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  農(nóng)業(yè)用水效率低下，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，嚴(yán)重影響糧食安全與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球農(nóng)業(yè)用水量占總淡水消耗量70%，但水資源利用率卻極低。大氣集水技術(shù)（AWH）為緩解農(nóng)業(yè)用水短缺提供了新思路，該技術(shù)可以從空氣中收集水分，不受地理限制，應(yīng)用潛力巨大。

  近日，西北師范大學(xué)彭輝、馬國(guó)富教授團(tuán)隊(duì)等創(chuàng)新性地開發(fā)出一種基于天然多糖的可降解吸濕凝膠球（SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂），其不僅可以從空氣中獲取水分，同時(shí)還解決了施肥問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水肥一體化（圖1）。

圖1. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂大氣集水和輔助植物生長(zhǎng)示意圖

  吸濕凝膠球以海藻酸鈉（SA）和熱響應(yīng)性羥丙基纖維素（HPC）為基質(zhì)，通過微蠕動(dòng)泵連續(xù)滴注和Ca²⁺瞬間交聯(lián)，形成“蛋盒結(jié)構(gòu)”，構(gòu)建剛性多孔框架，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)形狀可控凝膠球（圖2）。該工藝成熟，流程簡(jiǎn)單，適合工業(yè)化批量生產(chǎn)。碳黑（CB）通過物理摻雜賦予材料光熱解吸能力，此外尿素晶體與聚合物形成動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，通過降解促使鍵能減弱，精準(zhǔn)匹配植物需肥周期。

圖2. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂制備原理示意圖

  在多孔結(jié)構(gòu)和吸濕鹽與親水聚合物網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用下，吸濕凝膠球的吸水能力達(dá)0.64-3.38 g g^-1（30%-90% RH），符合層級(jí)吸附機(jī)制（化學(xué)吸附→氫鍵捕獲→物理水層三步鎖水）（圖3）。CB的光熱效應(yīng)與HPC低溫相變特性協(xié)同作用，觸發(fā)HPC發(fā)生“熱縮反應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)了低溫脫附和快速光熱驅(qū)動(dòng)水分釋放（4.07 kg m^-2 h^-1）。

圖3. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂吸濕性能及原理圖

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂吸濕凝膠球在45天內(nèi)土壤降解率達(dá)80.7%，避免了傳統(tǒng)合成聚合物造成微塑料污染風(fēng)險(xiǎn)，降低了碳足跡。同時(shí)，脫附過程依賴太陽能，能耗低，符合可持續(xù)發(fā)展需求。

  在干旱地區(qū)應(yīng)用中，利用材料收集大氣水分，降低對(duì)傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)依賴，減少水資源浪費(fèi)，穩(wěn)定維持土壤水分（20天后仍保持較高含水量）。控釋肥料功能（30天釋放224.6±5.2 mg kg^-1氮肥），降低土壤酸化和水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，維持土壤生態(tài)平衡。農(nóng)業(yè)水肥一體化，精準(zhǔn)匹配植物生長(zhǎng)需求，提升資源利用效率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其促進(jìn)植物生長(zhǎng)（根長(zhǎng)增加18%），且土壤pH（7.8）和電導(dǎo)率（164.3±6.5 μS cm?1）符合標(biāo)準(zhǔn)，無鹽脅迫風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)作物在邊際土地上生長(zhǎng)，阻止農(nóng)業(yè)向脆弱生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張（圖4）。

圖4.植物生長(zhǎng)試驗(yàn)及土壤理化性能

  未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化材料性能，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

  該成果以“Scalable Production of Hygroscopic Gel Spheres to Enhance Seedling Growth via Atmospheric Water Harvesting and Controlled Fertilizer Release”為題發(fā)表在環(huán)境與生態(tài)學(xué)權(quán)威期刊Environmental Science & Technology上。本文第一作者為西北師范大學(xué)博士生研究生王向兵，通訊作者為彭輝云亭青年教授、張文旭副教授和馬國(guó)富教授，通訊單位為西北師范大學(xué)生態(tài)功能高分子材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

  該成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金（22269020，42167068），甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐項(xiàng)目（2021CYZC-09，2023CYZC-68），甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（25JRRA004），河西走廊極旱區(qū)沙地綜合防治示范-中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展基金(2021CXZX-210)等資助。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c02795

作者介紹

第一作者：王向兵，西北師范大學(xué)2022級(jí)博士研究生。研究聚焦于可降解材料體系設(shè)計(jì)與保水、集水材料創(chuàng)新，在生態(tài)環(huán)境功能材料領(lǐng)域取得系列一系列成果。目前以第一作者身份在Environ. Sci. Technol、Small、Water, Air, & Soil Pollution等國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表多篇SCI論文；申請(qǐng)2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利（1項(xiàng)授權(quán)專利）；參與編撰學(xué)術(shù)專著1章。

彭輝，西北師范大學(xué)云亭青年教授，博士生導(dǎo)師。主要從事新能源材料、生態(tài)功能材料方面的研究工作，包括特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物納米材料、聚合物基低維碳納米材料、多功能凝膠電解質(zhì)的制備及新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)和組裝研究。迄今，Adv. Funct. Mater、 Energy Storage Mater、ACS Nano、Environ. Sci. Technol.、Small、Chem. Eng. J.等國(guó)際知名期刊發(fā)表SCI論文80余篇（H-index: 42）。近年來，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，甘肅省杰出青年基金項(xiàng)目1項(xiàng)，甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)等。榮獲甘肅省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（2015年）和甘肅省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)（2021年）等。

張文旭，西北師范大學(xué)副教授。主要從事生態(tài)功能高分子材料、植物保護(hù)繁育及荒漠化防控研究。近年來，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人師資培訓(xùn)項(xiàng)目1項(xiàng)、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)等。在Environ. Sci. Technol.、Int. J. Biol. Macromol.、J. Environ. Chem. Eng.、Langmuir等期刊發(fā)表SCI論文20余篇。獲授權(quán)發(fā)明專利5件、實(shí)用新型專利2件；參編教材2部、英文專著1部。

馬國(guó)富，西北師范大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要從事環(huán)境友好功能材料相關(guān)研究，包括：生態(tài)保持及修復(fù)材料、電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)存材料。先后在Energy Storage Mater、Adv. Funct. Mater、ACS Nano、Environ. Sci. Technol.、Small、J. Energy Chem、Chem. Eng. J.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI收錄論文100余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利10余件；科技成果鑒定、評(píng)價(jià)4項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目1項(xiàng)，甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體項(xiàng)目1項(xiàng)等。榮獲2014年甘肅省高�？萍歼M(jìn)步一等獎(jiǎng)，2015年甘肅省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，2021年甘肅省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)。2022、2023年入選斯坦福大學(xué)發(fā)布的材料科學(xué)、能源技術(shù)全球前2%頂尖科學(xué)家終身成就榜單。