高分子材料在旱地作物生產(chǎn)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、干旱是一個(gè)世界性的問題，干旱所造成的糧食產(chǎn)量損失超過了其它自然災(zāi)害的總和。我國(guó)干旱、半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)約占國(guó)土陸地面積的52.5％，其中耕地5100萬(wàn)hm<'2>，約占全國(guó)總耕地的51％，干早、半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)沒有灌溉條件的旱地占到了65％。干旱、半干旱地區(qū)的水土流失、土地沙漠化、土壤鹽堿化三大環(huán)境問題，不僅直接危害北方旱地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性，而且危及到了國(guó)家生態(tài)安全建設(shè)。 從農(nóng)學(xué)的角度在旱地農(nóng)業(yè)科學(xué)和技術(shù)研究方面，已經(jīng)進(jìn)行了很多

2、的工作，也取得了顯著的成效。但是，產(chǎn)出低、不穩(wěn)定、投入效益差三大問題依然困擾我國(guó)廣大的旱地農(nóng)業(yè)區(qū)。近年來(lái)，高分子材料保水技術(shù)成為旱地農(nóng)業(yè)區(qū)技術(shù)發(fā)展一個(gè)引人注目的新方向，但從材料學(xué)研究的角度去分析保水材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其中還有很多重要的科學(xué)問題并沒有研究清楚。 作者從材料科學(xué)研究的視角來(lái)觀察旱地農(nóng)業(yè)研究及高分子保水材料的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)存在的問題有：一是研究方法局限性較強(qiáng)，缺乏學(xué)科間的互補(bǔ)性探索；二是對(duì)高分子保水材料在真實(shí)土壤中的客觀

3、表現(xiàn)，缺少機(jī)理性的研究。例如：雖然提出了“水肥耦合”概念，但缺乏對(duì)水與肥如何實(shí)現(xiàn)耦合作用的機(jī)理性研究，因而不能提出實(shí)現(xiàn)充分的水肥耦合的技術(shù)措施；雖然應(yīng)用了高分子保水材料，但對(duì)高分子保水材料在土壤中的作用機(jī)理缺少研究，因而高分子保水材料的作用不能充分發(fā)揮；雖然知道發(fā)達(dá)的根系在利用水肥上的重要作用，但卻缺乏在早地缺水的條件下如何促進(jìn)根系充分發(fā)育的深入研究和有效的技術(shù)措施。本文試圖運(yùn)用材料科學(xué)領(lǐng)域里熟知的原理和方法，去探索高分子保水材料在旱地

4、農(nóng)業(yè)中應(yīng)用時(shí)所涉及到的材料物理化學(xué)機(jī)制、物質(zhì)的傳輸和分布規(guī)律。 通過對(duì)旱地農(nóng)業(yè)研究和實(shí)踐現(xiàn)狀的分析，認(rèn)為高分子保水材料的科學(xué)應(yīng)用和充分發(fā)揮其效能，是解決旱地農(nóng)業(yè)增產(chǎn)問題的重要發(fā)展方向。由此提出本文的研究工作思路——圍繞高分子保水材料的科學(xué)應(yīng)用展開全文的研究工作：首先詳細(xì)研究高分子保水材料在旱地農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境下的保水機(jī)制，并在使用保水材料的條件下，研究水分和養(yǎng)分在土壤中傳輸?shù)目茖W(xué)規(guī)律；由此提出能夠?qū)崿F(xiàn)充分的水肥耦合及其與作物生長(zhǎng)耦合

5、的新技術(shù)措施；以西北旱地農(nóng)業(yè)區(qū)具有典型代表意義的農(nóng)作物玉米作為主要應(yīng)用對(duì)象，檢驗(yàn)本項(xiàng)研究工作的思路和技術(shù)方案的正確性和有效性，也為推動(dòng)旱地農(nóng)業(yè)科學(xué)和技術(shù)的普遍進(jìn)步，提供一個(gè)有典型指導(dǎo)意義的范例；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步以日光溫室茄子作為應(yīng)用對(duì)象，展示本項(xiàng)研究提出的新的學(xué)術(shù)思想在水肥條件優(yōu)越的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境下，也具有顯著提高產(chǎn)量和降低生產(chǎn)成本的價(jià)值。在整個(gè)研究工作中，既充分關(guān)注科學(xué)性，又充分關(guān)注實(shí)用性和可操作性。本文采用的主要實(shí)驗(yàn)方法：

6、 1．在大田條件下，選用不同分子結(jié)構(gòu)和不同用量的高分子聚合物、采用不同的施用方法，研究其增加真實(shí)土壤水分量的機(jī)理； 2．在含不同劑量的鹽分或養(yǎng)分的溶液中，加入不同分子結(jié)構(gòu)和不同用量的高分子聚合物，分析其實(shí)際的吸液能力和對(duì)液體粘度的影響； 3．依據(jù)不同分子結(jié)構(gòu)高分子聚合物吸液后的形態(tài)特征，采取相應(yīng)的施用方法，并補(bǔ)施定量的液態(tài)復(fù)合養(yǎng)分，分析真實(shí)土壤中的水分及各主要養(yǎng)分的分布狀態(tài)，研究探索高分子聚合物與土壤、水分、養(yǎng)分之間的作

7、用關(guān)系及機(jī)理； 4．針對(duì)具體作物、形成作物產(chǎn)量所需的養(yǎng)分量、作物需肥的最大期以及作物根系在土壤中的真實(shí)分布等因素，實(shí)驗(yàn)研究高分子聚合物與無(wú)機(jī)養(yǎng)分復(fù)合使用后，對(duì)作物生長(zhǎng)及作物產(chǎn)量的形成所產(chǎn)生的趨勢(shì)性變化； 5．利用高分子聚合物同步增加局部土壤中的水分和主要養(yǎng)分，以求實(shí)現(xiàn)作物根系分布范圍內(nèi)土壤中的水與肥的耦合，以及主要養(yǎng)分的相對(duì)平衡； 6．研究分析高分子聚合物與無(wú)機(jī)養(yǎng)分復(fù)合使用后，對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)所產(chǎn)生的變化

8、，探索其增加作物產(chǎn)量的作用。 本文取得的主要成果如下： 1．發(fā)現(xiàn)保水材料吸水特性和對(duì)吸附和保持土壤水分的特性是有區(qū)別的概念，因此目前僅以吸收去離子水量作為衡量保水材料應(yīng)用效果的方法并不科學(xué)，不能反映保水材料在土壤環(huán)境下吸、保水的實(shí)際作用規(guī)律。研究結(jié)果表明，不同分子結(jié)構(gòu)高分子吸水材料的吸液量都隨溶液中鹽分濃度的增大而減小，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子聚合物比線性結(jié)構(gòu)高分子聚合物隨溶液中鹽分濃度減小的效應(yīng)要顯著得多；在無(wú)機(jī)養(yǎng)分溶液中，線

9、性高分子聚合物比網(wǎng)狀高分子聚合物有高得多的吸液量。 2．發(fā)現(xiàn)線性高分子聚合物比網(wǎng)狀高分子聚合物更適合于用作早地農(nóng)業(yè)的保水材料，主要原因有：(1)線性高分子聚合物在真實(shí)土壤中具有更好的保水效果，單位數(shù)量線性高分子聚合物所增加的局部土壤含水量，超過了網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)聚合物的20倍以上；(2)線性高分子聚合物水溶膠均勻分散于土壤中后，有效地約束了水分和養(yǎng)分的擴(kuò)散傳輸過程，而網(wǎng)狀高分子聚合物則以凝膠形式分散于土壤中，其分散性和均勻性都遠(yuǎn)小于

10、線性高分子聚合物；(3)線性高分子保水材料傾向于形成更有利于旱地作物生長(zhǎng)的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)；(4)網(wǎng)狀高分子保水材料的增產(chǎn)效應(yīng)必須在灌水量較大的前提下才能表現(xiàn)出來(lái)，這個(gè)條件在旱地農(nóng)業(yè)區(qū)往往不能滿足；而線性高分子保水材料對(duì)作物的補(bǔ)灌水量要求較低，因此能夠更好地適應(yīng)旱地農(nóng)業(yè)區(qū)的人工補(bǔ)灌條件；(5)線性高分子保水材料在比網(wǎng)狀高分子保水材料低得多的用量的條件下就可以獲得明顯的保水效果，因此可以顯著降低應(yīng)用成本。 3．使用線性高分子

11、保水材料，實(shí)現(xiàn)了充分的水肥耦合及其與作物生長(zhǎng)的耦合，促進(jìn)了作物在低水肥、低保水材料投入下的顯著增產(chǎn)。具體結(jié)果有：(1)提出了緩釋處理液態(tài)復(fù)合肥的概念，利用了線性高分子聚合物對(duì)速效養(yǎng)分?jǐn)U散的約束作用，借助于土壤蓄積養(yǎng)分，并作為養(yǎng)分的釋放源，供作物緩慢地吸收和利用，既體現(xiàn)出了液體養(yǎng)分的速效性、追補(bǔ)養(yǎng)分的平衡性，又實(shí)現(xiàn)了作物特定生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的養(yǎng)分緩釋性；(2)提出了定位、深施緩釋處理液態(tài)復(fù)合肥的方法，改變了養(yǎng)分在土壤中的擴(kuò)散分布，提高了土壤中養(yǎng)

12、分的富集和平衡程度，克服了施肥方面的不科學(xué)性和盲目性，實(shí)現(xiàn)了作物的持續(xù)增產(chǎn)。(3)在貧瘠和保持氮肥能力差的土壤條件下，通過線性高分子材料的應(yīng)用解決了較大幅度增加土壤速效氮含量的重大難題，實(shí)驗(yàn)地土壤速效氮的含量增加了87.3％；(4)通過水與肥、水肥與具體作物和對(duì)作物集中供給養(yǎng)分時(shí)間的多個(gè)關(guān)鍵層面上的“耦合”，促進(jìn)了作物根系發(fā)育；(5)在旱地作物生長(zhǎng)的施肥最大效益期時(shí)，解決了長(zhǎng)期制約旱地作物增產(chǎn)的“缺磷、少氮”關(guān)鍵問題，旱地試驗(yàn)區(qū)的玉米產(chǎn)

13、量比當(dāng)?shù)貧v史上的最高產(chǎn)量高出200kg/667m<'2>，達(dá)到了800kg/667m<'2>以上；(6)目光溫室蔬菜生產(chǎn)中以緩釋處理液態(tài)復(fù)合肥為核心技術(shù)，使反季節(jié)蔬菜的持續(xù)增產(chǎn)幅度達(dá)到了30％。 高分子吸水材料作為一種繼化肥、農(nóng)藥和地膜之后的重要農(nóng)資材料，其發(fā)展需建立在如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)、增收的基礎(chǔ)之上。農(nóng)業(yè)的發(fā)展，尤其是早地地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，也要依賴于工業(yè)新材料的研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究。二者的協(xié)調(diào)發(fā)展始終是一項(xiàng)重大課題。