干旱和肥料利用率低是农业发展中的两个关键制约因素,保水剂和控释肥是改善干旱和提高肥料利用率的两个有效措施。以保水剂性能研究着手,采用市售保水剂进行了月季试验,发现实际使用中市售保水剂易受土壤溶液中盐浓度的影响,由此通过提高保水剂在盐溶液中的吸水性和施用控释肥降低土壤溶液盐浓度两个角度开展研究,合成了新型改性淀粉保水剂并在模拟和实际施用中配施控释肥进行了作用机理的探讨,并研究了新型复合包膜保水控释肥一体化施用以探索保水剂未来发展。首先,采用土柱模拟和盆栽月季试验,研究普通复合肥与包膜型控释复合肥搭配0、0.25‰和0.5‰土壤质量比的市售保水剂(Commercial superabsorbent polymer,CSAP)对土壤水、氮、钾淋失率及月季生长生理性状的影响。第二,采用溶液聚合法制备酸改性淀粉基保水剂(Modified starch superabsorbent polymer,MSSP),扫描电镜、红外光谱等进行结构表征,通过单因素逐步优化法进行工艺优化,测定保水剂的吸水规律;然后与CSAP、普通淀粉保水剂(Starch-grafted superabsorbent polymer,SGSP)对比进行土柱模拟灌溉试验、小麦玉米盆栽试验和黄瓜育苗试验,探究保水剂对土壤和作物的作用机制。第三,开展了新型吸水性聚氨酯复合包膜尿素的研究,主要包括新型肥表原位反应复合工艺优化和结构表征、不同制备工艺对肥料养分释放和吸水的特征的影响和玉米盆栽试验对作物生长、产量和肥料利用率的影响,主要结果如下:(1)土柱模拟试验结果表明,与普通复合肥配施等量CSAP处理相比,控释复合肥处理的氮、钾淋失率分别降低了72.4%~75.6%和81.5%~84.2%;普通复合肥两处理间的氮淋失量差异不显著,但随着保水剂用量的增加,钾淋失量显著减少11.6%~26.3%;月季盆栽试验结果表明,与普通复合肥配施等量保水剂处理相比,控释复合肥配施保水剂的处理使月季初花期提前5~7天,盛花期延长5~10天,株高增加12.8%~36.0%,茎粗增加5.4%~15.2%,分别提高了月季叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(POD)活性12.6%~33.0%和14.5%~31.1%。CSAP配施控释复合肥较普通复合肥能显著提高土壤保水保肥能力和月季观赏价值,更能满足月季的生长及生理需求。(2)通过氨基磺酸改性,在淀粉中引入了磺酸基团,合成了去离子水中最大溶胀度为1026g/g,生理盐水中的最大溶胀度为145g/g的淀粉基保水剂,最佳合成条件为氨基磺酸为淀粉质量的1.2%,改性淀粉干重与丙烯酸质量比为1︰7.5,丙烯酸中和度为70%,引发剂和交联剂用量分为丙烯酸干重的3%和0.15%。在模拟不同pH和盐浓度的水中,MSSP吸水性显著高于CSAP和SGSP。土柱模拟灌溉试验表明,MSSP较等施用量的CSAP和SGSP处理显著降低了淋滤液体积8.9%和7.3%、总氮淋失率28.7%和31.0%、铵态氮淋失率75.3%和56.7%、硝态氮淋失率22.2%和22.8%;MSSP显著提高了氮素吸附量55.3%和309.4%、钾素吸附量80.0%和53.7%。计算机断层扫描试验表明MSSP较CSAP和SGSP显著提高了土壤孔隙数量和孔隙比例244.3%~434.6%和38.1%~177.8%。盆栽小麦玉米试验和黄瓜育苗试验的结果表明,施用MSSP保水剂显著提高了2018季夏玉米土壤真溶液中的全氮、硝态氮、速效钾含量和叶片SPAD值,从而显著提高了25.9%~32.1%的夏玉米产量、32.7%~45.3%的氮素利用率、29.3%~99.1%的磷素利用率、24.0%的钾素利用率和13.6%~29.4%的水分利用率;黄瓜育苗试验表明,施用MSSP保水剂显著增加了黄瓜幼苗的根尖数23.6%、同时提高了叶片SPAD值和光合能力。保水剂通过提高土壤保水保肥能力和孔隙度,促进了作物吸收水分、养分、光合作用和根系生长,进而提高了产量。(3)研发了一种新型的吸水性聚氨酯包膜尿素(superabsorbent polyurethane coated urea SAPCU)的复合包膜工艺。通过红外光谱,X射线衍射,热重分析和扫描电子显微镜测定了新型吸水性控释尿素的化学结构,热稳定性和微观形貌,结果表明通过原位反应成功形成了吸水性聚氨酯(superabsorbent polyurethane SAPU)复合涂层,其中蓖麻油聚氨酯中的冗余异氰酸基和MSSP中的大量羟基反应,形成氨基甲酸酯键连接MSSP粉末堆积成膜,形成聚氨酯-吸水性聚氨酯-保水剂的渐变复合包膜尿素结构;通过测定SAPCU的养分释放特性和吸水特征表明,通过调节蓖麻油聚氨酯和SAPU的用量可获得总氮含量40.23%~42.14%,吸水性为120~160g/(g SAPU),氮释放时间为60~150天的SAPCU,玉米盆栽试验表明,较MSSP掺混控释肥的施肥方式,SAPCU显著提高了9.6%的氮素利用率。综上所述,本研究通过合成新型改性淀粉保水剂,改良了传统保水剂在盐溶液中吸水性差的缺点,改性淀粉保水剂配施控释肥提高土壤营养元素和水分有效性、通过提高作物吸收水分、养分能力、促进光合和根系生长提高产量的机制,研发了新型保水控释肥的合成工艺,为保水剂和保水肥生产和应用提供了理论依据和实践先例。