高吸水树脂保水剂提高肥效及减少农业面源污染(2)

　　水分子具有较高的比热，保水剂吸水后可以起到缓冲作用，减小土壤温度的升降幅度。保水剂可提高土壤持水力，使土壤热容量增加，减缓蒸发，使土壤热损失减少。保水剂的强吸附性，使其能够聚合电解质离子，对于极性分子也会有较大的影响。水分子是极性分子，其形态和能态受到保水剂的影响，保水剂使土壤水压降低，水分的蒸发强度也随之降低。另外，保水剂促进了土壤团聚体的形成，改变了土壤孔隙组成，降低了土壤的导水率，使表层土与下层土的水势梯度变陡，从而也减缓了土面蒸发。

　　1.2.4吸持水肥缓慢释放

　　保水剂具有吸收和保蓄水肥的作用，其分子表面能够进行离子吸附和交换，可以通过包裹或络合等方式将溶于水中的肥料固定其中并缓慢释放，在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失，提高水肥的利用率。同时，土壤中施入保水剂能够促进土壤中微生物的活动，从而提高了土壤养分的利用效率。但是电解质肥料会降低保水剂的溶胀度，非电解质的尿素是和保水剂进行水肥耦合处理的最佳选择。复合保水剂与同营养型的混合肥料处理相比，氮素表观利用率可提高0.2～1.9倍，磷素表观利用率可提高0.23～2倍。不同的化学肥料对保水剂吸水率的影响程度不同，肥料对保水剂的影响程度按尿素、磷酸二氢钾、氯化钾、氯化铵依次递增。

　　1.2.5促进作物生长发育

　　保水剂促进作物生长发育主要体现在其对于根系生长发育状况的影响。保水剂加入到作物根区土壤后，形成了水肥耦合微域，根系分布和发育均受到影响，其水肥吸持性能得到提升，作物能够通过光合作用合成更多的干物质。保水剂能够降低根系质膜透性，增加根系活力，根系质量增大，且在土壤内分布较为合理，土壤深层根系衰减较慢，利于作物均衡生长。此外，保水剂还能提升作物器官和组织忍受干旱的能力，延迟作物的萎蔫时间，用保水剂进行包衣或涂层后播种能够提高播种的出苗率，缩短移栽育苗期。

　　2、保水剂主要防污作用研究

　　2.1保水剂溶胀吸液

　　保水剂一般是施入到土壤中，土壤溶液成分复杂，含有大量电解质离子、分子，对保水剂溶胀吸液性能的影响比较明显。黄占斌等对国内4种主要类型农用保水剂进行了性能测定，发现不同类型保水剂的性能差异较大，单一性保水剂聚丙烯酸盐在吸水倍率、吸水速率和保水性等方面表现最好，但反复吸水时吸水率降低较快。苟春林等研究了保水剂在磷肥、钾肥溶液中的吸水倍率和对肥料养分吸持量，发现了保水剂在各种肥料溶液中吸水倍率显著下降，并随肥料浓度的增加下降幅度增加。

　　LiYunkai等研究了保水剂在不同离子溶液中的溶胀性能并对保水剂表面形貌变化特征进行了定量化的表征，发现离子类型和价态对保水剂溶胀性能有显著影响。

　　合成材料的种类、配比，交联剂和引发剂种类以及合成方法等对保水剂溶胀吸液性能也会产生较大的影响。MudiyanselageTK等以丙烯酸-丙烯酰胺为原料合成的保水剂具有很好的吸水及反复吸水性能，平均吸水量可达2800g/g，在经过4个重复吸释水周期后，其吸水量仍可达到200g/g。PourjavadiA等将丙烯酸和淀粉进行嫁接研制出了超强吸水剂，在最佳条件下，其去离子水的最大吸水倍率可达3050g/g。MohammadS等以淀粉和聚丙烯腈为合成原料，通过在碱溶液中水解反应得到复合保水剂，其最佳吸水能力在去离子中为>500g/g，而其溶胀比率随着溶液离子强度的增加而下降。

　　2.2保水剂与肥料复配

　　保水剂在吸水的同时也能吸持无机离子和养分离子，并使其缓慢释放以供作物生长所需。在中国北方地区，由于干旱和农业面源污染问题的同时存在，保水剂水肥缓释特性及反复吸释性能等也成为了目前研究人员关注的重点。何绪生等发现不同类型的保水剂对肥料表现出不同的吸附及化学结合特征，保水剂与肥料复合可以是物理、化学或物理化学的作用机制，其可以通过物理包埋，物理、化学吸附，氢键、离子键及共价键等作用来复合肥料养分。宫辛玲等研究发现氮肥溶液中的离子强度、保水剂聚合物类型以及粒级是影响保水剂吸水率的关键因素，保水剂释放和吸收氨氮量高于硝氮量，其释放和吸附氮肥的能力明显受粒级与生产过程中添加的复合成分的影响。黄震等比较3种保水剂对土壤水分和2种氮肥（尿素、硝酸铵）的保持效应，发现保水剂对土壤脲酶活性有一定影响，其变化与氮素转化有关，并筛选了保水剂与氮肥的合理施用配合。张建刚等比较分析了10种农用保水剂在纯水及不同肥料溶液中的吸水倍数、吸水速率、保水率及反复吸水次数，发现粒径只对保水剂吸水速率有较大的影响，而对吸水倍率、保水能力和反复吸水次数影响均不大。

　　选择合适的复配材料对于提高保水剂缓释肥肥效和缓释性能有重要影响。纤维素、秸秆、丙烯酸、丙烯酰胺等材料均是较为理想的载体物质，能够较好地同矿质离子和作物养分进行复配合成。尿素是较为合适的肥源，而磷保水剂缓释肥、氮保水剂缓释肥、氮/磷混合保水剂缓释肥等的也都有应用报道。ZhanFalu等将磷酸(H3PO4)与聚乙烯醇(PVA)进行酯化后形成保水剂磷酸缓释肥，结果显示在第24h，磷素释放量为26.5%，在第72h，磷素释放量为47%，此后磷素释放减慢，当试验进行到第672h，磷素释放量达到79%。TyliszczakB等发现磷缓释肥类保水剂的溶胀性能受到肥料和聚乙烯含量的影响。NiBoli等以乙基纤维素、丙烯酸、丙烯酰胺为原料，混合加入尿素，制成了尿素缓释肥，该产品的氮含量为21.1%，吸水可达70倍，具有较好的生物降解性能。ZhongKang等将改性的蔗渣和丙烯酸嵌入磷酸盐岩，并加入氨、磷酸盐和氢氧化钾作为氮、磷和钾源，结果表明该种保水剂中有效氮、磷、钾质量分数分别为15.13，6.93，52.05mg/g，并且具有很好的养分缓释性能。

　　随着研究的不断深入，保水剂已经从原来单纯应用于节水抗旱走向了更加广阔的应用空间。保水剂缓释肥的应用，能够有效地减少肥料的施入，这在利用保水剂进行农业面源污染防治方面具有十分显著的作用，能够直接减少污染物的摄入，实现从源头上减少污染的目的。

　　2.3保水剂与土壤互作

　　保水剂的施入层位一般在土壤根区附近，其本身的溶胀吸液性能受到土壤质地的影响会发生较大的改变，针对不同的土壤类型来选定保水剂剂型对保水剂效能的充分发挥具有很大意义。闫永利等测试了保水剂与4种土壤混合后的吸液倍率，发现保水剂与土壤混合后明显降低了吸液倍率，且随着吸水时间加长，降低幅度增大，与土壤混合还改变了保水剂的吸水规律。白文波等比较分析了保水剂作用下土壤水分的入渗率、累积入渗量及湿润锋等的动态变化，发现层施保水剂后，保水剂层及保水剂下层土壤含水率会普遍增加1.1～1.9倍。党秀丽等研究了丙烯酸盐类保水剂对土壤持水性能的影响，并推导出土壤有效水含率与土壤质地、保水剂粒径及其使用剂量关系的数学模型。BakassM等研究了保水剂施用条件下土壤干燥过程中的动力学特征，结果显示保水剂的存在减弱了土壤的干旱动力学进程，能够有效地减少水分的流失。

　　AsgharA等将再生纤维素用于保水剂的合成之中，结果显示该种复合保水剂呈现出高度的不定形状，当将这种保水剂按1%的比例同沙子混合施用时，可以使沙子的持水时间增加3倍。准确把握保水剂溶胀性能与土壤理化特性之间的相互关系，对保水剂应用条件下土壤水肥运移规律的探索及模拟模型的构建具有重要意义。

　　3、在农业生产上的防污应用研究

　　农作物种植是保证粮食供应的关键，肥料供应决定着作物的生长状况。但大量的肥料投入导致了农业面源污染，对地区的生态环境产生了较大影响。保水剂吸持水肥后缓慢释放供作物生长所需，减少了肥料跟随雨水和灌溉水的淋溶流失，同时保证了作物在生育期内充足、及时的养分供给。司东霞等以黄瓜为研究对象，在育苗基质中加入控释肥料和保水剂，结果显示在降低基肥氮素用量80%的条件下，植株可正常完成移栽后营养生长阶段的发育进程，同时可降低氮素淋洗损失。李世坤等研究了复合保水剂对水肥淋失和玉米农艺性状的影响，结果表明复合保水剂能够较对照减少淋出液体积，显著降低氮磷钾的累计淋溶率，且能够提高玉米的生物学产量和肥料的利用率。ErroJ等发现用金属离子、腐殖质、磷酸盐混合制成的保水剂不溶于水，但可溶于根系分泌的有机酸，这可以使保水剂随着根系的生长缓慢释放磷素供作物生长所需，在将这种保水剂应用于磷缺失的玉米生产上时，结果显示玉米生长得到恢复，与施用水溶性磷肥的效果相当。

　　保水剂施入土壤中以后，使作物的水肥利用效率得到提升，对作物的光合作用也会产生一定影响，促进产量和品质的提高。杨永辉等的研究结果表明施用保水剂后，随氮肥用量的增加，冬小麦光合速率和叶片水分利用效率均先增后减，胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率先减后增，但均低于对照。

　　赵铭钦等发现施用保水剂可以降低烤后烟叶叶绿素及其降解产物的含量，适量的保水剂对类胡萝卜素及其降解产物含量的提高有利。庄文化等的结果表明，施入保水剂能够促进小麦生长，提高小麦叶绿素含量，提高小麦产量与水分利用效率，与肥料混合使用时，增产效果更加显著，可增产10.14%。俞满源等研究表明保水剂结合氮肥，可以提高不同阶段马铃薯叶片的光合速率，增加花期生物积累量46.7%～98.8%，延长马铃薯茎叶生育期14～15d，增加马铃薯块茎产量75.0%～108.3%。

　　此外，保水剂在温室蔬菜种植、苗木育种移栽等方面也有大量的应用，其防污和增产效果比较明显。崔娜等研究发现不同粒度的保水剂土壤拌施后能提高番茄幼苗的株高、茎粗、根茎叶的干鲜质量等指标，且以中等粒度的保水剂处理效果最好。

　　丁林等的研究结果表明在民勤地区，辣椒采用免储水灌全膜垄作沟灌注水移栽技术，并配合使用适当量的保水剂，能使辣椒增产19.73%，节水30.79%，水分利用效率提高42.33%。刘春梅等发现保水剂增加绿豆3个生育期株高、干物重和根瘤干质量，并且随着用量的增加，效果越明显，其中以0.6g保水剂处理最好。刘方春等发现容器育苗基质中保水剂同速效肥料混合施用，可促进白蜡中后期的生长，提高白蜡干物质、氮和钾的快速积累时间和最大积累速率，增加干物质的积累量和总养分吸收量，而基质中直接加入保水剂对白蜡生长及养分吸收积累影响很小。

　　4、农用防污型保水剂的研制研究

　　保水剂在聚合过程中可以添加入不同的复配材料，从而使保水剂表现出不同的功能特性。淀粉、纤维素、作物秸秆、凹凸棒黏土等材料的添加使保水剂具有较好的反复溶胀性能和较高的吸液倍率，研究人员在此基础上通过新的合成工艺复配入矿质元素和作物养分，制成保水剂缓释肥，极大地提高了肥料的利用效率，使其更适用于农业防污应用。刘瑞凤等以丙烯酰胺和凹凸棒黏土为原料合成了有机-无机复合保水剂，降低了保水剂的制备成本，同时发现其综合性能优于单一聚丙烯酰胺类保水剂，将养分元素加入到保水剂中可以有效提高养分利用效率，减少其淋溶流失量。王雪郦等采用磷尾矿粉和丙烯酰胺为原料，制备了一种含磷农用保水剂，发现含磷农用保水剂，除具有保水作用外，还可以累计释放磷元素，在帮助作物生长的同时，缓解磷尾矿粉对环境造成的压力。毛小云等在保水剂中加入某些矿物和作物养分制成的有机-无机复合保水能显著提高盆栽玉米生物量，氮肥利用率比普通尿素提高一倍以上，并能明显降低肥料的淋溶损失量，其抗淋失的保肥性能与塑料包膜尿素相当。LiangRui等将小麦秸秆和丙烯酸作为原料来合成新的保水剂，当小麦秸秆的加入量为20%时能够达到最大的吸水倍率，其离子溶液吸收量的大小顺序为K+>Mg2+>Fe3+。TyliszczakB等将KH2PO4加入到可降解的保水剂中制成保水剂缓释肥，结果表明保水剂的水凝胶结构和溶胀能力受到交联剂、引发剂以及KH2PO4浓度的影响。WuLan等研制成了双层涂布的氮磷钾缓释肥保水剂，其吸水倍率可达到75倍，钾素含量为8.47%，磷素含量为8.51%，氮素含量为15.77%。低成本、高性能、多功能、环保型复合保水剂的研制是目前研究的热点问题。近年来，石墨烯、瓜尔胶、壳聚糖等越来越多新的材料被用于复合保水剂的研制，使保水剂性能得到了极大提升，其功能更加多样。LiuJianghua等以壳聚糖、丙烯酸和乙烯醇等为原料制成了颗粒状半贯穿网络结构的保水剂，结果显示乙烯醇的加入能够改善保水剂的溶胀速率，同时可以增强其抗酸碱的稳定性。

　　SalimiH等以多糖物质、角叉菜胶、丙烯酸、丙烯酸钠、丙烯酸羟乙酯为主要原料，通过同质溶液聚合法，合成了环保型保水剂。LiJing等采用锋面聚合法合成了魔芋葡甘露聚糖丙烯酸丙烯酰胺和魔芋葡甘露聚糖丙烯酸高岭土两种保水剂。

　　新型保水剂研究思路从单纯的追求高吸液倍率转变为集抗旱、防污、环保为一体的多功能产品的研制，这对于减少肥料的施用从而控制农业面源污染有重要的意义。

　　5、结论