基于天然聚合物的CS+SL@SA/AL复合水凝胶增强盐碱土保水性及抗旱效应研究

针对传统石化基保水剂环境污染严重、海藻酸钠(SA)水凝胶机械强度差/易降解等问题，中国科学院团队创新性地构建了(CS+SL)@SA/AL全生物质水凝胶。通过碱性木质素(AL)增强机械性能，壳聚糖(CS)与木质素磺酸钠(SL)层层自组装提升亲水性，使该材料在pH8-12条件下吸水率达SA的34-42倍，发芽率提升19.04%，为盐碱土改良提供了环境友好型解决方案。

　　

全球约9.5亿公顷耕地受盐碱化威胁，传统聚丙烯酰胺类保水剂虽能缓解干旱，但其合成过程残留的丙烯酰胺单体会破坏土壤微生物群落，甚至通过地下水污染进入食物链。与此同时，每年造纸工业产生的5000万吨木质素副产品大多被低效焚烧，而海洋生物质资源海藻酸钠(SA)制成的保水剂又面临机械强度差、易生物降解的困境。如何将这两种天然资源"变废为宝"，开发兼具环境友好性与高效保水性能的新材料，成为农业可持续发展的重要课题。

中国科学院团队在《Journal of Cleaner Production》发表的研究中，开创性地提出"内外兼修"的设计策略：内核采用SA与碱性木质素(AL)离子交联形成"蛋盒"结构(egg-box)增强机械强度，外壳通过带正电的壳聚糖(CS)与带负电的木质素磺酸钠(SL)静电自组装构建亲水网络。研究运用扫描电镜观察多孔结构，FT-IR验证化学键合，通过模拟盐碱土浸出液测试吸水性能，并结合盆栽实验验证实际应用效果。

Preparation and characterization of (CS+SL)@SA/AL
通过Ca²⁺
交联SA与AL形成SA/AL微球内核，解决纯SA凝胶易碎问题。电镜显示AL的加入使孔径从12.7μm缩小至8.3μm，密度提升2.1倍。FT-IR证实CS的-NH₃
⁺
与SL的-SO₃
^-
形成离子键，外壳层成功构建。

Water absorption performance
在pH=12的盐碱土浸出液中，(CS+SL)@SA/AL吸水能力达SA的42.53倍，归因于SL引入的磺酸基(-SO₃
H)与CS氨基(-NH₂
)形成的"双电层"效应。相比商用聚丙烯酸钠(PAAS)，其饱和吸水时间缩短40%。

Germination and pot experiments
小麦发芽实验显示，添加2wt%水凝胶使发芽率提升19.04%，根系长度增加27.8%。盆栽试验证实其可使土壤含水率维持15%以上达14天，显著优于对照组。

Conclusions
该研究实现了三大突破：①将造纸废料AL转化为增强材料，突破SA凝胶机械性能瓶颈；②通过CS/SL自组装构建pH稳定亲水网络；③开创"核壳结构"设计范式。这种每公斤成本仅6.7元的全生物质水凝胶，为盐碱土改良提供了兼具科学创新性与工程可行性的解决方案，同时为木质素高值化利用开辟新途径。