保水剂的发展前景

魏云浩 李宇鹏 李进 袁照年

【摘   要】 保水剂能够吸收其自身体积和重量数倍的水分从而增加土壤含水率、改善土壤团粒结构、提高肥料利用效率，吸持后的水分85%～95%可缓慢释放供作物利用，促进农作物生长，在节水农业生产等方面具有广泛的应用价值。但是保水剂自身还存在许多问题需要进一步的完善。本文綜述了保水剂在农业的原理、应用及前景。

【关键词】 保水剂;原理;应用前景

The development prospect of water retention agent

Wei Yunhao1   Li Yupeng1   Li Jin1   Yuan Zhaonian2*

（1 College of Crop Science， Fujian Agriculture and Forestry University，   350002）

（2 National Engineering Research Center for Sugarcane， Fujian Agriculture and Forestry University   350002）

[Abstract]  Water retaining agent can absorb water of its own volume and weight several times to increase soil moisture content， improve soil aggregate structure and improve fertilizer utilization efficiency. 85%～95% of water after sucking can be slowly released for crop utilization and promote crops. Growth， and has a wide range of applications in water-saving agricultural production agricultural water-saving products. But there are still many problems that need to be overcome. This article will review the application prospects of multifunctional water retention agents in agriculture.

[Keywords]   water retention agent; principle; application prospect

随着工业的迅猛发展，目前人类面临着许多的环境问题，其中持续性的干旱，已经成为制约农业经济发展的主要问题之一[1]。我国正面临耕地严重缺水退化和土地荒漠化问题，全国平均每年受旱的耕地面积就约3000万km2，严重的影响了农业稳定性和可持续性发展[2]。如何保持固土保水成为了近几年的热门话题，因此，保水剂的发展成为了新的研究方向。

1  保水剂的概念

保水剂是具有大分子量的有机聚合物化合物和具有交联聚合结构的三维网络结构。水分先是通过自身分子存在的大量空间吸收数倍甚至数十至数千倍于其自身重量的纯水[3]。水再通过化学吸附、物理吸附和网状吸附进行吸收，并且在吸收水之后，保水剂变为水凝胶状态，然后根据植物对水分的需求缓慢释放出来被作物吸收和利用。保水剂显著改变作物根系发育，改变了土壤的理化性质，并改善作物生理和肥料利用率[4]。

2  保水剂的作用机理

保水剂具有交联和聚合的大分子结构，由于其具有特殊的分子网状结构，可以吸收自身重量的几十至上千倍水分，而且吸附在保水剂中的水分不易挤出，因此具有强大的水处理能力。保水剂可以吸收和释放水，保水剂可以与化肥、除虫剂和生根粉一起使用，然后缓慢释放以显著提高成分利用率。保水剂不会发生爆炸，没有污染且无腐蚀性，可以有效的降解土壤中的有害物质和成分。多功能复合保水剂原料添加了节约灌溉用水的成分，加速复合保水剂的吸水率，减少水分流失，提高水利用率，大大降低制造成本[5]。

3  保水剂的性能

3.1  吸水能力

吸水能力包括吸水率和吸水率。吸水倍数是指保水剂吸收的水质量与其自身质量的比值，反映了可以吸水的最大保水剂量，是保水性能的重要指标之一 [6]。 吸水率越大，可保留的水分越多，水越容易被作物吸收。刘亚琦等[7]采用10种农业保水剂对比吸水倍数，发现玉米淀粉 - 丙烯酸共聚物保水剂具有最佳的吸水性能[8]。

吸水率是每单位时间内由保水剂吸收液体的体积或质量，这是衡量保水剂是否能够快速吸水的重要指标[9]。保水剂的吸水过程基本上也是和其他的吸收过程相似，即吸水率先高后缓慢，不被吸收时则达到饱和平衡状态。

刘亚琦等[5]发现聚丙烯酸酯开始时迅速吸收水分，并且其中的液体量不断地下降，直至到达饱和状态。而适合农业的应该是一开始便能迅速吸水的保水剂，而聚丙烯酸-无机矿物复合型保水剂便具备了这种条件，所以该保水剂更适合农业。陈晓蓉等[10]表明，添加粉矿粉合成合成油可以获得更好的优势，减少水的成本，保持较高的保水性能。

3.2  保水能力

保水能力是被充分吸收后的保水剂供水能力的比率，可以通过保水率来衡量保水能力的大小 [11]。然而，我们传统意义上的土壤学一般会将水分分为结合水和自由水，而不是简单地把土壤水分含量作为一般措施。

3.3  保肥能力

作为一种超强吸水树脂，保水剂主要就是通过吸附和离子交换的作用来控制肥料养分的释放[12～14]。Paul等[15]发现加入保水剂在废水中和动物粪便溶液中更有助于吸附溶液中的氮磷钾等营养元素。苟春林等[16]表明，保水剂吸收大量水分，可以不斷地提供适量的溶液中的离子和肥料分子，施肥浓度越高保持量越高; 除尿素外，保水剂对肥料的保持率随着肥料浓度的增加而降低。因此，寻求保水剂合适的肥料浓度是研究的重要问题。

4  保水剂的应用

4.1  在荒漠化地区施用

在干旱地区种植树木时，在根部周围挖一根靠近根部的土沟，然后将保水剂和细土均匀搅拌，撒入土沟。在填充和浇水之后，可以使用保水剂。保水剂通过沟渠施用或穴位施用在耕地上形成覆盖的保水膜，为作物提供水和其他活性成分。 该方法可以随时开展随时实施。

4.2  对种子进行包衣

在制备一定浓度的保水剂并与种子混合后，可以在种子表面形成一层保护膜，既可有效防止刺激因素对种子的影响，又可为种子提供营养成分和所需的水分，这对种子的保存和发芽非常有益。由于地下因素会影响种子萌发过程中种子的萌发，因此营养物质，农药等将按一定比例包装，可以有效避免地下恶劣因素对种子的不利影响。

4.3  对根部环绕

使用保水剂对作物或其他花卉的根部进行涂层，可有效的防止烂根病虫害等问题的发生，可以提高成活率。保水剂的施用还可以改善根系附近的土壤，有利于作物对矿质元素的吸收。

4.4  可用作基质

按一定比例均匀混合保水剂与营养成分及其他基质后，用作作物的无土栽培基质。可以为作物的生长提供必要的营养元素和水分，并且作物可以根据自身需求随时补充养分，能够有效的解决营养过剩或不足的问题。

5  保水剂目前的问题

5.1  对保水剂的研发较少

现有的保水剂主要由有机单体聚合而成，十分单一，仅从提高保水性能的方面，片面追求高吸水率和速率，忽略了保水剂的差异。

对于保水剂的投入研究较少，新型保水剂的推广力度也不够，其用法用量鲜为人知，作为一种无公害、可降解的新型农业节水制品，应先进行局域范围内的推广使用，进而推广至全国使用[18]。

5.2  未能意识到保水剂的功能

经过在田间对于直接从事劳作的农民的调查，其对于保水剂的了解知之甚少，对于保水剂的功能更是未曾听说。

5.3  缺乏对环境影响的评价研究

未完善不同类型保水剂的应用规格和标准。到目前为止，有许多品牌的保水剂，将来还会开发出各种各样的产品。由于应用的产品类型，土壤质地，水质，测试条件等不一致，导致许多测试结果相互矛盾。保水剂可以提高作物的出苗率。对于农业生存率和作物生长以及水资源保护，土壤保持，肥料保护和作物生长的评价少之又少[19]。

6  对保水剂前景的展望

保水剂施加入土壤后，可以通过自身的特殊结构来改善土壤的物理性质、提高土壤水分利用率以及促进农作物生长发育，因而保水剂在我国节水农业具有巨大的开发潜力和广阔的应用前景[20]。保水剂的制作成本也应该考虑进去，不能因过分的提高保水剂的效果而忽略了保水剂所具有的市场价值，应适当的注意保水剂的使用方法和用量，找寻最适合的配比方案，为广大农民提供合理的使用方法。此外，由于保水剂材料的不断快速地更新，对于保水剂的安全和其对土壤的危害应及时的做出相关的应对措施。

其中，各种机构对于保水剂的宣传也应该进行起来，配合各种农业机构，例如种子站等进行宣传和体验发放，让保水剂的功能像化肥的使用一样深入人心，多多体现出保水剂的优势，对于干旱缺水的地区更应该有机会免费推广一段时间，让广大的农民朋友认识到保水剂的好处所在，建立起高级研究和基层使用没有隔阂的体系，让每个人都能感到科学研究对于自己的生活带来的深切体验！

另外，由于保水剂目前的研发少之又少，因此，推广保水剂的使用也是重要的一部分，要让大众意识到保水剂的好处和应用前景。保水剂在研究过程中，也出现了很多的问题，为了使用保水剂更加合理有效，建立一种保水剂的生态风险评估方法是一种十分必要的手段，并对土壤生态系统的影响进行系统评价。在不断的完善中提高保水剂在农业中的功能，为农业和农民的农作效率做出应有的贡献！

参考文献：

[1] 李希，刘玉荣，郑袁明， 等.保水剂性能及其农用安全性评价研究进展[J].环境科学，2014，35（1）：394-400.

[2] 颜朝霞，陈红蕾.关于多功能土壤改良保水剂的应用研究[J].甘肃科技纵横，2018，47（11）：27-29. DOI：10.3969/j.issn.1672-6375.2018.11.009.

[3] 吴德瑜.保水剂与农业[M].北京：中国农业科技出版社，1991

[4] 田巍，李天一，白福臣，等.保水剂研究进展及应用[J].化工新型材料，2009，37（2）： 11-14.

[5] 朱本国，何琴，吴丹， 等.保水剂与肥料养分的互作效应研究[J].绿色科技，2018，（17）：26-27.

[6] 刘宇光. 高分子复合吸水性材料的辐射合成及性能测定[J].哈尔滨商业大学学报： 自然科学版，2004，20（3）：329-233.

[7] 刘亚琦，黄占斌，林杉，等.10 种农用保水剂基本性能的比较研究[J].干旱地区农业研究，2011，29（6）： 147-151.

[8] 党秀丽，张玉龙，黄毅.保水剂在农业上的应用与研究进展[J].土壤通报，2006.37（2）： 352-355.

[9] 张建刚，汪勇，汪有科，等.10 种保水剂基本特性对比研究[J].干旱地区农业研究，2009，27（2）： 208-212.

[10]  陳晓蓉，刘辉，陈薇，等.几种矿物复合保水剂的保水性能及养分增效研究[J].土壤学报，2011，49（1）： 194-197.

[11]  Smith J D，Harrison H C.Evaluation of polymers for con-trolled-release properties when incorporated with nitrogenfertilizer solutions [J].Communications in Soil Science andPlant Analysis，1991，22（5-6）： 559-573.

[12]  Mikkelsen R L.Using hydrophilic polymers to control nutri-ent  release[J].Fertilizer Research，1994，38（1）： 53-59.

[13] 李和平.精细化工工艺学：科学出版社，2005年

[14] 苟春林，王新爱，李永胜，等. 保水剂与氮肥的相互影响及节水保肥效果[J].中国农业科学，2011，44（19）： 4015-4021.

[15] Paul W，Tim K.Solids，organic load and nutrient concentra-tion  reductions in swine waste slurry using a polyacrylamide（PAM）-aided solids flocculation treatment[J].Water Res-earch，2005，90（2）： 151-158.

[16] 魏贤，李鹏飞，陈瑞环， 等.环境友好型保水剂的合成、性能及应用[J].水土保持通报，2018，38（5）：293-299，312.

[17] Shaviv A.Advances in controlled-release fertilizers [J].Ad-vances in Agronomy，2001，71： 1-49.

[18] 王瑜，魏琛琛，杨培岭， 等.保水剂与氮磷肥配施对雨养玉米生长的影响[J].排灌机械工程学报，2018，36（9）：903-908.DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.18.1068.

[19] 宋双双，孙保平，张建锋， 等.保水剂与微生物菌剂对土壤水分、养分的影响[J].干旱区研究，2018，35（4）：761-769.DOI：10.13866/j.azr.2018.04.02.

[20] 刘翠芬.一种纳米复合保水剂及其制备方法：中国，CN201810838184.7[P].2018-12-07.