几种化学材料在农业生产中的应用

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摘 要：随着我国农业的发展和环境的污染与破坏不断严重，需要对农业生产提供一种新的方法理念来使其满足持续增加的人口与生活水平的需要，那就是本篇讨论的利用化学材料促使充分利用资源来维持农业的发展。
关键词：农业；保水剂；稀土元素；沸石；PAM；环境保护
中图分类号：S-0 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170933002
引言
农业作为第一产业，是支撑国民经济建设与发展的基础产业，更是我国建国以来的重点发展产业，为我国今后为人民提供良好的生活环境与条件打下了坚实的基础，虽然随着经济的发展，农业所占比例有所下降，但其发展势头却一直方兴未艾。所以，更好更快地发展农业是我国需要解决的重大问题之一，而本文就介绍了几种在农业中能起到重要作用的化学材料，介绍了其性质、机理以及在农业中的应用发展等问题。
1 保水剂
1.1 保水剂的特性
保水剂（Aquasorb）又称为高吸水剂，它是利用强吸水性树脂制成的一种吸水保水能力特别强的高分子聚合物。其吸水量为其本身吸水性树脂的几十倍乃至几千倍，远超过以往材料；其保水能力非常高，吸水后无论加多大压力也不脱水；而超强吸水树脂又是高分子化合物，具有一般高分子化合物的基本特性，可被認为是高吸水性功能高分子，且吸水后形成具有弹性性能的水凝胶，也可被认为是高弹性水凝胶。
1.2 保水剂的分类
自近代以来，吸水剂发展十分迅速，因为其繁多的种类，科学家们总结出了从几个不同的方面，现根据其品种及发展趋势行为进行分类。
按原料来源分类，在《超强吸水剂》中，作者根据最近10a的发展及本人的研究，将原料来源分为6大系列：淀粉系，纤维素系，合成聚合物系，蛋白质系，其他天然物及其衍生物系，共混物及复合物系。
从亲水化方面可分为以下4类：亲水性单体的聚合，疏水性聚合物的羧甲基化反应，疏水性聚合物接枝聚合亲水性单体，含腈类、酯基、酰胺基的高分子的水解反应。
从亲水基团的方面看，可分为5大系列：阴离子系，阳离子系，两性离子系，非离子系，多种亲水基团系。
还有按交联方法分类，按制品形态分类等。
1.3 保水剂作用机理及应用与发展
在合成超强吸水性树脂反应中大部分是烯类单体的加聚反应，绝大部分属于连锁聚合反应机理，其中以自由基聚合为主，离子型聚合与配位络合聚合很少。
而超强吸水性树脂不但吸水性、保水性极为优良，因为它在土壤中形成团粒结构的特性，使土壤白天和夜晚的温差缩小，能吸收肥料、农药，防止其流失，并使肥料、农药和水缓慢放出，增强施药效果，并且可以防止水土流失，大大增强抗旱效果。
多年以前，美国农业部的北方研究所发明了一种在土壤保水，促进种子发芽，提高发芽率方面有着显著性效果的吸水性树脂，名为淀粉接枝丙烯腈皂化水解物（SGP）吸水性树脂。后来多国经此启发，在此方面进行了深入化的研究，研究结果增加了更多的吸水性树脂种类，并且使之在农业上的应用研究变得更加广泛。例如：改良土壤和沙漠，植物生育促进剂，植物生长促进剂，苗木移植保存剂及农药保持释放增效剂，温室及无土栽培……这些都利用到以超强吸水树脂为原料制作的保水剂。
2 稀土
2.1 稀土元素及其分布
稀土元素（rare earth element）是元素周期表中ⅢB族中原子序数21的钪（Sc）、39的钇（Y）及57的镧（La）～71的镥（Lu）等共17个元素的总称。
稀土元素在地壳中分布广，总量多，17种元素的总量在地壳中占0.0153%（质量分数），即153g/t，其丰度多于一些常见元素。
就单一元素来说，铈分布广但分布不均，一般服从 Oddo-Harkins 规则——原子序数为偶数的元素含量较相邻的奇数元素含量大；且稀土属于亲石元素，地壳中在岩石圈中分布较多，主要集中在花岗岩、伟晶岩、生长岩等岩石，尤其在碱性岩浆岩中较为富集。
2.2 稀土元素的性能和机理
稀土元素是典型的金属元素，其活泼性仅次于碱金属和碱土金属，由于其结构的特殊性，它具有许多其他类的元素所不具备的光、电、磁特性，从而可以制备成很多可用于高新技术的新材料，现被誉为新材料的“宝库”。
而对植物来说，稀土元素有着其独特的生物效应机理，主要表现在：对各种作物体内生长激素的合成或激活起催化作用；可作为酶的辅基或激活剂而起着促进生化反应的作用；稀土元素在某些化学反应中可取代某些金属元素发挥作用。
2.3 稀土元素农业化学行为中的增产应用
随着稀土资源的广泛开发和应用，尤其是近年来在农业中的广泛应用，外源稀土元素进入环境已成为环境趋势，而这会对生态环境和人体健康造成影响。20世纪30年代以来大量的科学家对稀土微肥进行研究，他们发现稀土农用存在剂量-效应关系，即微量时促进作物增产并改变其品质，而当趋于或超出某些特定的剂量时，就对作物的生长产生抑制作用。
关于稀土农用已经取得了很大进展，在其生物效应方面，国内外许多学者研究表明：一定条件下，施用适当的稀土元素能够提高种子萌发率、促进种子发芽、生根以及生长发育，也可通过提高叶片中叶绿素a的含量从而使叶绿素总量增加，增强光合作用，提高光和效率，改善某些酶的活性，提高作物抗逆性等。
对于作物来说，稀土对其增产已成为世界上绝无仅有的一项开创性大型农业生物学工作，研究稀土进入环境后的行为及其产生的环境效应对农业方面具有着重要意义。
3 沸石
3.1 沸石的组成与分布
沸石是一族架状构造的含水铝硅酸盐矿物。沸石的化学组成十分复杂，因种类不同有很大差异。其主要含Na和Ca及少数的Sr、Ba、K、Mg等金属离子。而因为Na、Ca、Al、Si元素在地壳中的含量很丰富，它们均为主要的造岩元素，所以沸石应该是比较常见而且分布比较广的造岩矿物。
目前已知的天然沸石有80多种，分布最广的有方沸石、斜发沸石、片沸石、浊沸石、交沸石、菱沸石和毛沸石等。随着研究工作的推进，新的沸石种类还在不断发现。
3.2 沸石在改良土壤方面的作用
由于人类活动的影响，世界范围内土壤的化学退化，包括土壤肥力贫瘠化、盐碱化、酸化、污染等问题日益严重。因为具有较强的阳离子交换性与吸附选择性，因此将沸石直接施用于退化土壤上，可提高土壤盐基交换量。且沸石还能改善土壤通透性，提高排水渗透能力，因此施用沸石可减少土壤中的盐分，降低碱化度，并对土壤的pH值起到缓冲作用。近年来，沸石作为调控土壤化学退化的材料逐步引起人们的广泛重视。
天然沸石在农业上的应用非常广泛，天然沸石可用于土壤改良剂、单质肥料控制剂、复合肥料调理剂、生物/有机肥除臭剂、饲料添加剂、重金属离子的捕集剂，农药、杀菌剂、除锈剂的载体，动物粪便以及农业污水的处理等，且对于改善土壤养分状况、土壤物理性状的改良、污染土壤的修复和对土壤放射性物质的控制等方面有着重大作用，在农业上的报道日益增多。
3.3 沸石的保肥作用
天然沸石因具有很强的吸附力，常与化肥混施，可以提高肥效和延长土壤的供肥时间，从而减少N的损失。目前用得最多的是沸石玉碳铵按1：4制成的复合肥，肥效大而稳，既可减少氨的损失，又不易结块，使用方便；既可作基肥，又可作种肥。但沸石肥料品种在目前还不多。沸石还可与微量元素、有机肥、腐殖酸等配制沸石复混肥，但这方面的研究和应用尚需进一步探索。
4 PAM
4.1 PAM的作用机理
PAM（Polyacrylamide）聚丙烯酰胺，是常用的非离子型合成的有机高分子絮凝剂。PAM的质量大、分子长，它可以作为桥梁连接在各种胶体或微粒上，再在其表面，以自己的活性基团引起相关反应、产生相应的作用，从而将胶体或微粒形成絮凝团，这种行为就叫做桥连作用。但有时胶体或微粒表面的电性会对其形成絮凝团，起到一定的阻碍影响，如在高pH时，由于胶体或微粒表面负电荷增加，胶体或微粒间的排斥作用增大，不利于 PAM 之间的架桥絮凝。
4.2 PAM在农业中的应用
自20世纪90年代以来，PAM开始应用在农业生产方面，作为土壤结构改良剂，可增加土壤表层颗粒间的凝聚力，维持并改良土壤结构，增加土壤间水分的渗透力，抑制水分蒸发，使雨水的利用率增加，防止水土流失、土壤结皮，具有保水、保土、保肥等效果與用途；PAM还可提高农业肥料的利用率；并且还有改善生态环境的诸多作用。研究并开发PAM，对农业生产及利用等方面均有着重要的意义。
5 结语
我国对农业的发展十分重视，而本文通过对保水剂、稀土、沸石以及PAM的调查及研究，结果表明，这4种化学材料确实对农业的生产发展起到了重要作用。其发展前景广阔，还有更多的应用有待开发，并可以对农业或更多的产业起到改良与促进的功用。对此，只有加强研究才可以更加深入地了解相关内容，为农业事业起到更加丰硕的作用。
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