或间接的方式危害动、植物生长和人的健康。土壤中过量重金属大部分滞留土壤耕作层,影响植物生长。据报道,我国每年因重金属污染而导致的粮食减产量超过1000万t,被重金属污染的粮食多达1200万t,经济损失达200亿元。因为土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点,经水和植物等介质最终影响人类健康,治理和恢复难度大。

　　3.2环境材料与土壤重金属污染治理

　　重金属污染土壤修复技术发展迅速,主要包括工程措施、物理化学措施、化学改良措施和生物措施,包括植物和微生物菌剂等,其中研究与应用较多的主要是生物修复技术和化学固化修复技术。

　　化学固化修复是化学修复技术之一,原理是向土壤中加入重金属固化剂或钝化剂,改变重金属和土壤的理化性质,通过吸附、沉淀等作用降低土壤中重金属的迁移能力和生物有效性。随着可持续发展理论研究和应用的深入,重金属固化材料研究越来越受重视。目前,重金属稳定固化修复的材料主要有黏土矿物、磷酸盐、沸石、无机矿物、有机堆肥及微生物等。

　　矿物材料和有机材料对重金属有较好的稳定效应。余贵芬等研究表明,有机质能使重金属生成硫化物沉淀,也能使Cr6+还原成低毒的Cr3+。余观梅发现,施用粉煤灰钝化污泥能明显降低鸡冠花和高羊茅植株中锌、铜、锰和铅的含量。另外,胡振琪等研究和评价了黏土矿物与菌根稳定化修复重金属污染土壤的效果。

　　沸石、磷灰石、含铁矿物和磷酸盐等材料具有廉价高效和来源广泛等特点,被用作控制和修复重金属污染土壤的矿物材料。张云琦等研究表明,沸石独特的孔道结构及其所含大量可交换态阳离子对重金属铅和镉的吸附效果尤为明显;Kuznetsov等在灰森林土壤中施用沸石8~16t·hm.2,发现可移动的重金属铅、镍和铜含量明显减少;曾敏等研究发现,碳酸钙施用会显著提高土壤pH,降低土壤交换态镉含量,减少大豆对镉吸收。同时,Kumpiene等总结了应用固化材料治理土壤重金属砷、铬、铜、铅和锌污染方面的研究进展;张云龙等研究了硅素物质对土壤.水稻系统中镉行为的影响;刘昭兵等研究了赤泥对Cd污染稻田水稻生长及吸收累积镉的影响。

　　高分子保水材料是一种新发现的对重金属有固化效果的环境材料。黄占斌等研究表明,高分子化合物在直接供给作物根系水分、改良土壤结构和养分转化的同时,具有降低重金属对植物污染效应而减小作物对重金属的吸收效果。黄震等研究了环境材料(煤基营养材料A、高分子保水材料SAP、煤基复合材料FM和吸附性矿物材料FS)及复合材料对作物生长及其对土壤重金属铅、镉吸收影响。

　　结果表明,单个及复合材料处理较对照能明显减少作物对土壤重金属铅、镉的吸收,并促进作物生长。

　　高分子保水材料(SAP)及其复合材料使玉米对土壤重金属铅的吸收降低50%以上,使镉吸收量降低80%以上。高分子保水材料(SAP)及其复合材料使大豆对土壤重金属铅吸收降低69%以上,使镉吸收量降低33%以上。研究还表明,高分子保水材料(SAP)及其复合材料对重金属铅、镉固化的效应与改良土壤pH、EC、土壤有机质、速效氮磷养分及土壤脲酶、磷酸酶活性等关系密切。

　　目前对重金属污染土壤进行改良的环境材料越来越多,但相关研究多集中在单一重金属元素上,针对多种土壤重金属复合污染同时修复的研究较少。

　　同时,对环境材料修复重金属污染土壤时存在的潜在风险及钝化修复的长期田间效应研究也不足。

　　4、环境材料在盐碱地改良中的应用

　　4.1盐碱地及其危害

　　土壤盐碱化是我国农业重要环境问题之一,我国盐碱地土壤呈现面积大、分布广的特点,现有盐碱化土约1亿hm2,耕地盐碱化760万hm2,占耕地面积近1/5,分布在滨海地区和西部内陆干旱半干旱地区,还包括北方冬季应用融雪剂(主要为氯化钠、氯化钙和氯化镁)除雪造成的绿化地土壤盐碱化。

　　土壤表层含易溶性盐分超过0.6%~2.0%时为盐土,土壤盐碱化会引起植物生长伤害,造成高浓度盐分降低土壤水势而使植物吸水困难的“生理干旱”,或植物过多地吸收土壤中某种过高浓度的离子而减少其他离子的吸收,形成某种离子在植物体内积累过度使植物受害的“单盐毒害”。此外,植物受盐分胁迫会造成一系列生理代谢失调,如:光合作用受到干扰;低盐浓度促进呼吸,高盐浓度抑制呼吸;盐分胁迫下降低蛋白质合成,促进蛋白质分解和植物死亡。

　　4.2环境材料与盐碱地改良

　　盐碱地改良方法包括水利措施、物理措施、化学措施以及生物措施。施用环境材料改良土壤是现代化学措施的一种,随着循环经济和现代化工发展,其应用不断加快。

　　目前用于改良盐碱地的环境材料主要有两类:一是加钙(代换作用)环境材料,主要有石膏、磷石膏、脱硫石膏、氧化钙、石灰石、磷石膏和煤矸石等。另一类是加酸(化学作用)环境材料,主要有腐植酸、糠醛渣、硫磺、黑矾(硫酸亚铁)、粗硫酸、硫酸铝及酸性肥料等。施用石膏改良盐碱土。石膏主要成分是硫酸钙,其钙离子代换土壤胶体吸附的交换性钠离子,使钠质土变为钙质土。同时,土壤中游离的碳酸氢钠和碳酸钠经过代换形成硫酸钠随灌水洗盐冲洗掉,土壤中盐碱对作物毒害就会减轻。近年电厂烟气脱硫废弃物脱硫石膏改良盐碱地试验示范加快,如沈阳市康平县应用脱硫废弃物改良苏打碱化土壤的玉米,效果明显。宁夏银北灌区利用电厂脱硫石膏种植油葵等作物,取得良好效果。内蒙土默川地区的碱化土壤进行小麦、玉米盆栽试验,提出碱土改良时不必彻底消除交换性钠离子为目标,只要碱化度<10%就适宜作物生长。