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保水剂技术的使用
全球水资源紧缺的背景下，仅仅是解决水源问题是不够的，必须减少水的丢失。在农业上除了合理灌溉减少水使用量，还可以使用保水技术减少水分的散失来达到此目的，其中使用保水剂是减少水分丢失的方式之一。
1 保水剂的概念
保水剂(Aquasorb或Super Absorbent Polymer,SAP或Water-retaining agent,WRA)又称土壤保水剂、高吸水剂、保湿剂,它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聚合物,含有大量结构特异的强吸水基团,可吸收自身质量的数百倍至上千倍的纯水。
保水剂无毒无害，反复释水、吸水，因此农业上人们把它比喻为"微型水库"。同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑材料；在工业方面可广泛应用于石油化工、电缆、造纸、传感器、灭火器具、纤维制品、化妆品、食品保鲜、膨胀玩具等。
在医疗卫生方面也可广泛应用于卫生巾、婴儿纸尿布、成人失禁垫片、保健冰帽、冰垫、吸血药布等领域。但是各领域都有针对的不同产品，比如工业跟医疗的不宜在农林方面用。在不同领域使用，我们应该综合考虑其吸水倍率、吸水时间、释放水能力，循环作用周期等。
2 发展历程
美国是研制和开发使用保水剂最早的国家20世纪60年代初,美国农业部为有效的利用本国的丰产玉米,在其北方实验室采用玉米淀粉与丙烯腈聚合,在通过加水分解而率先研制出了保水剂,并由Grain Processing Co.公司制成商品(SGP)于1974年投放市场。
之后受美国应用效果的鼓舞，世界各国竞相研制保水剂，1975年,日本三洋化成公司首先开发了淀粉-丙烯酸接枝共聚物,其他公司也相继开始保水剂得研制开发工作。进入80年代后,世界各国的保水剂发展更快,如美国的Hercules Co公司、National Starch Co公司、日本的住友化学公司、花王石碱公司、触媒化学公司等相继成功的开发出了多种不同类型的保水剂。
我国保水剂的开发始于20世纪80年代初期,最早研制成功的单位是吉林省石油化工设计研究院和河南省化学研究所。
1984~1985年保水剂的研制进入高峰时期,全国有中科院化学所、中科院兰州化物所、北京化工研究所、重庆天然气化工研究所、北京化纤研究所、北京联合大学、天津大学、南开大学、湖南大学、上海工商管理学院、航天工业部101所等20多个单位进行研制。产品如北京KH841、长春IAC-13、兰州晶体、兰州片状、广州H-S-PAN、北京SA、远航天部SAP、陕西永泰田等。
其中北京化工研究院、湖北省化学所等单位和个人申报中国发明专利多项,日本制铁化学公司、触媒化学公司和韩国等也先后申请中国发明专利多项。
3 保水剂类型
目前已研制出的保水剂可以根据其制造原料、存在形态和亲水性等方面分为如下几种:
(1)从原料上可以分为:淀粉类(淀粉-聚丙烯酰胺型、淀粉-聚丙烯酸型)、纤维素类(羧甲基纤维素型、纤维素型)、聚合物类(聚丙烯酸型、聚丙烯晴、聚乙烯醇等)。
(2)从形态上可分为:粉末状、薄片状、纤维状、液体状,以粉末状应用为广。
(3)还可从亲水化和不溶化等方面来分类。经过在农业上的试验应用,有报道的保水剂有:创新1号、LT-1、泰来水晶、MA-500、TAB、FY-1、HS、SA、DB-1、XJ-1、SWA、PA、SGA、SPAN、SUP、KD-I等。
4 保水剂的特性
4.1无毒
安全环保,无毒无味,不污染植物,土壤和地下水,果树花卉,植树造林,无土栽培,植物保鲜运输,大田作物等。
土壤保水剂和防水土流失剂到最终分解物为二氧化碳,水,氨态氮和钠或钾离子,无任何残留。
4.2保墒省水
可有效抑制水分蒸发,防止水土流失,即使在有灌溉的条件下,仍然可省水50%以上。
4.3改善土壤结构
使粘重土壤,漏水肥的沙土和次生盐碱土壤得以改良.同时促进土壤微生物发育,提高土壤有机物的周转利用效率。
4.4使用寿命长
集多种聚合物之特性,可反复吸水膨胀和释放收缩,在生产中使用寿命可达6年以上,是目前市场上使用寿命最长的土壤保湿产品。
4.5吸水速度快
一般自然水吸至饱和最长时间约为15-40分钟,最快0.4分钟。
4.6水肥利用率高
土地保水剂在土壤中形成的"小水库"接受施肥,灌溉(或降雨)造成淋溶流失的微量元素减少1/3,保护环境;当再次干旱时,吸足水的保水剂使周围的土壤保持潮湿,以供给植物根系水分。即使在沙漠地区和极端的干旱气候,在年降雨量达200mm时,也可种草植树。
4.7蓄水不烂根吸足似水的保水剂分子膨胀成为水凝胶晶体,即使紧靠植物根系也不会烂根。
4.8性能稳定即使是极端的干旱,也不会倒吸植物水分。
5 保水剂的主要功能
5.1 保水：保水剂不溶于水,但能吸收相当自身重量成百倍的水.保水剂可有效抑制水分蒸发。土壤中渗入保水剂后,在很大程度上抑制了水分蒸发,提高了土壤饱和含水量,降低了土壤的饱和导水率,从而减缓了土壤释放水的速度,减少了土壤水分的渗透和流失,达到保水的目的。还可以刺激作物根系生长和发育，使根的长度增加、条数增多，在干旱条件下保持较好长势。
5.2 保肥：因为保水剂具有吸收和保蓄水分的作用,因此可将溶于水中的化肥,农药等农作物生长所需要的营养物质固定其中,在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失,达到了节水节肥,提高水肥利用率的效果。
5.3 保温：保水剂具有良好的保温性能。施用保水剂之后,可利用吸收的水分保持部分白天光照产生的热能调节夜间温度,使得土壤昼夜温差减小.在砂壤土中混有0.1%～0.2%的保水剂,对10厘米土层的温度监测表明,对土温升降有缓冲作用,使昼夜温差减少为11～13.5℃,而没有保水剂的土壤为11～19.5℃。
5.4 改善土壤结构：保水剂施入土壤中,随着吸水膨胀和失水收缩的规律性变化,可使周围土壤由紧实变为疏松,孔隙增大,从而在一定程度上改善土壤的通透状况。
6 保水剂的作用机制
由保水剂的组成和结构看,它们是一类具有一定交联度的高分子电解质,在其交联的三维网状结构上有大量的羧基、羟基等强的亲水性官能团,这是其吸水的动力。同时、保水剂本身的铰链联网状结构及氢键作用又限制了它不能无限制的吸水。也就是说,不同的保水剂其吸水能力是不同的。吸水倍率和速率、保水性和稳定性、凝胶强度是衡量保水剂吸水和释水性能的指标。一般来说,同样组成的聚合物交联度越低,虽吸水倍率和速率相对越高,但其保水性、稳定性、凝胶强度越差;反之亦然。同一保水剂的吸水能力还受溶液中无机电解质的性质和含量的影响。由于一些阳离子易与羧基结合,可使网链上负电荷减少,随无机电解质浓度的增大,保水剂吸水能力减少。然而,非电解质类物质如尿素,却可能使保水剂发挥保水作用的同时达到保肥的目的。
7 保水剂在农林业上的的应用
7.1 草业
7.1.1草坪:在新建草坪上的应用极为广泛:出苗率高,成坪快,保湿时间长,施工简便.多用于高尔夫球场,足球场。
方法A在整地时将保水剂按比例(根据土壤类型和保墒情况每平方米播撒20-50g)撒在碎土地表,用铁齿耙梳理拌匀整平,灌足水即可等待播种。
方法B将保水剂与草种按上述比例混播,但播后需覆上表土,方能撒水浇透.如灌溉不便的干旱地段,在浇水时干撒或喷洒(用量:乳状0.2-0.4kg/亩,干粉0.08-0.15kg),以减少水分蒸发。
方法C在已成坪的草坪上施用保水剂,将草修剪至5cm以下并清理干净后,按比例每平米不超过40g(可与草坪肥混播),之后用铁齿耙松土,使其能与土壤充分结合均匀,灌水即可。
方法D公路护坡,岩石绿化通常采用高压罐车喷播(本方法仅限于使用),根据喷播载体性质增减用量或搭配比例.混合喷播用量少,成本低. 护坡(中性沙壤土为例)每平方米使用干粉6-10g。
岩石绿化(又称植被混凝土)的载体多为人工混凝土骨架,受养分和水资源的约束,混合比例略有提高每平方米使用干粉9-15g。
7.1.2牧草:在年降雨量不足200mm的荒漠或纯沙地恶劣地带,一般选种较为抗旱的豆料,菊科牧草品种居多,可以用MP3005S进行种子"保湿包衣",简便节省,能有效促进种子发芽,提高发芽率;山地,平原种植牧草,将保水剂与种子混合播种,在年降雨量200mm以上可不用灌溉。
7.2植树
7.2.1蘸根——根据需要蘸根的苗木数量,将保水剂搅入30升水中(视水的硬度适量增减),充分搅拌溶解后即可浸根移栽(可根据苗木根系情况,按比例加入已经稀释的生根剂,以促进根系生长)。如需长途运输,用塑料薄膜包扎根部或密封保鲜运输,以防止干枯,提高成活率。
7.2.2洒根——在移栽幼苗时(在沙地,沙壤土的情况下),在回填熟土至苗根处,按15-25g/株撒入保水剂,充分与碎土拌匀,填土灌足水即可;如是土壤粘性较强,需要成比例挖大坑穴,沙拌土回填至苗根下10cm处,将事先吸足水的保水剂与土壤(最好再加少量沙)充分混合回填压实,地表覆土。
7.2.3挖沟拌土——三年以上的大树,在其树冠投影垂直约2/3处环绕挖沟(宽25cm,深不超过40cm,但要防止伤根),将保水剂与碎土混合(按0.3‰加保水剂)回填,覆土后留出凹槽,灌水再覆土(若是山地或其它无法灌溉的地区可吸足水后使用)。
7.2.4沙漠植树时直接用保水剂襁褓.大树移栽方法同"2",数量按比例增加。
8 保水剂的使用方法及应用效果
8.1 种子表面涂层
保水剂的使用量为种子量的0.5%~3%。先把保水剂与水按一定的比例混合,将种子倒入其中,边倒边搅拌,使其成为均匀的糊状,使种子表面形成一层薄膜包衣,晾干,用手搓匀后即可播种。此法适用于小面积直播造林、育苗等。
8.2 种子造粒
用湿的涂层种子1份,加入保水剂与细土的混合物(1∶100)2份,充分掺合,使种子裹上一层保水剂与土的混合物,形成种子丸粒。造粒后的种子可直接用于播种,造粒时还可将农药、肥料掺在一起,此法适于颗粒较大的直播树种。
8.3 蘸根和根部涂层
保水剂加水配成1%~5%的溶液,将树苗的根系浸泡其中,然后直接进行栽植;或浸泡后晾干,捆成捆后待用。
8.4 穴施
穴施分两种,一种是将保水剂与树穴中的心土混匀,然后树穴内回填表土,放入树苗,并在树苗的根上撒3~5 cm厚的细土,然后将混剂土撒入树苗周围,尽量远离根茎。每穴保水剂用量为10~30 g。另一种是将保水剂用水浸泡,使保水剂尽量吸饱水呈胶体状。施入方法同第一种,也是尽量远离根茎,以免保水剂包住根茎使其腐烂。这种方法每棵树需吸饱水的保水剂3~5 kg。
8.5 地面喷洒
地面喷洒分为喷施、喷洒两种。地面喷洒就是将保水剂加水配成一定浓度(2%以内)的溶液,用喷雾装置喷洒在树苗周围,在地表形成一层保水剂“薄膜”,减少地面蒸发。此法在经济作物栽植及育苗中效果较好。地面撒施,就是在播种、栽植前将保水剂直接撒在地面上,然后灌水,以提高土壤有效含水量的持续时间。此法一般用于种植草皮和大面积直播、栽植。
8.6 作培养基质
将保水剂与营养液按体积分数0.5%~1%搅和均匀成为凝胶状,再与其它基质按1∶1混合,可用于盆栽花卉、蔬菜、树木等的工厂化育苗。吴德瑜(1991)和胡芬等(1994)研究表明,保水剂能够提高土壤汲取地表水的能力,同时土壤保水性能增强,减少土表蒸发和阻止水分深层渗漏提高水分利用效率改善植物体内水分或种子萌发生理状况,缓解水分胁迫对作物的不良影响推迟萎蔫,节约灌水防止果树越冬花芽冻害及抽条;提高种子出苗率,提高作物移栽、植苗造林成活率以及飞播成效提高土壤阳离子交换量,增强根系活力,促进植物根系发育。这些研究表明,不管在农作物上还是树木上应用保水剂,均有良好效果。但何藤兵等研究表明,在模拟干旱条件下,保水剂对玉米主要经济性状产生一定的影响,并因土壤质地不同而异,但保水剂用量过大会降低这种作用。川岛和夫等也认为保水剂的增产效应必须在灌水量较大的前提下才能表现出来。李青丰等则认为保水剂对环境中水分的吸收与对种子释放水分是相互矛盾的。可见保水剂的应用效果受多种因素的制约,必须对此进行系统的研究,才能使保水剂的节水功能得到充分发挥。
9 选用保水剂应注意
当前,市场上的保水剂,无论从产地,品名,型号等方面都各不相同,在众多的保水剂中,如何选择一种成本低,效果好的产品,使每个用户都很关心的问题.近来,从用户的反馈信息来看,在选用保水剂时应该注意以下几点:
1.保水剂的使用寿命在2年左右。
2.保水剂的吸水倍率通常在300以上，但是随着使用时间的增加，吸水倍率会减小。
3.以淀粉为主要原料的保水剂会自动降解，不会对环境造成危害，如果化学原料的就没有保障了。
10 保水剂应用中存在的问题及应用前景
农业是人类生活的基础产业,水作为农业生产的必备资源,在农业方面的应用已显得尤其重要.现在,我国实施农业生态环境建设,农业结构调整和中西部开发战略,农业上重点推广旱作节水技术,而抗旱保水技术是其重要组成内容.高能抗旱保水剂,是国家旱作农业示范建设项目重点支持开发的新技术产品.
保水剂不是造水剂,必须具备一定的条件下才能充分发挥保水作用,因此,保水剂在节水农林业中的研究应用目前还存在一定问题,主要有:①保水剂对盐分浓度影响的研究多,而对盐分离子类型影响研究较少。②对于保水剂吸肥保肥机理、保水性能与保肥功效的合理优化,保水剂与不同肥料的混合使用比例、使用方法等课题仍研究较少。③目前对保水剂的研究多采用盆栽试验方法进行,只研究施用一次对当季作物的节水增产效果,而缺乏田间一次施用效果的持续时间研究。④有关印证保水剂作用效应的土壤、植物生长生理的研究,结果零散,缺乏深入系统的测定和分析。⑤保水剂单项研究多,多因子综合研究少,对地温影响的测定也未见报道。⑥我国已经加入了“世贸组织”,生产保水剂企业的竞争环境发生了变化,广大用户对降低生产成本,提高农产品质量的问题越来越关心。所以保水剂在农林业推广应用中,突出问题是使用成本过高。
在世界各国中,我国是水资源最缺乏的国家之一。随着国民经济建设的发展和人口的不断增加,淡水资源将日趋紧张。应用保水剂作为节约农业用水的一条新途径,今后尚有许多领域亟待开发,前景十分广阔。如种子公司可研制保水剂丸衣种子,花木公司可将保水剂与营养元素制成专用的育花土壤向市场出售,都具有相当大的市场潜力。果品保鲜、食用菌培养基保湿、大面积造林、城市绿化美化、沙地变绿洲等都是十分现实的研究应用课题。此外欧美和日本在蔬菜上应用的流体播种技术,在我国只有在油菜等几种蔬菜上见过报道,也可研究、借鉴、推广。保水剂在农林业上的应用研究正在深入开展,保水剂将成为农林业生产上不可缺少的物质,其应用前景相当广阔,随着与农业工程、农艺、生物措施等抗旱节水技术的进一步配套完善,将对合理利用旱作农业地区水资源、解决干旱问题和发展旱作农业起到十分重要的作用。