四种不同类型保水剂的基本性能分析

岳焕芳，郭 芳，孟范玉，安顺伟，胡潇怡，王铁臣，徐 进

（北京市农业技术推广站，北京100029）

我国水资源紧张，总量仅为世界的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条件的旱作耕地面积超过了国土和全国耕地面积的一半[1]。2019年北京市人均水资源量仅为114 m3，远低于国际“极度缺水”标准，2019年农业用水占全市总用水量的8.9%[2]，延庆等京郊山区缺乏灌溉条件，年均降水量为450 mm 左右[3]，发展旱作节水农业可以有效缓解水资源供需矛盾，提高水分利用率，保水剂作为旱作节水技术的重要产品，一直是国内外学者研究的热点。

保水剂是利用强吸水性树脂制成的一种具有超高吸水保水能力的高分子聚合物[4]，被称为植物根部的“微型水库”[5]，可以吸收自身质量数倍的水分[6]。随着水资源的日益匮乏，发展节水农业已是必然趋势，高性能保水剂的研制和应用研究越来越受到国内外广泛重视。继化肥、农药、地膜之后，保水剂成为重要的农资产品之一[7]，被称为“第四大农用化学品”[8]。保水剂产品种类繁多，按照原料可划分为3 种：淀粉系（淀粉—聚丙烯酰胺型、淀粉—聚丙烯酸型）、纤维素系（羧甲基纤维素型、纤维素型）、合成聚合物系（聚丙烯酸型、聚乙烯醇型、聚丙烯腈型、聚环氧乙烷型等）[9]。淀粉作为一种天然高分子，产品耐热性差，易腐烂分解，难以贮存，纤维素基吸水性树脂吸水能力较低[10]，目前应用较多的是合成聚合物类和淀粉类保水剂[5]。国内外针对保水剂的研究多集中在施用后土壤和作物的应用效果[11,12]，在玉米、马铃薯等作物上均具有节水增效、增产提质的效果[13]，但是关于保水剂性能方面主要是分别对吸水保水能力[14,15]，或者不同离子对吸水特性影响的研究[16]，缺乏对常用类型保水剂性能的系统综合评价，推广应用缺乏理论数据支撑。为了检验不同类型保水剂的基本性能，本研究筛选了四种常用类型的保水剂，进行了保水剂吸水能力、保水能力以及在不同离子溶液中的吸水性能综合评价试验，为保水剂的推广应用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验通过筛选，选择了4 种不同的保水剂作为试验材料，供试保水剂的基本情况见表1。

表1 供试保水剂基本情况Tab.1 Basic information of water retaining agent tested

1.2 试验方法

1.2.1 吸水倍率

吸水倍率是保水剂保水性能的重要指标，是指单位质量保水剂在充分吸水时所吸收水分的重量。用电子天平称取0.2 g 干燥的保水剂放进玻璃烧杯中，加入1 000 mL 的去离子水，让其充分吸水后用滤网将保水剂取出，再用无纺布和滤纸过滤掉多余水分，然后将其称重，最后用公式计算出吸水倍率。

式中：Q为吸水倍率，g/g；M为溶胀后保水剂重量，g；m为保水剂原始重量，g。

1.2.2 吸水速率

取保水剂1 g，放置于玻璃烧杯，倒入500 mL 去离子水，从试验开始时间间隔10、30、60、90、120、150 min，分6 次测量吸水后保水剂重量。测量时将保水剂从烧杯中捞起，在纱网上静置2 min滤去表面浮水后放置在1个干净烧杯内称重，每次称重完用吸水纸吸干烧杯内壁残留水分，并重新测量空烧杯重量。统计不同保水剂吸水速率，具体计算公式为：

式中：Qn为编号n的保水剂吸水速率，g/（g·min）；Q为保水剂吸水倍率，g/g；t为吸水时长，min。

1.2.3 保水能力

将充分吸水的4种保水剂凝胶置于表面皿上，置于室外有阳光照射处每隔24 h 测定其重量变化，绘制保水剂保水率与时间的关系图，保水率具体计算公式如下：

式中：Qr为保水率，%；M为保水剂重量，g；m为保水剂原始重量，g；M0为初始吸胀后重量，g。

1.2.4 重复吸水能力

取保水剂0.5 g，加入1 000 mL 去离子水中，使其充分吸水后过滤，将完全吸水后的凝胶置于烧杯中，称量完毕连同烧杯一起在温度80 ℃环境中烘干，静置回室温后重新加入去离子水，静置24 h 后测定保水剂充分吸水后重量，重复上述过程6次，并计算吸水倍率和保重率，吸水倍率计算公式同式（1），保重率计算公式如下：

式中：G为保重率，%；me为重复吸水烘干后保水剂重量，g；m为保水剂原始重量，g。

1.2.5 尿素和不同价态阳离子对保水剂吸水速率的影响

采用分析纯尿素、氯化钠、氯化钾、氯化铵、氯化钙、氯化镁配制溶液，一价阳离子和尿素配制0.02、0.04、0.08 mol/L 3 个浓度，二价阳离子配制0.01、0.02、0.04 mol/L3 个浓度，称取1 g 保水剂，放入1 000 mL 溶液中，分别在5、10、15、20、25、55、85、115、145 min进行过滤，称量保水剂重量，计算单位时间吸水速率。具体计算公式如下：

式中：VRt为单位时间吸水速率，g/（g·min）；Wt+1为t+1时刻的保水剂重量，g；Wt为t时刻的保水剂重量，g；m为保水剂原始重量，g；△t为时间增量，min。

1.3 数据处理

采用Excel进行图表绘制，SPSS进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同保水剂吸水能力

图1 为不同保水剂的吸水倍率和吸水速率，从图1 可以看出T4 处理的吸水倍率为777.43 g/g，显著高于其他处理，T1、T2和T3处理的吸水倍率分别为355.84、298.6、319.35 g/g，T1处理显著高于T2 处理。T1 处理吸水速率呈现逐渐下降的趋势，10 min 时吸水速率为7.72 g/（g·min），120 min 之后逐渐趋于平稳为1.1 g/（g·min），T2、T3和T4吸水速率呈现先增加后下降的趋势，T2 处理在30 min 时吸水速率达到最高为1.37 g/（g·min），T3 处理在90 min 时吸水速率达到最高为0.74 g/（g·min），T4 处理在30 min 时吸水速率达到最高为3.04 g/（g·min）。所有处理在吸水90 min后，吸水速率逐渐平稳。

图1 不同保水剂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 不同保水剂保水能力

图2 为不同保水剂随时间变化的保水率，从图2 可以看出随着时间的推移，保水率逐渐下降，24 h 时T1 和T4 保水率分别为67.06%和68.41%，高于T2 处理63.31%，48 h 时T1、T3和T4 保水率分别为43.02%、42.01%和45.63%，高于T2 处理34.31%，120 h 后4 个处理保水率趋为零，T1 和T2 处理144 h后完全失水，192 h 时T3 和T4 处理的保水率为0.12% 和0.32%。

图2 不同保水剂随时间变化的保水率Fig.2 Water retention rate of different water retaining agents with time

2.3 不同保水剂重复吸水能力

图3 为不同保水剂烘干复水吸水倍率，从图3 可以看出第一次吸水后，T4 处理吸水倍率为777.43 g/g，第二次烘干再吸水后吸水倍率为506.3 g/g，第三次烘干再吸水后吸水倍率为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为154.1 g/g，显著低于前五次吸水倍率，比第一次吸水倍率下降了80.18%。T1 处理第五次吸水倍率为258.7 g/g，第七次吸水倍率为250.0 g/g，比第一次吸水显著下降了29.76%。T2 重复吸水能力较为稳定，第七次吸水倍率比第一次吸水下降了19.51%，为4 个处理中最低。T3 处理第六次吸水倍率为226.4 g/g，第七次吸水倍率为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%。

图3 不同保水剂烘干复水吸水倍率Fig.3 Water absorption ratio of different water retaining agents after drying

图4 为不同保水剂复水烘干保重率，从图4 可以看出，经过六次烘干后保水剂的保重率总体呈下降趋势，第一次吸水烘干后，T1、T2、T3和T4四个保水剂的保重率分别为83.8%，81.9%，71.77%和63.65%，T2 处理和T4 处理经过六次吸水烘干后保重率没有显著差异。第六次吸水烘干后，T1、T2、T3和T4四个保水剂的保重率分别为76.11%，73.98%，36.91%和45.32%，T2 处理保重率最高，比T1、T3 和T4 处理分别提高了2.13、37.07和28.66个百分点。

图4 不同保水剂复水烘干后保重率Fig.4 Weight retention rate of different water retaining agents after drying

2.4 不同保水剂在不同价态离子溶液中吸水性能

2.4.1 不同保水剂在不同价态离子溶液中吸水倍率

表2为不同保水剂在一价阳离子溶液中的吸水倍率，从表2 可看出在尿素溶液中，T3 处理吸水倍率显著高于其他处理，0.04 mol/L 尿素溶液中T3 吸水倍率为370.69 g/g，不同浓度尿素溶液对T3处理的吸水倍率影响较小。在0.02 mol/L氯化钠溶液中，T3 处理的吸水倍率显著高于其他处理，达到436.24 g/g，随着氯化钠浓度的升高，吸水倍率下降较多，0.08 mol/L的氯化钠溶液中吸水倍率仅为33.14 g/g。在0.08 mol/L 的氯化铵溶液中，T4 处理吸水倍率为116.89 g/g，显著高于T2 和T3 处理。在0.02 mol/L 的氯化钾溶液中，T4 处理的吸水倍率为111.07 g/g，显著高于T2 和T3 处理，随着氯化钾浓度的升高，吸水倍率逐渐下降。

表2 不同保水剂在一价阳离子溶液中吸水倍率Tab.2 water absorption ratio of different water retaining agents in monovalent cation solution

表3 为不同保水剂在二价阳离子溶液中吸水倍率，从表3可以看出，在0.01 mol/L 的氯化钙溶液中，T1 和T4 处理的吸水倍率分别为73.60 g/g 和79.12 g/g，显著高于T2 和T3 处理，0.04 mol/L 的氯化钙溶液中，T1 处理的吸水倍率为77.82 g/g，显著高于T2 处理。随着氯化镁浓度的升高，T1 处理的吸水倍率逐渐增大，0.04 mol/L 的氯化镁溶液中，T1 处理的吸水倍率为171.14 g/g。以上结果表明，不同离子溶液对保水剂吸水倍率影响不一，不同保水剂在不同离子溶液中吸水倍率变化趋势并不一致，在氯化钠和氯化钾溶液中均随着浓度升高吸水倍率逐渐下降。综合而言，在一价阳离子溶液中T3 处理吸水表现较好，在二价阳离子溶液中T4处理较好。

表3 不同保水剂在二价阳离子溶液中吸水倍率Tab.3 Water absorption ratio of different water retaining agents in divalent cation solution

2.4.2 不同保水剂在不同价态离子溶液中单位时间吸水速率

图5为不同保水剂在尿素溶液中单位时间吸水速率，从图5可以看出随着时间推移，保水剂的吸水速率整体呈现逐渐下降的趋势，在尿素溶液中，T3 处理的单位时间吸水速率高于其他处理，50 min 以后保水剂吸水逐渐减缓直至停止，在0.04 mol/L 和0.08 mol/L 的尿素溶液中，前50 min 保水剂单位时间吸水速率呈现先增加后下降的趋势，0.04 mol/L 尿素溶液中，T1、T2、T3 和T4 单位时间吸水速率最大值分别为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 单位时间吸水速率最大值分别为1.65、4.85、4.45和3.08 g/（g·min）。

图5 不同保水剂在尿素溶液中单位时间吸水速率Fig.5 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in urea solution

图6为不同保水剂在氯化钠溶液中单位时间吸水速率。在氯化钠溶液中，保水剂单位时间吸水速率随时间变化波动较大，在0.02 mol/L 氯化钠溶液中，10 min 时T3 吸水速率为3.38 g/（g·min），高于其他处理，在0.04 mol/L 氯化钠溶液中，10 min 时T2 吸水速率为3.14 g/（g·min），25～100 minT4 处理的吸水速率较高；在0.08 mol/L 氯化钠溶液中，50 min 以后保水剂吸水速度逐渐放缓，T1、T3 和T4 处理在10 min 时单位时间吸水速率最大，分别为2.97、3.69和3.40 g/（g·min），T2处理在25 min时单位时间吸水速率最大，为2.31 g/（g·min）。

图6 不同保水剂在氯化钠溶液中单位时间吸水速率Fig.6 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in NaCl solution

图7为不同保水剂在氯化铵溶液中单位时间吸水速率。在0.02 mol/L 的氯化铵溶液中，25 min 之前T4 处理单位时间吸水速率大于其他处理，最大值为15 min 时6.61 g/（g·min），25 min 后各保水剂吸水逐渐放缓；在0.04 mol/L 和0.08 mol/L 的氯化铵溶液中，50 min 后各保水剂吸水速率较小，在0.08 mol/L的氯化铵溶液中，前50 minT3 处理单位时间吸水速率较高，最大值为15 min时2.12 g/（g·min）。

图7 不同保水剂在氯化铵溶液中单位时间吸水速率Fig.7 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in NH4Cl solution

图8为不同保水剂在氯化钾溶液中单位时间吸水速率。可以看出，在0.02 mol/L 氯化钾溶液中，T2处理单位时间吸水速率较高，最大值为15 min 时5.13 g/（g·min）；在0.04 mol/L 氯化钾溶液中，前25 minT2 处理吸水速率高于其他处理，25～100 min内T4处理单位时间吸水速率较高，最大值为15 min时1.01 g/（g·min）；在0.08 mol/L 氯化钾溶液中，T1 处理10 min时单位时间吸水速率较高，为2.46 g/（g·min），其他处理吸水受到抑制。

图8 不同保水剂在氯化钾溶液中单位时间吸水速率Fig.8 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in KCl solution

图9为不同保水剂在氯化钙溶液中单位时间吸水速率。可以看出在0.01 mol/L 氯化钙溶液中，50 min 以后各处理逐渐停止吸水，T1 处理在10 min 时吸水速率最大，为2.13 g/（g·min），10～50 min 之间T4 处理大于其他处理；在0.02 mol/L 氯化钙溶液中，T1 处理在15 min 时吸水速率最大，为1.39 g/（g·min）。在0.04 mol/L氯化钙溶液中，25 min后各保水剂吸水逐渐停止，T1 处理在10 min 时单位时间吸水速率最大，为1.01 g/（g·min）。

图9 不同保水剂在氯化钙溶液中单位时间吸水速率Fig.9 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in CaCl2 solution

图10 为不同保水剂在氯化镁溶液中单位时间吸水速率。可以看出各保水剂在不同浓度氯化镁单位时间吸水速率波动较大，在0.02 mol/L 溶液中吸水速率较高，T4处理在10 min时吸水速率为4.12 g/（g·min）。

图10 不同保水剂在氯化镁溶液中单位时间吸水速率Fig.10 Water absorption rate per unit time of different water retaining agents in MgCl2 solution

3 讨 论

保水剂的吸水能力是一项重要评价指标[17]，保水剂分子含有大量亲水集团，其利用自身特殊的分子结构，对水分进行吸附，吸水能力越强，可以保留住更多的水分，供给作物使用[18]。本研究对不同保水剂的吸水倍率和吸水速率进行了对比，试验结果表明4种保水剂在90～120 min后吸水逐渐平稳饱和，其中T4 处理的吸水倍率为777.43 g/g，显著高于其他处理，说明在不同类型的保水剂中，淀粉-丙烯酸共聚型保水剂吸水效果最佳，保水剂的结构是影响吸水能力的重要因素之一[19]。

保水剂在田间应用期间，需要及时吸收多余的水分，作物需要时再进行释放，进行土壤水分调控，而且经历多次吸水释水的过程，所以保水剂的保水能力和重复吸水能力是衡量保水剂应用效果和使用寿命的重要指标之一[20]。本试验中经过室外阳光照射120 h，4 种保水剂保水率均趋为零，24 h 时T4 处理保水率为68.41%，高于其他处理，保水性最佳。经过七次烘干重复吸水，T2 处理较为稳定，第七次吸水倍率比第一次吸水下降了19.51%，为4 个处理中最低，T4 处理比第一次吸水倍率下降了80.18%，重复吸水能力较差，可能是因为淀粉-丙烯酸共聚型保水剂交联度和凝胶强度较小，多次重复烘干吸水的过程导致凝胶溶解，吸水能力下降[21]。

保水剂的吸水性能会受到离子溶液浓度的影响，土壤环境和肥料施用会影响保水剂的应用效果，粒径大小、土壤类型以及分子组成结构不同，均可能导致耐盐性的差异[22-24]。本试验结果表明，在不同价态的离子溶液中，保水剂吸水能力均呈现下降趋势，与前人研究结果一致[25,26]。不同离子溶液浓度对保水剂吸水倍率变化趋势的影响并不一致，符合保水剂的Flory-Huggins 吸水理论[27]，影响弹性凝胶膨胀倍率的因素较多，在不同价态的离子溶液中吸水速率呈现波动趋势，基本上在吸水50 min 后趋于饱和，离子溶液限制了保水剂的吸水性能，可能是因为离子溶液中的电解质导致保水剂内部树脂结构渗透压降低，吸水动力不足[28]。

4 结 论

（1）不同保水剂之间基本性能存在较大差异，随着时间推移，吸水速率逐渐下降，吸水90 min 后逐渐饱和，T4 处理的吸水倍率为777.43 g/g，显著高于其他处理。

（2）经过烘干复水重复试验，T4 处理第三次吸水倍率比第一次下降了60.06%，T2 重复吸水能力较为稳定，第七次吸水倍率比第一次吸水下降了19.51%，为4 个处理中最低，经过七次复水后烘干，T1、T2、T3 和T4 四个保水剂的保重率分别为76.11%，73.98%，36.91%和45.32%。T4适合短周期抗旱栽培使用，T2适合生长周期较长的作物抗旱使用。（3）各保水剂在不同价态离子溶液中吸水性能不同，与去离子水相比较吸水倍率均有所下降，保水剂在不同离子溶液中吸水速率变化趋势并不一致，呈现波动趋势，基本上在吸水50 min 后趋于饱和。综合而言，在一价阳离子溶液中T3处理吸水性能较佳，在二价阳离子溶液中T4处理表现较好。