成果简介
近日，南昌大学资源与环境学院教授、鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室副主任谢显传研究团队在ACS Sustainable Chemistry & Engineering（中科院一区，影响因子7.1）上发表了题为“Cow Dung-Based Superabsorbent Polymers as Water-Retaining Amendments of Soils”的研究论文(DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c05581)。持续干旱严重影响了农业生产力，同时也对粮食安全构成威胁。为了缓解干旱的影响，高吸水性聚合物近年来被广泛应用于改善土壤保水以及提高土壤耐旱性能。然而，它们的原材料大多来自石油基材料，这引起了人们对其生物降解性和环境影响的担忧。本研究的重点在于利用畜禽粪便等农业废弃物合成具有优异溶胀性能的生物基高吸水性聚合物(CDSP)。CDSP显著改善了土壤的孔隙结构和植物的抗旱能力，延长了植物在水分缺乏条件下的存活时间，同时有效提升了作物的生物量。该研究为农业可持续发展提供了强有力的支持，体现了在可持续农业发展和废物资源利用方面的有效性，具有广泛的应用前景。
全文速览
畜禽粪便是世界上最丰富的农业废物之一，在处理成本和环境污染方面一直面临着重大挑战。值得注意的是，畜禽粪便富含木质纤维素(包括纤维素、半纤维素和木质素)，为高吸水性聚合物的合成提供了绝佳条件。本研究首次使用畜禽粪便作为原料制备牛粪基高吸水性聚合物(CDSP)，利用牛粪中丰富的木质纤维素构建聚合物网络，旨在提高土壤质量。探讨了CDSP的内在特性及其对土壤特性和植物生长的影响，全面评价了CDSP对红壤的改良作用，为建立农牧业之间新的材料循环模式提供可能。
引言
干旱是全球公认的危害最大的自然灾害，其对人类社会的影响超过了其他所有自然灾害。世界上大约45%的陆地生态系统受到干旱的严重影响，农业作为全球主要的用水产业，其可耕地的44%分布在干旱地区。近年来，极端天气事件的频繁发生加剧了干旱，加速了土地沙漠化，对旱地生态系统的结构和功能产生了不利影响。因此，迫切需要严格的水资源管理和利用策略，以减轻干旱的全球影响。高吸水性聚合物(sap)因其优异的吸水性和保水能力在土壤抗旱性中具有重要的应用价值。在干旱和缺水时，它们释放储存的水分和养分，为植物生长提供强有力的支持。随着科学技术的快速发展和绿色发展理念的实施，人们开发了许多新的工艺和技术，以减少对不可再生的石油基材料的依赖，并从各种农业废弃物中生产高性能的sap。基于上述背景，本研究以水资源的高效利用和废弃物的资源化为核心。首次使用畜禽粪便作为原料制备高吸水性聚合物。系统地探讨了材料自身的性能特征，同时深入分析了其在土壤改良方面的效果，以及对作物生长所发挥的支持作用。
图文导读
合成路线
Fig. 1 The schematic diagram illustrates the preparation of CDSP.
CDSP是通过化学交联合成的，主要包括三个步骤:(1)引发剂分解，在木质纤维素分子链上产生接枝活性位点;(2)单体在这些活性位点进行接枝聚合形成长大分子;(3)分子链与交联剂反应形成网状结构，生成最终产物CDSP。
性能测试
Fig. 2 The swelling ratio of hydrogel(a), swelling kinetics curves of CDSP(b), water retention curve of CDSP(c), and repeated swollen of CDSP(d), effect of pH on swelling ratio of CDSP(e), effect of NaCl concentration on swelling ratio of CDSP(f).
CDSP的性能测试实验证明，由于其多孔性和优异的亲水性，在极短的时间内就能达到溶胀平衡，溶胀平衡时最高可达到494 g/g，在5次重复后，溶胀率仍能保持在300 g/g。材料保水实验表明，CDSP具有稳定的脱水速率和优异的保水效果，在应用中具有很大的灵活性。图2（e, f）展示了CDSP在不同pH环境和盐浓度下的溶胀行为。结果表明，CDSP在各种pH条件下均保持稳定的膨胀比，显示出其对不同土壤酸碱环境的显著适应性。此外，CDSP在不同盐浓度下仍表现出一定程度的膨胀率，且这一趋势相对稳定，表明其具备良好的缓冲能力。这些特性意味着CDSP在沿海地区及其他具有一定盐分的土壤中具有良好的适用性，从而有助于土地资源的优化利用。
土壤改良效果及作物生长情况
Fig. 3 Soil macrograph with 0 wt%, 0.25 wt%, 0.5 wt%, 0.75 wt%, and 1 wt% CDSP content(a), effect of CDSP on bulk density(b), porosity of soil(c), maximum water holding capacity of soil(d), and soil water retention rate(e).
图3(a-c)展示了引入不同量的CDSP后，土壤的宏观和物理性质的变化。与未处理的土壤相比，经CDSP改良的土壤孔隙度显著改善。这一变化主要源于CDSP在溶胀过程中体积的变化，形成了土壤内部的空间，从而促进了孔隙的产生。孔隙结构的改善不仅提高了土壤的储水能力，还为微生物的生存和养分循环提供了良好的环境，从而有效地促进了微生物和植物的生长。土壤的持水和保水实验表明，经CDSP处理的土壤能够有效保留大量植物不易获取的水分，从而显著提高了植物的水分利用效率，并有效减少了水分流失。此外，CDSP使土壤更具抗旱能力，显著降低了水分蒸发和损失，这对干旱地区的农业发展至关重要。
Fig. 4 Changes in soil organic carbon(a), total nitrogen(b), and total phosphorus(c) content, photo of corn growth on day 21 (d), the length of roots, and stems of corn (e), and fresh weight of corn (f).
Fig. 5. Photos of corn root.
土壤养分对作物生长和生产力至关重要。有机碳、氮、磷等关键养分水平是土壤养分供应能力和作物适宜性的重要指标。图4(a - c)显示了这些变化，与对照土壤相比，CDSP处理土壤的总有机碳、总氮和总磷都有所增加。这种增加部分是由于牛粪中存在的固有营养物质。此外，CDSP的三维网状结构表现出一定的养分吸收能力，既能吸收养分，又能吸收水分。为探讨CDSP添加量对土壤改良和植物生长的影响，在植物生长阶段进行了干旱模拟试验。我们测量了每组玉米的根、茎、叶的长度以及鲜玉米的重量。从图4(d)和图4(e)可以看出，在改良土壤中生长的玉米茎秆和叶片更长、更密，根长变化相对较小。这种限制可能是由于实验中使用的盆的大小限制了玉米根的生长。尽管如此，值得注意的是，如图5所示，在改良土壤中生长的植物根毛更加发达繁茂，根系范围更广。根毛的增加使植物能够进入更大的土壤区域吸收各种养分，从而改善它们对土壤养分循环的贡献。这一发现表明CDSP促进植物根系与土壤颗粒的结合。这种相互作用提高了土壤的稳定性，增强了植物对养分的吸收。此外，CDSP将植物根系与土壤联系在一起，从而增加土壤的稳定性，防止广泛的土壤侵蚀。因此，使用CDSP为面临侵蚀风险地区的土壤改良和荒漠化管理提供了一种有希望的方法。
小结
CDSP作为土壤改良剂，展现出显著的效果，能够在短期内发挥其优势，为水土保持和土壤生态系统的改善创造良好条件。其应用不仅代表了一种创新的牛粪回收方式，还与可持续发展的理念高度契合。CDSP的意义不仅在于其材料本身，更在于为生态环境的保护提供了重要的参考依据。这项研究探索了一条基于畜禽粪便高值转化的种养资源循环新路径，不仅有助于保护生态环境，也为农业经济的发展提供了新动力。
作者介绍
第一作者：周远凯 硕士研究生，现就读于南昌大学资源与环境学院。主要从事土壤改良的研究工作。
通讯作者：谢显传，南昌大学资源与环境学院教授/博导、鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室副主任，长期致力于流域水环境保护与污染控制研究。邮箱：xchxie@ncu.edu.cn；xchxie@nju.edu.cn；24255542@qq.com。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c05581
