孙秀秀 郑道君 陈宣 王春梅 卢慧波 陈加利
摘要： 选用10种保水剂品种，通过室内实验，分别对其保水性能和反复吸水性进行评价，结果表明：供试保水剂品种间的保水率差异显著，其保水性能在恒温60 ℃烘干至6 h时下降到50%左右，而反复烘干-吸水过程能显著提高保水剂的吸水倍数，从1.38倍到2.32倍之间;进一步分析结果表明，反复烘干-吸水过程可使供试品种在烘干10 h时的保水率先高后降。综合分析认为，6号保水剂综合表现最佳，其饱和状态在60 ℃衡温条件下6 h时的保水率快速下降至51.44%，至烘干时一直保持高于其他品种的保水率;反复烘干-吸水过程能显著提高其吸水倍数1.67倍（923.23 g/min），但其保水能力升高，在第4次烘干-吸水后显著下降。
关键词： 保水剂; 保水性; 反复吸水性
中图分类号： S 482. 99 文献标识码： A 文章编号：1001 - 9499（2022）01 - 0035 - 05
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 ]、促进作物生长[ 9 ]与高产方面[ 10 ]起到良好的效果，已被应用于农林领域[ 11 ]。近年来，以保水剂为基础，添加不同营养成分的复合保水剂，可为植物生长同时提供水分与养分，应用前景较好。
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。综合评价不同类型保水剂的性能，对优化保水剂生产工艺提高性能，以及保水剂的选用至关重要。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。
本项目组前期已经对10种保水剂进行吸水倍数以及吸水速率进行初步研究[ 15 ]，为进一步验证其性能，本文将继续对10种保水剂进行保水性及反复吸水性两个方面进行评价，以期为生产上有效筛选和使用高性能保水剂提供科学依据。
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，其基本信息见表1，其中1、2、3号，4、5、6号，7、8、9号，以及10号分别为不同的生产厂家。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 保水性测量
本研究中，保水性高低以保水率衡量。称量记录干燥的培养皿（80 mm）重量，称取饱和状态的保水剂凝胶50 g放入相应培养皿中，置于鼓风干燥箱中60 ℃衡温条件下烘干。在2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24 h时取出称量各时间段的总重量，每种保水剂设三个重复。计算各时间段保水剂凝胶的重量，以及相应的保水率（%）。
各时间段保水剂凝胶的重量（Mt）=各时间段的总重量-干燥培养皿重量;各时间段保水率（%）=各时间段保水剂凝胶的重量（Mt）/50 g×100;t为各个时间段的时间。
1. 2. 2 反复吸水性测量
称取饱和状态的保水剂凝胶50 g，置于干燥的培养皿（80 mm）中，用大小适当的沙布盖住培养皿口，用橡皮筋扎紧。置于鼓风干燥箱中60 ℃衡温条件下烘干至衡重，计为第1次烘干-吸水过程;将培养皿放入纯净水中浸泡24 h，直至吸水饱和，取出滤去未吸收的水份，再用卫生纸沾除沙布上多余的水分，称量记录其总重量，按上述条件烘干至衡重，计为第2次烘干-吸水过程。按此重复，进行了6次的烘干-吸水过程，最后称量不含保水剂凝胶的湿沙布和培养皿总重量。每种保水剂设3个重复，计算每次烘干-吸水过程后保水剂凝胶的吸水倍数（NT）。
NT=（当次总重量-湿沙布与培养皿重量之和）/保水剂颗粒重量（m）。其中，m（g）=饱和状态的保水剂凝胶用量（50 g）/饱和吸水倍数（N）;T为吸水-烘干过程的次数。
每次烘干-吸水过程中，在其烘干10 h时，称量并计算重复的保水率。
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 不同保水剂的保水能力
供试保水剂品种，其饱和状态在60 ℃衡温条件下，随着蒸发时间的延长，保水剂凝胶的重量不断减少，且差异显著（P﹤0.05）。0～6 h时，供试保水剂的保水率快速下降至50%左右;2 h时，保水率均在80%以上，但品种间差异显著，其中1号最高，为89.38%，9号最低为82.69%;至6 h时，保水率快速下降到50%以下，且品种间差异显著（P﹤0.05），其中4、5、7、8、9、10号在6 h时保水率已下降到50%以下。6号在8 h时保水率最高48.43%，与1号（P=0.433）和2号差异不显著（P=0.164），与其他品种差异显著（P﹤0.05），8号仅为35.40%;至16～18 h时，除6号外，其他品种的保水率已下降到10%以下，6号在蒸发20 h时仍保持10.31%，而此时其他品种已在5%以下，4号和5号已接近完全失水。
从图1可知，随着烘干时间加长，在6 h后，6号保水率一直是所有供试品种中最高的，且多重比较分析表明，大部分显著差异;8号品种则是最低的，且显著低于大部分品种。说明保水能力与颗粒大小无直接关系。
2. 2 不同保水剂的反复吸水性
实验结果表明（图2，表2），除了10号品种，反复烘干-吸水对其他供试保水剂的吸水倍数影响均极显著（P﹤0.01）。除了10号品种在6次烘干-吸水过程中吸水倍数无差异外，反复烘干吸水后，其他供试保水剂的吸水能力快速提高，较首次吸水倍数，1～9号分别最大提高1.52（658.54 g/min）、1.70（669.08 g/min）、1.90（659.70 g/min）、1.66（546.27 g/ min）、1.54（467.34 g/min）、1.67（923.23 g/min）、1.90（857.24 g/min）、2.02倍（869.79 g/min）和2.32倍（1 037.81 g/min）。就吸水倍数而言，6、7、8、9号提高达到了850 g/min以上。在本研究烘干-吸水次数范围内，1、2、3号和6号随着次数的增加，其吸水能力呈上升趋势，其中6号的重复吸水次数达到6次时，极显著高于前面5次（P﹤0.01），且也极显著高于同一次数不同品种（P﹤0.01）;4、5、7号和9号先升后下降，其中4号在第2次吸水-烘干过程达到最大值后，下降明显，到第5次时已与首次吸水能力无显著差异（P=0.25）;8号经过第2次吸水-烘干过程显著提升后，随后稳定下来，第2、3、4、5、6次间的吸水倍数无显著差异（P>0.05）。
为进一步了解反复吸水-烘干后保水剂的性能变化，本研究测量了每次吸水-烘干过程中，烘干10 h时供试保水剂的保水率（图3）。单因素分析结果（表2）表明，重复吸水-烘干过程对保水剂烘干10 h时的保水率影响极显著（均P﹤0.01）。所有供试的保水剂品种随着重复吸水-烘干过程次数增加，烘干10 h时的保水率先提高后下降，其中1、2、3、7、10号均是第3次吸水-烘干过程时保水率达到最高，随后下降，且在第6次时下降显著，1号和10号下降低于首次吸水的情况;5、6和8号在第4次吸水-烘干过程时保水率达到最高，随后下降;6号第6次时下降显著超过了前5次（均P﹤0.01）;4号和9号在第5次时上升达到最高，第6次时显著下降，从70.81%下降到19.94%，低于首次的34.42%。最后，经过6次重复吸水，1～ 10号保水剂烘干10 h时的保水率分别为21.33%、41.38%、47.05%、14.94%、46.69%、21.96%、44.54%、59.79%、57.52%和18.88%，差异显著（P﹤0.05）。
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[ 16 ]，随着制作工艺的不断改良，其产品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。保水剂的吸水性能主要通过吸水倍率、吸水速率、保水性能和反复吸水性体现[ 17 - 19 ]。此外，反复吸水后性能的改变情况也是评价的重要内容，但在以往的研究报道中，未见相关分析，这也给保水剂生产和使用带来较大的影响。在本研究中，选用10种保水剂品种，对其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方面进行了较全面的评价。
3. 2 试验结果表明，不同保水剂的保水能力差异显著（P﹤0.05），且随着烘干时间的加长，同一原料或工艺的1、2、3号品种保持着良好的保水率;至6 h时，所有供试品种的保水率快速下降到50%左右;6 h到烘干，6号品种均保持了最高的保水率。而7、8、9、10号的保水率一直低于1、2、3、6号。可见，保水剂的保水能力与制作原料或工艺存在较大的关系。这与徐震的研究结果一致[ 20 ]，对旱地保水剂、农林保水剂和复合磷酸盐保水剂的比较发现，旱地保水剂优于其他两种。
3. 3 保水剂的反复吸水性是研究其保水能力的重要参考之一[ 21 ]。在本研究中，除了10号品种外，反复烘干-吸水过程能显著提高保水剂的吸水倍数，但品种不同其提高的倍数不一样;同一厂家或生产原料的品种，其反复吸水倍数随着颗粒直径增大而增加。其中同一厂家的7、8、9号表现较好，另一厂家的4、5、6号提高倍数偏低。虽然吸水能力均有不同程度的提高，但不同保水剂其提高的趋势不尽相同。随着次数的增加，1、2、3、6号吸水能力呈上升趋势;4、5、7、9号先升后下降;8号经过第2次吸水倍数显著提升后稳定。4号为本次试验中最细的品种，在第2次烘干-吸水过程时达到最大值后，下降明显，到5次时已与首次吸水能力无显著差异（P=0.25）。这与杨静静等[ 21 ]的研究结果不一致，她们分析认为随着反复吸水次数的增加，保水剂的吸水倍数逐渐降低，经反复烘干后吸水性并趋于稳定。进一步的分析结果表明，每次烘干吸水后，供试品种的保水能力先高后降。在烘干10 h时，经过6次重复吸水，1、4、6、10号的保水能力均低于首次。
3. 4 6号保水剂综合表现最佳，其饱和状态在60 ℃衡温条件下6 h时的保水率快速下降至51.44%，之后至烘干时一直保持高于其他品种的保水率;反复烘干-吸水过程能显著提高其吸水倍数1.67倍（923.23 g/min），但其保水能力升高，在第4次烘干-吸水后显著下降。
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（04）： 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（03）： 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）： 98 - 102.
[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： 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（01）： 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（01）： 153 - 156.
[11] 吴季怀， 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（05）： 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（03）： 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（03）： 53 - 58.
[15] 陈加利， 孙秀秀， 陈宣， 等. 不同农林保水利的性能评价[J].林业科技， 2021， 46（4）： 37 -40.
[16] 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.
[17] 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.
[18] 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（04）： 609 - 614.
[19] 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（02）： 69 - 74.
[20] 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.
[21] 张浣中. 保水剂对土壤理化性质的影响研究[D]. 北京： 中国农业科学院， 2009.
[22] 杨静静， 王秀峰， 魏珉， 等. 保水剂吸水、释水及吸肥特性研究[J]. 山东农业大学学报（自然科学版）， 2016， 47（05）： 696 - 700.
第1作者简介： 孙秀秀（1993-）， 女， 研究实习员， 研究方向： 特色植物种质资源调查和鉴定评价。
通讯作者： 陈加利（1982-）， 女， 副研究员， 硕士研究生。
收稿日期： 2021 - 11 - 20
（责任编辑： 张亚楠）
Evaluation of Water Retention and Repeated Water Absorption Performance
of 10 Different Super Absorbent Polymers（SAPs）
SUN Xiuxiu
（Institute of Tropical Horticulture， Hainan Haikou 571100）
Abstract Ten kinds of Super absorbent polymers（SAPs） were selected， and their water-retaining performance and repeated water absorption were evaluated through indoor tests， in order to provide references for the selection and use of SAPs. The results showed that the water retention rate of the tested SAP varies significantly between varieties， and its water retention performance drops to about 50% when it is dried at a constant temperature of 60℃ for 6 hours， and the repeated drying-water absorption process can significantly increase the water absorption multiple of the SAP. From 1.38 times to 2.32 times; further analysis results show that repeated drying-water absorption process can make the water retention rate of the tested varieties first increase and then decrease after drying for 10 hours. According to comprehensive analysis， the comprehensive performance of No. 6 SAP is the best. The water retention rate of its saturated state at a constant temperature of 60℃ for 6 hours quickly drops to 51.44%， and then it keeps higher than other varieties of water retention rate until drying; Repeated drying-water absorption process can significantly increase its water absorption multiple by 1.67 times （923.23 g/min）， but its water retention capacity increases， and it drops significantly after the fourth drying-water absorption.
Key words Super absorbent polymers（SAPs）; Water retention; Repeated water absorption
