Какую роль играет ПВП в почве? Может ли он предотвратить уплотнение почвы?

Как водорастворимый полимер, ПВП (поливинилпирролидон) в основном используется в почвенных приложениях благодаря своим удержанию влаги, диспергирующим свойствам и адсорбции свойствам. Хотя он может способствовать улучшению почвы, он не является основным или распространённым материалом для улучшения почвы. Хотя он и оказывает определённое вспомогательное действие в предотвращении уплотнения почвы, это требует тщательного учёта характеристик почвы и правильного применения, а его эффективность слабее, чем у традиционных мелиорантов (например, органических удобрений и гуминовых кислот) . Его конкретный механизм действия, области применения и ограничения можно рассмотреть с трёх следующих точек зрения:

1. Вспомогательная роль ПВП в «предотвращении уплотнения почвы»: за счёт улучшения структуры почвы

Основной причиной уплотнения почвы является слабая агрегация почвенных частиц и недостаток органического вещества , что приводит к плотному сцеплению частиц и снижению пористости (затрудняя проникновение воздуха и воды). ПВП может немного улучшить эту ситуацию за счёт «физической адсорбции» и «дисперсии частиц». Конкретный механизм заключается в следующем:

• Полярные группы (например, амидные) в молекулярной цепи ПВП адсорбируются на поверхности почвенных частиц (например, глины и пыли) посредством водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса, образуя «полимерную защитную плёнку» на внешней поверхности частиц. Эта плёнка
  уменьшает прямое сцепление между частицами почвы (предотвращая объединение глинистых частиц под действием электростатических эффектов), а также повышает смазывающие свойства между частицами, снижая вероятность уплотнения после механического воздействия.
  Например, , в глинистых почвах, склонных к уплотнению, обработка ПВП низкой концентрации (0,1%–0,5% от сухой массы почвы) может увеличить дисперсность почвенных частиц на 10%–15% и снизить твердость поверхности примерно на 20% после полива (при соответствующем рыхлении почвы).
• полимер
  цепи действуют как «мостики», мягко соединяя рассеянные частицы почвы (например, песок и пыль) в агрегаты микронного размера (вместо плотно упакованных крупных комков). Эти микроагрегаты создают мелкие поры, которые удерживают воду (снижая уплотнение из-за испарения), обеспечивая при этом проникновение воздуха и предотвращая превращение почвы в герметичную и уплотнённую.
  Заметка : структура микроагрегатов, формируемая ПВП менее стабильна и не может заменить «водостойкие агрегаты» (устойчивые в долгосрочной перспективе к эрозии и уплотнению), образуемые органическими удобрениями и гуминовой кислотой. Она может лишь временно снимать уплотнение и требует регулярного восполнения или сочетания с другими добавками.
• Снижение поверхностного уплотнения, вызванного испарением воды
  PVP обладает определенной способностью удерживать воду (может поглощать воду в несколько раз превышающую собственный вес, образуя гидрогель), что позволяет закрепляться на поверхности почвы и замедлять быстрое испарение воды. Поверхность почвы подвержена «высыханию и растрескиванию» из-за резкой потери влаги (например, голая почва в засушливых районах). Способность PVP удерживать влагу может снизить этот риск и сохранить рыхлое состояние верхнего слоя почвы.

2. Другие вспомогательные функции PVP в почве (не основная антизакрепочная функция)

Помимо содействия предотвращению уплотнения почвы, PVP может, исходя из своих характеристик, выполнять следующие функции в почве, однако это в основном «вспомогательные применения», а не основные потребности:

• Средство для удержания влаги в почве (краткосрочное, маломасштабное применение):
  PVP поглощает воду и образует гидрогель, который медленно выделяет влагу, повышая содержание влаги в почве. Это особенно подходит для саженцев, комнатных растений или небольших участков почвы в засушливых регионах (например, субстраты для суккулентов и рассады овощей). Например, добавление 0,2%–0,5% ПВП в субстрат для рассады может увеличить его водопоглощающую способность на 15%–25%, что снижает частоту полива и предотвращает уплотнение субстрата из-за чрезмерного полива.
  Ограничения : Способность ПВП удерживать воду слабее, чем у специализированных агентов для удержания влаги в почве (таких как полиакриламид (PAM) и гуминовые кислоты), а также его более высокая стоимость делают его непригодным для масштабного применения на сельскохозяйственных полях.
• В качестве медленно действующего носителя для удобрений и пестицидов (повышение эффективности использования)
  , PVP может иммобилизовать водорастворимые удобрения (такие как азотные и калийные удобрения) или слаботоксичные пестициды в почве путем «капсулирования» или «адсорбции», замедляя их выщелачивание и потерю (предотвращая проникновение в более глубокие слои почвы с дождевой водой), обеспечивая «медленное высвобождение». Например, при смешивании PVP с мочевиной и внесении в почву период высвобождения мочевины можно продлить с одной-двух недель до трех-четырех недель, сокращая потери питательных веществ и предотвращая засоление почвы из-за концентрированного выделения удобрений (что косвенно также может усугубить уплотнение почвы).
• Адсорбция ионов тяжелых металлов (вспомогательная ремедиация слабозагрязненных почв): пирролидоновое кольцо в молекулярной цепи PVP может адсорбировать ионы тяжелых металлов (такие как
  Pb²⁺, Cu²⁺ и Cd²⁺) в почве посредством координации, снижая их биодоступность (уменьшая поглощение растениями). Это делает его подходящим для сельскохозяйственных угодий или горшечных почв со слабым загрязнением тяжелыми металлами например, добавление 0,5%–1% ПВП в почву, загрязнённую ионами Pb²⁺, может снизить поглощение тяжёлых металлов растениями на 20%–30%. Однако это не полностью устраняет тяжёлые металлы и требует дополнительных методов восстановления (например, выщелачивания и фиторемедиации).

3. Основные аспекты (ограничения) использования ПВП для улучшения почвы

ПВП — это не специализированный материал, предназначенный для улучшения почвы. Он имеет очевидные ограничения в практическом применении, поэтому не следует чрезмерно на него полагаться:

• Менее эффективен по сравнению с традиционными мелиорантами и более дорогой, ПВП
  основные подходы к предотвращению уплотнения почвы включают внесение органического вещества (например, компоста и возврат соломы на поля), применение гуминовых кислот/биоугля (для повышения устойчивости агрегатов), или оптимизацию методов обработки почвы (чтобы избежать чрезмерного уплотнения). Антиуплотняющий эффект ПВП является лишь краткосрочной добавкой, а его цена за единицу значительно выше, чем у органических удобрений (примерно в 5–10 раз выше стоимости органических удобрений). Это делает его невыгодным для применения на крупных сельскохозяйственных полях, и он больше подходит для небольших, целевых применений (например, выращивание рассады и комнатные растения).
• Чрезмерное использование может повлиять на проницаемость почвы.
  Если концентрация ПВП слишком высока (например, более 1% от сухого веса почвы), его полимерные цепи могут образовать между частицами почвы «чрезмерно сшитый» гелевый слой, который, в свою очередь, блокирует поры почвы и приводит к снижению проницаемости (аналогично «гипоксии и уплотнению почвы»), особенно в глинистых почвах. Риск выше.
• Экологическая деградируемость ограничена, и дозировку необходимо контролировать.
  Скорость деградации ПВП в естественной почве низкая (полное разложение занимает несколько месяцев до нескольких лет в зависимости от активности микроорганизмов). Длительное чрезмерное использование может привести к накоплению высокомолекулярных полимеров в почве. Хотя оно не обладает явной токсичностью, может влиять на активность почвенных микроорганизмов (например, подавлять некоторые бактерии, разлагающие органическое вещество). Необходимо соблюдать принцип «низкая концентрация, кратковременное применение» (одноразовая доза не должна превышать 0,5% сухой массы почвы).
• Не подходит для всех типов почв
  • Песчаная почва (хорошая воздухопроницаемость, но плохое удержание влаги): водоретенционные и диспергирующие свойства ПВП могут немного улучшить способность почвы удерживать питательные вещества, однако слабо влияют на предотвращение уплотнения (песчаная почва сама по себе плохо уплотняется);
  • Солончаковые почвы (высокое содержание соли, высокий pH): адсорбция ПВП может быть нарушена ионами соли, эффект значительно снижается, и она не может устранить проблему засоления почв (требуются специальные мелиоранты, такие как гипс и десульфуризированный гипс).

Резюме

ПВП может играть роль в предотвращении уплотнения почвы, краткосрочном удержании влаги и постепенном высвобождении питательных веществ , но следует четко понимать:

• Её эффект против уплотнения почвы является «вспомогательным и кратковременным», что намного хуже по сравнению с традиционными мелиорантами, такими как органические удобрения и гуминовая кислота, и она не подходит в качестве основного материала для предотвращения уплотнения почвы;
• Более подходит для небольших и деликатных применений (например, субстраты для рассады и горшечные почвы), а не для крупномасштабных сельскохозяйственных полей;
• Концентрация должна строго контролироваться (0,1–0,5%) при использовании, чтобы избежать чрезмерного применения, которое может привести к снижению воздухопроницаемости или накоплению в окружающей среде.

Если требуется долгосрочное и эффективное предотвращение уплотнения почвы, ключевым остается достижение этого за счет "увеличения внесения органического вещества + рациональное земледелие + научный полив". PVP может использоваться только как дополнительное средство в особых случаях.