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《中国农业科学院》 2005年
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纳米—亚微米级复合材料性能及土壤植物营养效应

刘秀梅  
【摘要】:肥料利用率低、土壤质量下降、土地荒漠化是目前我国农业亟需解决的问题,也是制约农业生产效率及影响生态环境健康的重大问题。随着纳米功能材料和纳米结构材料技术的不断发展,以及在各领域的全面推广应用,为解决上述问题提供了可能,因为土壤和肥料学科的研究可以借鉴纳米材料科学研究的经验,利用已有的资源条件和技术,实现土壤肥料学科突破性的变革。我国粘土矿物资源丰富,废弃垃圾遍地可见,利用插层复合法和液相沉淀法制得纳米-亚微米级复合材料并在农业中加以应用是一项原创新性技术。本研究从农用纳米-亚微米级复合材料的制各、测试与表征到其在土壤肥料中的应用均作了比较系统的探索,主要结果和结论如下: 1) 纳米-亚微米级复合材料和纳米-亚微米级材料的制备。通过有机物质插层复合方法制得高岭土和蒙脱土的纳米-亚微米级复合材料,并通过扫描电镜、X—射线衍射、红外光谱和激光粒度分析综合测试和表征了2种硅酸盐纳米-亚微米级复合材料。表明有机物质插入了高岭土和蒙脱土的层间,增大了层间距,并与高岭土和蒙脱土层间的水合羟基形成氢键连接,形成粘土纳米-亚微米级复合体。废弃泡沫塑料经过乳化、高剪切等技术,制得塑料纳米-亚微米级复合材料或塑料淀粉纳米-亚微米级复合材料,通过扫描电镜观察,证实了塑料纳米-亚微米级复合材料表面存在10-20nm左右大小不一的皱褶或孔径。从风化煤中提取腐殖酸通过高剪切和活化技术制得腐殖酸纳米-亚微米级复合物,经扫描电镜、红外光谱和粒度分析证实了75%的该复合物粒径在50nm左右,复合物表面增加多种活性官能团。 采用液相沉淀法制得了纳米-亚微米级氧化铁和纳米-亚微米级碳酸钙,并通过扫描电镜和激光粒度分析测试了纳米-亚微米级氧化铁和纳米-亚微米级碳酸钙的粒径和纯度,表明纳米-亚微米级氧化铁粒径在40—50nm之间,纳米-亚微米级碳酸钙粒径在60nm左右,二者纯度均为80%左右。 2) 纳米-亚微米级复合材料对养分的吸附和解吸特性。粘土纳米-亚微米级复合材料和塑料纳米-亚微米级复合材料对氮、磷、钾和有机碳的吸附和解吸有相同之处,随着初始处理浓度的增加,各种材料的吸附量和解吸量增加,在一定浓度下,吸附达到平衡,吸附规律均可用Langmuir和Freundlich方程来拟合。随着初始处理浓度的增加,解吸率先增加后降低,大部分解吸率低于20%,平均在15%左右;各种材料对养分的吸附和解吸有不同之处,不同材料对不同的养分其吸附量、解吸量、亲和能力及最大吸附量差别很大,总体规律是纳米-亚微米级复合材料好于天然材料。 3) 纳米-亚微米级复合材料对土壤的影响。在褐潮土和红壤中,纳米-亚微米级复合材料增加了F_2(2-10μm)和F_4(50-100μm)2个粒级复合体的含量,降低了F_1(2μm)和F_3(10-50μm)粒级的含量,而在风沙土中,纳米-亚微米级复合材料增加了F_1和F_22个粒级复合体的含量,降低了F_3和F_4粒级的含量。纳米-亚微米级复合材料施入3种土壤中均能提高土壤及各粒级中C、N、P的含量,与对照相比,差异显著。纳米-亚微米级复合材料还改善了风沙土的保肥持水性状。 4) 纳米-亚微米级复合材料对植物营养的影响。纳米-亚微米级复合材料能提高作物对褐潮土、红壤和风沙土中氮磷钾的吸收和利用,使作物干重增加,体内氮磷钾含量增加,与对照相比,差异显著。 纳米-亚微米级氧化铁或纳米-亚微米级碳酸钙与腐殖酸、有机肥配施,能促进花生的分蘖,使有效果针数目、叶面积和干重增加,并且对花生的生理状况有改善作用,使可溶性糖和蛋白质含量增加,促进花生植株对营养元素氮、磷、钾的吸收和利用。
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