腐植酸与聚丙烯酰胺共聚物复合：一种提升土壤抗风蚀水蚀能力及促进植物生长的绿色策略

《Scientific Reports》：The effect of humic acid in composition with polyacrylamide copolymers on wind and water soil erosion

本研究针对传统土壤改良剂易流失、成本高及环境风险等问题，创新性地将哈萨克斯坦舒巴尔库尔矿床褐煤中提取的腐植酸(HA)与阴离子型( P(AAm-co-AA) )和阳离子型( P(AAm-co-DADMAC) )聚丙烯酰胺共聚物复合。研究发现，0.4 wt.% P(AAm-co-AA)与0.05 wt.% HA序贯处理可使土壤风蚀强度降至0.1%，水蚀土壤流失率仅为1±1%，同时显著促进萝卜生长。该研究为开发经济、环保、高效且兼具促生功能的土壤稳定剂提供了新思路，对农业可持续发展具有重要意义。

　　

土壤，这颗孕育生命的蓝色星球的皮肤，正面临着严峻的侵蚀危机。风驰电掣般的气流和倾泻而下的雨水，如同无形的刻刀，不断剥离着地表最富营养的耕作层，导致土地退化、肥力下降，严重威胁着全球粮食安全。尽管人们尝试了保护性耕作、营造物理屏障等多种方法，但寻找一种既能有效固土、又环境友好、还能促进作物生长的理想材料，一直是农业和环境领域科学家们努力的方向。

传统的化学土壤稳定剂，如一些合成聚合物，虽然有一定效果，但往往存在易被雨水冲走、成本较高或潜在生态风险等缺点。能否从大自然中寻找灵感，利用广泛存在且可持续获得的天然材料来解决这一难题？近期发表在《Scientific Reports》上的一项研究给出了令人振奋的答案。由Neila Ye. Bekturganova和Mojtaba Mirzaeian领导的研究团队，独辟蹊径地将目光投向了源自哈萨克斯坦舒巴尔库尔矿床(Shubarkul deposit)褐煤的腐植酸(Humic Acid, HA)，并探索了将其与两种不同类型的聚丙烯酰胺(Polyacrylamide, PAM)共聚物结合使用，用于防治土壤风蚀和水蚀的效果。这项研究不仅首次系统评估了该地区HA与聚合物复合物的特性，更创新性地考察了这些材料对植物生长的潜在影响，为开发下一代绿色土壤保护技术奠定了坚实基础。

为了深入探究HA-共聚物复合体系的特性及其对土壤的改良效果，研究人员运用了几项关键技术。他们通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了HA的分子结构特征；利用动态光散射和激光微电泳技术测定了试剂溶液的流体动力学直径、电泳迁移率(Electrophoretic Mobility, EMP)和Zeta电位(Zeta Potential, Zp)，以评估其胶体行为和相互作用；采用基于雷宾德尔(P. A. Rebinder)方法的锥体贯入法测量了处理后土壤结皮的塑性强度(Plastic Strength, P_m)；通过模拟风吹（热风）和喷灌实验，定量评估了土壤样本的抗风蚀（吹蚀强度）和抗水蚀（土壤流失率）能力；并以萝卜(Raphanus sativus L.)为模式植物，进行了实验室盆栽试验，评估了各处理对种子萌发和幼苗生长（根长、茎长）的影响，以检验材料的生物相容性。研究所用土壤样本采集自俄罗斯普斯科夫地区埃罗希诺村附近的实验田。

结果与讨论

HA的分子结构与土壤的颗粒组成

研究首先揭示了HA复杂的分子结构。FTIR分析显示，HA含有丰富的芳香环和脂肪族结构域，以及多种含氧官能团，如羟基(-OH)、羧基(C=O)和醚键(C-O-C)等。这种分子多样性使得HA能够通过离子、氢键、疏水等多种相互作用与土壤成分结合。

同时，对所用土壤的颗粒分析表明，其粒度分布主要集中在250-1000 μm和100-250 μm的粗颗粒部分，占比超过83%，而小于50 μm的细颗粒不足15%。这种以砂粒为主的“细土”质地通常意味着持水能力和养分保持能力较差，更容易发生侵蚀。

HA与共聚物之间的相互作用

研究人员深入探究了HA与两种聚丙烯酰胺共聚物之间的相互作用机制。电化学和胶体行为分析发现，HA与阳离子共聚物P(AAm-co-DADMAC)之间主要发生强烈的静电相互作用。当将HA溶液逐渐加入P(AAm-co-DADMAC)溶液中时，共聚物颗粒的表面正电荷被有效中和，溶液浊度随之升高，表明形成了HA/P(AAm-co-DADMAC)复合物。

而对于同样带负电的HA和阴离子共聚物P(AAm-co-AA)，由于静电排斥，二者间未发生明显的电荷中和。然而，溶液浊度依然随着HA添加量的增加而上升，这表明它们之间通过氢键等非静电作用形成了复合物。当HA过量时，复合物疏水性增强，反而导致浊度下降。

土壤结皮的机械强度

土壤结皮的机械强度是衡量其抗侵蚀能力的关键指标。实验结果表明，单独使用HA处理的土壤结皮强度最低(P_m = 22.5 kg/cm²)。阴离子共聚物P(AAm-co-AA)处理则表现出最高的强度，这归因于其分子链能与土壤颗粒形成密集的氢键、静电引力等网络结构。

更重要的是，将HA与P(AAm-co-AA)复合使用能显著提升结皮强度。当HA浓度为0.01 wt.%和0.03 wt.%时，复合处理后的土壤结皮塑性强度相比单独使用P(AAm-co-AA)分别提高了1.5倍和2.0倍。而HA与阳离子共聚物的复合对强度提升效果不明显。

抗风蚀与水蚀性能

模拟侵蚀实验的结果极具说服力。在抗风蚀方面，单独使用HA或阳离子共聚物P(AAm-co-DADMAC)及其与HA的复合物，几乎无法固定土壤表层，吹蚀强度高达94.8%甚至97.5%。相反，使用阴离子共聚物P(AAm-co-AA)及其与HA的复合物效果显著。尤其是采用序贯喷洒方式施用0.4 wt.% P(AAm-co-AA)和0.05 wt.% HA的复合物后，土壤的吹蚀强度惊人地降至0.1%，表现出极佳的抗风蚀能力。

在抗水蚀方面，趋势相似。仅用蒸馏水处理的对照组土壤几乎完全流失。单独使用P(AAm-co-AA)可将土壤流失率降低至65±5%，而序贯施用P(AAm-co-AA)与HA（浓度0.01-0.04 wt.%）的复合物，能将土壤流失率进一步显著降低至仅1±1%，几乎完全抑制了水蚀。这得益于P(AAm-co-AA)优异的水分吸收和保持能力，其形成的凝胶颗粒能通过渗透作用吸收并锁住水分，使土壤团聚体更重、更稳定，从而抵抗水流冲刷。

对植物生长的影响

一个令人欣喜的发现是，所有测试的试剂及其复合物都对萝卜的生长表现出促进作用。与未处理的对照组相比，施用HA、两种共聚物及其复合物的土壤中，萝卜种子的发芽数量、总长度（根+茎）和茎长均有明显增加。其中，0.4 wt.% P(AAm-co-AA)与0.02 wt.% HA复合处理的效果尤为突出，植株平均总长度达到12.6厘米。这证实了这些材料不仅对环境安全，还具有刺激植物生长的潜力， likely due to the combined effects of HA's bioactivity and the improved soil moisture and nutrient retention provided by the polymers.

结论与意义

本研究首次系统阐明了哈萨克斯坦Shubarkul褐煤源腐植酸(HA)与聚丙烯酰胺共聚物（包括阴离子型P(AAm-co-AA)和阳离子型P(AAm-co-DADMAC)）复合体系的相互作用机制及其在土壤保护中的应用潜力。研究证实，HA与这两种共聚物均可通过氢键等作用形成复合物。将其应用于土壤后，能在表面形成一层聚合物-土壤结皮。

核心结论在于，由阴离子共聚物P(AAm-co-AA)与HA组成的复合物，特别是通过序贯施用的方式，在提升土壤抗侵蚀能力方面表现最为卓越。它能将土壤的风蚀强度降至极低水平（0.1%），并几乎完全防止水蚀造成的土壤流失（流失率仅1%）。其优异性能主要归功于P(AAm-co-AA)的高吸水性及其与土壤颗粒和HA之间形成的强大相互作用网络。此外，所有被研究的试剂及其复合物均显示出对萝卜生长的促进作用，证明了其良好的环境相容性和潜在的农业应用价值。

这项研究的深远意义在于，它为开发集经济性（利用天然原料）、环境安全性（减少传统化学品使用）、高效抗侵蚀性（抵御风和水双重侵蚀）以及生物促进功能（刺激植物生长）于一体的新一代土壤稳定剂提供了创新的思路和坚实的实验依据。特别是对哈萨克斯坦等面临严重土地退化和荒漠化威胁的地区，利用本地资源优势开发此类绿色技术更具现实价值。未来，深入研究这些吸水聚合物与HA的相互作用，有望为发展节水农业技术、保护并恢复土壤肥力、减少侵蚀过程、进而保障全球粮食安全开辟新的途径。