新型生物可降解PLA沙袋沙障降解特性及其影響因子探究

趙文玲

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特010010）

荒漠化已成為阻礙人類可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境問題之一，全球約有1/4的土地、2/3的國家和地區(qū)、1/5的人口不同程度地受到荒漠化的危害［1］。據(jù)《第四次中國荒漠化和沙化狀況公報(bào)》：我國國土面積的27.33%為荒漠化土地，其面積高達(dá)262.37萬km2，與2004年相比，盡管我國的土地荒漠化趨勢整體得到初步遏制，荒漠化土地面積持續(xù)減少，但我國土地荒漠化的嚴(yán)峻形勢仍未發(fā)生根本性改變［2］。以現(xiàn)有技術(shù)評估，并考慮到全球變暖的影響，預(yù)計(jì)未來50a需要治理的荒漠化國土面積為5.5×105～10×105km2，若以每年1.5萬～2.2萬km2的治理速度計(jì)算，大約需要45～70年方可完成我國荒漠化土地的總體治理［3］。因此，荒漠化仍然是我國當(dāng)前面臨的最為嚴(yán)重而又亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題［4－6］。

機(jī)械沙障是十分有效的荒漠化防治措施［7－8］，具有見效快、不需水源、較耐沙埋等優(yōu)點(diǎn)，在工程防沙中得到了廣泛應(yīng)用。但防沙治沙是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，防護(hù)效益是一個(gè)綜合指標(biāo)，受材料性質(zhì)、成本、勞務(wù)等多種因素的影響［9］，因此探索、引進(jìn)新型沙障材料成為沙漠治理專家關(guān)注的焦點(diǎn)。近些年采用布料、化纖等材料為外包裝材料制成的土工沙障，初步解決了西北荒漠地區(qū)作物秸稈沙障材料和土石沙障材料匱乏的問題而備受關(guān)注。針對傳統(tǒng)作物秸稈沙障和化學(xué)纖維沙障存在易老化腐爛、機(jī)械強(qiáng)度差、防沙壽命短、布設(shè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)。我們結(jié)合多年的荒漠化防治實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從日本引進(jìn)一種新型的以玉米、甜菜為原料的聚乳酸纖維（Poly Lactic Acid，簡稱PLA）紡織成類似筒狀的沙袋作為外包裝材料，就地取材就流沙裝入后制作沙障。該材料具有運(yùn)輸方便、可在大氣作用下自然降解成H2O和CO2的新型環(huán)保材料的特點(diǎn)［10］。在過去幾年，我們針對PLA沙障在防沙治沙領(lǐng)域中的應(yīng)用取得一些研究成果［11－14］，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)沙障在使用過程中，存在漏沙現(xiàn)象，極大縮短了沙障使用壽命。本研究通過對野外鋪設(shè)的PLA方格沙障降解規(guī)律研究，結(jié)合室內(nèi)控制性試驗(yàn)分析PLA纖維沙障在不同水熱環(huán)境下的降解特性，初步探究影響PLA纖維沙障降解的影響因子，為延長PLA纖維沙障在沙區(qū)環(huán)境下的使用壽命提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于烏蘭布和沙漠西南緣的吉蘭泰鹽湖北部沙漠帶外圍，地理坐標(biāo)為39°46′01″—39°45′54″N，105°40′28″—105°46′42″E，海 拔 高 度 1 030～1 045 m［15］，研究區(qū)以流動、半固定沙丘為主，沙丘形態(tài)有新月形沙丘（鏈）、壟狀沙丘、格狀沙丘、灌叢沙堆［16］，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，具有干旱少雨，蒸發(fā)量大，風(fēng)大沙多，雨熱同期的氣候特點(diǎn)，多年平均降水量107.8mm，潛在蒸發(fā)量2 956.8mm，平均氣溫8.6℃，最高氣溫40.9℃，最低氣溫－31℃。以東北、西南風(fēng)最大，其次為西北風(fēng)，但大于10m/s以上的主害風(fēng)是以西北風(fēng)為主，年平均揚(yáng)沙日數(shù)為85d，風(fēng)沙流的出現(xiàn)頻率為113次/a。土壤有風(fēng)沙土、漠鈣土、草甸土，部分地段分布有鹽堿土等。風(fēng)沙區(qū)主要植被以唐古特白刺（NitrariaTangutorumBobr.）、梭 梭 （Haloxylon ammodendron）、沙 冬 青 （Ammopiptanthus（Maxim.）Chengf.）、阿拉善沙拐棗（Calligonumalaschanicum）、檉柳（TamarixchinensisLedeb.）、沙米（Agriophyllum squarrosumLinn.）、豬毛菜（SalsolacollinaPall.）、油蒿（ArtemisiaordosicaKrasch.）、檸條（CaraganakoishiuskiiKom.）、籽蒿（ArtemisiasphaerocephalaKrasch.）、胡 楊 （PopuluseuphraticaOliv.P.diversifoliaSchrenk.）、沙棗（ElaeagnusangustifoliaL.）等［15］。

2 研究材料及方法

2.1 研究材料

本研究所用的沙障外包裝材料為PLA纖維，分子式（C3H4O2）n，用小圓機(jī)織法織成線密度為16.7 tex，比重為1.25g/cm3，240針的白色圓筒狀針織物（未填充流沙時(shí)的自然徑粗8～10cm）。沙障鋪設(shè)時(shí)，將圓筒織物一端打成死結(jié)，另一端套在徑粗10～15cm的PVC管上，而PVC管另一端將流動沙丘上的風(fēng)沙土灌裝在其內(nèi)形成了圓柱體的障體單元（圓柱體直徑約為20cm），進(jìn)而采用編席的方式，相互疊壓，鋪設(shè)在坡度平緩的沙壟表面鋪設(shè)形成格狀沙障。

2.2 研究方法

（1）沙區(qū)自然環(huán)境下PLA纖維材料的降解特性研究。于2012年9月初選取鋪設(shè)5a的1m×1m的典型沙丘，分別在迎風(fēng)坡坡底、迎風(fēng)坡坡中、坡頂、背風(fēng)坡坡中和背風(fēng)坡坡底進(jìn)行取樣、標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室測定。取樣時(shí)，將沙袋沙障暴露于空氣的一側(cè)和貼地面的一側(cè)用記號筆劃分后按照經(jīng)向和緯向取樣，其中經(jīng)向障邊是與沙丘走向垂直的障邊，而緯向障邊是與經(jīng)向障體垂直的障邊（圖1）。

圖1 1m×1m格狀PLA沙障

（2）室內(nèi)控制性因子試驗(yàn)。溫度控制性試驗(yàn)：將與野外鋪設(shè)的沙障材料一致50cm長的障體單元放置在盛有土壤含水量10%的風(fēng)沙土鐵盤內(nèi)，為了避免因濕度差異導(dǎo)致的降解誤差，鐵盤上均蓋有透明玻璃蓋，且在盤沿與玻璃接觸部位涂有甘油達(dá)到密封的效果。本研究依據(jù)沙區(qū)環(huán)境溫差大，且夏季最高地表溫度可達(dá)到70℃，將溫度設(shè)置－15℃，4℃，60℃和80℃共4個(gè)梯度，其中60℃和80℃高溫條件在烘箱內(nèi)模擬，4℃和25℃中溫在光照培養(yǎng)箱（JC－GPJ－300）內(nèi)模擬，而－15℃低溫在冰箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)，處理時(shí)間均為70d。濕度控制性試驗(yàn)：同溫度控制性試驗(yàn)一樣，將盛有障體和風(fēng)沙土的鐵盤放置在室溫下用玻璃蓋密封，將土壤含水量分別設(shè)置為試驗(yàn)區(qū)土壤田間持水量的3%，6%，9%和15%共4個(gè)梯度，定期采用時(shí)域反射儀（TDR）速測土壤含水量并進(jìn)行補(bǔ)充，處理時(shí)間為154d。

（3）測試指標(biāo)及方法。①力學(xué)性能指標(biāo)。先將野外取回來的試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)大氣下調(diào)濕平衡處理后按照經(jīng)向和緯向障邊分別裁剪成55mm×250mm測試?yán)鞆?qiáng)力和80mm×100mm測試頂破強(qiáng)力。PLA材料的力學(xué)性能均采用溫州大榮防治有限公司生產(chǎn)的YG（B）026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)測試。② 質(zhì)量損失率。將未處理的PLA纖維沙障試樣放在干燥箱內(nèi)烘干至恒重，用精度為0.01g電子天平秤其初始質(zhì)量（W0），將試樣標(biāo)記后分別進(jìn)行溫度和濕度控制性試驗(yàn)，每次取出后都要離子水沖洗干凈表面沙土并放在50℃烘箱中烘干24h至恒重，秤其質(zhì)量（W）然后計(jì)算其質(zhì)量損失率（η）。

η＝（W0－W）/W0×100

3 結(jié)果與分析

3.1 PLA沙障障體各部位頂破強(qiáng)力變化

在外業(yè)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于沙區(qū)的微環(huán)境因子（光照、土壤水分）差異導(dǎo)致鋪設(shè)在不同沙丘部位沙障產(chǎn)生的影響存在差異性，本研究進(jìn)一步將PLA障體的貼近地面一側(cè)和暴露在空氣中的一側(cè)的力學(xué)性能進(jìn)行測定（圖2）。

從圖2可以看出，隨著鋪設(shè)時(shí)間的延長，PLA沙障障體的頂破強(qiáng)力整體出現(xiàn)了降低的趨勢，在鋪設(shè)后4個(gè)月貼地面一側(cè)障體出現(xiàn)了顯著降低的現(xiàn)象。不同沙丘坡位條件下，PLA障體貼近地面一側(cè)的頂破強(qiáng)力保持率均高于暴露空氣一側(cè)，且坡位對貼地面一側(cè)障體頂破強(qiáng)力影響差異不顯著（p＜0.05），相比之下，暴露空氣一側(cè)障體頂破力受坡位影響較大；從沙丘坡位對沙障障體頂破力的影響來看，鋪設(shè)4個(gè)月后障體暴露空氣一側(cè)的頂破強(qiáng)力較鋪設(shè)前降幅表現(xiàn)為：迎風(fēng)坡坡中（14.67%）＞背風(fēng)坡坡底（13.12%）＞坡頂（9.51%）＞背風(fēng)坡坡中（5.78%）＞迎風(fēng)坡坡底（5.33%），而貼近地面一側(cè)卻表現(xiàn)為在坡頂處障體頂破強(qiáng)力較鋪設(shè)前降幅最小，僅為3.43%。最終通過野外觀測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鋪設(shè)2a后背風(fēng)坡坡中平均頂破強(qiáng)力降幅最大，其頂破強(qiáng)力較鋪設(shè)前降低了36.82%，經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)背風(fēng)坡坡中與迎風(fēng)坡坡底間的障體頂破強(qiáng)力降幅差異不顯著（p＜0.05），最低為背風(fēng)坡坡底，其頂破強(qiáng)力較鋪設(shè)前降低了27.67%。綜合分析認(rèn)為：沙區(qū)環(huán)境條件下，風(fēng)沙活動強(qiáng)度和太陽輻射是導(dǎo)致PLA沙障障體頂破力降低的主導(dǎo)因子。

3.2 不同鋪設(shè)方向PLA沙障障體拉伸強(qiáng)力變化

在野外鋪設(shè)網(wǎng)格沙障，障體依據(jù)走向可分為經(jīng)向障體和緯向障體。由于障體走向的不同，使得經(jīng)向障體的東側(cè)面和西側(cè)面及緯向障體的南側(cè)面和北側(cè)面所受的太陽光照存在差異；故本研究通過對鋪設(shè)1a的PLA沙障障體機(jī)械拉力進(jìn)行了測定，如圖3所示。

圖2 沙區(qū)環(huán)境下PLA纖維沙障的頂破強(qiáng)力變化

從圖3可以看出：在沙區(qū)環(huán)境下鋪設(shè)PLA沙障1a后障體的機(jī)械性能發(fā)生了顯著變化。整體而言，經(jīng)向障體的機(jī)械性能強(qiáng)于緯向障體，沙丘坡位從迎風(fēng)坡坡底至坡頂隨著高度的抬升，PLA沙障障體的機(jī)械性能表現(xiàn)為坡頂處沙障機(jī)械性能＞迎風(fēng)坡底＞坡中。無論是經(jīng)向障體還是緯向障體均表現(xiàn)出一致的規(guī)律：貼地面一側(cè)的障體機(jī)械性能顯著高于暴露空氣一側(cè)，而東側(cè)面障體機(jī)械性能高于西側(cè)面障體，北側(cè)面障體機(jī)械性能高于南側(cè)面障體，這表明暴露空氣一側(cè)障體機(jī)械性能損失率大于貼近地面一側(cè)，西側(cè)面障體機(jī)械性能損失率大于東側(cè)面。這是由于暴露空氣一側(cè)障體長期受太陽紫外線照射，且溫度較高，加之沙丘坡中處的較為劇烈的風(fēng)沙活動導(dǎo)致PLA沙障的的坡中處的障體機(jī)械性能損失最大，暴露空氣一側(cè)的障體機(jī)械性能損失較貼地面一側(cè)大，迎風(fēng)一側(cè)（北側(cè)面和西側(cè)面）障體機(jī)械性能損失較積沙一側(cè)（南側(cè)面和東側(cè)面）大。總之，沙障障體的北側(cè)面和西側(cè)面拉伸強(qiáng)力損失最大（與主風(fēng)向垂直），其次為暴露面，貼地面損失最小。

圖3 不同方位障體各部位的拉伸強(qiáng)力變化

3.3 PLA沙袋沙障降解因子分析

3.3.1 溫度對PLA纖維降解的影響 沙區(qū)地表溫度具有顯著的晝夜溫差和季節(jié)溫差，夏季（7—8月）地表土壤溫度可高達(dá)70℃，而在冬季（12月—次年1月）地表土壤溫度可低至－10℃以下。為了探究在沙區(qū)環(huán)境下不同季節(jié)PLA纖維沙障材料降解速率，本研究人工模擬不同溫度（－15℃，4℃，25℃，60℃，80℃）對PLA纖維沙障材料降解的影響，分別在各溫度后的1d，2d，3d，7d，14d，35d和70d進(jìn)行質(zhì)量損失率測試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對PLA沙障材料質(zhì)量損失率的影響

從圖4可以看出：隨著溫度的升高及處理時(shí)間的延續(xù)，PLA沙障材料的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)增加的趨勢，其中經(jīng)過在干土、4℃環(huán)境下處理70d的PLA沙障材料質(zhì)量損失率最小，僅為0.48%；在80℃濕土條件下僅處理7d后PLA沙障材料已降解破碎無法稱量。濕土環(huán)境下的PLA沙障材料質(zhì)量損失率大于干土環(huán)境，在濕土、60℃環(huán)境下PLA沙障障體可保存35d，而在80℃下僅可保存3d。方差分析表明，在低溫和中溫條件下干土和濕土處理間差異不顯著（p＜0.05），而在高溫（60℃和80℃）條件下兩者差異達(dá)到極顯著水平（p＜0.01）。經(jīng)分析認(rèn)為，只有在溫度和濕度共同作用下，加速了PLA沙障障體的降解速率，因此可以認(rèn)為在沙區(qū)環(huán)境下夏季雨后高溫環(huán)境是促使PLA沙障材料降解的主要因子。

3.3.2 土壤含水量對PLA纖維降解的影響 干旱、半干旱沙漠地區(qū)的表層土壤含量一般為3%～5%，即使在半濕潤荒漠區(qū)流沙表層土壤含水量均＜15%。為了研究沙區(qū)環(huán)境下同一季節(jié)不同立地條件或不同氣候區(qū)域條件（立地條件導(dǎo)致土壤含水量差異）下PLA沙障障體材料的降解速率，本研究將PLA沙障材料分別鋪設(shè)在沙表和沙內(nèi)2種環(huán)境下，設(shè)置3%，6%，9%，12%及15%五個(gè)土壤含水量梯度，為探究PLA沙障在不同氣候區(qū)域下的使用壽命提供參考。

從圖5可以看出，隨著處理時(shí)間的延續(xù)，PLA沙障材料不論是在沙表鋪設(shè)還是埋在沙內(nèi)均表現(xiàn)出沙障材料失重率增大的現(xiàn)象，且在鋪設(shè)早期材料失重率較大；隨著土壤水分含量的增加，沙障材料失重率呈現(xiàn)增加的趨勢。在沙表鋪設(shè)7d后不同土壤含水量間的PLA沙障材料失重率間出現(xiàn)了一定差異，且土壤含水率15%PLA沙障材料失重率顯著高于土壤含水率3%（p＜0.01）。在不同土壤含水量條件下處理150d后PLA沙障材料失重率表現(xiàn)為沙障材料鋪設(shè)較高土壤含水量（15%和12%）環(huán)境中降解速率顯著高于其它3種處理，且沙障材料失重率在中低土壤含水量（3%，6%和9%）間差異不顯著（p＞0.05）。將PLA沙障材料鋪設(shè)在沙土表面和埋在沙土內(nèi)2種環(huán)境下沙障材料的質(zhì)量損失率表現(xiàn)為：鋪設(shè)在沙土表面的材料失重率均大于埋在沙土內(nèi)的材料失重率，土壤含水量15%條件下處理150d后沙土表面的材料失重率較沙土內(nèi)材料高出0.19%，兩者未達(dá)到顯著差異水平（p＞0.05）。

綜上所示，PLA沙障材料降解速率隨土壤水分含量越高，沙障材料降解速度越快。同一土壤含水量條件下，在沙土表面鋪設(shè)的沙障材料降解速率大于埋在沙土中的沙障材料。但在本研究15%土壤含水量處理150d后，PLA沙障材料失重率僅為1.27%。由此認(rèn)為，土壤含水量不是影響沙障材料快速降解的主要因子。

圖5 土壤水分含量對PLA纖維材料失重率的影響

4 結(jié) 論

PLA沙障材料在沙丘迎風(fēng)坡中部處及障體迎風(fēng)側(cè)機(jī)械性能損失最大；PLA沙障暴露空氣一側(cè)的機(jī)械性能損失顯著高于貼近地面一側(cè)。PLA沙障材料降解速率隨土壤水分含量增加而加快；在沙土表面鋪設(shè)的沙障材料降解速率大于埋在沙土中的沙障材料；高溫高濕環(huán)境可以促使PLA沙障材料快速降解。在沙區(qū)環(huán)境條件下，夏季雨后高溫和劇烈頻繁地風(fēng)沙活動是促使PLA沙障材料快速降解的主要因素。

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