保水剂吸水、释水及吸肥特性研究

杨静静，王秀峰，2，3*，魏珉，4，杨凤娟，4，史庆华，2

1.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安271018

2.作物生物学国家重点实验室，山东泰安271018

3.农业部黄淮地区园艺作物生物学与种质创制实验室，山东泰安271018

4.农业部黄淮海设施农业工程科学观测实验站，山东泰安271018

保水剂吸水、释水及吸肥特性研究

杨静静1，王秀峰1，2，3*，魏珉1，4，杨凤娟1，4，史庆华1，2

1.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安271018

2.作物生物学国家重点实验室，山东泰安271018

3.农业部黄淮地区园艺作物生物学与种质创制实验室，山东泰安271018

4.农业部黄淮海设施农业工程科学观测实验站，山东泰安271018

本文以北京汉力淼新技术有限公司提供的4种规格交联聚丙烯酰胺类保水剂为试材，研究了不同规格保水剂在不同浓度溶液中吸水、释水及吸附大量元素的性能。结果表明：随溶液浓度增加，保水剂的吸水倍数、吸水速率及其反复吸水倍数均呈降低趋势；释水速率在前36 h，越来越大，48 h与60 h之间，越来越小；吸附N、P元素呈先上升后下降，K元素表现出持续上升趋势。中小粒径保水剂的吸水倍数、吸水速率及其反复吸水倍数受溶液浓度影响较大；粒径越大，释水速率越大，吸附N、P和K元素均先增大后减小。供试保水剂材料中等粒径B规格保水剂在吸水、释水和吸附大量元素方面均显著优于其他规格保水剂。

保水剂；吸水；释水；吸肥；溶液浓度

近年来，随保水剂研究的不断深入和应用面积的不断扩大，保水剂以其较好的节水、保肥效果，越来越受到人们的关注［1］。国外预言保水剂将会成为继化肥、农药、薄膜之后的第四大农用化学品［2-4］。

保水剂又称土壤保水剂、高吸水剂、保湿剂、高吸水性树脂、高分子吸水剂等，是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物［5］，通过渗透压和亲水基团，可吸自身重量上百倍天然水，将水吸入网格不能用简单物理方法挤出，具有超强的保水性，而且其保持的水分80%～95%可供作物吸收利用［6］。其本身无毒副作用，在自然界中能被微生物降解利用，对环境无不良影响［7，8］。目前，生产保水剂的厂家众多，国家亦还没有出台保水剂产品的统一标准。为了保水剂的使用者了解保水剂的特性，在农业生产中正确使用保水剂，使其发挥最大的效果。本文对北京汉力淼新技术有限公司提供的4种规格交联聚丙烯酰胺类保水剂（主要成分为丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物Cross-Link Copolymer acrylamide and Acrylmate Potassium，CLP）在不同浓度溶液中浸泡，对其吸水、释水特性及其吸附大量元素性能方面进行了研究。

1　材料与方法

1.1试材

保水剂（交联聚丙烯酰胺类，CLP），规格以粒径大小分为：0.4～1.6 mm；1.6～2.8 mm；2.8～4.0 mm；4.0～5.2 mm。4种规格保水剂试验中分别记作A、B、C、D（以下相同），由北京汉力淼新技术有限公司提供。

处理所用溶液为不同剂量的Hoagland标准配方营养液。

1.2测定项目及方法

1.2.1保水剂吸水倍数的测定保水剂的吸水倍数是指单位质量的保水剂在过量水（或溶液中）吸水饱和后所吸收水的重量（g·g-1），它表示保水剂的被动吸水能力［9］。称取4种规格保水剂各0.2 g（W1），分别浸入过量的0，1/4，1/2，3/4，1单位浓度的溶液中，浸泡24 h充分吸胀后，经尼龙网过滤至不再有水滴滴下为止，将凝胶称重（W2），计算4种规格保水剂的吸水倍数（P），每个处理重复3次。

1.2.2保水剂吸水速率的测定吸水速率是指单位重量保水剂在单位时间内能吸收相当于自身重量倍数的水溶液，是衡量保水剂能否快速吸水的一个重要指标［10］。按照测定吸水倍数的测定方法，称取保水剂各0.2 g（W1），分别置于过量的0，1/4，1/2，3/4，1单位浓度的溶液中静置吸水，依次在10、20、30、40、50和60 min进行过滤称量（W2），计算得到保水剂在不同时间段的吸水量，计算单位重量单位时间的吸水量即吸水速率（V），每个处理重复3次。

1.2.3保水剂反复吸水倍数的测定反复吸水倍数是指单位质量保水剂吸水-干燥-再吸水-再干燥的可逆反应［11］。称取保水剂各0.2 g，分别浸泡在过量的0，1/4，1/2，3/4，1单位浓度的溶液中浸泡12 h吸胀，经尼龙网过滤至不再有水滴滴下，称取重量，然后将其置于75℃条件下烘干10 h，称重，计算第1次吸水倍数。然后再放回原溶液中充分吸胀，如此吸胀-烘干-吸胀，反复测试3次，分别计算第2次、第3次吸水倍数，每个处理重复3次。

1.2.4保水剂自然风干释水速率的测定保水剂的释水速率，是指单位重量单位时间的释水量，是保水剂含蓄水分后对水分保蓄能力的直观体现［12］。称取10 g在不同浓度溶液充分吸胀后的不同规格保水剂凝胶放于已知重量的培养皿中（W0，W0=10 g+培养皿重），置于室温下，每12 h称重Wi（i=1，2，3……），W0-W1就是第一个12 h后所释放的水量，以后的释水量就是Wi-1-Wi，依次可得到一次饱和吸水后保水剂在不同时间段的自然风干释水量，计算单位重量单位时间的释水量即释水速率（R），每个处理重复3次。

1.2.5保水剂吸附大量元素能力的测定称取保水剂各0.2 g，分别在100 mL的0，1/4，1/2，3/4，1单位浓度溶液浸泡24 h后过滤，量取滤液体积并测其N、P、K的量和原营养液的N、P、K的量，计算单位重量保水剂对N、P、K的吸附量。

1.2数据处理方法

采用Excel 2003软件处理数据和绘图；采用方差分析软件进行统计分析和差异显著性检验。

2　结果与分析

2.1保水剂的吸水倍数

从图1可以看出，在0单位浓度溶液（蒸馏水）中，4种规格保水剂吸水倍数都在200 g·g-1以上，其中B规格吸水倍数最高，为305 g·g-1，A、C与D规格分别比B低15.3%，7.0%和29.1%，差异显著。当保水剂放入含有溶质的溶液中后，吸水倍数显著下降。随溶液浓度增加，保水剂吸水倍数逐渐降低；保水剂粒径增大，吸水倍数有降低趋势，粒径越大吸水倍数下降差异越显著；但在蒸馏水中，其趋势有所不同，粒径中等规格（B，C）吸水倍数较大。

图1　溶液浓度及保水剂规格对保水剂吸水倍数的影响Fig.1 Effects of solution concentration and specifications on absorption multiple of water retaining agent

2.2保水剂的吸水速率

由图2可知，A、B、C、D 4种规格保水剂的吸水速率表现出显著差异，保水剂粒径增大，吸水速率变小。且溶液的溶质有无，明显影响保水剂的吸水速率。在溶液浓度逐渐增加时，其吸水速率均表现出逐渐变小，在延长的不同吸水时间内均表现了相同趋势。溶液浓度对大粒径保水剂（C、D）吸水速率的影响更小，在延长的不同时间内变化幅度也较小；而小粒径保水剂的吸水速率受溶液浓度影响较大，特别是A规格保水剂，表现更显著，随吸水时间延长，不同溶液浓度间的吸水速率差异仍然显著。

图2　溶液浓度及保水剂规格对保水剂吸水速率的影响Fig.2 Effects of solution concentration and specifications on absorption rate of water retaining agent

2.3保水剂的反复吸水倍数

保水剂具有反复吸水的功能，从图3中可以看出，A，B，C，D 4种规格保水剂的反复吸水倍数表现出显著差异。随吸水次数增加，吸水倍数减小；并且蒸馏水比有溶质的溶液对保水剂的反复吸水倍数影响表现更显著。随溶液浓度增加，反复吸水倍数差异有变小趋势。大粒径保水剂（D规格）在较高浓度的溶液中，反复吸水倍数的变化较小；而小粒径保水剂受溶液浓度影响较大，特别是B规格保水剂的差异在各浓度中均表现显著。

图3　溶液浓度及保水剂规格对保水剂反复吸水倍数的影响Fig.3 Effects of solution concentration and specifications on repeated absorption multiple of water retaining agent

2.4保水剂的释水速率

从图4中可以看出，A，B，C，D 4种规格的保水剂在室温条件下，自然风干的释水速率随着时间的延长，逐渐减小。4种规格保水剂在前36 h时，随着溶液浓度增加，释水速率逐渐增加，而在48 h和60 h时，随着溶液浓度的增加，释水速率有逐渐变小的趋势，60 h时差异更明显。在延长的不同时间段，小粒径保水剂A的释水速率在不同浓度溶液间的差异比其他规格显著变小，大粒径（C、D）的差异显著增大。

图4　溶液浓度及保水剂规格对保水剂释水速率的影响Fig.4 Effects of solution concentration and specifications on release rate of water retaining agent

2.5保水剂对大量元素N、P、K的吸附作用

从表1中可以看出，A，B，C，D 4种规格的保水剂随溶液浓度增大，吸附N、P元素的量呈先增加后减小，吸附K元素的量为逐渐增大。4种保水剂吸附N、P元素最多的溶液浓度为1/2或3/4，吸附K元素最多的溶液浓度为1个单位。保水剂粒径的大小显著影响对N、P、K元素的吸附量，随着粒径的增大，N、P、K元素吸附量先增大后减小；B规格对N、P的吸附量最大，C规格对K的吸附量最大。

表1　溶液浓度及保水剂规格对保水剂NPK吸附量的影响Table 1 Effects of solution concentration and specifications on absorbing N,P,K of the water retaining agent

3　讨论与结论

保水剂的吸水、释水特性是评价保水剂性能的重要指标。一般来说，不同种类的保水剂由于材料、粒径等不同，其吸水特性也不同。保水剂属于一种弹性凝胶，吸水速率主要取决于保水剂表面结构、外形和颗粒大小［13］。本研究所用的4种不同粒径规格的试材，随溶液浓度增加，保水剂粒径由小到大，其吸水倍数、吸水速率和反复吸水性能均呈降低趋势。在有溶质的溶液中，保水剂粒径越大，吸水倍数越小；在蒸馏水中，其趋势有所不同，粒径中等（B、C）吸水倍数较大，说明粒径大小不是影响保水剂吸水倍数的唯一因素，还受保水剂外形、结构及水溶液的浓度等因素的影响。保水剂的吸水速率随粒径增大，逐渐减小，而溶液浓度逐渐增加时，吸水速率也表现出逐渐减小的趋势；大粒径保水剂（C、D）的吸水速率在延长的不同时间段内变化较小，而小粒径保水剂（A）降低幅度比较大。

保水剂的反复吸水性是研究其保水能力的重要参考，反复吸水能力的大小反映了保水剂有效使用期的长短［12］。本试验结果表明，随反复吸水次数的增加，吸水倍数逐渐减小；且随溶液浓度增加，吸水倍数也逐渐减小。保水剂的释水速率越小，说明保水剂的保水能力越强，在实际应用中对保蓄土壤中水的贡献越持久［13］。在室温条件下，保水剂自然风干时，释水速率随时间的延长，逐渐减小。4种规格保水剂在前36 h，随溶液浓度增大，释水速率增大，后期随溶液浓度增大，释水速率变小。

保水剂作为一种高吸水性树脂，其独特的分子结构，使其同样可用于控制肥料养分的释放［14-16］。保水剂施到土壤中时，还可以吸附肥料、土壤中的养分离子或分子，防止养分流失，将养分保存在土壤中，对养分供应起到一定的缓释作用［17-20］。保水剂吸附元素能力是体现保水剂保肥效果的一项重要指标。保水剂在不同浓度溶液中浸泡时，其分子中的亲水基团抢先吸收大量的水分，同时也吸收了一部分离子养分，最终与溶液中的水分和养分达到动态意义上的平衡［21-22］。本研究表明，相同浓度倍数的溶液中浸泡的保水剂，B规格吸附的N，P元素最高；在不同浓度溶液中，保水剂随着溶液浓度增加，N、P元素的吸附能力为先增大后减小，K元素的吸附能力为逐渐增大。K元素的吸附能力主要取决于溶液浓度，保水剂的粒径大小对其影响为次要因素。

目前，开展保水剂的研发和应用已成为国内外保水剂研究的热点，推广应用范围也逐年增加，优良保水剂的筛选愈显得尤为重要。本文供试的4种规格保水剂，从不同浓度溶液中的吸水、反复吸水及释水性能来看，B规格（粒径1.6～2.8 mm）性能表现最佳。

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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

国家现代农业产业技术体系专项资助（CARS-25）；国家科技支撑计划项目（2014BAD05BOO）

杨静静（1989-），女，硕士，研究方向：设施蔬菜与无土栽培.E-mail：859362504@qq.com

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