高分子保水材料在农业中的应用-农业工程学报

高分子保水剂农业应用研究进展

庄文化1,2,3,4,冯浩1,2,3,吴普特1,2,3

(1.中国科学院水利部水土保持与生态环境研究中心, 杨凌712100; 2.西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌712100; 3.国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心, 杨凌712100; 4.中国科学院研究生院，北京100039) 摘要: 高分子化合物作为一种新型保水抗旱材料在农业上得到了广泛的应用。保水材料通过自身的吸水供水,增加土壤团粒结构,降低土壤容重,增加空隙度,抑制蒸发达到保水效果,减少了降雨对土壤的侵蚀。通过减少养分淋失,达到提高肥料利用效率和减少肥料污染的作用。大量盆栽和大田试验结果发现高分子确实能够促进种子的出苗及植物生长,但必须结合土壤含水率正确使用。未来研究应重点开发低成本保水保肥多功能保水剂,不断扩大保水剂的应用领域和范围。

关键词：保水剂; 土壤水分; 土壤肥料; 植物生长; 土壤侵蚀;

中图分类号：S156.2 标识码：C 文章编号：200605080

Development of super absorbent polymer and its application in agriculture

Zhuang Wenhua1,2,3,4,Feng Hao1,2,3,Wu Pute1,2,3

(1. Institute of Soil and Water Conservation, MWR&CAS , Yangling 712100, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest Sci&Tech University of Agriculture and Forestry, Yangling 712100, China; 3. National Engineering Research Center for Saving Irrigation at Yangling, Yangling 712100, China;4.Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039)

Abstract: Super absorbent polymer is widely used in agriculture as a new kind material absorbing and storing water. It can hold water in soil and reduce soil erosion by the way of absorbing water itself, increasing soil aggregates and porosity, reducing soil bulk density and evaporation. The super absorbent added in soil can reduce the fertilizer loss, control the pollution caused by the lost fertilizer, increase fertilizer use efficiency. A lot of experiments showed that using super absorbent polymer properly can absolutely increase the rate of seed emergence and promote the crop growth. The multifunctional super absorbent polymer with lower cost should be developed and the application fields and scale should be extended in the further study.

Key words:super absorbent polymer; soil water; soil fertilizer; plant growth; soil erosion;

0 引言

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化合物颗粒剂。这类物质含有大量结构特异的强吸水基团,可吸收自身重量的数百倍至上千倍的纯水[1 ]。这些被保水剂吸附的水能够慢慢释放出来供土壤、植物利用,遇到外界来水时保水剂能够继续膨胀吸水达到蓄水作用。20世纪60年代,美国农业部首先利用玉米制成淀粉接枝聚丙烯脂类保水剂,作为“改善水分状况的重要工具”在西部干旱地区推广应用,并取得了良好的效果。随后又研制开发了以“TAB”为代表的保水剂并进行了一系列实验,发现TAB用于地面撒施可节约用水50%～85 %[2,3]。70年代以后,保水剂的研究与应用日益普及,日本在沙漠绿化、英国在水土保持、法国在土壤改良、俄罗斯在节水农业等方面保水剂的应用都取得了明显效果。

收稿日期：2006-05-22 修订日期：2006-10-12

基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX3-SW-444）, 西北农林科技大学科技专项

(Z24015400,08080239)

作者简介：庄文化（1982—），男，江苏连云港人，中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，博士研究生。主要从事高分子保水剂的农业应用方面研究，E-mail: whzhuang04@

通讯作者：冯浩, 研究员, 主要研究方向为土壤学。杨凌中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心,712100

中国从20世纪80年代开始研制和应用保水剂,现已在60多种作物上试验示范,应用面积超过7万hm 2 [4]。

本文在介绍保水剂吸水原理和主要性能参数的基础上,分析了保水剂对土壤水分和养分的影响,以及保水剂对作物出苗和生长发育的主要作用,介绍了保水剂在水土保持、植树造林等领域的应用情况以及保水剂施用方法,并对这项技术未来的研究重点进行了讨论。 1 保水剂吸水原理及性能

保水剂的成分因生产厂家和剂型而不同,主要成分有聚丙烯酸、聚乙烯酸、乙烯酸、异丁烯无水顺式丁烯二酸、淀粉聚丙烯酸、聚乙烯、纤维素、γ-2聚谷氨酸(γ-PGA)等高分子材料。不同高分子材料的吸水原理基本相同,衡量保水剂性能的主要参数包括吸水倍数、吸水速率和保水能力。

1.1吸水原理

有机高分子化合物保水剂具有高分子三维网状结构,上有大量羧基( - COO - )、羟基( - OH)、季铵盐( - NR +3 ) 等亲水性官能团,形成吸水动力,通过吸水和溶胀两种方式进行吸水[5]。当聚合物接触水时,水分子渗入树脂中使树脂膨胀,进一步亲水而凝胶化,成为高吸水性的状态。由于其具有一定的交联度,保证了树脂吸水后并不溶解于水。在高吸水树脂内部,高分子电解质离子间的相斥作用(渗透压作用) 使水进入分子而扩张,但交联作用使水凝胶具有一定的强度(橡胶弹性力) ,当二者达到平衡时,树脂吸水达到饱和。

1.2 吸水倍数

吸水倍数指保水剂所吸收水分重量与自身重量的比值,反映保水剂能够吸收水分的最大量,是保水剂保水性能的一个重要指标。各种保水剂在吸水性能上有很大的差异,从几十倍到上千倍不等,受离子影响的程度也各不相同。刘瑞凤等研究得出PAA-AM/SH 复合保水剂在纯水中的吸水倍数可达到700g/g,第二次吸水倍率达680g/g,反复失水吸水后第五次吸水倍数达280g/g;在1%的氯化钠溶液中吸水倍数仅为45g/g [6]。据黄占斌报道,钙、镁二价阳离子对钠类保水剂吸水力拮抗作用明显。当溶液中钙、镁离子达到200mg/kg 时,钠保水剂的吸水倍数由228减少到100左右,减小近50%。在北方地区含钙、镁离子较高的土壤中,正是通过钠类保水剂与钙、镁离子结合,增强了土壤团粒间作用力而改善团粒结构。当保水剂与尿素混施时,因为尿素无离子析出,与钠离子没有交换反应,所以,钠性保水剂与尿素混合使用,不会产生离子拮抗作用[7]。有些类型保水剂虽然在纯水中吸水倍数较高,但有离子影响时,吸水倍数很低。王志玉通过实验发现在蒸馏水中,二元吸水树脂的吸水能力比三元吸水树脂强,而在0. 9% 生理盐水中,情况正好相反,三元的吸水能力要强一些。由于土壤溶液中均含有一定量的可溶性盐离子,三元吸水树脂耐盐性的增强,提高了其在农业生产应用中的实用性[8]。因此,在生产实践中选择保水剂时,要结合当地的土壤性质,土壤中的离子类型及浓度确定所用保水剂类型。

1.3 吸水速率

吸水速率是反映保水剂在单位时间内吸收的水量。刘宇光采用如下方法测定保水剂的吸水速率：将蒸馏水注入玻璃沙漏斗,抽滤,漏斗称重( G1) ,然后准确称量一定量的保水剂( G2) 置于漏斗中,注入过量的水,在不同时间间隔内( t ) 抽滤,称量漏斗的重量( G3) ,测定不同时间内样品的吸水率,以吸水率对时间作图,即得吸水速率曲线.吸水速率=312

G G t G -⨯ [9]。吸水速率是坡面上选择保水剂的一个重要指标。当坡度较大,上方来水流速很快时,应当选用吸水速率较快的保水剂,否则还没有及时吸水,水流已经沿坡流走。当坡度较缓,上方来水量大但是流速很慢,这时应该选用吸水倍率大的保水剂。保水剂γ-PGA 和聚丙烯酸吸水树脂的平均最大吸水倍数分别为1108.4 和417.8倍,前者是后者的2.65倍。但γ-PGA 吸水达到饱和的时间是聚丙烯酸吸水树脂的3倍,吸水速率分别为60.0和69.8gg -1 h -1 ,两种材料的吸水速率差异较小。在