木质素基水凝胶的合成及农业应用.pdf

木质素基水凝胶的合成及农业应用 摘 要 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 （SodiumLignosulfonate，L）、海藻酸钠 （SodiumAlginate， SA KonjacFlour KJ ）和魔芋粉 （ ， ）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 -1 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41.23gg 。 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0.3MPa-1.50MPa 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 L/KJ/SA pH L/KJ/SA 供给。 水凝胶能够提高土壤的 值，降低土壤中盐分的含量； 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CO 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 2 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。 关键词：木质素；海藻酸钠；水凝胶；土壤改良；保水保肥