膨潤土-甘草渣復(fù)合材料保水效應(yīng)

古麗娜爾·巴合提別克，王 瑛，蘇金娟，王 梅，劉永萍，陸學(xué)良，楚光明

(1.新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832000；2.新疆林科院造林治沙研究所，烏魯木齊 830063； 3.新疆奇臺(tái)縣國平膨潤土礦，新疆奇臺(tái) 831800)

0 引 言

【研究意義】改良土壤結(jié)構(gòu)及蓄水保肥能力的材料主要有綠肥、廄肥、腐植酸、泥炭、稻稈、菌渣等有機(jī)肥料，粘土、過磷酸鈣、膨潤土、沸石、粉煤灰、磷石膏等無機(jī)礦物，以及各種人工合成的保水保肥劑等[1，2]，其中膨潤土因其獨(dú)特的性能，已被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】膨潤土是以蒙脫石為主要成分的層狀硅酸鹽黏土礦物，在中國儲(chǔ)藏量豐富，價(jià)格低廉，遍布26個(gè)省市，儲(chǔ)量世界第一，膨潤土因其獨(dú)特的性能，已被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中。自然界中膨潤土主要有鈉基、鈣基和酸基膨潤土三種類型，其中鈣基膨潤土在我國占90%以上。雖然鈉基在自然界中所占比例很小，但鈉基膨潤土的吸水率、膨脹容、陽離子交換量、分散性、膠質(zhì)價(jià)、潤滑性、觸變性、粘結(jié)性、熱穩(wěn)定性等理化性質(zhì)都明顯優(yōu)于鈣基膨潤土，而且鈉基膨潤土可以通過鈣基膨潤土的人工鈉化改型深加工處理而制成[3-4]。鈉基膨潤土除可用于防水材料外，還可用于沙漠化治理、污水處理、生物給養(yǎng)、食品、藥品、紡織、輕工、石油、冶金等各行業(yè)。當(dāng)前鈉基膨潤土在農(nóng)業(yè)上的作用主要包括以下方面：改良土壤、保水保肥、提高養(yǎng)分有效性[5]。由于鈉基膨潤土具有良好的粘結(jié)性、分散性、吸附性和離子交換性等以及多種微量元素，膨潤土可以有效改良土壤理化性質(zhì)。將膨潤土和砂質(zhì)土壤混合起來，可改變砂質(zhì)土壤的松散狀況，增加砂質(zhì)土壤中有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的數(shù)量，提高砂質(zhì)土壤的持水能力，改善水分狀況，提高砂質(zhì)土壤的陽離子交換量和鹽基飽和度，增加砂質(zhì)土壤的保肥性能，防止土壤養(yǎng)分流失，且有利于砂質(zhì)土壤中有機(jī)質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)化[6，7]。膨潤土與有機(jī)質(zhì)同時(shí)施用，可同時(shí)提高兩者的效用，增強(qiáng)土壤保持水肥的能力，提高土壤水分和養(yǎng)分的利用率。但把握好其用量對(duì)作物生長(zhǎng)尤其重要，研究表明[8，9]，干旱地區(qū)棉田1 hm2施膨潤土0.5～1 t，可有效降低土壤容重，提高棉田含水量，創(chuàng)造良好的保水保肥環(huán)境而不產(chǎn)生污染，并因而促進(jìn)棉株生長(zhǎng)發(fā)育，有利于物質(zhì)積累棉花增產(chǎn)達(dá)4.8%～13.5%。栗印環(huán)等[10]研究膨潤土用量對(duì)吸水倍率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)保持交聯(lián)劑用量為 0.09%，膨潤土用量為30%，吸水倍率高達(dá)588 g/g，再增加膨潤土用量 ，吸水倍率反而降低。程志強(qiáng)等[11]制備一種新型保水劑，發(fā)現(xiàn)丙烯酸與膨潤土質(zhì)量配比10∶1其吸蒸餾水倍率為高達(dá)890 g/g，也有學(xué)者用樹葉纖維素、膨潤土為原料，以丙烯酸、丙烯酰胺為單體，研究膨潤土用量等工藝條件對(duì)吸水率的影響[12]。更多的是研究膨潤土添加量、引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量對(duì)吸水率的影響[13]。這些保水產(chǎn)品一般為高分子聚合物。通常采用吸水性樹脂或淀粉等材料人工合成，雖吸水性狀極佳。但許多合成的保水保肥劑成本較高、耐鹽性差且具有潛在的2次污染。例如聚丙稀酰胺(PAM)，雖然本身無毒，但降解過程中產(chǎn)生的丙稀酰胺是一種劇毒物質(zhì)[14]。長(zhǎng)期大量施用就可能影響到環(huán)境的安全性，造成土壤污染，甚至使植物中有毒物質(zhì)累積。因此，天然、廉價(jià)、安全的保水保肥材料備受關(guān)注?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆是我國甘草資源比較豐富的省區(qū)，主要進(jìn)行甘草酸粉提取，每年產(chǎn)生上百萬頓甘草渣，未能進(jìn)行很好的處理，露天堆放既占用土地又污染環(huán)境[15]，除了甘草渣還有黃腐酸、甜菜、薰衣草渣等經(jīng)濟(jì)作物廢棄殘?jiān)鼪]有得到很好的處理。這些殘?jiān)卸喾N豐富的營養(yǎng)元素，即氮、磷、鉀及其他微量元素和有機(jī)質(zhì)，用作肥料的載體施入土壤后，可以提高土壤肥力。研究加入不同配比膨潤土、甘草渣材料的砂土基質(zhì)的保水性能。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用廉價(jià)易得并且無污染的甘草渣和具有良好的粘結(jié)性、分散性、吸附性和離子交換性的膨潤土[16，17]，將二者按不同比例結(jié)合制成膨潤土-甘草渣復(fù)合材料，對(duì)加入不同配比復(fù)合材料的砂土與純砂土(CK)的保水能力進(jìn)行綜合對(duì)比分析，探討最佳的配比方案。研究其保水效果，充分利用殘留物質(zhì)，發(fā)掘出了甘草廢棄物新的可利用價(jià)值點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019年7～9月在石河子大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，天然鈉基膨潤土取材于新疆奇臺(tái)縣國平膨潤土礦，細(xì)度為80目；甘草渣采用新疆阿克蘇農(nóng)一師16團(tuán)甘草膏廠的甘草產(chǎn)品的廢棄物。表1

表1 供試樣品基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested samples

1.2 方 法

1.2.1 吸水倍數(shù)

采用茶袋法。按照復(fù)合材料總重量占砂土10%、15%、20%做3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)按膨潤土與甘草渣的重量比設(shè)計(jì)1∶1(T1)、1∶1.5(T2)、1∶2(T3)、1∶2.5(T4)4個(gè)處理和對(duì)照(CK)，每處理3次重復(fù)， 準(zhǔn)確稱取砂土 (采自新疆南疆地區(qū))以及復(fù)合材料裝入80目尼龍網(wǎng)袋(袋子長(zhǎng)20 cm，寬15 cm)中。將裝有各試樣的尼龍網(wǎng)袋放入盛有蒸溜水的燒杯中，讓其充分吸水24 h。之后將尼龍網(wǎng)袋吊起瀝干，無水滴出時(shí)稱取重量。按照如下公式計(jì)算各試樣的吸水倍數(shù)：

Aw=(M2-M1-M0)/M1。

式中Aw為吸水倍數(shù)；M2為吸水后尼龍網(wǎng)袋與試樣總重量；M1為試樣重量，M0為尼龍網(wǎng)袋質(zhì)量。

1.2.2 水分蒸發(fā)速率

按照復(fù)合材料總重量占砂土10%、15%、20%做3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)按膨潤土與甘草渣的重量比設(shè)計(jì)1∶1(T1)、1∶1.5(T2)、1∶2(T3)、1∶2.5(T4)4個(gè)處理和對(duì)照(CK)，每處理3次重復(fù)。準(zhǔn)備大小合適的土柱管，此次試驗(yàn)使用自制高40 cm，內(nèi)徑10 cm的PVC管，用80目的尼龍布封住底部。分別稱取砂土和復(fù)合材料放入PVC管內(nèi)，用來模擬耕層。表2～4

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用軟件SPSS 12.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Microsoft Excel2003和SigmaPlot進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。

表2 復(fù)合材料重量占砂土10%Table 2 The weight of the composite material accounting for 10% of the sand

表3 復(fù)合材料重量占砂土15%Table 3 The weight of the composite material accounting for 15% of the sand

表4 復(fù)合材料重量占砂土20%Table 4 The weight of the composite material accounting for 20% of the sand

通過加少量水來模擬試樣在不充分吸水條件下的狀態(tài)。向PVC管加入蒸餾水300 mL，在室溫下靜置一晚。次日上午稱重，作為第1 d的數(shù)據(jù)。以后每天定時(shí)取出稱重，至質(zhì)量比較穩(wěn)定時(shí)停止。

通過加大量水來模擬試樣在充分吸水條件下的狀態(tài)。在PVC管下套一大小合適的燒杯，用于承接滲漏液。向PVC管中加水600 mL，靜置一晚，至PVC管己無水漏出。余下操作如前，至第23 d時(shí)停止。表5～7

表5 復(fù)合材料重量占砂土10%Table 5 The weight of the composite material accounting for 10% of the sand

表6 復(fù)合材料重量占砂土15%Table 6 The weight of the composite material accountings for 15% of the sand

表7 復(fù)合材料重量占砂土20%Table 7 The weight of the composite material accountings for 20% of the sand

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料吸水倍數(shù)特征

土壤水是植物吸水的主要來源，保水劑的水土保持功能與其保水、持水能力和增加土壤水分入滲速率密切相關(guān)[18]，且土壤吸水倍數(shù)、保水性能與土壤質(zhì)地之間的關(guān)系密切[19]。

在復(fù)合材料重量占砂土10%處理中土壤顆粒間相互作用力較小，土壤較疏松，通透性較好，孔隙較大，導(dǎo)致砂質(zhì)土壤蓄水力弱、保水能力差，吸水倍數(shù)僅為0.017 3。膨潤土和甘草渣比例為1∶1即T1吸水倍數(shù)最高，約為CK的14倍；T2的吸水倍數(shù)最低，約為CK的12倍。T1～T4處理之間沒有顯著差異。表8

在復(fù)合材料重量占砂土15%的試驗(yàn)中土壤顆粒間相互作用力小，土壤比較疏松，通透性好，孔隙大，因此，土壤蓄水力弱、保水能力比較差，吸水倍數(shù)僅為0.008 4。膨潤土和甘草渣比例為1∶1即T1吸水倍數(shù)最高，約為CK的25倍。T2吸水倍數(shù)最低，約為CK的21.86倍。T1～T4處理之間沒有顯著性差異。表9

在復(fù)合材料重量占砂土20%的試驗(yàn)中土壤顆粒間相互作用力小，土壤疏松，通透性好，孔隙大，導(dǎo)致砂質(zhì)土壤蓄水力弱、保水能力很差，所以吸水倍數(shù)僅為0.002 7。膨潤土和甘草渣比例為1∶1.5即T2吸水倍數(shù)最高，約為CK的53倍。T3吸水倍數(shù)最低，約為CK的33倍。T1和T4的吸水倍數(shù)顯著高于T3，T4介于T1、T4和T3。

在復(fù)合材料重量占砂土10%、15%、20% 3組試驗(yàn)里復(fù)合材料重量占砂土20%的土壤吸水倍數(shù)相比其他2個(gè)組有較大差異，且膨潤土和甘草渣比例為1∶1.5吸水倍數(shù)最高，同T1不顯著。表10

表8 復(fù)合材料重量占砂土10%時(shí)不同試樣吸水倍數(shù)Table 8 Different sample absorbent multiples of the weight of the composite material accounting for 10% of the sand

表9 復(fù)合材料重量占砂土15%時(shí)不同試樣吸水倍數(shù)Table 9 Different sample absorbent multiples of the weight of the composite material accounting for 15% of the sand

表10 復(fù)合材料重量占砂土20%時(shí)不同試樣吸水倍數(shù)Table 10 Different sample absorbent multiples of the weight of the composite material accounting for 20% of the sand

2.2 不充分吸水條件下的水分蒸發(fā)速率

研究表明，混有復(fù)合材料的砂土與一般純砂土在吸水倍數(shù)上的差異很大，也導(dǎo)致在相同的灌溉條件下，混有復(fù)合材料的砂土的吸水狀態(tài)與純砂土有較大差異。

隨著時(shí)間的推移，各處理的含水量都呈下降趨勢(shì)。在T1～T4處理中T2處理含水量最高，T4處理含水量最低，第3 d開始 T1～T4處理含水量顯著高于CK處理，且隨著時(shí)間的推移差異在不斷擴(kuò)大，并且T1～T4處理差異不顯著，CK的水分持續(xù)下降，而T1～T4曲線變化較緩，水分蒸發(fā)速率較低，起到保水作用。 表11，圖1

表11 復(fù)合材料重量占砂土10%不充分吸水狀態(tài)下每日水分含量Table 11 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 10% of the sand(g)

研究表明，隨著時(shí)間的推移，各處理的含水量都呈下降趨勢(shì)，剛開始CK處理含水量顯著高于其他處理，從第4 d開始CK的水分持續(xù)下降，其他處理保水效果依次為T3>T1>T2>T4，第14 d開始 T1、T3處理含水量差異不顯著且顯著高于其他處理，并且T1、T3曲線變化較緩，水分蒸發(fā)速率較低，起到保水作用。其次為T2處理，T4同CK水分持續(xù)下降，但是曲線變化較緩，水分蒸發(fā)速率低于CK。表12，圖2

表12 復(fù)合材料重量占砂土15%不充分吸水狀態(tài)下每日水分含量Table 12 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 15% of the sand(g)

研究表明，隨著時(shí)間的推移，各處理的含水量都呈下降趨勢(shì)。從第4 d開始各處理保水效果依次為T2>T3>T4>T1>CK，T2處理含水量顯著高于其他處理，曲線變化較緩，水分蒸發(fā)速率較低，保濕性能強(qiáng)，其他含水量較高的T3、T4、T1處理也表現(xiàn)出較為明顯的保水作用。表13，圖3

表13 復(fù)合材料重量占砂土20%不充分吸水狀態(tài)下每日水分含量Table 13 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 20% of the sand(g)

2.3 充分吸水條件下的水分蒸發(fā)速率

研究表明，由于各處理吸水倍數(shù)的不同，前5 d T1、T3、T4處理初始含水量顯著高于T2處理與CK、CK水分蒸發(fā)速率略低于T2處理。從第6 d開始，CK處理含水量持續(xù)下降，并隨著時(shí)間的推移，差異越來越顯著，T1、T3、T4差異不顯著并均高于T2處理，但T2同T1、T3、T4趨勢(shì)較緩，蒸發(fā)速率很低，保濕效果比較好。表14，圖4

隨著時(shí)間的推移，各處理的含水量都呈下降趨勢(shì)，T1處理含水量顯著高于其他處理，其次為T4處理。T1處理含水量趨勢(shì)較緩，有很強(qiáng)的保濕性。第6 d開始，CK處理顯著低于其他處理，水分持續(xù)下降，到第19 d時(shí)，CK水分含量已接近0，已經(jīng)接近土壤萎蔫系數(shù)，保水能力太差。 表15，圖5

由于各處理吸水倍數(shù)的不同，T2處理含水量始終顯著高于T1、T4、T3處理與CK、雖T4處理含水量較高于CK處理，但是水分蒸發(fā)速率較T1～T3均比較低，保濕性能差。表16，圖6

表14 復(fù)合材料重量占砂土10%充分吸水狀態(tài)下每日水分含量Table 14 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 10% of the sand(g)

表15 復(fù)合材料重量占砂土15%充分吸水狀態(tài)下每日水分含量Table 15 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 15% of the sand(g)

表16 復(fù)合材料重量占砂土20%充分吸水狀態(tài)下每日水分含量Table 16 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 20% of the sand(g)

3 討 論

利用吸水性較強(qiáng)的膨潤土和天然、廉價(jià)、安全的甘草廢棄物，制備了保水性復(fù)合材料；充分開發(fā)利用甘草殘?jiān)Y源，發(fā)掘出了甘草廢棄物新的可利用價(jià)值點(diǎn)，為甘草資源的進(jìn)一步開發(fā)利用和農(nóng)田保水方向上的應(yīng)用提供一定的理論參考。

膨潤土pH為7.83呈弱堿性，不適宜直接栽種作物，甘草渣的pH接近中性，它的加入可有效調(diào)節(jié)膨潤土的酸堿度，使膨潤土能夠被更合理的利用；復(fù)合材料重量占砂土10%～20%所有處理組吸水倍數(shù)較純砂土高出約11～52倍，其中復(fù)合材料重量占純砂土20%吸水倍數(shù)相比其他2個(gè)組有較大差異，其T1～T4處理組吸水倍數(shù)高達(dá)30～50倍，并且膨潤土和甘草渣比例為1∶1和1∶1.5時(shí)吸水倍數(shù)高達(dá)50多倍；土壤在充分吸水條件下，所有處理組中吸水性由高到低依次為20%>15%>10%，復(fù)合材料重量占砂土20%的T2處理含水量始終顯著高于其他處理。所以綜合考慮土壤在充分吸水條件下的吸水性、保濕性，在配比上選擇使用膨潤土和甘草渣總重量占砂土20%，并且膨潤土與甘草渣質(zhì)量比1∶1.5最優(yōu)。但在不充分吸水條件下，前10 d復(fù)合材料水分蒸發(fā)速率較砂土有所下降，施用于作物種子發(fā)芽初期很難充分顯示其保水作用，影響作物后期正常生長(zhǎng)。但在充分吸水的條件下，復(fù)合材料則能長(zhǎng)時(shí)間保持較高的水分含量。在實(shí)際應(yīng)用中，要充分發(fā)揮復(fù)合材料的保水性能，需要加大灌溉量。在市面上有各類保水劑，比如程志強(qiáng)等[11]研究發(fā)現(xiàn)丙烯酸與膨潤土質(zhì)量配比10∶1其吸蒸餾水倍率為高達(dá)890 g/g，更多學(xué)者研究膨潤土添加量、引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量等工藝條件對(duì)吸水率的影響[13]。然而，這些保水產(chǎn)品一般為高分子聚合物。通常采用吸水性樹脂或淀粉等材料人工合成，雖吸水性狀極佳，但許多合成的保水保肥劑成本較高、耐鹽性差且具有潛在的2次污染，而此次保水劑不但有較高的保水性能而且甘草可再生、可降解。

研究正處于初級(jí)階段，只研究了天然鈉基膨潤土-甘草渣復(fù)合材料的吸水、保水性能，在后期有必要深入研究該復(fù)合材料養(yǎng)分釋放性能以及保肥能力；也可以加入其他棉花等作物秸稈、生物肥料等材料與鈉基膨潤土-甘草渣復(fù)合制備保水、保肥或緩釋的產(chǎn)品，有望被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)林業(yè)中。目前評(píng)價(jià)此復(fù)合肥料的保水效果研究主要局限于室內(nèi)試驗(yàn)，今后還需開展盆栽或大田試驗(yàn)來評(píng)價(jià)鈉基膨潤土復(fù)合產(chǎn)品在農(nóng)林業(yè)上的應(yīng)用效果和前景。

4 結(jié) 論

4.1 復(fù)合材料的EC值較膨潤土有大幅降低，甘草渣的加入使堿性膨潤土有效調(diào)節(jié)酸堿度，使膨潤土能夠被更合理的利用。

4.2 復(fù)合材料占砂土20%T1、T2組吸水倍數(shù)高達(dá)50～52倍，吸水性最強(qiáng)，滿足作物生長(zhǎng)所需的水分要求。

4.3 在充分灌溉條件下，復(fù)合材料重量占砂土20%T2處理吸水量較高，保水能力最佳，同復(fù)合材料重量占砂土15%T1處理差異不顯著。

4.4 在水分短缺的環(huán)境下，復(fù)合材料重量占砂土20%的T2、T3組蒸發(fā)最慢，持水能力最佳。