四種不同類型保水劑的基本性能分析

岳煥芳，郭 芳，孟范玉，安順偉，胡瀟怡，王鐵臣，徐 進

（北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京100029）

我國水資源緊張，總量僅為世界的6%，人均不足世界平均水平的1/4，干旱半干旱以及缺乏灌溉條件的旱作耕地面積超過了國土和全國耕地面積的一半[1]。2019年北京市人均水資源量僅為114 m3，遠低于國際“極度缺水”標準，2019年農(nóng)業(yè)用水占全市總用水量的8.9%[2]，延慶等京郊山區(qū)缺乏灌溉條件，年均降水量為450 mm 左右[3]，發(fā)展旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)可以有效緩解水資源供需矛盾，提高水分利用率，保水劑作為旱作節(jié)水技術(shù)的重要產(chǎn)品，一直是國內(nèi)外學者研究的熱點。

保水劑是利用強吸水性樹脂制成的一種具有超高吸水保水能力的高分子聚合物[4]，被稱為植物根部的“微型水庫”[5]，可以吸收自身質(zhì)量數(shù)倍的水分[6]。隨著水資源的日益匱乏，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)已是必然趨勢，高性能保水劑的研制和應用研究越來越受到國內(nèi)外廣泛重視。繼化肥、農(nóng)藥、地膜之后，保水劑成為重要的農(nóng)資產(chǎn)品之一[7]，被稱為“第四大農(nóng)用化學品”[8]。保水劑產(chǎn)品種類繁多，按照原料可劃分為3 種：淀粉系（淀粉—聚丙烯酰胺型、淀粉—聚丙烯酸型）、纖維素系（羧甲基纖維素型、纖維素型）、合成聚合物系（聚丙烯酸型、聚乙烯醇型、聚丙烯腈型、聚環(huán)氧乙烷型等）[9]。淀粉作為一種天然高分子，產(chǎn)品耐熱性差，易腐爛分解，難以貯存，纖維素基吸水性樹脂吸水能力較低[10]，目前應用較多的是合成聚合物類和淀粉類保水劑[5]。國內(nèi)外針對保水劑的研究多集中在施用后土壤和作物的應用效果[11,12]，在玉米、馬鈴薯等作物上均具有節(jié)水增效、增產(chǎn)提質(zhì)的效果[13]，但是關(guān)于保水劑性能方面主要是分別對吸水保水能力[14,15]，或者不同離子對吸水特性影響的研究[16]，缺乏對常用類型保水劑性能的系統(tǒng)綜合評價，推廣應用缺乏理論數(shù)據(jù)支撐。為了檢驗不同類型保水劑的基本性能，本研究篩選了四種常用類型的保水劑，進行了保水劑吸水能力、保水能力以及在不同離子溶液中的吸水性能綜合評價試驗，為保水劑的推廣應用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗通過篩選，選擇了4 種不同的保水劑作為試驗材料，供試保水劑的基本情況見表1。

表1 供試保水劑基本情況Tab.1 Basic information of water retaining agent tested

1.2 試驗方法

1.2.1 吸水倍率

吸水倍率是保水劑保水性能的重要指標，是指單位質(zhì)量保水劑在充分吸水時所吸收水分的重量。用電子天平稱取0.2 g 干燥的保水劑放進玻璃燒杯中，加入1 000 mL 的去離子水，讓其充分吸水后用濾網(wǎng)將保水劑取出，再用無紡布和濾紙過濾掉多余水分，然后將其稱重，最后用公式計算出吸水倍率。

式中：Q為吸水倍率，g/g；M為溶脹后保水劑重量，g；m為保水劑原始重量，g。

1.2.2 吸水速率

取保水劑1 g，放置于玻璃燒杯，倒入500 mL 去離子水，從試驗開始時間間隔10、30、60、90、120、150 min，分6 次測量吸水后保水劑重量。測量時將保水劑從燒杯中撈起，在紗網(wǎng)上靜置2 min濾去表面浮水后放置在1個干凈燒杯內(nèi)稱重，每次稱重完用吸水紙吸干燒杯內(nèi)壁殘留水分，并重新測量空燒杯重量。統(tǒng)計不同保水劑吸水速率，具體計算公式為：

式中：Qn為編號n的保水劑吸水速率，g/（g·min）；Q為保水劑吸水倍率，g/g；t為吸水時長，min。

1.2.3 保水能力

將充分吸水的4種保水劑凝膠置于表面皿上，置于室外有陽光照射處每隔24 h 測定其重量變化，繪制保水劑保水率與時間的關(guān)系圖，保水率具體計算公式如下：

式中：Qr為保水率，%；M為保水劑重量，g；m為保水劑原始重量，g；M0為初始吸脹后重量，g。

1.2.4 重復吸水能力

取保水劑0.5 g，加入1 000 mL 去離子水中，使其充分吸水后過濾，將完全吸水后的凝膠置于燒杯中，稱量完畢連同燒杯一起在溫度80 ℃環(huán)境中烘干，靜置回室溫后重新加入去離子水，靜置24 h 后測定保水劑充分吸水后重量，重復上述過程6次，并計算吸水倍率和保重率，吸水倍率計算公式同式（1），保重率計算公式如下：

式中：G為保重率，%；me為重復吸水烘干后保水劑重量，g；m為保水劑原始重量，g。

1.2.5 尿素和不同價態(tài)陽離子對保水劑吸水速率的影響

采用分析純尿素、氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、氯化鈣、氯化鎂配制溶液，一價陽離子和尿素配制0.02、0.04、0.08 mol/L 3 個濃度，二價陽離子配制0.01、0.02、0.04 mol/L3 個濃度，稱取1 g 保水劑，放入1 000 mL 溶液中，分別在5、10、15、20、25、55、85、115、145 min進行過濾，稱量保水劑重量，計算單位時間吸水速率。具體計算公式如下：

式中：VRt為單位時間吸水速率，g/（g·min）；Wt+1為t+1時刻的保水劑重量，g；Wt為t時刻的保水劑重量，g；m為保水劑原始重量，g；△t為時間增量，min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進行圖表繪制，SPSS進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑吸水能力

圖1 為不同保水劑的吸水倍率和吸水速率，從圖1 可以看出T4 處理的吸水倍率為777.43 g/g，顯著高于其他處理，T1、T2和T3處理的吸水倍率分別為355.84、298.6、319.35 g/g，T1處理顯著高于T2 處理。T1 處理吸水速率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，10 min 時吸水速率為7.72 g/（g·min），120 min 之后逐漸趨于平穩(wěn)為1.1 g/（g·min），T2、T3和T4吸水速率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，T2 處理在30 min 時吸水速率達到最高為1.37 g/（g·min），T3 處理在90 min 時吸水速率達到最高為0.74 g/（g·min），T4 處理在30 min 時吸水速率達到最高為3.04 g/（g·min）。所有處理在吸水90 min后，吸水速率逐漸平穩(wěn)。

圖1 不同保水劑吸水倍率和吸水速率Fig.1 Water absorption ratio and water absorption rate of different water retaining agents

2.2 不同保水劑保水能力

圖2 為不同保水劑隨時間變化的保水率，從圖2 可以看出隨著時間的推移，保水率逐漸下降，24 h 時T1 和T4 保水率分別為67.06%和68.41%，高于T2 處理63.31%，48 h 時T1、T3和T4 保水率分別為43.02%、42.01%和45.63%，高于T2 處理34.31%，120 h 后4 個處理保水率趨為零，T1 和T2 處理144 h后完全失水，192 h 時T3 和T4 處理的保水率為0.12% 和0.32%。

圖2 不同保水劑隨時間變化的保水率Fig.2 Water retention rate of different water retaining agents with time

2.3 不同保水劑重復吸水能力

圖3 為不同保水劑烘干復水吸水倍率，從圖3 可以看出第一次吸水后，T4 處理吸水倍率為777.43 g/g，第二次烘干再吸水后吸水倍率為506.3 g/g，第三次烘干再吸水后吸水倍率為310.51 g/g，第三次吸水倍率比第一次下降了60.06%，第七次烘干再吸水后吸水倍率為154.1 g/g，顯著低于前五次吸水倍率，比第一次吸水倍率下降了80.18%。T1 處理第五次吸水倍率為258.7 g/g，第七次吸水倍率為250.0 g/g，比第一次吸水顯著下降了29.76%。T2 重復吸水能力較為穩(wěn)定，第七次吸水倍率比第一次吸水下降了19.51%，為4 個處理中最低。T3 處理第六次吸水倍率為226.4 g/g，第七次吸水倍率為184.4 g/g，第七次比第六次吸水倍率下降了18.44%，比第一次吸水倍率下降了42.26%。

圖3 不同保水劑烘干復水吸水倍率Fig.3 Water absorption ratio of different water retaining agents after drying

圖4 為不同保水劑復水烘干保重率，從圖4 可以看出，經(jīng)過六次烘干后保水劑的保重率總體呈下降趨勢，第一次吸水烘干后，T1、T2、T3和T4四個保水劑的保重率分別為83.8%，81.9%，71.77%和63.65%，T2 處理和T4 處理經(jīng)過六次吸水烘干后保重率沒有顯著差異。第六次吸水烘干后，T1、T2、T3和T4四個保水劑的保重率分別為76.11%，73.98%，36.91%和45.32%，T2 處理保重率最高，比T1、T3 和T4 處理分別提高了2.13、37.07和28.66個百分點。

圖4 不同保水劑復水烘干后保重率Fig.4 Weight retention rate of different water retaining agents after drying

2.4 不同保水劑在不同價態(tài)離子溶液中吸水性能

2.4.1 不同保水劑在不同價態(tài)離子溶液中吸水倍率

表2為不同保水劑在一價陽離子溶液中的吸水倍率，從表2 可看出在尿素溶液中，T3 處理吸水倍率顯著高于其他處理，0.04 mol/L 尿素溶液中T3 吸水倍率為370.69 g/g，不同濃度尿素溶液對T3處理的吸水倍率影響較小。在0.02 mol/L氯化鈉溶液中，T3 處理的吸水倍率顯著高于其他處理，達到436.24 g/g，隨著氯化鈉濃度的升高，吸水倍率下降較多，0.08 mol/L的氯化鈉溶液中吸水倍率僅為33.14 g/g。在0.08 mol/L 的氯化銨溶液中，T4 處理吸水倍率為116.89 g/g，顯著高于T2 和T3 處理。在0.02 mol/L 的氯化鉀溶液中，T4 處理的吸水倍率為111.07 g/g，顯著高于T2 和T3 處理，隨著氯化鉀濃度的升高，吸水倍率逐漸下降。

表2 不同保水劑在一價陽離子溶液中吸水倍率Tab.2 water absorption ratio of different water retaining agents in monovalent cation solution

表3 為不同保水劑在二價陽離子溶液中吸水倍率，從表3可以看出，在0.01 mol/L 的氯化鈣溶液中，T1 和T4 處理的吸水倍率分別為73.60 g/g 和79.12 g/g，顯著高于T2 和T3 處理，0.04 mol/L 的氯化鈣溶液中，T1 處理的吸水倍率為77.82 g/g，顯著高于T2 處理。隨著氯化鎂濃度的升高，T1 處理的吸水倍率逐漸增大，0.04 mol/L 的氯化鎂溶液中，T1 處理的吸水倍率為171.14 g/g。以上結(jié)果表明，不同離子溶液對保水劑吸水倍率影響不一，不同保水劑在不同離子溶液中吸水倍率變化趨勢并不一致，在氯化鈉和氯化鉀溶液中均隨著濃度升高吸水倍率逐漸下降。綜合而言，在一價陽離子溶液中T3 處理吸水表現(xiàn)較好，在二價陽離子溶液中T4處理較好。

表3 不同保水劑在二價陽離子溶液中吸水倍率Tab.3 Water absorption ratio of different water retaining agents in divalent cation solution

2.4.2 不同保水劑在不同價態(tài)離子溶液中單位時間吸水速率

圖5為不同保水劑在尿素溶液中單位時間吸水速率，從圖5可以看出隨著時間推移，保水劑的吸水速率整體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在尿素溶液中，T3 處理的單位時間吸水速率高于其他處理，50 min 以后保水劑吸水逐漸減緩直至停止，在0.04 mol/L 和0.08 mol/L 的尿素溶液中，前50 min 保水劑單位時間吸水速率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，0.04 mol/L 尿素溶液中，T1、T2、T3 和T4 單位時間吸水速率最大值分別為4.45、3.79、5.45 和2.68 g/（g·min）；0.08 mol/L 尿素溶液中，T1、T2、T3 和T4 單位時間吸水速率最大值分別為1.65、4.85、4.45和3.08 g/（g·min）。

圖5 不同保水劑在尿素溶液中單位時間吸水速率Fig.5 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in urea solution

圖6為不同保水劑在氯化鈉溶液中單位時間吸水速率。在氯化鈉溶液中，保水劑單位時間吸水速率隨時間變化波動較大，在0.02 mol/L 氯化鈉溶液中，10 min 時T3 吸水速率為3.38 g/（g·min），高于其他處理，在0.04 mol/L 氯化鈉溶液中，10 min 時T2 吸水速率為3.14 g/（g·min），25～100 minT4 處理的吸水速率較高；在0.08 mol/L 氯化鈉溶液中，50 min 以后保水劑吸水速度逐漸放緩，T1、T3 和T4 處理在10 min 時單位時間吸水速率最大，分別為2.97、3.69和3.40 g/（g·min），T2處理在25 min時單位時間吸水速率最大，為2.31 g/（g·min）。

圖6 不同保水劑在氯化鈉溶液中單位時間吸水速率Fig.6 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in NaCl solution

圖7為不同保水劑在氯化銨溶液中單位時間吸水速率。在0.02 mol/L 的氯化銨溶液中，25 min 之前T4 處理單位時間吸水速率大于其他處理，最大值為15 min 時6.61 g/（g·min），25 min 后各保水劑吸水逐漸放緩；在0.04 mol/L 和0.08 mol/L 的氯化銨溶液中，50 min 后各保水劑吸水速率較小，在0.08 mol/L的氯化銨溶液中，前50 minT3 處理單位時間吸水速率較高，最大值為15 min時2.12 g/（g·min）。

圖7 不同保水劑在氯化銨溶液中單位時間吸水速率Fig.7 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in NH4Cl solution

圖8為不同保水劑在氯化鉀溶液中單位時間吸水速率。可以看出，在0.02 mol/L 氯化鉀溶液中，T2處理單位時間吸水速率較高，最大值為15 min 時5.13 g/（g·min）；在0.04 mol/L 氯化鉀溶液中，前25 minT2 處理吸水速率高于其他處理，25～100 min內(nèi)T4處理單位時間吸水速率較高，最大值為15 min時1.01 g/（g·min）；在0.08 mol/L 氯化鉀溶液中，T1 處理10 min時單位時間吸水速率較高，為2.46 g/（g·min），其他處理吸水受到抑制。

圖8 不同保水劑在氯化鉀溶液中單位時間吸水速率Fig.8 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in KCl solution

圖9為不同保水劑在氯化鈣溶液中單位時間吸水速率?？梢钥闯鲈?.01 mol/L 氯化鈣溶液中，50 min 以后各處理逐漸停止吸水，T1 處理在10 min 時吸水速率最大，為2.13 g/（g·min），10～50 min 之間T4 處理大于其他處理；在0.02 mol/L 氯化鈣溶液中，T1 處理在15 min 時吸水速率最大，為1.39 g/（g·min）。在0.04 mol/L氯化鈣溶液中，25 min后各保水劑吸水逐漸停止，T1 處理在10 min 時單位時間吸水速率最大，為1.01 g/（g·min）。

圖9 不同保水劑在氯化鈣溶液中單位時間吸水速率Fig.9 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in CaCl2 solution

圖10 為不同保水劑在氯化鎂溶液中單位時間吸水速率?？梢钥闯龈鞅Ｋ畡┰诓煌瑵舛嚷然V單位時間吸水速率波動較大，在0.02 mol/L 溶液中吸水速率較高，T4處理在10 min時吸水速率為4.12 g/（g·min）。

圖10 不同保水劑在氯化鎂溶液中單位時間吸水速率Fig.10 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in MgCl2 solution

3 討 論

保水劑的吸水能力是一項重要評價指標[17]，保水劑分子含有大量親水集團，其利用自身特殊的分子結(jié)構(gòu)，對水分進行吸附，吸水能力越強，可以保留住更多的水分，供給作物使用[18]。本研究對不同保水劑的吸水倍率和吸水速率進行了對比，試驗結(jié)果表明4種保水劑在90～120 min后吸水逐漸平穩(wěn)飽和，其中T4 處理的吸水倍率為777.43 g/g，顯著高于其他處理，說明在不同類型的保水劑中，淀粉-丙烯酸共聚型保水劑吸水效果最佳，保水劑的結(jié)構(gòu)是影響吸水能力的重要因素之一[19]。

保水劑在田間應用期間，需要及時吸收多余的水分，作物需要時再進行釋放，進行土壤水分調(diào)控，而且經(jīng)歷多次吸水釋水的過程，所以保水劑的保水能力和重復吸水能力是衡量保水劑應用效果和使用壽命的重要指標之一[20]。本試驗中經(jīng)過室外陽光照射120 h，4 種保水劑保水率均趨為零，24 h 時T4 處理保水率為68.41%，高于其他處理，保水性最佳。經(jīng)過七次烘干重復吸水，T2 處理較為穩(wěn)定，第七次吸水倍率比第一次吸水下降了19.51%，為4 個處理中最低，T4 處理比第一次吸水倍率下降了80.18%，重復吸水能力較差，可能是因為淀粉-丙烯酸共聚型保水劑交聯(lián)度和凝膠強度較小，多次重復烘干吸水的過程導致凝膠溶解，吸水能力下降[21]。

保水劑的吸水性能會受到離子溶液濃度的影響，土壤環(huán)境和肥料施用會影響保水劑的應用效果，粒徑大小、土壤類型以及分子組成結(jié)構(gòu)不同，均可能導致耐鹽性的差異[22-24]。本試驗結(jié)果表明，在不同價態(tài)的離子溶液中，保水劑吸水能力均呈現(xiàn)下降趨勢，與前人研究結(jié)果一致[25,26]。不同離子溶液濃度對保水劑吸水倍率變化趨勢的影響并不一致，符合保水劑的Flory-Huggins 吸水理論[27]，影響彈性凝膠膨脹倍率的因素較多，在不同價態(tài)的離子溶液中吸水速率呈現(xiàn)波動趨勢，基本上在吸水50 min 后趨于飽和，離子溶液限制了保水劑的吸水性能，可能是因為離子溶液中的電解質(zhì)導致保水劑內(nèi)部樹脂結(jié)構(gòu)滲透壓降低，吸水動力不足[28]。

4 結(jié) 論

（1）不同保水劑之間基本性能存在較大差異，隨著時間推移，吸水速率逐漸下降，吸水90 min 后逐漸飽和，T4 處理的吸水倍率為777.43 g/g，顯著高于其他處理。

（2）經(jīng)過烘干復水重復試驗，T4 處理第三次吸水倍率比第一次下降了60.06%，T2 重復吸水能力較為穩(wěn)定，第七次吸水倍率比第一次吸水下降了19.51%，為4 個處理中最低，經(jīng)過七次復水后烘干，T1、T2、T3 和T4 四個保水劑的保重率分別為76.11%，73.98%，36.91%和45.32%。T4適合短周期抗旱栽培使用，T2適合生長周期較長的作物抗旱使用。（3）各保水劑在不同價態(tài)離子溶液中吸水性能不同，與去離子水相比較吸水倍率均有所下降，保水劑在不同離子溶液中吸水速率變化趨勢并不一致，呈現(xiàn)波動趨勢，基本上在吸水50 min 后趨于飽和。綜合而言，在一價陽離子溶液中T3處理吸水性能較佳，在二價陽離子溶液中T4處理表現(xiàn)較好。