Characterization and effects of cross-linked potassium polyacrylate as soil amendment

Abstract

Cross-linked potassium polyacrylate (Luquasorb®1280R) is a granular anionic superabsorbent polymer with the ability to absorb large amounts of water. The objectives of this study were the physicochemical characterization of the material and its effects when used as soil amendment together with the evaluation of the impact on agronomical parameters when it was applied to processing varieties of tomato (Solanum lycopersicum L.) grown under Mediterranean climate conditions. In order to reach the proposed objectives the following were investigated: swelling properties of the material and its limiting factors, the profile of the product as a cation exchanger, the impact of the polymer on pH, electric conductivity and hydric properties of sandy, loamy and clay soils and the effects on growth, yield and quality parameters on processing tomato under field experimental conditions. The polymer showed an average free swelling capacity of 280 g/g and 329 g/g measured with two different methods. Significant hygroscopic properties were shown by the material when relative humidity ≥63%. The absorption speed resulted significantly lower as bigger was the granule size distribution of the material. Swelling limiting factors were identified. The application of pressure on the polymer, the presence of ions in the media and the concentration of surface cross-linkers significantly affected the absorption and drying capacity of cross-linked potassium polyacrylate. The swelling ability of the polymer was maintained after repeated absorption-desorption cycles combined with the application of thermal stress. Significant amounts of soluble and exchangeable potassium were found in the product. The measured average cation exchange capacity of the material was 817 meq/100g. Cross-linked potassium polyacrylate was applied in different soils at dose rates of 0.2% and 0.4% w/w. The soil pH was buffered to 7 and the electric conductivity was increased in all cases. Furthermore water losses by evaporation were reduced and water holding capacity was significantly increased especially in the case of sandy and loamy soils when the material was applied at 0.2% w/w. No effects on soil texture were observed by the application of the polymer. The experimental results of the field trial series showed positive effect on crop establishment, plant growth and yield. Marketable yield (ripe fruits) was significantly increased in light-sandy soils by 20 and 17% at application rates of 3 and 6 g/row-m respectively. In the case of medium-loamy soils the marketable yield increase was 10, 14 and 13% at application rates of 3, 6 and 12 g/row-m respectively. No effects on yield were observed in heavy-clay soils. The studied characteristics and effects of cross-linked potassium polyacrylate (Luquasorb®1280R) as soil amendment could be of large socioeconomic importance in future implementation of sustainable agronomic practices with respect to the need of increasing yields within restricted agricultural lands.

El poliacrilato potásico entrecruzado (Luquasorb®1280R) es un polímero superabsorbente granulado con la capacidad de absorber grandes cantidades agua. Los objetivos de este trabajo fueron la caracterización fisicoquímica del material y el estudio de sus efectos como enmienda de suelos, así como la evaluación del impacto en parámetros agronómicos de variedades de tomate de industria (Solanum lycopersicum L.) bajo condiciones de clima Mediterráneo. Para alcanzar los objetivos planteados se estudiaron las propiedades de hinchamiento del material y sus factores limitantes, el perfil del producto como intercambiador catiónico, el impacto del polímero en el pH, conductividad eléctrica y propiedades hídricas de los suelos, y los efectos en parámetros de crecimiento, rendimiento y calidad de tomate de industria en condiciones de campo. El polímero mostró una capacidad de hinchamiento libre promedio de 280 g/g y 329 g/g medida con dos métodos diferentes. Se observaron propiedades higroscópicas significativas cuando la humedad relativa fue ≥63%. La velocidad de absorción resultó significativamente menor cuanto mayor fue la granulometría. La aplicación de presión, la presencia de iones en el medio y la concentración de entrecruzante superficial, afectaron significativamente la capacidad de absorción y secado. Las propiedades de hinchamiento del polímero se mantuvieron después de repetidos ciclos de absorción-desorción combinados con estrés térmico. Se encontraron cantidades significativas de potasio soluble e intercambiable en el producto. La capacidad de intercambio catiónico del material fue de 817 meq/100g. Se aplicó el producto en diferentes suelos a dosis de 0.2% y 0.4% p/p. El pH de los suelos se amortiguó a 7 y la conductividad eléctrica aumentó en todos los casos. Las pérdidas de agua por evaporación se redujeron y la capacidad de retención de agua fue mejorada significativamente en el caso de los suelos arenosos y francos cuando se aplicó material a una concentración de 0.2% p/p. No se observaron efectos en la textura de los suelo. En los resultados de la serie de ensayos se observó un efecto positivo en el establecimiento del cultivo, en el crecimiento vegetativo y en el rendimiento. La producción comercial aumentó significativamente en suelos ligeros-arenosos en un 20 y 17% con dosis de aplicación de 3 y 6 g/m-lineal respectivamente. En el caso de suelos medios-francos la cosecha comercial aumentó en un 10, 14 y 13% a dosis de aplicación de 3, 6 y 12 g/m-lineal respectivamente. No se observaron efectos en rendimiento en suelos arcillosos. Las características y efectos estudiados del poliacrilato potásico entrecruzado (Luquasorb®1280R) como enmienda de suelo podrían ser de enorme importancia socioeconómica en la futura implantación de prácticas sostenibles relacionadas con la necesidad de incrementar las cosechas dentro de zonas agrícolas limitadas