В чем заключается конкретный принцип действия PVP в почве?

Основа функции ПВП (поливинилпирролидона) в почве заключается в его молекулярной структуре (полярные группы и полимерные цепи) и физико-химических свойствах (растворимость в воде, адсорбция и удержание влаги) . Посредством "межмолекулярных взаимодействий" или "манипуляции физической формой" с частицами почвы, водой, питательными веществами и загрязнителями он косвенно улучшает физическую структуру почвы, влажностный режим, доступность питательных веществ и активность загрязняющих веществ. Конкретный механизм разбирается по основным функциональным сценариям, объясняя эффекты на молекулярном и почвенном уровнях пошагово:

1. Принцип способствования предотвращению уплотнения почвы: регулирование агрегации и связывания почвенных частиц

Суть уплотнения почвы заключается в том, что почвенные частицы (особенно частицы глины) плотно агрегируются из-за электростатического притяжения, сцепления водной пленки и других факторов, что приводит к снижению пористости . PVP нарушает этот процесс, «диспергируя частицы и формируя микроструктуры». Конкретные принципы следующие:

• Адсорбция молекул и модификация поверхности частиц: снижение прямого сцепления частиц.
  Пирролидоновое кольцо (содержащее полярную амидную группу -CONH-) в молекулярной цепи PVP обладает сильными гидрофильными и адсорбционными свойствами. Оно может прочно адсорбироваться на поверхности почвенных частиц (глинистых, частиц пылеватых фракций) посредством «водородных связей» или «сил Ван-дер-Ваальса», образуя ультратонкую полимерную защитную пленку (наноразмерную) :
  • Эта пленка «изолирует» соседние частицы почвы, предотвращая их объединение в крупные агрегаты вследствие электростатического притяжения (частицы глины заряжены отрицательно и легко поглощают катионы, сближаясь друг с другом) или адгезии водной пленки (водная пленка исчезает во время высыхания, и частицы вступают в непосредственный контакт).
  • В то же время «стерическое препятствующее действие» молекулярной цепи ПВП вызывает взаимное отталкивание адсорбированных почвенных частиц, снижает вероятность агрегации, поддерживает дисперсность частиц (аналогично эффекту «смазки») и уменьшает твердость уплотнения после укатки.
• Мостикообразование полимерной цепью: формирование рыхлой микроструктуры агрегатов и увеличение пористости почвы.
  Длинноцепочечная полимерная структура пВП (молекулярная масса обычно составляет 10 000–1 000 000 Да) может выполнять функцию «молекулярного мостика», слабо соединяя дисперсные мелкие частицы почвы (песчаные частицы, пылеватые частицы) в микроагрегаты размером в микронах (диаметром 10–100 мкм) :
  • Эти микропсевдоагрегаты представляют собой не плотные комки, а пористую структуру, образованную слабо связанными цепями ПВП. Между агрегатами формируется большое количество "капиллярных пор" и "вентиляционных пор". Капиллярные поры удерживают влагу, а вентиляционные поры обеспечивают циркуляцию воздуха, предотвращая застой воздуха и уплотнение почвы.
  • Примечание: Микропсевдоагрегаты являются "физическими временными структурами" с низкой устойчивостью (они могут разрушаться при сильных дождях или частом поливе). Они не могут заменить "водоустойчивые агрегаты", образующиеся под действием органических удобрений (формируются за счёт склеивания органическим веществом и устойчивы к эрозии в долгосрочной перспективе). Их роль ограничена временным смягчением уплотнения почвы.
• Удержание влаги и контроль испарения: предотвращение высыхания и твердения верхнего слоя почвы.
  Гидрофильная группа (амидная группа) ПВП может поглощать свободную воду в почве, образуя гидрогель (содержание воды может достигать 10–20 кратной массы самой группы) и прилипают к поверхности почвы:
  • Гидрогель может медленно выделять воду, замедляя быстрое испарение влаги с поверхности почвы (особенно в условиях засухи или высоких температур);
  • Основной причиной уплотнения поверхностного слоя почвы является «внезапная потеря влаги, приводящая к усадке частиц и их склеиванию». Способность PVP удерживать влагу помогает поддерживать влажное состояние поверхностного слоя почвы, уменьшает образование трещин при высыхании и косвенно предотвращает уплотнение.

2. Принцип удержания влаги в почве: механизм гидрогеля «удержание — медленное высвобождение» воды

Функция удержания влаги PVP в почве по сути достигается за счет «удержания» и «медленного высвобождения» воды путем «физической адсорбции + гелевой инкапсуляции», тем самым повышая эффективность влажности почвы. Конкретные принципы следующие:

• Адсорбция влаги на молекулярном уровне: фиксация свободной воды
  Амидная группа (-CONH-) в молекулярной цепи ПВП является сильной гидрофильной группой, которая может соединяться со свободными молекулами воды в почве (вода, не адсорбированная частицами почвы) посредством «водородных связей», «фиксировать» воду вокруг полимерной цепи, образуя «связанный водный слой»;
  • Эта связанная вода не теряется легко при транспирации или под действием силы тяжести и может сохраняться в почве в течение длительного времени, что позволяет корням растений медленно её поглощать (предотвращая быстрое испарение обычной свободной воды или её проникновение в глубокие слои почвы).
• Образование макрогидрогеля: создание «резервуара для хранения воды»
  Когда концентрация ПВП достигает определённого порога (обычно 0,1%–0,5%, от сухого веса почвы), молекулярные цепи ПВП после поглощения воды начинают сшиваются друг с другом, образуя трёхмерную сетчатую структуру гидрогеля (аналогично губке):
  • Гидрогель может «инкапсулировать» большое количество воды (составляя 80%-90% от собственного веса), образуя в почве «микро-резервуар для хранения воды»;
  • Когда на поверхности почвы недостаточно воды, гидрогель будет медленно выделять воду из-за разницы осмотического давления, пополняя почвенный раствор, поддерживая влажную среду вокруг корней и снижая стресс у растений, вызванный засухой.
• Снижение испарения влаги из почвы: физический барьерный эффект
  Гидрогель покрывает поверхность почвенных частиц или заполняет поры, образуя «полупроницаемую мембрану», которая препятствует диффузии влаги из почвы в атмосферу и снижает скорость испарения — экспериментальные данные показывают, что добавление 0,3% PVP в почву может снизить среднесуточное испарение воды на 15%-25% (по сравнению с необработанной почвой).

3. Принцип медленного высвобождения питательных веществ/пестицидов: механизм «инкапсулирование-адсорбция-контролируемое высвобождение» полимерной цепью

PVP можно использовать в качестве «носителя с медленным высвобождением» для водорастворимых питательных веществ (таких как мочевина, калийные удобрения) или малотоксичных пестицидов в почве, уменьшая их вымывание и продлевая период действия. Принцип заключается в следующем:

• Физическая инкапсуляция: препятствование быстрой миграции питательных веществ.
  Полимерная цепь PVP может инкапсулировать молекулы водорастворимых питательных веществ/пестицидов в своей трехмерной сетчатой структуре за счет эффекта «запутывания», формируя структуру типа «микрокапсула»:
  • Это покрытие предотвращает быстрое проникновение питательных веществ/пестицидов глубоко в почву вместе с дождевой или поливочной водой (исключая потери от вымывания), а также может уменьшить их прямое испарение в атмосферу (например, испарение аммиака из азотных удобрений);
  • Только когда вода в почве медленно проникает в структуру упаковки или когда микроорганизмы слегка разлагают цепи ПВП, питательные вещества/пестициды постепенно высвобождаются в почвенную среду для поглощения растениями или проявления своего действия.
• Химическая адсорбция: усиление связи между питательными веществами и почвой.
  Компания амид группа ПВП может адсорбировать и связывать ионы питательных веществ (такие как NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) посредством "водородных связей" или "электростатических эффектов" и фиксировать их на поверхности частиц почвы (с использованием ПВП в качестве "мостика"):
  • Эта адсорбция может снизить "подвижность" питательных веществ и предотвратить их вымывание вниз под действием силы тяжести;
  • Когда концентрация питательных веществ в почве снижается (вследствие поглощения и расходования растениями), равновесие адсорбции нарушается, и ионы питательных веществ медленно десорбируются и снова поступают в почвенный раствор, обеспечивая "высвобождение по требованию".
• Чувствительное к окружающей среде высвобождение: адаптация к условиям почвы
  Водорастворимость и степень сшивки PVP зависят от почвенной среды (такой как pH, температура и влажность):
  • Когда почва увлажнена, цепи PVP набухают, и скорость высвобождения инкапсулированных питательных веществ увеличивается; когда почва сухая, цепи сжимаются, и скорость высвобождения замедляется, предотвращая чрезмерное накопление питательных веществ в периоды, когда растениям они не нужны.
  • В кислой почве (pH < 6,0) протонирование амидной группы PVP усиливается, повышается способность к адсорбции катионных питательных веществ (таких как K⁺), а период медленного высвобождения становится длиннее.

4. Принципы адсорбции ионов тяжелых металлов: связывание координационными связями и механизм нейтрализации заряда

PVP может способствовать восстановлению слабо загрязнённых тяжёлыми металлами почв (например, Pb²⁺, Cu²⁺ и Cd²⁺), снижая их биодоступность (уменьшая поглощение культурами). Принципы следующие:

• Связывание координационными связями:
  Пирролидоновое кольцо (содержащее атомы азота) в молекуле ПВП, которое фиксирует ионы тяжелых металлов, имеет «неподелённую пару электронов» и может образовывать стабильную «координационную связь» с катионами тяжелых металлов (такими как Pb²⁺, Cu²⁺), формируя нерастворимый в воде комплекс:
  • Этот комплекс будет адсорбироваться на поверхности частиц почвы или оставаться на поверхности почвы вместе с осаждением ПВП и не может быть поглощён корнями сельскохозяйственных культур (сниженная биодоступность);
  • Эксперименты показали, что 0,5% ПВП может снизить биодоступность Pb²⁺ в почве на 20–30% (подтверждено путём анализа накопления свинца в корнях растений).
• Нейтрализация заряда: снижение подвижности ионов тяжелых металлов.
  Частицы глины в почве обычно имеют отрицательный заряд и легко адсорбируют положительно заряженные ионы тяжелых металлов (например, Cd²⁺). Однако такая адсорбция легко замещается другими катионами в почве (например, Ca²⁺ и Mg²⁺), что приводит к повторной активации тяжелых металлов.
  • Амидная группа ПВП положительно заряжена после протонирования и может соединяться с отрицательным зарядом частиц глины. В то же время связанные тяжелые металлы «блокируются» в комплексе глина-ПВП, что снижает вероятность их замещения другими катионами и уменьшает подвижность тяжелых металлов.

Резюме

Суть роли ПВП в почве заключается в том, что он использует «полярные группы» и «полимерные цепи» в своей молекулярной структуре для «физической адсорбции», «химического связывания» или «регулирования морфологии» с частицами, водой, питательными веществами и загрязнителями в почве , что в конечном итоге позволяет достичь:

• Улучшение физической структуры почвы (помогает предотвратить уплотнение почвы);
• Повышение эффективности использования воды (удержание влаги);
• Продление периода действия питательных веществ/пестицидов (медленное высвобождение);
• Снижение биологического риска тяжелых металлов (адсорбция и иммобилизация).

Следует отметить, что все эти принципы основаны на «вспомогательной» роли PVP — его эффект зависит от применения в низких концентрациях, и он не может заменить органические удобрения, специальные водоудерживающие агенты, улучшители почвы и т.д., а подходит только для определенных сценариев (например, выращивание рассады, комнатные растения и реабилитация слабо загрязненных почв).