Vad är den specifika principen för hur PVP fungerar i jord?

Kärnan i PVP:s (polyvinylpyrrolidon) funktion i jord ligger i dess molekylära struktur (polära grupper och polymerkedjor) och fysikalisk-kemiska egenskaper (vattenlöslighet, adsorption och vattenhållande förmåga) . Genom "intermolekylära interaktioner" eller "manipulering av fysisk form" med jordpartiklar, vatten, näring och föroreningar, förbättrar det indirekt jordens fysiska struktur, fuktnivå, tillgänglighet av näring och aktivitet hos föroreningar. Den specifika mekanismen bryts ner efter kärnfunktionella scenarier, där effekterna förklaras steg för steg på molekylär nivå och jordnivå:

1. Principen för att hjälpa till att förhindra jordpackning: reglering av aggregering och sammanfogning av jordpartiklar

Kärnan i jordkomprimering är att jordpartiklar (särskilt lerpartiklar) tättsammanfogas på grund av elektrostatisk attraktion, vattenfilmsadhesion och andra faktorer, vilket leder till minskad porositet . PVP bryter denna process genom att "dispergera partiklar och bygga mikrostrukturer." De specifika principerna är följande:

• Molekylär adsorption och modifiering av partikelns yta: Minskar direkt adhesion mellan partiklar.
  Pyrrrolidongruppen (innehållande den polära amidgruppen -CONH-) på PVP-molekylkedjan har stark hydrofilicitet och adsorptionsegenskaper. Den kan bindas tätt till ytan på jordpartiklar (ler-, siltartiklar) genom "vätebindningar" eller "van der Waals-krafter", och därigenom bilda en ultratunn polymer skyddsfilm (nanoskala) :
  • Denna film "isolerar" intilliggande jordpartiklar och förhindrar dem från att bilda stora aggregat på grund av elektrostatisk attraktion (lerpartiklar är negativt laddade och lätt absorberar kationer och närmar sig varandra) eller vattenfilmsadhesion (vattenfilmen försvinner under torkning och partiklarna kommer i direkt kontakt).
  • Samtidigt kommer den "steriska hindrance-effekten" från PVP-molekylkedjan att orsaka att de adsorberade jordpartiklarna repelleras mot varandra, minska sannolikheten för aggregering, upprätthålla partiklarnas dispersion (liknande en "smörjmedelseffekt") och minska hårdheten vid komprimering efter sammanpressning.
• Polymerkedjebrygga: bygger upp en löst mikroaggregatstruktur och ökar markens porer.
  Den långkedjiga polymerstrukturen av PVP (molekylvikt är vanligtvis 10 000–1 miljon Da) kan fungera som en "molekylär bro" för att svagt binda dispergerade fina jordpartiklar (sandpartiklar, siltartiklar) till mikrometerstora mikroaggregat (diameter 10–100 μm) :
  • Dessa mikroaggregat är inte tätt hoppackade klumpar, utan snarare en porös struktur bildad av löst sammankopplade PVP-kedjor. Ett stort antal "kapillärporer" och "ventilationsporer" bildas mellan aggregaten. Kapillärporerna håller kvar fukt, medan ventilationsporerna tillåter luftcirkulation, vilket förhindrar att jorden blir lufttät och packad.
  • Observera: Mikroaggregaten är "fysiska tillfälliga strukturer" med svag stabilitet (de kan falla isär vid kraftiga regn eller frekvent bevattning). De kan inte ersätta de "vattenstabila aggregat" som bildas av organiska gödningsmedel (bildade genom cementering av organiskt material och motståndskraftiga mot erosion på lång sikt). De kan endast lindra packning på kort sikt.
• Vattenhållighet och ångningskontroll: förhindra att ytjorden torkar ut och hårdnar.
  Den hydrofila gruppen (amidgruppen) i PVP kan absorbera det fria vattnet i jorden och bilda en hydrogel (vatteninnehållet kan nå 10–20 gånger sin egen vikt) och håller sig kvar på markytan:
  • Hydrogel kan långsamt frigöra vatten, vilket minskar den snabba avdunstningen av ytvatten från jorden (särskilt i torra eller högtemperaturmiljöer);
  • Den främsta orsaken till markytans packning är "plötslig förlust av vatten som leder till partikelskrympning och sammanhängning". Vattenhållande effekt av PVP kan bibehålla fuktigt tillstånd i ytmarken, minska bildandet av torrsprickor och indirekt förhindra packning.

2. Princip för markens vattenhållande: Hydrogels mekanism för ”håll kvar – långsam frisättning” av vatten

Funktionen för vattenhållande av PVP i marken syftar i huvudsak till att uppnå "håll kvar" och "långsam frisättning" av vatten genom "fysisk adsorption + gelinneslutning", vilket förbättrar effektiviteten av markfuktighet. De specifika principerna är följande:

• Fukthållning på molekylär nivå: Låser in fri vatten
  Amidgruppen (-CONH-) på PVP-molekylkedjan är en starkt hydrofil grupp som kan binda fria vattenmolekyler i jorden (vatten som inte är adsorberat av jordpartiklar) genom vätebindningar, vilket "fixerar" vattnet kring polymerkedjan och bildar ett "bundet vattenlager";
  • Detta bundna vatten förloras inte lätt genom transpiration eller gravitation och kan hållas kvar i jorden under lång tid, vilket gör att grödornas rötter långsamt kan ta upp det (och förhindrar att vanligt fritt vatten avdunstar snabbt eller tränger ner till djupare jordskikt).
• Macro-hydrogelbildning: bygger ett "vattenreservoar"
  När PVP-koncentrationen når en viss tröskel (vanligtvis 0,1–0,5 %, baserat på torrvikten av jorden) kommer PVP-molekylkedjorna efter vattenupptag att korsbinda med varandra och bilda en tredimensionell nätverksstruktur av hydrogel (liknande en svamp):
  • Hydrogel kan "inkapsla" en stor mängd vatten (motsvarande 80–90 % av sin egen vikt) och därigenom bilda ett "mikroskopiskt vattenreservoar" i jorden;
  • När det finns otillräckligt med vatten vid markytan kommer hydrogelen långsamt att frigöra vatten på grund av skillnader i osmotiskt tryck, återföra vatten till jordlösningsvätskan, upprätthålla en fuktig miljö runt rötterna och minska torkstress hos grödor.
• Minska avdunstningen av fukten i jorden: Fysisk barriäreffekt
  Hydrogel täcker markpartiklarnas yta eller fyller porerna och bildar en "halvgenomskinlig membran" som förhindrar att fukt i jorden sprids till atmosfären och minskar avdunstningshastigheten – experimentella data visar att tillsats av 0,3 % PVP till jorden kan minska den genomsnittliga dagliga vattenavdunstningen med 15–25 % (jämfört med obehandlad jord).

3. Principen för långsam frisättning av näringsämnen/pesticider: Polymerkedjans mekanism för "inkapsling-adsorption-styrd frisättning"

PVP kan användas som en "långsamt frigörande bärare" för vattenlösliga näringsämnen (till exempel urea, kaliumgödsel) eller lågt giftiga bekämpningsmedel i jorden, vilket minskar deras utlakning och förlänger verkningsperioden. Principskissen är följande:

• Fysisk inkapsling: hindrar snabb migration av näringsämnen.
  PVP:s polymerkedja kan inkapsla vattenlösliga näringsämnen/pesticidmolekyler i sin tredimensionella nätverksstruktur genom "inrullningseffekten", och därigenom bilda en "mikrokapsel"-form:
  • Denna beläggning kan förhindra att näringsämnen/bekämpningsmedel snabbt tränger djupt ner i jorden tillsammans med regn- eller bevattningvatten (undviker utlakning) och kan också minska deras direktavgång genom avdunstning till atmosfären (till exempel ammoniakavgång från kvävegödsel);
  • Endast när vatten i marken långsamt tränger in i förpackningsstrukturen, eller när mikroorganismer gradvis bryter ner PVP-kedjorna, kommer näringstillstånd/pesticider successivt att frigöras till markens lösning för att växterna ska kunna ta upp dem eller för att de ska få effekt.
• Kemisk adsorption: Förbättra bindningskraften mellan näring och mark.
  Den amid grupp av PVP kan adsorbera och binda näringsjoner (till exempel NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) genom "vätebindningar" eller "elektrostatiska effekter", och fixera dem på ytan av markpartiklar (genom PVP som en "bro"):
  • Denna adsorption kan minska näringens "mobilitet" och förhindra att den förloras nedåt på grund av gravitation;
  • När koncentrationen av näring i marken minskar (upptagen och förbrukad av växter), bryts adsorptionsbalansen och näringsjonerna kommer långsamt att desorberas och återgå till markens lösning, vilket uppnår "frisättning efter behov".
• Miljöresponsiv frisättning: Anpassning till markförhållanden
  Vattenlösligheten och korslänkningsgraden av PVP påverkas av markmiljön (såsom pH, temperatur och fuktighet):
  • När jorden är fuktig sväller PVP-kedjorna och hastigheten för frisättning av inkapslade näringsämnen ökar; när jorden är torr drar sig kedjorna ihop och frisättningshastigheten saktar ner, vilket förhindrar övermässig ackumulering av näring när växten inte behöver den.
  • I sur jord (pH < 6,0) förstärks protoneringen av amidgruppen i PVP, adsorptionsförmågan för katjoniska näringsämnen (såsom K⁺) förbättras och långsamladdningsperioden förlängs.

4. Principer för adsorption av tungmetalljoner: bindning via koordinationsbindningar och laddningsneutraliseringsmekanism

PVP kan hjälpa till att sanera jord som är lätt förorenad med tungmetaller (såsom Pb²⁺, Cu²⁺ och Cd²⁺), och därigenom minska deras biotillgänglighet (minska upptag i grödor). Principerna är följande:

• Koordinationsbindningsbindning:
  Pyrrolidonringen (som innehåller kväveatomer) i PVP-molekylen som binder tungmetalljoner har ett "ensamt elektronpar" och kan bilda en stabil "koordinationsbindning" med tungmetallkationer (till exempel Pb²⁺, Cu²⁺) för att bilda en vattenförorenlig komplex:
  • Denna komplex kommer att adsorberas på ytan av jordpartiklar eller kvarstå på markytan tillsammans med PVP:s sedimentation och kan inte tas upp av grödornas rötter (minskad biotillgänglighet);
  • Experiment har visat att 0,5 % PVP kan minska Pb²⁺-biotillgängligheten i jord med 20–30 % (verifierat genom mätning av Pb-ackumulering i grödors rötter).
• Laddningsneutralisering: minskar rörligheten hos tungmetalljoner.
  Jordlerpartiklar är vanligtvis negativt laddade och lättly adsorberar positivt laddade tungmetalljoner (till exempel Cd²⁺). Denna adsorption kan dock enkelt ersättas av andra kationer i jorden (till exempel Ca²⁺ och Mg²⁺), vilket leder till återaktivering av tungmetaller.
  • Amidgruppen i PVP är positivt laddad efter protonering och kan kombineras med den negativa laddningen hos lerpartiklar. Samtidigt är dess koordinerade tungmetalljoner "låsta" i ler-PVP-komplexet, vilket minskar sannolikheten för utbyte med andra kationer och minskar rörligheten hos tungmetaller.

Sammanfatta

Väsentligheten i PVP:s roll i jorden är att det använder de "polära grupperna" och "polymerkedjorna" i sin molekylära struktur för att genomföra "fysisk adsorption", "kemisk bindning" eller "morfologisk reglering" med partiklar, vatten, näring och föroreningar i jorden , vilket slutligen leder till:

• Förbättra jordens fysiska struktur (hjälpa till att förhindra jordpackning);
• Förbättra vattnets effektivitet (vattenhållande förmåga);
• Förlänga verkningsperioden för näringsämnen/pesticider (långsam frisättning);
• Minska den biologiska risken med tungmetaller (adsorption och immobilisering).

Det bör noteras att dessa principer alla bygger på PVP:s "auxiliära" roll – dess effekt är beroende av användning i låg koncentration, och det kan inte ersätta organiska gödningsmedel, särskilda vattenhållande medel, jordförbättringsmedel etc., utan är endast lämpligt för specifika scenarier (till exempel odling av unga plantor, krukväxter och reparation av lätt förorenad mark).