新型生物可降解PLA沙袋沙障降解特性及其影響因子探究

趙文玲

（內蒙古農業大學，呼和浩特010010）

荒漠化已成為阻礙人類可持續發展的生態環境問題之一，全球約有1/4的土地、2/3的國家和地區、1/5的人口不同程度地受到荒漠化的危害［1］。據《第四次中國荒漠化和沙化狀況公報》：我國國土面積的27.33%為荒漠化土地，其面積高達262.37萬km2，與2004年相比，盡管我國的土地荒漠化趨勢整體得到初步遏制，荒漠化土地面積持續減少，但我國土地荒漠化的嚴峻形勢仍未發生根本性改變［2］。以現有技術評估，并考慮到全球變暖的影響，預計未來50a需要治理的荒漠化國土面積為5.5×105～10×105km2，若以每年1.5萬～2.2萬km2的治理速度計算，大約需要45～70年方可完成我國荒漠化土地的總體治理［3］。因此，荒漠化仍然是我國當前面臨的最為嚴重而又亟待解決的生態環境問題［4－6］。

機械沙障是十分有效的荒漠化防治措施［7－8］，具有見效快、不需水源、較耐沙埋等優點，在工程防沙中得到了廣泛應用。但防沙治沙是一項系統工程，防護效益是一個綜合指標，受材料性質、成本、勞務等多種因素的影響［9］，因此探索、引進新型沙障材料成為沙漠治理專家關注的焦點。近些年采用布料、化纖等材料為外包裝材料制成的土工沙障，初步解決了西北荒漠地區作物秸稈沙障材料和土石沙障材料匱乏的問題而備受關注。針對傳統作物秸稈沙障和化學纖維沙障存在易老化腐爛、機械強度差、防沙壽命短、布設費時費力等缺點。我們結合多年的荒漠化防治實踐經驗，從日本引進一種新型的以玉米、甜菜為原料的聚乳酸纖維（Poly Lactic Acid，簡稱PLA）紡織成類似筒狀的沙袋作為外包裝材料，就地取材就流沙裝入后制作沙障。該材料具有運輸方便、可在大氣作用下自然降解成H2O和CO2的新型環保材料的特點［10］。在過去幾年，我們針對PLA沙障在防沙治沙領域中的應用取得一些研究成果［11－14］，同時也發現沙障在使用過程中，存在漏沙現象，極大縮短了沙障使用壽命。本研究通過對野外鋪設的PLA方格沙障降解規律研究，結合室內控制性試驗分析PLA纖維沙障在不同水熱環境下的降解特性，初步探究影響PLA纖維沙障降解的影響因子，為延長PLA纖維沙障在沙區環境下的使用壽命提供理論依據。

1 研究區概況

試驗區位于烏蘭布和沙漠西南緣的吉蘭泰鹽湖北部沙漠帶外圍，地理坐標為39°46′01″—39°45′54″N，105°40′28″—105°46′42″E，海 拔 高 度 1 030～1 045 m［15］，研究區以流動、半固定沙丘為主，沙丘形態有新月形沙丘（鏈）、壟狀沙丘、格狀沙丘、灌叢沙堆［16］，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，具有干旱少雨，蒸發量大，風大沙多，雨熱同期的氣候特點，多年平均降水量107.8mm，潛在蒸發量2 956.8mm，平均氣溫8.6℃，最高氣溫40.9℃，最低氣溫－31℃。以東北、西南風最大，其次為西北風，但大于10m/s以上的主害風是以西北風為主，年平均揚沙日數為85d，風沙流的出現頻率為113次/a。土壤有風沙土、漠鈣土、草甸土，部分地段分布有鹽堿土等。風沙區主要植被以唐古特白刺（NitrariaTangutorumBobr.）、梭 梭 （Haloxylon ammodendron）、沙 冬 青 （Ammopiptanthus（Maxim.）Chengf.）、阿拉善沙拐棗（Calligonumalaschanicum）、檉柳（TamarixchinensisLedeb.）、沙米（Agriophyllum squarrosumLinn.）、豬毛菜（SalsolacollinaPall.）、油蒿（ArtemisiaordosicaKrasch.）、檸條（CaraganakoishiuskiiKom.）、籽蒿（ArtemisiasphaerocephalaKrasch.）、胡 楊 （PopuluseuphraticaOliv.P.diversifoliaSchrenk.）、沙棗（ElaeagnusangustifoliaL.）等［15］。

2 研究材料及方法

2.1 研究材料

本研究所用的沙障外包裝材料為PLA纖維，分子式（C3H4O2）n，用小圓機織法織成線密度為16.7 tex，比重為1.25g/cm3，240針的白色圓筒狀針織物（未填充流沙時的自然徑粗8～10cm）。沙障鋪設時，將圓筒織物一端打成死結，另一端套在徑粗10～15cm的PVC管上，而PVC管另一端將流動沙丘上的風沙土灌裝在其內形成了圓柱體的障體單元（圓柱體直徑約為20cm），進而采用編席的方式，相互疊壓，鋪設在坡度平緩的沙壟表面鋪設形成格狀沙障。

2.2 研究方法

（1）沙區自然環境下PLA纖維材料的降解特性研究。于2012年9月初選取鋪設5a的1m×1m的典型沙丘，分別在迎風坡坡底、迎風坡坡中、坡頂、背風坡坡中和背風坡坡底進行取樣、標記后帶回實驗室測定。取樣時，將沙袋沙障暴露于空氣的一側和貼地面的一側用記號筆劃分后按照經向和緯向取樣，其中經向障邊是與沙丘走向垂直的障邊，而緯向障邊是與經向障體垂直的障邊（圖1）。

圖1 1m×1m格狀PLA沙障

（2）室內控制性因子試驗。溫度控制性試驗：將與野外鋪設的沙障材料一致50cm長的障體單元放置在盛有土壤含水量10%的風沙土鐵盤內，為了避免因濕度差異導致的降解誤差，鐵盤上均蓋有透明玻璃蓋，且在盤沿與玻璃接觸部位涂有甘油達到密封的效果。本研究依據沙區環境溫差大，且夏季最高地表溫度可達到70℃，將溫度設置－15℃，4℃，60℃和80℃共4個梯度，其中60℃和80℃高溫條件在烘箱內模擬，4℃和25℃中溫在光照培養箱（JC－GPJ－300）內模擬，而－15℃低溫在冰箱內實現，處理時間均為70d。濕度控制性試驗：同溫度控制性試驗一樣，將盛有障體和風沙土的鐵盤放置在室溫下用玻璃蓋密封，將土壤含水量分別設置為試驗區土壤田間持水量的3%，6%，9%和15%共4個梯度，定期采用時域反射儀（TDR）速測土壤含水量并進行補充，處理時間為154d。

（3）測試指標及方法。①力學性能指標。先將野外取回來的試樣放置在標準大氣下調濕平衡處理后按照經向和緯向障邊分別裁剪成55mm×250mm測試拉伸強力和80mm×100mm測試頂破強力。PLA材料的力學性能均采用溫州大榮防治有限公司生產的YG（B）026H型電子織物強力機測試。② 質量損失率。將未處理的PLA纖維沙障試樣放在干燥箱內烘干至恒重，用精度為0.01g電子天平秤其初始質量（W0），將試樣標記后分別進行溫度和濕度控制性試驗，每次取出后都要離子水沖洗干凈表面沙土并放在50℃烘箱中烘干24h至恒重，秤其質量（W）然后計算其質量損失率（η）。

η＝（W0－W）/W0×100

3 結果與分析

3.1 PLA沙障障體各部位頂破強力變化

在外業的調查中發現，由于沙區的微環境因子（光照、土壤水分）差異導致鋪設在不同沙丘部位沙障產生的影響存在差異性，本研究進一步將PLA障體的貼近地面一側和暴露在空氣中的一側的力學性能進行測定（圖2）。

從圖2可以看出，隨著鋪設時間的延長，PLA沙障障體的頂破強力整體出現了降低的趨勢，在鋪設后4個月貼地面一側障體出現了顯著降低的現象。不同沙丘坡位條件下，PLA障體貼近地面一側的頂破強力保持率均高于暴露空氣一側，且坡位對貼地面一側障體頂破強力影響差異不顯著（p＜0.05），相比之下，暴露空氣一側障體頂破力受坡位影響較大；從沙丘坡位對沙障障體頂破力的影響來看，鋪設4個月后障體暴露空氣一側的頂破強力較鋪設前降幅表現為：迎風坡坡中（14.67%）＞背風坡坡底（13.12%）＞坡頂（9.51%）＞背風坡坡中（5.78%）＞迎風坡坡底（5.33%），而貼近地面一側卻表現為在坡頂處障體頂破強力較鋪設前降幅最小，僅為3.43%。最終通過野外觀測試驗發現，在鋪設2a后背風坡坡中平均頂破強力降幅最大，其頂破強力較鋪設前降低了36.82%，經方差分析發現背風坡坡中與迎風坡坡底間的障體頂破強力降幅差異不顯著（p＜0.05），最低為背風坡坡底，其頂破強力較鋪設前降低了27.67%。綜合分析認為：沙區環境條件下，風沙活動強度和太陽輻射是導致PLA沙障障體頂破力降低的主導因子。

3.2 不同鋪設方向PLA沙障障體拉伸強力變化

在野外鋪設網格沙障，障體依據走向可分為經向障體和緯向障體。由于障體走向的不同，使得經向障體的東側面和西側面及緯向障體的南側面和北側面所受的太陽光照存在差異；故本研究通過對鋪設1a的PLA沙障障體機械拉力進行了測定，如圖3所示。

圖2 沙區環境下PLA纖維沙障的頂破強力變化

從圖3可以看出：在沙區環境下鋪設PLA沙障1a后障體的機械性能發生了顯著變化。整體而言，經向障體的機械性能強于緯向障體，沙丘坡位從迎風坡坡底至坡頂隨著高度的抬升，PLA沙障障體的機械性能表現為坡頂處沙障機械性能＞迎風坡底＞坡中。無論是經向障體還是緯向障體均表現出一致的規律：貼地面一側的障體機械性能顯著高于暴露空氣一側，而東側面障體機械性能高于西側面障體，北側面障體機械性能高于南側面障體，這表明暴露空氣一側障體機械性能損失率大于貼近地面一側，西側面障體機械性能損失率大于東側面。這是由于暴露空氣一側障體長期受太陽紫外線照射，且溫度較高，加之沙丘坡中處的較為劇烈的風沙活動導致PLA沙障的的坡中處的障體機械性能損失最大，暴露空氣一側的障體機械性能損失較貼地面一側大，迎風一側（北側面和西側面）障體機械性能損失較積沙一側（南側面和東側面）大?？傊痴险象w的北側面和西側面拉伸強力損失最大（與主風向垂直），其次為暴露面，貼地面損失最小。

圖3 不同方位障體各部位的拉伸強力變化

3.3 PLA沙袋沙障降解因子分析

3.3.1 溫度對PLA纖維降解的影響 沙區地表溫度具有顯著的晝夜溫差和季節溫差，夏季（7—8月）地表土壤溫度可高達70℃，而在冬季（12月—次年1月）地表土壤溫度可低至－10℃以下。為了探究在沙區環境下不同季節PLA纖維沙障材料降解速率，本研究人工模擬不同溫度（－15℃，4℃，25℃，60℃，80℃）對PLA纖維沙障材料降解的影響，分別在各溫度后的1d，2d，3d，7d，14d，35d和70d進行質量損失率測試，結果如圖4所示。

圖4 溫度對PLA沙障材料質量損失率的影響

從圖4可以看出：隨著溫度的升高及處理時間的延續，PLA沙障材料的質量損失率呈現增加的趨勢，其中經過在干土、4℃環境下處理70d的PLA沙障材料質量損失率最小，僅為0.48%；在80℃濕土條件下僅處理7d后PLA沙障材料已降解破碎無法稱量。濕土環境下的PLA沙障材料質量損失率大于干土環境，在濕土、60℃環境下PLA沙障障體可保存35d，而在80℃下僅可保存3d。方差分析表明，在低溫和中溫條件下干土和濕土處理間差異不顯著（p＜0.05），而在高溫（60℃和80℃）條件下兩者差異達到極顯著水平（p＜0.01）。經分析認為，只有在溫度和濕度共同作用下，加速了PLA沙障障體的降解速率，因此可以認為在沙區環境下夏季雨后高溫環境是促使PLA沙障材料降解的主要因子。

3.3.2 土壤含水量對PLA纖維降解的影響 干旱、半干旱沙漠地區的表層土壤含量一般為3%～5%，即使在半濕潤荒漠區流沙表層土壤含水量均＜15%。為了研究沙區環境下同一季節不同立地條件或不同氣候區域條件（立地條件導致土壤含水量差異）下PLA沙障障體材料的降解速率，本研究將PLA沙障材料分別鋪設在沙表和沙內2種環境下，設置3%，6%，9%，12%及15%五個土壤含水量梯度，為探究PLA沙障在不同氣候區域下的使用壽命提供參考。

從圖5可以看出，隨著處理時間的延續，PLA沙障材料不論是在沙表鋪設還是埋在沙內均表現出沙障材料失重率增大的現象，且在鋪設早期材料失重率較大；隨著土壤水分含量的增加，沙障材料失重率呈現增加的趨勢。在沙表鋪設7d后不同土壤含水量間的PLA沙障材料失重率間出現了一定差異，且土壤含水率15%PLA沙障材料失重率顯著高于土壤含水率3%（p＜0.01）。在不同土壤含水量條件下處理150d后PLA沙障材料失重率表現為沙障材料鋪設較高土壤含水量（15%和12%）環境中降解速率顯著高于其它3種處理，且沙障材料失重率在中低土壤含水量（3%，6%和9%）間差異不顯著（p＞0.05）。將PLA沙障材料鋪設在沙土表面和埋在沙土內2種環境下沙障材料的質量損失率表現為：鋪設在沙土表面的材料失重率均大于埋在沙土內的材料失重率，土壤含水量15%條件下處理150d后沙土表面的材料失重率較沙土內材料高出0.19%，兩者未達到顯著差異水平（p＞0.05）。

綜上所示，PLA沙障材料降解速率隨土壤水分含量越高，沙障材料降解速度越快。同一土壤含水量條件下，在沙土表面鋪設的沙障材料降解速率大于埋在沙土中的沙障材料。但在本研究15%土壤含水量處理150d后，PLA沙障材料失重率僅為1.27%。由此認為，土壤含水量不是影響沙障材料快速降解的主要因子。

圖5 土壤水分含量對PLA纖維材料失重率的影響

4 結 論

PLA沙障材料在沙丘迎風坡中部處及障體迎風側機械性能損失最大；PLA沙障暴露空氣一側的機械性能損失顯著高于貼近地面一側。PLA沙障材料降解速率隨土壤水分含量增加而加快；在沙土表面鋪設的沙障材料降解速率大于埋在沙土中的沙障材料；高溫高濕環境可以促使PLA沙障材料快速降解。在沙區環境條件下，夏季雨后高溫和劇烈頻繁地風沙活動是促使PLA沙障材料快速降解的主要因素。

［1］ 回良玉在治理荒漠化國際會議開幕式上強調［N］.人民日報，2008－01－23（2）.

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