论文部分内容阅读
水资源短缺、土壤沙漠化、肥料过度使用是导致耕地退化的主要因素,而施用聚合物水凝胶则是恢复土壤质量的重要方式之一。聚合物水凝胶不仅可以提高农业土壤用水效率、减少水肥流失,降低肥料使用量,同时还具有可降解、环境友好、无毒害作用的优点,因此正被广泛的应用于土壤改良和调节当中。本文选用木质素磺化盐（Sodium Lignosulfonate,L）、海藻酸钠（Sodium Alginate,SA）和魔芋粉（Konjac Flour,KJ）为新型绿色水凝胶的聚合材料。木质素是一种高聚合度的芳香有机材料,具有来源丰富、可再生、可生物降解、价格低廉以及官能团丰富等特点。海藻酸钠则是从海藻中提取出来的一种天然多糖类碳水化合物,是天然的水凝胶。但是纯净的海藻酸钠水凝胶吸水量小,结构性差,易分解,因而不适合直接应用于农业。因此,本文以木质素作为海藻酸钠的前体物质,以长链结构魔芋粉和氯化钙为交联剂,合成了一种新型的可降解木质素基水凝胶（L/KJ/SA水凝胶）。研究了L/KJ/SA水凝胶的优化条件,探讨了可能具有的结构和交联机理,并进一步做了L/KJ/SA水凝胶在农业中应用的初步探索,总体评价L/KJ/SA水凝胶的性质和应用前景。L/KJ/SA水凝胶的最佳合成配比为:木质素:海藻酸钠:魔芋粉:无水氯化钙=1:2.75:5:0.1,最大吸水量为41.23 g g-1。红外光谱显示,在L/KJ/SA水凝胶的光谱上出现了木质素和海藻酸钠特有的羧基伸缩振动、紫丁香基单元振动,说明液相交联成功。通过扫描电镜分析发现,L/KJ/SA水凝胶的三维网络结构是由大量形状不规则的片状结构相连形成,结构中间充斥着大量孔隙。鉴于L/KJ/SA水凝胶具有良好的物理结构和吸水特性,因此,我们将其进一步应用于土壤水分和养分保持当中。L/KJ/SA水凝胶添加到土壤中,可以不同程度的增加土壤持水能力,并且随着浓度增加,土壤最大含水量也随之增加;L/KJ/SA水凝胶能够降低土壤饱和导水率,并且添加浓度越高,其对土壤水分垂直下渗的阻隔力就越大,土壤入渗效率就越低,土壤饱和导水率越小,保水能力越强;L/KJ/SA水凝胶在0.3 MPa-1.50 MPa压力之间对土壤水分的保持能力最大,能够增加土壤有效水含量,从而延长植物生长需求用水的供给。L/KJ/SA水凝胶能够提高土壤的p H值,降低土壤中盐分的含量;L/KJ/SA水凝胶能够减少土壤中25.81%-38.83%硝态氮,18.96%-32.35%铵态氮,14.6%-28.22%全磷,16.92%-26.89%速效钾的淋溶损失。土壤埋藏试验表明,L/KJ/SA水凝胶具有较好的土壤降解性,在土壤埋藏120天仅降解了20%,且降解时间至少符合作物的一个生长周期。鉴于L/KJ/SA水凝胶良好的保水保肥效果,我们进一步验证了其对极端干旱条件下烟草植株生长的影响。L/KJ/SA水凝胶能够在一定程度上促进烟草植株株高、茎宽、株重的增加,能够促进烟草的生长,改善干旱胁迫下烟草质量;L/KJ/SA水凝胶可以提高烟草植株净光合速率,能够有效补给烟草缺失的水分,减缓气孔关闭程度,增加烟草植株叶片的胞间CO2浓度,抑制烟草叶片的蒸腾速率,维持植物强劲和活跃的生长势头;L/KJ/SA水凝胶能够有效减少烟草植株中脯氨酸和还原糖累积量,降低烟草干旱胁迫程度,延长极端干旱条件下烟草植株生长时间9-14天。本研究通过简单的液相交联聚合方法合成了一种绿色、可降解、保水保肥的L/KJ/SA水凝胶。结果表明,L/KJ/SA水凝胶的合成和应用能够提高木质素和海藻酸钠的有效利用途径,其优化配比、可能的结构和交联机理,为其在旱地土壤改良中的应用奠定了一定的基础,应具有广阔的利用前景。