聚丙烯酸鉀小麥抗旱保水劑基本特性研究

孔子堯 葛琳 李建軍 李友亮 邵澤廣 侯坤 李金中 王德鵬 姜雪

摘 要：保水劑作為“微型水庫”，在小麥生產(chǎn)上具有非常重要的應(yīng)用效果。在室內(nèi)實驗條件下，比較研究了聚丙烯酸鉀小麥抗旱保水劑在純水、不同濃度土壤浸出液、不同pH水溶液及不同濃度尿素、氯化鉀溶液中的吸持水特性。結(jié)果表明，保水劑在蒸餾水中的吸水倍率最大，并且保持相對穩(wěn)定;在土壤浸出液及尿素、氯化鉀溶液中，隨著濃度的增大，吸水倍率和吸水速率呈下降趨勢;當(dāng)水溶液pH=7時，保水劑的吸水倍率最大，其次是pH=8和pH=6;保水劑在尿素溶液中的吸水倍率大于氯化鉀溶液，12h的失水速率緩慢且保持平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：抗旱保水劑;吸水倍率;吸水速率;小麥

中圖分類號 S482.99;S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0178-04

目前生態(tài)環(huán)境惡化主要問題是洪澇災(zāi)害和干旱缺水，特別是水資源短缺將成為制約我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要因素。我國水資源總量28000多億m3，居世界第6位，但人均水資源占有量只有2300m3，約為世界人均水平的1/4，干旱缺水成為我國尤其是北方地區(qū)的主要自然災(zāi)害。同時，干旱缺水已成為我國農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展和糧食安全供給的主要制約因素。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到降水量的制約，如何減少土壤水蒸發(fā)、提高水資源利用效率是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題，而保水劑（Super Absorbent Poly-mer SAP）是一種能吸收自身重量數(shù)百倍甚至上千倍水分的新型功能性高分子材料，因其分子結(jié)構(gòu)交聯(lián)，使得吸收的水分不能被簡單的物理方法擠出，故有很強(qiáng)的保水性。此外，保水劑中的水分可以被農(nóng)作物根系直接吸收，起到節(jié)水保肥、疏松土壤、增產(chǎn)增收的效果，在農(nóng)業(yè)抗旱節(jié)水方面中具有廣泛的應(yīng)用前景。保水劑又稱土壤保水劑，既可以保水保肥，也可以保溫和改善土壤結(jié)構(gòu)，無毒無害、保墑省水、使用壽命長、吸水速度快、水肥利用率高是保水劑的重要特性。從化學(xué)結(jié)構(gòu)來看，保水劑三維網(wǎng)絡(luò)上含有-COONa、

-COOH、-OH等親水基團(tuán)，-COONa、-COOH基團(tuán)遇水發(fā)生解離，產(chǎn)生-COO-和Na+、H+等離子，由于高分子鏈上的-COO-不能向水中擴(kuò)散，而網(wǎng)絡(luò)中的Na+離子濃度高于水中的Na+離子濃度，產(chǎn)生了濃度差，使高分子聚合物網(wǎng)絡(luò)外部的水向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部滲透，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外Na+濃度的平衡;其次，由于解離后網(wǎng)絡(luò)上-COO-之間同性離子濃度變大，產(chǎn)生斥力，使網(wǎng)絡(luò)吸水?dāng)U張，同時網(wǎng)絡(luò)上的親水基團(tuán)-COO、-OH、-CONH2可與H2O形成氫鍵，當(dāng)保水劑遇水后可以迅速吸收和貯存較多的水，形成水凝膠，因此農(nóng)業(yè)上將其比喻為“微型水庫”。保水劑能吸收肥料、農(nóng)藥、并緩慢釋放，增加肥效、藥效，因此使用時要綜合考慮其吸水倍率、吸水時間、釋放水能力，循環(huán)作用周期等。筆者主要探討研究了保水劑的一些基本特性及其在小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 聚丙烯酸鉀小麥抗旱保水劑，不規(guī)則粉末狀。

1.2 保水劑性能測定

1.2.1 最大吸水倍率 （1）蒸餾水中最大吸水倍率。精確稱量0.2500g保水劑樣品于150mL干燥的錐形瓶中，加入100mL蒸餾水，靜置12h后用紗網(wǎng)封口，將錐形瓶中的流動水倒出，保水劑和錐形瓶整體增加的重量即是最大吸水量。稱量干燥錐形瓶的重量m1（g）和保水劑吸水后與錐形瓶的總重量m2（g）。此處理設(shè)5個重復(fù)。

最大吸水倍率Maxabsorbent ratio（g/g）=（m2-m1-0.25）/0.25

（2）土壤浸出液中最大吸水倍率。盆栽試驗土樣風(fēng)干后過1mm土篩，從中稱量100g土樣，按照土水比1∶5、1∶4、1∶3、1∶2、1∶1加入蒸餾水，攪拌15min，靜置12h后過濾，取浸提液，然后按照上述方法計算最大吸水倍率。此處理設(shè)3個重復(fù)。

1.2.2 吸水速率 （1）梯度用水量下不同時間的吸水速率。精確稱量0.2500g保水劑樣品5份分別置于5個150mL干燥的錐形瓶中，分別加入10、20、30、40、50mL蒸餾水，分別在第1、2、4、8、16、32min時稱量計算其吸水量。

（2）土壤浸出液中吸水速率。盆栽試驗土樣風(fēng)干后過1mm土篩，從中稱量100g土樣，按照土水比1∶5、1∶4、1∶3、1∶2、1∶1加入蒸餾水，攪拌15min，靜置12h后過濾，取浸出液。精確稱量0.2500g保水劑樣品于150mL干燥的錐形瓶中，加入60mL浸出液，靜置10min后用紗網(wǎng)封口，將錐形瓶中的流動水倒出，稱量干燥錐形瓶的重量n1（g）和保水劑吸水后與錐形瓶的總重量n2（g）。此處理設(shè)3個重復(fù)。

Absorption rate（g/min）=（n2- n1-0.25）/10

（3）不同pH水溶液的吸水速率。用稀釋的NaOH和H2SO4溶液（0.1mmol/L）配置pH值分別為5、6、7、8、9、10、11的水溶液。精確稱量0.1000g保水劑樣品于150mL干燥的錐形瓶中，加入50mL水溶液，靜置30min后用紗網(wǎng)封口，將錐形瓶中的流動水倒出，稱量干燥錐形瓶的重量v1（g）和保水劑吸水后與錐形瓶的總重量v2（g）。此處理設(shè)3個重復(fù)。

Absorption rate（g/min）=（v2-v1-0.25）/30

（4）尿素水溶液及氯化鉀水溶液的吸水速率。尿素及氯化鉀各稱量5、10、15、20、25g，將其完全溶解到1L水中，配制成濃度分別為5、10、15、20、25g/L的尿素水溶液和氯化鉀水溶液。精確稱量0.2500g保水劑樣品于150mL干燥的錐形瓶中，分別加入不同濃度的尿素水溶液或氯化鉀水溶液50mL，加50mL蒸餾水作對照，靜置30min后，按照上述方法計算吸水速率。此處理設(shè)3個重復(fù)。

1.2.3 保水性能 分別精確稱量0.1000g和0.2500g保水劑樣品于300mL干燥的燒杯中，加入100mL蒸餾水，靜置12h后用紗網(wǎng)封口，將錐形瓶中的流動水倒出，稱量干燥燒杯的重量n0（g）和保水劑充分吸水后與燒杯的總重量n1（g）。實驗室條件下，每隔12h稱量失水后的保水劑與燒杯的總重量n2、n3、n4、n5。

1.3 數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)據(jù)圖表均采用Excel進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑在蒸餾水及土壤浸出液中的吸水倍率 衡量保水劑應(yīng)用性能的重要指標(biāo)之一是吸水倍率，而在土壤浸出液中的吸水倍率在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中更尤為重要。由圖1可知，保水劑在蒸餾水中的吸水倍率很大，接近250倍，并且相對保持穩(wěn)定，重復(fù)之間沒有顯著差異;而在不同濃度的土壤浸出液中，保水劑的吸水倍率隨著濃度的增大而減小，并且在每個處理中的吸水倍率明顯小于在蒸餾水中的吸水倍率。保水劑在不同濃度的土壤浸出液中的吸水倍率最大是保水劑在蒸餾水中吸水倍率的72.3490%。因為土壤中含有一定量的肥料，即土壤浸出液也屬于肥料溶液。保水劑分子中含有大量的羧基（-COOH）、羥基（-OH）等強(qiáng)親水性官能團(tuán)。聚合物在未接觸水之前是固態(tài)網(wǎng)束，當(dāng)高分子束與水接觸后，強(qiáng)親水性基團(tuán)與水分子發(fā)生水合作用，使高分子束張展，展張了三維空間網(wǎng)內(nèi)外離子的濃度差，從而造成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，水分子在滲透壓的作用下向網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)滲透。土壤浸出液中的離子與羧基（-COOH）、羥基（-OH）等強(qiáng)親水性官能團(tuán)的相互作用促使內(nèi)外離子的濃度差變小，滲透壓降低，這可能是導(dǎo)致土壤浸出液中的吸水倍率較小的主要原因。

2.2 保水劑的吸水速率

2.2.1 5個梯度用水量下不同時間的吸水速率 保水劑的吸水速率是保水劑性能和實用性的重要方面。由圖2可知，5個處理的吸水量都是隨時間的增加呈增加趨勢，并隨著處理中水量的增加在相應(yīng)時間段的吸水量較大。保水劑在初始階段的吸水是通過毛細(xì)管吸附和分散作用來實現(xiàn)的，吸水速率很低。之后在水分子的作用下，其分子表面的親水性基團(tuán)電離并與水分子結(jié)合成氫鍵，并固定了一定量的水分。電離作用使得分子鏈上都帶有負(fù)電荷，電性相排斥引起分子結(jié)構(gòu)的膨脹，電離出的陽離子也在分子內(nèi)和分子外產(chǎn)生滲透壓差。在兩者的共同作用下，外部水分進(jìn)一步進(jìn)入分子內(nèi)部，在分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)眼內(nèi)貯存起來。用水量增加即是水分子數(shù)量的增加，促進(jìn)了分子結(jié)構(gòu)的膨脹和滲透壓的增大，提高了保水劑的吸水速率。由表1可知，保水劑在不同時間段的吸水速率隨著用水量的增大而上升，并且在第1min的吸收速率最大，之后隨著時間的延長而下降，前4min的吸收速率都較高。這是由于隨著時間的延長，膨脹壓和滲透壓減小的緣故。

2.2.2 保水劑在土壤浸出液中的吸水速率 保水劑在土壤浸提液中的吸水能力一方面能夠反映保水劑的綜合耐鹽堿性能，另一方面可以反映出其施用到土壤中的實際效果。由圖3可知，10min內(nèi)保水劑在土壤浸出液的吸水速率隨著濃度的升高呈下降趨勢。結(jié)合保水劑結(jié)構(gòu)和吸水機(jī)理可知，當(dāng)水中出現(xiàn)一定濃度外加電解質(zhì)時，降低了水中離子與吸水網(wǎng)絡(luò)的離子濃度差，特別是Ca2+在濃度較小時就可與吸水網(wǎng)絡(luò)上的-COO-結(jié)合或與其上的Na+進(jìn)行離子交換形成難電離物，使網(wǎng)絡(luò)上的羧基所帶負(fù)電性大大減少，從而阻止了網(wǎng)絡(luò)的吸水膨脹，網(wǎng)絡(luò)吸水動力變小，貯水空間減小，使保水劑吸水率降低。土壤浸出液中含有一定量的肥料離子和一定濃度的Ca2+ ，并隨土壤浸出液的濃度的提高而增大，減弱網(wǎng)絡(luò)吸水動力，促使吸水速率降低。

2.2.3 不同pH水溶液對保水劑吸水速率的影響 保水劑在不同pH溶液中吸水能力的大小在一定程度上可以反映其在酸性或堿性土壤中的應(yīng)用效果。由圖4可知，當(dāng)水溶液pH=7時，保水劑的吸水速率最大;當(dāng)pH為6、8、9時，保水劑仍保持較大的吸水速率;當(dāng)pH<5及pH>10時，吸水速率明顯下降。通過擬合多項式趨勢線可以看出，強(qiáng)酸環(huán)境使保水劑的吸水速率明顯下降，強(qiáng)酸性環(huán)境對保水劑吸水速率的負(fù)作用較大。因為吸水劑的吸水基團(tuán)主要是-COONa，強(qiáng)酸條件下，-COONa上的Na+有可能被H+所置換，從而導(dǎo)致保水劑內(nèi)部Na+濃度下降，使得保水劑內(nèi)部及溶液中的滲透壓下降，最終導(dǎo)致吸水率的下降。而在強(qiáng)堿條件下，不存在這個問題，因此堿性條件對保水劑吸收能力的影響不如酸性條件明顯。

2.2.4 保水劑在尿素水溶液和氯化鉀水溶液的吸水速率 由圖5可知，隨著尿素水溶液和氯化鉀水溶液的濃度變大，保水劑的吸水速率呈現(xiàn)下降趨勢且均小于其在蒸餾水中的吸水速率;相同濃度的氯化鉀水溶液對保水劑吸水速率的負(fù)影響大于尿素水溶液。這是由于保水劑表面分子有吸附、離子交換作用，保水劑對K+、NH4+和NO3-有較強(qiáng)的吸附作用，吸水基團(tuán)-COONa、-COONa上的Na+有可能被K+所置換。親水離子對是高吸水樹脂能完成吸水全過程的動力因素，從而使得保水劑內(nèi)部及氯化鉀水溶液中的滲透壓下降，而在尿素水溶液下不存在這個問題，因此尿素水溶液對保水劑吸水速率的負(fù)作用不如氯化鉀水溶液明顯。

2.3 保水劑的保水性能 保水劑的保水能力指的是吸水后的膨脹體保持其水溶液不離析的能力，是反映所獲溶液是否能被充分地利用并長期加以應(yīng)用的一項重要指標(biāo)。由圖6可知，2個處理的保水劑失水緩慢穩(wěn)定，釋放速度緩慢，2個處理分別在12.5d和30.5d失水完全，保水性能較好。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明：保水劑在蒸餾水的吸水倍率最大，并且保持相對穩(wěn)定;不同濃度的土壤浸出液中，保水劑的吸水倍率隨著濃度的增大而減小，且最大吸水倍率是保水劑在蒸餾水中吸水倍率的72.35%。5個梯度用水量下不同時間吸水量呈上升趨勢，保水劑在不同時間段的吸水速率隨著用水量的增大而上升，并且在第1min的吸收速率最大，之后隨著時間的延長而下降，前4min的吸收速率都較高。10min內(nèi)保水劑在土壤浸出液的吸水速率隨著濃度的升高呈下降趨勢。保水劑在水溶液pH為6～9時保持較大的吸水速率，在pH<5及pH>10時吸水速率明顯下降。隨著尿素水溶液和氯化鉀水溶液的濃度增加，保水劑的吸水速率呈現(xiàn)下降趨勢，且均小于其在蒸餾水中的吸水速率。

保水劑吸水是因為保水劑分子中含有大量-COOH、-OH、-COONa等強(qiáng)親水性官能團(tuán)，主要的作用基團(tuán)-COONa通過與水分子作用電離，在滲透壓的作用下水分子向保水劑分子內(nèi)部滲透。當(dāng)溶液中含有離子時，作用促使內(nèi)外離子的濃度差變小，滲透壓降低，降低吸水倍率和吸水速率。電解質(zhì)鹽溶液對保水劑吸水倍數(shù)有著十分明顯的影響，電解質(zhì)陽離子所帶電荷數(shù)越多，其對保水劑吸水倍數(shù)的抑制作用越明顯;當(dāng)所帶電荷數(shù)相同時，陽離子的原子量大，其影響也較大，這是由于外部溶液的離子強(qiáng)度越大，保水劑內(nèi)外的滲透壓差就越小，保水劑的吸水能力越低。不同的土壤浸出液濃度、不同pH值、不同的肥料溶液都是因為水中的離子濃度的改變影響保水劑的吸水倍率和吸水速率。而保水劑的失水性能與很多因素有關(guān)，如溫度、空氣濕度、溶液濃度、保水劑本身的分子結(jié)構(gòu)等。在小麥生產(chǎn)中，有效利用保水劑具有促進(jìn)增產(chǎn)增收的效果。使用適量的保水劑可有效減緩小麥的衰老，提高小麥光合作用，從而保證小麥的生理活動，可以很好地協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素的大小關(guān)系，使得穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重處于一個最佳的比例狀態(tài)，從而使得小麥高產(chǎn)。由此可見，在小麥種植區(qū)大力推廣應(yīng)用保水劑，不僅能夠保障糧食增產(chǎn)增收，確保糧食安全，還能夠提高社會效益和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

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（責(zé)編：徐世紅）