Apakah prinsip khusus PVP berfungsi dalam tanah?

Inti fungsi PVP (polivinilpirrolidon) dalam tanah terletak pada struktur molekulnya (kumpulan berkutub dan rantaian polimer) dan sifat fizikokimia (keterlarutan air, penyerapan, dan pemuliharaan air) . Melalui "interaksi antara molekul" atau "pengubahsuaian bentuk fizikal" dengan zarah tanah, air, nutrien, dan bahan pencemar, ia secara tidak langsung meningkatkan struktur fizikal tanah, keadaan kelembapan, ketersediaan nutrien, dan aktiviti bahan pencemar. Mekanisme khusus ini dipecahkan mengikut senario fungsian utama, menerangkan kesan-kesan tersebut pada peringkat molekul dan peringkat tanah langkah demi langkah:

1. Prinsip bantuan dalam mencegah pemadatan tanah: mengawal agregasi dan ikatan zarah-zarah tanah

Inti pemadatan tanah adalah bahawa zarah-zarah tanah (terutamanya zarah liat) berkumpul rapat disebabkan oleh daya tarikan elektrostatik, lekatan filem air, dan faktor-faktor lain, yang mengakibatkan pengurangan kelapangan pori . PVP memutuskan proses ini dengan "mengedarkan zarah dan membina struktur mikro." Prinsip khususnya adalah seperti berikut:

• Penyerapan molekul dan pengubahsuaian permukaan zarah: Mengurangkan lekatan langsung antara zarah.
  Gelang pirrolidon (mengandungi kumpulan amida polar -CONH-) pada rantaian molekul PVP mempunyai sifat hidrofilik dan penyerapan yang kuat. Ia boleh terikat rapat pada permukaan zarah tanah (zarah liat, zarah lanau) melalui "ikatan hidrogen" atau "daya van der Waals", membentuk lapisan pelindung polimer ultra nipis (skala nanometer) :
  • Filem ini "memisahkan" zarah-zarah tanah berdekatan, menghalangnya daripada membentuk gumpalan besar akibat tarikan elektrostatik (zarah liat bercas negatif dan mudah menyerap kation serta saling mendekati) atau lekatan filem air (filem air hilang semasa pengeringan dan zarah-zarah bersentuhan secara langsung).
  • Pada masa yang sama, kesan "rintangan sterik" daripada rantaian molekul PVP akan menyebabkan zarah tanah yang terlekat saling menolak, mengurangkan kebarangkalian penggumpalan, mengekalkan pencaran zarah-zarah (seperti kesan "pelincir"), dan mengurangkan kekerasan mampatan selepas pemadatan.
• Penyambungan rantaian polimer: membina struktur mikro-gumpalan yang longgar dan meningkatkan liang-liang tanah.
  Struktur polimer rantaian panjang pVP (berat molekul biasanya 10,000-1 juta Da) boleh bertindak sebagai "jambatan molekul" untuk sedikit menyambung zarah halus tanah yang tersebar (zarah pasir, zarah lanau) menjadi mikro-gumpalan bersaiz mikron (diameter 10-100μm) :
  • Agregat mikro ini bukan gumpalan yang terikat rapat, tetapi struktur berliang yang terbentuk daripada rantaian PVP yang bersambung longgar. Sejumlah besar "liang kapilari" dan "liang pengudaraan" terbentuk di antara agregat-agregat tersebut. Liang kapilari mengekalkan kelembapan, manakala liang pengudaraan membenarkan udara bersirkulasi, mengelakkan tanah daripada menjadi kedap udara dan padat.
  • Nota: Agregat mikro adalah "struktur fizikal sementara" dengan kestabilan yang lemah (ia mungkin terurai dalam hujan lebat atau pengairan kerap). Ia tidak dapat menggantikan "agregat stabil terhadap air" yang terbentuk oleh baja organik (terbentuk melalui pematrian bahan organik dan tahan terhadap hakisan dalam jangka panjang). Ia hanya mampu mengurangkan pepadatan secara sementara.
• Kekuatan air dan kawalan penyejatan: mencegah tanah permukaan daripada kering dan mengeras.
  Kumpulan hidrofilik (kumpulan amida) PVP boleh menyerap air bebas dalam tanah untuk membentuk hidrogel (kandungan air boleh mencapai 10-20 kali ganda berat sendiri) dan melekat pada permukaan tanah:
  • Hidrogel boleh membebaskan air secara perlahan, memperlahankan penguapan air tanah permukaan yang pantas (terutamanya dalam persekitaran kemarau atau suhu tinggi);
  • Punca utama pemadatan permukaan tanah ialah "kehilangan air secara tiba-tiba yang menyebabkan pengecutan zarah dan pelekatan". Kesan ketahanan air PVP boleh mengekalkan keadaan lembap permukaan tanah, mengurangkan pembentukan retakan kering, dan tidak langsung mencegah pemadatan.

2. Prinsip Ketiadaan Air dalam Tanah: Mekanisme Air "Ketahanan-Pembebasan Perlahan" oleh Hidrogel

Fungsi ketahanan air PVP dalam tanah pada asasnya mencapai "ketahanan" dan "pembebasan perlahan" air melalui "penyerapan fizikal + pengkurungan gel", seterusnya meningkatkan keberkesanan kelembapan tanah. Prinsip khususnya adalah seperti berikut:

• Penyerapan air pada peringkat molekul: Mengunci air bebas
  Kumpulan amida (-CONH-) pada rantaian molekul PVP adalah kumpulan hidrofilik yang kuat yang boleh bergabung dengan molekul air bebas dalam tanah (air yang tidak diserap oleh zarah tanah) melalui "ikatan hidrogen", "memperangkap" air di sekitar rantaian polimer untuk membentuk satu "lapisan air terikat";
  • Air terikat ini tidak mudah hilang melalui transpirasi atau graviti dan boleh dikekalkan dalam tanah untuk jangka masa yang lama, membolehkan akar tanaman menyerapnya secara perlahan (mengelakkan air bebas biasa daripada mengewap dengan cepat atau meresap ke lapisan tanah yang lebih dalam).
• Pembentukan makro-hidrogel: membina "takungan simpanan air"
  Apabila kepekatan PVP mencapai tahap tertentu (biasanya 0.1%–0.5%, berdasarkan berat kering tanah), rantaian molekul PVP selepas menyerap air akan saling merentas dan membentuk struktur rangkaian tiga dimensi hidrogel (seperti span):
  • Hidrogel boleh "mengkapsulkan" sejumlah besar air (merangkumi 80%-90% daripada beratnya sendiri), membentuk "takungan mikro simpanan air" di dalam tanah;
  • Apabila kandungan air di permukaan tanah tidak mencukupi, hidrogel akan membebaskan air secara perlahan disebabkan oleh perbezaan tekanan osmosis, mengisi semula larutan tanah, mengekalkan persekitaran lembap di sekitar akar, dan mengurangkan stres kekeringan pada tanaman.
• Kurangkan penyejatan kelembapan tanah: Kesan halangan fizikal
  Hidrogel melitupi permukaan zarah tanah atau mengisi liang-liang untuk membentuk "membran separa telap" yang menghalang peresapan kelembapan di dalam tanah ke atmosfera dan mengurangkan kadar penyejatan — data eksperimen menunjukkan bahawa penambahan 0.3% PVP ke dalam tanah boleh mengurangkan purata harian penyejatan air sebanyak 15%-25% (berbanding tanah yang tidak dirawat).

3. Prinsip perlanasan nutrien/pestisid: Mekanisme rantaian polimer "kapsulasi-penyerapan-kawalan pembebasan"

PVP boleh digunakan sebagai "pembawa perlahan" untuk nutrien larut air (seperti urea, baja kalium) atau racun perosak beracun rendah dalam tanah, mengurangkan kehilangan lixiviasi dan memperpanjang tempoh tindakan. Prinsipnya adalah seperti berikut:

• Enkapsulasi fizikal: menghalang penghijahan nutrien dengan cepat.
  Rantai polimer PVP boleh mengenkapsulasi molekul nutrien/racun perosak larut air di dalam struktur rangkaian tiga dimensinya melalui kesan "pertautan", membentuk bentuk "mikrokapsul":
  • Lapisan ini boleh menghalang nutrien/racun perosak daripada menembusi dengan cepat ke lapisan dalam tanah bersama air hujan atau air pengairan (mengelakkan kehilangan lixiviasi) dan juga dapat mengurangkan volatil langsung mereka ke atmosfera (seperti volatil ammonia dari baja nitrogen);
  • Hanya apabila air dalam tanah perlahan-lahan menembusi struktur pembungkusan, atau apabila mikroorganisma sedikit merosakkan rantaian PVP, nutrien/pestisid akan secara beransur-ansur dibebaskan ke dalam larutan tanah untuk diserap oleh tanaman atau memperlihatkan kesannya.
• Penyerapan kimia: Meningkatkan daya ikatan antara nutrien dan tanah.
  The amida kumpulan PVP boleh menyerap dan mengikat ion nutrien (seperti NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) melalui "ikatan hidrogen" atau "kesan elektrostatik", dan menetapkannya pada permukaan zarah tanah (melalui PVP sebagai "penghubung"):
  • Penyerapan ini dapat mengurangkan "mobiliti" nutrien dan mencegahnya daripada hilang ke bawah akibat graviti;
  • Apabila kepekatan nutrien dalam tanah berkurangan (diserap dan digunakan oleh tanaman), keseimbangan penyerapan terganggu, dan ion nutrien akan perlahan-lahan terlepas dan kembali masuk ke dalam larutan tanah, mencapai pelepasan "mengikut permintaan".
• Pelepasan responsif terhadap persekitaran: Menyesuaikan dengan keadaan tanah
  Keterlarutan air dan darjah pengikatan silang PVP dipengaruhi oleh persekitaran tanah (seperti pH, suhu, dan kelembapan):
  • Apabila tanah lembap, rantaian PVP mengembang dan kadar pelepasan nutrien yang terperangkap meningkat; apabila tanah kering, rantaian mengecut dan kadar pelepasan melambat, mengelakkan pengumpulan berlebihan nutrien apabila tanaman tidak memerlukannya.
  • Dalam tanah berasid (pH < 6.0), protonasi kumpulan amida PVP meningkat, keupayaan penyerapan nutrien kationik (seperti K⁺) bertambah baik, dan tempoh perlahan-lahan lebih panjang.

4. Prinsip penjerapan ion logam berat: ikatan koordinasi dan mekanisme peneutralan cas

PVP boleh membantu memulihara tanah yang sedikit tercemar dengan logam berat (seperti Pb²⁺, Cu²⁺, dan Cd²⁺), mengurangkan biokebolehgunaannya (mengurangkan penyerapan oleh tanaman). Prinsip-prinsipnya adalah seperti berikut:

• Ikatan koordinasi:
  Cincin pirrolidon (mengandungi atom nitrogen) dalam molekul PVP yang mengikat ion logam berat mempunyai "pasangan elektron bebas" dan boleh membentuk "ikatan koordinasi" yang stabil dengan kation logam berat (seperti Pb²⁺, Cu²⁺) untuk membentuk kompleks yang tidak larut dalam air:
  • Kompleks ini akan terlekat pada permukaan zarah tanah atau kekal di permukaan tanah bersama pemendapan PVP dan tidak dapat diserap oleh akar tanaman (ketersediaan biologi berkurang);
  • Eksperimen telah menunjukkan bahawa 0.5% PVP boleh mengurangkan ketersediaan biologi Pb²⁺ dalam tanah sebanyak 20%-30% (disahkan melalui pengesanan akumulasi Pb dalam akar tanaman).
• Peneutralan cas: mengurangkan pergerakan ion logam berat.
  Zarah liat tanah biasanya bercas negatif dan mudah menyerap ion logam berat bercas positif (seperti Cd²⁺). Walau bagaimanapun, penyerapan ini mudah digantikan oleh kation lain dalam tanah (seperti Ca²⁺ dan Mg²⁺), yang menyebabkan pengaktifan semula logam berat.
  • Kumpulan amida PVP bercas positif selepas protonasi dan boleh bergabung dengan cas negatif zarah-zarah tanah liat. Pada masa yang sama, ion logam berat yang berkordinasi dengannya di"kunci" dalam kompleks tanah liat-PVP, mengurangkan kebarangkalian digantikan oleh kation lain dan mengurangkan mobiliti logam berat.

Ringkas

Intipati peranan PVP dalam tanah adalah bahawa ia menggunakan "kumpulan berkutub" dan "rantai polimer" dalam struktur molekulnya untuk "penyerapan fizikal", "pengikatan kimia" atau "regulasi morfologi" dengan zarah, air, nutrien dan pencemar dalam tanah , akhirnya mencapai:

• Tingkatkan struktur fizikal tanah (membantu mencegah pemadatan tanah);
• Tingkatkan keberkesanan air (mengekalkan air);
• Memanjangkan tempoh tindakan nutrien/pestisid (pelepasan perlahan);
• Kurangkan risiko biologi logam berat (penyerapan dan pengimobilan).

Perlu diambil perhatian bahawa semua prinsip ini adalah berdasarkan peranan "bantuan" PVP - kesannya bergantung pada penggunaan kepekatan rendah, dan ia tidak boleh menggantikan baja organik, agen penahan air khusus, pengubahsuaian tanah, dll., serta hanya sesuai untuk senario tertentu (seperti penanaman anak benih, pokok dalam pasu, dan pemulihan tanah yang tercemar ringan).