农业用水效率低下，导致资源浪费，严重影响粮食安全与生态可持续发展。据统计，全球农业用水量占总淡水消耗量70%，但水资源利用率却极低。大气集水技术（AWH）为缓解农业用水短缺提供了新思路，该技术可以从空气中收集水分，不受地理限制，应用潜力巨大。

  近日，西北师范大学彭辉、马国富教授团队等创新性地开发出一种基于天然多糖的可降解吸湿凝胶球（SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂），其不仅可以从空气中获取水分，同时还解决了施肥问题，实现农业水肥一体化（图1）。

图1. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂大气集水和辅助植物生长示意图

  吸湿凝胶球以海藻酸钠（SA）和热响应性羟丙基纤维素（HPC）为基质，通过微蠕动泵连续滴注和Ca²⁺瞬间交联，形成“蛋盒结构”，构建刚性多孔框架，实现规模化生产形状可控凝胶球（图2）。该工艺成熟，流程简单，适合工业化批量生产。碳黑（CB）通过物理掺杂赋予材料光热解吸能力，此外尿素晶体与聚合物形成动态氢键网络，通过降解促使键能减弱，精准匹配植物需肥周期。

图2. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂制备原理示意图

  在多孔结构和吸湿盐与亲水聚合物网络的协同作用下，吸湿凝胶球的吸水能力达0.64-3.38 g g^-1（30%-90% RH），符合层级吸附机制（化学吸附→氢键捕获→物理水层三步锁水）（图3）。CB的光热效应与HPC低温相变特性协同作用，触发HPC发生“热缩反应”，实现了低温脱附和快速光热驱动水分释放（4.07 kg m^-2 h^-1）。

图3. SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂吸湿性能及原理图

  实验结果显示，SA/HPC/CB/Urea@CaCl₂吸湿凝胶球在45天内土壤降解率达80.7%，避免了传统合成聚合物造成微塑料污染风险，降低了碳足迹。同时，脱附过程依赖太阳能，能耗低，符合可持续发展需求。

  在干旱地区应用中，利用材料收集大气水分，降低对传统灌溉系统依赖，减少水资源浪费，稳定维持土壤水分（20天后仍保持较高含水量）。控释肥料功能（30天释放224.6±5.2 mg kg^-1氮肥），降低土壤酸化和水体富营养化风险，维持土壤生态平衡。农业水肥一体化，精准匹配植物生长需求，提升资源利用效率。实验验证其促进植物生长（根长增加18%），且土壤pH（7.8）和电导率（164.3±6.5 μS cm?1）符合标准，无盐胁迫风险，促进作物在边际土地上生长，阻止农业向脆弱生态系统扩张（图4）。

图4.植物生长试验及土壤理化性能

  未来，研究团队将继续优化材料性能，降低生产成本，推动其在农业生产中广泛应用，为实现绿色农业和可持续发展目标贡献力量。

  该成果以“Scalable Production of Hygroscopic Gel Spheres to Enhance Seedling Growth via Atmospheric Water Harvesting and Controlled Fertilizer Release”为题发表在环境与生态学权威期刊Environmental Science & Technology上。本文第一作者为西北师范大学博士生研究生王向兵，通讯作者为彭辉云亭青年教授、张文旭副教授和马国富教授，通讯单位为西北师范大学生态功能高分子材料教育部重点实验室。

  该成果得到国家自然科学基金（22269020，42167068），甘肃省教育厅产业支撑项目（2021CYZC-09，2023CYZC-68），甘肃省自然科学基金项目（25JRRA004），河西走廊极旱区沙地综合防治示范-中央引导地方科技发展基金(2021CXZX-210)等资助。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c02795

作者介绍

第一作者：王向兵，西北师范大学2022级博士研究生。研究聚焦于可降解材料体系设计与保水、集水材料创新，在生态环境功能材料领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等国际权威期刊发表多篇SCI论文；申请2项国家发明专利（1项授权专利）；参与编撰学术专著1章。

彭辉，西北师范大学云亭青年教授，博士生导师。主要从事新能源材料、生态功能材料方面的研究工作，包括特殊结构导电聚合物纳米材料、聚合物基低维碳纳米材料、多功能凝胶电解质的制备及新型电化学储能器件的设计和组装研究。迄今，Adv. Funct. Mater、 Energy Storage Mater、ACS Nano、Environ. Sci. Technol.、Small、Chem. Eng. J.等国际知名期刊发表SCI论文80余篇（H-index: 42）。近年来，主持国家自然科学基金项目2项，甘肃省杰出青年基金项目1项，甘肃省教育厅产业支撑计划项目1项等。荣获甘肃省自然科学二等奖（2015年）和甘肃省自然科学三等奖（2021年）等。

张文旭，西北师范大学副教授。主要从事生态功能高分子材料、植物保护繁育及荒漠化防控研究。近年来，主持国家自然科学基金项目2项、教育部产学合作协同育人师资培训项目1项、甘肃省重点研发计划项目1项等。在Environ. Sci. Technol.、Int. J. Biol. Macromol.、J. Environ. Chem. Eng.、Langmuir等期刊发表SCI论文20余篇。获授权发明专利5件、实用新型专利2件；参编教材2部、英文专著1部。

马国富，西北师范大学教授，博士生导师。主要从事环境友好功能材料相关研究，包括：生态保持及修复材料、电化学能量转化及储存材料。先后在Energy Storage Mater、Adv. Funct. Mater、ACS Nano、Environ. Sci. Technol.、Small、J. Energy Chem、Chem. Eng. J.等学术期刊发表SCI收录论文100余篇，获授权发明专利10余件；科技成果鉴定、评价4项。主持国家自然科学基金3项，中央引导地方科技发展资金项目1项，甘肃省基础研究创新群体项目1项等。荣获2014年甘肃省高校科技进步一等奖，2015年甘肃省自然科学二等奖，2021年甘肃省自然科学三等奖。2022、2023年入选斯坦福大学发布的材料科学、能源技术全球前2%顶尖科学家终身成就榜单。