SA-01型高分子土壤抗蝕劑改良土壤團聚體水穩性的試驗研究

李 昊, 胡甲均, 任紅玉

(1.長江科學院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430010; 2.水利部 長江水利委員會,湖北 武漢 430010； 3.水利部山洪地質災害防治工程技術研究中心, 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業資源將長期存在,同時也面臨嚴重的水土流失問題，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。坡耕地嚴重的水土流失使山區丘陵土層變薄，養分流失，保水能力變差，土地生產力低下，下游江河湖庫淤積，嚴重阻礙山地丘陵區農業發展，直接影響國家糧食安全、生態安全和防洪安全，制約經濟社會的可持續發展[2]。對于坡耕地水土流失的治理，國內外圍繞保護性耕作措施和農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；二是對暫時無法改為梯田又必須保留農作的坡耕地，大力推廣保土耕作措施；三是以等高植物籬、植物護埂和苧麻種植為代表的植被措施。但由于自然條件、經濟條件，或是農耕文化的原因，上述3項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、新材料[9]。研發保土抗蝕新材料是水土保持研究長期重點支持方向，其中土壤抗蝕劑是一種在常溫條件下能夠直接膠結土壤顆粒或與黏土礦物反應生成凝膠物質的新型材料，能有效穩定土壤，提升土體強度，減少水土流失[10-12]。目前，這類材料按其組成成分可被分為：無機類、有機高分子類和生物酶類[13]。近年來隨著技術的進步，土壤抗蝕材料的研究已取得蓬勃發展，被廣泛應用于坡面生態防護，荒漠化治理，防治揚塵等領域[14-16]。其中具有良好降解性能的有機高分子類抗蝕材料是坡耕地治理研究的熱點[17]。針對此，本課題組以多糖類天然產物為基礎，研究開發了一種SA-01型高分子土壤抗蝕劑，探討該抗蝕劑產品對土壤團聚體水穩性的影響，并分析了其影響的機理。土壤團聚體水穩性是指土壤團聚體經水浸泡后的穩定情況，其對土壤孔隙保持和徑流產生具有重要影響，與土壤抗蝕性密切相關[18-19]，是土壤抗蝕性分析的關鍵指標，本文就以其水穩性指數K的變化來分析SA-01材料對土壤抗蝕性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用的材料為SA-01型高分子土壤抗蝕劑，該材料由從天然產物中提取的多糖類化合物為基材經改性制得。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。試驗采用的土樣是取自武漢市長江科學院沌口科研基地的紅壤，風干后質量含水率為6.73%。

1.2 試樣制備

將從現場取回的土樣經過風干、敲碎、過篩后，將粒徑分布較集中的2～20 mm團聚體分為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，使溶液充分浸潤團聚體表面，并在室溫下靜置2 h，以備試驗和表征。其中未噴灑SA-01的團聚體記為原始組，噴灑SA-01的團聚體記為試驗組。

1.3 團聚體水穩性試驗

1.3.1 試驗方法 本試驗采用靜水法對團聚體的水穩性進行了測定[21-22]。試驗通過將團聚體放置在靜水中，觀察團聚體隨著時間解體的數量，計算出團聚體的水穩性指數K，從而測定出團聚體的水穩性，其試驗裝置如圖1所示。試驗步驟為： ①每種試樣隨機取出30顆團聚體均勻放置在口徑1 mm的金屬網上。 ②向玻璃容器中加水，直至水面高于金屬網5 cm，而后將團聚體浸入水中開始計時。 ③每組試驗一共進行10 min，記錄每1 min解體的數量。 ④每個濃度試驗做3組平行，取3組平行試驗結果的平均值計算團聚體的水穩性。

圖1 團聚體水穩性測試裝置

1.3.2 團聚體水穩性計算方法 由于土粒崩解的時間不同，鑒定其水穩性程度需要采用校正系數，每分鐘校正系數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內沒有分散的土粒的水穩性指數為100%。

水穩性指數按下列公式計算：

(1)

式中：Pi——第i分鐘分散的土粒數量；Pj——10 min內未分散的土粒數；Ki——第i分鐘校正系數；A——供試土粒總數，本次試驗為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的相互作用來對物質微觀形貌進行表征的方法，常用于測定各種固體的表面形貌，其放大倍數可于1.00×102至1.00×105間連續可調。本試驗用其觀察了原始組與試驗組表面的形貌變化以分析SA-01材料的固土機理。測試儀器為Sigma場發射掃描電鏡，測試前將處理好的樣品在60 ℃條件下真空干燥4 h，并噴金以增強其導電性，減小干擾。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

表1給出了不同條件下團聚體在靜水中浸泡10 min過程中每分鐘的崩解情況，由表我們可以看出，所有粒徑下的團聚體經SA-01處理后其崩解數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聚體累積崩解情況，團聚體初始崩解時間與團聚體最終崩解個數的具體數字分別列于表2—3。

表1 團聚體水穩性測試結果

注：數據是每分鐘解體的團聚體數量。

圖2 不同SA-01施用濃度條件下團聚體隨時間累計崩解數

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生崩解，隨著試驗的進行，所有粒徑的試驗樣品在第6～7 min基本都完全崩解，而對于施加材料的試驗組，少量的SA-01都會對團聚體崩解情況產生巨大影響，無論是其初始崩解時間還是最終崩解個數都小于原始組。同時還發現，在相同粒徑條件下，團聚體初始崩解時間隨著SA-01施用濃度的增加而增加，團聚體最終崩解個數隨著SA-01施用濃度的增加而減小。以2～5 mm粒徑試驗組為例，施用0.25%的SA-01后，團聚體于4 min后才開始崩解，并最終崩解9個，而當施用1%的SA-01后，整個試驗過程中30個團聚體顆粒無一崩解，且后續的觀察中發現，經1%的SA-01處理后的團聚體能在靜水中穩定存在30 d以上。此外，在相同SA-01施用濃度條件下，團聚體初始崩解時間基本隨著粒徑的增大而減小，團聚體最終崩解個數隨著粒徑的增大而增大。

表2 團聚體初始崩解時間

表3 團聚體最終崩解個數

2.2 SA-01對團聚體水穩性的影響

土壤團聚體水穩性是土壤抗蝕性分析的關鍵指標，表4給出了不同濃度SA-01施用后土壤團聚體水穩性的變化。由表4可知，施用少量的SA-01就可大幅提升團聚體水穩性，在施用濃度為0.25%的SA-01后，3種粒徑的紅壤團聚體的水穩性較未處理的試驗組平均提高了2.61倍，提升作用非常明顯，當SA-01濃度達到1.0%時，團聚體的水穩性達到100%，即在一次試驗持續時間內，團聚體完全沒有解體的跡象。同時也可以看到，在相同濃度SA-01處理條件下，水穩性指數K隨著團聚體粒徑的增大而減小，以施用0.75%SA-01試驗組為例，其2～5 mm粒徑組最終崩解個數僅為3個，水穩性指數K達到99.2%，但隨粒徑增大，其10～20 mm試驗組最終崩解數上升到8個，水穩性指數K下降到91%；在相同團聚體粒徑條件下，水穩性指數K隨著SA-01濃度的增加而增加，以5～10 mm粒徑組為例，其初始水穩性指數K為33%，施用0.25%SA-01后其水穩性指數K提升2.73倍達到90.2%，并隨著施用濃度的進一步升高而不斷增加，最終于1%施用濃度時達到100%。

3 討 論

3.1 SA-01影響團聚體崩解模式分析

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

圖3 團聚體最終崩解情況

3.2 SA-01提升團聚體水穩性機理分析

分析可知,隨著SA-01的施用，土壤團聚體的水穩性指數K大幅提升，且其崩解模式發生較大變化。依據材料的性質，我們猜想這與材料與團聚體顆粒間的反應有關。SA-01是以多糖為基材的高分子材料，多糖類物質高分子鏈中含有大量的親水的羥基(-OH)基團，該基團可通過氫鍵作用連接土壤顆粒，同時多糖的高分子長C鏈也可通過滲透、擴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可與土壤中的Ca2+,Mg2+等高價陽離子發生反應，在表層土壤生成能透水透氣有一定強度但不溶于水的水凝膠保護層。為了驗證我們的猜想，我們對未噴灑SA-01的原始組與噴灑0.5%濃度的SA-01的試驗組團聚體表面進行了掃描電鏡測試，其結果如圖4所示。圖4可以看到，未噴灑SA-01的原始組團聚體表面具有很多片狀原始土壤結構[26]，而對于噴灑0.5%濃度的SA-01的試驗組(圖4)而言，其表面未見到這種片狀結構，而是覆蓋了一層薄膜狀的涂層，這些薄膜狀結構就是我們猜想中的透水透氣的保護層。這也解釋了噴灑材料前后團聚體崩解發生變化的現象，噴灑材料前，原始組團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，當其與水接觸后，水分從外到內，逐漸滲入到團聚體內部與團聚體土壤顆粒發生作用，削弱其間的相互作用，當該作用力小于土壤顆粒的重力與浮力差時，土壤顆粒就由外向內逐漸發生崩解。噴灑材料后，SA-01材料在團聚體表面形成一層凝膠保護層，該保護層具有一定機械強度，可在浸水初期，土壤顆粒間的相互作用力削弱后，保護團聚體免于崩解，故試驗組初期團聚體沒有發生明顯變化；但隨著浸泡時間的延長團聚體內部水土相互作用加劇，以及土壤浸泡后的膨脹作用，團聚體內部向外的力逐漸增大造成保護層破裂，也就是我們觀察到的團聚體顆粒表面出現細小的裂縫，隨后隨著團聚體內部向外的力進一步增大，裂縫變大，團聚體內部土壤短時間內突然從裂縫中大量流出。其示意圖如圖5所示。

圖4 團聚體表面掃描電鏡圖

圖5 團聚體崩解機理

3.3 SA-01濃度與團聚體粒徑影響團聚體水穩性機理分析

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

4 結 論

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

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

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