保水劑對植被混凝土生態(tài)基材持水特征的影響

秦健坤++周明濤++楊森++熊峰

摘要 分別將3種粒徑保水劑以不同使用劑量施入到植被混凝土生態(tài)基材中，測定各處理生態(tài)基材在不同吸力時的含水量，并用V-G模型擬合各處理生態(tài)基材水分特性曲線，獲得水分特性曲線參數(shù)和主要水分常數(shù)等結(jié)果，以揭示使用保水劑對植被混凝土生態(tài)基材持水特征的影響。結(jié)果表明，各處理生態(tài)基材的水分特征曲線上移，各吸力段的持水容量明顯增加，n值均小于對照，表明使用保水劑顯著增大了在失水過程中生態(tài)基材的持水能力。使用保水劑后，各處理生態(tài)基材飽和含水量、田間持水量、重力水和全有效水部分均顯著增加，無效水含量略有增加，殘余含水量基本不變，表明使用保水劑對植被混凝土生態(tài)基材的“孔隙”持水作用更加明顯，而對于分子持水作用不夠顯著。綜合比較保水劑不同粒徑和使用劑量對生態(tài)基材持水能力的改善作用，大粒徑保水劑在使用劑量為0.50%時改善效果最好。

關(guān)鍵詞 保水劑；植被混凝土生態(tài)基材；水分特征曲線；Van Genuchten模型

中圖分類號 TU528；S157.2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0165-03

Abstract 3 granularities of super absorbent polymer（SAP）with different dosages were added into vegetation-growing concrete ecological base material to measure the soil moisture content of each ecological base material under different suctions. Ecological base material water characteristic curves for each treatment were successfully fitted by V-G model，and results of the ecological base material water characteristic curve parameter and main water constants were obtained，in order to explore the effects of SAP on retention characteristics of vegetation-growing concrete ecological base material. The results indicated that for each treatment，the ecological base material water characteristic curves moved up，the water-holding capacity increased in each suction section. The n values were all less than the control group，which indicated that SPA could significantly improve water-holding capacity of the ecological base material in the dehydration process. After using the SPA，the saturation moisture content，field capacity，gravity water and total available water of the ecological base material in each treatment all increased significantly，the unavailable water only increased slightly，and irreducible water content remained the same basically. It indicated that SPA had an obvious effect on the pore for holding water of ecological base material，but the effect on moisture-absorbing by molecule was not significant. Comprehensively compared the improving effect of different granularities and dosages of SPA on water-holding capacity of the ecological base material，the large granularities with 0.50% dosage was the best.

Key words super absorbent polymer；vegetation-growing concrete ecological base material；water characteristic curve；Van Genuchten model

植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)（CBS）是一種效果較好的邊坡生態(tài)防護技術(shù)[1-4]，該技術(shù)是在坡面噴植一層類似于自然土壤的生態(tài)基材，其固相部分主要由植生土、水泥、有機質(zhì)和植被混凝土綠化添加劑4種原材料按一定比例混合而成[5]。該生態(tài)基材自發(fā)明以來，由于其能將邊坡加固與坡面植被恢復(fù)[4，6]結(jié)合起來，實現(xiàn)了生態(tài)修復(fù)與工程邊坡的有機結(jié)合，已在眾多地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，且取得了巨大的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益[7]。但在干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)，年降水量少且變率大，加之氣候干燥、蒸發(fā)強烈，植被混凝土生態(tài)基材在該地區(qū)由于缺水而無法為植被提供良好的生長環(huán)境，所以多年來該地區(qū)人工修復(fù)邊坡植被保存率一直很低，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[8]。因此，如何提高植被混凝土生態(tài)基材持水性能，使生態(tài)基材保持住水分及養(yǎng)分成為了難點問題。

在眾多節(jié)水措施中，研發(fā)與使用化學(xué)保水材料是干旱地區(qū)進行生態(tài)修復(fù)有效的方法[9-10]。保水劑稱高吸水劑、超強吸水樹脂（super absorbent polymer，SAP），是一種能夠吸收自身原來尺寸和重量數(shù)倍水分的化合物。保水劑吸水后形成的水凝膠可緩慢釋放水分供作物利用，同時，又能增強土壤保水性，改良土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤理化性質(zhì)、作物根系生長發(fā)育等，進而影響水分和溶質(zhì)在土壤中的運移規(guī)律和作物生理機能，提高化肥的利用率[11-12]。目前，有關(guān)保水劑對持水特征影響的研究大都集中在各類型土壤及作物上，針對混合基材影響鮮見報道。因此，筆者以保水劑為對象，研究不同粒徑和不同使用劑量的保水劑加入植被混凝土生態(tài)基材中后，對基材的持水特征曲線及其參數(shù)、水分常數(shù)及有效性的影響，旨在為保水劑在植被混凝土生態(tài)基材中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗用土為砂壤土，水泥為普通水泥（強度等級為32.5）。有機質(zhì)為實木鋸末。植被混凝土綠化添加劑采用三峽大學(xué)綠野環(huán)保工程有限公司生產(chǎn)的LY-2型混凝土綠化添加劑。供試保水劑為河北恒奧化工有限公司高吸水樹脂保水劑，篩孔粒徑設(shè)置：1.0～2.0 mm為大粒徑（L），0.5～1.0 mm為中粒徑（M），<0.5 mm為小粒徑（S）。

1.2 試驗方法

植被混凝土生態(tài)基材按照植被混凝土生態(tài)護坡技術(shù)設(shè)計規(guī)程[5]及《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2002）中規(guī)定制備[13]。將植生土、水泥、有機質(zhì)、植被混凝土綠化添加劑干質(zhì)量按100∶8∶8∶5的比例均勻混合；將3種粒徑的保水劑按照基材混合物干重的0.05%、0.10%和0.50%的使用劑量與基材混合物拌合，以不添加保水劑的基材混合物作為對照（CK）；再加入基材混合物干重20%的水拌合均勻，于20 ℃潮濕環(huán)境中養(yǎng)護24 h。

1.3 測定方法

1.3.1 飽和含水率測定。將養(yǎng)護后的植被混凝土生態(tài)基材裝入特制的有機玻璃離心管中，容重為1.34 g/cm3，在磁盤內(nèi)待完全吸水飽和后測定其基材飽和含水率。

1.3.2 水分特征曲線的測定。利用CR21G高速冷凍離心機，將吸水飽和平衡后的樣品離心，將根據(jù)設(shè)計的吸力設(shè)置離心機的轉(zhuǎn)速，加壓范圍為1～1 500 kPa，每次離心20 min，平衡后取出樣品，測定在各吸力條件下的土壤含水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Van Genuchten（VG，1980）模型[14]進行擬合：

式中，θ為體積含水率（cm3/cm3）；θr為剩余含水率（cm3/cm3）；θs為飽和含水率（cm3/cm3）；h為水吸力（cm）；n、m為模型參數(shù)，其中α為水分特性曲線進氣值拐點處水勢的倒數(shù)（cm-1）；n為水分特性曲線靠近剩余含水量的速率，m=1-1/n[15-16]。運用了RETC軟件進行數(shù)據(jù)擬合水分特性曲線及計算水分特性曲線模型參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑粒徑對植被混凝土生態(tài)基材水分特征曲線的影響

從圖1可以明顯看出，保水劑并沒有明顯改變植被混凝土生態(tài)基材持水的特征，即與未使用保水劑的生態(tài)基材一樣，大約在水吸力值45 kPa以下保持著一個明顯的快速失水區(qū)域。然而，使用保水劑的生態(tài)基材水分特征曲線明顯上移，說明使用保水劑卻增加了植被混凝土生態(tài)基材在各吸力段的持水容量。且隨著粒徑的增大，不同使用劑量處理生態(tài)基材對應(yīng)水分特性曲線差異越明顯。其中，差異最顯著體現(xiàn)在低吸力段（0～100 kPa），使用大粒徑保水劑時，與未添加保水劑的生態(tài)基材相比使用保水劑處理的生態(tài)基材持水容量在低吸力段分別增加了3.2%、5.0%、8.2%，而在中吸力（100～600 kPa）、高吸力（600～1 500 kPa）段持水容量最高只增加了2.1%。使用中粒徑和小粒徑保水劑時，0.05%和0.10%使用劑量水分特征曲線之間差異較??；只有當(dāng)使用劑量為0.50%時，水分特征曲線才展現(xiàn)出明顯的差異，低吸力段持水容量分別增加了5.5%和5.3%。說明使用3種粒徑保水劑均能改變各水吸力段基材的持水容量，且低吸力段改變最為顯著，其中大粒徑保水劑的作用效果最明顯，其次是中粒徑，最差的是小粒徑。

2.2 保水劑使用劑量對植被混凝土生態(tài)基材水分特征曲線的影響

對于基材持水特征的作用和影響所用保水劑的粒徑是一方面，而另一方面保水劑的使用量也會有相應(yīng)的影響。從圖1可知，3種粒徑保水劑處理的植被混凝土生態(tài)基材均持水容量呈現(xiàn)出隨保水劑使用劑量的增加而顯著遞增的效果，尤其是當(dāng)使用劑量達到0.50%時，其總持水容量分別增加了5.3%、5.3%、8.2%。當(dāng)保水劑使用劑量為0.05%和0.10%時，小粒徑和中粒徑保水劑處理的生態(tài)基材水分特征曲線差異較小，在差異最明顯的低吸力段持水容量僅增加了0.4%和0.7%，但較未添加保水劑增加了2.1%～3.2%，而大粒徑保水劑0.05%和0.10%使用劑量處理的生態(tài)基材水分特征曲線在低吸力段有一定差異，低吸力段持水容量增加了1.8%。由此表明，與未添加保水劑的生態(tài)基材相比，使用保水劑會影響生態(tài)基材水分特征曲線，且3種粒徑保水劑對植被混凝土生態(tài)基材持水容量作用最明顯的是0.50%的使用劑量，0.05%和0.10%使用劑量只有在使用大粒徑保水劑時才會展現(xiàn)出明顯的差異。

2.3 保水劑對植被混凝土生態(tài)基材水分特征曲線參數(shù)的影響

從表1可以看出，不同粒徑和使用劑量保水劑處理的生態(tài)基材飽和含水量差別較明顯，隨著保水劑粒徑的增大和保水劑使用劑量的增加，θs也隨之增大，說明使用保水劑后生態(tài)基材總的持水孔隙度增大。剩余含水量（θr）主要是生態(tài)基材的表面分子的持水量，取決于顆粒表面性狀，一般取吸力無限增大時，各處理生態(tài)基材的θr差別很小，添加保水劑的生態(tài)基材θr略有減小。從各處理生態(tài)基材的θs和θr綜合分析可以清楚地看出，使用保水劑對植被混凝土生態(tài)基材的“孔隙持水”作用更加明顯，而對于分子持水作用不夠顯著。

α為水分特性曲線進氣值拐點處水勢值的倒數(shù)。α值越小，意味著生態(tài)基材開始失水時吸力越大；α值越大，則生態(tài)基材開始失水時的吸力越小[15-16]。隨保水劑劑量增加，α值變大，意味著隨保水劑使用劑量增加生態(tài)基材起始失水時的吸水力變小，越易失水，但這只是代表起始失水的這一個點。n值代表生態(tài)基材水分特性曲線的斜率，反映在吸力作用下生態(tài)基材失水的速率，從式（1）看出，n值越大，表征著在增加單位吸力梯度時生態(tài)基材的失水量越大，即保水性能差。使用不同粒徑和不同使用量保水劑的生態(tài)基材n值均小于未添加保水劑的生態(tài)基材，且隨保水劑使用劑量的增加，各添加保水劑處理的n值隨之變小，意味著使用保水劑顯著地增加了整個失水過程中生態(tài)基材的持水能力。系統(tǒng)分析各添加保水劑生態(tài)基材的水分特性曲線模型參數(shù)，可以看出，使用保水劑不僅改變了生態(tài)基材起始失水能力，還顯著改善了整個失水過程中生態(tài)基材的持水能力；使用保水劑的主要作用體現(xiàn)在改善了生態(tài)基材的孔隙持水部分，而不是依靠保水劑的自身吸水改善生態(tài)基材分子持水特性。

2.4 保水劑對植被混凝土生態(tài)基材水分常數(shù)和水分有效性的影響

水分常數(shù)是依據(jù)生態(tài)基材水分特征曲線模型進一步計算得到，結(jié)果見表2。可以看出，未添加保水劑的生態(tài)基材飽和含水量低，添加保水劑后飽和含水量都明顯增加，且隨使用劑量的增加而增大，這將有助于提高生態(tài)基材固持自然降水的能力；同時，田間持水量在使用保水劑后也顯著增加，3種粒徑保水劑的使用量在0.50%時生態(tài)基材的田間持水量增加最多，其中使用大粒徑保水劑處理的生態(tài)基材增幅最大，增加了9.4%；使用保水劑后各處理生態(tài)基材的萎蔫系數(shù)較未添加保水劑生態(tài)基材都略有增加，0.50%用量增加最為顯著。以上分析說明，使用保水劑主要增加了生態(tài)基材的“毛管孔隙”持水比例，當(dāng)保水劑使用劑量較大時，對生態(tài)基材分子持水有一定的影響。

按照水分對植物有效性原理，進一步分析使用保水劑后對生態(tài)基材水分特性的影響情況?？梢钥闯觯褂帽Ｋ畡┖笊鷳B(tài)基材的重力水、全有效水、速效水、遲效水和無效水比未添加保水劑的生態(tài)基材均不同程度增加，且隨保水劑使用劑量增加而增大。其中，重力水增加最顯著，占總增加持水量的80%以上；全有效水、速效水增加也較明顯，但明顯少于重力水增量，占總增加持水量的70%左右；遲效水增加不明顯，生態(tài)基材的無效水相對而言略有增加，只有保水劑使用劑量為0.50%時才有明顯的增加。由此可見，添加保水劑主要增加了生態(tài)基材的重力水和全有效水中的速效水，說明保水劑主要增加了生態(tài)基材的孔隙持水部分，無效水略有增加，0.50%用量增加最明顯，說明保水劑對生態(tài)基材的分子持水也略有影響。因此，在實際使用中要確定科學(xué)的使用劑量和粒徑，才能獲得更有價值的改善生態(tài)基材持水能力的效果。

3 結(jié)論

使用保水劑后的各處理生態(tài)基材水分特征曲線上移，生態(tài)基材在各吸力段的持水容量增加，表明使用保水劑增加了生態(tài)基材在整個失水過程中的持水能力。隨著保水劑使用劑量的增加，各處理生態(tài)基材的水分特征曲線與對照間的差異越增大，尤其在使用劑量為0.50%時，差異最為明顯，使用劑量在0.05%和0.10%時，其差異較小，但相對于未添加保水劑的生態(tài)基材各吸力段持水有明顯的增加。同時，保水劑的粒徑對生態(tài)基材也有影響，粒徑不同使用劑量對生態(tài)基材的持水特征影響效果也不同，其大粒徑保水劑的不同使用量基材水分特性曲線間的差異最大，差異作用在整個吸力段范圍均有呈現(xiàn)；中粒徑和小粒徑保水劑不同使用量基材水分特征曲線之間差異較小。由此表明，與未添加保水劑的生態(tài)基材相比使用保水劑會影響生態(tài)基材持水特征，且3種粒徑保水劑對植被混凝土生態(tài)基材持水容量作用最明顯的是0.50%的使用劑量，大粒徑保水劑使用量之間對基材水分特性曲線的影響相對較大，與大粒徑保水劑相比，小粒徑和中粒徑保水劑相的使用劑量影響效應(yīng)相對較小。

使用保水劑后，生態(tài)基材水分特征曲線參數(shù)θs明顯增大，即生態(tài)基材總的持水度增加；α值增大，表明使用保水劑改變了生態(tài)基材的起始失水能力；n值均小于對照，代表單位吸力梯度相同時，添加保水劑的生態(tài)基材失水更慢，即不易失水，生態(tài)基材持水能力增加；θr間差別很小，表明保水劑主要影響了生態(tài)基材的“孔隙持水”，而對生態(tài)基材分子持水影響較小。各保水劑處理生態(tài)基材的飽和含水量、重力水和田間持水量顯著增加，萎蔫系數(shù)增加不明顯，只有0.50%使用劑量增加較多；全有效水中速效水部分增加，遲效水無顯著變化，無效水略有增加，說明使用保水劑主要改善了生態(tài)基材中、低吸力段的持水容量，即保水劑對生態(tài)基材持水特征的影響主要體現(xiàn)在增加了其“毛管孔隙”持水比例，當(dāng)使用劑量較大時，對生態(tài)基材的分子持水也略有影響。

4 參考文獻

[1] 周德培，張俊云.植被護坡工程技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003：1-11.

[2] 許文年，葉建軍，周明濤，等.植被混凝土護坡綠化技術(shù)若干問題探討[J].水利水電技術(shù)，2004，35（10）：50-52.

[3] 丁國建，蔡茂來.高等級公路植被護坡工程技術(shù)發(fā)展初探[J].浙江林業(yè)科技，2004，24（4）：63-66.

[4] 許陽，陳芳清，金章利，等.水電站植被混凝土邊坡生態(tài)防護工程基材土壤肥力隔年變化分析[J].水利水電技術(shù)，2012，43（11）：47-50.

[5] 許文年，夏振堯，周明濤，等.植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)理論與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[6] 任海，彭少麟.恢復(fù)生態(tài)學(xué)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2001：14-15.

[7] 漆貴榮.植被混凝土坡面防護技術(shù)的應(yīng)用[J].公路工程，2009，34（2）：112-117.

[8] 劉鐵軍，盧建男，張哲乾，等.干旱半干旱區(qū)裸露邊坡適宜噴播的綠化基質(zhì)篩選[J].草業(yè)科學(xué)，2016，33（7）：1291-1296.

[9] 張林棟，李佐邦.高吸水性樹脂在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用試驗[J].精細(xì)化工，1995（2）：64-66.

[10] 陳寶玉，武鵬程，張玉珍，等.保水劑的研究開發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，26（增刊1）：242-245.

[11] 杜建軍，茍春林，崔英德，等.保水劑對氮肥氨揮發(fā)和氮磷鉀養(yǎng)分淋溶損失的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（4）：1296-1301.

[12] 李希，劉玉榮，鄭袁明，等.保水劑性能及其農(nóng)用安全性評價研究進展[J].環(huán)境科學(xué)，2014，35（1）：394-400.

[13] 中華人民共和國建設(shè)部.土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123—1999[M].北京：中國計劃出版社，1999.

[14] GENUCHTEN M T V.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils.[J].Soil Science Society of America Journal，1980，44（44）：892-898.

[15] 冉艷玲.化學(xué)保水劑對土壤水分及物理特性的作用效應(yīng)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[16] 冉艷玲，王益權(quán)，張潤霞，等.保水劑對土壤持水特性的作用機理研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2015，33（5）：101-107.