缓释型季铵化瓜尔胶水凝胶的制备及其土壤改良性能研究

[目的]喀斯特地区存在石漠化现象，水土易流失，植物不易生长，土地生产力严重下降。因此需要增强该地区土壤团聚性、储水和保水能力及土壤肥力，促进植物的生长，改善生态环境。[方法]利用季铵化瓜尔胶(QAG)和腐殖酸(HA)制备了具有物理和化学双重交联机制的缓释型超吸水性水凝胶用于喀斯特地区土壤的改良。首先使用季铵盐对瓜尔胶进行改性，并对其进行结构表征，优化合成工艺;其次，以QAG和HA为原料合成QAG/HA超吸水性原位水凝胶(QHEH)和不含有HA的QEH水凝胶，对其结构、吸水性能、保水性能、自愈合性能及缓释性能进行评价;随后进行了两种水凝胶改良土壤及促进植物生长性能的研究。[结果]QAG取代度最大为 0.35，最小为0.11，取代位置为半乳糖C6上的羟基氢，分子量降低至 8.69×105 g/mol，QAG与HA之间存在静电相互作用和氢键相互作用;QHEH和QEH的最大溶胀率分别为3090 g/g、6228 g/g，最长保水时间分别为 180 h和 470 h，QAG和HA两种组分之间的非共价动态键延迟了腐植酸向土壤的释放，240 h后释放速率仅为35%，HA的释放均遵循Fickian扩散定律，且具有pH响应性。水凝胶中存在四种亲水基团(季铵、羟基、羧基和羰基)使土壤的保水能力增加了一倍以上。水凝胶与土壤矿物(尤其是碳酸盐和二氧化硅)的相互作用促进了水凝胶-土壤和土壤-碳酸盐的粘附，土壤颗粒间的粘附强度提高了650%。此外，与直接施肥相比，这种可降解水凝胶不仅提高了玉米、绿豆的萌发率(分别由 20%提高到 80%、80%提高到 100%)和生长状态，而且减少了过度施肥对植物根系的负面影响。[结论]该研究为喀斯特地区土壤改良提供了一种环保、低成本、智能化的系统。进一步证明了水凝胶在农业中的巨大应用潜力。