保水劑吸水、釋水及吸肥特性研究

楊靜靜，王秀峰，2，3*，魏珉，4，楊鳳娟，4，史慶華，2

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018

2.作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

3.農(nóng)業(yè)部黃淮地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

4.農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，山東泰安271018

保水劑吸水、釋水及吸肥特性研究

楊靜靜1，王秀峰1，2，3*，魏珉1，4，楊鳳娟1，4，史慶華1，2

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018

2.作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

3.農(nóng)業(yè)部黃淮地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

4.農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，山東泰安271018

本文以北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供的4種規(guī)格交聯(lián)聚丙烯酰胺類(lèi)保水劑為試材，研究了不同規(guī)格保水劑在不同濃度溶液中吸水、釋水及吸附大量元素的性能。結(jié)果表明：隨溶液濃度增加，保水劑的吸水倍數(shù)、吸水速率及其反復(fù)吸水倍數(shù)均呈降低趨勢(shì)；釋水速率在前36 h，越來(lái)越大，48 h與60 h之間，越來(lái)越??；吸附N、P元素呈先上升后下降，K元素表現(xiàn)出持續(xù)上升趨勢(shì)。中小粒徑保水劑的吸水倍數(shù)、吸水速率及其反復(fù)吸水倍數(shù)受溶液濃度影響較大；粒徑越大，釋水速率越大，吸附N、P和K元素均先增大后減小。供試保水劑材料中等粒徑B規(guī)格保水劑在吸水、釋水和吸附大量元素方面均顯著優(yōu)于其他規(guī)格保水劑。

保水劑；吸水；釋水；吸肥；溶液濃度

近年來(lái)，隨保水劑研究的不斷深入和應(yīng)用面積的不斷擴(kuò)大，保水劑以其較好的節(jié)水、保肥效果，越來(lái)越受到人們的關(guān)注［1］。國(guó)外預(yù)言保水劑將會(huì)成為繼化肥、農(nóng)藥、薄膜之后的第四大農(nóng)用化學(xué)品［2-4］。

保水劑又稱(chēng)土壤保水劑、高吸水劑、保濕劑、高吸水性樹(shù)脂、高分子吸水劑等，是利用強(qiáng)吸水性樹(shù)脂制成的一種超高吸水保水能力的高分子聚合物［5］，通過(guò)滲透壓和親水基團(tuán)，可吸自身重量上百倍天然水，將水吸入網(wǎng)格不能用簡(jiǎn)單物理方法擠出，具有超強(qiáng)的保水性，而且其保持的水分80%～95%可供作物吸收利用［6］。其本身無(wú)毒副作用，在自然界中能被微生物降解利用，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響［7，8］。目前，生產(chǎn)保水劑的廠家眾多，國(guó)家亦還沒(méi)有出臺(tái)保水劑產(chǎn)品的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了保水劑的使用者了解保水劑的特性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中正確使用保水劑，使其發(fā)揮最大的效果。本文對(duì)北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供的4種規(guī)格交聯(lián)聚丙烯酰胺類(lèi)保水劑（主要成分為丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聚物Cross-Link Copolymer acrylamide and Acrylmate Potassium，CLP）在不同濃度溶液中浸泡，對(duì)其吸水、釋水特性及其吸附大量元素性能方面進(jìn)行了研究。

1　材料與方法

1.1試材

保水劑（交聯(lián)聚丙烯酰胺類(lèi)，CLP），規(guī)格以粒徑大小分為：0.4～1.6 mm；1.6～2.8 mm；2.8～4.0 mm；4.0～5.2 mm。4種規(guī)格保水劑試驗(yàn)中分別記作A、B、C、D（以下相同），由北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供。

處理所用溶液為不同劑量的Hoagland標(biāo)準(zhǔn)配方營(yíng)養(yǎng)液。

1.2測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1保水劑吸水倍數(shù)的測(cè)定保水劑的吸水倍數(shù)是指單位質(zhì)量的保水劑在過(guò)量水（或溶液中）吸水飽和后所吸收水的重量（g·g-1），它表示保水劑的被動(dòng)吸水能力［9］。稱(chēng)取4種規(guī)格保水劑各0.2 g（W1），分別浸入過(guò)量的0，1/4，1/2，3/4，1單位濃度的溶液中，浸泡24 h充分吸脹后，經(jīng)尼龍網(wǎng)過(guò)濾至不再有水滴滴下為止，將凝膠稱(chēng)重（W2），計(jì)算4種規(guī)格保水劑的吸水倍數(shù)（P），每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.2保水劑吸水速率的測(cè)定吸水速率是指單位重量保水劑在單位時(shí)間內(nèi)能吸收相當(dāng)于自身重量倍數(shù)的水溶液，是衡量保水劑能否快速吸水的一個(gè)重要指標(biāo)［10］。按照測(cè)定吸水倍數(shù)的測(cè)定方法，稱(chēng)取保水劑各0.2 g（W1），分別置于過(guò)量的0，1/4，1/2，3/4，1單位濃度的溶液中靜置吸水，依次在10、20、30、40、50和60 min進(jìn)行過(guò)濾稱(chēng)量（W2），計(jì)算得到保水劑在不同時(shí)間段的吸水量，計(jì)算單位重量單位時(shí)間的吸水量即吸水速率（V），每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.3保水劑反復(fù)吸水倍數(shù)的測(cè)定反復(fù)吸水倍數(shù)是指單位質(zhì)量保水劑吸水-干燥-再吸水-再干燥的可逆反應(yīng)［11］。稱(chēng)取保水劑各0.2 g，分別浸泡在過(guò)量的0，1/4，1/2，3/4，1單位濃度的溶液中浸泡12 h吸脹，經(jīng)尼龍網(wǎng)過(guò)濾至不再有水滴滴下，稱(chēng)取重量，然后將其置于75℃條件下烘干10 h，稱(chēng)重，計(jì)算第1次吸水倍數(shù)。然后再放回原溶液中充分吸脹，如此吸脹-烘干-吸脹，反復(fù)測(cè)試3次，分別計(jì)算第2次、第3次吸水倍數(shù)，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.4保水劑自然風(fēng)干釋水速率的測(cè)定保水劑的釋水速率，是指單位重量單位時(shí)間的釋水量，是保水劑含蓄水分后對(duì)水分保蓄能力的直觀體現(xiàn)［12］。稱(chēng)取10 g在不同濃度溶液充分吸脹后的不同規(guī)格保水劑凝膠放于已知重量的培養(yǎng)皿中（W0，W0=10 g+培養(yǎng)皿重），置于室溫下，每12 h稱(chēng)重Wi（i=1，2，3……），W0-W1就是第一個(gè)12 h后所釋放的水量，以后的釋水量就是Wi-1-Wi，依次可得到一次飽和吸水后保水劑在不同時(shí)間段的自然風(fēng)干釋水量，計(jì)算單位重量單位時(shí)間的釋水量即釋水速率（R），每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.5保水劑吸附大量元素能力的測(cè)定稱(chēng)取保水劑各0.2 g，分別在100 mL的0，1/4，1/2，3/4，1單位濃度溶液浸泡24 h后過(guò)濾，量取濾液體積并測(cè)其N(xiāo)、P、K的量和原營(yíng)養(yǎng)液的N、P、K的量，計(jì)算單位重量保水劑對(duì)N、P、K的吸附量。

1.2數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖；采用方差分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1保水劑的吸水倍數(shù)

從圖1可以看出，在0單位濃度溶液（蒸餾水）中，4種規(guī)格保水劑吸水倍數(shù)都在200 g·g-1以上，其中B規(guī)格吸水倍數(shù)最高，為305 g·g-1，A、C與D規(guī)格分別比B低15.3%，7.0%和29.1%，差異顯著。當(dāng)保水劑放入含有溶質(zhì)的溶液中后，吸水倍數(shù)顯著下降。隨溶液濃度增加，保水劑吸水倍數(shù)逐漸降低；保水劑粒徑增大，吸水倍數(shù)有降低趨勢(shì)，粒徑越大吸水倍數(shù)下降差異越顯著；但在蒸餾水中，其趨勢(shì)有所不同，粒徑中等規(guī)格（B，C）吸水倍數(shù)較大。

圖1　溶液濃度及保水劑規(guī)格對(duì)保水劑吸水倍數(shù)的影響Fig.1 Effects of solution concentration and specifications on absorption multiple of water retaining agent

2.2保水劑的吸水速率

由圖2可知，A、B、C、D 4種規(guī)格保水劑的吸水速率表現(xiàn)出顯著差異，保水劑粒徑增大，吸水速率變小。且溶液的溶質(zhì)有無(wú)，明顯影響保水劑的吸水速率。在溶液濃度逐漸增加時(shí)，其吸水速率均表現(xiàn)出逐漸變小，在延長(zhǎng)的不同吸水時(shí)間內(nèi)均表現(xiàn)了相同趨勢(shì)。溶液濃度對(duì)大粒徑保水劑（C、D）吸水速率的影響更小，在延長(zhǎng)的不同時(shí)間內(nèi)變化幅度也較?。欢×奖Ｋ畡┑奈俾适苋芤簼舛扔绊戄^大，特別是A規(guī)格保水劑，表現(xiàn)更顯著，隨吸水時(shí)間延長(zhǎng)，不同溶液濃度間的吸水速率差異仍然顯著。

圖2　溶液濃度及保水劑規(guī)格對(duì)保水劑吸水速率的影響Fig.2 Effects of solution concentration and specifications on absorption rate of water retaining agent

2.3保水劑的反復(fù)吸水倍數(shù)

保水劑具有反復(fù)吸水的功能，從圖3中可以看出，A，B，C，D 4種規(guī)格保水劑的反復(fù)吸水倍數(shù)表現(xiàn)出顯著差異。隨吸水次數(shù)增加，吸水倍數(shù)減?。徊⑶艺麴s水比有溶質(zhì)的溶液對(duì)保水劑的反復(fù)吸水倍數(shù)影響表現(xiàn)更顯著。隨溶液濃度增加，反復(fù)吸水倍數(shù)差異有變小趨勢(shì)。大粒徑保水劑（D規(guī)格）在較高濃度的溶液中，反復(fù)吸水倍數(shù)的變化較??；而小粒徑保水劑受溶液濃度影響較大，特別是B規(guī)格保水劑的差異在各濃度中均表現(xiàn)顯著。

圖3　溶液濃度及保水劑規(guī)格對(duì)保水劑反復(fù)吸水倍數(shù)的影響Fig.3 Effects of solution concentration and specifications on repeated absorption multiple of water retaining agent

2.4保水劑的釋水速率

從圖4中可以看出，A，B，C，D 4種規(guī)格的保水劑在室溫條件下，自然風(fēng)干的釋水速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸減小。4種規(guī)格保水劑在前36 h時(shí)，隨著溶液濃度增加，釋水速率逐漸增加，而在48 h和60 h時(shí)，隨著溶液濃度的增加，釋水速率有逐漸變小的趨勢(shì)，60 h時(shí)差異更明顯。在延長(zhǎng)的不同時(shí)間段，小粒徑保水劑A的釋水速率在不同濃度溶液間的差異比其他規(guī)格顯著變小，大粒徑（C、D）的差異顯著增大。

圖4　溶液濃度及保水劑規(guī)格對(duì)保水劑釋水速率的影響Fig.4 Effects of solution concentration and specifications on release rate of water retaining agent

2.5保水劑對(duì)大量元素N、P、K的吸附作用

從表1中可以看出，A，B，C，D 4種規(guī)格的保水劑隨溶液濃度增大，吸附N、P元素的量呈先增加后減小，吸附K元素的量為逐漸增大。4種保水劑吸附N、P元素最多的溶液濃度為1/2或3/4，吸附K元素最多的溶液濃度為1個(gè)單位。保水劑粒徑的大小顯著影響對(duì)N、P、K元素的吸附量，隨著粒徑的增大，N、P、K元素吸附量先增大后減??；B規(guī)格對(duì)N、P的吸附量最大，C規(guī)格對(duì)K的吸附量最大。

表1　溶液濃度及保水劑規(guī)格對(duì)保水劑NPK吸附量的影響Table 1 Effects of solution concentration and specifications on absorbing N,P,K of the water retaining agent

3　討論與結(jié)論

保水劑的吸水、釋水特性是評(píng)價(jià)保水劑性能的重要指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，不同種類(lèi)的保水劑由于材料、粒徑等不同，其吸水特性也不同。保水劑屬于一種彈性凝膠，吸水速率主要取決于保水劑表面結(jié)構(gòu)、外形和顆粒大?。?3］。本研究所用的4種不同粒徑規(guī)格的試材，隨溶液濃度增加，保水劑粒徑由小到大，其吸水倍數(shù)、吸水速率和反復(fù)吸水性能均呈降低趨勢(shì)。在有溶質(zhì)的溶液中，保水劑粒徑越大，吸水倍數(shù)越??；在蒸餾水中，其趨勢(shì)有所不同，粒徑中等（B、C）吸水倍數(shù)較大，說(shuō)明粒徑大小不是影響保水劑吸水倍數(shù)的唯一因素，還受保水劑外形、結(jié)構(gòu)及水溶液的濃度等因素的影響。保水劑的吸水速率隨粒徑增大，逐漸減小，而溶液濃度逐漸增加時(shí)，吸水速率也表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)；大粒徑保水劑（C、D）的吸水速率在延長(zhǎng)的不同時(shí)間段內(nèi)變化較小，而小粒徑保水劑（A）降低幅度比較大。

保水劑的反復(fù)吸水性是研究其保水能力的重要參考，反復(fù)吸水能力的大小反映了保水劑有效使用期的長(zhǎng)短［12］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨反復(fù)吸水次數(shù)的增加，吸水倍數(shù)逐漸減??；且隨溶液濃度增加，吸水倍數(shù)也逐漸減小。保水劑的釋水速率越小，說(shuō)明保水劑的保水能力越強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)保蓄土壤中水的貢獻(xiàn)越持久［13］。在室溫條件下，保水劑自然風(fēng)干時(shí)，釋水速率隨時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸減小。4種規(guī)格保水劑在前36 h，隨溶液濃度增大，釋水速率增大，后期隨溶液濃度增大，釋水速率變小。

保水劑作為一種高吸水性樹(shù)脂，其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，使其同樣可用于控制肥料養(yǎng)分的釋放［14-16］。保水劑施到土壤中時(shí)，還可以吸附肥料、土壤中的養(yǎng)分離子或分子，防止養(yǎng)分流失，將養(yǎng)分保存在土壤中，對(duì)養(yǎng)分供應(yīng)起到一定的緩釋作用［17-20］。保水劑吸附元素能力是體現(xiàn)保水劑保肥效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。保水劑在不同濃度溶液中浸泡時(shí)，其分子中的親水基團(tuán)搶先吸收大量的水分，同時(shí)也吸收了一部分離子養(yǎng)分，最終與溶液中的水分和養(yǎng)分達(dá)到動(dòng)態(tài)意義上的平衡［21-22］。本研究表明，相同濃度倍數(shù)的溶液中浸泡的保水劑，B規(guī)格吸附的N，P元素最高；在不同濃度溶液中，保水劑隨著溶液濃度增加，N、P元素的吸附能力為先增大后減小，K元素的吸附能力為逐漸增大。K元素的吸附能力主要取決于溶液濃度，保水劑的粒徑大小對(duì)其影響為次要因素。

目前，開(kāi)展保水劑的研發(fā)和應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外保水劑研究的熱點(diǎn)，推廣應(yīng)用范圍也逐年增加，優(yōu)良保水劑的篩選愈顯得尤為重要。本文供試的4種規(guī)格保水劑，從不同濃度溶液中的吸水、反復(fù)吸水及釋水性能來(lái)看，B規(guī)格（粒徑1.6～2.8 mm）性能表現(xiàn)最佳。

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Study on Characteristicsof Absorption,Releaseand Fertilizer Absorption of W ater Retaining Agent

YANGJing-jing1，WANGXiu-feng1，2，3*，WEIMin1，4，YANGFeng-juan1，4，SHIQing-hua1，2
1.College of Horticulture Science and Engineering/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.State Key Laboratory of Crop Biology，Tai'an 271018，China
3.Ministry of Agriculture Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crop，Tai'an 271018，China
4.Scientific Observing and Experimental Station of Environment Controlled Agricultural Engineering in Huang-Huai-Hai Region，Ministry of Agriculture，Tai'an 271018，China

4 kinds of water retaining agents w ith crosslinked polyacrylamide from Beijing Hanlimiao New Technology Co. Ltd.were used as the experimental materials.The absorption，release and macro-nutrient absorption performance of water retaining agent with different concentrations were studied.The results showed that with the increasing concentration，water absorption multiples，water absorption rate and repeated water absorption multiples showed decreasing trend；water release rate in the first 36 h became more and more big and smaller and smaller between 48 h and 60 h.The adsorption of N，P elements were increased at first and then decreased，K elements showed a continuous increasing trend.Small and medium diameter water retaining agent′s water absorption multiples，water absorption rate and repeated water absorption multiples were significantly affected by solution concentration；the larger particle size，the greater water release rate and the adsorption

of N，P and K elements increased first and then decreased.Medium diameter B specifications of selected water retaining agent showed better characteristics in water absorption，water release and macro-nutrient absorption than that of other specifications of water retaining agent.

Water retaining agent；water absorption；water release；fertilizer absorption；solution concentration

TU528.042.6

A

1000-2324（2016）05-0696-05

2015-03-10

2015-04-13

國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)資助（CARS-25）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD05BOO）

楊靜靜（1989-），女，碩士，研究方向：設(shè)施蔬菜與無(wú)土栽培.E-mail：859362504@qq.com

Author for correspondence.E-mail：xfwang@sdau.edu.cn