第一篇：造紙業(yè)中酶制劑的運(yùn)用與進(jìn)展研究論文

酶是自然界動(dòng)植物、部分有機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生的一類大型蛋白質(zhì)，具有專一、高效和多樣性的特點(diǎn)，可降解部分特定的高分子，作為生物催化劑加快反應(yīng)速度。20年來，酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用有了很大的發(fā)展，尤其在生物制漿中減少蒸煮化學(xué)品的用量、生物漂白過程中減少漂劑的用量、生物酶促打漿節(jié)能減排技術(shù)、酶法廢紙脫墨性能的改善、紙漿的酶法改性、制漿造紙廢液生物處理、利用生物酶改進(jìn)紙漿的濾水性、紙漿中樹脂控制、用生物手段控制腐漿等諸多方面。

1酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用

1.1酶在生物制漿方面的應(yīng)用

生物制漿主要包括化學(xué)法制漿和機(jī)械法制漿。生物化學(xué)法制漿是指通過生物方法對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，以減輕木片成漿的蒸解度，減少蒸煮化學(xué)藥品的用量，降低堿回收強(qiáng)度、減少漂白化學(xué)藥品用量，以及降低漂白廢液的污染負(fù)荷等。當(dāng)今，生物化學(xué)制漿的研究已發(fā)展到中試和工業(yè)化規(guī)模，而且預(yù)處理方法從菌的預(yù)處理轉(zhuǎn)向采用酶進(jìn)行預(yù)處理，這是因?yàn)榫蝗缙洚a(chǎn)生的酶穩(wěn)定和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好。經(jīng)過酶制劑處理的植物纖維原料，再經(jīng)過化學(xué)法處理和蒸煮后，纖維的質(zhì)量有一定的改善和提高。白延坤等〔3〕研究光葉褚白皮機(jī)械生物法制漿的結(jié)果表明，和對(duì)照漿相比，纖維素的脫除率略高，果膠脫除率略低、木素脫除率較高、戊聚糖得到保留更多，而且成漿周期明顯縮短。陳嘉川等首先用聚木糖酶預(yù)處理麥草，在相同的工藝條件下對(duì)常規(guī)化學(xué)法制漿和酶法化學(xué)制漿進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)得出:聚木糖酶的預(yù)處理明顯提高麥草的脫木素程度，紙漿的卡伯值降低兩個(gè)單位，蒸煮的用堿量減少，紙漿得率有所提高。與常規(guī)的化學(xué)法制麥草漿相比，酶制劑處理的化學(xué)麥草漿的物理強(qiáng)度和光學(xué)性能都有明顯改善。因此，聚木糖酶預(yù)處理可以改善原料的制漿性能、減少能耗。

當(dāng)今，生物法機(jī)械漿是國內(nèi)外制漿造紙科研人員研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。生物法機(jī)械漿是在磨漿前用微生物菌如白腐菌對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，或者用酶制劑對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，以降低樹脂的含量，節(jié)約磨漿能耗，減輕環(huán)境污染，改善紙漿的成紙強(qiáng)度?，F(xiàn)己表明，對(duì)預(yù)處理后的木片進(jìn)行磨漿可節(jié)省10%一30%的動(dòng)力，而且紙漿的強(qiáng)度有所提高。在機(jī)械磨漿前用真菌或酶處理?xiàng)钅酒?，與未經(jīng)生物預(yù)處理的機(jī)械法制漿相比，電能節(jié)約20%一40%，耐破指數(shù)由o.92kPam飛上升到2.05kpa.m飛，撕裂指數(shù)由2.03IllN耐g上升到4.53mN耐g、抗張指數(shù)由29.5N耐g上升為52.8N而g〔6一7〕。經(jīng)過生物酶預(yù)處理的火炬松木片機(jī)械漿和未經(jīng)處理的相比，除了抗張指數(shù)略微降低外，其他成紙的物理指標(biāo)與楊木相似。實(shí)驗(yàn)研究還表明，預(yù)處理的最適宜條件是木片處理時(shí)要有充足的菌或酶、處理時(shí)間和適合的處理?xiàng)l件。上述的生物制漿法雖然針對(duì)木材原料進(jìn)行研究，但對(duì)其他造紙?jiān)系纳锓C(jī)械漿制備也同樣有效。

1.2生物酶制劑在生物漂白技術(shù)方面的應(yīng)用

生物漂白是利用微生物菌或酶制劑與紙漿中的某些成分作用，然后進(jìn)行脫木素或使其有利于脫木素，從而改善紙漿可漂性，提高紙漿白度的過程。生物漂白可節(jié)省化學(xué)漂劑，改善紙漿性能，減少漂白污染。

目前，用于紙漿漂白的酶制劑主要有兩大類:半纖維素酶和木素降解酶。半纖維素酶是指聚木糖酶和聚甘露糖酶;木素降解酶主要包括漆酶、過氧化物酶和錳過氧化物酶。20世紀(jì)80年代，制漿造紙工作者對(duì)聚木糖酶輔助漂白進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得大量的研究成果:無論是闊葉木漿、針葉木漿、竹漿、草漿，還是硫酸鹽漿、其他化學(xué)漿和化學(xué)機(jī)械漿，無論是與傳統(tǒng)的有氯漂白，還是與先進(jìn)的無氯漂白相結(jié)合，聚木糖酶的助漂作用都能促進(jìn)漿中殘余木素的降解，進(jìn)一步提高木素的脫除程度、漂后紙漿的白度和穩(wěn)定性，同時(shí)減少后續(xù)漂白段漂劑的用量，從而減輕紙漿漂白對(duì)環(huán)境的污染。

對(duì)于聚木糖酶漂白機(jī)理探索和研究，國內(nèi)外制漿造紙工作者進(jìn)行了大量的探索和實(shí)驗(yàn)，目前尚未得到明確的理論。但普遍認(rèn)為的助漂理論有以下幾點(diǎn):第一，聚木糖酶破壞了聚木糖的連接鍵，使LCC鍵斷裂，漂白化學(xué)試劑到達(dá)紙漿纖維的可及度提高，利于木素的脫除;第二，蒸煮后期蒸煮堿液濃度降低引起聚木糖的二次沉淀，這些聚木糖阻礙了漂白化學(xué)試劑對(duì)紙漿中殘余木素的作用，而聚木糖酶能使這些聚木糖水解或部分水解，使漂白化學(xué)試劑更易脫去殘余木素，紙漿的漂白得以實(shí)現(xiàn);第三，聚木糖酶還會(huì)降解紙漿中的一少部分半纖維素，使纖維細(xì)胞壁變得疏松，木素更容易脫除;第四，聚木糖酶能去除蒸煮中產(chǎn)生的己烯糖醛酸聚木糖衍生物[8]，進(jìn)一步改善紙漿的漂白性能。

用于生物漂白的聚木糖酶，要求有很強(qiáng)的耐堿耐高溫性，可利用蛋白質(zhì)工程和基因工程方法和手段獲取耐堿耐熱性能優(yōu)良的聚木糖酶，這是目前制漿造紙酶制劑研究的熱點(diǎn)，相信將來重組酶會(huì)更有效地應(yīng)用于漂白工藝中去。漆酶能氧化非酚型的木素模型化合物〔9]，因而吸引了眾多專家學(xué)者研究其對(duì)紙漿的助漂白作用。漆酶介體系統(tǒng)(laccase一mediator一system，LMS)在一定條件下對(duì)紙漿進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的處理，能使紙漿卡伯值大幅下降。錳過氧化物酶漂白需要在添加劑存在的情況下才能實(shí)現(xiàn)助漂性能，雖然其助漂效果良好，但因?yàn)槊柑砑觿┑膬r(jià)格昂貴，較難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。表1是多種酶在紙漿漂白中的應(yīng)用情況。

1.3酶制劑在酶促打漿和節(jié)能減排方面的應(yīng)用

酶促打漿的概念是用高活性的纖維素酶以及半纖維素酶在打漿前對(duì)紙漿進(jìn)行預(yù)處理，目的使纖維表面松弛和活化，進(jìn)而促進(jìn)纖維的吸水潤脹，提高細(xì)纖維化和微細(xì)纖維化的程度。在后面的磨漿機(jī)械作用下，纖維被切斷或分絲帚化，單根纖維的比表面積和多根纖維分子之間的鍵合力增強(qiáng)，抄成的紙張各項(xiàng)物理指標(biāo)有所提高匯‘創(chuàng)，同時(shí)打漿能耗降低。

酶促打漿，是把酶制劑以溶液的形式添加到漿料中去，組成漿料和酶的非均相體系。在酶制劑處理初期，纖維表面的半纖維素部分被酶分解，纖維表面吸水潤脹的程度明顯提高，同時(shí)纖維表面的滲透性增強(qiáng)，因而酶分子更容易滲透并擴(kuò)散到纖維的內(nèi)部，微細(xì)纖維間的半纖維素被酶制劑降解，它們相互間的作用力減弱。然后，生物酶開始進(jìn)攻纖維素的P層，51層的結(jié)構(gòu)有所松弛，細(xì)小纖維間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，由于半纖維素酶制劑能破壞木素一碳水化合物復(fù)合體(LCC)之間的連接鍵，生物酶制劑進(jìn)入次生壁的通道被打開，纖維素酶作用于纖維表面產(chǎn)生一定的剝離反應(yīng)，把51層和P層去除，把S:層更好地裸露出來但使其不受損傷，并加快了細(xì)纖維化，保持紙漿強(qiáng)度性能良好的情況下，改善打漿性能，節(jié)約打漿能耗。

表2是酶促磨漿的主要研究結(jié)果，從1968年Yerkes利用纖維素酶(來自白腐香栓菌)研究化學(xué)漿和棉短絨的磨漿能耗到現(xiàn)在的復(fù)合酶制劑用于降低磨漿能耗的研究，經(jīng)歷了40多年的時(shí)間，并取得了一系列的成績。利用酶制劑對(duì)磨前紙漿進(jìn)行處理，無論是針葉木還是闊葉木的化學(xué)漿或者機(jī)械漿，都可降低10%一40%的能耗。當(dāng)今，具備更好反應(yīng)和控制能力的制漿造紙專用酶制劑得以廣泛應(yīng)用，但對(duì)新酶種的識(shí)別和它們潛在的價(jià)值仍然制約著酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的工業(yè)化和商業(yè)化。

1.4酶制劑在廢紙脫墨中的應(yīng)用

酶法脫墨是一種經(jīng)濟(jì)有效的脫墨方法，它能減輕或解決化學(xué)脫墨帶來的一系列環(huán)境污染問題，降低漂白化學(xué)藥品的用量、改善漿料的濾水性能等。當(dāng)今，廢紙脫墨的酶制劑主要有纖維素酶、聚木糖酶、漆酶、果膠酶、脂肪酶、酷酶、淀粉酶等。纖維素酶、半纖維素酶和素木降解酶主要是通過改變纖維表面或附近的連接鍵，從而使油墨與纖維分離，借助洗滌或浮選的方法將油墨去除;而脂肪酶、酉旨酶等則是利用酶制劑直接攻擊油墨，以降解油墨中的油性連接料，碎解油墨，使其與纖維分離，從而實(shí)現(xiàn)廢紙脫墨目的。

廢紙漿中的植物纖維、油墨、淀粉和其他添加劑，大都能作為酶制劑作用的底物，是酶法脫墨的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，酶法脫墨主要有兩種不同的方法，一種是與廢紙漿中的纖維素和半纖維素反應(yīng)的酶，另一種是和油墨反應(yīng)的酶。對(duì)于酶制劑與纖維素和半纖維素的作用機(jī)理目前主要有四種推測:第一，對(duì)纖維素微纖維的剝皮作用;第二，對(duì)可及的纖維素鏈的水解;第三，對(duì)纖維素微纖維或微細(xì)組分的脫除;第四，對(duì)半纖維素的分解作用使碳水化合物一木素復(fù)合體釋放出木素。與油墨反應(yīng)的酶主要是酷酶和脂肪酶，它們可以破壞油基印刷油墨的連接料或者載體。目前情況是酶制劑可以加到脫墨的初始階段，部分或者全部取代傳統(tǒng)脫墨方法的脫墨劑，利用浮選洗滌法脫除油墨粒子。但研究還表明，采用酶法脫墨的油墨粒子要比其他脫墨方法的油墨粒子小很多，這些油墨小粒子能擴(kuò)散進(jìn)入纖維中，降低洗滌效果。但總體來看，酶法脫墨能減少墨點(diǎn)數(shù)，紙漿的白度基本持平，效果與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，但很大程度上減少了廢水中的污染負(fù)荷。目前廢紙的纖維素酶和半纖維素酶法脫墨己部分實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，探索其他能用于廢紙脫墨的酶對(duì)于酶法脫墨的發(fā)展具有重要的意義。

酶法脫墨的研究最初主要集中在舊報(bào)紙的脫墨，研究結(jié)果表明:酶制劑可以部分甚至全部代替化學(xué)品，減少污染，同時(shí)舊紙的疏解時(shí)間縮短，能耗降低;所得脫墨漿白度較高，并且濾水性能好，易于漂白。顧其萍等L20]研究了脂肪酶用于舊報(bào)紙脫墨，發(fā)現(xiàn)脂肪酶脫墨漿效果良好，并且脂肪酶脫墨漿的返黃值低于化學(xué)脫墨漿。還有人研究了漆酶介體體系對(duì)舊報(bào)紙的脫墨效果和對(duì)后續(xù)漂白的影響，發(fā)現(xiàn)脫墨漿的白度稍微下降，但后續(xù)的可漂性明顯提高，研究還發(fā)現(xiàn)，漆酶與聚木糖酶一起使用會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，對(duì)舊報(bào)紙脫墨后漂白漿的質(zhì)量改善明顯。這可能是因?yàn)榫勰咎敲柑岣吡似崦附轶w體系對(duì)紙漿纖維的可及性〔2，〕。近些年，酶法脫墨研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向靜電復(fù)印紙和激光打印紙的辦公廢紙脫墨上，并取得了良好進(jìn)展:實(shí)驗(yàn)表明，加入少量商品纖維素酶和表面活性劑，能很大程度上提高辦公廢紙油墨的脫除率t221。

1.5酶制劑在纖維改性中的作用

利用酶制劑對(duì)紙漿纖維進(jìn)行改性，在保證紙漿纖維強(qiáng)度的前提下，提高紙漿濾水性，降低打漿能耗。纖維改性的方法，包括化學(xué)法改性、機(jī)械法改性和物理法改性三種。根據(jù)酶對(duì)纖維的改性作用，可分為三類:一是改善紙漿濾水性能、抄紙性能和提高高得率紙漿成紙性能的纖維素酶為主的酶制劑體系，二是降低打漿能耗、改善濾水性能和高得率漿成紙性能的半纖維素酶為主的酶制劑體系，三是以改善高得率紙漿物理性能的木素降解酶為主的酶系[23一24]。

纖維素酶處理紙漿能改善紙漿的濾水性，可能是因?yàn)榧垵{中纖維連接較緊密，纖維素酶很難把纖維素分子降解。它能改善紙漿的濾水性能，是因?yàn)槊柑幚砟芴岣呒垵{游離度。在酶制劑的作用下，纖維的性能會(huì)產(chǎn)生一定的變化，主要是由于纖維素酶對(duì)纖維表面進(jìn)行作用，主要表現(xiàn)在剝皮、腐蝕、微細(xì)纖維化和纖維切斷等幾個(gè)方面，最終影響紙漿的成紙性能。王兆榮等〔25j研究了纖維素酶對(duì)漂白針葉木漿的改性，發(fā)現(xiàn)適量的纖維素酶用量，能降低打漿能耗，提高紙張的抗張指數(shù)，但撕裂指數(shù)略微下降。Mansfield等仁26]的研究表明，復(fù)合纖維素酶處理紙漿能提高改性后紙漿的游離度，降低打漿能耗，提高紙張的印刷性能，改善成紙的平滑度，而且成紙的抗張強(qiáng)度也有所增加。

紙漿的纖維改性技術(shù)有著良好的發(fā)展和應(yīng)用前景，但對(duì)改性劑和纖維作用規(guī)律的研究需要深入和提高。研究紙漿纖維改性的機(jī)理，有針對(duì)性的利用不同的改性劑和改性手段，探索其適宜的環(huán)境條件和作用方式及理論，并用于實(shí)際生產(chǎn)，兩方面的結(jié)合研究將互相促進(jìn)，從而加快紙漿纖維改性的研究速度。酶制劑技術(shù)的發(fā)展，也必將在新的酶改性技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

1.6酶在處理造紙廢水中的應(yīng)用

廢水的厭氧處理，是水解產(chǎn)酸菌利用自身產(chǎn)生的胞外酶將有機(jī)物水解成小分子并酸化，將其繼續(xù)乙酸化，最終將有機(jī)物污染物分解產(chǎn)生甲烷和二氧化碳?xì)怏w。厭氧生物處理由于產(chǎn)生的污泥產(chǎn)量低、動(dòng)力消耗少等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

活性污泥法是好氧生物處理廢水的典型方法，好氧活性污泥的細(xì)菌如動(dòng)膠菌和革蘭氏陰性菌作用是能迅速穩(wěn)定制漿造紙廢水中的有機(jī)污染物，使其具備良好的自我凝聚能力和沉降性能。好氧細(xì)菌在有氧的環(huán)境條件下降解有機(jī)物，然后在沉淀池中沉淀成污泥，上面的清液被排出或重新利用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的生物法處理。

固定化微生物技術(shù)是在固定化酶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新的生物技術(shù)。即將微生物固定在載體上，并保持其生物功能。漆酶的固定化及其在造紙廢水處理中的應(yīng)用中表明〔28]，用固定化漆酶法處理紙廠廢水，能有效去除甲基酚，同時(shí)漆酶還能夠脫除甲基和溶解紙漿中的部分木素。漆酶經(jīng)固定化后，能進(jìn)一步提高漆酶處理廢水脫色的有效性，每一單位酶活所降低的廢水色度值明顯提高。

2酶制劑未來發(fā)展方向

隨著真菌和細(xì)菌的培養(yǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，制漿造紙酶制劑技術(shù)也在不斷地更新，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，需求量也不斷增加。制漿造紙整個(gè)過程中的各個(gè)階段所需要的酶種有所不同，取自哪種真菌或細(xì)菌，其存在的基物是哪些，如何將其分離、鑒定和純化，以及它們的生長環(huán)境和條件、應(yīng)用時(shí)的環(huán)境條件，都是未來的研究和發(fā)展方向。

3結(jié)語

生物技術(shù)和酶制劑在制漿造紙過程中的應(yīng)用和發(fā)展，尤其是當(dāng)前生物酶用于造紙過程中的各個(gè)工段，它在減少能耗，降低化學(xué)藥品用量，減輕環(huán)境污染方面做出了積極貢獻(xiàn)，為建立環(huán)境友好型的制漿造紙工業(yè)成為可能。相信隨著生物技術(shù)的發(fā)展和酶制劑的深入研究，必將為制漿造紙工業(yè)的發(fā)展發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。

第二篇：湖南造紙業(yè)的市場現(xiàn)狀與對(duì)策研究

提綱已廢，如有需要的親們隨意的用吧 QAQ！

湖南造紙業(yè)現(xiàn)狀與對(duì)策研究

1.緒論

1.1研究的目的及意義

1.2相關(guān)概念

2.湖南造紙業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1造紙企業(yè)個(gè)數(shù)減少，整體規(guī)模增大

2.1.1總數(shù)減少近半，總產(chǎn)量保持增加

2.1.2國有企業(yè)“泰格林紙”保持龍頭地位

2.2營業(yè)收入保持增長態(tài)勢，發(fā)展增速減緩

2.3產(chǎn)量、產(chǎn)值、庫存增長，利潤增長同比下降

2.3新技術(shù)、新產(chǎn)品開發(fā)加快，市場競爭力提升

3.湖南造紙業(yè)所存在的問題

3.1木材原料比重偏低，林紙一體化政策需要進(jìn)一步強(qiáng)化和貫徹落實(shí)

3.2企業(yè)沒有形成完善的廢紙回收管理體系

3.2.1廢紙回收依靠進(jìn)口，對(duì)外依存度高

3.2.2廢紙回收專業(yè)化水平低

3.3水資源消耗大，環(huán)保設(shè)施不完善，污染嚴(yán)重

3.4企業(yè)規(guī)模小,產(chǎn)業(yè)裝備與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理

3.4.1產(chǎn)品以中低檔為主，市場競爭力低

3.4.2缺乏高端產(chǎn)品，附加值低

3.5產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，市場競爭加劇

4.湖南造紙業(yè)發(fā)展策略及解決方法

4.1走林紙一體化和葦紙一體化道路

4.1.1林紙一體化、葦紙一體化基本概念

4.1.2林紙一體化、葦紙一體化優(yōu)勢

4.2建設(shè)和完善廢紙回收體系

4.3加強(qiáng)技術(shù)改造，確保造紙企業(yè)可持續(xù)發(fā)展

4.3.1加強(qiáng)技術(shù)改造，引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的管理方法

4.3.2實(shí)施清潔生產(chǎn)管理，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)

4.4改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品附加值

4.5加快結(jié)構(gòu)調(diào)整，鼓勵(lì)企業(yè)兼并重組

4.5.1扶優(yōu)扶強(qiáng)，提高產(chǎn)業(yè)集中度

4.5.2淘汰落后產(chǎn)能，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)

4.5.3進(jìn)一步調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局努力，提高產(chǎn)品質(zhì)量

第三篇：環(huán)境保護(hù)論文-土壤退化研究的進(jìn)展與趨向

提要定義了土壤退化的概念，分析了全球及我國土壤退化概況，總結(jié)了土壤退化的研究進(jìn)展，最后提出了土壤退化科學(xué)的研究方向。

關(guān)鍵詞土壤退化；概況；進(jìn)展；方向

中圖分類號(hào)S158.文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1000－3037(2000)03－0280－0鑒于土壤及土地退化對(duì)全球食物安全、環(huán)境質(zhì)量及人畜健康的負(fù)面影響日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)，從土壤圈與地圈—生物圈系統(tǒng)及其它圈層間的相互作用的角度研究土壤退化，特別是人為因素誘導(dǎo)的土壤退化的發(fā)生機(jī)制與演變動(dòng)態(tài)、時(shí)空分布規(guī)律及未來變化預(yù)測與恢復(fù)重建對(duì)策，已成為研究全球變化的最重要的組成部分，并將繼續(xù)成為21世紀(jì)國際土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)及環(huán)境科學(xué)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。但是，迄今為止，有關(guān)土壤退化的許多理論問題及過程機(jī)理尚不清楚，還沒有公認(rèn)的或統(tǒng)一的土壤退化指標(biāo)和定量化評(píng)價(jià)方法[1]。因此，及時(shí)了解國際土壤退化研究的最新動(dòng)向，并結(jié)合我國實(shí)際創(chuàng)造性地開展該領(lǐng)域的研究工作，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)意義。

1土壤退化的概念

土壤退化(Soildegradation)是指在各種自然，特別是人為因素影響下所發(fā)生的導(dǎo)致土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力或土地利用和環(huán)境調(diào)控潛力，即土壤質(zhì)量及其可持續(xù)性下降（包括暫時(shí)性的和永久性的）甚至完全喪失其物理的、化學(xué)的和生物學(xué)特征的過程，包括過去的、現(xiàn)在的和將來的退化過程，是土地退化的核心部分。土壤質(zhì)量(Soilquality)則是指土壤的生產(chǎn)力狀態(tài)或健康(Health)狀況，特別是維持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和持續(xù)土地利用及環(huán)境管理、促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[2]。土壤質(zhì)量的核心是土壤生產(chǎn)力，其基礎(chǔ)是土壤肥力。土壤肥力是土壤維持植物生長的自然能力，它一方面是五大自然成土因素，即成土母質(zhì)、氣候、生物、地形和時(shí)間因素長期相互作用的結(jié)果，帶有明顯的響應(yīng)主導(dǎo)成土因素的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性；另一方面，人類活動(dòng)也深刻影響著自然成土過程，改變土壤肥力及土壤質(zhì)量的變化方向。因此，土壤質(zhì)量的下降或土壤退化往往是一個(gè)自然和人為因素綜合作用的動(dòng)態(tài)過程。根據(jù)土壤退化的表現(xiàn)形式，土壤退化可分為顯型退化和隱型退化兩大類型。前者是指退化過程（有些甚至是短暫的）可導(dǎo)致明顯的退化結(jié)果，后者則是指有些退化過程雖然已經(jīng)開始或已經(jīng)進(jìn)行較長時(shí)間，但尚未導(dǎo)致明顯?耐嘶峁?/p>

2全球土壤退化概況

當(dāng)前，因各種不合理的人類活動(dòng)所引起的土壤和土地退化問題，已嚴(yán)重威脅著世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球土壤退化面積達(dá)1965萬km2。就地區(qū)分布來看，地處熱帶亞熱帶地區(qū)的亞洲、非洲土壤退化尤為突出，約300萬km2的嚴(yán)重退化土壤中有120萬km2分布在非洲、110萬km2分布于亞洲；就土壤退化類型來看，土壤侵蝕退化占總退化面積的84%，是造成土壤退化的最主要原因之一；就退化等級(jí)來看，土壤退化以中度、嚴(yán)重和極嚴(yán)重退化為主，輕度退化僅占總退化面積的 38%[3～6]。

全球土壤退化評(píng)價(jià)(GlobalAssessmentofSoilDegradation)研究結(jié)果[3～6]顯示，土壤侵蝕是最重要的土壤退化形式，全球退化土壤中水蝕影響占56%，風(fēng)蝕占28%；至于水蝕的動(dòng)因，43%是由于森林的破壞、29%是由于過度放牧、24%是由于不合理的農(nóng)業(yè)管理，而風(fēng)蝕的動(dòng)因，60%是由于過度放牧、16%是由于不合理的農(nóng)業(yè)管理、16%是由于自然植被的過度開發(fā)、8%是由于森林破壞；全球受土壤化學(xué)退化（包括土壤養(yǎng)分衰減、鹽堿化、酸化、污染等）影響的總面積達(dá)240萬km2，其主要原因是農(nóng)業(yè)的不合理利用(56%)和森林的破壞(28%)；全球物理退化的土壤總面積約83萬km2，主要集中于溫帶地區(qū)，可能絕大部分與農(nóng)業(yè)機(jī)械的壓實(shí)有關(guān)。

3我國土壤退化狀況

首先，我國水土流失狀況相當(dāng)嚴(yán)重，在部分地區(qū)有進(jìn)一步加重的趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料[7]，1996年我國水土流失面積已達(dá)183萬km2，占國土總面積的19%。僅南方紅黃壤地區(qū)土壤侵蝕面積就達(dá)6153萬km2，占該區(qū)土地總面積的1/4[8]。同時(shí)，對(duì)長江流域13個(gè)重點(diǎn)流失縣水土流失面積調(diào)查結(jié)果表明，在過去的30年中，其土壤侵蝕面積以平均每年1.2%～2.5%的速率增加[9]，水土流失形勢不容樂觀。

其次，從土壤肥力狀況來看，我國耕地的有機(jī)質(zhì)含量一般較低，水田土壤大多在1%～3%，而旱地土壤有機(jī)質(zhì)含量較水田低，＜1%的就占31.2%；我國大部分耕地土壤全氮都在0.2%以下，其中山東、河北、河南、山西、新疆等5?。▍^(qū)）嚴(yán)重缺氮面積占其耕地總面積的一半以上；缺磷土壤面積為67.3萬km2，其中有20多個(gè)?。▍^(qū)）有一半以上耕地嚴(yán)重缺磷；缺鉀土壤面積比例較小，約有18.5萬km2，但在南方缺鉀較為普遍，其中海南、廣東、廣西、江西等?。▍^(qū)）有75%以上的耕地缺鉀，而且近年來，全國各地農(nóng)田養(yǎng)分平衡中，鉀素均虧缺，因而，無論在南方還是北方，農(nóng)田土壤速效鉀含量均有普遍下降的趨勢；缺乏中量元素的耕地占63.3%[10]。對(duì)全國土壤綜合肥力狀況的評(píng)價(jià)尚未見報(bào)道，就東部紅壤丘陵區(qū)而言，選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、pH值、CEC、物理性粘粒含量、粉/粘比、表層土壤厚度等11項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，其大部分土壤均不同程度遭受肥力退化的影響，處于中、下等水平，高、中、低肥力等級(jí)的土壤的面積分別占該區(qū)總面積的25.9%、40.8%和 33.3%，在廣東丘陵山區(qū)、廣西百色地區(qū)、江西吉泰盆地以及福建南部等地區(qū)肥力退化已十分嚴(yán)重[11]。

此外，其它形式的土壤退化問題也十分嚴(yán)重。以南方紅壤區(qū)為例，約20萬km2的土壤由于酸化問題而影響其生產(chǎn)潛力的發(fā)揮；化肥、農(nóng)藥施用量逐年上升，地下水污染不斷加劇，在部分沿海地區(qū)其地下水硝態(tài)氮含量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WHO建議的最高允許濃度10mg/l；同時(shí)，在一些礦區(qū)附近和復(fù)墾地及沿海地區(qū)土壤重金屬污染也相當(dāng)嚴(yán)重[8]。

4土壤退化研究進(jìn)展

自1971年FAO提出土壤退化問題并出版“土壤退化"專著以來，土壤退化問題日益受到人們的關(guān)注。第一次與土地退化有關(guān)的全球性會(huì)議——聯(lián)合國土地荒漠化(desertification)會(huì)議于1977在肯尼亞內(nèi)羅畢召開。聯(lián)合國環(huán)境署(UNEp)又分別于1990年和1992年資助了Oldeman等開展全球土壤退化評(píng)價(jià)(GLASOD)、編制全球土壤退化圖和干旱土地的土地退化（即荒漠化）評(píng)估的項(xiàng)目計(jì)劃。1993年FAO等又召開國際土壤退化會(huì)議，決定開展熱帶亞熱帶地區(qū)國家級(jí)土壤退化和SOTER（土壤和地體數(shù)字化數(shù)據(jù)庫）試點(diǎn)研究。在1994年墨西哥第15屆國際土壤學(xué)大會(huì)上，土壤退化，尤其是熱帶亞熱帶的土壤退化問題倍受與會(huì)者的重視，不少科學(xué)家指出，今后20年熱帶亞熱帶將有1/3耕地淪為荒地，117個(gè)國家糧食將大幅度減產(chǎn)，呼吁加強(qiáng)土壤退化及土地退化恢復(fù)重建研究，并在土壤退化的概念、退化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫、退化指標(biāo)及評(píng)價(jià)模型與地理信息系統(tǒng)、退化的遙感與定位動(dòng)態(tài)監(jiān)測和模擬建模及預(yù)測、土壤復(fù)退性能研究、退化系統(tǒng)恢復(fù)重建的專家?霾呦低車妊芯糠矯嬗辛誦碌姆⒄埂９仕簾３盅Щ嵋燦?nbsp;1997在加拿大多倫多組織召開了以流域?yàn)榛A(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)管理的全球挑戰(zhàn)國際研討會(huì)，從生態(tài)系統(tǒng)、流域的角度探討土壤侵蝕等土壤退化等問題。而且，國際土壤聯(lián)合會(huì)于1996年和1999年分別在土耳其和泰國舉行了直接以土地退化為主題的第一屆和第二屆國際土地退化會(huì)議，并在第一屆會(huì)議上決定成立了土壤退化研究工作組專門研究土壤退化，在第二屆會(huì)議上則對(duì)土壤退化問題更為重視，并有學(xué)者倡議將土壤退化研究提高到退化科學(xué)的高度來認(rèn)識(shí)，并決定于2001年在巴西召開第三屆國際土壤退化會(huì)議[12]。同時(shí)，在亞洲，由UNDp和FAO支持的“亞洲濕潤熱帶土壤保持網(wǎng)(ASOCON)”和“亞洲問題土壤網(wǎng)”也在亞太土地退化評(píng)估與控制方面開展了大量的卓有成效的研究工作。總的說來，國際上土壤退化研究在以下方面取得了重要進(jìn)展：①從土壤退化的內(nèi)在動(dòng)因和外部影響因子（包括自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素）的綜合角度，研究土壤退化的評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)方法體系；②從土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程及其相互作用入手，研究土壤退化的過程與本質(zhì)及機(jī)理；③從歷史的角度出發(fā)，結(jié)合定位動(dòng)態(tài)監(jiān)測，?芯扛骼嗤寥勞嘶難荼涔碳胺⒄骨饗蠔退俾剩⒍云浣心Ｄ夂馱げ?；④侧重人类活动（特冰樓蛻儇利用方g膠屯寥讕芾澩朧┒醞寥勞嘶屯寥樂柿坑跋斕難芯浚⒔寥勞嘶睦礪堊芯坑臚嘶寥賴鬧衛(wèi)硨涂⑾嘟岷?，进行蛻儇更袖涬H鹺屯寥郎δ鼙；さ氖匝槭痙逗屯乒?；⑤注重传统茧H酰ㄒ巴獾韃欏⑻錛涫匝欏⑴柙允匝欏⑹笛槭曳治霾饈?、定芜€鄄饈匝櫚齲┯敫咝錄際酰ㄒ８?、地理信息系蛨觫地面定位系蛨觫模拟窉噫、专枷伒蛙圐x┑慕岷?；⑺捰删l峋醚Ы嵌妊芯客寥勞嘶醞寥樂柿考捌瀋Φ撓跋臁?/p>

我國土壤學(xué)研究工作在過去幾十年主要集中在土壤發(fā)生、分類和制圖（特別是土壤資源清查）；土壤基本物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)（特別是土壤肥力性狀）；土壤資源開發(fā)利用與改良（特別是土壤培肥，鹽漬土和紅壤的改良等）等方面。這些工作雖然在廣義上與土壤退化科學(xué)密切相關(guān)，但直接以土壤退化為主題的研究工作主要集中在最近10多年，其中又以熱帶亞熱帶土壤退化研究工作較為系統(tǒng)和深入，并在80年代參與了熱帶亞熱帶土壤退化圖的編制，完成了海南島1∶100萬SOTER圖的編制工作。90年代以來，中國科學(xué)院南京土壤研究所結(jié)合承擔(dān)國家“八五”科技攻關(guān)專題“南方紅壤退化機(jī)制及防治措施研究”和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“我國東部紅壤地區(qū)土壤退化的時(shí)空變化、機(jī)理及調(diào)控對(duì)策的研究”任務(wù)，將宏觀調(diào)研與田間定位動(dòng)態(tài)觀測和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)相結(jié)合，將遙感、地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，將自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相結(jié)合，將時(shí)間演變與空間分布研究相結(jié)合，將退化機(jī)理與調(diào)控對(duì)策研究相結(jié)合，對(duì)南方紅壤丘陵區(qū)土壤退化的基本過程、作用機(jī)理及調(diào)控對(duì)策進(jìn)行了有益的探索，并在以下方面取得了重要進(jìn)展[

8、13]：①初步定義了土壤退化的概念，闡明了紅壤退化的基本過程、機(jī)制、特點(diǎn)。②在土壤侵蝕方面，利用遙感資料和地理信息系統(tǒng)技術(shù)編制了東部紅壤區(qū)1∶400萬90年代土壤侵蝕圖與疊加類型圖及典型地區(qū)70、80、90年代疊加土壤侵蝕圖，并在土壤侵蝕圖、土地利用圖、土壤母質(zhì)圖等基礎(chǔ)上，編制了1∶400萬土壤侵蝕退化分區(qū)概圖；對(duì)南方主要類型土壤可蝕性K值進(jìn)行了田間測定，并利用全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)和校正的Wischmeier方程，計(jì)算我國南方主要類型土壤可蝕性K，編制了相關(guān)圖件。③在肥力退化機(jī)理方面，建立了南方紅壤區(qū)土壤肥力數(shù)據(jù)庫，初步提出了肥力退化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行了土壤肥力退化評(píng)價(jià)的嘗試，并繪制了紅壤退化評(píng)價(jià)有關(guān)圖件；將養(yǎng)分平衡與土壤養(yǎng)分退化研究相結(jié)合總結(jié)了我國南方農(nóng)田養(yǎng)分平衡10年變化規(guī)律及其與土壤肥力退化的關(guān)系，認(rèn)為土壤侵蝕、酸化養(yǎng)分淋失等造成的養(yǎng)分赤字循環(huán)及養(yǎng)分的不平衡是土壤養(yǎng)分退化的根本原因；應(yīng)用遙感手段及歷史資料，編制了0～20cm及0～100cm土層的土壤有機(jī)碳密度圖，探討了紅壤有機(jī)碳庫的消長與轉(zhuǎn)化及腐殖質(zhì)組成性質(zhì)的變化規(guī)律；提出了磷素固定是紅壤磷素退化的主要原因，磷素有效性衰減的實(shí)質(zhì)是磷素的雙核化和向固相的擴(kuò)散，解決了紅壤磷素退化的實(shí)質(zhì)問題。④在土壤酸化方面，研究了紅壤的酸化特點(diǎn)，根據(jù)土壤的酸緩沖性能，建立了土壤酸敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了紅壤酸敏感性分級(jí)和分區(qū)，首次繪制了有關(guān)地區(qū)土壤酸敏感性分區(qū)概圖；采用MAGIC模型，并進(jìn)行校正對(duì)我國紅壤酸化進(jìn)行預(yù)測，揭示紅壤酸度的時(shí)空變化規(guī)律；并在作物耐鋁快速評(píng)估方面取得了重要進(jìn)展。⑤在土壤污染方面，利用多參數(shù)對(duì)重金屬的土壤污染進(jìn)行了綜合評(píng)估，建立了綜合污染指數(shù)(CpI)值的計(jì)算方法，對(duì)不同地區(qū)的污染狀況進(jìn)行了評(píng)估，繪制了重金屬污染概圖；應(yīng)用農(nóng)藥在土壤中的吸附系數(shù)(Kd)和半衰期(t1/2)及基質(zhì)遷移模式，闡明了土壤農(nóng)藥污染的機(jī)理；在重金屬污染對(duì)土壤肥力的影響方面的研究結(jié)果表明，重金屬污染可降低土壤對(duì)鉀的保持能力，促進(jìn)鉀的淋失；而對(duì)氮和磷而言，主要是降低與其催化降解和循環(huán)相關(guān)的酶的活性。⑥紅壤退化防治方面，提出了區(qū)域治理調(diào)控對(duì)策，“頂林—腰果—谷農(nóng)—塘魚”等立體種養(yǎng)模式等，并對(duì)一些開發(fā)模式進(jìn)行示范和評(píng)價(jià)。

然而，我國幅員遼闊，自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件復(fù)雜多樣，地區(qū)間差異明顯。各類型區(qū)在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展過程中均不同程度地面臨著各種資源環(huán)境退化問題，有些問題是全區(qū)共存的，有些則是特定類型區(qū)所特有的。過去的工作僅集中于江南紅壤丘陵區(qū)，而對(duì)其它地區(qū)觸及較少。而且，在研究工作中，也往往偏重于單項(xiàng)指標(biāo)及單個(gè)過程的研究。土壤退化綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究基本處于空白，對(duì)退化過程的相互作用研究不夠。同時(shí)，在合理選擇堿性物質(zhì)改良劑種類、提高經(jīng)濟(jì)效益以及長期施用改良劑對(duì)土壤物理、化學(xué)，特別是生物學(xué)性質(zhì)的影響等方面還有許多問題有待進(jìn)一步研究，對(duì)耐酸（鋁）作物品種的選擇研究也亟待加強(qiáng)。此外，對(duì)其它土壤退化問題，如集約化農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及礦產(chǎn)開發(fā)引起的土壤及水體污染、土壤生物多樣性衰減等問題，尚未開展系統(tǒng)研究。

5土壤退化的研究方向

土壤退化是一個(gè)非常綜合和復(fù)雜的、具有時(shí)間上的動(dòng)態(tài)性和空間上的各異性以及高度非線性特征的過程。土壤退化科學(xué)涉及很多研究領(lǐng)域，不僅涉及到土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)及環(huán)境科學(xué)，而且也與社會(huì)科學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)及相關(guān)方針政策密切相關(guān)。然而，迄今為止，國內(nèi)外的大多數(shù)研究工作偏重于對(duì)特定區(qū)域或特定土壤類型的某些土壤性狀在空間上的變化或退化的評(píng)價(jià)，而很少涉及不同退化類型在時(shí)間序列上的變化。而且，在土壤退化評(píng)價(jià)方法論及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系定量化、動(dòng)態(tài)化、綜合性和實(shí)用性以及尺度轉(zhuǎn)換等方面的研究工作大多處于探索階段。

我國土壤退化研究雖然在某些方面取得了一定的、有特色的進(jìn)展，但整體上還處于起步階段。為此，作者認(rèn)為，今后我國土壤退化的研究工作應(yīng)從更廣和更深的層次上系統(tǒng)綜合地開展土壤退化的綜合評(píng)價(jià)與主要退化類型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重建和恢復(fù)研究，并逐步向土地退化或環(huán)境退化方向拓展。具體來說，應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究工作：

(1)土壤與土地退化指標(biāo)評(píng)價(jià)體系研究。主要包括用于評(píng)價(jià)不同土壤及土地退化類型的單項(xiàng)和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、閾值和彈性，定量化的和綜合的評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)模型等；

(2)土壤退化的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究。主要包括建立土壤退化監(jiān)測研究網(wǎng)絡(luò)，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和國家在不同尺度水平上的土壤及土地退化的類型、范圍及退化程度進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)價(jià)，并進(jìn)行分類區(qū)劃，為退化土地整治提供依據(jù)；

(3)土壤與土地退化過程、機(jī)理及影響因素研究。重點(diǎn)研究幾種主要退化形式（如土壤侵蝕、土壤肥力衰減、土壤酸化、土壤污染及土壤鹽漬化等）的發(fā)生條件、過程、影響因子（包括自然的和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的）及其相互作用機(jī)理；

(4)土壤與土地退化動(dòng)態(tài)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫及其管理信息系統(tǒng)的研究。主要包括土壤退化監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)(Benchmarksites)的選建、3S(GIS、GpS、RS)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)及尺度轉(zhuǎn)換等現(xiàn)代技術(shù)和手段的應(yīng)用與發(fā)展、土壤退化屬性數(shù)據(jù)庫和GIS圖件及其動(dòng)態(tài)更新、土壤退化趨向的模擬預(yù)測與預(yù)警等方面的工作；

(5)土壤退化與全球變化關(guān)系研究。主要包括土壤退化與水體富營養(yǎng)化、地下水污染、溫室氣體釋放等；

(6)退化土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建研究。主要包括運(yùn)用生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理及專家系統(tǒng)等技術(shù)，研究和開發(fā)適用于不同土壤退化類型區(qū)的、以持續(xù)農(nóng)業(yè)為目標(biāo)的土壤和環(huán)境綜合整治決策支持系統(tǒng)與優(yōu)化模式，主要退化生態(tài)系統(tǒng)類型土壤質(zhì)量恢復(fù)重建的關(guān)鍵技術(shù)及其集成運(yùn)用的試驗(yàn)示范研究等方面的工作，為土壤退化防治提供決策咨詢和示范樣板；

(7)加強(qiáng)土壤退化對(duì)生產(chǎn)力的影響及其經(jīng)濟(jì)分析研究，協(xié)助政府制定有利于持續(xù)土地利用，防治土壤退化的政策。

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degradation[A].In:DJGreenland,ISzabolcs.SoilResilienceandSustainableLandUse[C].CABInternational, Wallingford,UK,1994,99～118.7中國農(nóng)業(yè)年鑒編輯委員會(huì)．中國農(nóng)業(yè)年鑒[Z]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1997.8張?zhí)伊郑袊t壤退化機(jī)制與防治[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.9紅黃壤地區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究專題協(xié)作組．紅黃壤地區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展研究（第一集）[C]．北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1993.10魯如坤．土壤—植物營養(yǎng)學(xué)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.11孫波，張?zhí)伊郑w其國．我國東南丘陵區(qū)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)[J]．土壤學(xué)報(bào)，1995,32(4)：362～369.12CAnecksamphant,CCharoenchamratcheep,T

Vearasilp,etal.ConferenceReportof2nd

InternationalConferenceonLandDegradation[R].Bangkok:DLD,1999.15～33.13趙其國，張?zhí)伊郑斎缋?，等．我國東部紅壤地區(qū)土壤退化的時(shí)空變化、機(jī)理及調(diào)控對(duì)策的研究[R]．南京：中國科學(xué)院南京土壤研究所，2000.

第四篇：復(fù)合材料的研究與進(jìn)展

復(fù)合材料的研究與進(jìn)展

摘要：所謂復(fù)合材料，指的是由兩種或兩種以上的材料經(jīng)過復(fù)合而制備的多相材料，是一種混合物。復(fù)合材料可以由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等復(fù)合而成，各種材料的性能之間相互補(bǔ)充或增強(qiáng)，取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而使復(fù)合材料的整體性能優(yōu)于原組成材料。復(fù)合材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕性好等。被廣泛應(yīng)用于航空航天，汽車工業(yè)，化工紡織和醫(yī)療等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料

一.復(fù)合材料的發(fā)展歷史

早在五千年年以前，在中東地區(qū)就有用蘆葦混合瀝青來造船的技術(shù)了，在古埃及，修建金字塔時(shí)用石灰、火山灰等作粘合劑，混和砂石等作砌料，這是最早最原始的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。而在古代中國，復(fù)合材料的應(yīng)用則更為瑰麗廣泛，如：從西安東郊半坡村仰韶文化遺址，發(fā)現(xiàn)早在公元前2000年以前，古代人已經(jīng)用草莖增強(qiáng)土坯作住房墻體材料；中國沿用至今的漆器是用漆作基體，麻絨或絲絹織物作增強(qiáng)體的復(fù)合材料；1957年江蘇吳江梅堰遺址出土有油漆彩繪陶器，1978年浙江余姚河姆渡遺址出土的朱漆木碗，就是兩件最早的漆器實(shí)物；漢墓出土的漆器鼎壺、盆具和茶幾等，用漆作膠粘劑，絲麻作增強(qiáng)體。在湖北隨縣出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，發(fā)現(xiàn)有用于車戰(zhàn)的長達(dá)3米多的戈戟，用木芯外包縱向竹絲，以漆作膠粘劑，絲線環(huán)向纏繞，其設(shè)計(jì)思想與近代復(fù)合材料相仿；1000多年以前，中國已用木料和牛角制弓，可在戰(zhàn)車上放射；至元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面貼單向纖維，受壓面粘牛角片，絲線纏繞，漆作膠粘，弓輕巧有力，是古代復(fù)合材料中制造水平高超的夾層結(jié)構(gòu)；在金屬基復(fù)合材料方面，如越王劍，是金屬包層復(fù)合材料制品，不僅光亮鋒利，而且韌性和耐蝕性優(yōu)異，埋藏在潮濕環(huán)境中幾千年，出土后依然寒光奪目，鋒利無比。【1】 到了近現(xiàn)代，隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在復(fù)合材料的基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能高的先進(jìn)復(fù)合材料。例如在第一次世界大戰(zhàn)前，用膠粘劑將云母片熱壓制成人造云母板，在20世紀(jì)初市場上有蟲膠漆片與紙復(fù)合制成的層壓板出售，但真正的纖維增強(qiáng)塑料工業(yè)，是在用合成樹脂代替天然樹脂、用人造纖維代替天然纖維以后才發(fā)展起來的。第一次世界大戰(zhàn)期間，德國人拖動(dòng)腳踏車輪拉拔玻璃纖維絲。20世紀(jì)30年代，美國發(fā)明用鉑柑渦生產(chǎn)連續(xù)玻璃纖維的技術(shù)，從此在世界范圍內(nèi)領(lǐng)域開始取代金屬材料?！?】

到了現(xiàn)代，隨著航空航天工業(yè)汽車工業(yè)對(duì)于具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，耐腐蝕等優(yōu)越性能的材料的需求，發(fā)展了比強(qiáng)度、比模量、韌性、耐熱、抗環(huán)境能力和加工性能都好的先進(jìn)復(fù)合材料。二．復(fù)合材料對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)技術(shù)變革的作用

復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：航空航天領(lǐng)域、汽車工業(yè)、化工紡織領(lǐng)域還有醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。1.航空航天領(lǐng)域

運(yùn)用于航天航空領(lǐng)域的復(fù)合材料具有熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高的特性，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火箭的verton復(fù)合材料殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等?！?】由于復(fù)合材料的出現(xiàn)，可以有效降低航天航空業(yè)的研究發(fā)展成本，而由于先進(jìn)復(fù)合材料本身的優(yōu)越性能，也使得航天飛機(jī)飛行器等的性能有了極大改善。例如高性能碳(石墨)纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上就發(fā)揮著不可替代的作用，它的應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號(hào)研制的成敗。

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，以樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動(dòng)了航天整體技術(shù)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國、日本、法國的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料。在美國75%的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。【4】在二十一世紀(jì)人們對(duì)于地球的探索已臻完善，下一步是對(duì)太空的探索，一個(gè)國家只有掌握了更高的航空航天技術(shù)，能研制出性能更優(yōu)越的航空器才能在對(duì)太空的探索中占得先機(jī)。而復(fù)合材料五一是一個(gè)很好的發(fā)展方向。2.汽車工業(yè)

從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，可降解復(fù)合材料由于具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，而受到汽車工業(yè)的青睞。復(fù)合材料可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。同時(shí)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用仍有極大的發(fā)展空間，例如：為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板【5】；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會(huì)有越來越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。就我國來看，汽車工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要組成部分，在汽車工業(yè)方面，復(fù)合材料應(yīng)用前景廣闊，產(chǎn)生的利潤高，生產(chǎn)成本較低，可以很好的推動(dòng)我國汽車工業(yè)的發(fā)展，從而促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)，使我國更好更快地發(fā)展。

化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，復(fù)合材料已用于制造人工心臟、人工肺及人工血管等，用人造復(fù)合材料器官挽救生命的設(shè)想將成為現(xiàn)實(shí)，而復(fù)合材料牙齒，復(fù)合材料骨骼及用于創(chuàng)傷外科的復(fù)合材料呼吸器、支架、假肢、人工肌肉、人工皮膚等均有成功事例?！?】由于碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等，碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，在生物醫(yī)療器材方面也有著光明的應(yīng)用前景。

此外，復(fù)合材料還用于制造體育運(yùn)動(dòng)器件和用作建筑材料等。正因?yàn)閺?fù)合材料能在如此之多的產(chǎn)業(yè)中得到運(yùn)用，所以復(fù)合材料的發(fā)展前景是美好的，所含有的經(jīng)濟(jì)意義也是不可忽視的，復(fù)合材料不再是單一的運(yùn)用各種材料，而是有機(jī)的將各種材料結(jié)合起來，揚(yáng)其所長避其所短，這種協(xié)同作用在現(xiàn)代的材料研究中也是非常有利的。同時(shí)正因?yàn)閺?fù)合材料的巨大潛力，必將推動(dòng)我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和引領(lǐng)一個(gè)材料風(fēng)潮。三.復(fù)合材料的發(fā)展前景

21世紀(jì)的高性能樹脂基復(fù)合材料技術(shù)是賦予復(fù)合材料自修復(fù)性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開發(fā)高剛度、高強(qiáng)度、高濕熱環(huán)境下使用的復(fù)合材料為重點(diǎn)，構(gòu)筑材料、成型加工、設(shè)計(jì)、檢查一體化的材料系統(tǒng)。組織系統(tǒng)上將是聯(lián)盟和集團(tuán)化，這將更充分的利用各方面的資源（技術(shù)資源、物質(zhì)資源），緊密聯(lián)系各方面的優(yōu)勢，以推動(dòng)復(fù)合材料工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

由材料、結(jié)構(gòu)和電子互相融合而構(gòu)成的智能材料與結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今材料與結(jié)構(gòu)高新技術(shù)發(fā)展的方向。隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展還將出現(xiàn)一批新的學(xué)科與技術(shù)。包括： 綜合材料學(xué)、精細(xì)工藝學(xué)、材料仿生學(xué)、生物工藝學(xué)、分子電子學(xué)、自適應(yīng)力學(xué)以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和人工智能學(xué)等。智能材料與結(jié)構(gòu)已被許多國家確認(rèn)為必須重點(diǎn)發(fā)展的一門新技術(shù)，成為21 世紀(jì)復(fù)合材料一個(gè)重要發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)： 【1】：復(fù)合材料發(fā)展史潘福森濟(jì)南大學(xué) 【2】：復(fù)合材料發(fā)展史佚名豆丁網(wǎng) 【3】：摻雜改性C /C復(fù)合材料研究進(jìn)壇崔紅習(xí)聯(lián)生劉勇瓊張強(qiáng)孟祥西安航天復(fù)合材料研究所 【4】：碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用及國外的最新進(jìn)展任杰西安科技大學(xué) 【5】：先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用及發(fā)展胡軍 【6】：復(fù)合材料的發(fā)展概述李旭飛江蘇大學(xué)

第五篇：物理化學(xué)的研究與進(jìn)展

《物理化學(xué)的研究與進(jìn)展》結(jié)課總結(jié)

姓名：關(guān)懷 學(xué)號(hào)：12013017

摘要：

作為一門simina課程，《物理化學(xué)的研究與進(jìn)展》的課堂形式以展示交流為主，小組成員之間分工合作，就某一物理化學(xué)研究前沿領(lǐng)域進(jìn)行信息收集，整理和展示。我們小組先后對(duì)鋰離子電池、傳感器的原理與應(yīng)用、相變化的原理與應(yīng)用、先進(jìn)材料等方面進(jìn)行探究。以互聯(lián)網(wǎng)資源為主，查閱相關(guān)領(lǐng)域的理論研究發(fā)展軌跡及相應(yīng)的應(yīng)用，并以小組為單位將探究成果用ppt的形式展現(xiàn)。在這個(gè)過程中，每個(gè)人的搜索信息整理信息的能力以及成員之間的交流合作都得到了明顯的提升。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)的進(jìn)展、鋰離子電池、傳感器、相平衡、先進(jìn)材料

正文

一、物理化學(xué)的研究與進(jìn)展

物理化學(xué)是以物理的原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學(xué)體系的性質(zhì)和行為，發(fā)現(xiàn)并建立化學(xué)體系中特殊規(guī)律的學(xué)科。隨著科學(xué)的迅速發(fā)展和各門學(xué)科之間的相互滲透，物理化學(xué)與物理學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)之間存在著越來越多的互相重疊的新領(lǐng)域，從而不斷地派生出許多新的分支學(xué)科，如物理有機(jī)化學(xué)、生物物理化學(xué)、化學(xué)物理學(xué)等。物理化學(xué)還與許多非化學(xué)的學(xué)科有著密切的聯(lián)系，如冶金過程物理化學(xué)、海洋物理化學(xué)。

一般公認(rèn)的物理化學(xué)的研究內(nèi)容大致可以概括為三個(gè)方面：

1.化學(xué)體系的宏觀平衡性質(zhì) 以熱力學(xué)的三個(gè)基本定律為基礎(chǔ)，研究宏觀化學(xué)體系（含有分子數(shù)目量級(jí)在10左右的體系）在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、溶解態(tài)以及高分散狀態(tài)的平衡態(tài)物理化學(xué)性質(zhì)及其規(guī)律性。由于以平衡態(tài)為前提，時(shí)間不再是變量。屬于這方面的物理化學(xué)分支學(xué)科有化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)、溶液化學(xué)、膠體化學(xué)和表面化學(xué)。

2.化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究分子、分子簇和晶體的結(jié)構(gòu)，物體的體相中原子和分子的空間結(jié)構(gòu)、表面相的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)系與規(guī)律性。屬于這方面的物理化學(xué)分支學(xué)科有結(jié)構(gòu)化學(xué)、晶體化學(xué)和量子化學(xué)。

3.化學(xué)體系的動(dòng)態(tài)性質(zhì) 研究由于化學(xué)或物理因素的擾動(dòng)而引起的體系的化學(xué)變化過程速率和變化機(jī)理。此時(shí)，時(shí)間是與過程密切相關(guān)的重要變量之一。屬于這方面的物理化學(xué)分支學(xué)科有化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)動(dòng)態(tài)學(xué)、催化科學(xué)與技術(shù)、光化學(xué)、電化學(xué)、磁化學(xué)、聲化學(xué)、力化學(xué)（以摩擦化學(xué)為代表）等。

在理論研究方面，快速大型電子計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法的廣泛應(yīng)用，擴(kuò)展了量子化學(xué)在定量計(jì)算方面的能力。研究對(duì)象不僅涉及大分子，還可用以模擬復(fù)雜體系的動(dòng)態(tài)過程。福井謙一提出的前線軌道理論以及R.B.伍德沃德和R.霍夫曼提出的分子軌道對(duì)稱守恒原理，是量子化學(xué)應(yīng)用于具體化學(xué)體系時(shí)的重要理論成果。但是仍然沒有達(dá)到人們所期望的利用量子化學(xué)為基礎(chǔ)解決和認(rèn)識(shí)所有化學(xué)問題的水平。量子力學(xué)基本原理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合將有助于解決這個(gè)問題。為此，發(fā)展能夠應(yīng)用于復(fù)雜分子體系的量子化學(xué)計(jì)算方法是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的前提之一。因而W.科恩以電子密度泛函理論和J.波普爾以量子化學(xué)計(jì)算方法及模型化學(xué)等研究成果獲得了1998年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

二、探究內(nèi)容

1、鋰離子電池

鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。

鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。

2、傳感器

傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

3、相平衡

一個(gè)系統(tǒng)可以是多組分的并含有許多相。當(dāng)相與相間達(dá)到物理的和化學(xué)的平衡時(shí)，則稱系統(tǒng)達(dá)到了相平衡。相平衡的熱力學(xué)條件是各相的溫度和壓力相等，任一組分在各相的化學(xué)勢相等。

4、先進(jìn)材料

激光材料（laser material）把各種泵浦（電、光、射線）能量轉(zhuǎn)換成激光的材料。激光器的工作物質(zhì)。激光材料主要是凝聚態(tài)物質(zhì)，以固體激光物質(zhì)為主；光電材料是指用于制造各種光電設(shè)備（主要包括各種主、被動(dòng)光電傳感器光信息處理和存儲(chǔ)裝置及光通信等）的材料，主要包括紅外材料、激光材料、光纖材料、非線性光學(xué)材料等；光電材料是指用于制造各種光電設(shè)備（主要包括各種主、被動(dòng)光電傳感器光信息處理和存儲(chǔ)裝置及光通信等）的材料，主要包括紅外材料、激光材料、光纖材料、非線性光學(xué)材料等；納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10~100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度；吸收電磁波而很難被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的材料叫做隱性材料。這種材料主要應(yīng)用在軍事上，也被稱作為“隱形材料”。它既非自然界中的材料，也并非來自哈利·波特的魔法學(xué)校，而是英美研究人員發(fā)明的材料，是用來控制光線及物體周圍其他的電磁射線，讓這些光線和射線給人“隱身”的感覺，就像是隱藏在太空的黑洞里一樣。

總結(jié)

在課堂上，除了本組成員的展示之外，還可以看到其他小組的成果演示，將自己的探究成果分享給他人的同時(shí)，也分享到了其他小組的探究成果，極大地提高了獲取知識(shí)的效率，同時(shí)也通過不同的視覺角度，了解到更多領(lǐng)域的前沿科技的風(fēng)采；更重要的是，老師不僅從專業(yè)的角度給學(xué)生以建議和指教，還在ppt的制作，內(nèi)容的選擇，演示的技巧給予意見和分享經(jīng)驗(yàn)，在課堂上極大程地?cái)U(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)物理化學(xué)領(lǐng)域的興趣，提高了學(xué)生的探究交流的能力，雖然在有限的課堂時(shí)間內(nèi)不可能對(duì)眾多的高新領(lǐng)域進(jìn)行深度的研究和學(xué)習(xí)，但是讓學(xué)生充分感受到了物理化學(xué)的精彩與魅力。