（材料加工工程专业论文）高分子材料在旱地作物生产中的应用基础研究.pdf

摘要 摘要 干旱是一个世界性的问题，干旱所造成的粮食产量损失超过了其它自然灾害 的总和。我国干旱、半干旱农业区约占国土陆地面积的5 2 5 ，其中耕地5 1 0 0 万h m 2 ，约占全国总耕地的5 l ，干旱、半干旱农业区没有灌溉条件的早地占 到了6 5 。干旱、半干旱地区的水土流失、土地沙漠化、土壤盐碱化三大环境问 题，不仅直接危害北方旱地农业系统的生产能力和稳定性，而且危及到了国家生 态安全建设。 从农学的角度在早地农业科学和技术研究方面，已经进行了很多的工作，也 取得了显著的成效。但是，产出低、不稳定、投入效益差三大问题依然困扰我国 广大的旱地农业区。近年来，高分子材料保水技术成为旱地农业区技术发展一个 引入注目的新方向，但从材料学研究的角度去分析保水材料的应用现状，发现其 中还有很多重要的科学问题并没有研究清楚。 作者从材料科学研究的视角来观察旱地农业研究及高分子保水材料的应用， 发现存在的问题有；一是研究方法局限性较强，缺乏学科间的互补性探索；二是 对高分子保水材料在真实土壤中的客观表现，缺少机理性的研究。例如：虽然提 出了“水肥耦合”概念，但缺乏对水与肥如何实现耦合作用的机理性研究，因 而不能提出实现充分的水肥耦合的技术措施；虽然应用了高分子保水材料，但对 高分子保水材料在土壤中的作用机理缺少研究，因而高分子保水材料的作用不能 充分发挥；虽然知道发达的根系在利用水肥上的重要作用，但却缺乏在旱地缺水 的条件下如何促进根系充分发育的深入研究和有效的技术措施。本文试图运用材 料科学领域里熟知的原理和方法，去探索高分子保水材料在旱地农业中应用时所 涉及到的材料物理化学机制、物质的传输和分布规律。 通过对旱地农业研究和实践现状的分析，认为高分子保水材料的科学应用和 充分发挥其效能，是解决旱地农业增产问题的重要发展方向。由此提出本文的研 究工作思路一围绕高分子保水材料的科学应用展开全文的研究工作；首先详细 研究高分子保水材料在旱地农业土壤环境下的保水机制，并在使用保水材料的条 件下，研究水分和养分在土壤中传输的科学规律；由此提出能够实现充分的水肥 耦合及其与作物生长耦合的新技术措施；以西北旱地农业区具有典型代表意义的 农作物玉米作为主要应用对象，检验本项研究工作的思路和技术方案的正确性和 有效性，也为推动旱地农业科学和技术的普遍进步，提供一个有典型指导意义的 西北工业大学博士学位论文 范例；并在此基础上进一步以日光温室茄子作为应用对象，展示本项研究提出的 新的学术思想在水肥条件优越的农作物生长环境下，也具有显著提高产量和降低 生产成本的价值。在整个研究工作中，既充分关注科学性，又充分关注实用性和 可操作性。 本文采用的主要实验方法： 1 在大田条件下，选用不同分子结构和不同用量的高分子聚合物、采用不 同的施用方法，研究其增加真实土壤水分量的机理： 2 在含不同剂量的盐分或养分的溶液中，加入不同分子结构和不同用量的 高分子聚合物，分析其实际的吸液能力和对液体粘度的影响； 3 依据不同分子结构高分子聚合物吸液后的形态特征，采取相应的施用方 法，并补施定量的液态复合养分，分析真实土壤中的水分及各主要养分的分布状 态，研究探索高分子聚合物与土壤、水分、养分之间的作用关系及机理； 4 针对具体作物、形成作物产量所需的养分量、作物需肥的最大期以及作 物根系在土壤中的真实分布等因素，实验研究高分子聚合物与无机养分复合使用 后，对作物生长及作物产量的形成所产生的趋势性变化； 5 利用高分子聚合物同步增加局部土壤中的水分和主要养分，以求实现作 物根系分布范围内土壤中的水与肥的耦合，以及主要养分的相对平衡： 6 研究分析高分子聚合物与无机养分复合使用后，对作物营养生长与生殖 生长所产生的变化，探索其增加作物产量的作用。 本文取得的主要成果如下： 1 发现保水材料吸水特性和对吸附和保持土壤水分的特性是有区别的概 念，因此目前仅以吸收去离子水量作为衡量保水材料应用效果的方法并不科学， 不能反映保水材料在土壤环境下吸、保水的实际作用规律。研究结果表明，不同 分子结构高分子吸水材科的吸液量都随溶液中盐分浓度的增大而减小，但网状结 构高分子聚合物比线性结构高分子聚合物随溶液中盐分浓度减小的效应要显著 得多；在无机养分溶液中，线性高分子聚合物比网状高分子聚合物有高得多的吸 液量。 2 发现线性高分子聚合物比网状高分子聚合物更适合于用作旱地农业的保 水材料，主要原因有：( 1 ) 线性高分子聚合物在真实土壤中具有更好的保水效果， 单位数量线性高分子聚合物所增加的局部土壤含水量，超过了网状分子结构聚合 物的2 0 倍以上；( 2 ) 线性高分子聚合物水溶胶均匀分散于土壤中后，有效地约 束了水分和养分的扩散传输过程，而网状高分子聚合物则以凝胶形式分散于土壤 中，其分散性和均匀性都远小于线性高分子聚合物；( 3 ) 线性高分子保水材料倾 摘要 向于形成更有利于旱地作物生长的壤团粒结构和表面结构：( 4 ) 网状高分子保 水材料的增产效应必须在灌水量较大的前提下才能表现出来，这个条件在旱地农 业区往往不能满足；而线性高分子保水材料对作物的补灌水量要求较低，因此能 够更好地适应旱地农业区的人工补灌条件；( 5 ) 线性高分子保水材料在比瞬状高 分子保水材料低得多的用量的条件下就可以获得明显的保水效果，因此可以显著 降低应用成本。 3 使用线性高分子保水材料，实现了充分的水肥耦合及其与作物生长的耦 合，促进了作物在低水肥、低保水材料投入下的显著增产。具体结果有：( 1 ) 提 出了缓释处理液态复合肥的概念，利用了线性高分子聚合物对速效养分扩散的约 束作用，借助于土壤蓄积养分，并作为养分的释放源，供作物缓慢地吸收和利用， 既体现出了液体养分的速效性、追补养分的平衡性，又实现了作物特定生长时期 内的养分缓释性；( 2 ) 提出了定位、深施缓释处理液态复合肥的方法，改变了养 分在土壤中的扩散分布，提高了土壤中养分的富集和平衡程度，克服了施肥方面 的不科学性和盲目性，实现了作物的持续增产。( 3 ) 在贫瘠和保持氮肥能力差 的土壤条件下，通过线性高分子材料的应用解决了较大幅度增加土壤速效氮含量 的重大难题，实验地土壤速效氮的含量增加了8 7 3 ；( 4 ) 通过水与肥、水肥与 具体作物和对作物集中供给养分时间的多个关键层面上的“耦合”，促进了作物根 系发育；( 5 ) 在旱地作物生长的施肥最大效益期时，解决了长期制约早地作物 增产的“缺磷、少氮”关键问题，早地试验区的玉米产量比当地历史上的最高产 量高出2 0 0 k 砂6 6 7 m 2 ，达到了8 0 0 k g ，6 6 7 m 2 以上；( 6 ) 日光温室蔬菜生产中以缓 释处理液态复合肥为核心技术，使反季节蔬菜的持续增产幅度达到了3 0 。 高分子吸水材料作为一种继化肥、农药和地膜之后的重要农资材料，其发展 需建立在如何实现农业生产增产、增收的基础之上。农业的发展，尤其是旱地地 区农业技术的进步与发展，也要依赖于工业新材料的研发及应用技术研究。二者 的协调发展始终是一项重大课题。 关键词：旱地农业，高分子保水材料，缓释技术，扩散约束，作物增产 m 西北工业大学博士学位论文 a b s t r a c t 脚u g h t 髂aw o r l d 谢d cp r o b l e mr e s u l t si n r i o 璐g f a i n 印d u c t i o nl o s sw h i c h h 觞s i l i p 弱s c dt h et o t a l1 0 s sc a u s e db yo t h e rn a t i l r cd i s 褐t c r s t h ea r i da n d 驼m i a r i d 加mb e l ti s 舭l i t5 2 5 o f t l l e 铭n l ll 锄di no c o 岫n y ，锄o n g 、：v 量l i c h 圮p l o w l 锄d i s5 1m i l l i h m 2a l l di sa b o u t5 l o fa l lp l o w k m di no l j rc o 眦虹y t h ed r yl 柚d 、析t h o u ti 盯i g a t i o ni sa b o u t6 5 o ft l 增撕da n d 瓣n i a r i d 细mb e l t t h 嘴辩r i o 璐 c i l v i r 0 姗e mp r o b l e m so ft b es o i l 啪s i o i l ，d e s e m 矗c a t i o na n ds a i i i l 跏i nt b ea r i d a n d m i a r i da r e an o to i i l ye n d a i l g e rt 量l et h r o u g h p u ta n dt l l es t a b i l i 锣o ft h ed r yl 蚰d f 抽n i n 岛b u ta i s o j e o 碑r dt h cc o u m 叮e c o $ s t c n ls 谢何 f r o mt l l ep o i n to f “e wo fa 鲥c l l l t i l r e ，g r e 砒e m ) na n d l l i e 咖e n th 嬲b n m a d et ot l l ed r yf a m l i n gs c i e n c e 锄dt e c h n o l o g y i o w e v e r l o w _ o u t p u t ，i n s t a b i l i t ya l l d b a d - 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k n o w nt h e o r ya l l dm e m o di nt l l em a t i ；r i a l s i 锄锄dt e c h l o g 如t h i sp a p 盯 t r i e st oi n 咧i g a t et h ep h y s i c o c h e m i c a lm e c l l a i l i s ma i l dt h e 仃a l l s p o r t a t i 锄d d i s 砸b 砸o nd i s c i p l i n eo ft l l em a c r o m o l e c u l a rw 蹴r _ r e t a i n i n gm a 钯r i a la p p l i e dt ot l l e d r y f 黜in g a c c o r d i n gt ot h ep r e 辩n ts i t u a 士i o no fd r y 触i n gr e s e a r c h 粕dp f t i c e ，i ti s a b s t r a c t t b o u | 导h tt h a ti no r d e rt oi n c r e a 辩t h ed r yf a 皿i n gy i e l d t b ew a l e ：f - 他t a i n i n gm a t e r i a l m l i s tb e i c n t m c a l l y 印p l i e d t ob r i n g i t i 咖础p l a y _ t h 峭m e b 嬲i c 也o u g b to f t h j s p a p 盯i st h es c i e 嘶f i ca p p l i 硎o n “t h e 删咖o l l l l 缸啪t e i ：蚓a i n i i l g 删蛐朗m f i r s t ，m ew a t e rf e 删m e 枷s mi nt h cd r y 觚i n g i li s 啪p l yi n v e s t i g a 把d w l l i l et l l ew a l e f 觚dt h em 删e m 仃钔1 s m i s s i o nd i i p l i i 砖a 佗删o dt h e l l t h en e w t e c h l l i q t l et or l i s 蛹c i c n tw a 土e ra 1 1 df e n i l i z 盯c o u p l i n g 谢t i lc r o pg r o w l hi s p r o p o dt h ec o mw m c hi st l l et y p i c a lc r o pi i lt h en o n l l w e s t c r nd r y 内m l i f 培a r e ai s c h o s e nt ob em ee 】中c r i m e m a lc r o pt 0t e s tt h ev a l i d i t yo f t h e 他s e a r c h w h i c hc a na l b e8w 叮g o o da 阻m p l e 蕾。出m 优l s t m t em e 瓤k 蜘c c m c mo ft h ed r yf 锄i n gs c i e n c e 觚dt c c h 1 0 醪t l l e 栅b e 晤n c 伊嘶n gi nt h e 掣i l l l o u i s ei sf i t i l e rc h o s e nt ob ct l l e e x p c r i m e m a lc r o pt od c m o l l s i 船t ct l l a tt h em wt c c h n i q u ei sa l h e l p f i l lt or e m a f l 【a _ b l y i n c r e a o u c p u tb u td c c r e a c o s te v e n 谢t l i 锄p l ew a 毫e ra n d 晚m l 溉 1 1 l c 删l i i le x p 盯i m e n 协l so f t l l i st h e s i sa i et l 圮f o l l o w i l l g ： 1 t bt h el a l l df o rg r o w i l l gf i e l dc r o p s ，t l l e i lm o i s t i l r ei n c 豫船em e c 蜥s mo f m e m a c l c c l l l 盯p o l y | n 盯w i 也d i 腩r e mm o k l l l 盯s 仃l | c t i 鹏，q u a l n i 哆锄d 锄p l o y m e t l l o dj ss t u d j e d 2 t on 地s a l to fn i m j e m l 嘶、i t l ld i 丘b r e n tc 0 吼灯a ：c i 傩，t l 把l i q i l i da b s 0 r 皿 a ：b i l i l yo f 廿l em 啪m o l c c u l 盯p o l y m e r 、v i t hd i 丘b r e mm o l e c i l l 盯s h l l c t t l r e 跏d q 啪t i 锣i ss t i l d i e d 3 a c c o r d i n gt ot h em o r p h o l o g yc h 撇c t e i o f 也em r o l e c l l l 缸p o l y m c r 、j i ，i m d i f f b r e mm o l e c l l l 盯s 臼彻m l 嵋a f i e rl i 删da b f p t i o n t h e 咒l a c i 删pb e t w e e nt h e p o l y m e r ，t t i es o i l ，t h em o i s t l l 坞觚dt l l en 嘣e mi s 鲫【| d i e d 4 w i mt l l em o i s t i l 豫a n dm 痂m m i e n ti nt h ei o c a l i is y n c h r o n o 鹏i y 面c r e a s e d t h e m t 盯粕d f e r t i l i z e r c o u p l i l l g 柚d b a l 卸i l l t h e m n g eo f t l l e 唧r o o ts y 嗽m i s t o b er c a l i z c d 5 t bm es p e c i 6 cc r o p t 皓n 嘶雠tn e c 黜i 饥t h et i m eo fm a 虹m 啪h m e 丘to f f b n i l i z a l i o n 锄dt l l e 觚删d i s 哦b i n i o no f t h ef o o ts y s t e mi nt l l e i l ，t l l ee f f 酏招o f t h em a c r o l n o l e c l l l 盯p o l y m e f 卸di n o i 翻斑c 删t r i e n tc o m p o m l d t h c c r o pg m w c h 姐dy i e l da r es t u d i c d t h em a i l l l l i e v e m e i i t so f t l l i sm e s i smm e f o l l o w i l l g ： v 西北工业大学博士学位论文 1 ni sf o 吼dt h a tt h e 删v ew a t c ra b s o r p t i c h a m 鼬巴fo fw 鲫昏r e t a i l l i n gm a 童e r i a li s d i 位_ 佗毗f 如m 沤p r 瓣i c a l 曲s o r 叫a n d 删o nc h a r a 础ro ft h es o i lm o i m 鹋 1 kp r c mm e t l l o dt o “a l u a t em ew a t 盯a b r p t i o nc h 醐l c t e rb yt l l ed e i o n j d w a t e rq u a n t i t ya b s o r b e db yt h em a t e r i a li sn o n s c i 锄i f i c 舔m i si n d e xc 孤m o ts h o w t h ef c a le f f b c to f i lw a t e ra b s o r p t i o na 1 1 dr e t 训o no f t l l ew a 锄。r e t a i l l i n gm a t c r i a l t h e 础站a r c hr e s u d ti n d i c 啦st h a t 也el i q u i da b s o r p t i o nq u 胁t 畸i sd e c r e 鹊e d 嘶m t l l es o j u t i s a l i n i t yi i l c r e a t 0a l ll d n d so fm m m o l c c u l 盯w 砷* r e t a i l l i n g m a t e r i a l sw i n ld i 丘b f e mm o l e c u l e 姗c n j r e s 删l et h ed e c 北 l s et 0t l l ei 瞳i c l l l a f m r o m o l e c l l l 盯删y m e ri sq u 沁l a 唱e rm 姐t h a tt 0 t l l el i n e 盯m a c 舢o l e c u l a r p o l y m ht h ei n o r 弘n i cn 嘶铋ts o l 砸o i l ，t l l el i q u i da b s 叫i o nq 哪t i t yo ft l l e l i n e a rm a c r o m o l c c u l a fp o l y m e ri sm u c 舡m o 心m 锄t h a to ft l l er e t i c l l l a r m a c r o m o l e c m 盯p o l y m e l 2 ni sf o u n dm 砒m el i n e 盯m r o m o l e c u l 盯p o l y m e ri sm u c hf i tf o rw a t c r - 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r c l e a 辩 蕾h n i q 嘴，c o 眦蜘n c dd i f n 坞i o n ，c m py i e l di 1 1 c - e a s e 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学 校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：粗 炒占年，。月昭日 指导教师签名名骘 加谚年月、r 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它用 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名趁 沙石年，z 月谚臼 1 1 9 论文的主要创新和贡献 论文的主要创新和贡献 1 发现吸水材料的吸水特性和对吸附和保持土壤水分的特性是有区别的概 念，吸附去离子水量不能充分反映吸水材料在土壤环境下吸、保水的实际作用规 律。虽然网状高分子聚合物对去离子水的吸水量远大于线性高分子聚合物，但在 无机养分溶液中，线性高分子聚合物比网状高分子聚合物有高得多的吸液量。 2 发现线性高分子聚合物比网状高分子聚合物更适合于用作旱作农业的吸 水材料，并阐明其理由：( 1 ) 线性高分子聚合物在真实土壤中具有更好的吸附和 保持水分效果：( 2 ) 线性高分子水溶胶能够比网状高分子凝胶更均匀地分散于土 壤中，从而更有效地约束水分和养分的扩散传输过程：( 3 ) 线性高分子吸水材料 倾向于形成更有利于早作作物生长的土壤团粒结构和表面结构；( 4 ) 线性高分子 吸水材料对作物的补灌水量要求较低，因此能够更好地适应早作农业区的人工补 灌条件。 3 使用线性高分子吸水材料，实现了充分的水肥耦合及其与作物生长的耦 合，促进了作物在低水肥、低吸水材料投入下的显著增产。包含以下新概念和新 方法；( 1 ) 提出了缓释处理液态复合肥的概念，利用线性高分子聚合物对速效养 分扩散的约束作用，借助于土壤蓄积养分，并作为养分的释放源，供作物缓慢地 吸收和利用，既体现出了液体养分的速效性、追补养分的平衡性，又实现了作物 特定生长时期内韵养分缓释性：( 2 ) 提出了定位、深旌缓释处理液态复合肥的方 法，改变了养分在土壤中的扩散分布，提高了土壤中养分的富集和平衡程度，实 现了施肥方法的科学性。主要的应用效果有： ( 1 ) 实验地土壤速效氮的含量增加了8 73 ，解决了较大幅度增加贫瘠土 壤速效氮含量的重大难题； ( 2 ) 通过水与肥、水肥与具体作物和对作物集中供给养分时间的多个关键 层面上的“耦合”，促进了作物根系发育； ( 3 ) 旱作试验区的玉米产量比当地历史上的最高产量高出2 k g ，6 6 7 m 2 ， 达到了8 0 0 k g ，6 6 7 一以上； ( 4 ) 在高水、肥的条件下的反季节蔬菜生产中，产量的增幅超过3 0 。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 研究背景 干旱是一个世界性问题，全球1 4 1 0 9 k m 2 的耕地面积中，具有可灌溉条件 的耕地仅占1 5 8 ，而绝大多数的农田是靠天然降水从事农业生产。我国的旱作 农业面积很大，约占国土面积的5 6 ，主要分布在沿昆仑山一秦岭一淮河以北的 广大地区，其中包括1 7 个省、自治区、直辖市的9 6 6 个县( 市) 。 我国是世界1 3 个贫水国家之一，而西北地区的水资源更为短缺，大部分地 区的年平均降水量仅有2 0 0 5 0 0 m m 之间。水资源占有量不足全国的2 0 ，旱 作区的年耕地平均水量仅为2 0 0 0 5 0 0 0 m 3 脑n 2 。 干旱、半干旱农业区的总人口，约占全国人口总数的2 1 5 ，土地面积约占 国土陆地面积的5 2 5 ，其中干旱地区占到3 0 8 ，半干旱地区为2 1 7 【i 】。干 旱、半干旱农业区的耕地5 l o o 万h m 2 约占全国总耕地的5 1 耕地中没有灌溉 条件的旱地约占本区耕地的6 5 2 l 。近二十年来，旱作农业区的种植业和养殖业 都有较快的发展，所生产出的主要农( 牧) 产品所占比例显著增加，从而证明旱 作农业区的农业发展潜力大。所以，发展节水、增收新技术的研究，加快该地区