高分子保水剂对土壤水肥保持和重金属固化多重效应的机理研究

Corresponding to slow spreading problems in product development and application, and not cleaning acting mechanism of super absorbent polymer (SAP) on water and fertilizer conservation and heavy metal administering, the proposal research is used the method of simulation, soil leaching and soil planting experiments, to study major on followings, (1) the direct acting mechanism of SAP on water, nitrogen, phosphorus species conservation and heavy metal lead solidifying, including the separate effect and interaction effect; (2) the indirect acting mechanism of SAP on water, nitrogen, phosphorus species conservation and heavy metal lead solidifying. Compared with SAP application in practice, it mainly include the separate effect and interaction effect of SAP in soil, and the biological effect of SAP on water and nitrogen, phosphorus conservation and heavy metal solidifying; (3) the ecological risk assessment of SAP on ecological risk assessment. The study is depending on the acting process of SAP on physical-chemical property, the acting process of SAP on soil and plants, the influence factors analyses, surface characterization analysis, simulation model and the dynamics analysis, ecological risk analysis to build the multi-purpose principle system of SAP on soil water , nitrogen and phosphorus conservation, heavy metal solidifying at same time, and also to reference for enhancing researching the application technology of the SAP in agriculture and eco-environmental administration.

针对高分子保水剂（SAP）研发和应用推广缓慢，及其在水肥增效和重金属污染治理中的应用基础问题，本研究通过模拟实验、土壤淋溶和土壤种植实验等方法，主要研究：（1）SAP对土壤水分和氮磷肥保持和重金属固化多重效应的直接效应机理，包括单独效应及其交互效应；（2）SAP对土壤水分和氮磷肥保持和重金属固化的间接效应机理。结合实际应用，主要包括SAP在土壤中对水分和氮磷肥品种保持及重金属固化的单独和交互效应，以及土壤水肥保持和重金属固化同步下的生物效应。（3）SAP对土壤水分和氮磷肥保持和重金属固化的生态风险评价。从SAP的物理化学、土壤和生物效应的过程及其表征分析、影响因素分析、模拟模型和动力学分析、生态风险分析等方面揭示SAP在的多重同步效应机理，建立较系统的科学原理体系，为促进SAP在农田水肥增效和重金属污染治理的应用研究提供参考。

针对高分子保水剂在我国农业生产和环境治理中，对土壤水肥保持及其高效利用、重金属钝化降低生物有效性是否同步，二者如何相互影响的科学问题和实际应用的技术问题，本研究开展了四方面不同层次的研究工作：一是通过系列模拟实验，证明不同类型保水剂对氮磷肥保持差异较大。如聚丙烯酸钠保水剂、有机无机保水剂和腐植酸保水剂对尿素保持较对照提高16%-22%，5%-12%和20%。保水剂对重金属铅（Pb）的吸附力较镉(Cd)大，吸附用Langmuir和Freundlich方程都可拟合。表征分析表明，保水剂对氮磷肥和重金属吸附主要是表面结构和官能团作用；二是通过土壤淋溶和模拟实验，证明保水剂对土壤有保水和控氮释磷及重金属钝化的同步效应，钝化重金属主要是增加其残渣态等稳定形态比例；保水剂具有控氮释磷效应，且对土壤中的铅、镉有一定钝化作用；铵态氮和硝态氮的等氮肥品种能明显降低保水剂钝化Pb、Cd的效果，而磷肥增强保水剂钝化Pb、Cd的效果；氮、磷肥复合对保水剂钝化Pb效果影响不显著，但降低钝化Cd的效果；土壤pH可提高保水剂对Pb、Cd钝化作用，钝化效应的主要机理是保水剂改变土壤Pb、Cd在稳定态和有效态之间比例；三是通过田间种植试验，揭示保水剂与纳米碳和腐植酸复合肥（CSF）在万州应用于柑橘，减量施肥30%时还增产产量果实4.56%；榨菜在CSF减量30%处理增产约93.0%，同时氮、磷肥当季利用率为54.0% 和39.7%；土壤重金属铅镉含量降低；这些效应与提升土壤平pH、促进团粒结构和改善土壤微生物种群结构，如细菌a多样性指数增加等因素紧密相关；同时，保水剂与腐植酸和脱硫石膏等配合，可有效改善盐碱地土壤理化性质，大于0.25 mm土壤团聚体量增加20.41%，钠吸附比（SAR）降低26.23%。 四是通过主成分分析和多元相关分析,确定高分子保水剂对土壤环境和植物生长效应关键因子，提出保水剂对土壤水肥和重金属钝化效果的定量风险评价方法。研究结果在揭示保水剂的效应机理、推进在农业面源污染治理、重金属污染治理和盐碱地改良等方面，具有重要的科学意义应用价值。