缓释腐植酸保水剂的性能

2.2.1　缓释腐植酸保水剂的吸液性能

在缓释腐植酸保水剂的制备过程中，温度、引发剂、交联剂、亲水性基团的比例等因素都会对保水剂的最终吸液性能产生影响。在缓释腐植酸保水剂中，腐植酸的含量是影响其最终吸液性能的不可忽略的因素。Li等人[6]合成了聚丙烯酸/腐植酸钠(PAA/SH)保水剂，结果显示，适量腐植酸的引入可以大大提高PAA/SH保水剂在蒸馏水和生理盐水中的吸水倍率，即使引入40%的腐植酸，所得保水剂的吸水倍率仍然远远高于单纯的PAA。初茉等人[17]以风化褐煤为原料制备了腐植酸(HA)，采用溶液聚合法合成了聚丙烯酸钠(PSA)保水剂，通过表面交联反应将HA与PSA复合，制得一种表面交联型腐植酸-聚丙烯酸钠保水剂(HA-PSA)。结果表明，单纯的PSA对去离子水和自来水的吸水倍率分别为720 g/g和180 g/g，当树脂中含有10%HA时，HA-PSA对去离子水和自来水的吸水倍率分别为750 g/g和260 g/g，说明HA的加入大大提高了保水剂对自来水的吸收能力，即使保水剂的耐盐性能大大改善。Zhang等人[8]制备了聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)/腐植酸钠保水剂(P(AA-co-AM)/SH)，结果表明，当SH含量在0～30%之间时，吸水倍率随SH含量增加，由678 g/g增至1184 g/g；当SH含量超过30%时，随其含量增加，吸水倍率逐渐降低。然而，即使当SH含量为40%，P(AA-co-AM)/SH的吸水倍率仍高于800 g/g，远高于同条件下P(AA-co-AM)的吸水倍率。Hua和Wang[18]在水溶液中通过淀粉(St)、AA和SH接枝共聚反应制备了St-g-PAA/ SH保水剂。结果表明，当反应温度为70 ℃，AA与St的重量比为7，引发剂和交联剂用量分别为3.0%，SH用量为7.7%时，保水剂具有最优的吸水倍率1100 g/g。此外，该作者还将海藻酸钠(SA)引入到保水剂中，制备得到SA-g-PAA/SH保水剂，发现引入10%含量的SH将保水剂的吸水倍率从840 g/g提高到1380 g/g[15]。综上所述，在保水剂制备过程中，引入适量的腐植酸有利于提高保水剂的吸水倍率和耐盐性能。

此外，在较大的pH应用范围内，缓释腐植酸保水剂都拥有较高的吸水倍率。Zhang等人[11]考察了溶液pH对聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)/腐植酸钠/凹凸棒土(P(AA-co-AM)/SH/APT)吸水倍率的影响。结果显示，在pH=4.5～10时，P(AA-co-AM)/SH/APT的吸水倍率基本保持不变。Liu和Wang[14]考察了壳聚糖接枝聚丙烯酸/腐植酸钠(CTS-g-PAA/SH)保水剂在不同pH值溶液中的溶胀行为。结果表明，CTS-g-PAA/SH保水剂在pH=4～10范围内时，吸水倍率基本上保持不变。这种溶胀行为可以通过-COO-和-COOH之间的缓冲作用来解释。因为在弱酸或弱碱环境中，-COO-官能团和-COOH官能团之间可以相互转变。而当pH值位于2～4和11～13时，由于缓冲作用的消失导致了吸水倍率的降低。当溶液的pH值太高时，溶液中的大部分-COOH会转变为-COO-，将会导致溶液中反离子屏蔽效应的增加而造成吸水倍率的降低。当溶液的pH值太低时，溶液中的大部分-COO-会转变为-COOH，将会导致聚合物链之间排斥作用的降低，同样也造成了吸水倍率的下降。郑易安等[19]将膨润土(MMT)和SH引入到P(AA-co-AM)中，得到一种腐植酸保水剂。该保水剂在较低的pH(pH<4)或较高的pH(pH>11)时的吸水倍率较低，而在pH位于4～11之间时，吸水倍率变化不大。在实际应用中，土壤的pH值是不尽相同的，通常农用土壤的pH值在5～8之间。因此，缓释腐植酸保水剂能够满足农用土壤的需求。

对一种新型保水剂来说，反复吸水性能也是一项重要的经济指标。考察缓释腐植酸保水剂的反复使用情况对实际生产具有很好的指导作用。在生长期农作物的灌溉次数一般为4～8次。郑易安等[19]考察了腐植酸保水剂的反复吸液性能。结果显示，腐植酸保水剂的初始吸水倍率为615 g/ g，随着使用次数的增加，保水剂吸水倍率出现下降趋势，但在5次反复吸液之后，吸水倍率仍可达初始吸水倍率的68%以上，表明所合成的缓释腐植酸保水剂具有较好的重复使用性能，可满足农作物在生长时的节水需求。华水波等人[20]考察了聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)/蛭石/腐植酸[P(AA-co-AM)/EVMT/SH]保水剂反复溶胀5次的吸水情况。结果显示，P(AA-co-AM)/EVMT经过5次反复吸水后，吸水倍率为最初的51%，而含有10%和30%SH的P(AA-co-AM)/EVMT/SH保水剂的吸水倍率分别为最初的60%和63%，说明SH的引入提高了保水剂的反复吸液性质。

2.2.2　缓释腐植酸保水剂的保水性能

与不加保水剂的土壤保水率相比，加入缓释腐植酸保水剂P(AA-co-AM)/MMT/SH后，土壤保水率随着保水剂用量的增加而增加。10 d之后保水剂含量为0、0.1%、0.5%和1.0%的土壤保水率分别为0.75%、0.98%、18.5%和30.1%；而20 d之后，含1.0%缓释腐植酸保水剂的土壤仍有6.95%的保水率[19]，说明缓释腐植酸保水剂节水材料在农业和生态恢复等方面可发挥重要作用。Zhang等[8]考察了含30% SH的P(AA-co-AM)/SH在沙土中的实际保水能力。发现随时间延长，沙土中水分含量逐渐减少；含P(AA-co-AM)/SH的沙土具有较高的保水能力。对照在15d时基本失去全部水分；含0.1% P(AA-co-AM)/SH的沙土在20d时才失去全部水分；含0.5%和1.0% P(AA-co-AM)/SH的沙土在20 d时，仍保持了初始所吸水分的24.75%和33.45%。王文波和王爱勤[21]考察了瓜尔胶接枝聚丙烯酸/腐植酸钠(GG-g-PAA/ SH)保水剂在沙土中的保水性能后发现，与不含保水剂的沙土相比，含GG-g-PAA/SH保水剂的沙土表现出了较慢的水蒸发速度。可见，缓释腐植酸保水剂可明显改善土壤的保水性能，进而提高作物的抗旱性。

保水剂有效使用的前提是有可以吸收的水分，而保水剂本身并不能增加土壤中的水分，所以保水剂能够保水，其实质作用是通过保水剂的吸水作用增强土壤吸水能力，减少土壤中水分的蒸发和渗透损失，从而保存更多的水分[22～24]。

2.2.3　缓释腐植酸保水剂的缓释功能

由于常规肥料水溶性高、养分释放快、释放期短，一次施肥法的肥料养分释放期及强度通常与作物养分吸收期及强度不相吻合，释放的养分不能及时被吸收利用，肥料养分损失很大，肥料养分利用率低。分次施肥虽可避免一次施肥问题，改善作物不同生育期肥料养分的供应，但对于现代化农业来说，分次施肥繁琐而成本高[25]。近年来，研究开发的缓释腐植酸保水剂将保水剂保水功能、控制释放技术与肥料通过工艺技术复合于一体，能有效延缓腐植酸的释放，并极大地降低常规肥料养分损失，提高肥料养分利用率。

在缓释腐植酸保水剂中，腐植酸是以两种状态存在：物理填充和化学键合[26]。以物理填充方式存在的腐植酸释放较快，而以化学键合方式存在的腐植酸释放较慢，因此使得腐植酸保水剂能够保持较长时间的腐植酸释放功能。缓释腐植酸保水剂施入土壤后，还能显著降低常规肥料养分挥发和淋溶损失。保水剂的骨架是一个适度交联的网状结构，可让一些小分子或离子如CO(NH2)2、NH4+、NO3-扩散进入。进入到保水剂分子内部的养分离子或分子，可以暂时被溶胀的保水剂分子包裹起来，也可通过静电引力、范德华力、离子交换、离子吸附、螯合等机制而暂时固定下来延缓养分的释放[27]。虽然肥料中存在的一些元素会降低保水剂的吸水量，但保水剂的存在却提高了土壤对营养元素的吸附力，减少了肥料的淋失，提高了土壤保肥能力，并起到增效缓释的作用。因此，缓释腐植酸保水剂既可以保持保水剂在农业上应用的诸多优点，又能给作物缓慢释放养分，在提高化肥利用率的同时，减少了由于大量使用普通化肥所造成的环境污染问题，具有潜在的应用前景。