《Plant Physiology and Biochemistry》：Synthesis, Swelling Behavior and Performance Characterization of Carboxymethylated Artemisia sphaerocephala Krasch Gum-Based Superabsorbent polymers
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本文针对干旱半干旱地区土壤水分渗漏严重、肥料利用率低等问题，报道了一种以羧甲基化沙蒿胶(CMAKG)为基质，通过接枝共聚合成的新型生物基高吸水性聚合物(CMAKG-SAP)。研究表明，该材料具有三维多孔网络结构，最大吸水容量达497.32 g/g，在pH 4-11范围内保持稳定，经5次吸-脱附循环后仍保持81.44%的初始吸水能力。田间试验证实，在50%滴灌条件下施用CMAKG-SAP可显著改善'赤霞珠'葡萄果实品质。该研究为干旱半干旱地区节水栽培和可持续农业发展提供了新材料和新策略。
在广袤的干旱与半干旱地区，农作物生长面临双重挑战：宝贵的水资源不断从土壤中渗漏，而施用的肥料也难以被作物充分吸收。这不仅导致作物水分和养分胁迫，制约产量和品质提升，还引发地下水污染、水体富营养化等环境问题。葡萄作为重要的经济作物，其栽培主要集中在这些缺水区域，气候变化加剧的水分胁迫对其品质和产量构成严重威胁。
传统高吸水性聚合物(SAP)虽能改善土壤持水性，但存在生产成本高、生物降解性差、可能造成二次污染等问题，限制了其广泛应用。开发兼具低成本、高吸水保水性能、缓释肥料功能和环境友好特性的新型SAP材料，成为解决上述问题的关键。
在这项发表于《Plant Physiology and Biochemistry》的研究中，宁夏大学葡萄酒与园艺学院的研究团队创新性地利用源自沙蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch)种子的沙蒿胶(AKG)这一天然多糖资源，通过羧甲基化改性后，与丙烯酸(AA)、尿素等单体进行接枝共聚，成功制备了一种生物基高吸水性聚合物(CMAKG-SAP)。该材料不仅具有优异的吸水保水性能，还能实现氮素的缓释功能，为干旱半干旱地区农业水资源高效利用和肥料精准施用提供了全新解决方案。
研究人员采用的关键技术方法包括：通过正交实验优化合成工艺参数；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证化学结构；采用扫描电子显微镜(SEM)观察材料形貌；通过热重分析(TGA)评估热稳定性；运用动力学模型分析吸水膨胀和氮素释放机制；并通过田间试验验证其在'赤霞珠'葡萄上的应用效果。试验土壤采自国家现代葡萄产业技术体系水生理与节水栽培岗位试验基地(38°14′25″N, 106°01′43″E)的农田壤土。
3.1. 高吸水性聚合物的制备机制
研究表明，CMAKG-SAP是通过CMAKG与丙烯酸的单体在交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和引发剂过硫酸铵(APS)存在下，通过接枝共聚反应形成的三维网络结构。尿素作为氮源被引入聚合物体系中，实现了水肥一体化功能。
3.2. 合成条件对吸水性能的影响
通过单因素实验确定了最优合成条件：中和度75%、尿素/AA摩尔比0.3、反应时间5h、CMAKG含量15%、MBA含量0.05%、APS浓度4.0%、反应温度75°C。在此条件下，CMAKG-SAP的最大吸水容量达到497.32 g/g。各因素对吸水性能的影响机制不同：适当的中和度有利于-COO-基团的静电排斥作用扩大网络结构，但过高会导致氢键干扰；适量的CMAKG提供接枝位点，过量则导致物理缠结；适宜的交联密度平衡了网络稳定性和膨胀空间。
3.3. FTIR光谱分析
FTIR光谱证实了CMAKG-SAP的成功合成。在3414 cm-1处的吸收峰对应于-OH和-NH的伸缩振动，1638 cm-1处的峰归属于C=O伸缩振动。与AKG相比，CMAKG在1785 cm-1处出现更强的C=O伸缩峰，表明羧甲基化成功引入。尿素和MBA的特征峰在CMAKG-SAP谱图中仍然可见但峰面积减小，表明部分尿素参与了聚合反应，部分物理附着于聚合物网络中。
3.4. SEM观察
扫描电镜结果显示，未处理的CMAKG-SAP表面粗糙且有突起，肥料颗粒均匀分散在水凝胶基质中。吸水平衡并冷冻干燥后，材料呈现典型的三维聚合物网络多孔结构，这种结构有利于水分吸收和储存。能谱(EDS)分析显示O、C、K、N、S、Na元素均匀分布，表明材料具有高结构稳定性。
3.5. 热稳定性分析
热重分析表明CMAKG-SAP具有显著增强的热稳定性。在800°C终止温度时，CMAKG-SAP的残余重量为39.94%，远高于AKG的4.09%。热分解过程分为多个阶段：25-270°C主要失重源于水分蒸发；270-470°C对应于聚合物中相邻羧基脱水形成酸酐；470-800°C为残留有机物的分解。
3.6. 吸水与保持性能
吸水动力学研究表明，CMAKG-SAP在30分钟内快速膨胀至316.36 g/g，240分钟达到平衡。伪二级动力学模型拟合优度(R2=0.99979)优于伪一级模型，表明吸水过程主要受化学吸附控制。材料在pH 4-11范围内保持较高吸水能力，表现出强耐酸碱性能。经过5次吸收-解吸循环后，仍保持81.44%的初始吸水能力，具有良好的重复使用性。
3.7. 吸水性能研究
盐度耐受性实验显示，CMAKG-SAP的吸水能力随盐浓度和阳离子价态增加而降低。在0.9%质量浓度下，吸水能力顺序为：KCl > NaCl > NH4Cl > MgCl2> CaCl2> FeCl3，表明高价阳离子对膨胀有更强抑制作用。保水性能测试表明，材料在室温下72小时后仍保持13.54%的保水率，显示出良好的实际应用潜力。
3.8. CMAKG-SAP在土壤中的保水行为
将CMAKG-SAP以0.5wt%、1.0wt%和2.0wt%的比例加入沙土、钙质土和砾石土中，均可显著提高土壤持水能力。在2.0wt%添加量下，三种土壤的持水能力分别提高了2.13倍、1.70倍和2.29倍。在15天的观察期内，添加CMAKG-SAP的土壤仍保持显著水分，而未添加的土壤水分几乎完全丧失，证明材料在干旱半干旱地区土壤水分保持方面具有重要应用价值。
3.9. 肥料缓释与生物降解
静态水中氮素释放测试显示，CMAKG-SAP在1天内的初始释放率为57.05%，28天累计释放率达87.12%。Ritger-Peppas模型拟合优度(R2=0.9901)显著优于抛物线模型，释放指数n≤0.45，符合Fickian扩散机制。土壤中降解和氮素释放受田间持水量(FMC)影响显著，在75% FMC条件下，28天时的降解程度和累计氮释放率最高，分别为53.43%和84.94%。土壤中氮素释放遵循非Fickian扩散机制(0.45< />
3.10. 肥料缓释和生物降解
不同田间持水量条件下，CMAKG-SAP的降解和氮素释放行为存在差异。较高的土壤湿度(75% FMC)促进了微生物活动，加速了材料降解和养分释放。这种湿敏性释放特性与实际农田中水分变化相吻合，有利于实现水肥协同调控。
3.11. 不同处理对'赤霞珠'葡萄果实品质的影响
田间试验表明，50%滴灌(DI)处理导致葡萄果实提前转色，百粒重显著降低，但可溶性固形物、总酚、单宁和花青素含量增加。在50% DI条件下施用CMAKG-SAP(20、40、80g/株)，可减轻水分胁迫对果实发育的不利影响。与100% DI相比，50% DI+CMAKG-SAP处理虽然百粒重和可滴定酸含量降低，但可溶性固形物、总酚、单宁和花青素含量显著增加，果实品质得到改善。CMAKG-SAP的施用延迟了果实转色时间，表明其可缓解干旱胁迫对葡萄成熟进程的加速效应。
研究结论表明，CMAKG-SAP作为一种新型生物基高吸水性聚合物，成功实现了水分保持和养分缓释的双重功能。其优异的热稳定性、耐酸碱性能、可生物降解特性以及显著的土壤改良效果，使其在干旱半干旱地区节水农业中具有广阔应用前景。特别是在葡萄栽培中，CMAKG-SAP的应用可在减少灌溉量的同时改善果实品质，为水资源短缺地区的可持续农业发展提供了有效技术途径。
该研究的创新之处在于利用廉价易得的沙蒿胶为原料，通过合理的分子设计，制备出兼具高吸水性和缓释肥功能的环境友好材料。研究不仅系统评价了材料的理化特性，还通过田间试验验证了其实际应用效果，为生物基SAP的开发和农业应用提供了重要参考。未来研究可进一步优化合成工艺以降低生产成本，并探索其在其他作物上的应用效果。
