生物聚合物-粉煤灰改良砂的开发与评估：提高沙漠生态系统的保水能力、抗磨蚀性能及植物生长

《Journal of Environmental Management》：Development and evaluation of biopolymer–fly ash amended sand for improved water holding capacity, abrasion resistance, and plant growth in desert ecosystem

　　

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  生物聚合物与粉煤灰将沙子转变为类似土壤的结构。
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  瓜尔胶-沙-粉煤灰改良剂表现出更高的持水力和抗磨损性。
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  瓜尔胶-沙-粉煤灰改良剂获得了均匀的基质结构和颗粒间黏附力。
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  植物存活率在瓜尔胶-沙-粉煤灰混合物中最高，其次是黄原胶。

引言

沙漠占据了干旱地区的广阔区域，构成了地球上的主要陆地生物群落之一。然而，荒漠化已成为一项重大的全球环境挑战。根据《联合国防治荒漠化公约》（UNCCD），约十亿人直接或间接受到荒漠化的不利影响（Gunawat等，2016年）。印度荒漠化和土地退化地图集报告称，该国近69%的地理区域属于干旱地区，其中29.32%目前正处于类沙漠条件（荒漠化）或土地退化状态（Kumari等，2023年）。塔尔沙漠是亚洲最大的沙漠之一，面积约为17万平方公里，其中近62.90%位于印度西北部拉贾斯坦邦（Petrolati，2021年）。早期研究表明，塔尔沙漠正稳步向东扩展，对印度拉贾斯坦邦东部、北方邦西部、旁遮普邦和哈里亚纳邦的肥沃地区构成威胁（Moharana等，2016年）。为对抗荒漠化，已开发出多种方法，包括沙障、草方格屏障和喷洒油类。尽管这些技术有助于稳定沙丘移动，但并不能有效地将沙子转变为适合可持续农业的耕地（Kar，1986年；Hu等，2022年）。尽管沙漠沙子富含矿物，但由于其低持水力、养分保持能力差、颗粒间凝聚力弱、地表温度高（高达49°C）以及年降雨量低（32.7厘米），对植物生长存在严重限制。此外，快速的重力流失和蒸发引起的失水使沙子不适合可持续植物生长。松散沙子的较大粒径和大孔隙结构降低了毛细水保持能力，限制了土壤水分的可利用性。而且，松散的单粒沙极易受到风蚀，往往导致受影响地区的沙丘移动（Pathak，2015年；Tantray等，2022年；Ullah, M.I.，2024年）。

为了解决这些限制，添加天然或合成聚合物已成为提高沙子物理特性的有效策略，特别是其持水能力。高吸水性聚合物（SAPs），即亲水性交联聚合物，由于其能够通过保持更多的养分和水来改善植物生长而受到广泛关注（Shahid等，2012年；Zhiquan等，2024年；Wang等，2023a, Wang等，2023b）。使用SAPs的土壤改良剂在干旱多发地区表现出更好的植物生长。先前的研究表明，使用水凝胶基复合材料的处理可以显著提高土壤的体积含水量（Shahid等，2012年；Fatima等，2024年）。随着附近土壤变干，水分逐渐释放回土壤，提供可持续的水源（Abobatta，2018年）。沙子基质中的这种膨胀引起的改良还可能通过改善毛细水分保持来减少快速渗透损失。聚合物掺入土壤不仅可以增强持水能力，还能改善植物对水分的可获取性。这还降低了蒸发速率，特别是在高温（40°C）下，有利于经过聚合物处理的土壤，尤其是那些质地粗大和渗透性高的土壤。据报道，以2克/千克的速率施用聚丙烯酰胺凝胶后，粗质地土壤的持水能力提高了171%到402%（Choudhary等，1995年）。Tran等（2019年）表明，0.5%的生物聚合物混合物具有降低土壤侵蚀性的能力，同时增强残积土和沙土中的土壤持水和植被发芽。与聚合物改良剂相结合，粉煤灰等矿物添加剂可能会进一步影响沙质基质的结构和持水特性。燃煤电厂产生的副产物煤粉煤灰具有有利于土壤改良的理化特性。早期的报告表明，使用煤粉灰可以改善土壤质量而不会对环境造成危害（Shen等，2008年）。它含有较高浓度的植物营养素，如硫、钙、钾和磷，颗粒大小与粉砂相似。因此，可以将粉煤灰添加到土壤中以提高持水能力（Tripathi等，2020年）。由于煤中的微量硫含量以及氢氧化钙、氢氧化镁和碳酸盐的存在，粉煤灰表现出强碱性（Vimlesh和Giri，2011年）。粉煤灰的施用还可以增加土壤中磷的有效浓度（Rautaray等，2003年）。碱性粉煤灰是作物生产中植物滋养的宝贵来源，可以改善酸性土壤（Mittra等，2005年）。研究表明，以低浓度将粉煤灰添加到土壤中可以改善电导率、改良土壤质地、提高有机碳含量和

持水力，从而促进植物生长和提高产量（Mittra等，2005年）。在沙土中添加粉煤灰可能导致土壤质地改变，增强持水力和微孔隙性（Panda和Biswal，2018年）。此外，粉煤灰的养分含量包括铁、硒和锌等必需元素，使其可能适用于旨在提高作物系统中微量养分可用性的农业应用（Pandey等，2010年）。

尽管先前的研究分别探索了生物聚合物和粉煤灰在土壤改良中的应用，但很少有关于它们协同应用将沙漠沙转化为农业功能性类土壤结构的研究。特别是，系统评估生物聚合物和不同沙-粉煤灰比例在干旱条件下对持水、蒸发控制和植物生长的综合影响的研究仍然稀缺。因此，本研究调查了植物和微生物来源的生物聚合物与不同粉煤灰-沙比例的联合应用，以改善沙漠生态系统中的水分保持、沙稳定性和植物发育。沙-粉煤灰-生物聚合物改良剂根据磨损率、持水力和蒸发率进行评估，以检查沙子特性的变化。发芽实验使用了适合拉贾斯坦邦西部气候条件的作物。因此，本研究调查了植物和微生物来源的生物聚合物与不同粉煤灰-沙比例的联合应用，以改善沙漠生态系统中的持水力、抗磨损性、蒸发率和植物发育。我们假设，瓜尔胶、黄原胶或羧甲基纤维素与不同粉煤灰-沙比例的联合应用，与未处理的沙漠沙相比，将改善持水力、减少蒸发、提高抗磨损性，并促进种子发芽和植物存活。为了验证这一假设，在实验室条件下，沙-粉煤灰-生物聚合物改良剂根据磨损率、持水力、蒸发率、发芽率和植物存活率进行评估。

章节摘要

样本采集与沙-聚合物-粉煤灰混合物制备

沙子和粉煤灰分别从印度拉贾斯坦邦巴尔梅尔市和比阿瓦尔市的混凝土工业采集。沙样品的质地特性使用比重计法测定（Bouyoucos，1962年）。沙子和粉煤灰样品的pH值、电导率和总溶解固体使用在去离子水中制备的1:5（w/v）悬浮液测定。简要地说，20克风干样品与100毫升去离子水混合，在室温下摇动30分钟。然后将悬浮液静置，并

沙样品的理化评估

塔尔沙漠样品的质地特性显示，该样品含有超过92%的沙，以125至250微米之间的细沙颗粒为主（表S1）。沙、粉煤灰及其聚合物改良混合物的理化特性在各处理间表现出显著差异（表2）。粉煤灰的分类取决于其pH值，可以从酸性（1.2至7）到弱碱性（8-9）和强碱性灰（11-13）。沙土呈现近中性

讨论

本研究发现表明，当用粉煤灰和瓜尔胶、黄原胶和羧甲基纤维素等生物聚合物改良沙漠沙时，展示了增强干旱环境农业可行性的变革潜力。这种方法对于拉贾斯坦邦的塔尔沙漠等地区尤其相关，这些地区面临着植被有限和土壤持水能力低的问题（Pathak，2015年；Kumari等，2023年）。根据所进行的研究，两种生物聚合物——黄原胶和瓜尔胶——表现出优越的性能

结论与未来方向

本研究表明，生物聚合物与粉煤灰的整合改变了沙基质中的物理行为，并在实验室条件下显示出改善水分保持和表面稳定性的潜力，从而增强了原本低产的沙漠沙的功能特性。在评估的配方中，瓜尔胶改良的S90F10表现出最有利的整体性能，其特征为相对较高的持水力、减少的蒸发损失、改善的

CRediT作者贡献声明

Diksha Kumari：撰写——初稿、方法论、调查研究、形式分析。Sandeep Rellegadla：撰写——审阅与编辑、数据整理、概念构思。Abhishek Tyagi：撰写——审阅与编辑、可视化。Ganshyam Prajapat：撰写——审阅与编辑、可视化。Shikha Jain：撰写——审阅与编辑、验证。Lalita Ledwani：指导、经费获取。Akhil Agrawal：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理、经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢印度政府科学技术部（DST/SSTP/2018/23 (G)）对AA的资助支持，以及印度拜耳作物科学提供的拜耳-美德奖学金（申请编号：PHD-2023-10828）和布巴内什瓦尔市知识创新集群基金对本研究DK的支持。作者感谢Divya Gupta女士和Deepesh Bhati博士进行的统计分析。

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