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第一作者：周遠凱 碩士研究生 https:///10.1021/acssuschemeng.4c05581 圖文摘要 近日，南昌大學謝顯傳老師團隊在ACS Sustainable Chemistry & Engineering（中科院一區(qū)，影響因子7.1）上發(fā)表了題為“Cow Dung-Based Superabsorbent Polymers as Water-Retaining Amendments of Soils”的研究論文（DOI：10.1021/acssuschemeng.4c05581）。持續(xù)干旱嚴重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，同時也對糧食安全構(gòu)成威脅。為了緩解干旱的影響，高吸水性聚合物近年來被廣泛應(yīng)用于改善土壤保水以及提高土壤耐旱性能。然而，它們的原料大多數(shù)為石油基，這引起了人們對其生物降解性和環(huán)境影響的擔憂。本研究的重點在于利用畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物合成具有優(yōu)異溶脹性能的生物基高吸水性聚合物（CDSP）。CDSP顯著改善了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和植物的抗旱能力，延長了植物在水分缺乏條件下的存活時間，同時有效提升了作物的生物量。該研究為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了強有力的支持，體現(xiàn)了在可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和廢物資源利用方面的有效性，具有廣泛的應(yīng)用前景。 1 全文速覽 畜禽糞便是世界上最豐富的農(nóng)業(yè)廢物之一，在處理成本和環(huán)境污染方面一直面臨著重大挑戰(zhàn)。值得注意的是，畜禽糞便富含木質(zhì)纖維素（包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素），為高吸水性聚合物的合成提供了絕佳條件。本研究首次使用畜禽糞便作為原料制備牛糞基高吸水性聚合物（CDSP），利用牛糞中豐富的木質(zhì)纖維素構(gòu)建聚合物網(wǎng)絡(luò)，旨在提高土壤質(zhì)量。探討了CDSP的內(nèi)在特性及其對土壤特性和植物生長的影響，全面評價了CDSP對紅壤的改良作用，為建立農(nóng)牧業(yè)之間新的材料循環(huán)模式提供可能。干旱是全球公認的危害最大的自然災(zāi)害，其對人類社會的影響超過了其他所有自然災(zāi)害。世界上大約45%的陸地生態(tài)系統(tǒng)受到干旱的嚴重影響，農(nóng)業(yè)作為全球主要的用水產(chǎn)業(yè)，其可耕地的44%分布在干旱地區(qū)。近年來，極端天氣事件的頻繁發(fā)生加劇了干旱，加速了土地沙漠化，對旱地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了不利影響。因此，迫切需要嚴格的水資源管理和利用策略，以減輕干旱的全球影響。高吸水性聚合物（sap）因其優(yōu)異的吸水性和保水能力在土壤抗旱性中具有重要的應(yīng)用價值。在干旱和缺水時，它們釋放儲存的水分和養(yǎng)分，為植物生長提供強有力的支持。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展和綠色發(fā)展理念的實施，人們開發(fā)了許多新的工藝和技術(shù)，以減少對不可再生的石油基材料的依賴，并從各種農(nóng)業(yè)廢棄物中生產(chǎn)高性能的sap?；谏鲜霰尘?，本研究以水資源的高效利用和廢棄物的資源化為核心。首次使用畜禽糞便作為原料制備高吸水性聚合物。系統(tǒng)地探討了材料自身的性能特征，同時深入分析了其在土壤改良方面的效果，以及對作物生長所發(fā)揮的支持作用。3.1 合成路線 Fig. 1 The schematic diagram illustrates the preparation of CDSPCDSP是通過化學交聯(lián)合成的，主要包括三個步驟：（1）引發(fā)劑分解，在木質(zhì)纖維素分子鏈上產(chǎn)生接枝活性位點；（2）單體在這些活性位點進行接枝聚合形成長大分子；（3）分子鏈與交聯(lián)劑反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生成最終產(chǎn)物CDSP。3.2 性能測試 Fig. 2 The swelling ratio of hydrogel（a），swelling kinetics curves of CDSP（b）， water retention curve of CDSP（c），and repeated swollen of CDSP（d），effect of pH on swelling ratio of CDSP（e），effect of NaCl concentration on swelling ratio of CDSP（f） CDSP的性能測試實驗證明，由于其多孔性和優(yōu)異的親水性，在極短的時間內(nèi)就能達到溶脹平衡，溶脹平衡時最高可達到494 g/g，在5次重復(fù)后，溶脹率仍能保持在300 g/g。材料保水實驗表明，CDSP具有穩(wěn)定的脫水速率和優(yōu)異的保水效果，在應(yīng)用中具有很大的靈活性。圖2（e，f）展示了CDSP在不同pH環(huán)境和鹽濃度下的溶脹行為。結(jié)果表明，CDSP在各種pH條件下均保持穩(wěn)定的膨脹比，顯示出其對不同土壤酸堿環(huán)境的顯著適應(yīng)性。此外，CDSP在不同鹽濃度下仍表現(xiàn)出一定程度的膨脹率，且這一趨勢相對穩(wěn)定，表明其具備良好的緩沖能力。這些特性意味著CDSP在沿海地區(qū)及其他具有一定鹽分的土壤中具有良好的適用性，從而有助于土地資源的優(yōu)化利用。Fig. 3 Soil macrograph with 0 wt%，0.25 wt%，0.5 wt%，0.75 wt%，and 1 wt% CDSP content（a），effect of CDSP on bulk density（b），porosity of soil（c），maximum water holding capacity of soil（d），and soil water retention rate（e） 圖3（a-c）展示了引入不同量的CDSP后，土壤的宏觀和物理性質(zhì)的變化。與未處理的土壤相比，經(jīng)CDSP改良的土壤孔隙度顯著改善。這一變化主要源于CDSP在溶脹過程中體積的變化，形成了土壤內(nèi)部的空間，從而促進了孔隙的產(chǎn)生?？紫督Y(jié)構(gòu)的改善不僅提高了土壤的儲水能力，還為微生物的生存和養(yǎng)分循環(huán)提供了良好的環(huán)境，從而有效地促進了微生物和植物的生長。土壤的持水和保水實驗表明，經(jīng)CDSP處理的土壤能夠有效保留大量植物不易獲取的水分，從而顯著提高了植物的水分利用效率，并有效減少了水分流失。此外，CDSP使土壤更具抗旱能力，顯著降低了水分蒸發(fā)和損失，這對干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。 Fig. 4 Changes in soil organic carbon（a），total nitrogen（b），and total phosphorus（c）content，photo of corn growth on day 21（d），the length of roots，and stems of corn（e），and fresh weight of corn（f）
Fig. 5. Photos of corn root土壤養(yǎng)分對作物生長和生產(chǎn)力至關(guān)重要。有機碳、氮、磷等關(guān)鍵養(yǎng)分水平是土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和作物適宜性的重要指標。圖4（a-c）顯示了這些變化，與對照土壤相比，CDSP處理土壤的總有機碳、總氮和總磷都有所增加。這種增加部分是由于牛糞中存在的固有營養(yǎng)物質(zhì)。此外，CDSP的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的養(yǎng)分吸收能力，既能吸收養(yǎng)分，又能吸收水分。為探討CDSP添加量對土壤改良和植物生長的影響，在植物生長階段進行了干旱模擬試驗。我們測量了每組玉米的根、莖、葉的長度以及鮮玉米的重量。從圖4（d）和圖4（e）可以看出，在改良土壤中生長的玉米莖稈和葉片更長、更密，根長變化相對較小。這種限制可能是由于實驗中使用的盆的大小限制了玉米根的生長。盡管如此，值得注意的是，如圖5所示，在改良土壤中生長的植物根系更加發(fā)達繁茂，根系范圍更廣。根系的增加使植物能夠進入更大的土壤區(qū)域吸收各種養(yǎng)分，從而改善它們對土壤養(yǎng)分循環(huán)的貢獻。這一發(fā)現(xiàn)表明CDSP促進植物根系與土壤顆粒的結(jié)合。這種相互作用提高了土壤的穩(wěn)定性，增強了植物對養(yǎng)分的吸收。此外，CDSP將植物根系與土壤聯(lián)系在一起，從而增加土壤的穩(wěn)定性，防止廣泛的土壤侵蝕。因此，使用CDSP為面臨侵蝕風險地區(qū)的土壤改良和荒漠化管理提供了一種有希望的方法。CDSP作為土壤改良劑，展現(xiàn)出顯著的效果，能夠在短期內(nèi)發(fā)揮其優(yōu)勢，為水土保持和土壤生態(tài)系統(tǒng)的改善創(chuàng)造良好條件。其應(yīng)用不僅代表了一種創(chuàng)新的牛糞回收方式，還與可持續(xù)發(fā)展的理念高度契合。CDSP的意義不僅在于其材料本身，更在于為生態(tài)環(huán)境的保護提供了重要的參考依據(jù)。這項研究探索了一條基于畜禽糞便高值轉(zhuǎn)化的種養(yǎng)資源循環(huán)新路徑，不僅有助于保護生態(tài)環(huán)境，也為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展提供了新動力。 周遠凱，碩士研究生，現(xiàn)就讀于南昌大學資源與環(huán)境學院。主要從事土壤改良的研究工作。謝顯傳，南昌大學資源與環(huán)境學院教授/博導，長期致力于流域水環(huán)境保護與污染控制研究。通訊郵箱：xchxie@ncu.edu.cn xchxie@nju.edu.cn 24255542@qq.com https:///10.1021/acssuschemeng.4c05581
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