10種不同農林保水劑保水及反復吸水性能評價

孫秀秀 鄭道君 陳宣 王春梅 盧慧波 陳加利

摘要：? 選用10種保水劑品種，通過室內實驗，分別對其保水性能和反復吸水性進行評價，結果表明：供試保水劑品種間的保水率差異顯著，其保水性能在恒溫60 ℃烘干至6 h時下降到50%左右，而反復烘干-吸水過程能顯著提高保水劑的吸水倍數，從1.38倍到2.32倍之間;進一步分析結果表明，反復烘干-吸水過程可使供試品種在烘干10 h時的保水率先高后降。綜合分析認為，6號保水劑綜合表現最佳，其飽和狀態(tài)在60 ℃衡溫條件下6 h時的保水率快速下降至51.44%，至烘干時一直保持高于其他品種的保水率;反復烘干-吸水過程能顯著提高其吸水倍數1.67倍（923.23 g/min），但其保水能力升高，在第4次烘干-吸水后顯著下降。

關鍵詞：? 保水劑;? 保水性;? 反復吸水性

中圖分類號：? ?S 482. 99? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2022）01 - 0035 - 05

高吸水性聚合物（Super absorbent polymers， SAPs），俗稱為保水劑，是一種吸水和保水能力很強的高分子聚合物。它能夠吸收比自身重量重百倍、千倍的水，所吸收的水分有85%～95%以上是植物可以利用的有效水[ 1 - 2 ]，而且有反復吸水釋水的能力[ 3 ]。研究結果表明，保水劑具有增強土壤的保水性[ 4 ]，改良土壤結構[ 5 ]，保溫、保肥、活化養(yǎng)分[ 6 ]等特點，其本身無毒無污染，在解決農林生產過程中的區(qū)域性缺水和季節(jié)性缺水問題[ 7 ]，提高種苗存活率[ 8 ]、促進作物生長[ 9 ]與高產方面[ 10 ]起到良好的效果，已被應用于農林領域[ 11 ]。近年來，以保水劑為基礎，添加不同營養(yǎng)成分的復合保水劑，可為植物生長同時提供水分與養(yǎng)分，應用前景較好。

由于不同保水劑的生產原料、制作工藝和顆粒大小不一樣，其保水性能存在顯著的差異，應用效果差異大，限制了保水劑的實際應用。綜合評價不同類型保水劑的性能，對優(yōu)化保水劑生產工藝提高性能，以及保水劑的選用至關重要。近十年來，對保水劑在農業(yè)生產上的研究主要是保水劑應用技術、提高植物成活率和產量、改善土壤物理性質等方面[ 12 - 14 ]，對保水劑性能的評價則少見報道。

本項目組前期已經對10種保水劑進行吸水倍數以及吸水速率進行初步研究[ 15 ]，為進一步驗證其性能，本文將繼續(xù)對10種保水劑進行保水性及反復吸水性兩個方面進行評價，以期為生產上有效篩選和使用高性能保水劑提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 實驗材料

選擇10種不同生產原料、制作工藝和顆粒大小的保水劑品種作為實驗材料，其基本信息見表1，其中1、2、3號，4、5、6號，7、8、9號，以及10號分別為不同的生產廠家。

1. 2 實驗方法

1. 2. 1 保水性測量

本研究中，保水性高低以保水率衡量。稱量記錄干燥的培養(yǎng)皿（80 mm）重量，稱取飽和狀態(tài)的保水劑凝膠50 g放入相應培養(yǎng)皿中，置于鼓風干燥箱中60 ℃衡溫條件下烘干。在2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24 h時取出稱量各時間段的總重量，每種保水劑設三個重復。計算各時間段保水劑凝膠的重量，以及相應的保水率（%）。

各時間段保水劑凝膠的重量（Mt）=各時間段的總重量-干燥培養(yǎng)皿重量;各時間段保水率（%）=各時間段保水劑凝膠的重量（Mt）/50 g×100;t為各個時間段的時間。

1. 2. 2 反復吸水性測量

稱取飽和狀態(tài)的保水劑凝膠50 g，置于干燥的培養(yǎng)皿（80 mm）中，用大小適當的沙布蓋住培養(yǎng)皿口，用橡皮筋扎緊。置于鼓風干燥箱中60 ℃衡溫條件下烘干至衡重，計為第1次烘干-吸水過程;將培養(yǎng)皿放入純凈水中浸泡24 h，直至吸水飽和，取出濾去未吸收的水份，再用衛(wèi)生紙沾除沙布上多余的水分，稱量記錄其總重量，按上述條件烘干至衡重，計為第2次烘干-吸水過程。按此重復，進行了6次的烘干-吸水過程，最后稱量不含保水劑凝膠的濕沙布和培養(yǎng)皿總重量。每種保水劑設3個重復，計算每次烘干-吸水過程后保水劑凝膠的吸水倍數（NT）。

NT=（當次總重量-濕沙布與培養(yǎng)皿重量之和）/保水劑顆粒重量（m）。其中，m（g）=飽和狀態(tài)的保水劑凝膠用量（50 g）/飽和吸水倍數（N）;T為吸水-烘干過程的次數。

每次烘干-吸水過程中，在其烘干10 h時，稱量并計算重復的保水率。

1. 3 數據處理與分析

應用SPSS20.0對相關數據進行方差分析和LSD多重比較，應用EXCEL（2003）作圖。

2 結果與分析

2. 1 不同保水劑的保水能力

供試保水劑品種，其飽和狀態(tài)在60 ℃衡溫條件下，隨著蒸發(fā)時間的延長，保水劑凝膠的重量不斷減少，且差異顯著（P﹤0.05）。0～6 h時，供試保水劑的保水率快速下降至50%左右;2 h時，保水率均在80%以上，但品種間差異顯著，其中1號最高，為89.38%，9號最低為82.69%;至6 h時，保水率快速下降到50%以下，且品種間差異顯著（P﹤0.05），其中4、5、7、8、9、10號在6 h時保水率已下降到50%以下。6號在8 h時保水率最高48.43%，與1號（P=0.433）和2號差異不顯著（P=0.164），與其他品種差異顯著（P﹤0.05），8號僅為35.40%;至16～18 h時，除6號外，其他品種的保水率已下降到10%以下，6號在蒸發(fā)20 h時仍保持10.31%，而此時其他品種已在5%以下，4號和5號已接近完全失水。

從圖1可知，隨著烘干時間加長，在6 h后，6號保水率一直是所有供試品種中最高的，且多重比較分析表明，大部分顯著差異;8號品種則是最低的，且顯著低于大部分品種。說明保水能力與顆粒大小無直接關系。

2. 2 不同保水劑的反復吸水性

實驗結果表明（圖2，表2），除了10號品種，反復烘干-吸水對其他供試保水劑的吸水倍數影響均極顯著（P﹤0.01）。除了10號品種在6次烘干-吸水過程中吸水倍數無差異外，反復烘干吸水后，其他供試保水劑的吸水能力快速提高，較首次吸水倍數，1～9號分別最大提高1.52（658.54 g/min）、1.70（669.08 g/min）、1.90（659.70 g/min）、1.66（546.27 g/? ?min）、1.54（467.34 g/min）、1.67（923.23 g/min）、1.90（857.24 g/min）、2.02倍（869.79 g/min）和2.32倍（1 037.81 g/min）。就吸水倍數而言，6、7、8、9號提高達到了850 g/min以上。在本研究烘干-吸水次數范圍內，1、2、3號和6號隨著次數的增加，其吸水能力呈上升趨勢，其中6號的重復吸水次數達到6次時，極顯著高于前面5次（P﹤0.01），且也極顯著高于同一次數不同品種（P﹤0.01）;4、5、7號和9號先升后下降，其中4號在第2次吸水-烘干過程達到最大值后，下降明顯，到第5次時已與首次吸水能力無顯著差異（P=0.25）;8號經過第2次吸水-烘干過程顯著提升后，隨后穩(wěn)定下來，第2、3、4、5、6次間的吸水倍數無顯著差異（P>0.05）。

為進一步了解反復吸水-烘干后保水劑的性能變化，本研究測量了每次吸水-烘干過程中，烘干10 h時供試保水劑的保水率（圖3）。單因素分析結果（表2）表明，重復吸水-烘干過程對保水劑烘干10 h時的保水率影響極顯著（均P﹤0.01）。所有供試的保水劑品種隨著重復吸水-烘干過程次數增加，烘干10 h時的保水率先提高后下降，其中1、2、3、7、10號均是第3次吸水-烘干過程時保水率達到最高，隨后下降，且在第6次時下降顯著，1號和10號下降低于首次吸水的情況;5、6和8號在第4次吸水-烘干過程時保水率達到最高，隨后下降;6號第6次時下降顯著超過了前5次（均P﹤0.01）;4號和9號在第5次時上升達到最高，第6次時顯著下降，從70.81%下降到19.94%，低于首次的34.42%。最后，經過6次重復吸水，1～? ? 10號保水劑烘干10 h時的保水率分別為21.33%、41.38%、47.05%、14.94%、46.69%、21.96%、44.54%、59.79%、57.52%和18.88%，差異顯著（P﹤0.05）。

3 討 論

3. 1 保水劑能緩解區(qū)域性干旱和季節(jié)性干旱給農林業(yè)生產造成的困難，因其具有較好的重復吸水性能，在旱季與雨季交替顯著的地區(qū)，如在我國的熱帶亞熱帶地區(qū)，具有很大的應用潛力。但不同保水劑因其制作材料、表面結構、外形、粒徑等因素不同，吸水特性也不盡相同[ 16 ]，隨著制作工藝的不斷改良，其產品性能也在進一步提高。因此在生產或使用前了解不同保水劑的性能至關重要。保水劑的吸水性能主要通過吸水倍率、吸水速率、保水性能和反復吸水性體現[ 17 - 19 ]。此外，反復吸水后性能的改變情況也是評價的重要內容，但在以往的研究報道中，未見相關分析，這也給保水劑生產和使用帶來較大的影響。在本研究中，選用10種保水劑品種，對其保水性能和反復吸水性，以及反復吸水對保水能力的改變等方面進行了較全面的評價。

3. 2 試驗結果表明，不同保水劑的保水能力差異顯著（P﹤0.05），且隨著烘干時間的加長，同一原料或工藝的1、2、3號品種保持著良好的保水率;至6 h時，所有供試品種的保水率快速下降到50%左右;6 h到烘干，6號品種均保持了最高的保水率。而7、8、9、10號的保水率一直低于1、2、3、6號。可見，保水劑的保水能力與制作原料或工藝存在較大的關系。這與徐震的研究結果一致[ 20 ]，對旱地保水劑、農林保水劑和復合磷酸鹽保水劑的比較發(fā)現，旱地保水劑優(yōu)于其他兩種。

3. 3 保水劑的反復吸水性是研究其保水能力的重要參考之一[ 21 ]。在本研究中，除了10號品種外，反復烘干-吸水過程能顯著提高保水劑的吸水倍數，但品種不同其提高的倍數不一樣;同一廠家或生產原料的品種，其反復吸水倍數隨著顆粒直徑增大而增加。其中同一廠家的7、8、9號表現較好，另一廠家的4、5、6號提高倍數偏低。雖然吸水能力均有不同程度的提高，但不同保水劑其提高的趨勢不盡相同。隨著次數的增加，1、2、3、6號吸水能力呈上升趨勢;4、5、7、9號先升后下降;8號經過第2次吸水倍數顯著提升后穩(wěn)定。4號為本次試驗中最細的品種，在第2次烘干-吸水過程時達到最大值后，下降明顯，到5次時已與首次吸水能力無顯著差異（P=0.25）。這與楊靜靜等[ 21 ]的研究結果不一致，她們分析認為隨著反復吸水次數的增加，保水劑的吸水倍數逐漸降低，經反復烘干后吸水性并趨于穩(wěn)定。進一步的分析結果表明，每次烘干吸水后，供試品種的保水能力先高后降。在烘干10 h時，經過6次重復吸水，1、4、6、10號的保水能力均低于首次。

3. 4 6號保水劑綜合表現最佳，其飽和狀態(tài)在60 ℃衡溫條件下6 h時的保水率快速下降至51.44%，之后至烘干時一直保持高于其他品種的保水率;反復烘干-吸水過程能顯著提高其吸水倍數1.67倍（923.23 g/min），但其保水能力升高，在第4次烘干-吸水后顯著下降。

參考文獻

[1] 岳征文，? 王百田，? 王紅柳，? 等.? 復合營養(yǎng)長效保肥保水劑應用及其緩釋節(jié)肥效果[J].? 農業(yè)工程學報， 2011， 27（08）： 56 - 62.

[2] 井大煒，? 邢尚軍，? 劉方春，? 等.? 保水劑-尿素凝膠對側柏裸根苗細根生長和氮素利用率的影響[J]. 應用生態(tài)學報， 2016， 27（04）： 1 046 - 1 052.

[3] 鄒新喜.? 超強吸水劑. 第二版[M].? 北京： 化學工業(yè)出版社，2002.

[4] 黃占斌，? 朱書全，? 張鈴春，? 等.? 保水劑在農業(yè)改土節(jié)水中的效應研究[J].? 水土保持研究， 2004（03）： 57 - 60.

[5] Omidian Hossein， Rocca Jose G， Park Kinam. Advances in superporous hydrogels[J]. Journal of controlled release： official journal of the Controlled Release Society， 2005， 102（1）：? 98 - 102.

[6] Liu F，Ma H，Du Z，et al. Effects of super-absorbent polymer on dry matter accumulation and nutrient up take of Pinus pinaster container seedlings[J]. J For Res，2013，18 （3）： 220 - 227.

[7] 楊浩. 保水劑對黃綿土、褐土及沙土物理特性影響研究[D]. 北京：? 北京林業(yè)大學， 2011.

[8] 楊杰，? 曹昀，? 王秀文，? 等.? 保水劑對高羊茅種子萌發(fā)及幼苗生理的影響[J].? 水土保持研究，? 2017， 24（01）： 351 - 356.

[9] 程曉彬.? 不同用量保水劑對青稞生長的影響[J].? 貴州農業(yè)科學， 2017， 45（02）： 56 - 58.

[10] 張麗華，? 邊少鋒，? 孫寧，? 等. 保水劑不同粒型及施用量對玉米產量和光合性狀的影響[J]. 玉米科學， 2017， 25（01）： 153 - 156.

[11] 吳季懷，? 林建明，? 魏月琳.? 高吸水保水材料[M].? 北京：? 化學工業(yè)出版社， 2005.

[12] 井大煒，? 邢尚軍，? 劉方春， 等.? 保水劑施用方式對側柏根際微生態(tài)環(huán)境的影響[J]. 農業(yè)機械學報， 2016， 47（05）： 146 - 154.

[13] 陳芳泉，? 邵惠芳，? 王凱悅，? 等.? 保水劑對烤煙品種生長發(fā)育和生理特性的影響[J].  煙草科技， 2017， 50（03）： 31 - 38.

[14] 王琰，? 井大煒，? 付修勇，? 等.? 保水劑施用量對楊樹苗土壤物理性狀與微生物活性的影響[J].? 水土保持通報， 2017， 37（03）： 53 - 58.

[15] 陳加利，? 孫秀秀，? 陳宣，? 等.? 不同農林保水利的性能評價[J].林業(yè)科技， 2021， 46（4）： 37 -40.

[16] 黃占斌. 農用保水劑應用原理與技術[M]. 北京： 中國農業(yè)科學技術出版社， 2005.

[17] 徐震，? 金麗，? 李慶國.? 三種不同保水劑的性能分析[J].? 山東水利， 2018（11）： 29 - 30.

[18] 李興，? 蔣進，? 宋春武，? 等.? 不同粒徑保水劑吸水特性及其對土壤物理性能的影響[J].? 干旱區(qū)研究， 2012， 29（04）： 609 - 614.

[19] 朱琳，? 裴宗平.? 4種保水劑吸水和保水性能的差異性研究[J]. 中國無機分析化學， 2012， 2（02）： 69 - 74.

[20] 徐震，? 金麗，? 李慶國.? 三種不同保水劑的性能分析[J]. 山東水利， 2018（11）： 29-30.

[21] 張浣中.? 保水劑對土壤理化性質的影響研究[D].? 北京： 中國農業(yè)科學院， 2009.

[22] 楊靜靜，? 王秀峰，? 魏珉，? 等.? 保水劑吸水、釋水及吸肥特性研究[J]. 山東農業(yè)大學學報（自然科學版）， 2016， 47（05）： 696 - 700.

第1作者簡介：? 孫秀秀（1993-），? 女，? 研究實習員，? 研究方向：? 特色植物種質資源調查和鑒定評價。

通訊作者：? 陳加利（1982-），? 女，? 副研究員，? 碩士研究生。

收稿日期： 2021 - 11 -? 20

（責任編輯：? ?張亞楠）

Evaluation of Water Retention and Repeated Water Absorption Performance

of 10 Different Super Absorbent Polymers（SAPs）

SUN Xiuxiu

（Institute of Tropical Horticulture，? Hainan Haikou 571100）

Abstract Ten kinds of Super absorbent polymers（SAPs） were selected， and their water-retaining performance and repeated water absorption were evaluated through indoor tests， in order to provide references for the selection and use of SAPs. The results showed that the water retention rate of the tested SAP varies significantly between varieties， and its water retention performance drops to about 50% when it is dried at a constant temperature of 60℃ for 6 hours， and the repeated drying-water absorption process can significantly increase the water absorption multiple of the SAP. From 1.38 times to 2.32 times; further analysis results show that repeated drying-water absorption process can make the water retention rate of the tested varieties first increase and then decrease after drying for 10 hours. According to comprehensive analysis， the comprehensive performance of No. 6 SAP is the best. The water retention rate of its saturated state at a constant temperature of 60℃ for 6 hours quickly drops to 51.44%， and then it keeps higher than other varieties of water retention rate until drying; Repeated drying-water absorption process can significantly increase its water absorption multiple by 1.67 times （923.23 g/min）， but its water retention capacity increases， and it drops significantly after the fourth drying-water absorption.

Key words Super absorbent polymers（SAPs）;? Water retention;? Repeated water absorption