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为解决氮肥浪费及污染问题，研究人员开展纳米黏土聚合物复合材料（NCPCs）研究，发现其能提升氮肥利用效率，意义重大。
化肥在现代农业中占据着重要地位，为农作物的茁壮成长提供了必需的养分，对全球粮食生产起着关键的支撑作用。然而，当前氮肥的使用却存在着诸多令人担忧的问题。大量使用氮肥会导致氨挥发、氧化亚氮（
N2O）排放以及硝酸盐淋溶等情况出现。这些问题不仅会对空气和水的质量造成严重破坏，威胁生物多样性和人类健康，还会加剧温室气体排放，给环境带来沉重的负担。据相关数据显示，仅氮肥就约占世界温室气体排放量的 2.4%，而通过降雨和灌溉进入地下水的硝酸盐更是成为了全球性的难题，当饮用水中硝酸盐浓度超过 50mg/L 时，就会对人体健康产生不利影响，例如引发新生儿高铁血红蛋白血症。此外，氮肥的利用效率也十分低下，施用于田间的氮肥，近三分之二都因各种原因散失到环境中，仅有约三分之一被植物有效利用。
为了应对这些严峻的挑战，来自印度等多地的研究人员开展了关于纳米黏土聚合物复合材料（NCPCs）的研究。这项研究成果发表在《Agricultural Research》上。研究表明，NCPCs 作为一种新型材料，在农业领域展现出了巨大的潜力，有望为解决当前氮肥使用中的问题提供新的思路和方法。
研究人员在开展研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：一是采用溶液共混、熔融共混和原位聚合法合成 NCPCs，这些方法各有特点，能制备出不同性能的复合材料；二是运用平衡吸水率、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）和养分释放动力学等技术对 NCPCs 进行表征，通过这些技术可以深入了解材料的结构、性能以及养分释放特性。
研究结果如下：
- NCPCs 的合成与制备：NCPCs 通常通过溶液共混、熔融共混和原位聚合这三种方法合成。溶液共混因低粘度和强搅拌力，能使黏土在聚合物基体中分散得更好；熔融共混则在工业上应用广泛，具有经济和环保优势；原位聚合可实现纳米黏土与聚合物更好的插层，且能通过调整聚合参数优化材料性能。在实验室中，常采用溶液共混法，以丙烯酸、丙烯酰胺等为原料制备 NCPCs，并且可以通过控制引发剂、交联剂和黏土的用量来调节材料的性能。此外，还可以通过浸渍法将肥料负载到 NCPCs 中，制备出具有控释性能的肥料。
- NCPCs 的表征：通过多种表征技术对 NCPCs 进行研究发现，其结构和性能受多种因素影响。例如，平衡吸水率（EWA）与黏土含量、交联剂浓度等有关，适当增加黏土含量或降低交联剂浓度可提高 EWA；FTIR 光谱能检测出聚合物基体和纳米黏土颗粒中的各种官能团，通过分析这些官能团的变化可以研究材料的交联和结晶情况；SEM 观察到 NCPCs 存在多种结构，如插层结构、剥离结构和聚集结构等，这些结构会影响材料的性能；XRD 可用于确定 NCPCs 的插层或剥离状态，以及研究聚合物与黏土之间的相互作用；养分释放动力学研究表明，NCPCs 中的养分释放主要受扩散和溶解机制控制，其释放速率比传统肥料慢，能实现养分的缓慢、持续供应。
- NCPCs 在农业中的应用效果：在农业应用方面，NCPCs 表现出诸多优势。它能实现氮的缓慢、可持续释放，相比传统氮肥，NCPCs 能在更长时间内为植物提供氮源，减少氮的损失。例如，传统尿素在 5 天内约释放 90% 的养分，而 NCPCs 包封的尿素在 30 天后仅释放 61% 的氮。NCPCs 还能有效管理水分胁迫，因其具有高吸水性和保水性，能减少灌溉用水需求，提高水分利用效率，在干旱地区和沙漠地区具有重要应用价值。此外，使用 NCPCs 能促进作物更好地生长并提高产量，多项研究表明，与传统氮肥相比，NCPCs 能显著增加多种作物的产量，如玉米、大豆、油菜等。同时，NCPCs 还有助于减少温室气体排放，研究发现，使用 NCPCs 可降低N2O排放，在水稻 - 小麦系统中效果更为明显。
研究结论和讨论部分指出，NCPCs 作为一种有前景的材料，在肥料应用领域展现出了巨大的潜力。它能有效提高氮肥利用效率，减少氮素损失，降低对环境的负面影响，同时促进作物生长，提高产量，对实现农业可持续发展具有重要意义。然而，目前 NCPCs 仍存在一些问题，如生产成本较高，部分合成聚合物可能存在生物相容性问题和毒性风险等。未来需要进一步研究，开发可生物降解的 NCPCs，探索新型交联剂，深入研究其毒性和环境影响，评估不同类型和浓度纳米黏土对植物生长和土壤性质的影响，开发智能 NCPCs，并实现其规模化生产。通过解决这些问题，有望使 NCPCs 在农业领域得到更广泛的应用，为全球农业发展和环境保护做出更大的贡献。
