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复合保水材料及其构件在水肥调控中的机制与应用探究
一、引言
1.1研究背景与意义
水资源匮乏是当今全球面临的严峻挑战之一。据联合国教科文组织数据显示,全球超10亿人生活在缺水地区,且该数字仍在攀升,每年因缺水造成的经济损失高达数千亿美元。在中国,干旱缺水、灌溉设施缺乏和落后等问题严重制约农业发展,旱耕土壤占比超56.8%,远超世界平均水平。同时,不合理的农业灌溉方式,如大水漫灌,导致水资源浪费严重,农田灌溉水有效利用系数仅为0.55左右,与发达国家0.7-0.8的水平相比差距较大。
肥料利用率低也是农业生产中的突出问题。中国是全球最大的化肥生产和消费国,然而大量化肥的投入并未带来相应的产量提升,反而引发了一系列环境问题。由于不合理施肥,肥料利用率较低,氮肥利用率约为30%-35%,磷肥利用率约为10%-20%,钾肥利用率约为35%-50%。大量未被利用的肥料随水流失,造成水体富营养化,导致河流、湖泊等水域藻类过度繁殖,破坏水生态平衡;同时,还会使土壤酸化、板结,土壤有机质含量降低,土壤次生盐碱化加重,农产品质量下降。
复合保水材料及其构件的出现为解决上述问题提供了新途径。复合保水材料一般由无机高分子材料、有机高分子材料等多种原料复合而成,分子中富含羧基、氨基和羟基等亲水基团,能吸收自身质量数百倍甚至数千倍的水分,并通过物理吸附、化学吸附和网状吸附等方式减少肥料损失。将其开发为保水缓释肥,可在土壤中形成微型水肥库,在一定程度上既满足作物对营养元素的需求,又为植物生长提供足够的水分支持。在干旱和半干旱地区,使用复合保水材料能显著提高农作物产量,增强土壤的保水保肥能力,减少水分蒸发和肥料淋溶损失。例如,有研究表明,在添加复合保水材料的土壤中,作物生长周期内的灌溉次数可减少30%-50%,肥料用量可降低20%-30%,同时作物产量提高10%-20%。
因此,研究复合保水材料及其构件的水肥调控效应,对于提高水肥利用效率、缓解水资源短缺、减少环境污染、促进农业可持续发展具有重要的现实意义,有助于推动农业向绿色、高效、可持续的方向转型升级,保障粮食安全和生态环境健康。
1.2国内外研究现状
在复合保水材料研发方面,国外起步较早。20世纪60年代,美国GoodRich公司开发出交联聚丙烯酸的保水剂生产技术,率先开启保水剂研发先河。60年代末,美国科学家Fanta等以玉米淀粉和丙烯氰为原料,成功合成具有超强吸水能力的淀粉接枝丙烯氰水解共聚物,随后美国农业部北部研究中心将其应用于农业生产并取得良好效果,这激发了世界各国对保水材料的研究热情。此后,众多学者不断探索新型保水材料的合成,如将不同的高分子材料进行复合。有研究将聚乙烯醇与丙烯酸进行共聚反应制备复合保水材料,结果显示该材料不仅吸水性能良好,且在耐盐性方面有显著提升。在欧洲,一些研究团队专注于开发可生物降解的复合保水材料,将天然高分子如纤维素、壳聚糖与合成高分子复合,以解决传统保水材料难以降解的问题,减少对环境的潜在危害。
国内对复合保水材料的研究始于20世纪80年代,虽起步较晚,但发展迅速。科研人员针对我国农业生产需求和土壤特点,开展了大量研究工作。通过将无机矿物与有机高分子复合,制备出一系列性能优良的复合保水材料。有学者利用膨润土与聚丙烯酰胺复合,研究发现膨润土的加入增强了复合材料的保水性能和稳定性,同时还能改善土壤结构。还有研究采用高岭土与丙烯酸接枝共聚物复合,结果表明该复合保水材料能有效提高土壤的保水保肥能力,促进作物生长。
在复合保水材料构件设计方面,国外侧重于智能化和多功能化设计。研发出能根据土壤水分含量自动调节水分释放的保水构件,通过内置传感器实时监测土壤水分,当水分低于设定阈值时,构件自动释放储存的水分,以满足植物生长需求。同时,一些保水构件还集成了肥料缓释功能,采用特殊的包膜技术,使肥料在土壤中缓慢释放,实现水肥同步供应。
国内在构件设计上则更注重实用性和低成本。设计出多种适合我国农业生产条件的保水构件,如保水袋、保水棒等。这些构件制作工艺简单,成本低廉,易于在广大农村地区推广应用。保水袋采用可降解材料制成,内部填充复合保水材料,使用时埋入土壤中,能有效保持土壤水分;保水棒则可直接插入土壤,为植物根系提供水分支持。有研究通过田间试验对比不同保水构件对作物生长的影响,结果显示保水袋和保水棒的应用均能显著提高作物产量和水分利用效率。
关于复合保水材料及其构件的水肥调控效应研究,国外主要聚焦于精确量化分析。运用先进的仪器设备和数学模型,深入研究保水材料在土壤中的水分运移规律、肥料释放动力学以及对作物生长发育的影响机制。通过室内模拟和田间试验相结合的方法,建立了水分和养分在土壤
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