高吸水树脂保水剂提高肥效及减少农业面源污染

　　摘要：高吸水树脂（保水剂）是一种新型多功能抗旱、防污材料，能够快速吸持水肥，增加土壤团粒结构和孔隙度，抑制土面蒸发，提升作物生理机能，减少养分淋失，从而达到提高水肥利用效率和减少肥料污染的作用。

　　近年来，保水剂在农业面源污染防治方面得到了越来越广泛的应用。该文阐述了保水剂的防污作用机理及效能，介绍了保水剂主要防污作用方面的研究，重点对保水剂在农业生产上的防污应用及农用防污型保水剂的研制进行了综述，最后分析了保水剂在农业防污应用和研究过程中存在的问题，提出了保水剂未来进行防污应用的研究方向。

　　关键词：水分，肥料，污染，保水剂，防治

　　0、引言

　　随着对工业废水和城市生活污水等点源污染的有效控制，面源污染尤其是农业生产和生活引起的农业面源污染，已经成为水环境污染最重要的来源。在北方干旱及半干旱地区，缺水导致农业用水紧缺，而面源污染又对农用水质产生了严重影响，使得这些地区的农业用水状况更加严峻。农业面源污染是指在农业生产活动中，氮和磷等营养物质以有机或无机污染物质的形式，通过地表径流和农田渗漏形成的水环境污染，主要包括化肥污染、农药污染、集约化养殖场污染、农膜污染、固体废弃物污染等。全球约有30%～50%的地球表面已受面源污染的影响，并且在全世界不同程度退化的12亿hm2耕地中，约12%由农业面源污染引起。

　　美国的非点源污染占污染总量的2/3，其中农业非点源污染的贡献率为75%左右，在欧洲、日本等国也发现农业面源污染对水环境污染的贡献率在50％以上。

　　中国在上述农业面源污染的主要形式中，以肥料污染的问题最为突出。中国是全球最大的化肥生产和消费国家，截止到2007年，中国化肥使用达5107.8万t，其中氮肥2297.2万t，磷肥773万t，钾肥533.6万t，复合肥1503万t，单位面积的使用量大于400kg/hm2，超过世界平均水平的2倍，远超过发达国家规定的安全值上限225kg/hm2。化肥的不合理施用对地表及地下水资源、农产品等造成越来越严重的污染问题，对中国的人畜饮水及粮食安全造成了威胁。因此，如何能在保证农作物产量和品质的同时，减小肥料污染，从而减轻农业面源污染程度是目前所面临的一道难题。大量的研究和实践表明，减少肥料施入，降低水分和肥料的淋溶渗漏量，提升水肥利用效率，增强作物的生理吸肥机能是解决目前所面临的越来越严峻的农业面源污染问题的根本方法之一。

　　本文所探讨的高吸水树脂（保水剂）是一种人工合成的具有强吸液能力的化学制剂，其在卫生医疗、工业制造、农业生产等方面均有广泛应用。农用保水剂主要以制剂的溶胀吸液性能、使用寿命和环境效应为主要参考指标，较为常用的是淀粉接枝丙烯酸盐共聚交联物和聚丙烯酰胺类保水剂。早期的农用保水剂主要被用于作物的抗旱节水。随着新型保水剂的研制成功，其用途也越来越广，并向着集抗旱、防污、环保等多目标为一体的综合应用进行发展。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、纤维素等高分子材料均可作为保水剂的合成材料。通过调配合成材料的成分配比，可制作出满足不同生活及生产需求的多种类型保水剂产品。

　　高吸水树脂（保水剂）防污技术是一种化学防污技术，是以防治肥料污染来减轻农业面源污染程度为指导思路，以提高水肥利用效率为技术核心，通过其高分子表面电化学作用及结构功能特性，作用于土壤和作物根系，以实现从源头上减少肥料摄入，在应用中促进肥料转化利用，在过程中降低肥料挥发和深层渗漏为目的的防污技术。研究表明，保水剂与肥料通过物理混合（吸附或造粒）、包膜或化学等多种方式结合为材料与功能复合一体化的保水缓/控释肥料可极大地提高肥料的利用效率。

　　保水剂还能够改变土壤环境状况，影响土壤理化性质、微生物群落结构、作物根系生长发育等特性，进而影响土壤的水力传导特性，改变水分和溶质在土壤中的运移规律和作物生理机能，可以蓄持水肥，减少污染物的淋溶流失。

　　本文在介绍保水剂应用于农业面源污染防治作用机理及防污效能的基础上，从保水剂防污作用性能研究，在农业生产上的防污应用和新型农用防污保水剂研制3个方面展开了阐述，围绕保水剂的防污效应进行了重点探讨，最后总结了保水剂防污应用中目前还存在的问题以及未来的研究方向。

　　1、保水剂面源污染防治机理及防污效能

　　1.1保水剂的防污机理

　　保水剂是一种三维网状的有机高分子聚合物，分子呈高度交联状，其防污机理主要体现在提升水肥利用效率，减少肥料损失，可分为直接防污和间接防污2个方面。直接防污是保水剂分子的成键吸液和溶胀吸液使得水肥溶液首先被存留在了保水剂分子内部，再缓慢释放供给作物；间接防污是保水剂加入土壤中后形成了更多的稳定性团聚体导致土壤结构发生变化，土壤孔隙度（主要是毛管孔隙）增加使得土壤毛管溶液储存能力加大，土壤水肥蓄持能力增强，减少肥料的淋溶损失。

　　保水剂的直接吸液是由于高分子电解质的离子排斥所引起的分子扩张和网状结构引起阻碍分子的扩张相互作用所产生的结果。主要通过分子成键吸液和溶胀吸液2种方式进行。当高分子聚合物接触溶液时，其自身分子表面的亲水性功能基团羧基(COO-)、羟基(OH-)等会发生电离并与水分子结合成极性氢键，形成的氢键能够增强分子的吸水动力，提升其吸液机能，这个过程为保水剂分子的成键吸液过程；保水剂形成的亲水性基团可吸附和交换无机离子和游离的养分离子，其通过静电引力、范德华力、离子交换、离子吸附等机制来增强对养分的吸附作用，并使其缓慢释放，从而提升养分的利用效率。

　　在成键吸液进行的同时，保水剂分子电离出的正离子游离于保水剂的网状结构之中，固定在网链上的相邻负离子基团则产生斥力使高分子网络结构扩张，扩张后的网络结构外部被膜结构包裹，而游离的正离子使得保水剂内部结构中的电解质溶液浓度升高，形成与外部水溶液之间的渗透势差，透势差促使外部水分子通过膜结构不断进入高分子内部直至达到浓度平衡，这个过程为保水剂溶胀吸液过程；溶解于水中的养分离子，特别是阴离子态养分，在保水剂进行溶胀吸液的同时会进入到高分子网络结构之中而被固持；此外，溶胀后的保水剂分子还能够将无机离子和养分离子暂时包裹起来，使其随着水分的释放及高分子网络结构的松弛而缓慢释放。

　　保水剂的间接保水、保肥是由于保水剂分子链上的亲水性基团能够增强易分散微粒间的黏结力，从而使分散的微粒团聚形成水稳性团粒。土壤团粒结构的形成增加了土体中的连通孔隙，尤其是使得土壤毛管孔隙增多，增强了土壤毛管溶液的储存能力，提升了包括无机离子和养分离子在内的土壤溶液有效存储量。

　　另外，保水剂所营造的根区水肥耦合区域富集了水分和营养元素，改变了作物根系生长发育的形态特征及生理机能，增强了根系吸收水肥性能，从而进一步提升了水肥利用效率，减少了养分元素的流失。

　　1.2保水剂防污效能

　　保水剂不仅自身能够反复吸释水肥，阻截水肥深层淋溶，其防污效能也是集物理改善、化学调节、生理调控等多方面作用的综合体现。其防污效能主要表现在以下几个方面：（1）改善土壤物理结构，其分子表面的静电作用力促进了土壤团聚体形成，使毛管孔隙度增加，增强了土壤的水肥蓄持能力，从而减少了水肥的深层渗漏；（2）调节土壤生化特性，其对于土壤根域环境的影响促进了土壤有机质的分解矿化，增强了土壤微生物活性，从而提高了对土壤养分的利用效率；（3）影响土壤温度及蒸发，其分子网络结构内部吸持的水分降低了土壤干湿交替频率和蒸发强度，减少了温室气体排放，降低了肥料的挥发损失；（4）吸持水肥缓慢释放，其弹性交联网络结构对土壤溶液的反复吸持将水肥维持在土壤根系层，持续供给作物生长，在减少肥料用量和施用次数的情况下也能满足作物生长第17期廖人宽等：高吸水树脂保水剂提高肥效及减少农业面源污染3所需，从源头上减少肥料摄入；（5）促进作物生长发育，其所营造的水肥耦合微域增强了作物根系生理机能，提升了作物对水氮的吸收能力，从而降低了养分的损失和淋溶污染。

　　1.2.1改善土壤物理结构

　　保水剂能够促进土壤团粒结构的形成，对土壤中0.5～5mm粒径的团粒结构形成最为明显，且当土壤中保水剂在0.005%～0.01%范围时，土壤团聚体增加量明显。土壤团聚体的增加，增强了土壤的通透性，土壤毛管水饱和时单位体积的固、液、气三相组成发生改变，保水剂的加入量越大，土壤液相的组分也越大，而固相和气象组分减小，毛管孔隙度增加。土壤体积质量由于保水剂的加入而减小，土壤膨胀，且渗透性也发生改变。保水剂的加入虽然能够提高土壤持水性能，但不同的土壤质地，其持水能力的提升也存在差异。

　　1.2.2调节土壤生化特性

　　水分子向保水剂内的扩散过程属于non-Fickian扩散，水分子的扩散速率与聚合物网络的松弛速率基本上在同一个数量级或溶剂的扩散速率大于聚合物网络的松弛速率。保水剂本身是一种高分子电解质，施加到土壤中后，由于离子吸附作用，能够吸附与其电性相反的离子或基团，继而对土壤中的离子交换产生影响。保水剂吸水膨胀后改变了土壤的通气透水性，使得保水剂周围的理化环境发生改变，距离保水剂越远，则土壤湿度越小，孔隙度越大，而好氧型微生物越多，厌氧型微生物越少，土壤微生物群落结构发生变化。保水剂改变了土壤中有机质的分解矿化速度，促进了土壤中微生物的活动，提高了土壤养分的利用效率。但保水剂本身并不含有酸碱性物质，因此对土壤pH的影响并不明显。

　　1.2.3影响土体温度及蒸发