Какие типы почв непригодны для использования PVP?

Применимость ПВП (поливинилпирролидона) в почве в значительной степени зависит от физических и химических свойств почвы (таких как состав частиц, pH, соленость и содержание органического вещества) и основных проблем (таких как уплотнение, удержание воды и необходимость ремедиации загрязнений). Следующие типы почв, как правило, непригодны для использования ПВП или требуют строгих ограничений на его применение из-за «неспособности ПВП решать основные проблемы», «склонности к негативным последствиям» или «крайне невыгодной экономики»:

1. Солонцевато-щелочные почвы (pH＞8,5, EC＞4 мС/см): ПВП неэффективен и может усугубить повреждение солями

Основная проблема солонцевато-щелочных почв — высокая концентрация солевых ионов (например, Na⁺ и Cl⁻ ) и и высокое значение pH , что приводит к диспергированию почвенных коллоидов, плохой проницаемости и затруднённому поглощению воды корнями растений. PVP не только неэффективен на таких почвах, но также может оказывать негативное влияние по следующим причинам:

• Среда с высоким содержанием солей разрушает способность PVP к адсорбции и удержанию воды.
  Большое количество катионов, таких как Na⁺ и Ca²⁺, в солонцевато-щелочной почве будет конкурировать с полярными группами (амидными группами) на молекулярной цепи PVP за сайты связывания, ослабляя способность PVP адсорбировать частицы почвы. Образование «защитной полимерной плёнки» становится невозможным, она не может прочно закрепиться, и эффект предотвращения слеживания полностью теряется. В то же время высокое содержание солей разрушает трёхмерную структуру гидрогеля PVP, в результате чего его способность удерживать воду снижается более чем на 50 % (он не может удерживать влагу и может ускорять её испарение).
• Высокое значение pH подавляет способность PVP к адсорбции тяжёлых металлов (если требуется рекультивация).
  Если солончаковые почвы также загрязнены тяжелыми металлами, адсорбция Pb²⁺ и Cd²⁺ поливинилпирролидоном (PVP) зависит от «связывания координационными связями», а высокое значение pH (>8,5) ослабляет протонирование амидной группы PVP, значительно снижает координационную способность и может даже вызвать десорбцию адсорбированных ионов тяжелых металлов, что в свою очередь увеличивает риск поглощения их культурами.
• не решает основную проблему солончаковых почв и может усугубить солевой вред
  . Он не обладает способностью снижать уровень солей или регулировать pH. Ключевые методы улучшения солончаковых почв — это выщелачивание и удаление солей, применение гипса/десульфурированного гипса для снижения щелочности, а также увеличение внесения органических удобрений для улучшения коллоидной структуры. Использование PVP не только экономически невыгодно, но и остаточные полимерные цепи могут соединяться с ионами натрия в почве, образуя соле-полимерные комплексы, которые забивают поры почвы и дополнительно ухудшают проницаемость.

2. Тяжелая глина (содержание глины > 40%): склонна к "аноксии и уплотнению", эффект значительно хуже, чем у традиционных улучшителей

Основная проблема тяжелой глины заключается в мелких частицах, малых порах, плохой воздухопроницаемости и склонности к накоплению воды и уплотнению . Улучшение требует "повышения стабильности агрегатной структуры" (например, увеличение внесения органических удобрений и биоугля), а не краткосрочного диспергирующего эффекта ПВП. Причины, по которым тяжелая глина не подходит для обработки ПВП, следующие:

• Избыток ПВП может легко забивать поры и усугублять
  узкие поры тяжелой глины, бедной кислородом. Если используется ПВП (особенно при концентрации > 0,2%), его полимерные цепи образуют «чрезмерно сшитый гелевый слой» между частицами почвы, полностью блокируя капиллярные и вентиляционные поры. После полива вода не может проникнуть, а корни — дышать, что приводит к «анаэробному уплотнению» (гниение корней растений и пожелтение листьев), что является более серьезной проблемой, чем необработанная тяжелая глина.
• ПВП не способен образовывать стабильные агрегаты, и его эффект предотвращения уплотнения кратковременен.
  Основная причина уплотнения тяжелой глинистой почвы — недостаток органического вещества, что препятствует образованию водостойких агрегатов из почвенных коллоидов. Хотя PVP может временно рассеивать частицы, полученные «микроагрегаты» являются временными физическими структурами (разрушаются при сильных дождях или поливе) и не могут заменить «долговременно стабильные агрегаты», образуемые органическими удобрениями. Через одну-две недели после применения почва снова уплотняется, а остатки PVP могут увеличить её твёрдость.
• Экономическая эффективность крайне низка. Традиционные улучшители работают эффективнее.
  Для эффективного воздействия на тяжелую глину требуется большое количество улучшителей. Если использовать PVP (стоимость 20–30 юаней/кг), норма внесения на му составляет 300–500 кг (концентрация 0,2%), а стоимость превышает 6000 юаней, что намного выше стоимости органических удобрений (50–100 юаней/му) или биоугля (200–300 юаней/му), при этом эффект хуже, поэтому такой метод совершенно непрактичен.

3. Песчаные почвы (содержание песка > 80%): ПВП легко вымывается, эффект кратковременный, стоимость высока.

Основная проблема песчаных почв заключается в их слабой способности удерживать воду и удобрения, крупных частицах и слабой адсорбционной способности , однако они не подвержены сильному уплотнению (крупные поры между частицами). Хотя ПВП может временно удерживать влагу в песчаной почве, его применение, как правило, нецелесообразно из-за «лёгкой потери, необходимости частого повторного нанесения и низкой экономической эффективности»:

• ПВП обладает слабой адсорбционной способностью и легко вымывается дождём/орошением.
  Частицы песчаной почвы грубые (малая удельная поверхность) и обладают слабой силой сцепления с молекулами ПВП (в основном за счёт слабых водородных связей). При поливе или дожде ПВП легко проникает вглубь почвы вместе с водой (за пределы зоны поглощения корнями растений), что приводит к быстрому снижению концентрации ПВП в верхнем слое почвы — эффект удержания влаги сохраняется всего 2–3 дня, и требуется повторное нанесение каждые 3–5 дней, что неудобно.
• Низкие требования к противодействию уплотнению, функциональность ПВП избыточна.
  В песчаных почвах межчастичные поры крупные, поэтому «плотное уплотнение» практически невозможно (может наблюдаться лишь незначительное растрескивание из-за поверхностной засухи, без необходимости применения ПВП). Основная функция ПВП (предотвращение уплотнения) в песчаных почвах полностью избыточна, а его ограниченная способность удерживать влагу может быть достигнута более дешёвыми методами, такими как мульчирование соломой или применение гуминовых кислот, без использования ПВП.
• Длительное применение может привести к образованию геля на поверхности
  . Частое применение ПВП на песчаных почвах может привести к накоплению не утратившегося ПВП на поверхности, образуя «тонкий гелевый слой» — хотя этот слой и способен удерживать влагу, он препятствует проникновению воздуха в почву, вызывая гипоксию поверхностных корней (например, почернение поверхностных мелких корней пшеницы и кукурузы), что в свою очередь влияет на рост культур.

4. Почвы с крайне низким содержанием органического вещества (содержание органического вещества <0,5%): ПВП не может функционировать и может повлиять на микроорганизмы

Основная проблема почв с крайне низким содержанием органического вещества (например, бедные, выдуваемые песчаные почвы и оголённые почвы, подвергавшиеся длительному эрозионному разрушению) заключается в недостатке почвенных коллоидов, низкой микробной активности и рыхлой структуре (или уплотнённых почвах, не имеющих основы для улучшения) . ПВП неэффективен в таких почвах по следующим причинам:

• При отсутствии органического вещества ПВП не может формировать микроагрегаты.
  PVP необходимо полагаться на почвенные коллоиды (например, гумус) в качестве «точек крепления» для формирования «микроагрегатов», но почва, бедная органическим веществом, практически не содержит коллоидов — молекулярные цепи PVP не могут стабильно соединяться с частицами почвы и либо вымываются водой, либо хаотично рассеиваются в почве, не способны предотвращать уплотнение или удерживать воду.
• Подавляет остаточную микрофлору и усугубляет обеднение почвы.
  Количество микроорганизмов в почве, бедной органическим веществом, изначально очень мало (слабая способность к разложению), а высокомолекулярные цепи PVP могут прикрепляться к поверхности микроорганизмов, подавляя их метаболическую активность (например, разложение небольшого количества органических веществ и фиксацию азота), что дополнительно снижает плодородие почвы и приводит к порочному кругу: «чем больше применяешь, тем хуже становится».
• Основа улучшения почвы — восполнение органического вещества. PVP не может полностью заменить его.
  этот тип почвы. Единственный способ улучшить такой тип почвы — это «добавление большого количества органических веществ» (например, компостирование, внесение соломы в поле и выращивание сидератов). Как только содержание органических веществ увеличится до более чем 1%, можно будет рассмотреть дополнительные меры по улучшению. Использование PVP не только экономически выгодно, но и откладывает основной процесс улучшения.

5. Почва с сильным загрязнением тяжелыми металлами (концентрация тяжелых металлов > 200 мг/кг): способность адсорбции PVP недостаточна, что может легко привести к вторичным проблемам

PVP может лишь способствовать восстановлению почв с незначительным загрязнением тяжелыми металлами (концентрация <100 мг/кг) и совершенно не подходит для сильно загрязненных почв (например, почвы вокруг горнодобывающих районов с концентрацией Pb/Cd >200 мг/кг) по следующим причинам:

• Емкость адсорбции ограничена и не может снизить активность тяжелых металлов.
  Адсорбция тяжелых металлов PVP зависит от пирролидонового кольца в молекулярной цепи. Емкость адсорбции одного грамма PVP составляет всего 0,5–2 мг (в зависимости от типа фруктов и овощей). Для сильно загрязненной почвы требуются чрезвычайно высокие концентрации PVP (>1%), чтобы адсорбировать некоторые тяжелые металлы, но высокие концентрации PVP могут заблокировать поры почвы, приводя к гипоксии, что усугубит повреждение культур.
• Полностью удалить тяжелые металлы невозможно, их можно только «временно закрепить».
  Адсорбция тяжелых металлов PVP является «обратимой» (она будет десорбироваться в кислой среде или при высоких концентрациях других катионов). Если pH почвы в сильно загрязненной местности subsequently снизится (например, из-за кислотных дождей), адсорбированные тяжелые металлы снова выделятся, вызывая вторичное загрязнение. Проблема не может быть решена кардинально (требуются профессиональные технологии, такие как «вымывание» и «фитомелиорация»).

Резюме: Основные характеристики почв, непригодных для использования PVP

Ключ к определению пригодности почвы для PVP заключается в том, может ли PVP устранить основные проблемы почвы, не вызывая негативных побочных эффектов . Следующие типы почв соответствуют основным характеристикам «непригодных»:

• Основные проблемы невозможно решить с помощью PVP (например, «снижение содержания соли и регулирование pH» в солонцовых почвах, «стабилизация агрегатов» в тяжелых глинистых почвах и «внесение удобрений» в почвах, бедных органическим веществом);
• Новые проблемы могут легко возникнуть из-за особенностей PVP (например, «гипоксия» в тяжелых глинистых почвах, «потери и вымывание» в песчаных почвах и «вторичное высвобождение» в сильно загрязненных почвах);
• Экономическая эффективность крайне низка (например, в тяжелых глинистых и песчаных почвах требуется большое количество PVP, стоимость которого намного выше, чем у традиционных мелиорантов).

Основная логика улучшения почвы заключается в «принятии целевых мер для решения фундаментальных проблем» (например, осушение солончаковых почв и внесение органических удобрений в тяжелые глинистые почвы). ПВП является лишь «вспомогательным средством в особых ситуациях» и не может заменить традиционные меры улучшения, не говоря уже об использовании на непригодных типах почв, упомянутых выше.