聚丙烯酸钾小麦抗旱保水剂基本特性研究

孔子尧 葛琳 李建军 李友亮 邵泽广 侯坤 李金中 王德鹏 姜雪

摘 要：保水剂作为“微型水库”，在小麦生产上具有非常重要的应用效果。在室内实验条件下，比较研究了聚丙烯酸钾小麦抗旱保水剂在纯水、不同浓度土壤浸出液、不同pH水溶液及不同浓度尿素、氯化钾溶液中的吸持水特性。结果表明，保水剂在蒸馏水中的吸水倍率最大，并且保持相对稳定;在土壤浸出液及尿素、氯化钾溶液中，随着浓度的增大，吸水倍率和吸水速率呈下降趋势;当水溶液pH=7时，保水剂的吸水倍率最大，其次是pH=8和pH=6;保水剂在尿素溶液中的吸水倍率大于氯化钾溶液，12h的失水速率缓慢且保持平稳。

关键词：抗旱保水剂;吸水倍率;吸水速率;小麦

中图分类号 S482.99;S512.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）21-0178-04

目前生态环境恶化主要问题是洪涝灾害和干旱缺水，特别是水资源短缺将成为制约我国农业经济和社会发展的重要因素。我国水资源总量28000多亿m3，居世界第6位，但人均水资源占有量只有2300m3，约为世界人均水平的1/4，干旱缺水成为我国尤其是北方地区的主要自然灾害。同时，干旱缺水已成为我国农业稳定发展和糧食安全供给的主要制约因素。

农业生产受到降水量的制约，如何减少土壤水蒸发、提高水资源利用效率是当前农业发展亟待解决的问题，而保水剂（Super Absorbent Poly-mer SAP）是一种能吸收自身重量数百倍甚至上千倍水分的新型功能性高分子材料，因其分子结构交联，使得吸收的水分不能被简单的物理方法挤出，故有很强的保水性。此外，保水剂中的水分可以被农作物根系直接吸收，起到节水保肥、疏松土壤、增产增收的效果，在农业抗旱节水方面中具有广泛的应用前景。保水剂又称土壤保水剂，既可以保水保肥，也可以保温和改善土壤结构，无毒无害、保墒省水、使用寿命长、吸水速度快、水肥利用率高是保水剂的重要特性。从化学结构来看，保水剂三维网络上含有-COONa、

-COOH、-OH等亲水基团，-COONa、-COOH基团遇水发生解离，产生-COO-和Na+、H+等离子，由于高分子链上的-COO-不能向水中扩散，而网络中的Na+离子浓度高于水中的Na+离子浓度，产生了浓度差，使高分子聚合物网络外部的水向网络内部渗透，以达到网络内外Na+浓度的平衡;其次，由于解离后网络上-COO-之间同性离子浓度变大，产生斥力，使网络吸水扩张，同时网络上的亲水基团-COO、-OH、-CONH2可与H2O形成氢键，当保水剂遇水后可以迅速吸收和贮存较多的水，形成水凝胶，因此农业上将其比喻为“微型水库”。保水剂能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效，因此使用时要综合考虑其吸水倍率、吸水时间、释放水能力，循环作用周期等。笔者主要探讨研究了保水剂的一些基本特性及其在小麦生产中的应用效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料 聚丙烯酸钾小麦抗旱保水剂，不规则粉末状。

1.2 保水剂性能测定

1.2.1 最大吸水倍率 （1）蒸馏水中最大吸水倍率。精确称量0.2500g保水剂样品于150mL干燥的锥形瓶中，加入100mL蒸馏水，静置12h后用纱网封口，将锥形瓶中的流动水倒出，保水剂和锥形瓶整体增加的重量即是最大吸水量。称量干燥锥形瓶的重量m1（g）和保水剂吸水后与锥形瓶的总重量m2（g）。此处理设5个重复。

最大吸水倍率Maxabsorbent ratio（g/g）=（m2-m1-0.25）/0.25

（2）土壤浸出液中最大吸水倍率。盆栽试验土样风干后过1mm土筛，从中称量100g土样，按照土水比1∶5、1∶4、1∶3、1∶2、1∶1加入蒸馏水，搅拌15min，静置12h后过滤，取浸提液，然后按照上述方法计算最大吸水倍率。此处理设3个重复。

1.2.2 吸水速率 （1）梯度用水量下不同时间的吸水速率。精确称量0.2500g保水剂样品5份分别置于5个150mL干燥的锥形瓶中，分别加入10、20、30、40、50mL蒸馏水，分别在第1、2、4、8、16、32min时称量计算其吸水量。

（2）土壤浸出液中吸水速率。盆栽试验土样风干后过1mm土筛，从中称量100g土样，按照土水比1∶5、1∶4、1∶3、1∶2、1∶1加入蒸馏水，搅拌15min，静置12h后过滤，取浸出液。精确称量0.2500g保水剂样品于150mL干燥的锥形瓶中，加入60mL浸出液，静置10min后用纱网封口，将锥形瓶中的流动水倒出，称量干燥锥形瓶的重量n1（g）和保水剂吸水后与锥形瓶的总重量n2（g）。此处理设3个重复。

Absorption rate（g/min）=（n2- n1-0.25）/10

（3）不同pH水溶液的吸水速率。用稀释的NaOH和H2SO4溶液（0.1mmol/L）配置pH值分别为5、6、7、8、9、10、11的水溶液。精确称量0.1000g保水剂样品于150mL干燥的锥形瓶中，加入50mL水溶液，静置30min后用纱网封口，将锥形瓶中的流动水倒出，称量干燥锥形瓶的重量v1（g）和保水剂吸水后与锥形瓶的总重量v2（g）。此处理设3个重复。

Absorption rate（g/min）=（v2-v1-0.25）/30

（4）尿素水溶液及氯化钾水溶液的吸水速率。尿素及氯化钾各称量5、10、15、20、25g，将其完全溶解到1L水中，配制成浓度分别为5、10、15、20、25g/L的尿素水溶液和氯化钾水溶液。精确称量0.2500g保水剂样品于150mL干燥的锥形瓶中，分别加入不同浓度的尿素水溶液或氯化钾水溶液50mL，加50mL蒸馏水作对照，静置30min后，按照上述方法计算吸水速率。此处理设3个重复。

1.2.3 保水性能 分别精确称量0.1000g和0.2500g保水剂样品于300mL干燥的烧杯中，加入100mL蒸馏水，静置12h后用纱网封口，将锥形瓶中的流动水倒出，称量干燥烧杯的重量n0（g）和保水剂充分吸水后与烧杯的总重量n1（g）。实验室条件下，每隔12h称量失水后的保水剂与烧杯的总重量n2、n3、n4、n5。

1.3 数据处理 所有数据图表均采用Excel进行绘制。

2 结果与分析

2.1 保水剂在蒸馏水及土壤浸出液中的吸水倍率 衡量保水剂应用性能的重要指标之一是吸水倍率，而在土壤浸出液中的吸水倍率在实际农业生产应用中更尤为重要。由图1可知，保水剂在蒸馏水中的吸水倍率很大，接近250倍，并且相对保持稳定，重复之间没有显著差异;而在不同浓度的土壤浸出液中，保水剂的吸水倍率随着浓度的增大而减小，并且在每个处理中的吸水倍率明显小于在蒸馏水中的吸水倍率。保水剂在不同浓度的土壤浸出液中的吸水倍率最大是保水剂在蒸馏水中吸水倍率的72.3490%。因为土壤中含有一定量的肥料，即土壤浸出液也属于肥料溶液。保水剂分子中含有大量的羧基（-COOH）、羟基（-OH）等强亲水性官能团。聚合物在未接触水之前是固态网束，当高分子束与水接触后，强亲水性基团与水分子发生水合作用，使高分子束张展，展张了三维空间网内外离子的浓度差，从而造成了网状结构内外产生渗透压，水分子在渗透压的作用下向网结构内渗透。土壤浸出液中的离子与羧基（-COOH）、羟基（-OH）等强亲水性官能团的相互作用促使内外离子的浓度差变小，渗透压降低，这可能是导致土壤浸出液中的吸水倍率较小的主要原因。

2.2 保水剂的吸水速率

2.2.1 5个梯度用水量下不同时间的吸水速率 保水剂的吸水速率是保水剂性能和实用性的重要方面。由图2可知，5个处理的吸水量都是随时间的增加呈增加趋势，并随着处理中水量的增加在相应时间段的吸水量较大。保水剂在初始阶段的吸水是通过毛细管吸附和分散作用来实现的，吸水速率很低。之后在水分子的作用下，其分子表面的亲水性基团电离并与水分子结合成氢键，并固定了一定量的水分。电离作用使得分子链上都带有负电荷，电性相排斥引起分子结构的膨胀，电离出的阳离子也在分子内和分子外产生渗透压差。在两者的共同作用下，外部水分进一步进入分子内部，在分子网状结构的网眼内贮存起来。用水量增加即是水分子数量的增加，促进了分子结构的膨胀和渗透压的增大，提高了保水剂的吸水速率。由表1可知，保水剂在不同时间段的吸水速率随着用水量的增大而上升，并且在第1min的吸收速率最大，之后随着时间的延长而下降，前4min的吸收速率都较高。这是由于随着时间的延长，膨胀压和渗透压减小的缘故。

2.2.2 保水剂在土壤浸出液中的吸水速率 保水剂在土壤浸提液中的吸水能力一方面能够反映保水剂的综合耐盐碱性能，另一方面可以反映出其施用到土壤中的实际效果。由图3可知，10min内保水剂在土壤浸出液的吸水速率随着浓度的升高呈下降趋势。结合保水剂结构和吸水机理可知，当水中出现一定浓度外加电解质时，降低了水中离子与吸水网络的离子浓度差，特别是Ca2+在浓度较小时就可与吸水网络上的-COO-结合或与其上的Na+进行离子交换形成难电离物，使网络上的羧基所带负电性大大减少，从而阻止了网络的吸水膨胀，网络吸水动力变小，贮水空间减小，使保水剂吸水率降低。土壤浸出液中含有一定量的肥料离子和一定浓度的Ca2+ ，并随土壤浸出液的浓度的提高而增大，减弱网络吸水动力，促使吸水速率降低。

2.2.3 不同pH水溶液对保水剂吸水速率的影响 保水剂在不同pH溶液中吸水能力的大小在一定程度上可以反映其在酸性或碱性土壤中的应用效果。由图4可知，当水溶液pH=7时，保水剂的吸水速率最大;当pH为6、8、9时，保水剂仍保持较大的吸水速率;当pH<5及pH>10时，吸水速率明显下降。通过拟合多项式趋势线可以看出，强酸环境使保水剂的吸水速率明显下降，强酸性环境对保水剂吸水速率的负作用较大。因为吸水剂的吸水基团主要是-COONa，强酸条件下，-COONa上的Na+有可能被H+所置换，从而导致保水剂内部Na+浓度下降，使得保水剂内部及溶液中的渗透压下降，最终导致吸水率的下降。而在强碱条件下，不存在这个问題，因此碱性条件对保水剂吸收能力的影响不如酸性条件明显。

2.2.4 保水剂在尿素水溶液和氯化钾水溶液的吸水速率 由图5可知，随着尿素水溶液和氯化钾水溶液的浓度变大，保水剂的吸水速率呈现下降趋势且均小于其在蒸馏水中的吸水速率;相同浓度的氯化钾水溶液对保水剂吸水速率的负影响大于尿素水溶液。这是由于保水剂表面分子有吸附、离子交换作用，保水剂对K+、NH4+和NO3-有较强的吸附作用，吸水基团-COONa、-COONa上的Na+有可能被K+所置换。亲水离子对是高吸水树脂能完成吸水全过程的动力因素，从而使得保水剂内部及氯化钾水溶液中的渗透压下降，而在尿素水溶液下不存在这个问题，因此尿素水溶液对保水剂吸水速率的负作用不如氯化钾水溶液明显。

2.3 保水剂的保水性能 保水剂的保水能力指的是吸水后的膨胀体保持其水溶液不离析的能力，是反映所获溶液是否能被充分地利用并长期加以应用的一项重要指标。由图6可知，2个处理的保水剂失水缓慢稳定，释放速度缓慢，2个处理分别在12.5d和30.5d失水完全，保水性能较好。

3 结论与讨论

研究结果表明：保水剂在蒸馏水的吸水倍率最大，并且保持相对稳定;不同浓度的土壤浸出液中，保水剂的吸水倍率随着浓度的增大而减小，且最大吸水倍率是保水剂在蒸馏水中吸水倍率的72.35%。5个梯度用水量下不同时间吸水量呈上升趋势，保水剂在不同时间段的吸水速率随着用水量的增大而上升，并且在第1min的吸收速率最大，之后随着时间的延长而下降，前4min的吸收速率都较高。10min内保水剂在土壤浸出液的吸水速率随着浓度的升高呈下降趋势。保水剂在水溶液pH为6～9时保持较大的吸水速率，在pH<5及pH>10时吸水速率明显下降。随着尿素水溶液和氯化钾水溶液的浓度增加，保水剂的吸水速率呈现下降趋势，且均小于其在蒸馏水中的吸水速率。

保水剂吸水是因为保水剂分子中含有大量-COOH、-OH、-COONa等强亲水性官能团，主要的作用基团-COONa通过与水分子作用电离，在渗透压的作用下水分子向保水剂分子内部渗透。当溶液中含有离子时，作用促使内外离子的浓度差变小，渗透压降低，降低吸水倍率和吸水速率。电解质盐溶液对保水剂吸水倍数有着十分明显的影响，电解质阳离子所带电荷数越多，其对保水剂吸水倍数的抑制作用越明显;当所带电荷数相同时，阳离子的原子量大，其影响也较大，这是由于外部溶液的离子强度越大，保水剂内外的渗透压差就越小，保水剂的吸水能力越低。不同的土壤浸出液浓度、不同pH值、不同的肥料溶液都是因为水中的离子浓度的改变影响保水剂的吸水倍率和吸水速率。而保水剂的失水性能与很多因素有关，如温度、空气湿度、溶液浓度、保水剂本身的分子结构等。在小麦生产中，有效利用保水剂具有促进增产增收的效果。使用适量的保水剂可有效减缓小麦的衰老，提高小麦光合作用，从而保证小麦的生理活动，可以很好地协调产量构成因素的大小关系，使得穗数、穗粒数和粒重处于一个最佳的比例状态，从而使得小麦高产。由此可见，在小麦种植区大力推广应用保水剂，不仅能够保障粮食增产增收，确保粮食安全，还能够提高社会效益和保护生态环境。

参考文献

[1]Johnson，M.S.，Veltkamp，C.J.，Structure and functioning of water-storing agricultural polyacrylamides[J].Journal of the Science of Food and Agriculture， 1985，36：789-793

[2]王亚飞，毕红梅.保水剂的应用现状及发展前景[J].黑龙江八一农垦大学学报，2006（5）：77-80.

[3]赵俊国.保水剂在玉米上的示范应用效果[J].现代农村科技，2021（4）：105，113.

[4]魏云浩，李宇鹏，李进，等.保水剂的发展前景[J].现代农业研究，2019（3）：52-54.

[5]许婧雅.保水剂在土壤中的应用[J].福建农业，2015（6）：183-184.

[6]董成武，张叶子，李武波，等.新型复合保水劑对干旱胁迫下小麦幼苗生长和生理特性的影响[A].中国作物学会.第十九届中国作物学会学术年会论文摘要集[C].中国作物学会：中国作物学会，2020：1.

[7]蒙玺，李绍才，孙海龙.人工土壤环境下保水剂性能的衰减[J].江苏农业科学，2017，45（17）：205-208.

[8]余高，陈芬，谢英荷，等.有机-无机复合保水材料对旱地麦田土壤水分及酶活性的影响[J].节水灌溉，2018（10）：9-13，19

[9]陈加利，王键，王春梅，等.不同离子和酸碱度对保水剂吸水性能的影响[J].生物化工，2021，7（1）：16-22.

[10]佘晓云，王亚菲，石岩.凹凸棒石保水剂对旱地小麦生长发育的影响[J].耕作与栽培，2017（4）：1-3.

[11]Flory P J. Principles of Polymer Chemistry[M].New York： Cornell University Press，1953.

[12]范震，丁新惠，赵丹，等.玉米秸秆基纤维素保水剂对土壤持水性能及冬小麦根系生长的影响[J].中国农学通报，2021，37（17）：51-57.

[13]张蕊，白岗栓.保水剂在农业生产中的应用及发展前景[J].农学学报，2012，2（7）：37-42，78.

[14]魏蓉，田晓飞，翟胜，等.包膜尿素与保水剂配施对冬小麦生长和氮素利用的影响[J].土壤通报，2020，51（4）：936-942.

（责编：徐世红）