羧甲基纖維素在土壤改良中的應(yīng)用研究進(jìn)展

摘要：羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）是一種具有良好水溶性的高分子聚合物，近年來(lái)在土壤改良領(lǐng)域的應(yīng)用潛力受到關(guān)注。研究表明，CMC能夠增加土壤的孔隙度和水分保持能力，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植物根系發(fā)育，增強(qiáng)土壤的養(yǎng)分固持能力。未來(lái)的研究需要深入探索CMC的作用機(jī)制，評(píng)估其長(zhǎng)期應(yīng)用對(duì)土壤和植物的影響，分析實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境效益，促進(jìn)其在可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤管理中的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：羧甲基纖維素（CMC）；土壤改良；可持續(xù)農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)：S156.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）04-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.030

Research progress on the application of carboxymethyl cellulose in soil improvement

LI Qixiu， LI Mingyi， DONG Wenhao

（Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area， Ministry of Education

（China Three Gorges University）， Yichang 443002， China）

Abstract： Carboxymethyl Cellulose （CMC） is a high molecular weight polymer with good water solubility， and its potential application in soil improvement has received attention in recent years. Research has shown that CMC can increase soil porosity and water retention capacity， improve soil structure， promote plant root development， and enhance soil nutrient retention capacity. Future research needs to deeply explore the mechanism of action of CMC， evaluate the long-term impact of its application on soil and plants， analyze the economic feasibility and environmental benefits of its application in actual agricultural production， and promote its widespread application in sustainable agricultural production and soil management.

Keywords： Carboxymethyl Cellulose （CMC）; soil improvement; sustainable agriculture

目前，全球土壤退化現(xiàn)象嚴(yán)重，過度的農(nóng)業(yè)開發(fā)、工程建設(shè)和自然災(zāi)害造成土壤結(jié)構(gòu)被破壞、理化性質(zhì)惡化。土壤退化不僅降低土壤肥力，還減少土壤的水分保持能力和生物多樣性，進(jìn)而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)食物安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅[1]。為了解決土壤退化的難題，可采取多種土壤改良措施，如施用有機(jī)或無(wú)機(jī)肥料、利用石灰調(diào)節(jié)土壤pH、引入益生微生物等[2]。雖然這些方法能夠改善土壤質(zhì)量，但大多存在成本高、效果短暫或易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響等問題。因此，研究環(huán)境友好且可持續(xù)的土壤改良劑成為當(dāng)下熱點(diǎn)。羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）是一種水溶性高分子聚合物，由于其良好的水溶性、生物相容性和生物可降解性，CMC被廣泛應(yīng)用于食品、藥物、化妝品等領(lǐng)域[3]。近年來(lái)，研究人員開始研究CMC在土壤改良中的應(yīng)用潛力。試驗(yàn)結(jié)果顯示，CMC能夠改善土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，如增加土壤孔隙度、提高水分保持能力和改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植物根系的發(fā)育，增強(qiáng)土壤的養(yǎng)分固持能力[4]。

1 羧甲基纖維素的基本性質(zhì)

1918年，德國(guó)首次合成CMC，并于1921年獲準(zhǔn)專利。20世紀(jì)30年代末，CMC開始被大規(guī)模使用和商業(yè)化生產(chǎn)。當(dāng)前，我國(guó)羧甲基纖維素產(chǎn)業(yè)已實(shí)現(xiàn)顯著的工業(yè)化進(jìn)展。CMC具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如增稠、黏合、成膜、保水和乳化等，同時(shí)具有無(wú)毒、無(wú)味、抗發(fā)酵和熱穩(wěn)定性良好等特征，在食品、醫(yī)藥、石油和紡織等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因而被譽(yù)為“工業(yè)界的味精”。目前，CMC的制備工藝主要有水媒法、溶媒法和溶液法。

1.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)

制備CMC時(shí)，纖維素的羥基部分被羧甲基基團(tuán)（-CH2COOH）替代，使其分子的負(fù)電荷增加，因此CMC具有良好的水溶性和高度的吸水性[5]。影響CMC性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)是取代度，即每個(gè)葡萄糖單元上平均被取代的羥基數(shù)目，取代度的不同決定CMC在溶液中的行為，包括其黏度、穩(wěn)定性和成膜性等。CMC是一種白色或微黃色的粉末，能在熱水和冷水中快速溶解，形成黏稠的溶液。其化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，不易被酸或堿分解，使得pH可以穩(wěn)定保持在2～10。

1.2 環(huán)境友好性和生物降解性

作為一種非毒性物質(zhì)，CMC在接觸人體或其他生物組織時(shí)不會(huì)引發(fā)免疫、炎癥或其他有害反應(yīng)，這一特性使得CMC在醫(yī)療領(lǐng)域尤為重要。它可以用作藥物輸送系統(tǒng)的載體，幫助藥物穩(wěn)定釋放，而不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生副作用。此外，在食品工業(yè)中，CMC作為食品添加劑，其生物相容性確保人體攝入后的安全性，不會(huì)引起消化系統(tǒng)的不適或其他健康問題。在自然環(huán)境中，CMC能夠被微生物分解為水、二氧化碳和生物質(zhì)，這一特性使其在環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有突出價(jià)值。環(huán)境保護(hù)方面，用CMC處理廢水或土壤時(shí)，CMC不會(huì)造成二次污染，因?yàn)樗罱K會(huì)被自然分解，減少對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期影響；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，作為土壤改良劑，CMC能夠在改善土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過生物分解過程逐漸釋放出對(duì)植物有益的物質(zhì)，支持土壤的自然生態(tài)平衡。

2 羧甲基纖維素在土壤改良中的應(yīng)用研究

CMC作為一種高分子聚合物。與傳統(tǒng)改良劑相比，其憑借獨(dú)特的性質(zhì)，可以較好地應(yīng)用到土壤改良中。

2.1 改善土壤物理性質(zhì)

容重與孔隙率是土壤物理性質(zhì)中直觀的指標(biāo)。降低容重可以促進(jìn)養(yǎng)分的釋放和保持，增加孔隙可以為土壤動(dòng)植物提供空間和氧氣，促進(jìn)水的轉(zhuǎn)化。邱朝霞等[6]研究證明，施加CMC可以降低土壤的容重，提高土壤的孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以增強(qiáng)土壤顆粒間的黏結(jié)力，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成。這些團(tuán)聚體能夠增加土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少土壤的板結(jié)現(xiàn)象，使土壤更加疏松。

哈麗代姆·居麥等[7]開展土柱入滲試驗(yàn)和蒸發(fā)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，施加CMC會(huì)降低土柱的累積入滲量，CMC施加量愈多，效果愈顯著，同時(shí)CMC也會(huì)影響土壤的蒸發(fā)量。土壤加入CMC后，CMC分子能夠吸收并固定大量水分，形成凝膠狀物質(zhì)。這種物質(zhì)能夠在土壤顆粒間形成一層保水膜，減緩水分在土壤中的垂直下滲和水平擴(kuò)散，從而有效提高土壤的保水能力。總之，羧甲基纖維素可以改善土體結(jié)構(gòu)，增大空隙，降低容重，利用自身性質(zhì)提高土壤的持水能力，為植物生長(zhǎng)提供良好的土壤環(huán)境。

2.2 調(diào)節(jié)土壤pH

合適的pH有助于植物的良好生長(zhǎng)，將CMC施入土壤，可以調(diào)節(jié)土壤的pH。李曉菊[8]研究發(fā)現(xiàn)，施用CMC到濱海鹽漬土中，可以有效降低土壤pH，原因可能是它屬于中性纖維素羧甲基化衍生物，在堿性環(huán)境中，其羥基等官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，釋放出氫離子，使pH降低后呈中性并保持穩(wěn)定。

2.3 土壤養(yǎng)分的固持和釋放

土壤養(yǎng)分對(duì)植物生長(zhǎng)起著重要作用，施加CMC可以降低土壤養(yǎng)分的流失率，增加部分速效養(yǎng)分的含量，促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收。楊世琦等[9]將CMC施加至新造耕地，并開展兩年的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)羧甲基纖維素鉀（CMC-K）對(duì)土壤全氮、全磷和全鉀基本沒有影響，但是可以提高土壤硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量，最高分別增加46.5%、207.9%和95.9%。經(jīng)分析，原因可能是CMC在吸附土壤水分的同時(shí)，也能夠?qū)ν寥廊芤褐械酿B(yǎng)分離子產(chǎn)生一定的吸附作用。研究證實(shí)，向土壤中添加CMC可以降低養(yǎng)分的淋失率，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

CMC可以協(xié)同生物炭、腐殖酸等材料發(fā)揮作用。Priya等[10]通過將尿素負(fù)載到CMC上合成了一種新型水凝膠復(fù)合肥料，具有熱穩(wěn)定性，有著優(yōu)異的包封性能，可以緩慢將尿素釋放出來(lái)，進(jìn)而在促進(jìn)植物生長(zhǎng)的同時(shí)，避免對(duì)環(huán)境造成污染。

2.4 對(duì)土壤生物的影響

CMC能夠作為微生物的碳源，促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)，從而改善土壤生態(tài)環(huán)境，為植物提供更好的生長(zhǎng)條件。施加的CMC可以參與土壤微生物的活動(dòng)。土壤微生物在植物生長(zhǎng)過程中扮演重要角色，能夠參與有機(jī)質(zhì)的分解，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，增強(qiáng)植物對(duì)病害的抵抗力。江世雄等[4]在南方黏土中施加CMC，并種植寬葉雀稗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適宜含量的CMC可以有效提高植物的發(fā)芽率，同時(shí)其株高的增加量和生物量也明顯優(yōu)于其他組。煙草幼苗面對(duì)重金屬鎘脅迫時(shí)，CMC形成的水凝膠可以提高煙草幼苗的過氧化物酶含量，降低丙二醛含量，有效緩解鎘脅迫對(duì)煙草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的限制，增強(qiáng)其抗逆能力，優(yōu)化葉長(zhǎng)、葉寬、根長(zhǎng)、根莖等生長(zhǎng)指標(biāo)，提高地上地下生物量和煙草幼苗的光合能力，從而提高煙草的產(chǎn)量[11]。

3 當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，CMC在土壤改良領(lǐng)域已展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力，但研究和實(shí)踐過程仍面臨一系列挑戰(zhàn)。有必要解決這些問題，促進(jìn)CMC在土壤改良中得到更廣泛和更有效的應(yīng)用。一是作用機(jī)理不明確。CMC已被證實(shí)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)并促進(jìn)植物生長(zhǎng)，其具體作用機(jī)理仍不完全清楚。二是長(zhǎng)期效應(yīng)未知。當(dāng)前，CMC在土壤改良中的研究多集中在短期效果上，長(zhǎng)期應(yīng)用CMC對(duì)土壤性質(zhì)及植物生長(zhǎng)的影響尚不明確。三是經(jīng)濟(jì)效益分析不足。雖然CMC具有顯著的土壤改良效果，但是其在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益尚未充分評(píng)估。CMC的生產(chǎn)成本、施用成本及其對(duì)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響都需要進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析，以確定實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性。四是環(huán)境影響考量。雖然CMC被認(rèn)為是環(huán)境友好的土壤改良劑，但是其在自然環(huán)境中的降解速率、降解產(chǎn)物及對(duì)環(huán)境的潛在影響還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

CMC作為一種有效的土壤改良劑，可以改善土壤物理性質(zhì)，增強(qiáng)土壤保水保肥能力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量。總的來(lái)說(shuō)，CMC在土壤改良領(lǐng)域已經(jīng)取得顯著的研究進(jìn)展，顯示出良好的應(yīng)用前景。未來(lái)研究需要進(jìn)一步探索CMC的作用機(jī)制，優(yōu)化其應(yīng)用方式，評(píng)估其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，以實(shí)現(xiàn)其在土壤改良和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的廣泛應(yīng)用。

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