陈加利 孙秀秀 陈宣 王春梅 戚华沙 卢慧波 郑道君

摘要：  选用10种保水剂品种，对其吸水倍数、吸水速率、保水性能和反复吸水性，以及反复吸水对保水能力的改变等进行了较全面的评价。结果表明：不同保水剂，其性能差异显著。供试品种间的吸水倍数差异极大（P<0.01），为37.25～558.13 g/g，6号品种最高。相同原料的保水剂品种随颗粒由小变大，吸水倍数增加或下降，但是其達到饱和所需时间增加;且低于20目以下的品种，表现出较低的吸水速率。品种1、4、5、6号吸水速率在前1 min内快速达到最高值，均在200 g/min以上，且在饱和前的平均吸水速率在70 g/min以上。同一原料的品种间，其提高的吸水倍数随着颗粒直径增大而增加;但不同保水剂其提高的趋势不一样，呈上升趋势或先升后下降。

关键词：  保水剂;  吸水倍数;  吸水速率;  保水性

中图分类号：   S 482. 99               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2021）04 - 0037 - 04

高吸水性聚合物（Super absorbent polymers， SAPs），俗称为保水剂，是一种吸水和保水能力很强的高分子聚合物。它能够吸收比自身重量重百倍、千倍的水，所吸收的水分有85%～95%以上是植物可以利用的有效水[ 1 - 2 ]，而且有反复吸水释水的能力[ 3 ]。研究结果表明，保水剂具有增强土壤的保水性[ 4 ]，改良土壤结构[ 5 ]，保温、保肥、活化养分[ 6 ]等特点，其本身无毒无污染，在解决农林业生产过程中的区域性缺水和季节性缺水问题[ 7 ]，提高种苗存活率[ 8 ]、促进作物长生[ 9 ]与高产方面[ 10 ]起到了良好的效果，已被广泛应用于农林领域[ 11 ]。

由于不同保水剂的生产原料、制作工艺和颗粒大小不一样，其保水性能存在显著的差异，应用效果差异大，限制了保水剂的实际应用。近十年来，对保水剂在农业生产上的研究主要是保水剂应用技术、提高植物成活率和产量、改善土壤物理性质等方面[ 12 - 14 ]，对保水剂性能的评价则少见报道。本文将对10种保水剂进行保水性能方面的系统评价，旨在为其他保水剂性能的比较与评价提供参考，为高性能保水剂生产和选用提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 实验材料

选择10种不同生产原料、制作工艺和颗粒大小的保水剂品种作为实验材料（表1），其中1、2与3号，4、5与6号，7、8与9号，以及10号分别为4个不同的生产厂家。

1. 2 实验方法

1. 2. 1 吸水倍数测量

每种保水剂品种设3个重复，每个重复保水剂颗粒用量0.2 g。将称好的保水剂颗粒，放入干燥的培养皿（80 mm）中，再用大小适当的沙布盖住培养皿口，用橡皮筋扎紧。将培养皿放入纯净水中浸泡24 h，直至吸水饱和，取出后滤去未吸收的水分，用卫生纸沾除沙布上多余的水分。称量记录饱和凝胶的重量，计算保水剂的饱和吸水倍数。饱和吸水倍数=（饱和凝胶的重量-0.2 g）/0.2 g。

1. 2. 2 吸水速率测量

浸泡和取出水面后的处理方法同1.2.1。分别置于纯净水中1、3、5、7、9、13、17、21、25、29、37、45、53、73 min。每个时间段取出水面，称量计算获得每个时间段的吸水倍数（Nt），直至保水剂的重量不再有变化，表明已达到饱和状态。

每个时间段的吸水倍数（Nt）=（该时间段的凝胶的重量-0.2 g）/0.2 g。每个时间段的吸水速率（St）=Nt/t，t为各个时间段的时间。

1. 3 数据处理与分析

应用SPSS20.0对相关数据进行方差分析和LSD多重比较;应用EXCEL（2003）作图。

2 结果与分析

2. 1 不同保水剂的吸水倍数差异

从图1可以看出，不同保水剂的吸水倍数为37.25～558.13 g/g，差异极显著（P<0.01），最高为6号，可达558.13 g/g，而10号仅为37.25 g/g。多重比较发现，除了1号和8号（P=0.407），以及7号和9号（P=0.168）间差异不显著外，其他保水剂品种间的吸水倍数均达到极显著差异（P<0.01）。同一厂家不同颗粒的品种，A厂家的品种随着颗粒的变大，吸水倍数变小，从432.57 g/g（1号）下降至347.78 g/g（3号），品种间差异极显著;而B和C厂家的保水剂则随着颗粒的增大，吸水倍数有增加的趋势。其中B厂家的品种可从303.70倍（5号）上升至558.13倍（6号），品种间差异极显著;C厂家的3个品种虽然有增加趋势，但7号与9号间差异不显著，表明该厂家生产的保水剂随着颗粒的增大其吸水倍数稳定不变，吸水速率与颗粒大小无关（图1）。

2. 2 不同保水剂的吸水速率

试验结果（图2和表2）表明，不同保水剂吸水达到自身的饱和状态所需时间差异明显，为3～57 min，其中1、4号仅用3 min就达到饱和，6、10号分别需9 min 和7 min，2、5和7号需13 min，3、8和9号所需时间分别为25、37、53 min。

进一步分析结果表明，1、4、5、6、7号在饱和前的平均吸水速率在60 g/min以上，分别为（206.71±3.30）、（213.29±1.50）、（72.59±0.88）、（115.47±0.66）、（67.48± 0.97）g/min;它们的吸水速率在前1 min内快速达到最高值（除7号为113.10±2.71 外，其他均在200 g/min以上），再逐渐下降至饱和;其他品种均是先升高后下降，且3、8、9、10号的最高吸水速率仅在20  g/min左右，饱和前的平均吸水速率均在20 g/min以下。4号在前1 min内的吸水速率最大，达到317.20 g/min（±2.40 g/min），10号仅为0.58 g/min（±0.43 g/min），表现最差;此外，1、5和6号前1 min内的吸水速率均在200 g/min以上。在3 min时，1、4、6号的吸水速率仍在100 g/min以上。此后，到达饱和前，仅有6号一直保持在60 g/min的速率。

3 讨 论

3. 1 保水剂能缓解区域性干旱和季节性干旱给农林业生产造成的困难。因其具有较好的重复吸水性能，在旱季与雨季交替显著的地区，如在我国的热带亚热带地区，具有很大的应用潜力。但是不同保水剂因其制作材料、表面结构、外形、粒径等因素不同，吸水特性也不尽相同[ 15 ]。而且，隨着制作工艺的不断改良，其产品的性能也在进一步提高。因此在生产或使用前了解不同保水剂的性能至关重要。然而，近年来对保水剂性能的评价却少见报道。保水剂的吸水性能主要通过吸水倍率、吸水速率体现[ 16 - 18 ]。在本研究中，选用10种保水剂品种，对其吸水倍数、吸水速率进行了较全面的评价。

3. 2 在吸水倍数方面，供试品种差异极大（P﹤0.01），吸水倍数在37.25～558.13 g/g之间，6号可达到558.13 g/g。但是不同生产原料或工艺，保水剂的变化情况不一致，A厂家（聚丙烯酰胺60%，含氢氧化钾、丙烯酸）的品种随着颗粒的变大（20-40目、10-20目、8目左右），吸水倍数变小，从432.57 g/g（1号）下降至347.78 g/g（3号）;B厂家（低交联型聚丙端酸88%（其中含钠24.5%），400目、80目、30-60目）的品种可从303.70 g/g（5号）上升至558.13 g/g（6号）;C家（聚丙酰胺（含钾），40-80目、20-30目、10-15目、5-10目）的四个品种虽然有增加趋势，但变化不大，吸水倍数较为稳定。这与李兴等[ 17 ]的研究结果不一致，即保水剂的吸水倍率与粒径大小呈负相关关系。这可能是不同生产原料或工艺，其吸水倍数的变化情况不一样。但是从本研究的结果看，大于80目和小于10目的保水剂吸水倍数均较小，10～80目的吸水倍数较好，接近或高于400 g/g。

3. 3 就达到饱和所需时间而言，同一厂家的产品随着颗粒变大，其饱和所需时间从快到慢，其中A厂由3～25 min、B厂由3～9 min，C 厂由13～53 min（图2和表2），这与孙吉娜等[ 19 ]的研究结果一致，即同一类保水剂颗粒越小，吸水速率越快，越容易达到吸水饱和。进一步分析结果发现，品种1、4、5、6号吸水速率在前1 min内快速达到最高值，均在200 g/min以上，且在饱和前的平均吸水速率在70 g/min以上;而3、8、9、10号的最高吸水速率仅在20 g/min左右，平均吸水速率均在20 g/min以下。可见，从原材料或生产工艺看，低交联型聚丙端酸88%（其中含钠24.5%）（4、5、6号）的吸水速率均较高，聚丙酰胺（含钾）（7、8、9号）吸水率较低。从颗粒大小看，低于20目以下的品种，表现出较低的吸水速率，大部分平均吸水速率均在20 g/min以下。

在本研究中，同一厂家或生产原料的品种，其吸水倍数随着颗粒直径增大而增加。在供试的品种中，6号保水剂具有最高的吸水倍率（558.13 g/g）、以209.03 g/min的吸水速率在前1min内快速达到最高值，以115.47 g/min的平均吸水速率在9 min内达到饱和。综合分析认为，6号保水剂综合表现最佳。

参考文献

[1] 岳征文，  王百田，  王红柳，  等.  复合营养长效保肥保水剂应用及其缓释节肥效果[J].  农业工程学报， 2011， 27（08）： 56 - 62.

[2] 井大炜，  邢尚军，  刘方春，  等.  保水剂-尿素凝胶对侧柏裸根苗细根生长和氮素利用率的影响[J].应用生态学报， 2016， 27（4）： 1 046 - 1 052.

[3] 邹新喜.  超强吸水剂. 第二版[M].  北京：  化学工业出版社，2002.

[4] 黄占斌，  朱书全，  张铃春，  等.  保水剂在农业改土节水中的效应研究[J].  水土保持研究，  2004（3）： 57 - 60.

[5] Omidian Hossein， Rocca Jose G， Park Kinam. Advances in superporous hydrogels[J]. Journal of controlled release： official journal of the Controlled Release Society， 2005， 102（1）.

[6] Liu F， Ma H， Du Z， et al. Effects of super-absorbent polymer on dry matter accumulation and nutrient up take of Pinus pinaster container seedlings[J]. J For Res， 2013， 18 （3）： 220 - 227.

[7] 杨浩.  保水剂对黄绵土、  褐土及沙土物理特性影响研究[D].北京林业大学， 2011.

[8] 杨杰，  曹昀，  王秀文，  等.  保水剂对高羊茅种子萌发及幼苗生理的影响[J].  水土保持研究， 2017， 24（1）： 351 - 356.

[9] 程晓彬.  不同用量保水剂对青稞生长的影响[J].  贵州农业科学， 2017， 45（02）： 56 - 58.

[10] 张丽华，  边少锋，  孙宁，  等.  保水剂不同粒型及施用量对玉米产量和光合性状的影响[J].  玉米科学， 2017， 25（1）： 153 - 156.

[11] 吳季怀，  林建明，  魏月琳.  高吸水保水材料[M].  北京：  化学工业出版社， 2005.

[12] 井大炜，  邢尚军，  刘方春，  等.  保水剂施用方式对侧柏根际微生态环境的影响[J].  农业机械学报， 2016， 47（5）： 146 - 154.

[13] 陈芳泉，  邵惠芳，  王凯悦，  等.  保水剂对烤烟品种生长发育和生理特性的影响[J].  烟草科技， 2017， 50（3）： 31 - 38.

[14] 王琰，  井大炜，  付修勇，  等.  保水剂施用量对杨树苗土壤物理性状与微生物活性的影响[J].  水土保持通报， 2017， 37（3）： 53 - 58.

[15] 黄占斌.  农用保水剂应用原理与技术[M].  北京：  中国农业科学技术出版社， 2005.

[16] 徐震，  金丽，  李庆国.  三种不同保水剂的性能分析[J].  山东水利， 2018（11）： 29 - 30.

[17] 李兴，  蒋进，  宋春武，  等.  不同粒径保水剂吸水特性及其对土壤物理性能的影响[J].  干旱区研究， 2012， 29（4）： 609 - 614.

[18] 朱琳，  裴宗平.  4种保水剂吸水和保水性能的差异性研究[J].中国无机分析化学， 2012， 2（2）： 69 - 74.

[19] 孙吉娜，  柴勇.  保水剂在农业方面的应用研究[J].  新农业， 2014（15）： 46 - 47.

第1作者简介：  陈加利（1982-），  女，   副研究员，  研究方向：  园艺植物种质资源保护与创新利用。

通讯作者：  郑道君（1979-），  男，  研究员，  硕士研究生。

收稿日期： 2021 - 01 -  20

（责任编辑：   张亚楠）

Performance Evaluation of Different Agricultural

-forestry Super Absorbent Polymers

CHEN Jiali

（ Institute of Tropical Horticulture，  Hainan Haikou 571100）

Abstract In this study， the performances of 10 Super absorbent polymers （SAPs） varieties were comprehensively evaluated， including their water absorption multiple， water-absorption rate， water-retaining property， and repeated water absorption， and the changes in water-retaining capacity by repeated water absorption. The results showed that the performance of different SAPs were significantly different. The water absorption multiples of the tested SAPs varieties were extremely different（P<0.01）， between 37.25～    558.13 g/g， and the highest one was the No. 6 SAP. With the increase of particle size， the water absorption multiple of the SAPs with the same material increased， or decreased for others， but the time to saturate increased for all. Furthermore， the SAPs with the particle size less than 20 mesh has slow water-absorption rate. The water-absorption rates of the SAP No. 1， No. 4， No. 5 and No. 6 could quickly reached the highest value within the first 1 minute， all above 200 g·min-1， with the above 70 g/min of their average water-absorption rates before saturation. Among the SAPs of the same raw material， the water absorption multiple increased as the increase of particle diameter， but the increase trends were different， showing an upward trend or rising first and then falling.

Key words Super absorbent polymers（SAPs）; Water absorption multiple; Water-absorption rate; Water-

retaining property