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  農業用水效率低下，導致資源浪費，嚴重影響糧食安全與生態可持續發展。據統計，全球農業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（AWH）為緩解農業用水短缺提供了新思路，該技術可以從空氣中收集水分，不受地理限制，應用潛力巨大。

  近日，西北師范大學彭輝、馬國富教授團隊等創新性地開發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，同時還解決了施肥問題，實現農業水肥一體化（圖1）。

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

  吸濕凝膠球以海藻酸鈉（SA）和熱響應性羥丙基纖維素（HPC）為基質，通過微蠕動泵連續滴注和Ca²⁺瞬間交聯，形成“蛋盒結構”，構建剛性多孔框架，實現規模化生產形狀可控凝膠球（圖2）。該工藝成熟，流程簡單，適合工業化批量生產。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態氫鍵網絡，通過降解促使鍵能減弱，精準匹配植物需肥周期。

圖2. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂制備原理示意圖

  在多孔結構和吸濕鹽與親水聚合物網絡的協同作用下，吸濕凝膠球的吸水能力達0.64-3.38 g g^-1（30%-90% RH），符合層級吸附機制（化學吸附→氫鍵捕獲→物理水層三步鎖水）（圖3）。CB的光熱效應與HPC低溫相變特性協同作用，觸發HPC發生“熱縮反應”，實現了低溫脫附和快速光熱驅動水分釋放（4.07 kg m^-2 h^-1）。

圖3. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂吸濕性能及原理圖

  實驗結果顯示，SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂吸濕凝膠球在45天內土壤降解率達80.7%，避免了傳統合成聚合物造成微塑料污染風險，降低了碳足跡。同時，脫附過程依賴太陽能，能耗低，符合可持續發展需求。

  在干旱地區應用中，利用材料收集大氣水分，降低對傳統灌溉系統依賴，減少水資源浪費，穩定維持土壤水分（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養化風險，維持土壤生態平衡。農業水肥一體化，精準匹配植物生長需求，提升資源利用效率。實驗驗證其促進植物生長（根長增加18%），且土壤pH（7.8）和電導率（164.3±6.5 μS cm?1）符合標準，無鹽脅迫風險，促進作物在邊際土地上生長，阻止農業向脆弱生態系統擴張（圖4）。

圖4.植物生長試驗及土壤理化性能

  未來，研究團隊將繼續優化材料性能，降低生產成本，推動其在農業生產中廣泛應用，為實現綠色農業和可持續發展目標貢獻力量。

  該成果以“Scalable Production of Hygroscopic Gel Spheres to Enhance Seedling Growth via Atmospheric Water Harvesting and Controlled Fertilizer Release”為題發表在環境與生態學權威期刊Environmental Science & Technology上。本文第一作者為西北師范大學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富教授，通訊單位為西北師范大學生態功能高分子材料教育部重點實驗室。

  該成果得到國家自然科學基金（22269020，42167068），甘肅省教育廳產業支撐項目（2021CYZC-09，2023CYZC-68），甘肅省自然科學基金項目（25JRRA004），河西走廊極旱區沙地綜合防治示范-中央引導地方科技發展基金(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2022級博士研究生。研究聚焦于可降解材料體系設計與保水、集水材料創新，在生態環境功能材料領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等國際權威期刊發表多篇SCI論文；申請2項國家發明專利（1項授權專利）；參與編撰學術專著1章。

彭輝，西北師范大學云亭青年教授，博士生導師。主要從事新能源材料、生態功能材料方面的研究工作，包括特殊結構導電聚合物納米材料、聚合物基低維碳納米材料、多功能凝膠電解質的制備及新型電化學儲能器件的設計和組裝研究。迄今，Adv. Funct. Mater、 Energy Storage Mater、ACS Nano、Environ. Sci. Technol.、Small、Chem. Eng. J.等國際知名期刊發表SCI論文80余篇（H-index: 42）。近年來，主持國家自然科學基金項目2項，甘肅省杰出青年基金項目1項，甘肅省教育廳產業支撐計劃項目1項等。榮獲甘肅省自然科學二等獎（2015年）和甘肅省自然科學三等獎（2021年）等。

張文旭，西北師范大學副教授。主要從事生態功能高分子材料、植物保護繁育及荒漠化防控研究。近年來，主持國家自然科學基金項目2項、教育部產學合作協同育人師資培訓項目1項、甘肅省重點研發計劃項目1項等。在Environ. Sci. Technol.、Int. J. Biol. Macromol.、J. Environ. Chem. Eng.、Langmuir等期刊發表SCI論文20余篇。獲授權發明專利5件、實用新型專利2件；參編教材2部、英文專著1部。

馬國富，西北師范大學教授，博士生導師。主要從事環境友好功能材料相關研究，包括：生態保持及修復材料、電化學能量轉化及儲存材料。先后在Energy Storage Mater、Adv. Funct. Mater、ACS Nano、Environ. Sci. Technol.、Small、J. Energy Chem、Chem. Eng. J.等學術期刊發表SCI收錄論文100余篇，獲授權發明專利10余件；科技成果鑒定、評價4項。主持國家自然科學基金3項，中央引導地方科技發展資金項目1項，甘肅省基礎研究創新群體項目1項等。榮獲2014年甘肅省高校科技進步一等獎，2015年甘肅省自然科學二等獎，2021年甘肅省自然科學三等獎。2022、2023年入選斯坦福大學發布的材料科學、能源技術全球前2%頂尖科學家終身成就榜單。