改性纖維素類固沙材料對(duì)草本植物出苗率及幼苗生長(zhǎng)的影響

袁進(jìn)科， 陳 杰

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610059)

當(dāng)前，美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已將生態(tài)環(huán)境問題提升到了國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃高度[1-2]。其中生態(tài)環(huán)境問題包括水土流失、污染、沙化、生物多樣性減少等，主要是水土流失問題[3-4]。中國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重國(guó)家之一，全國(guó)水土流失面積達(dá)2.74×106km2，占國(guó)土面積的28.5%[5]。并且由于地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害也極易引起水土流失，比如在汶川大地震震后3 a內(nèi)地震災(zāi)區(qū)較震前新增水土流失面積達(dá)到1.48×104km2，增幅達(dá)11%，其中重災(zāi)區(qū)的增幅更達(dá)到30%[6]。2017年8月8日，四川省九寨溝發(fā)生的7級(jí)地震引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害1 000余處，在遇到連續(xù)降雨的時(shí)候也極易引起水土流失。防治水土流失危害的措施主要包括植物固沙措施、工程固沙措施和化學(xué)固沙措施等3大類[7]。其中工程固沙和植物固沙技術(shù)比較成熟，但這些防治技術(shù)存在高成本、低效益、勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工進(jìn)度慢等問題[8]。在這3大類基礎(chǔ)上，為了達(dá)到既防止水土流失還可以恢復(fù)生態(tài)、改善環(huán)境的同時(shí)還能追求高效、廉價(jià)及快速，發(fā)展了“化學(xué)—生物”固沙綜合技術(shù)。“化學(xué)—生物”固沙技術(shù)利用固沙劑與植物生長(zhǎng)的適宜性更好地發(fā)揮固沙作用，具有高效廉價(jià)、快速方便、環(huán)境協(xié)調(diào)的特點(diǎn)[9]。通過“化學(xué)—生物”固沙技術(shù)在為植物創(chuàng)造良好生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)，能逐漸改善生態(tài)環(huán)境，形成自然生態(tài)圈[10]。訾言勤等[11]利用高嶺土和聚丙烯酰胺(PAM)制備的固沙劑具有吸水保水性，抗旱助長(zhǎng)性。夏海江[12]針對(duì)沙土的抗風(fēng)蝕性能做了簡(jiǎn)易風(fēng)洞試驗(yàn)，研究結(jié)果表明聚丙烯酰胺類膠凝材料可以改善沙土的抗風(fēng)蝕能。王銀梅等[13]針對(duì)沙土類地層特點(diǎn)研究了SH固沙劑的固沙性能，固沙效果優(yōu)異且可控，耐久性能優(yōu)良。王勇等[14]研究了新型固沙植被多功能高分子復(fù)合材料，與沙土混合吸水后形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善沙土結(jié)構(gòu)的物理性狀。譚雪琴等[15]研究了以聚乙烯醇為原料制備的固沙劑，固沙效果穩(wěn)定，并提升了分子鏈間的作用力，但該固沙劑的固沙強(qiáng)度不高。梁止水等[16]通過改性水溶聚氨酷(W-OHC)固沙后的滲透性、固沙層的強(qiáng)度以及保水性等方面研究，大大提高了沙粒間的膠結(jié)力。申閆春等[17]研制了丙烯酰胺改性羥丙基纖維素鈉的固沙劑，固沙保水效果較好。本研究采用化學(xué)固沙與生物固沙相結(jié)合的綜合防治技術(shù)，以九寨溝地震震后松散的沙土邊坡為研究對(duì)象，利用羧甲基纖維素鈉(CMC)材料為基礎(chǔ)并結(jié)合聚丙烯酰胺(PAM)材料研發(fā)的改性纖維素類固沙劑(GCMC)為固沙材料，分別采用九寨溝不同類型草本植物和不同配比固沙材料進(jìn)行草本植物出苗率及幼苗生長(zhǎng)狀況的研究，對(duì)GCMC固沙材料內(nèi)部的基質(zhì)吸力進(jìn)行分析，探討不同配比方式的固沙材料試驗(yàn)的植物相容性機(jī)理，以期為后續(xù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固沙植草模擬試驗(yàn)提供科學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步為九寨溝地震受損邊坡植被恢復(fù)提供研究基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

2017年8月8日在四川省九寨溝發(fā)生7.0級(jí)地震，是繼2008年汶川大地震和2013年蘆山地震之后，四川省發(fā)生的又一次7.0級(jí)以上的強(qiáng)震。地震引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害一千余處，主要以中小型淺層滑坡和崩塌為主。這類地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生了大量的松散顆粒物質(zhì)，在遇到降雨的時(shí)候極易引起坡表水土流失。研究區(qū)內(nèi)的斜坡坡度集中在30°～40°之間，降雨作用到斜坡坡表的接觸面積較大，從而易于形成地表徑流，對(duì)坡面造成直接沖刷，造成坡面水土流失的加劇。

2 材料與方法

2.1 改性纖維素類固沙材料作用機(jī)理

試驗(yàn)所用改性纖維素類固沙劑(GCMC)由CMC和PAM兩種有機(jī)高分子材料組成，配制成1.1%的濃度，呈液態(tài)，pH值為6～7，密度為1.01 g/cm3，黏度為78 m Pa·s，無毒無公害，具有吸附能力強(qiáng)、持水性良好等優(yōu)點(diǎn)，屬于綠色環(huán)保化學(xué)品[18]。GCMC固沙劑中羥基和羧甲基(-CH2COONa)等官能團(tuán)中的氫鍵與沙土顆粒表面的Si-OH、Mg2+，Ca2+等游離的陽離子通過交聯(lián)、吸附發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成結(jié)構(gòu)體分布在固/液界面上。GCMC固沙劑分子鏈上豐富的羧基和羥基使其易形成不溶于水的水凝膠，同時(shí)膠體三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)離子具有保蓄能力，且具有很大的內(nèi)外表面積，這些性質(zhì)決定了GCMC固沙劑具有較高的離子交換量和很強(qiáng)的吸附能力。

2.2 試驗(yàn)材料

改性纖維素類固沙劑(GCMC)與沙土按照不同的質(zhì)量配比形成固沙材料。所選用的沙土取自九寨溝發(fā)生水土流失的松散斜坡坡表，將沙土風(fēng)干以后得到沙土顆粒的粒徑分布(見表1)，其中顆粒粒徑主要集中在1.5～0.5 mm之間。

表1 試驗(yàn)沙土的粒徑級(jí)配

2.3 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)中材料基質(zhì)吸力測(cè)試采用的是TEN土壤張力計(jì)，測(cè)試范圍0～100 kPa。

2.4 植物選擇

試驗(yàn)用的草本植物為5種，分別是燈籠草(Physalisalkekengi)，金線草(Rubiamembranacea)，茜草(Rubiacordifolia)，唐松草(Thalictrumaquilegifolium)和夏枯草(Prunellavulgaris)，均選自于九寨溝景區(qū)內(nèi)的代表性草本植物[19]。其中燈籠草為唇形科風(fēng)輪菜屬植物，直立多年生草本，適宜發(fā)芽溫度在20～22 ℃；金線草為蓼科植物，適宜發(fā)芽溫度在2～23 ℃；茜草為多年生草質(zhì)攀援藤木，唐松草和夏枯草均為多年生草本植物，這3種植物適宜發(fā)芽溫度在25 ℃。

2.5 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年7月開始進(jìn)行，室溫控制在22～25 ℃。選用40 cm×30 cm×15 cm的塑料盤，每個(gè)塑料盤重200 g，并在盤內(nèi)放入3 000 g沙土后攤平，厚度約7 cm(見圖1)。結(jié)合在前期試驗(yàn)過程中，固沙劑與沙土采用了1∶1[20]和1∶3[21]的液固質(zhì)量比進(jìn)行了強(qiáng)度和耐水性試驗(yàn)，固沙效果顯著。因此結(jié)合前期試驗(yàn)，首先將改性纖維素類固沙劑與沙土按照1∶2和1∶3的液固質(zhì)量比分別配制成固沙材料，呈塑性狀態(tài)，然后按照不同液固質(zhì)量比配制的固沙材料分成兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)(A區(qū)和B區(qū))，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)均有5個(gè)塑料盤，再分別選取5種植物種子各20粒分別均勻撒在5個(gè)塑料盤內(nèi)的沙土表面，每個(gè)塑料盤內(nèi)代表1種植物，均勻分布20粒植物種子，5種植物共100粒種子。最后將拌和好的1∶2液固比的固沙材料約1 cm厚覆蓋在A區(qū)塑料盤沙土上，1∶3液固比的固沙材料約1 cm厚覆蓋在B區(qū)塑料盤沙土上，形成約1 cm厚的固沙結(jié)構(gòu)層(見圖2)，將張力計(jì)插入到固沙材料中以觀測(cè)材料的基質(zhì)吸力變化。沙土的含水率約為17.64%，室溫中溫度在22 ℃左右。試驗(yàn)時(shí)間60 d，每隔3 d往每個(gè)塑料盤內(nèi)均勻噴灑50 ml自來水，記錄植物生長(zhǎng)情況。

圖1 試驗(yàn)選取的沙土

圖2 鋪設(shè)的固沙材料

3 結(jié)果與分析

3.1 固沙材料基質(zhì)吸力分析

植物的生長(zhǎng)離不開水，土體持水能力也是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)重點(diǎn)考慮的因素。因此固沙材料不僅要有較強(qiáng)的防水流沖刷能力，而且還要有一定保水性可以給植物根系提供水分。材料的吸水能力通過基質(zhì)吸力表示，在相同含水量下，水吸力越小說明保持的水分越多，表征其對(duì)沙土體改良的作用就越好。

從圖3可以看出，液固質(zhì)量比為1∶2的固沙材料基質(zhì)吸力明顯大于1∶3液固質(zhì)量比，同時(shí)1∶2液固質(zhì)量比的固沙材料從第3 d開始就表現(xiàn)出吸水特征，說明1∶2液固質(zhì)量比的固沙材料持水能力差、含水率低，所以表現(xiàn)出更強(qiáng)的吸水特征。田間作物適宜的土壤吸力大多在90 kPa以內(nèi)[22]。通過試驗(yàn)，兩種液固質(zhì)量比的固沙材料基質(zhì)吸力最終穩(wěn)定在80 kPa和75 kPa，可以給植物根系生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的供水環(huán)境，避免因吸力過大從而掠奪植物根系生長(zhǎng)所需的水分。并且1∶3液固質(zhì)量比的固沙材料基質(zhì)吸力更小，說明1∶3比例的固沙材料含水率更高，可以給植物提供更多的水分。

圖3 不同液固質(zhì)量比固沙材料基質(zhì)吸力隨時(shí)間變化特征

3.2 植物出苗率分析

不同草種的出苗率試驗(yàn)結(jié)果見表2。從兩種試驗(yàn)區(qū)的植物出苗率分布可以看出，燈籠草和唐松草均有出苗，說明這兩種植物適宜生長(zhǎng)，而金線草、茜草和夏枯草在兩種試驗(yàn)區(qū)內(nèi)均未見出苗。其中A試驗(yàn)區(qū)的植物出苗率整體比B試驗(yàn)區(qū)植物出苗率高，A區(qū)燈籠草出苗率和B區(qū)一樣，均為5%；A區(qū)唐松草出苗率為30%,B區(qū)為10%。

植物的出苗率跟土體的強(qiáng)度、孔隙率、含水率以及團(tuán)粒結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系[23]。由于改性纖維素類固沙劑(GCMC)配制的固沙材料具有一定的強(qiáng)度，并且膠結(jié)程度較高。由表2可以看出，金線草、茜草和夏枯草這3類植物種子沒有出苗。而燈籠草和唐松草發(fā)育較好，唐松草出苗率可以達(dá)到30%，并且從燈籠草和唐松草根系和株苗的尺寸可以看出兩者與固沙材料相容性好。

表2 不同植物種子出苗率分布特征

施用一定量的固沙材料改變了沙土的密實(shí)度，適宜的施用量可以促進(jìn)作物根系的穿孔和生長(zhǎng)[9]。植物種子主要是從固結(jié)層孔隙較大的地方出苗，而緊密的地方種子出苗難(見圖4)，說明植物種子出苗不僅需要水分，還需要適宜的空間。從表2可以看出燈籠草的出苗率較低，只有5%，說明種子發(fā)芽難度較大。從出苗率分布看，唐松草>燈籠草>金線草、茜草、夏枯草。配制的固沙材料強(qiáng)度在850～915 kPa，孔隙率在41%～44%，滲透系數(shù)為1.1～2.5×10-6。雖然固沙材料固然膠結(jié)程度高、強(qiáng)度大，其抗水流沖刷的能力強(qiáng)，但是壓實(shí)緊密的固結(jié)層也會(huì)壓縮種子空間，使得植物出苗困難，所以適當(dāng)配比的固沙材料不僅需要具有一定的抗水沖刷和保水能力，同時(shí)也需要給植被發(fā)育提供一定空間。同時(shí)化學(xué)固沙材料可吸附和固定沙層中的有機(jī)物離子，通過與植物進(jìn)行離子交換作用提供給植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[24]。從表2可以看出B區(qū)植物的幼苗存活時(shí)間都多于A區(qū)植物，其中唐松草多存活了6 d，燈籠草多存活了9 d，說明1∶3液固質(zhì)量比的固沙材料含水率更高，可以給種子發(fā)芽提供更多的水分，存活時(shí)間更長(zhǎng)。同時(shí)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，植物種子總體上出苗率低于30%，存活時(shí)間小于40 d，說明在實(shí)驗(yàn)室條件下，光照以及通風(fēng)受到了一定的限制，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電氣設(shè)備也會(huì)近距離造成植物因環(huán)境變化太過明顯而造成的生長(zhǎng)不適。因此植物需要充足的光照和通風(fēng)條件才能充分進(jìn)行光合作用，同時(shí)也要免受電器設(shè)備造成的環(huán)境影響。

圖4 緊密的固結(jié)層

3.3 幼苗生長(zhǎng)特征分析

從表2顯示A區(qū)和B區(qū)的燈籠草平均根徑一致，均達(dá)到2 mm，同時(shí)從試驗(yàn)觀察到燈籠草的葉片面積較大，達(dá)到130 mm2左右。根系的發(fā)達(dá)不僅有助于其從沙土里吸收水分和養(yǎng)分，而且較大的葉片也有助于其獲得充足的陽光。植物就是利用自身發(fā)達(dá)的根系，在沙土內(nèi)水平或垂直發(fā)展來吸收深層水分和營(yíng)養(yǎng)，以供應(yīng)給植物地上部分的蒸騰和生長(zhǎng)發(fā)育的需要。

圖5為A區(qū)和B區(qū)的唐松草根部和株苗特征，可以看出兩者的根部長(zhǎng)度尺寸相當(dāng)，但是A區(qū)的根莖稍粗，達(dá)到1 mm。兩者的株苗高度差不多，葉片面積也近似。從根系的形狀來看，兩者均屬于向土壤深部延伸的主直根型。主直根型的特點(diǎn)是有一條明顯的垂直主根，其上再發(fā)育有眾多微細(xì)側(cè)根，能很好的起到錨桿作用[25]。兩者的株高相當(dāng)，約25 mm，說明種子具有更強(qiáng)的生命力可以穿透固沙材料出苗。但是A區(qū)的株苗枯萎的時(shí)間早，存活時(shí)間短。結(jié)合圖4及試驗(yàn)過程觀察，A區(qū)和B區(qū)的種子出苗區(qū)域均位于固沙材料孔隙較大的位置，說明具有一定孔隙的固沙材料更適宜植物幼苗的生長(zhǎng)。

圖5 唐松草生長(zhǎng)根苗特征

從燈籠草和唐松草的出苗率分布和根苗特征分析，GCMC固沙材料和燈籠草以及唐松草的相容性較好，植物根系主根發(fā)達(dá)，但是側(cè)根明顯偏弱。同時(shí)大部分地區(qū)(尤其是中國(guó)南方區(qū)域)沙生類植物生長(zhǎng)所需要的土壤環(huán)境一般是弱酸性，沙土過酸或過堿都會(huì)危害植物[26]。改性纖維素類固沙劑的pH值為6～7，符合植物生長(zhǎng)的弱酸性土壤環(huán)境條件，有利于植物的生長(zhǎng)。并且GCMC固沙材料不僅具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可抗水流沖刷，而且還具有保水性，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)。通過試驗(yàn)分析，九寨溝典型植物中燈籠草和唐松草與GCMC固沙材料相容性良好，在1∶2液固質(zhì)量比時(shí)唐松草出苗率更高，在液固質(zhì)量比1∶3時(shí)植物的存活時(shí)間更長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

自主研發(fā)的改性纖維素類固沙劑易在水中溶解分散形成膠狀體，具有良好的持水性，屬于綠色環(huán)保型固沙材料。固沙劑pH值在6～7之間，符合沙生植物生長(zhǎng)的弱酸性土壤環(huán)境條件，有利于沙土中植物的生長(zhǎng)。

液固質(zhì)量比為1∶2的固沙材料基質(zhì)吸力大于1∶3液固質(zhì)量比，液固質(zhì)量比為1∶3的固沙材料持水性好，可以給植物提供更多的水分。兩種液固質(zhì)量比的固沙材料基質(zhì)吸力最終為80 kPa和75 kPa，可以給植物根系生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的供水環(huán)境，避免了因吸力過大從而掠奪植物根系生長(zhǎng)所需的水分。

選取的5種典型九寨溝植物中，燈籠草和唐松草在兩種配比固沙材料中均有出苗，而金線草、茜草和夏枯草在兩種試驗(yàn)區(qū)內(nèi)均未見出苗。A試驗(yàn)區(qū)的植物出苗率整體比B試驗(yàn)區(qū)植物出苗率高，A區(qū)燈籠草出苗率和B區(qū)一樣，均為5%；A區(qū)唐松草出苗率為30%、B區(qū)為10%。同時(shí)B區(qū)植物的生長(zhǎng)時(shí)間都長(zhǎng)于A區(qū)植物。

A區(qū)和B區(qū)的燈籠草平均根徑一致，均達(dá)到2 mm。A區(qū)和B區(qū)的唐松草平均根長(zhǎng)和平均株高近似，但A區(qū)的根徑稍粗，達(dá)到1 mm。同時(shí)A區(qū)和B區(qū)的種子出苗區(qū)域均位于固沙材料孔隙較大的位置，說明具有一定孔隙的固沙材料更適宜植物幼苗的生長(zhǎng)。