मृदा में PVP के कार्य का विशिष्ट सिद्धांत क्या है?

मिट्टी में पीवीपी (पॉलीविनाइलपाइरोलिडोन) के कार्य का मूल आणविक संरचना (ध्रुवीय समूह और बहुलक श्रृंखलाएं) और भौतिक रसायनिक गुण (पानी में घुलनशीलता, अवशोषण और पानी प्रतिधारण) . मिट्टी के कणों, पानी, पोषक तत्वों और प्रदूषकों के साथ "अंतर-आणविक बातचीत" या "भौतिक रूप में हेरफेर" के माध्यम से, यह अप्रत्यक्ष रूप से मिट्टी की भौतिक संरचना, नमी की स्थिति, पोषक तत्वों की उपलब्धता और प्रदूषक गतिविधि में सुधार करता है। विशिष्ट तंत्र को मुख्य कार्यात्मक परिदृश्यों द्वारा विभाजित किया गया है, जो आणविक स्तर और मिट्टी के स्तर पर प्रभावों को चरण-दर-चरण समझाता हैः

1. मिट्टी के संपीड़न को रोकने में सहायता का सिद्धांतः मिट्टी के कणों के संचय और बंधन को विनियमित करना

मृदा संकुचन का सार यह है कि मृदा कण (विशेष रूप से मृत्तिका कण) विद्युत स्थिर आकर्षण, जल फिल्म आसंजन और अन्य कारकों के कारण कसकर संगुणित हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप छिद्रता कम हो जाती है । PVP इस प्रक्रिया को "कणों को फैलाकर और सूक्ष्म संरचनाओं का निर्माण करके" तोड़ता है। विशिष्ट सिद्धांत निम्नलिखित हैं:

• आण्विक अधिशोषण और कण सतह संशोधन: कणों के सीधे आसंजन को कम करना।
  PVP आण्विक श्रृंखला पर पाइरोलिडोन वलय (ध्रुवीय एमाइड समूह -CONH- युक्त) में मजबूत जलार्द्रता और अधिशोषण गुण होते हैं। यह "हाइड्रोजन बंधन" या "वान डर वाल्स बलों" के माध्यम से मृदा कणों (मृत्तिका, गाद कण) की सतह पर कसकर अधिशोषित हो सकता है, एक अति पतली बहुलक सुरक्षात्मक फिल्म (नैनो स्तर की) :
  • यह फिल्म आसपास के मृदा कणों को "अलग" कर देती है, जिससे वे विद्युत स्थिर आकर्षण (मृत्तिका कण ऋणात्मक आवेशित होते हैं और धनायनों को आसानी से अवशोषित कर लेते हैं तथा एक-दूसरे के निकट आ जाते हैं) या जल फिल्म आसंजन (सूखने के दौरान जल फिल्म गायब हो जाती है और कण एक-दूसरे से सीधे संपर्क में आ जाते हैं) के कारण बड़े समूहों में जुड़ने से रोकती है।
  • इसी समय, पीवीपी आण्विक श्रृंखला का "स्थानिक बाधा प्रभाव" अधिशोषित मृदा कणों को एक-दूसरे से विकर्षित कर देगा, समूहन की संभावना को कम करेगा, कणों के प्रकीर्णन को बनाए रखेगा ("स्नेहक" प्रभाव के समान), और संपीड़न के बाद संहति की कठोरता को कम करेगा।
• बहुलक श्रृंखला सेतु: ढीली सूक्ष्म-समूह संरचना का निर्माण करना और मृदा के छिद्रों में वृद्धि करना।
  पीवीपी की लंबी श्रृंखला बहुलक संरचना (आण्विक भार आमतौर पर 10,000-1 लाख डाल्टन होता है) एक "आण्विक सेतु" के रूप में कार्य कर सकती है जो फैले हुए मृदा के सूक्ष्म कणों (बलुई कण, सिल्ट कण) को थोड़ा सा जोड़कर माइक्रॉन आकार के सूक्ष्म समूहों (व्यास 10-100μm) में बदल देती है :
  • ये सूक्ष्म-समुच्चय कसकर जुड़े हुए गांठें नहीं होतीं, बल्कि ढीले तौर पर जुड़ी PVP श्रृंखलाओं द्वारा बनी एक सुसामान्य संरचना होती है। इन समुच्चयों के बीच बहुत सारे "केशिका छिद्र" और "वायन छिद्र" बनते हैं। केशिका छिद्र नमी को बनाए रखते हैं, जबकि वायन छिद्र हवा के संचरण की अनुमति देते हैं, जिससे मिट्टी के बंद और कसकर जमने से रोकथाम होती है।
  • नोट: सूक्ष्म-समुच्चय "भौतिक अस्थायी संरचनाएं" होती हैं जिनकी स्थिरता कमजोर होती है (भारी वर्षा या बार-बार सिंचाई में वे टूट सकते हैं)। वे जैविक उर्वरकों द्वारा बने "जल-स्थिर समुच्चयों" का स्थान नहीं ले सकते (जो कार्बनिक पदार्थों के सीमेंटन द्वारा बनते हैं और लंबे समय तक कटाव के प्रतिरोधी होते हैं)। वे केवल अल्पकालिक रूप से मिट्टी के कसावट को कम कर सकते हैं।
• जलधारण और वाष्पीकरण नियंत्रण: मिट्टी की सतह के सूखकर कठोर होने से रोकथाम।
  PVP का जलाकर्षी समूह (एमाइड समूह) मिट्टी में मुक्त जल को अवशोषित करके एक हाइड्रोजेल बना सकता है (इसके भार का 10-20 गुना तक जल सामग्री हो सकती है) और मिट्टी की सतह पर चिपके:
  • हाइड्रोजेल धीरे-धीरे पानी छोड़ सकता है, जिससे सतह की मिट्टी के पानी के तेजी से वाष्पीकरण को धीमा किया जा सकता है (विशेष रूप से सूखे या उच्च तापमान वाले वातावरण में);
  • मिट्टी की सतह के संकुचन का मुख्य कारण "पानी की अचानक कमी के कारण कणों का सिकुड़ना और चिपकना" है। पीवीपी का जलधारण प्रभाव सतह की मिट्टी की नम स्थिति को बनाए रखता है, सूखे दरारों के निर्माण को कम करता है, और अप्रत्यक्ष रूप से संकुचन को रोकता है।

2. मिट्टी में जलधारण का सिद्धांत: हाइड्रोजेल की “धारण-धीमा मुक्ति” जल तंत्र

मिट्टी में पीवीपी का जलधारण कार्य आंशिक रूप से "भौतिक अधिशोषण + जेल संवरण" के माध्यम से पानी के "धारण" और "धीमे मुक्ति" को प्राप्त करके मिट्टी की नमी की प्रभावशीलता में सुधार करता है। विशिष्ट सिद्धांत निम्नलिखित हैं:

• अणु-स्तरीय नमी अधिशोषण: मुक्त पानी को ताला लगाना
  PVP आण्विक श्रृंखला पर एमाइड समूह (-CONH-) एक मजबूत जलस्नेही समूह है जो मृदा में मुक्त जल अणुओं (मृदा कणों द्वारा अधिशोषित नहीं किया गया जल) के साथ "हाइड्रोजन बंधन" के माध्यम से संयोग कर सकता है, बहुलक श्रृंखला के चारों ओर जल को "स्थिर" करके एक "बद्ध जल परत" का निर्माण करता है;
  • यह बद्ध जल वाष्पोत्सर्जन या गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से आसानी से नहीं खोया जाता और लंबे समय तक मृदा में बना रह सकता है, जिससे फसलों की जड़ें इसे धीरे-धीरे अवशोषित कर सकें (सामान्य मुक्त जल के तेजी से वाष्पित होने या गहरी मृदा परतों में प्रवेश करने को रोका जा सके)।
• मैक्रो-हाइड्रोजेल निर्माण: एक "जल भंडारण जलाशय" का निर्माण
  जब PVP सांद्रता एक निश्चित सीमा तक पहुँच जाती है (आमतौर पर 0.1%-0.5%, मृदा के शुष्क भार के आधार पर), तो जल अवशोषित करने के बाद PVP आण्विक श्रृंखलाएँ एक दूसरे के साथ संकलित होकर हाइड्रोजेल की त्रि-आयामी जाल संरचना (एक स्पंज के समान):
  • हाइड्रोजेल मिट्टी में एक "सूक्ष्म जल भंडारण जलाशय" बनाते हुए अपने द्रव्यमान का 80%-90% जल को "संवरण" कर सकता है;
  • जब मिट्टी की सतह में जल की कमी होती है, तो परासरण दाब के अंतर के कारण हाइड्रोजेल धीरे-धीरे जल मुक्त करता है, मिट्टी के घोल की पूर्ति करता है, जड़ों के आसपास नम वातावरण बनाए रखता है और फसलों पर सूखे के तनाव को कम करता है।
• मिट्टी की नमी के वाष्पीकरण में कमी: भौतिक बाधा प्रभाव
  हाइड्रोजेल मिट्टी के कणों की सतह को ढक लेता है या छिद्रों को भरकर एक "अर्ध-पारगम्य झिल्ली" का निर्माण करता है जो मिट्टी के अंदर की नमी के वातावरण में प्रसरण को रोकती है और वाष्पीकरण दर को कम करती है - प्रायोगिक आंकड़े दिखाते हैं कि मिट्टी में 0.3% पीवीपी मिलाने से औसत दैनिक जल वाष्पीकरण में 15%-25% की कमी आती है (अनुपचारित मिट्टी की तुलना में)।

3. पोषक तत्व/कीटनाशक की धीमी गति से मुक्ति का सिद्धांत: बहुलक श्रृंखला "संवरण-अधिशोषण-नियंत्रित मुक्ति" तंत्र

मिट्टी में जल में घुलनशील पोषक तत्वों (जैसे यूरिया, पोटाश उर्वरक) या कम विषैले कीटनाशकों के लिए पीवीपी का उपयोग "धीमे स्राव वाहक" के रूप में किया जा सकता है, जिससे उनकी निक्षालन हानि कम होती है और क्रिया अवधि बढ़ जाती है। सिद्धांत इस प्रकार है:

• भौतिक संवरण: पोषक तत्वों के त्वरित प्रवास को रोकना।
  पीवीपी की बहुलक श्रृंखला "उलझन" प्रभाव के माध्यम से अपनी त्रि-आयामी जाल संरचना में जल में घुलनशील पोषक तत्व/कीटनाशक अणुओं को संवेष्टित कर सकती है, जिससे "सूक्ष्म-कैप्सूल" के आकार का निर्माण होता है:
  • यह आवरण पोषक तत्वों/कीटनाशकों को बारिश के पानी या सिंचाई के पानी के साथ मिट्टी में गहराई तक त्वरित प्रवेश करने से रोकता है (निक्षालन हानि से बचाव), और इसके अतिरिक्त वायुमंडल में उनके सीधे वाष्पीकरण को भी कम कर सकता है (जैसे नाइट्रोजन उर्वरकों से अमोनिया का वाष्पीकरण);
  • केवल तभी जब मिट्टी में पानी धीरे-धीरे पैकेजिंग संरचना में प्रवेश करता है, या जब सूक्ष्मजीव PVP श्रृंखलाओं को थोड़ा अपघटित करते हैं, तभी पोषक तत्व/कीटनाशक फसलों द्वारा अवशोषित किए जाने या उनकी प्रभावशीलता दिखाने के लिए मिट्टी के घोल में धीरे-धीरे मुक्त होंगे।
• रासायनिक अधिशोषण: पोषक तत्वों और मिट्टी के बीच बंधन बल को बढ़ाएं।
  था एमाइड pVP का समूह "हाइड्रोजन बंधन" या "स्थिर वैद्युत प्रभाव" के माध्यम से पोषक आयनों (जैसे NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) को अधिशोषित और बांध सकता है, और मिट्टी के कणों की सतह पर उन्हें स्थिर कर सकता है (PVP को "पुल" के रूप में उपयोग करके):
  • यह अधिशोषण पोषक तत्वों की "गतिशीलता" को कम कर सकता है और गुरुत्वाकर्षण के कारण उनके नीचे की ओर हानि होने से रोक सकता है;
  • जब मिट्टी में पोषक तत्वों की सांद्रता कम हो जाती है (फसलों द्वारा अवशोषित और उपभोग किए जाने पर), तो अधिशोषण संतुलन टूट जाता है, और पोषक आयन धीरे-धीरे विमुक्त होकर मिट्टी के घोल में वापस प्रवेश करते हैं, जिससे "आवश्यकतानुसार मुक्ति" प्राप्त होती है।
• पर्यावरण-अनुक्रियाशील मुक्ति: मिट्टी की स्थितियों के अनुकूलन
  पीवीपी की जल में घुलनशीलता और क्रॉस-लिंकिंग की डिग्री मिट्टी के वातावरण (जैसे पीएच, तापमान और आर्द्रता) से प्रभावित होती है:
  • जब मिट्टी नम होती है, तो पीवीपी श्रृंखलाएं बढ़ जाती हैं और इनकैप्सुलेट पोषक तत्वों की रिहाई की दर तेज हो जाती है; जब मिट्टी सूखी होती है, तो श्रृंखलाएं सिकुड़ जाती हैं और रिहाई की दर धीमी हो जाती है, जिससे पौधों को पोषक तत्वों के अत्यधिक संचय से बचा
  • अम्लीय मिट्टी (pH < 6.0) में, PVP के अमाइड समूह का प्रोटोनेशन बढ़ जाता है, कैटियन पोषक तत्वों (जैसे K+) की अवशोषण क्षमता में सुधार होता है, और धीमी रिलीज़ अवधि अधिक होती है।

4. भारी धातु आयनों के अवशोषण के सिद्धांत: समन्वय बंधन बंधन और आवेश तटस्थता तंत्र

पीवीपी उन मिट्टी को ठीक करने में मदद कर सकता है जो भारी धातुओं (जैसे पीबी 2 +, क्यू 2 + और सीडी 2 +) से थोड़ा दूषित हैं, उनकी जैव उपलब्धता को कम करते हुए (फसल अवशोषण को कम करते हुए) । सिद्धांत इस प्रकार हैं:

• समन्वय बंधन बाध्यकारी:
  PVP अणु में पाइरोलिडोन वलय (जिसमें नाइट्रोजन परमाणु होते हैं) में "इलेक्ट्रॉनों का एकाकी युग्म" होता है, जो भारी धातु धनायनों (जैसे Pb²⁺, Cu²⁺) के साथ एक स्थिर "उपसहसंयोजक बंधन" बना सकता है और जल में अघुलनशील संकुल बनाता है:
  • यह संकुल मृदा के कणों की सतह पर अधिशोषित हो जाएगा या PVP के अवसादन के साथ मृदा की सतह पर ही रहेगा और फसल की जड़ों द्वारा अवशोषित नहीं किया जा सकेगा (जैव उपलब्धता में कमी);
  • प्रयोगों से पता चला है कि 0.5% PVP मृदा में Pb²⁺ की जैव उपलब्धता को 20%-30% तक कम कर सकता है (फसल की जड़ों में Pb के संचय का पता लगाकर सत्यापित किया गया है)।
• आवेश उदासीनीकरण: भारी धातु आयनों की गतिशीलता में कमी।
  मृदा के मृत्तिका कण आमतौर पर ऋणात्मक रूप से आवेशित होते हैं और सकारात्मक रूप से आवेशित भारी धातु आयनों (जैसे Cd²⁺) को आसानी से अधिशोषित कर लेते हैं। हालाँकि, इस अधिशोषण को मृदा में अन्य धनायनों (जैसे Ca²⁺ और Mg²⁺) द्वारा आसानी से प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप भारी धातुओं का पुनर्सक्रियाशील होना होता है।
  • PVP के एमाइड समूह प्रोटॉनीकरण के बाद धनात्मक रूप से आवेशित होते हैं और मिट्टी के कणों के ऋणात्मक आवेश के साथ संयोजित हो सकते हैं। इसी समय, इसके समन्वित भारी धातु आयन मिट्टी-PVP संकुल में "तालाबंद" हो जाते हैं, जिससे अन्य धनायनों द्वारा प्रतिस्थापित होने की संभावना कम हो जाती है और भारी धातुओं की गतिशीलता कम हो जाती है।

संक्षेप करें

मिट्टी में PVP की भूमिका का सार यह है कि यह अपनी आण्विक संरचना में मौजूद "ध्रुवीय समूहों" और "बहुलक श्रृंखलाओं" का उपयोग मिट्टी के कणों, जल, पोषक तत्वों और प्रदूषकों के साथ "भौतिक अधिशोषण", "रासायनिक बंधन" या "आकारिकी नियमन" के लिए करता है , अंततः यह प्राप्त करते हुए:

• मिट्टी की भौतिक संरचना में सुधार (मिट्टी के संकुलन को रोकने में सहायता करना);
• जल प्रभावकारिता में सुधार (जल धारण);
• पोषक तत्वों/कीटनाशकों की क्रिया अवधि को बढ़ाना (धीमा मुक्ति);
• भारी धातुओं के जैविक जोखिम को कम करना (अधिशोषण और निष्क्रियकरण)।

ध्यान दें कि ये सभी सिद्धांत PVP की "सहायक" भूमिका पर आधारित हैं - इसका प्रभाव कम सांद्रता में उपयोग पर निर्भर करता है, और यह जैविक उर्वरकों, विशेष जल-धारण एजेंटों, मृदा सुधारकों आदि को प्रतिस्थापित नहीं कर सकता है, तथा केवल विशिष्ट परिदृश्यों (जैसे अंकुरण, बर्तन में लगे पौधे और हल्के प्रदूषित मिट्टी के सुधार) के लिए उपयुक्त है।