羧甲基纖維素在土壤改良中的應用研究進展

摘要：羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）是一種具有良好水溶性的高分子聚合物，近年來在土壤改良領域的應用潛力受到關注。研究表明，CMC能夠增加土壤的孔隙度和水分保持能力，改善土壤結構，促進植物根系發育，增強土壤的養分固持能力。未來的研究需要深入探索CMC的作用機制，評估其長期應用對土壤和植物的影響，分析實際農業生產中應用的經濟可行性和環境效益，促進其在可持續農業生產和土壤管理中的廣泛應用。

關鍵詞：羧甲基纖維素（CMC）；土壤改良；可持續農業

中圖分類號：S156.2 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.030

Research progress on the application of carboxymethyl cellulose in soil improvement

LI Qixiu， LI Mingyi， DONG Wenhao

（Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area， Ministry of Education

（China Three Gorges University）， Yichang 443002， China）

Abstract： Carboxymethyl Cellulose （CMC） is a high molecular weight polymer with good water solubility， and its potential application in soil improvement has received attention in recent years. Research has shown that CMC can increase soil porosity and water retention capacity， improve soil structure， promote plant root development， and enhance soil nutrient retention capacity. Future research needs to deeply explore the mechanism of action of CMC， evaluate the long-term impact of its application on soil and plants， analyze the economic feasibility and environmental benefits of its application in actual agricultural production， and promote its widespread application in sustainable agricultural production and soil management.

Keywords： Carboxymethyl Cellulose （CMC）; soil improvement; sustainable agriculture

目前，全球土壤退化現象嚴重，過度的農業開發、工程建設和自然災害造成土壤結構被破壞、理化性質惡化。土壤退化不僅降低土壤肥力，還減少土壤的水分保持能力和生物多樣性，進而影響農作物的產量和質量，對食物安全和生態環境構成威脅[1]。為了解決土壤退化的難題，可采取多種土壤改良措施，如施用有機或無機肥料、利用石灰調節土壤pH、引入益生微生物等[2]。雖然這些方法能夠改善土壤質量，但大多存在成本高、效果短暫或易對環境產生負面影響等問題。因此，研究環境友好且可持續的土壤改良劑成為當下熱點。羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）是一種水溶性高分子聚合物，由于其良好的水溶性、生物相容性和生物可降解性，CMC被廣泛應用于食品、藥物、化妝品等領域[3]。近年來，研究人員開始研究CMC在土壤改良中的應用潛力。試驗結果顯示，CMC能夠改善土壤的物理和化學性質，如增加土壤孔隙度、提高水分保持能力和改善土壤結構，促進植物根系的發育，增強土壤的養分固持能力[4]。

1 羧甲基纖維素的基本性質

1918年，德國首次合成CMC，并于1921年獲準專利。20世紀30年代末，CMC開始被大規模使用和商業化生產。當前，我國羧甲基纖維素產業已實現顯著的工業化進展。CMC具有獨特的物理化學性質，如增稠、黏合、成膜、保水和乳化等，同時具有無毒、無味、抗發酵和熱穩定性良好等特征，在食品、醫藥、石油和紡織等領域得到廣泛應用，因而被譽為“工業界的味精”。目前，CMC的制備工藝主要有水媒法、溶媒法和溶液法。

1.1 化學結構和物理化學性質

制備CMC時，纖維素的羥基部分被羧甲基基團（-CH2COOH）替代，使其分子的負電荷增加，因此CMC具有良好的水溶性和高度的吸水性[5]。影響CMC性質的關鍵參數是取代度，即每個葡萄糖單元上平均被取代的羥基數目，取代度的不同決定CMC在溶液中的行為，包括其黏度、穩定性和成膜性等。CMC是一種白色或微黃色的粉末，能在熱水和冷水中快速溶解，形成黏稠的溶液。其化學性質相對穩定，不易被酸或堿分解，使得pH可以穩定保持在2～10。

1.2 環境友好性和生物降解性

作為一種非毒性物質，CMC在接觸人體或其他生物組織時不會引發免疫、炎癥或其他有害反應，這一特性使得CMC在醫療領域尤為重要。它可以用作藥物輸送系統的載體，幫助藥物穩定釋放，而不會對人體產生副作用。此外，在食品工業中，CMC作為食品添加劑，其生物相容性確保人體攝入后的安全性，不會引起消化系統的不適或其他健康問題。在自然環境中，CMC能夠被微生物分解為水、二氧化碳和生物質，這一特性使其在環境保護和農業領域有突出價值。環境保護方面，用CMC處理廢水或土壤時，CMC不會造成二次污染，因為它最終會被自然分解，減少對環境的長期影響；農業領域，作為土壤改良劑，CMC能夠在改善土壤結構的同時，通過生物分解過程逐漸釋放出對植物有益的物質，支持土壤的自然生態平衡。

2 羧甲基纖維素在土壤改良中的應用研究

CMC作為一種高分子聚合物。與傳統改良劑相比，其憑借獨特的性質，可以較好地應用到土壤改良中。

2.1 改善土壤物理性質

容重與孔隙率是土壤物理性質中直觀的指標。降低容重可以促進養分的釋放和保持，增加孔隙可以為土壤動植物提供空間和氧氣，促進水的轉化。邱朝霞等[6]研究證明，施加CMC可以降低土壤的容重，提高土壤的孔隙度，改善土壤結構，同時可以增強土壤顆粒間的黏結力，促進土壤大團聚體的形成。這些團聚體能夠增加土壤的結構穩定性，減少土壤的板結現象，使土壤更加疏松。

哈麗代姆·居麥等[7]開展土柱入滲試驗和蒸發試驗，研究發現，施加CMC會降低土柱的累積入滲量，CMC施加量愈多，效果愈顯著，同時CMC也會影響土壤的蒸發量。土壤加入CMC后，CMC分子能夠吸收并固定大量水分，形成凝膠狀物質。這種物質能夠在土壤顆粒間形成一層保水膜，減緩水分在土壤中的垂直下滲和水平擴散，從而有效提高土壤的保水能力。總之，羧甲基纖維素可以改善土體結構，增大空隙，降低容重，利用自身性質提高土壤的持水能力，為植物生長提供良好的土壤環境。

2.2 調節土壤pH

合適的pH有助于植物的良好生長，將CMC施入土壤，可以調節土壤的pH。李曉菊[8]研究發現，施用CMC到濱海鹽漬土中，可以有效降低土壤pH，原因可能是它屬于中性纖維素羧甲基化衍生物，在堿性環境中，其羥基等官能團發生反應，釋放出氫離子，使pH降低后呈中性并保持穩定。

2.3 土壤養分的固持和釋放

土壤養分對植物生長起著重要作用，施加CMC可以降低土壤養分的流失率，增加部分速效養分的含量，促進植物對養分的吸收。楊世琦等[9]將CMC施加至新造耕地，并開展兩年的檢測，發現羧甲基纖維素鉀（CMC-K）對土壤全氮、全磷和全鉀基本沒有影響，但是可以提高土壤硝態氮、速效磷和速效鉀含量，最高分別增加46.5%、207.9%和95.9%。經分析，原因可能是CMC在吸附土壤水分的同時，也能夠對土壤溶液中的養分離子產生一定的吸附作用。研究證實，向土壤中添加CMC可以降低養分的淋失率，促進植物的生長發育。

CMC可以協同生物炭、腐殖酸等材料發揮作用。Priya等[10]通過將尿素負載到CMC上合成了一種新型水凝膠復合肥料，具有熱穩定性，有著優異的包封性能，可以緩慢將尿素釋放出來，進而在促進植物生長的同時，避免對環境造成污染。

2.4 對土壤生物的影響

CMC能夠作為微生物的碳源，促進有益微生物的生長，從而改善土壤生態環境，為植物提供更好的生長條件。施加的CMC可以參與土壤微生物的活動。土壤微生物在植物生長過程中扮演重要角色，能夠參與有機質的分解，促進養分循環，增強植物對病害的抵抗力。江世雄等[4]在南方黏土中施加CMC，并種植寬葉雀稗。結果發現，適宜含量的CMC可以有效提高植物的發芽率，同時其株高的增加量和生物量也明顯優于其他組。煙草幼苗面對重金屬鎘脅迫時，CMC形成的水凝膠可以提高煙草幼苗的過氧化物酶含量，降低丙二醛含量，有效緩解鎘脅迫對煙草幼苗生長發育的限制，增強其抗逆能力，優化葉長、葉寬、根長、根莖等生長指標，提高地上地下生物量和煙草幼苗的光合能力，從而提高煙草的產量[11]。

3 當前面臨的挑戰

當前，CMC在土壤改良領域已展現出顯著的應用潛力，但研究和實踐過程仍面臨一系列挑戰。有必要解決這些問題，促進CMC在土壤改良中得到更廣泛和更有效的應用。一是作用機理不明確。CMC已被證實能夠改善土壤結構并促進植物生長，其具體作用機理仍不完全清楚。二是長期效應未知。當前，CMC在土壤改良中的研究多集中在短期效果上，長期應用CMC對土壤性質及植物生長的影響尚不明確。三是經濟效益分析不足。雖然CMC具有顯著的土壤改良效果，但是其在大規模農業生產中的經濟效益尚未充分評估。CMC的生產成本、施用成本及其對作物產量和質量的影響都需要進行詳細的經濟分析，以確定實際農業生產中其應用的經濟可行性。四是環境影響考量。雖然CMC被認為是環境友好的土壤改良劑，但是其在自然環境中的降解速率、降解產物及對環境的潛在影響還需要進一步研究。

4 結語

CMC作為一種有效的土壤改良劑，可以改善土壤物理性質，增強土壤保水保肥能力，促進植物生長，提高作物產量。總的來說，CMC在土壤改良領域已經取得顯著的研究進展，顯示出良好的應用前景。未來研究需要進一步探索CMC的作用機制，優化其應用方式，評估其經濟和環境效益，以實現其在土壤改良和農業可持續發展中的廣泛應用。

參考文獻

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