SA-01型高分子土壤抗蝕劑改良土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的試驗(yàn)研究

李 昊, 胡甲均, 任紅玉

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430010; 2.水利部 長江水利委員會(huì),湖北 武漢 430010； 3.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430010)

隨著人口的不斷增長，人民對糧食的需求日益增大，坡耕地作為重要的農(nóng)業(yè)資源將長期存在,同時(shí)也面臨嚴(yán)重的水土流失問題，中國坡耕地占耕地總面積20%，占全國水土流失總面積6.7%[1]，且由于地形、耕作等因素影響，坡耕地侵蝕量十分巨大，產(chǎn)生的土壤流失量占到全國土壤流失總量的28.3%，是水土流失的主要地類和江河泥沙的主要策源地。坡耕地嚴(yán)重的水土流失使山區(qū)丘陵土層變薄，養(yǎng)分流失，保水能力變差，土地生產(chǎn)力低下，下游江河湖庫淤積，嚴(yán)重阻礙山地丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，直接影響國家糧食安全、生態(tài)安全和防洪安全，制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。對于坡耕地水土流失的治理，國內(nèi)外圍繞保護(hù)性耕作措施和農(nóng)田排水方面開展了大量研究[3-4]。我國坡耕地水土保持常用措施主要有3種類型[5-8]：一是配套坡面水系工程和田間道路的坡改梯措施；二是對暫時(shí)無法改為梯田又必須保留農(nóng)作的坡耕地，大力推廣保土耕作措施；三是以等高植物籬、植物護(hù)埂和苧麻種植為代表的植被措施。但由于自然條件、經(jīng)濟(jì)條件，或是農(nóng)耕文化的原因，上述3項(xiàng)措施并不能完全滿足坡耕地治理的需求。因此急需探索坡耕地水土流失治理新理念、新技術(shù)、新材料[9]。研發(fā)保土抗蝕新材料是水土保持研究長期重點(diǎn)支持方向，其中土壤抗蝕劑是一種在常溫條件下能夠直接膠結(jié)土壤顆粒或與黏土礦物反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)的新型材料，能有效穩(wěn)定土壤，提升土體強(qiáng)度，減少水土流失[10-12]。目前，這類材料按其組成成分可被分為：無機(jī)類、有機(jī)高分子類和生物酶類[13]。近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，土壤抗蝕材料的研究已取得蓬勃發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于坡面生態(tài)防護(hù)，荒漠化治理，防治揚(yáng)塵等領(lǐng)域[14-16]。其中具有良好降解性能的有機(jī)高分子類抗蝕材料是坡耕地治理研究的熱點(diǎn)[17]。針對此，本課題組以多糖類天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)，研究開發(fā)了一種SA-01型高分子土壤抗蝕劑，探討該抗蝕劑產(chǎn)品對土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響，并分析了其影響的機(jī)理。土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性是指土壤團(tuán)聚體經(jīng)水浸泡后的穩(wěn)定情況，其對土壤孔隙保持和徑流產(chǎn)生具有重要影響，與土壤抗蝕性密切相關(guān)[18-19]，是土壤抗蝕性分析的關(guān)鍵指標(biāo)，本文就以其水穩(wěn)性指數(shù)K的變化來分析SA-01材料對土壤抗蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用的材料為SA-01型高分子土壤抗蝕劑，該材料由從天然產(chǎn)物中提取的多糖類化合物為基材經(jīng)改性制得。其能完全溶于水，形成透明無味的具有一定黏度的水溶液，其1%濃度溶液pH值7～8，比重1.01～1.05。試驗(yàn)采用的土樣是取自武漢市長江科學(xué)院沌口科研基地的紅壤，風(fēng)干后質(zhì)量含水率為6.73%。

1.2 試樣制備

將從現(xiàn)場取回的土樣經(jīng)過風(fēng)干、敲碎、過篩后，將粒徑分布較集中的2～20 mm團(tuán)聚體分為2～5 mm，5～10 mm，10～20 mm這3組[20]，隨后按500 ml/m2的量在團(tuán)聚體表面均勻噴灑不同濃度的SA-01溶液，使溶液充分浸潤團(tuán)聚體表面，并在室溫下靜置2 h，以備試驗(yàn)和表征。其中未噴灑SA-01的團(tuán)聚體記為原始組，噴灑SA-01的團(tuán)聚體記為試驗(yàn)組。

1.3 團(tuán)聚體水穩(wěn)性試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)方法 本試驗(yàn)采用靜水法對團(tuán)聚體的水穩(wěn)性進(jìn)行了測定[21-22]。試驗(yàn)通過將團(tuán)聚體放置在靜水中，觀察團(tuán)聚體隨著時(shí)間解體的數(shù)量，計(jì)算出團(tuán)聚體的水穩(wěn)性指數(shù)K，從而測定出團(tuán)聚體的水穩(wěn)性，其試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)步驟為： ①每種試樣隨機(jī)取出30顆團(tuán)聚體均勻放置在口徑1 mm的金屬網(wǎng)上。 ②向玻璃容器中加水，直至水面高于金屬網(wǎng)5 cm，而后將團(tuán)聚體浸入水中開始計(jì)時(shí)。 ③每組試驗(yàn)一共進(jìn)行10 min，記錄每1 min解體的數(shù)量。 ④每個(gè)濃度試驗(yàn)做3組平行，取3組平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值計(jì)算團(tuán)聚體的水穩(wěn)性。

圖1 團(tuán)聚體水穩(wěn)性測試裝置

1.3.2 團(tuán)聚體水穩(wěn)性計(jì)算方法 由于土粒崩解的時(shí)間不同，鑒定其水穩(wěn)性程度需要采用校正系數(shù)，每分鐘校正系數(shù)Ki如下：1 min為5%；2 min為15%；3 min為25%；4 min為35%；5 min為45%；6 min為55%；7 min為65%；8 min為75%；9 min為85%；10 min為95%。在10 min內(nèi)沒有分散的土粒的水穩(wěn)性指數(shù)為100%。

水穩(wěn)性指數(shù)按下列公式計(jì)算：

(1)

式中：Pi——第i分鐘分散的土粒數(shù)量；Pj——10 min內(nèi)未分散的土粒數(shù)；Ki——第i分鐘校正系數(shù)；A——供試土?？倲?shù)，本次試驗(yàn)為30。

1.4 掃描電鏡測試

掃描電子顯微鏡是一種利用電子與物質(zhì)的相互作用來對物質(zhì)微觀形貌進(jìn)行表征的方法，常用于測定各種固體的表面形貌，其放大倍數(shù)可于1.00×102至1.00×105間連續(xù)可調(diào)。本試驗(yàn)用其觀察了原始組與試驗(yàn)組表面的形貌變化以分析SA-01材料的固土機(jī)理。測試儀器為Sigma場發(fā)射掃描電鏡，測試前將處理好的樣品在60 ℃條件下真空干燥4 h，并噴金以增強(qiáng)其導(dǎo)電性，減小干擾。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表1給出了不同條件下團(tuán)聚體在靜水中浸泡10 min過程中每分鐘的崩解情況，由表我們可以看出，所有粒徑下的團(tuán)聚體經(jīng)SA-01處理后其崩解數(shù)都有較大程度的下降，表明SA-01起到了良好的固土效果。

圖2給出了不同條件下團(tuán)聚體累積崩解情況，團(tuán)聚體初始崩解時(shí)間與團(tuán)聚體最終崩解個(gè)數(shù)的具體數(shù)字分別列于表2—3。

表1 團(tuán)聚體水穩(wěn)性測試結(jié)果

注：數(shù)據(jù)是每分鐘解體的團(tuán)聚體數(shù)量。

圖2 不同SA-01施用濃度條件下團(tuán)聚體隨時(shí)間累計(jì)崩解數(shù)

由圖2和表2—3可以看出，對于未添加SA-01的原始組，其放入水中后立即發(fā)生崩解，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，所有粒徑的試驗(yàn)樣品在第6～7 min基本都完全崩解，而對于施加材料的試驗(yàn)組，少量的SA-01都會(huì)對團(tuán)聚體崩解情況產(chǎn)生巨大影響，無論是其初始崩解時(shí)間還是最終崩解個(gè)數(shù)都小于原始組。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在相同粒徑條件下，團(tuán)聚體初始崩解時(shí)間隨著SA-01施用濃度的增加而增加，團(tuán)聚體最終崩解個(gè)數(shù)隨著SA-01施用濃度的增加而減小。以2～5 mm粒徑試驗(yàn)組為例，施用0.25%的SA-01后，團(tuán)聚體于4 min后才開始崩解，并最終崩解9個(gè)，而當(dāng)施用1%的SA-01后，整個(gè)試驗(yàn)過程中30個(gè)團(tuán)聚體顆粒無一崩解，且后續(xù)的觀察中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1%的SA-01處理后的團(tuán)聚體能在靜水中穩(wěn)定存在30 d以上。此外，在相同SA-01施用濃度條件下，團(tuán)聚體初始崩解時(shí)間基本隨著粒徑的增大而減小，團(tuán)聚體最終崩解個(gè)數(shù)隨著粒徑的增大而增大。

表2 團(tuán)聚體初始崩解時(shí)間

表3 團(tuán)聚體最終崩解個(gè)數(shù)

2.2 SA-01對團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響

土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性是土壤抗蝕性分析的關(guān)鍵指標(biāo)，表4給出了不同濃度SA-01施用后土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的變化。由表4可知，施用少量的SA-01就可大幅提升團(tuán)聚體水穩(wěn)性，在施用濃度為0.25%的SA-01后，3種粒徑的紅壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性較未處理的試驗(yàn)組平均提高了2.61倍，提升作用非常明顯，當(dāng)SA-01濃度達(dá)到1.0%時(shí)，團(tuán)聚體的水穩(wěn)性達(dá)到100%，即在一次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，團(tuán)聚體完全沒有解體的跡象。同時(shí)也可以看到，在相同濃度SA-01處理?xiàng)l件下，水穩(wěn)性指數(shù)K隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而減小，以施用0.75%SA-01試驗(yàn)組為例，其2～5 mm粒徑組最終崩解個(gè)數(shù)僅為3個(gè)，水穩(wěn)性指數(shù)K達(dá)到99.2%，但隨粒徑增大，其10～20 mm試驗(yàn)組最終崩解數(shù)上升到8個(gè)，水穩(wěn)性指數(shù)K下降到91%；在相同團(tuán)聚體粒徑條件下，水穩(wěn)性指數(shù)K隨著SA-01濃度的增加而增加，以5～10 mm粒徑組為例，其初始水穩(wěn)性指數(shù)K為33%，施用0.25%SA-01后其水穩(wěn)性指數(shù)K提升2.73倍達(dá)到90.2%，并隨著施用濃度的進(jìn)一步升高而不斷增加，最終于1%施用濃度時(shí)達(dá)到100%。

3 討 論

3.1 SA-01影響團(tuán)聚體崩解模式分析

分析可知，SA-01施用后團(tuán)聚體崩解數(shù)量減少，初始崩解時(shí)間延長，水穩(wěn)性有較大提升。就原始組而言，其與前人研究結(jié)果類似[23]展現(xiàn)出漸進(jìn)的崩解模式：其團(tuán)聚體與水接觸后，其表層土壤顆粒立即開始脫落，隨著浸泡時(shí)間的延長，土壤顆粒逐漸發(fā)生坍塌崩解，并最終完全解體，分散成為細(xì)小的顆粒(圖3)。就試驗(yàn)組而言，其崩解過程發(fā)生明顯變化：其團(tuán)聚體與水接觸后，初期沒有發(fā)生明顯變化，但隨著浸泡時(shí)間的延長，少數(shù)團(tuán)聚體顆粒表面出現(xiàn)細(xì)小的裂縫，隨后裂縫逐漸增大，團(tuán)聚體內(nèi)部土壤短時(shí)間內(nèi)突然從裂縫中大量流出(圖3)。

圖3 團(tuán)聚體最終崩解情況

3.2 SA-01提升團(tuán)聚體水穩(wěn)性機(jī)理分析

分析可知,隨著SA-01的施用，土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性指數(shù)K大幅提升，且其崩解模式發(fā)生較大變化。依據(jù)材料的性質(zhì)，我們猜想這與材料與團(tuán)聚體顆粒間的反應(yīng)有關(guān)。SA-01是以多糖為基材的高分子材料，多糖類物質(zhì)高分子鏈中含有大量的親水的羥基(-OH)基團(tuán)，該基團(tuán)可通過氫鍵作用連接土壤顆粒，同時(shí)多糖的高分子長C鏈也可通過滲透、擴(kuò)散作用纏繞土體顆粒也起到加固作用[24-25]，此外SA-01材料特有的部分活性基團(tuán)可與土壤中的Ca2+,Mg2+等高價(jià)陽離子發(fā)生反應(yīng)，在表層土壤生成能透水透氣有一定強(qiáng)度但不溶于水的水凝膠保護(hù)層。為了驗(yàn)證我們的猜想，我們對未噴灑SA-01的原始組與噴灑0.5%濃度的SA-01的試驗(yàn)組團(tuán)聚體表面進(jìn)行了掃描電鏡測試，其結(jié)果如圖4所示。圖4可以看到，未噴灑SA-01的原始組團(tuán)聚體表面具有很多片狀原始土壤結(jié)構(gòu)[26]，而對于噴灑0.5%濃度的SA-01的試驗(yàn)組(圖4)而言，其表面未見到這種片狀結(jié)構(gòu)，而是覆蓋了一層薄膜狀的涂層，這些薄膜狀結(jié)構(gòu)就是我們猜想中的透水透氣的保護(hù)層。這也解釋了噴灑材料前后團(tuán)聚體崩解發(fā)生變化的現(xiàn)象，噴灑材料前，原始組團(tuán)聚體是由礦物晶體或黏土微小顆粒通過相互作用集聚而成，當(dāng)其與水接觸后，水分從外到內(nèi)，逐漸滲入到團(tuán)聚體內(nèi)部與團(tuán)聚體土壤顆粒發(fā)生作用，削弱其間的相互作用，當(dāng)該作用力小于土壤顆粒的重力與浮力差時(shí)，土壤顆粒就由外向內(nèi)逐漸發(fā)生崩解。噴灑材料后，SA-01材料在團(tuán)聚體表面形成一層凝膠保護(hù)層，該保護(hù)層具有一定機(jī)械強(qiáng)度，可在浸水初期，土壤顆粒間的相互作用力削弱后，保護(hù)團(tuán)聚體免于崩解，故試驗(yàn)組初期團(tuán)聚體沒有發(fā)生明顯變化；但隨著浸泡時(shí)間的延長團(tuán)聚體內(nèi)部水土相互作用加劇，以及土壤浸泡后的膨脹作用，團(tuán)聚體內(nèi)部向外的力逐漸增大造成保護(hù)層破裂，也就是我們觀察到的團(tuán)聚體顆粒表面出現(xiàn)細(xì)小的裂縫，隨后隨著團(tuán)聚體內(nèi)部向外的力進(jìn)一步增大，裂縫變大，團(tuán)聚體內(nèi)部土壤短時(shí)間內(nèi)突然從裂縫中大量流出。其示意圖如圖5所示。

圖4 團(tuán)聚體表面掃描電鏡圖

圖5 團(tuán)聚體崩解機(jī)理

3.3 SA-01濃度與團(tuán)聚體粒徑影響團(tuán)聚體水穩(wěn)性機(jī)理分析

由前文分析可知，SA-01材料在團(tuán)聚體表面形成的具有一定機(jī)械強(qiáng)度的保護(hù)層是提升土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的關(guān)鍵。同時(shí)這一結(jié)果也解釋了我們之前觀察到的在相同濃度SA-01處理后，團(tuán)聚體水穩(wěn)性指數(shù)K隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而減小，在相同團(tuán)聚體粒徑條件下，水穩(wěn)性指數(shù)K隨著SA-01濃度的增加而增加的現(xiàn)象，即：在團(tuán)聚體粒徑相同的情況下，SA-01噴灑濃度越大，與團(tuán)聚體發(fā)生相互作用的材料越多，在團(tuán)聚體表層形成的保護(hù)層強(qiáng)度就越大，破壞保護(hù)層所需的力就越大，團(tuán)聚體顆粒就越難崩解，其水穩(wěn)性就越大，因此水穩(wěn)性指數(shù)K隨著SA-01濃度的增加而增加；在相同濃度SA-01處理后，粒徑越大，團(tuán)聚體比表面積越小，單位面積保護(hù)層所需保護(hù)的土壤體積就越大，單位面積保護(hù)層所需對抗的膨脹力就越大，保護(hù)層越容易破裂，且粒徑越大，在團(tuán)聚體表面形成均勻保護(hù)層的難度就越大，保護(hù)層的強(qiáng)度就越小，因此水穩(wěn)性指數(shù)K隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而減小。

4 結(jié) 論

(1) SA-01型多糖類高分子土壤抗蝕劑能有效提高土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性，且少量添加就能達(dá)到良好的效果,施用濃度為0.25%的SA-01后，3種粒徑的紅壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性較未處理的試驗(yàn)組平均提高了2.61倍，當(dāng)SA-01濃度達(dá)到1.0%時(shí)，團(tuán)聚體的水穩(wěn)性達(dá)到100%。

(2) SA-01型多糖類高分子土壤抗蝕劑能在土壤團(tuán)聚體表面形成一層可透水的保護(hù)層，該保護(hù)層能改變團(tuán)聚體崩解模式，延緩團(tuán)聚體崩解是團(tuán)聚體水穩(wěn)性提升的關(guān)鍵。

(3) SA-01型多糖類高分子土壤抗蝕劑對土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的提升隨材料噴灑濃度的增加而增加，隨團(tuán)聚體粒徑的增大而減小。