土壤固化劑及其水土保持應(yīng)用研究進(jìn)展①

張冠華，牛 俊，孫金偉，李 昊

土壤固化劑及其水土保持應(yīng)用研究進(jìn)展①

張冠華，牛 俊，孫金偉，李 昊

(1 長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010；2 水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

隨著水土流失的加劇和生態(tài)環(huán)境的惡化，人們不斷探索一些水土保持新技術(shù)、新材料和新方法，而土壤固化劑作為防治水土流失的一種化學(xué)措施應(yīng)用前景廣闊。本文闡述了土壤固化劑的類型特點、固化機(jī)理和固化性能，總結(jié)了土壤固化劑在水土保持中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出其應(yīng)用中存在的若干問題及研究方向，為土壤固化新材料的研發(fā)提供指導(dǎo)。

土壤固化劑；水土保持；可持續(xù)發(fā)展；植物生長；高效生態(tài)農(nóng)業(yè)

水土流失已成為我國頭號生態(tài)環(huán)境問題?！度珖帘３忠?guī)劃(2015—2030年)》顯示，目前我國水土流失面積尚有294.91萬km2，占我國陸地面積的30.7%，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致水土資源破壞、生態(tài)環(huán)境惡化、自然災(zāi)害加劇，威脅國家生態(tài)安全、防洪安全、飲水安全和糧食安全，是我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的突出制約因素。因此，采取各種物理、化學(xué)和生物的方法來防治水土流失一直是土壤侵蝕與水土保持研究領(lǐng)域的重要課題。

近年來，治理水土流失單純的林草措施顯得勢單力薄，生物措施、工程措施與水土保持材料相結(jié)合的多元治理模式成為一種新趨勢，綜合運(yùn)用化學(xué)固結(jié)與生物防治方法成為防治水土流失的有效手段[1]。土壤固化劑能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土體強(qiáng)度和耐久性，兼具高效、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)保的特點，成為水土保持固結(jié)材料的研究熱點。土壤固化劑是土壤改良劑的一種，可在常溫下直接膠結(jié)土壤顆粒表面或與黏土礦物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，從而改善和提高土壤的工程技術(shù)性能[2]，其固化土壤的本質(zhì)是與土壤顆粒之間發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，改善土壤顆粒之間的接觸面，強(qiáng)化土壤顆粒間的連結(jié)結(jié)構(gòu)[3]。自20世紀(jì)40年代，土壤固化技術(shù)就開始蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者對固化劑如何改變土壤物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量試驗和研究，取得了許多研究成果[4-10]，并將固化劑廣泛應(yīng)用于道路交通、水土保持、水利工程以及環(huán)保工程等多種領(lǐng)域[11-14]。筆者對當(dāng)前土壤固化劑的類型、固化機(jī)理和固化性能進(jìn)行梳理，總結(jié)了土壤固化劑在水土保持中的應(yīng)用現(xiàn)狀并分析了其應(yīng)用中存在的若干問題及研究方向，以期為土壤固化新材料的開發(fā)研制提供科學(xué)依據(jù)。

1 土壤固化劑的類型特點

土壤固化劑按其外觀形態(tài)分為兩種：粉體土壤固化劑和液體土壤固化劑，按照主要化學(xué)成分可以分為4種：無機(jī)類、有機(jī)類、有機(jī)無機(jī)復(fù)合類和生物酶類[15]。

1.1 無機(jī)類土壤固化劑

一般為粉末狀，以水泥、石灰、粉煤灰及各類礦渣、煤矸石等作為主固劑，以硫酸鹽類、各種酸類、其他無機(jī)鹽及少量的表面活性劑等作為激發(fā)劑復(fù)合配制而成[15-16]。這類固化劑加固土主要是靠其自身的水解、水化及其水化產(chǎn)物與土壤顆粒之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物一起增加土壤的強(qiáng)度[17]。此類固化劑的優(yōu)點是成本低、強(qiáng)度穩(wěn)定性好；缺點是：滲透性差，固結(jié)施工困難，常常需要固結(jié)材料和砂土拌和進(jìn)行鋪設(shè)，且固結(jié)層容易干縮形成裂縫，厚重的固結(jié)層也不利于生態(tài)防護(hù)[18]；用量比較大，運(yùn)輸成本高，早期強(qiáng)度不高[19]。

1.2 有機(jī)類土壤固化劑

有機(jī)類土壤固化劑多為液體狀，目前主要有改性水玻璃類、環(huán)氧樹脂類、高分子材料類和離子類等中的一種或多種組合配制而成[15]。這類固化劑一般通過離子交換原理或材料本身聚合加固土壤。高分子類固化劑主要是與土壤發(fā)生聚合反應(yīng)，并滲透到土壤中與土粒繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而達(dá)到膠結(jié)土粒的作用[20]。此類固化劑具有較高的早期強(qiáng)度、耐水性，但隨時間的延長及周圍環(huán)境的影響，老化趨勢明顯，其后期強(qiáng)度及耐水性均有所下降[21]。通過離子交換作用的固化劑，一般為液態(tài)，能將土壤水分中的電荷與土壤顆粒電荷充分交換，并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使它與土混合壓實后，能長久地將土壤顆粒、氣體、水組成的土粒固相骨架與水分子之間的親水性改變?yōu)樵魉?，再通過外力作用將水和氣體排出形成密實板體結(jié)構(gòu)，提高土的承載能力，并有效地阻止外界水分的侵入，保證工程質(zhì)量。離子類固化劑代表性產(chǎn)品是ISS固化劑，黃褐色黏滯性液體，易溶于水，無毒，是一種優(yōu)異的筑路新型土壤穩(wěn)固材料。它是由多種強(qiáng)離子化合物組合而成的水溶劑，主要含有活性成分磺化油，經(jīng)稀釋后均勻地按比例摻入土壤中，經(jīng)平整壓實之后就變成永久、耐壓、不沉陷、不變形的固化劑結(jié)構(gòu)面層[22]，被稱為20世紀(jì)重大發(fā)明之一。此類固化劑的優(yōu)點是用量少、成本低、易于運(yùn)輸、施工方便、早期和后期強(qiáng)度都易于控制、對土的適應(yīng)性強(qiáng)，缺點是使用壽命期短、抗水性能差、受環(huán)境的影響比較大[19]。

1.3 有機(jī)無機(jī)復(fù)合類土壤固化劑

復(fù)合類固化劑是將無機(jī)材料和有機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合配制而成，兩種形態(tài)都有，一般是由無機(jī)類的主固化劑和少量激發(fā)劑組成，無機(jī)類的主固化劑可采用無機(jī)化合類土壤固化劑的主劑，激發(fā)劑可以采用無機(jī)鹽類的無機(jī)激發(fā)劑，也可以采用聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等高聚物激發(fā)劑[19]。此類固化劑既避免了使用無機(jī)材料干縮大、易開裂、水穩(wěn)性差的缺點，又充分利用了有機(jī)材料的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)對土壤的有效改性，使其能夠符合工程應(yīng)用技術(shù)條件的要求[15]。

代表性產(chǎn)品是Aught-set高性能土壤固化劑，是一種以水泥為基礎(chǔ)，由多種無機(jī)和有機(jī)材料配制而成的水硬性膠凝材料。其最重要的技術(shù)突破是激發(fā)素的發(fā)現(xiàn)。激發(fā)素是添加于土壤固化劑中的低含量物質(zhì)，能夠激活黏土中的礦物成分，使黏土礦物也成為一種反應(yīng)物質(zhì)，發(fā)揮出其潛在的活性，從而使固化效果大幅度提高[19]。Aught-set土壤固化劑因其優(yōu)良的性能現(xiàn)已被廣泛用于市政、環(huán)保、交通、水利等工程中，如北京中南海湖底的固化、昆玉河水系的治理[23]和朔黃鐵路路基的處理[24]。

1.4 生物酶類土壤固化劑

此類固化劑是由有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵而成，屬蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品，為液體狀。通過生物酶素的催化作用，經(jīng)外力擠壓密實后，能使土壤粒子之間黏合性增強(qiáng)，形成牢固的不滲透性結(jié)構(gòu)。此類固化劑的優(yōu)點是無毒，可降低土壤膨脹系數(shù)，固化土具有良好的整體性和連續(xù)性，密實度高，承載力強(qiáng)[17]；缺點是因生物酶類土壤固化劑具有生物降解的特點，固化土浸水后強(qiáng)度會降低，其使用壽命較短(約為8年)，但對其長期的強(qiáng)度和穩(wěn)定性仍有待實踐檢驗[16]。

代表性產(chǎn)品是Perma-zyme(派酶)，由美國帕爾瑪公司生產(chǎn)出的高科技液態(tài)生物制劑，具有催化土壤固化和改善土壤結(jié)構(gòu)的顯著作用，是一種高效的生物土壤固化材料。派酶能增加土壤密度，降低土壤膨脹系數(shù)，增強(qiáng)土壤抗?jié)B、防水和防凍性能，從而大大提高土壤工程性能。派酶固化土具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時間快及較好的抗凍性能等特點[25]，尤其適用于寒區(qū)道路。

2 土壤固化劑的固化機(jī)理

土壤固化劑的固化機(jī)理可概括總結(jié)為物理力學(xué)過程、化學(xué)過程和物理化學(xué)過程3大過程[16]。物理力學(xué)過程是指土壤固化劑在固化土壤時，土料經(jīng)過粉碎、拌合和壓實，土體的基本單元在外力的作用下彼此靠近，從而減少土體的空隙率，增大密實度，降低滲水性，這種過程是可逆的，土體的強(qiáng)度隨著外界條件的改變會發(fā)生變化。物理力學(xué)過程是一種最簡單、最基本的加固手段，但該過程是任何類型的土壤固化劑在固化土壤時都必需的，因為固化土壤的密度和土壤固化劑在土體中的均勻性，對強(qiáng)度的形成具有非常重要的作用。

化學(xué)過程是指土壤固化劑在固化土壤的過程中，其本身組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、土體與土壤固化劑中的某些組分發(fā)生的反應(yīng)等。前者包括無機(jī)類土壤固化劑材料本身的水解與水化反應(yīng)、與空氣中二氧化碳的碳酸化反應(yīng)、有機(jī)類土壤固化劑的聚合與縮聚反應(yīng)等；后者如土壤固化劑中的組分與土壤顆粒之間的火山灰反應(yīng)、有機(jī)高分子與土壤顆粒表面間的絡(luò)合反應(yīng)等。

物理化學(xué)過程主要指土壤顆粒與土壤固化劑中各組分的吸附過程，包括物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附。物理吸附指在分子力的作用下，土體的基本單元將土壤固化劑中的某些組分吸附在其表面，使其表面自由能得以降低。化學(xué)吸附指吸附劑與被吸附物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成新的不溶性物質(zhì)，并在吸附劑與被吸附物質(zhì)之間形成化學(xué)鍵。物理化學(xué)吸附指土壤固化劑中的某些離子與土體基本單元表面的離子發(fā)生了離子交換吸附。在土壤固化劑與土體的物理化學(xué)作用過程中，無機(jī)類土壤固化劑主要是物理化學(xué)吸附，如無機(jī)類土壤固化劑中的鈣鹽、鎂鹽溶解后，鈣離子和鎂離子與土體基本單元所吸附的鈉離子發(fā)生交換反應(yīng)，可以增加土壤顆粒的團(tuán)聚作用；有機(jī)類土壤固化劑主要是物理吸附和化學(xué)吸附過程，如高分子材料的某些基團(tuán)與土壤顆粒之間的物理吸附，高分子材料與土壤顆粒吸附的離子之間可以發(fā)生化學(xué)吸附。

以上3種過程相互聯(lián)系相互促進(jìn)，其中，化學(xué)過程和物理化學(xué)過程能使土體的力學(xué)性能、抗?jié)B性能、耐久性能等工程性能得以改善，而物理力學(xué)過程則是保證化學(xué)過程和物理化學(xué)過程更好地發(fā)揮作用。

3 土壤固化劑的固化性能

土壤固化劑的固化性能包括力學(xué)性能、變形性能和耐久性能[16,19]，由于不同領(lǐng)域?qū)袒恋男阅芤蟛煌?，所以其固化性能的研究也就因工程要求不同而異。土壤固化劑的性能試驗?zāi)壳吧袩o統(tǒng)一的、專門的試驗標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程，實踐中一般參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)、《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150-2001)、《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》(RISN-TG003-2007)、《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)、《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)、《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JTG/T 233-2011)和土壤固化外加劑(CJ/T 486-2015)。

3.1 力學(xué)性能

固化土的力學(xué)性能包括抗壓、抗拉、抗彎和抗剪等，一般通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定其抗壓性能，通過劈裂強(qiáng)度試驗測定其抗拉性能，通過抗壓回彈模量試驗測定其抗彎能力，通過直接剪切試驗或者三軸壓縮試驗測定其抗剪性能?？箟?、抗拉和抗彎試驗是路用固化材料必須進(jìn)行的3個最基本的試驗。

影響固化土力學(xué)性能的主要因素有土質(zhì)、土壤固化劑摻量、齡期、密度和含水率及養(yǎng)護(hù)條件等。其中土質(zhì)、土壤固化劑摻量和密度是影響固化土力學(xué)性能的3大要素。土壤固化劑的摻量越高，密度越大，則固化土的抗壓強(qiáng)度越高。即使同種土壤固化劑也會由于土質(zhì)的不同，而導(dǎo)致其固化性能不同。因此，研究適合不同土質(zhì)的土壤固化劑，或研究兼容性較強(qiáng)的土壤固化劑，是目前土壤固化劑的研究方向之一。

3.2 變性性能

土壤固化劑的變形性能主要包括固化土的受力變形、體積變形等。受力變形指固化土構(gòu)件在承受拉伸力或壓縮力時產(chǎn)生的變形。體積變形指固化土構(gòu)件在成型后，由于環(huán)境變化而引起的變形，如溫度、濕度等，一般包括干縮變形、濕脹變形和凍脹變形。固化土的變形性能研究，主要集中在受力變形和干縮變形方面，其他方面的變形研究相對較少。

3.3 耐久性能

土壤固化劑的耐久性能主要包括抗?jié)B性能、抗凍性能、耐干濕循環(huán)能力等，在特殊的領(lǐng)域還包括耐腐蝕性能、耐沖刷性能等。土壤固化劑雖然具有較高的力學(xué)性能，但是由于土壤中親水性薪土礦物含量高，所以對固化土的耐久性能具有較大的影響。試驗[26-27]證明，影響固化土力學(xué)性能的因素，對固化土的耐久性能也有顯著影響。在固化土耐久性能試驗中，研究較多的是固化土的抗?jié)B性能和抗凍性能。有研究[28]表明，固化土具有較高的抗?jié)B性能，但抗凍性能較差，這就限制了土壤固化劑的應(yīng)用領(lǐng)域和區(qū)域。由于土壤固化劑的耐久性能是工程設(shè)計達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化的基礎(chǔ)，因此，通過改進(jìn)土壤固化劑的配方或改進(jìn)固化土的施工工藝，以提高固化土的耐久性能，是今后研究的方向之一。

4 土壤固化劑在水土保持中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的砂土固結(jié)材料主要為常規(guī)的土木工程膠凝材料如水泥、石灰、粉煤灰等以及一些具有活性或潛在活性的工業(yè)廢料，這些材料可以單獨使用也可多種材料復(fù)合使用。Dash和Hussain[29]研究了石灰加固土體的收縮性能；Ismail和Abdullah[30]將大理石粉末和粉煤灰作為砂土固結(jié)材料；而Ismail和Suleyman[31]進(jìn)一步將其作為黏土固結(jié)材料；Galv?o等[32]利用窯灰加固紅壤土并探討了其對土體壓縮性和滲透性的影響。王朝輝等[33]將吸水材料與水泥相結(jié)合形成一類新型水土保持固結(jié)材料；董明芳等[34]發(fā)現(xiàn)粉煤灰、菌渣、蠶沙均能有效降低不同生育期作物對重金屬的吸收，且粉煤灰的作用最明顯；汪益敏[35]選用ISS2500和ROADBAND固化劑與石灰和水泥混合制成固土材料對廣東吉山土進(jìn)行加固，得到加固邊坡的固化劑最佳配比，為邊坡固化研究提供了理論依據(jù)。此外，生產(chǎn)生活常用的低成本固化劑如水玻璃和乳化瀝青等以及具有生態(tài)、環(huán)保、無污染等優(yōu)點的生物酶類固化劑，近年來也成為理想的水土保持固結(jié)材料。Latifi等[36]利用水玻璃液體固結(jié)一類熱帶地區(qū)砂土體并取得成功，Eric等[37]對有機(jī)酸類砂土固結(jié)劑進(jìn)行了系統(tǒng)研究并探討其固結(jié)機(jī)理，Ahmed等[38]詳細(xì)探討了微生物固結(jié)土體的影響因素。

隨著高分子材料技術(shù)的飛速發(fā)展，高分子聚合物類固化劑受到廣泛關(guān)注，特別是環(huán)保意識的增強(qiáng)，推動了生態(tài)環(huán)保、環(huán)境友好型高分子改性材料的研發(fā)及其水土保持應(yīng)用[39-42]。研究表明在土壤中施入聚合物后，團(tuán)粒數(shù)增多且團(tuán)粒的水穩(wěn)性和機(jī)械強(qiáng)度增大，因此抑制了濺蝕和細(xì)溝侵蝕，控制了水土流失[43]。應(yīng)用聚合物進(jìn)行水土保持的同時也抑制了肥料元素流失，聚乙烯醇、FES施入土壤后可防控磷素的流失[44-45]，淀粉-丙烯酸鉀-丙烯酰胺共聚物使NH4流失率從62% 減至約10%[46]，某些吸水樹脂能同時減少鉀離子、銨根離子和硝酸根離子流失[47]。聚乙烯醇和水鋁礦與綠泥石混合后使用，可有效抑制土壤板結(jié)[48]。多糖類物質(zhì)能提高表土層的滲透性，防止土壤板結(jié)，抑制干旱和半干旱地區(qū)的水土流失[49]；還能提高易板結(jié)土壤的種子出苗率，有利于幼苗生長，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和丙烯酸-尿素共聚物多組分混合使用時，在減少水土流失量方面的效果，比施用同質(zhì)量的單組分好。

我國學(xué)者在固化劑改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，提高土壤抗蝕、抗沖、抗剪、抗?jié)B、抗崩性能等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。夏海江等[50]研究發(fā)現(xiàn)某些土壤固化劑能使較小的土壤顆粒膠結(jié)凝聚成顆粒較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，即水穩(wěn)性團(tuán)聚體，這種團(tuán)聚體遇水不易崩解流失，從而有效提高土壤的抗蝕能力。陳濤等[51]研究顯示HEC固結(jié)劑對黃土干密度和滲透性能有很大改善作用，并且通過不同比例摻入量的對比試驗，確定了HEC固化劑的最佳摻入量。張麗萍[52]研究了LUKANG、CONAID、SSA和EN-1 4種固化劑對黃土抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗沖刷性的影響，優(yōu)選出黃土邊坡防護(hù)的最佳固化劑、配合比、養(yǎng)護(hù)齡期和壓實度。單志杰[21]研究了EN-1固化劑對黃土邊坡土壤水分有效性、入滲性、結(jié)構(gòu)性、抗崩性、抗蝕性和抗沖刷性等的影響，闡明了EN-1固化劑對邊坡土壤的加固機(jī)理，認(rèn)為EN-1固化劑對土壤抗蝕性的影響程度與固化劑摻量、土壤類型和土壤的取土層次有關(guān)。丁小龍等[53-54]同樣認(rèn)為EN-1不同摻入量的固化性能受土壤類型的影響，該固化劑可以明顯減小黃棕壤和塿土的飽和導(dǎo)水率，大幅提高塿土和黃棕壤的黏聚力；但固化劑摻入量過多反而降低土壤的飽和導(dǎo)水率和抗剪強(qiáng)度，摻量為1%、養(yǎng)護(hù)28 d時黃綿土和風(fēng)沙土的飽和導(dǎo)水率最低，摻入量為0.01%、養(yǎng)護(hù)28 d土壤的固化效果最佳；同時得出該固化劑適用于黏粒含量較大的土壤，不適用于砂粒含量較大的土壤。而從有效利用率和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，當(dāng)EN-1固化劑摻量為0.20%，養(yǎng)護(hù)7 d及以上，壓實度為0.90及以上時抗崩解固土性能較好[55]。祝亞云等[56]研究發(fā)現(xiàn)W-OH固化劑(改性親水性聚氨酯材料)能夠顯著降低崩崗崩積體土壤的分離速率，土壤分離速率隨W-OH噴施濃度的升高而降低；由于固結(jié)表層的存在，W-OH固化劑顯著改變了表層土壤的侵蝕過程，使得土壤分離速率與坡度、水流剪切力、水流功率等參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系相較對照(不噴施W-OH)發(fā)生了改變，并且表層土壤發(fā)生分離的臨界水流剪切力也得到了提升。

針對我國黃土高原砒砂巖區(qū)水土流失綜合治理模式與技術(shù)，學(xué)者們進(jìn)行了一系列研究。西北農(nóng)林科技大學(xué)開展了EN-1固化劑對砒砂巖風(fēng)化土工程力學(xué)特性和模擬邊坡抗沖性試驗，優(yōu)選出適用該地區(qū)固化邊坡的EN-1摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、壓實度和土壤含水量[57-58]。國家“十二五”科技支撐計劃砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術(shù)研究團(tuán)隊，將W-OH用于固結(jié)促生風(fēng)化砒砂巖，根據(jù)其粒徑分布、侵蝕機(jī)理等研發(fā)了基于W-OH的抗蝕促生新技術(shù)，并開展了相關(guān)的試驗研究與示范[59-60]。W-OH為高分子固化材料，可與水迅速反應(yīng)形成網(wǎng)狀的彈性凝膠體，該凝膠體具有固土(沙)、保水、保肥、促生的作用，且不會對生態(tài)環(huán)境造成危害[61]；W-OH對砒砂巖邊坡抗降雨侵蝕效果非常明顯，不同條件下減沙比均超過了90%[62]，其抗徑流沖刷的噴施濃度為4%、噴施量為1.5 L/m2較為適宜[63]；據(jù)野外試驗觀測，W-OH抗蝕促生試驗小區(qū)徑流量減少70% 以上，產(chǎn)沙量減少91% 以上[64]；W-OH抗蝕促生技術(shù)兼具固結(jié)、保水、抗蝕、促生的綜合性能，適用于水力侵蝕、重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕交互耦合的侵蝕環(huán)境，對砒砂巖區(qū)快速修復(fù)植被、防治水土流失具有明顯的效果，有望解決砒砂巖區(qū)溝道高邊坡侵蝕治理的問題。

在土壤固化劑的水土保持應(yīng)用中，有關(guān)固化劑對植被生長影響的研究較少。劉月梅等[65-66]在研究黃土性土壤固化對黑麥草生長的影響中發(fā)現(xiàn)，添加EN-1固化劑可以提高黑麥草的根系活力，促進(jìn)其吸收土壤水分和養(yǎng)分，適宜摻量的固化劑也會促進(jìn)黑麥草的生長，該研究中固化劑用量0.15% 較為適宜。單志杰等[21]對于EN-1固化劑加固黃土邊坡機(jī)理研究中也表明，該土壤固化劑能夠促進(jìn)植物光合作用，有利于植物根系吸收養(yǎng)分。盡管上述研究表明EN-1固化劑能夠促進(jìn)植被的生長，但并不是添加量越大植株長勢越好，存在最佳摻量，且最佳摻量受輔助劑添加的影響；而且大部分傳統(tǒng)固化劑容易導(dǎo)致表土形成固結(jié)層或者在土體內(nèi)部形成結(jié)塊，會對種子的萌發(fā)及植物根系的生長產(chǎn)生一定阻礙作用[55]。張磊等[67]研究發(fā)現(xiàn)W-OH濃度小于6% 時，可促進(jìn)單子葉植物發(fā)芽，縮短發(fā)芽時間；但會抑制雙子葉植物種子發(fā)芽時間和發(fā)芽率，且抑制效果隨W-OH濃度(超過4%)增大而越發(fā)明顯；W-OH濃度大于6% 時，造成表土微觀結(jié)構(gòu)孔隙和滲水速率減小，從而影響植物種子的發(fā)芽時間和發(fā)芽率。W-OH可大大延長植被的生長周期，提高植被恢復(fù)效率，3% 濃度的噴灑區(qū)2 a后植被覆蓋率可達(dá)85%[14]。

5 存在的問題及研究展望

綜上所述，在過去幾十年里土壤固化劑研究與應(yīng)用取得了大量成果，為其在不同領(lǐng)域中的示范與推廣奠定了重要基礎(chǔ)。目前，水土保持領(lǐng)域常用固化劑類型為有機(jī)類土壤固化劑，特別是高分子聚合物類和離子化合物類，主要應(yīng)用于水蝕、風(fēng)蝕(如砂、土固結(jié)材料和荒漠化防治材料)的防治，一些改性高分子材料還可用于高寒、凍融侵蝕區(qū)的防滲抗凍。水土保持中主要側(cè)重固化劑改良土壤結(jié)構(gòu)(理化性質(zhì)、持水供水特性、滲透特性、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等)，提高土壤抗蝕、抗沖、抗剪、抗崩性能及其應(yīng)用后的植物生長效應(yīng)。

我國應(yīng)用固化劑防治水土流失尚處于起步階段，從理論上分析，固化劑具有良好的水土保持效果，但在實際應(yīng)用過程中仍存在一些科學(xué)問題有待深入研究。

1)由于不同區(qū)域地理、水文、氣候、土壤等條件的差異，導(dǎo)致固化劑應(yīng)用過程中的固化性能有很大差異。在選擇固化劑時，只能是初步比較幾種固化劑的性能之后進(jìn)行模擬或?qū)嵉仳炞C其使用效果，并且往往單純使用一種固化劑很難達(dá)到預(yù)期效果，需添加一些輔助劑[68]來改善該種固化劑存在的不足，一旦主固劑的選擇不當(dāng)，不僅耗費(fèi)財力物力，還會浪費(fèi)研究者大量的時間和精力。因此，新型固化劑的研發(fā)，應(yīng)當(dāng)同時考慮針對性和兼容性，加強(qiáng)研究固化劑添加其他農(nóng)林制劑，形成植樹造林、防沙治沙、農(nóng)田生產(chǎn)、綠化護(hù)坡等不同用途的多功能固化劑系列化復(fù)合產(chǎn)品，從而使其具有較大的應(yīng)用范圍。

2)在土壤固化劑的應(yīng)用中，人們往往只關(guān)注其使用效果而忽略環(huán)境影響問題。盡管市面上已出現(xiàn)大量環(huán)保型固化劑，但考慮實際應(yīng)用效果和成本，環(huán)保型固化劑不可能被完全取代，非環(huán)保型固化劑仍占有很大比重，其大量使用可能會對土壤及地下水產(chǎn)生一定的影響，而且一些高分子固化劑本身就是一種有毒物質(zhì)或在某些條件下分解產(chǎn)生有毒物質(zhì)[69]。因此，需深入研究長期使用固化劑對土壤綜合效應(yīng)的影響以及從機(jī)制方面分析其保水、保土、保肥效果，以期為水土保持中正確施用固化劑及其環(huán)境影響評價提供理論依據(jù)。

3)已有研究多關(guān)注土壤固化劑的“水土保持”效果，對其“植被恢復(fù)”效果的研究相對薄弱，且主要集中于黃土性土壤/黃土高原，對其他水土流失區(qū)域的研究涉及甚少。由于水土流失是農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生的重要途徑和載體，因此，農(nóng)用固化劑的研發(fā)還應(yīng)加強(qiáng)面源污染阻控效應(yīng)及其應(yīng)用對作物生長發(fā)育、作物產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等影響方面的研究，為發(fā)展高效生態(tài)農(nóng)業(yè)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。以往有關(guān)固化劑減少面源污染的研究，特別是高分子類或離子類固化劑在肥料保持方面的研究，主要集中在降低因坡面徑流造成的肥料流失以及減少水分下滲引起的肥料淋溶方面，對使用固化劑后土壤中的肥料含量變化研究鮮有報道，尤其是施用高分子、離子化合物的土壤經(jīng)過作物利用后的肥料含量變化情況研究更少。而固化劑的應(yīng)用效果也會因為肥料種類的不同發(fā)生變化，因此固化劑與施用肥料的相互作用及其動態(tài)變化有待進(jìn)一步試驗研究，如最常施用的氮肥。此外，固化劑作為土壤侵蝕化學(xué)調(diào)控技術(shù)措施，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合生物措施、耕作措施及合理的農(nóng)藝，才能發(fā)揮更大的作用。

4)土壤固化劑種類繁多，其存在形態(tài)、應(yīng)用領(lǐng)域、工程要求、施工工藝等不盡相同，甚至使用固化劑想實現(xiàn)的效果也不一，造成目前固化劑在使用過程中缺乏統(tǒng)一規(guī)范的試驗規(guī)程。因此，應(yīng)研究構(gòu)建土壤固化劑評價體系，制定土壤固化劑的試驗規(guī)程；還應(yīng)進(jìn)行土壤固化劑施工工藝的研究，并研制專用的施工機(jī)具和設(shè)備，提高施工效率。

水土保持中使用土壤固化劑，不但可改善生態(tài)環(huán)境，同時在一定程度上也可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提高，帶來巨大的生態(tài)效益和社會效益，只有將經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益結(jié)合起來，在改善生態(tài)環(huán)境的同時，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，才能使當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)進(jìn)入良性的可持續(xù)發(fā)展軌道。

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Soil Stabilizer and Its Application in Soil and Water Conservation: A Review

ZHANG Guanhua, NIU Jun, SUN Jinwei, LI Hao

(1 Soil and Water Conservation Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2 Research Center on Mountain Torrent & Geologic Disaster Prevention of Ministry of Water Resources, Wuhan 430010, China)

With the aggravation of soil and water loss and the deterioration of ecological environment, new techniques, materials and methods are continually explored for soil and water conservation. As a chemical measure for controlling soil and water loss, soil stabilizers showed a wide application prospect. The paper stated the type characteristics, the solidifying mechanism and performances of soil stabilizers; summarized the application status of soil stabilizers in soil and water conservation, and put forward the current problems of application and future research aspects for soil stabilizers in order to provide a guidance for research and development of new soil stabilizers.

Soil stabilizer; Soil and water conservation; Sustainable development; Plant growth; Efficient ecological agriculture

水利部技術(shù)示范項目(SF-201601)、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目(CKSF2017050/TB；CKSF2017028/TB)和國家自然科學(xué)基金項目(41301298)資助。

張冠華(1983—)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，高級工程師，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail: zgh83113@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.004

S156.2；S157.9

A