聚合物型土壤固結(jié)劑對(duì)土壤的固結(jié)性能及其在苗木移栽上的應(yīng)用*

王少麗 楊緒平 雒超星 熊正奇 王少博 宋盛菊 劉麗麗 李少鋒

(1.林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心 北京九龍山暖溫帶國(guó)家森林長(zhǎng)期科研基地 北京 100091；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 北京 100091；3.黑龍江工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院 哈爾濱 150050；4.北京陽(yáng)盛新材料科技有限公司 北京 102299；5.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部 北京 100076)

隨著城市空氣污染的加劇，增加城市綠化樹的擁有量將有助于改善城市生態(tài)環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量(Arnold,2005)。在城市綠化工作中，苗木移栽的成活率是評(píng)價(jià)造林綠化工程質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。在苗木移栽過程中，苗木土球的完整無(wú)損是保證苗木栽植成活率的關(guān)鍵(鄒超等，2014)。合格的土球可以有效保護(hù)苗木根部不失水，保持樹體的最原始狀態(tài)；苗木的土球越大，土球保持的越完整，對(duì)移栽的苗木傷害越小，返苗越快，成活率越高。一般情況下，對(duì)土球大小的要求是要大于樹木本身胸徑的5～10倍，土球的高度一般為土球直徑的2/3左右。由于育苗地多為疏松的土壤，在濕潤(rùn)的苗圃條件下土壤本身結(jié)塊能力較差，苗木特別是大苗(或大樹)起苗時(shí)難成土球的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，有的雖然勉強(qiáng)成球，但在運(yùn)輸過程中很容易被壓碎，勉強(qiáng)栽植，成活率低，且苗木死亡造成的損失較大。另外，現(xiàn)在的起土球操作不但技術(shù)要求高，且對(duì)土球必須進(jìn)行包裹、捆綁甚至木箱包裝(Sun,2015)；即便如此，在苗木的裝卸和運(yùn)輸過程中，也會(huì)出現(xiàn)大量土球破碎的現(xiàn)象。因此，要保證土球的完整性，首先應(yīng)在起苗前從改變苗木根系部位土壤的松散特性入手。如果能研發(fā)一種固化物質(zhì)，在苗木移栽前澆灌于其根系部位使苗木根部的土壤形成堅(jiān)固的類似“混凝土狀球”，待苗木栽植后再澆灌另一種物質(zhì)或經(jīng)過特定的時(shí)間能自行分散成原狀土。這樣不僅能從根本上解決起苗帶土難的問題，還可有效地解決苗木在裝卸運(yùn)輸過程中，土球易破碎的問題，還可以節(jié)省大量的包裝材料。

目前，對(duì)土壤起快速固結(jié)作用的是土壤固化劑(Taoetal.，2015)，其主要是作為一種新型建筑材料，廣泛應(yīng)用在建筑地基處理、公路路基加固、水利工程等領(lǐng)域(李琴等，2011；周海龍等，2014；米吉福等，2017;Zhaoetal.,2016；Zhuetal.,2008;Liuetal.,2011)。該類固化劑主要是以固化土壤為目標(biāo)，屬于單向固化，并不能再讓固化的土壤松散(Katzetal.，2001;Wangetal.,2015)，尤其是無(wú)機(jī)類的土壤固化劑會(huì)對(duì)土質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，固化后的土層基本喪失了植物生長(zhǎng)能力，且固化土中的堿性物質(zhì)隨雨水滲入到附近的土地會(huì)對(duì)植被產(chǎn)生危害(Linetal.,2016;Cuisinieretal.,2011)。所以，建筑所用的土壤固化劑不能用于苗木移植。因此，為了探索新型苗木移栽技術(shù)，需要對(duì)能固結(jié)移栽苗木根部土壤且不影響苗木成活的固結(jié)劑開展研究。

由于新型苗木移栽的土壤固結(jié)劑既要考慮原料的環(huán)保性，又要保證固結(jié)劑的流動(dòng)性及其對(duì)土壤的固結(jié)性能，還要考慮固結(jié)劑在固結(jié)土壤后具備良好的降解性能。因此，選擇天然高分子化合物作為其主要的合成原料。魔芋葡甘聚糖(KGM,konjac glucomannan)是一種無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)異味，具有高親水性的高分子化合物(Nishinari，2000；顧蓉等，2013)。它吸水后呈膠液狀。該膠液呈現(xiàn)出很高的粘性，也具有很好的保水性(王麗霞等,2011;顧蓉等,2014)。同時(shí)，該膠液體是一種假塑性流體，剪切力使其變稀，即粘度下降(顧蓉等，2010)。因此，KGM能滿足環(huán)保型土壤固結(jié)劑的制備要求。但是魔芋葡甘聚糖耐水性較差，不能直接作為聚合物型土壤固結(jié)劑的唯一成分；殼聚糖(Chitosan，CA)是自然界中唯一的天然堿性多糖，也是甲殼素最主要的衍生物(封晴霞等，2018)。由此可見，殼聚糖也能滿足環(huán)保型土壤固結(jié)劑的制備要求。但是由于殼聚糖的價(jià)格較高，一般不將其作為唯一的制備材料使用。殼聚糖的分子結(jié)構(gòu)中含有多種功能基團(tuán)，可生成各種具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)及生物功能的殼聚糖衍生物(劉瀾等，2009)。KGM和CA共混可有效地改善高分子材料性能。(王碧等，2006；王英等，2009；趙國(guó)駿等，1998)。因此，將CA作為KGM的共混材料，不僅具有結(jié)構(gòu)上的可行性，在性能上也能改善KGM耐水性差的問題；聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)是粉末狀水溶性高分子樹脂，無(wú)毒無(wú)害，價(jià)格低廉，成膜性好且生成的膠膜強(qiáng)度高(武戰(zhàn)翠，2012)。為了進(jìn)一步保證聚合物型土壤固結(jié)劑的成膜性能及其膠膜強(qiáng)度，需要根據(jù)其應(yīng)用要求在KGM與CA的共混膠液中適當(dāng)加入PVA增強(qiáng)其性能。

因此，筆者以KGM和CA為主要原料，PVA為助劑，采用高分子共混技術(shù)成功制備了KGM/CA二元共混型和KGM/CA/PVA三元共混型土壤固結(jié)劑(王少麗等,2019；Wangetal.,2021)。本研究主要是研究制備的共混型土壤固結(jié)劑對(duì)土壤的固結(jié)性能，重點(diǎn)研究了固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性；然后通過將聚合物型土壤固結(jié)劑在桑樹(Morusalba)幼苗、沙地柏(Juniperussabina)幼苗和大葉黃楊(Euonymusjaponicus)移栽過程中的應(yīng)用，考察了聚合物型土壤固結(jié)劑對(duì)壤土和砂質(zhì)土壤的固結(jié)效果，以及聚合型土壤固結(jié)劑的應(yīng)用對(duì)苗木移栽帶來的便利性和其應(yīng)用對(duì)移栽苗木的影響。本研究通過將前期制備的性能較佳的聚合物型土壤固結(jié)劑應(yīng)用在苗木移栽上，形成苗木移栽的新技術(shù)，以期將高分子聚合物的應(yīng)用逐步擴(kuò)展到造林綠化等生態(tài)環(huán)境工程中。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 1)土壤固結(jié)劑的制備方法 主要以KGM、CA與PVA為主要原料，按照原來的制備方法(王少麗等，2019)，制備成KGM/CA共混膠液，再加入助劑PVA制備KGM/CA/PVA三元共混膠液，然后根據(jù)需要加入增黏劑和防腐劑等。將膠液自然冷卻至室溫條件下密封備用。具體制備過程如下：首先，將200 mL一定濃度的冰醋酸溶液加入到500 mL四口燒瓶中，再加入一定比例的KGM和CA進(jìn)行攪拌，調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速為400 r·min-1，同時(shí)將混合溶液加熱到一定的溫度使KGM與CA充分混合1 h左右，然后再在混合溶液中加入一定濃度的NaOH溶液調(diào)整溶液的pH值，形成KGM/CA二元共混膠液。在KGM/CA混合溶液中加入一定濃度的PVA攪拌1 h，即可制成KGM/CA/PVA三元共混膠液。

2)土壤固結(jié)劑的應(yīng)用材料 選用華北地區(qū)的特色土壤褐土為主要的土壤固結(jié)材料。根據(jù)試驗(yàn)需求，選擇褐土中的壤土制備固結(jié)土柱。移栽苗木選用桑樹沙地柏和大葉黃楊幼苗。試驗(yàn)不同，選用褐土的質(zhì)地不同。移栽桑樹幼苗選用壤土，移栽沙地柏幼苗和大葉黃楊選用砂質(zhì)土壤。

1.2 試驗(yàn)儀器 水浴加熱鍋；機(jī)械攪拌器；體視鏡(leica DFC425C)；模擬運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)MPA3324/H1248A(10 T)和LS437A/BT900 M(4 T)；有效載荷300 kg的模擬運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)HK-120。

1.3 土柱樣品的制備 參照前期固結(jié)土柱的制備方法，將土壤在烘箱中烘干至恒質(zhì)量，取400 g干燥的土壤與100 g的純凈水混合并攪拌均勻。然后以環(huán)刀為模具，將土壤制備成2種不同型號(hào)的土柱(型號(hào)1：模具直徑50 mm，高50 mm；型號(hào)2：模具直徑100 mm，高64 mm)。用模具1制備的型號(hào)1土柱樣品需要100 g混合均勻的潮濕土壤，而用模具2制備的型號(hào)2土柱樣品則需要400 g混合均勻的潮濕土壤。將土柱脫模后，在土柱的側(cè)表面和上、下表面分別噴涂上KGM/CA或者KGM/CA/PVA共混型聚合物膠液。型號(hào)1的土柱樣品需要10 g的聚合物膠液即可將土柱的各個(gè)表面覆蓋均勻，而型號(hào)2的土柱樣品則需要40 g的聚合物膠液。在無(wú)雨的天氣下，將土柱樣品在戶外晾曬1～2天至土柱表面完全固結(jié)。

1.4 砂質(zhì)土球和固結(jié)砂質(zhì)土球的制備方法 1)砂質(zhì)土球的制備方法：根據(jù)苗木根部砂質(zhì)土壤的質(zhì)量，摻入適量的水增加其黏度，將土壤壓實(shí)，使土壤在移栽苗的根部形成一個(gè)砂質(zhì)土球。2)固結(jié)砂質(zhì)土球的制備方法:按照砂質(zhì)土球的制備方法，首先在移栽苗的根部形成一個(gè)砂質(zhì)土球，然后將聚合物型土壤固結(jié)劑均勻的噴涂在砂質(zhì)土球表面，最后將噴有聚合物型土壤固結(jié)劑的砂質(zhì)土球自然晾干1天左右，待膠液在土球表面固結(jié)形成具有堅(jiān)硬外殼的砂質(zhì)土球即可。

1.5 苗木移栽新方法初探 以壤土為主要固結(jié)對(duì)象，采用生長(zhǎng)在戶外的胸徑為5～10 mm的苗木為主要移栽對(duì)象。首先在苗木根部以移栽苗為圓心，圈出1個(gè)直徑10～15 cm的圓，然后將圓外側(cè)的土壤由上至下逐步清理，直至移栽苗根部形成1個(gè)圓錐狀的土球(圖1)。該圓錐狀土球底部與地面約有1 cm2的接觸面相互銜接。隨后，將土壤固結(jié)劑膠液噴涂在圓錐狀土球的上表面和側(cè)表面。經(jīng)過1天左右的固結(jié)，土球表面的膠液與表層土壤混合形成堅(jiān)硬的外殼。砂質(zhì)土壤上移栽苗木，除在苗木根部固結(jié)砂質(zhì)土球的制備方法略有不同外，移栽方法與壤土上移栽方法類似。

圖1 圓錐狀土球模型Fig.1 The model of conical soil ball

1.6 固結(jié)土柱的性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征 1)土柱表面的膠膜形貌觀察 采用Leica DFC425C體式鏡觀察固結(jié)土柱上表面固結(jié)膜的表面形貌。將型號(hào)1的固結(jié)土柱樣品放置在載物臺(tái)上，從目鏡中觀察載物臺(tái)上的土柱膠膜，然后通過調(diào)整“光源”和“調(diào)焦/變倍”獲得土柱樣品表面固結(jié)膠膜的最佳圖像，并將圖像傳送至軟件的圖片窗口進(jìn)行保存。

2)土柱抗運(yùn)輸震蕩性測(cè)試 方法1：根據(jù)GJB150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法-振動(dòng)試驗(yàn)》中第16部分“振動(dòng)試驗(yàn)”和第18部分“沖擊試驗(yàn)”，需要對(duì)固結(jié)土柱進(jìn)行模擬運(yùn)輸抗振蕩性能的測(cè)試。測(cè)試試驗(yàn)包括：高速公路卡車振動(dòng)試驗(yàn)、組合輪式車振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。在高速公路卡車運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)、組合輪式車運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)都進(jìn)行了橫向、縱向和垂向3個(gè)方向的測(cè)試。高速公路卡車振動(dòng)試驗(yàn)、組合輪式車振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的橫向和縱向試驗(yàn)均由LS437A/BT900 M(4T)振動(dòng)臺(tái)完成的，而高速公路卡車振動(dòng)試驗(yàn)、組合輪式車振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的垂向試驗(yàn)均由MPA3324/H1248A(10T)振動(dòng)臺(tái)完成的。高速公路卡車振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M的高速公路的運(yùn)輸里程達(dá)到1 000 km以上。組合輪式車振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M的是在三、四級(jí)國(guó)道上運(yùn)輸時(shí)的振動(dòng)情況。該試驗(yàn)?zāi)M的三、四級(jí)國(guó)道的運(yùn)輸里程達(dá)到400 km以上。

企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)品牌定位后，就要擬定品牌名稱，網(wǎng)絡(luò)品牌名稱是企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)上的重要標(biāo)志，它可以是網(wǎng)站域名，也可以是產(chǎn)品品牌。

方法2：根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ISTA)與美國(guó)材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)，采用模擬運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)HK-120測(cè)試固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性。測(cè)試使用的箱子規(guī)格為：33 cm×22 cm×24 cm。在箱子內(nèi)放置兩排固結(jié)土柱，土柱編號(hào)后隨機(jī)放置，不采用任何防磨損的保護(hù)措施，確保每個(gè)固結(jié)土柱在振蕩時(shí)均勻受力。使用36個(gè)土柱樣品，每6個(gè)待測(cè)土柱樣品為一組(1個(gè)土柱未用膠液固結(jié)為對(duì)照；5個(gè)土柱用如表1所列不同的膠液固結(jié))，先稱量其初始質(zhì)量并記錄(表1)，然后采用隨機(jī)排布的方式，在測(cè)試箱子中將6個(gè)土柱排成2排，并按照模擬運(yùn)輸振蕩的ISTA/ASTM標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

表1 固結(jié)土柱樣品詳情Tab.1 Details of consolidated soil column samples

2 結(jié)果與分析

2.1 固結(jié)膠膜的表面形貌 當(dāng)噴涂的KGM/CA二元共混膠液或KGM/CA/PVA三元共混膠液在土柱表面固結(jié)后(圖2a)，膠液與土柱表層土壤形成一層堅(jiān)硬的外殼(圖2b)，搬動(dòng)時(shí)不必?fù)?dān)心土球的碎裂破損。該結(jié)構(gòu)使固結(jié)的土柱具有一定的抗壓強(qiáng)度(Wangetal.，2019)。

圖2 土柱表面固結(jié)的聚合物膠膜Fig.2 The polymer adhesive membrane on the surface of soil columnsa． 共混型土壤固結(jié)劑對(duì)土柱的整體固結(jié)情況；b.固結(jié)劑在土柱表面形成的固結(jié)膠膜a.Integral consolidation of soil column by blending soil consolidation agent;b.Consolidation adhesive membrane formed by consolidation agent on the surface of soil column.

通過體式鏡觀察固結(jié)土柱的表面形貌如圖3所示。通過該形貌圖可以看出，KGM/CA/PVA膠液與土柱表層土壤形成一層堅(jiān)固的膠膜(圖3a)。有的膠膜表層有許多凸起的團(tuán)粒氣泡，每個(gè)氣泡里面都包裹了土壤顆粒，并在土壤顆粒的表面形成了帶有孔洞的凸起膜(圖3b)，有的膠膜則是在土柱的表層形成了一個(gè)帶有孔洞的網(wǎng)狀膠膜(圖3c)，該固結(jié)膠膜的透氣性能會(huì)更佳。

圖3 土柱固結(jié)膠膜的表面形貌Fig.3 Cemented surface morphology of consolidated soil column固結(jié)劑的制備條件：a.KGM，CA與PVA含量分別為4.0%，4.0%，1%；b.KGM，CA與PVA含量分別為4.0%，4.0%，2%；c.KGM，CA與PVA含量分別4.0%，4.0%，3%.The preparation conditions of consolidation agent:a.The contents of KGM,CA and PVA were 4.0%,4.0% and 1.0% respectively;b.The contents of KGM,CA and PVA were 4.0%,4.0% and 2.0% respectively;c.The contents of KGM,CA and PVA 4.0%,4.0% and 3.0% respectively.

2.2 固結(jié)土柱的抗震蕩性 1)二元共混型聚合物土壤固結(jié)劑的制備條件對(duì)固結(jié)土柱抗震蕩性的影響 苗木移栽運(yùn)輸時(shí)，固結(jié)的土球應(yīng)能夠承受苗木從苗圃地到定植點(diǎn)運(yùn)輸途中的各種振蕩。振蕩的類型主要包含高速公路和三、四級(jí)國(guó)道運(yùn)輸時(shí)土球的振蕩與摩擦以及運(yùn)輸途中土球突然被顛起又掉落的沖擊振蕩。采用二元共混型聚合物土壤固結(jié)劑固結(jié)苗木根部的土球，需要測(cè)試固結(jié)土球的抗運(yùn)輸振蕩能否滿足應(yīng)用要求及其主要影響因素。

在高速公路卡車運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)3個(gè)方向的測(cè)試中，固結(jié)的土柱均未發(fā)現(xiàn)磨損與破損。在組合輪式車運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)的橫向和縱向試驗(yàn)中，也未發(fā)現(xiàn)固結(jié)土柱的磨損與破損，但是在其垂向測(cè)試過程中，測(cè)試的35個(gè)固結(jié)土柱中，有4個(gè)土柱保持完好(圖4)，4個(gè)土柱出現(xiàn)了不同程度的碎裂現(xiàn)象(圖5)，27個(gè)土柱出現(xiàn)了不同程度的磨損。

振蕩測(cè)試后保持完整土柱典型代表：經(jīng)過高速公路卡車運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)、組合輪式車運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，圖4a、4c僅在土柱上表面有輕微的磨損，其余部分沒有任何磨損與磕碰；在土柱的下表面圖4b沒有任何的磨損，固結(jié)土柱保持完好；固結(jié)土柱圖4d的上下表面和側(cè)表面沒有任何的磨損與磕碰，固結(jié)土柱保持完好。由此說明該配方制備的KGM/CA二元共混膠液對(duì)褐土具有較好的固結(jié)性能，制備的固結(jié)土柱也具有較好的抗運(yùn)輸振蕩性。

振蕩測(cè)試后碎裂嚴(yán)重土柱典型代表：在組合輪式車運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)的垂向測(cè)試過程中，有4個(gè)土柱出現(xiàn)了不同程度的磕碰。圖5a出現(xiàn)了攔腰碎裂的現(xiàn)象；由于振蕩劇烈，固結(jié)土柱之間相互撞擊，圖5b—d固結(jié)的土柱均為邊沿部分磕碰嚴(yán)重。由圖5b與圖5d可以看出，在固結(jié)膠液相同的情況下，無(wú)論固結(jié)土柱規(guī)格大小，在抗震蕩運(yùn)輸測(cè)試過程中均會(huì)出現(xiàn)類似的碎裂情況。這說明固結(jié)土柱抗震蕩運(yùn)輸性能的主要影響因素是固結(jié)膠液的配方；對(duì)比圖5a與圖4c發(fā)現(xiàn)，土壤pH值大于7時(shí)，固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸震蕩性能較好。由此可見，具有一定酸性的KGM/CA共混型土壤固結(jié)劑更適合應(yīng)用于堿性土壤的固結(jié)。

圖4 在組合輪式車運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)的垂向測(cè)試后保持完整的土柱Fig.4 Intact soil columns after vertical direction vibration test of combined wheeled vehicle transportationa(固結(jié)土柱的上表面)和 b(固結(jié)土柱的下表面)：膠液 pH值4.0；褐土pH 值8.5；土壤粒徑5mm。c：膠液pH值4.3；褐土pH值8.5；土壤粒徑5 mm。d：膠液pH值4.3；褐土pH值8.5；土壤粒徑2 mm。a(Upper surface of consolidated soil column)and b(Lower surface of consolidated soil column):pH of glue is 4.0；pH of the Cinnamon soil is 8.5；soil particle size is 5 mm.c：pH of glue is 4.3；pH of the Cinnamon soil is 8.5；soil particle size is 5 mm.d：pH of glue is 4.3；pH of the Cinnamon soil is 8.5；soil particle size is 2 mm.

圖5 在組合輪式車運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)的垂向測(cè)試后碎裂的土柱Fig.5 Broken soil columns after vertical direction vibration test of combined wheeled vehicle transportationa：膠液的pH值4.3；褐土的pH值6.86；土壤粒徑5mm；土柱型號(hào)1。b：膠液的pH值4.87；褐土的pH值8.5；土壤粒徑5mm；土柱型號(hào)1。c：膠液的pH值3.5；褐土的pH值8.5；土壤粒徑5mm；土柱型號(hào)2。d：膠液的pH值4.87；褐土的pH值8.5；土壤粒徑5mm；土柱型號(hào)2。a：pH of glue is 4.3；pH of the Cinnamon soil is 6.86；soil particle size is 5 mm；Soil column model 1.b：pH of glue is 4.87；pH of the Cinnamon soil is 8.5；soil particle size is 5 mm；Soil column model 1.c：pH of glue is 3.5；pH of the Cinnamon soil is 8.5；soil particle size is 5 mm；Soil column model 2.d：pH of glue is 4.87；pH of the Cinnamon soil is 8.5；soil particle size is 5 mm；Soil column model 2.

2)三元共混型聚合物土壤固結(jié)劑的制備條件對(duì)固結(jié)土柱抗震蕩性的影響 對(duì)于用KGM/CA/PVA三元共混膠液制備的固結(jié)土柱，采用方法2模擬運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)HK-120測(cè)試其固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性。如圖6所示，在試驗(yàn)1中(150 RPM,25 Hz,95 min)，與對(duì)照樣品1-0至6-0相比土球樣品(1-1至6-1)的外觀和質(zhì)量均無(wú)明顯變化。在試驗(yàn)2中(180 RPM,3.0 Hz,79 min)，各個(gè)土球的(1-2至6-2)質(zhì)量變化不大，質(zhì)量減少量在1 g左右。但是通過振蕩后樣品的比較觀察發(fā)現(xiàn)，對(duì)照的土球樣品1-2外觀發(fā)生明顯變化，抗振蕩能力明顯不如用膠液固結(jié)的土柱樣品2-2至6-2 (圖6)。在試驗(yàn)3中(210 RPM,3.5 Hz,66 min)，樣品1-3至6-3的土球均有不同程度的磨損，但是用膠液固結(jié)的土柱樣品2-3至6-3的磨損情況明顯小于對(duì)照樣品1-3的磨損情況。其中，對(duì)照樣品1-3的磨損程度最大，而用固結(jié)劑固結(jié)的5個(gè)樣品中，樣品3-3和5-3的磨損程度相對(duì)較大。在試驗(yàn)4中(240 RPM,4.0 Hz,60 min)，隨著振幅的繼續(xù)增大，6個(gè)土柱樣品的外表均出現(xiàn)了明顯的磨損。雖然能明顯看出用膠液固結(jié)的土柱樣品(2-4至6-4)的磨損程度明顯小于對(duì)照樣品(1-4)，但是由于該組測(cè)試中，振幅較大，具有固結(jié)膠膜的5個(gè)樣品在這組試驗(yàn)中表面的膠膜磨損最多。在試驗(yàn)5中(270 RPM,4.5 Hz,53 min)，6個(gè)土柱樣品的外觀變化與試驗(yàn)4中的類似，對(duì)比不明顯，因此未放照片比對(duì)。但通過與試驗(yàn)4中土柱樣品對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，用膠液固結(jié)的5個(gè)土柱樣品質(zhì)量的減少量明顯少于對(duì)照組樣品1-5的質(zhì)量減少量。其中，樣品1-5的質(zhì)量減少量占比16 g(質(zhì)量減少量占比9.6%)，而樣品6-5的減少量?jī)H為3 g(質(zhì)量減少量為1.8%)(表2)。在試驗(yàn)6中(300 RPM,5.0 Hz,48 min)，通過更高頻率的振蕩發(fā)現(xiàn)，不僅樣品1-6的磨損加快，樣品質(zhì)量的減少量增加；樣品2-6至6-6隨著其表面膠膜的缺失，樣品質(zhì)量的減少量明顯增加。同時(shí)，通過樣品的磨損程度以及樣品質(zhì)量的損失量可以看出，樣品6在試驗(yàn)5(質(zhì)量減少量占比1.8%)和試驗(yàn)6中均表現(xiàn)優(yōu)異(質(zhì)量減少量占比3.0%)(表2)。

圖6 固結(jié)土柱樣品磨損狀況Fig.6 Wear condition of consolidated soil column samples樣品編號(hào)第1個(gè)數(shù)字表示所用膠液的制備條件(參見表1)，第2個(gè)數(shù)字表示振蕩試驗(yàn)號(hào)(其中0代表是對(duì)照試驗(yàn))。The first number in the sample numbers indicated the preparation conditions of the glue used (see Tab.5),and the second number indicated the simulating transportation vibration test number (where 0 represented the control experiment).由于1-1至6-1的振蕩測(cè)試結(jié)果與1-0至6-0相比基本無(wú)變化，因此略去。Since the vibration test results of 1-1 to 6-1 are basically unchanged compared with 1-0 to 6-0,they are omitted.

表2 模擬運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)后固結(jié)土柱樣品詳情Tab.2 Details of consolidated soil column samples after vibration test of simulated transportation

綜上所述，通過方法2進(jìn)行的模擬運(yùn)輸振蕩試驗(yàn)，在試驗(yàn)1至試驗(yàn)4中，用膠液固結(jié)的樣品2至樣品6與對(duì)照樣品1的外觀對(duì)比，可以看出采用膠液固結(jié)的樣品2至樣品6，其磨損情況明顯小于樣品1?？梢娫谕林砻娴哪z膜具有良好的抗運(yùn)輸震蕩性，表明該聚合物型土壤固結(jié)劑具有一定的實(shí)用性。隨著振蕩幅度的增大，采用膠液固結(jié)的樣品2至樣品6的磨損情況急劇增加。這是由于隨著振幅的增大，土柱表面固結(jié)膠膜的磨損面積增大所導(dǎo)致的。但是在實(shí)際的運(yùn)輸過程中，很少會(huì)出現(xiàn)如此大幅度的振蕩(如試驗(yàn)5和試驗(yàn)6)。因此，前四組的振蕩試驗(yàn)結(jié)果更具有實(shí)際參考價(jià)值。

2.3 聚合物型土壤固結(jié)劑在苗木移栽上的運(yùn)用 1)KGM/CA共混膠液在壤土中的應(yīng)用 以華北地區(qū)褐色土壤壤土為主要固結(jié)對(duì)象，將KGM/CA型土壤固結(jié)劑在桑樹幼苗的移栽過程中進(jìn)行了初步運(yùn)用。按照壤土上苗木移栽的新方法，在桑樹幼苗的根部形成1個(gè)直徑大約10 cm的土球。將KGM/CA型土壤固結(jié)劑(配方1)直接噴涂在該土球上。經(jīng)過1天的固結(jié)，固結(jié)劑在土球表面固結(jié)(圖7a)。此時(shí)可以直接將桑樹幼苗底部斷根并將土球起土。土球可以直接被搬運(yùn)而不會(huì)出現(xiàn)碎裂的現(xiàn)象(圖7b)。將土球運(yùn)送到定植點(diǎn)后，可以按照苗木的栽植要求直接完成桑樹幼苗的栽植(圖7c)。在苗木移栽的過程中，不需要用包裹材料和草繩等對(duì)土球進(jìn)行保護(hù)。由此可見，土壤固結(jié)劑在苗木移栽上的應(yīng)用不僅可以保證土球的完整性還能節(jié)省大量的包裝材料。

圖7 KGM/CA型土壤固結(jié)劑在桑樹幼苗移栽上的應(yīng)用Fig.7 Preliminary application of KGM/CA soil consolidation agent in mulberry seedling transplantation

2)KGM/CA/PVA共混膠液對(duì)砂質(zhì)土壤的固結(jié)應(yīng)用 ①KGM/CA/PVA共混膠液在沙地柏移栽上的初步應(yīng)用 苗圃地里的沙地柏幼苗培育一般是在摻有有機(jī)物的砂質(zhì)土壤里培育。按照目前的移栽技術(shù)，由于砂質(zhì)土壤比較松散，該類幼苗移栽時(shí)如果不借助塑料營(yíng)養(yǎng)袋，僅按照砂質(zhì)土球的制備方法，基本無(wú)法在沙地柏幼苗的根部形成砂質(zhì)土球(圖8a)。如果過多使用塑料營(yíng)養(yǎng)袋，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的負(fù)擔(dān)。因此，為了在沙地柏幼苗的根部形成有效的土球，按照砂質(zhì)土球的制備方法，將KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑(配方2)噴涂在了25株沙地柏幼苗根部的土球上，使其形成具有堅(jiān)硬外殼的砂質(zhì)土球(圖8a)。隨后，根據(jù)運(yùn)用聚合物型土壤固結(jié)劑在砂質(zhì)土壤上移栽苗木的新方法，將25株沙地柏幼苗移栽至定植點(diǎn)進(jìn)行移栽。同時(shí)將用育苗容器的25株沙地柏幼苗也隨機(jī)穿插著栽植在定植點(diǎn)作為對(duì)照(圖8d)。經(jīng)過24天的生長(zhǎng)之后，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用土壤固結(jié)移栽的沙地柏長(zhǎng)勢(shì)良好(圖8b)，且沒有表現(xiàn)出任何生長(zhǎng)不良的現(xiàn)象(圖8c、8d)。

圖8 固結(jié)劑在檉柳葉沙地柏移栽上的初步應(yīng)用Fig.8 Preliminary application of consolidation agent in transplanting of Sabina chinensis

②KGM/CA/PVA共混膠液在大葉黃楊移栽上的初步應(yīng)用 栽植在砂質(zhì)土壤中的大葉黃楊，在起苗時(shí)無(wú)法帶起理想的土球。為了檢驗(yàn)聚合物型土壤固結(jié)劑對(duì)砂質(zhì)土球上的固結(jié)效果能否達(dá)到苗木移栽應(yīng)用的要求。選擇直徑為8 mm的大葉黃楊為移栽苗，如圖9所示。按照砂質(zhì)土球的制備方法，在大葉黃楊的根部制備了橢球型的土球。土球規(guī)格為直徑18 cm，高度13 cm(圖9b和9c)。土球未被KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑固結(jié)之前，表面有微裂紋，容易碎裂。將KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑配方3噴涂在土球表面并讓其固結(jié)1天后，土球表面就會(huì)形成相對(duì)堅(jiān)硬的外殼(圖9a—9c)。土壤固結(jié)劑對(duì)土球的固結(jié)效果良好，其固結(jié)力足以承受土球的自重，因此可以直接提著苗木將土球進(jìn)行搬運(yùn)(圖9d和9e)。將大葉黃楊移栽到定植點(diǎn)后，按照苗木移栽的要求，完成填土、圍堰和澆水等程序(圖9f—9h)。后續(xù)跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)移栽的大葉黃楊生長(zhǎng)良好(圖9i)。這表明，KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑對(duì)砂質(zhì)土球具有較好的固結(jié)效果，固結(jié)的強(qiáng)度滿足了大葉黃楊移栽苗在搬運(yùn)過程中土球不破碎的要求。另外，應(yīng)用KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑移栽的大葉黃楊并沒有出現(xiàn)生長(zhǎng)不良現(xiàn)象，表明KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑的應(yīng)用及其降解產(chǎn)物對(duì)移栽苗木和周邊土壤無(wú)不良影響。

圖9 KGM/CA/PVA型土壤固結(jié)劑在大葉黃楊大苗移栽上的運(yùn)用Fig.9 The application of KGM/CA/PVA soil consolidation agent in E. japonicus transplantation

3 討論

3.1 固結(jié)土柱的表面形貌保證其良好的固結(jié)特性 固結(jié)土柱的表面凸起膜與土柱表面的土壤顆粒緊緊黏連在一起，使得土柱表面的土壤與膠膜形成了一個(gè)整體。該固結(jié)膜不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且具有保水性、透濕性和根系透氣性等理想性質(zhì)(Wangetal.，2021)。不僅能夠保證土柱在運(yùn)輸過程中的完整性,而且能夠滿足苗木根系保水透氣性的要求。

3.2 土壤固結(jié)劑的制備條件對(duì)固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性的影響 由2種不同的振蕩測(cè)試方法對(duì)固結(jié)土柱進(jìn)行了抗震蕩性測(cè)試，可以看出雖然不同的振蕩方法、樣品測(cè)試位置對(duì)固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性也有一定的影響，但是最重要的影響因素還是聚合物型土壤固結(jié)劑的制備條件。通過振蕩方法1的測(cè)試結(jié)果，可以看出，KGM/CA二元共混聚合物型土壤固結(jié)劑能滿足在高速公路卡車運(yùn)輸?shù)囊话阋蟆?/p>

在抗振蕩測(cè)試二中發(fā)現(xiàn)，助劑PVA含量的增加對(duì)固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性具有明顯的提高作用。這是由于聚乙烯醇成膜性能好且生成的膠膜強(qiáng)度高(武戰(zhàn)翠，2012)，因此在一定程度范圍內(nèi)，隨著PVA含量的增加，KGM/CA/PVA二元共混膠液在固結(jié)土柱表面形成的膠膜強(qiáng)度會(huì)增加，在抗運(yùn)輸振蕩過程中，對(duì)固結(jié)土柱的保護(hù)性能會(huì)更好。

3.3 聚合物型土壤固結(jié)劑對(duì)苗木移栽技術(shù)的影響 將KGM/CA與KGM/CA/PVA型土壤固結(jié)劑在壤土和砂質(zhì)土壤的苗木移栽中進(jìn)行了初步應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)聚合物型土壤固結(jié)劑的應(yīng)用對(duì)苗木根部的土球具有良好的固結(jié)效果，尤其是在砂質(zhì)土壤中，能保證砂質(zhì)土壤在苗木的根部形成1個(gè)完整的土球，且在搬運(yùn)過程中不破碎，對(duì)移栽苗木根部起到了保護(hù)作用。由于苗圃地的土壤多為砂質(zhì)土壤，起苗時(shí)無(wú)法帶起土球((Pengetal.，2020)。因此，聚合物型土壤固結(jié)劑在苗木移栽技術(shù)上的應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)砂質(zhì)土壤上移栽苗木新技術(shù)的形成至關(guān)重要。但是，目前制備的KGM/CA與KGM/CA/PVA型土壤固結(jié)劑在苗木根部的土球上形成固結(jié)膠膜需要的時(shí)間略長(zhǎng)，因此后續(xù)還需要對(duì)共混型土壤固結(jié)劑的配方進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

1)固結(jié)在土柱表面的KGM/CA和KGM/CA/PVA膠膜是帶有一定孔隙結(jié)構(gòu)的固結(jié)膠膜。該結(jié)構(gòu)不僅能保證固結(jié)土球具有一定的抗運(yùn)輸振蕩性，還能滿足移栽苗的根部對(duì)水分和氧氣的需求。

2)在固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性的研究過程中發(fā)現(xiàn)KGM/CA和KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑的制備條件直接影響了固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸振蕩性，如KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑的制備條件：醋酸溶液濃度為20%，膠液pH值為4.5，共混溫度為40 ℃，KGM、CA與PVA含量分別為4.5%，4.5%和6%時(shí)，該配方的固結(jié)劑對(duì)土柱的固結(jié)效果較好，固結(jié)土柱的抗運(yùn)輸震蕩性能較佳；同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)，由于目前制備的共混型土壤固結(jié)劑具有一定的酸性，因此對(duì)堿性土壤具有更好的固結(jié)作用。

3)通過將KGM/CA和KGM/CA/PVA共混型土壤固結(jié)劑在桑樹幼苗、沙地柏幼苗和大葉黃楊移栽過程中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，該類共混型固結(jié)劑對(duì)壤土和砂質(zhì)土壤均具有較好的固結(jié)效果，既保證了移栽苗木根部土球的完整性和移栽苗的成活率，還對(duì)苗木的生長(zhǎng)無(wú)不良影響。