保水剂吸释水分与养分动力学规律研究

魏琛琛 廖人宽 王 瑜 魏 榕 杨凤茹 杨培岭

(1.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083； 2.中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

0 引言

在世界范围内，干旱胁迫造成的粮食减产可能超过了其他因素所导致产量损失的总和[1]。我国旱地面积占全国总土地面积的52.5%[2]，干旱是制约我国农业可持续发展的一个重要因素。近10年来，我国农业用水量均占全国总用水量的60%以上[3]，随着我国农业水危机的不断加剧，农业向高产、稳产的方向发展，应大力发展旱地农田节水保水技术，以充分利用有限的降水资源，保证农业生产的可持续发展。应用保水剂是一种有效的措施，可达到改土、节水、增产的目标，尤其在我国北方旱作农业地区应大力推广。

保水剂是一种吸水能力很强的高分子材料，被誉为“微型水库”，能吸收相当于自身成百上千倍的水分，且能够反复吸水、缓慢地释放，供植物吸收利用，这些特性使保水剂在干旱时能够发挥功效，缓解旱情[4-7]。在保水剂进行分子成键吸液和溶胀吸液的同时，溶液中的养分离子也会同时进入到其分子结构中被包裹固持，而后随着水分释放及分子网状结构松弛而被缓慢释放，起到了养分离子的缓释效应[8]。

目前，有关保水剂在农业上的应用主要集中于新品种的研制以及自身物理化学特性与作用效果的研究[9-11]。吸释水能力作为评判保水剂性能的重要指标，其多集中于对不同粒径、类型的保水剂在不同吸水溶液浓度溶胀特性与恒温状态下保水剂反复吸释水特性研究[12-13]。已有学者证实，保水剂的粒径、溶液浓度、溶液pH值对其吸水能力有重要影响[12,14-17]，但粒径对保水剂吸水性能的影响，不同学者持有不同的观点；对于保水剂释水特性的研究主要关注其在恒温、恒压状态下反复释水的性能，但保水剂被施用于土壤后，更多可能是在土壤吸力的作用下完成释水的过程，目前对于保水剂在释水过程中释放的离子浓度与累积量的变化鲜有报道。因此，研究不同粒径保水剂在不同浓度溶液中反复溶胀吸水、释水时其自身的吸水、保水性能及养分释放能力的变化情况对选取适宜粒径保水剂在田间施用具有一定的研究意义。

针对目前研究的不足，本文通过室内试验，在离心机模拟土壤吸力条件下，研究3种不同粒径保水剂在不同浓度溶液中反复溶胀、离心过程中吸水倍率、离心保水率、释出离子浓度与累积量的变化过程，旨在为选取适宜粒径的保水剂应用于田间提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年4—6月在中国农业大学水利与土木工程学院土壤物理与农作学实验室进行。采用北京汉力淼新技术有限公司生产的保水剂，主要成分为交联聚丙烯酰胺，0.9%NaCl吸收量小于等于50 g/g。分别选用0.8～1.6 mm、1.6～3.5 mm和3.5～5.0 mm 3种粒径。测定保水剂吸水倍率溶液选用磷酸二氢胺(NH4H2PO4)，选配溶液浓度分别为0.02、0.04、0.08 mol/L。试验设置4个重复，分别测定不同时刻、不同粒径的保水剂在不同浓度的溶液中反复溶胀的吸水速率、吸水倍率、离心保水率与离心滤液浓度的变化过程。

1.2 测定内容与方法

1.2.1吸水速率

吸水速率即保水剂累积吸水量曲线的斜率，是评价保水剂应用性能和是否快速吸水的一个重要指标。称取1 g保水剂4份，置于不同浓度的溶液中吸水静置，分别于1、2、4、8、…、304 min后在100目筛网中滤至无水滴滴出后称量。保水剂在不同时刻的吸水速率计算公式为

Vn=(mn+1-mn)/tn

(1)

式中Vn——第n次取样时保水剂的吸水速率，g/s

mn+1——第n+1次取样时保水剂凝胶质量，g

mn——第n次取样时保水剂凝胶质量，g

tn——两次取样的时间间隔，s

1.2.2吸水倍率

吸水倍率指保水剂达到吸水饱和时所吸收水的质量与初始保水剂质量的比值。将测定吸水速率后的保水剂继续在溶液中饱和24 h后取出，置于100目筛网中过滤至无水滴滴出后用电子天平称量(精度0.01 g)，保水剂吸水倍率计算公式[18]为

Q=(m2-m1)/m1

(2)

式中Q——吸水倍率，g/g

m1——初始状态的保水剂质量，g

m2——吸水饱和状态的保水剂质量，g

1.2.3离心保水率

定义某转速离心一定时间后，保水剂吸水量与其溶胀平衡时吸水量的比值为其离心保水率。称取各处理充分溶胀后的保水剂凝胶放置于离心盒中，利用CR22N型高速离心机，在20℃恒温下，分别在1 000、2 000、…、11 000 r/min的转速下各离心1 h后称量。为与保水剂在农业中实际应用情况结合，将离心机转速(r/min)换算为土壤吸力(cm)[19]，计算公式为

(3)

式中h——土壤吸力(压力水头)，cm

ρw——水密度，取1 g/cm3

ω——角速度，rad/s

g——重力加速度，取980 cm/s2

r1——离心机轴心到离心盒中心径向距离，为7.1 cm

r2——离心机轴心到离心盒底部径向距离，为4.5 cm

设定不同转速对应土壤吸力(压力水头)情况如表1所示。

表1 不同离心机转速与土壤吸力对照Tab.1 Comparison of centrifuge speed and soil suction

保水剂某一时刻离心保水率计算公式为[14]

Y=(m3-m1)/(m2-m1)×100%

(4)

式中Y——离心保水率，%

m3——某一转速(土壤吸力)离心后保水剂凝胶剩余质量，g

1.2.4离心滤液浓度

1.2.5反复吸水性

指保水剂吸水—释水—再吸水的反复过程，通过测量保水剂反复吸水次数与吸水倍率，能判断其持续有效期、使用次数和作用效果[20]。本试验考虑保水剂在农业中实际应用条件，利用离心机模拟土壤吸力从低到高的过程而衡量保水剂反复吸水的性能，对保水剂进行3次反复吸水性能测定，步骤与1.2.1节至1.2.4节相同。

1.3 数据分析

所有数据均为4次重复测定的平均值，利用Excel 2016整理记录数据，采用SigmaPlot 12.5作图，采用SPSS 21.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 吸水倍率

图1是不同粒径保水剂在不同浓度溶液中累积吸水量变化情况，不同粒径保水剂在不同浓度溶液中吸水趋势一致，在初始时间，其吸水速率达到最大，这是因为在初始阶段，保水剂的三维网状结构中未含有水分，由于亲水基团的电离，保水剂内外存在很大的渗透压，此时保水剂的吸水速率达到峰值。随着越来越多的水分被保水剂吸持，保水剂内外渗透压逐渐减小，吸水速率逐渐减慢，进而逐渐达到溶胀平衡。

由粒径分析可知，较大粒径保水剂的累积吸水量相对小粒径呈缓慢上升的趋势，在304 min还未完全达到溶胀平衡状态，溶胀平衡时间随保水剂粒径的增大逐渐延长。在第1次吸水304 min的反应时间内，表现出在相同浓度溶液中溶胀时，小粒径保水剂具有较大的吸水量，在第2次、第3次吸水的304 min反应时间内则呈现出与第1次吸水相反的规律，这可能是因为后两次保水剂溶胀平衡时间提前，且大粒径保水剂反复使用性能优于小粒径保水剂，相对小粒径保水剂更能抵抗水分子的溶解作用[21]。

由溶液浓度来看，304 min内保水剂吸水量随溶液浓度的增加显著减小(P<0.05)。保水剂离心后再次溶胀之始，其吸水量依然呈剧烈增大的趋势，但由于其自身保持有一定量的水分，故而达到溶胀平衡的时间较第1次溶胀更短。

图1 不同粒径保水剂在不同浓度溶液中累积吸水量变化Fig.1 Changes of water absorption capacity of SAP with different particle sizes in different concentration solutions

粒径/mm溶液浓度/(mol·L-1)吸水倍率/(g·g-1)第1次吸水第2次吸水第3次吸水0.02(73.91±0.49)Ac(67.50±0.45)Bb(62.32±0.58)Cb0.8～1.60.04(54.18±0.87)Ae(46.65±0.79)Bd(42.02±0.72)Cd0.08(36.49±0.28)Ag(32.01±0.38)Bf(27.06±0.48)Cg0.02(81.05±1.07)Aa(75.04±1.99)Ba(68.82±1.14)Ca1.6～3.50.04(56.49±1.30)Ad(51.60±0.64)Bc(47.26±1.42)Cc0.08(39.88±0.70)Af(35.34±0.61)Be(31.75±0.71)Ce0.02(79.60±0.59)Ab(74.98±1.15)Ba(69.12±0.51)Ca3.5～5.00.04(57.56±1.27)Ad(52.91±1.50)Bc(47.83±0.71)Cc0.08(39.53±0.71)Af(34.36±2.13)Be(30.37±0.91)Cf

注：不同大写字母表示同一行处理间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示同一列处理间差异显著(P<0.05)，下同。

为了使保水剂吸持更多水分，使用1.6～3.5 mm粒径保水剂较其他粒径吸水效果更优。

2.2 离心保水率

保水剂的保水性能是指其内部的亲水结构和水分子相互作用的强度，也就是保持水分不被离析的能力[22]。保水剂的吸水和失水特性共同决定了其保水能力[23]。由图2可看出，保水剂吸持水分的能力随转速(土壤吸力)的增大不断减小。随转速(土壤吸力)增加每小时释水量逐渐降低，在1 000 r/min转速下(土壤吸力为0.02 MPa)离心1 h能够释出较多的水分，在2 000～11 000 r/min转速(土壤吸力为0.07～2.04 MPa)下释水速率较1 000 r/min(土壤吸力为0.02 MPa)明显降低。对累积释水量进行方差分析和多重比较(P<0.05)发现，其随溶液浓度、离心次数增加显著降低；在粒径方面由大到小依次为1.6～3.5 mm、3.5～5.0 mm、0.8～1.6 mm。

图2 不同粒径保水剂在不同浓度溶液中溶胀平衡后离心过程中吸水量变化Fig.2 Changes of centrifugal water absorption of SAP with different particle sizes in different concentration solutions

对保水剂每次离心后最终离心保水率(表3)进行方差及Duncan多重比较(P<0.05)分析可知：保水剂粒径、溶液浓度对其离心保水率有显著影响，保水率在粒径方面由大到小整体表现为0.8～1.6 mm、3.5～5.0 mm、1.6～3.5 mm，在浓度方面由大到小依次为0.02、0.04、0.08 mol/L，与离心次数并未表现出显著差异。结合释水量变化规律，1.6～3.5 mm保水剂相较其他两种粒径释水效果更优。

2.3 离心滤液浓度变化

表3 最终离心保水率试验结果Tab.3 Test results of final centrifugal water retention rate

表4 保水剂离心滤液总累积量变化Tab.4 Changes of cumulative amounts of and in centrifuged filtrate of SAP

3 讨论

在农业中合理施用保水剂，能够起到节水、增产、提高土壤养分有效性的作用。保水剂具有吸水速率快，吸水倍数大的特点，其主要通过吸水和溶胀(主要方式)两种方式保水；又由于其良好的释水性能，可以直接为作物长时间供水[24]。本文选用了3种不同粒径的保水剂，研究其在不同浓度NH4H2PO4溶液中反复吸释水分与养分的动力学规律。结果表明，保水剂吸水速率在初始吸水阶段达到峰值，溶胀平衡时间随粒径增大而延长。这是因为保水剂粒径越小，与溶液接触的表面积越大，溶液能够更快地进入到其三维网状结构中。

吸水倍率是判断保水剂吸水性能的一个重要指标。本研究表明，保水剂吸水倍率随溶液浓度增加显著减小(P<0.05)，且存在显著的幂函数关系，这与大多数学者的研究结果类似[12,25-26]。分析原因是因为试验采用的NH4H2PO4是一种强电解质，在水中溶解电离后，使保水剂内部的渗透压降低，进而使其吸水能力降低[12]。

而关于保水剂粒径对其吸水倍率影响的说法不一。李兴等[27]研究表明，保水剂粒径越大，吸水倍率越小。而张建刚等[16]认为，粒径对保水剂吸水倍率影响不大。宫辛玲等[28]研究发现，粉末状保水剂吸水倍率远小于颗粒状保水剂。本研究表明，1.6～3.5 mm和3.5～5.0 mm粒径保水剂较0.8～1.6 mm粒径保水剂吸水倍率显著增加(P<0.05)，但两种较大粒径保水剂吸水倍率差异并不显著(P>0.05)。这种现象可能是因为小粒径保水剂在粉碎时由于剪切应力导致交联不完全或其交联结构遭到了较大的破坏，聚合物溶解度增大造成的[29]。

保水剂的保水性能是反映水分能否被保水剂储存并释放供植物生长的重要指标[22]。目前大多数研究主要关注了保水剂在恒温、定转速和低转速条件下的释水规律。张璐等[22]在模拟自然蒸发状态下发现，同一保水剂的失水速率随时间逐渐减小。龚磊等[30]研究了保水剂溶胀后在转速为1 500～3 500 r/min和40℃恒温条件下的保水性能，发现保水率随转速增加、恒温时间的增长而减少，且单位时间释水量逐渐减少。本研究利用离心机不同转速模拟土壤吸力由小到大的变化过程，研究了保水剂释水量的变化情况，得到了同样的结论。这是因为在低转速离心时，保水剂优先释放自由水；随着高转速吸力变大，保水剂颗粒表面出现膜层，逐渐释放结合水[21]。YU等[31]通过将不同粒径保水剂与土壤混合溶胀15 min后再在60℃恒温蒸发10 h后发现，由于小颗粒保水剂粘结后具有较小的比表面积，从而在颗粒表面之间形成较小的水力梯度，失水率相对大粒径保水剂更小，这与本研究得到的结论类似。同时，本研究与杨静静等[32]得出的结论相同，即保水剂释水量(速率)随溶液浓度的增大而降低。

保水剂的反复吸水性是衡量其是否能够持久使用的标准。目前对于保水剂反复吸释水特性的研究大都是在对其吸水、释水特性研究的基础上进行的。本研究表明，保水剂吸水倍率、累积释水量随吸水次数增多显著减小(P<0.05)，经3次反复吸释溶液后，离心滤液中氮(磷)平均浓度较第1次离心显著增大(P<0.05)，可能是因为保水剂在反复吸释水过程中破坏了其三维网状结构，使其变得疏松，对水分与离子的束缚能力下降[21]。但由于释水量随离心次数增加显著减小(P<0.05)，导致氮(磷)总累积量较前两次离心显著减小(P<0.05)。

本文供试的3种不同粒径保水剂，从不同浓度溶液反复溶胀离心过程中的吸水、释水和养分性能综合来看，粒径为1.6～3.5 mm的保水剂效果最优，这与杨静静等[32]得出的粒径为1.6～2.8 mm的中颗粒保水剂吸水、反复吸水及释水性能最优的结论一致。

4 结论

(1)保水剂粒径、溶液浓度和吸水次数均对其吸水倍率有着显著影响：吸水倍率随溶液浓度的增大和吸水次数的增多显著减小，与粒径关系由大到小表现为1.6～3.5 mm、3.5～5.0 mm、0.8～1.6 mm。在吸水初始，保水剂吸水速率达到最大，随后逐渐减小并趋于溶胀平衡。且保水剂离心后再次溶胀时，初始吸水速率依然剧烈增加。

(2)保水剂吸持水分的能力和每小时释水量随转速(土壤吸力)的增大不断减小；保水率在粒径方面由大到小表现为0.8～1.6 mm、3.5～5.0 mm、1.6～3.5 mm，在溶液浓度方面由大到小表现为0.02、0.04、0.08 mol/L，离心次数未对其产生显著性影响。