植物卷材基質(zhì)中保水劑失水特性研究

陳艷華，孫海龍，李紹才，宋海鳳，劉靜雅

(1.四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064； 2.四川大學 水利水電國家重點實驗室，四川 成都 610064)

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植物卷材基質(zhì)中保水劑失水特性研究

陳艷華1，孫海龍2，李紹才1，宋海鳳1，劉靜雅1

(1.四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064； 2.四川大學 水利水電國家重點實驗室，四川 成都 610064)

植物卷材；保水劑；失水特性

植物卷材是護坡工程中應用的新材料，而保水劑在卷材中的施用對于卷材的設(shè)計和使用有至關(guān)重要的影響。通過室外試件試驗與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方式研究了保水劑施用在植物卷材中的失水規(guī)律，結(jié)果表明，保水劑在施用之后，保水能力快速下降，失水速度急劇加快。保水劑吸水后在30 ℃條件下烘干，其質(zhì)量與烘干時間呈直線關(guān)系，即保水劑失水速度在整個烘干過程中大致相同，擬合方程為y=ax+b；卷材中的保水劑吸水后，同樣在30 ℃的烘干條件下其質(zhì)量與烘干時間呈y=ax2+bx+c的曲線關(guān)系，即前半段烘干時間的失水速度明顯高于后半段，約35 h后保水劑中的水分大部分流失，并且施用時間越長此特點表現(xiàn)越明顯。所以，在卷材的設(shè)計和使用過程中，保水劑的施用并不是一次性完成的，到一定的期限時要補充保水劑或者在試件中添加保水劑的緩釋裝置，以保障卷材能長期使用。

邊坡綠化是一種新興的能有效防護裸露坡面的生態(tài)護坡方式，它與傳統(tǒng)的土木工程護坡相結(jié)合，可有效實現(xiàn)坡面的生態(tài)植被恢復與防護[1]。邊坡綠化不僅具有保持水土的功能，還可以改善環(huán)境和景觀，提高觀賞水平[1]。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，中國的基礎(chǔ)建設(shè)速度正在加快，交通、運輸、水利、電力等建設(shè)項目的實施形成了大量的裸露坡面。這些人為裸露坡面不僅影響了生態(tài)環(huán)境景觀，而且有些還存在地質(zhì)災害隱患，如造成崩塌、滑坡、泥石流等，影響主體工程及周邊綠化工程的安全穩(wěn)定。因此，邊坡綠化工程的研究意義重大。對于石質(zhì)邊坡而言，邊坡綠化的環(huán)保意義尤其突出。因此，邊坡綠化的新型材料——植物卷材便應運而生。它有效地結(jié)合了工程學和園林綠化的優(yōu)點，以工程學的手段實現(xiàn)綠化的效果，產(chǎn)品生產(chǎn)成本低，使用方便，可以實現(xiàn)智能化管理，無需消耗大量人力，能有效達到護坡目的，在護坡工程中有巨大的應用價值。除此之外，植物卷材護坡還具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

水資源短缺是限制邊坡綠化的主要因素[2]，同時也是限制植物卷材有效護坡的主要條件，應用保水劑有明顯的節(jié)水效果，能有效地提高幼苗的存活率[3]。因此，保水劑在卷材中最大吸水量和吸水失水規(guī)律的研究對于提高植物卷材的性能至關(guān)重要。但是，對保水劑的研究現(xiàn)多處于研究未施用的保水劑性質(zhì)的階段，對保水劑施用之后保水性的變化研究不多，有許多問題尚待深入研究，如：保水劑施用之后其本身的保水性能降低嗎？降低的程度如何？以怎樣的方式降低？保水劑會完全失去保水的功能嗎？對這些問題進行研究有助于解決保水劑在植物卷材實際生產(chǎn)應用中的施用問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

用于試驗的植物卷材長50 cm、寬50 cm，縱切面由上到下分別是鍍鋁膜、珍珠棉、玻璃纖維網(wǎng)、黑色薄膜、基質(zhì)、無紡布和試件盒(見圖1)。植物生長的基質(zhì)主要由草炭800 g/幅、紫色巖泥(粒徑0～2 mm)125 g/幅、保水劑40 g/幅等按照比例混合而成。

圖1 植物卷材縱切面(單位：mm)

草炭：根據(jù)設(shè)計要求將草炭(容重0.47 g/cm3，pH值5.466 5，含水率8.99%，有機質(zhì)361.15 g/kg，全氮45.67 g/kg)去除雜質(zhì)并過篩，得到均勻的草炭。

紫色巖泥：根據(jù)設(shè)計要求將采自四川省遂寧廣德寺的紫色土(含有機質(zhì)56.66 g/kg、全氮64.41 mg/kg、全磷1.64 g/kg、全鉀16.89 g/kg)通過晾曬或補水，將含水率控制在(30±1.5)%，并過篩得到相對均勻的紫色巖泥。

保水劑：成都市億鑫化工有限公司生產(chǎn)的AQUASORB保水劑，主要成分為丙烯酰鉀-丙烯酰胺共聚體，型號為3005KM，粒徑0.5～1.0 mm。保水劑的施加方法為拌土干施法，即利用電子天平稱取一定量保水劑顆粒，與適量基質(zhì)顆粒充分混合，然后經(jīng)過一系列工藝加工成試件。

1.2 試驗條件與方法

1.2.1 試驗地概況

試驗地位于升平鎮(zhèn)，地處四川省彭州市區(qū)東北部，氣候類型大體屬亞熱帶濕潤氣候，全年氣候溫和。根據(jù)多年氣象資料分析，年平均氣溫16.3 ℃，年平均降水量1 146.5 mm，年平均相對濕度79%，年平均蒸發(fā)量1 536.4 mm[4]。

1.2.2 坡面模擬試件

在試驗基地打造坡度為30°的斜坡，把圖1所示的試件盒依次整齊地放置其上。

1.2.3 試驗設(shè)計

試驗作用的試件如圖1所示。試件中填裝基質(zhì)，并施以紫穗槐種子。由于試驗涉及植物，故需土施D1至D5濃度(分別為0.001、0.005、0.010、0.015、0.020 g/L)的多效唑，用于研究不同濃度多效唑?qū)ψ纤牖狈N子萌發(fā)及生長的影響。多效唑系20世紀80年代推出的一種高效低毒的植物生長調(diào)節(jié)劑，能夠抑制植物的縱向生長而促進其橫向生長，同時提高植物的抗逆性[5-6]，對植物的生長具有促進作用。每個多效唑濃度有75個試件，待紫穗槐種子萌發(fā)后，方可開始試件的破壞試驗。由于太陽輻照量和降水量是影響植物生長及其生理過程和保水劑保水失水特性的主要因素，所以根據(jù)從氣象站得到的試驗地年降水量和太陽輻照量數(shù)據(jù)，每年進行5次破壞試驗，時間分別安排在3月11日、5月15日、7月25日、9月29日和12月11日。每次破壞試驗破壞施加不同濃度多效唑的試件各3個，共15個，其中一個用于研究保水劑施用后的失水特性，以未施用過的相同保水劑為對照。

1.2.4 試驗方法

失水曲線測定：①在破壞試驗時，取出混合有保水劑的基質(zhì)300 g置于盆中加水3 kg，使得基質(zhì)中的保水劑充分吸水；②3 h后剔除基質(zhì)中的其他成分和雜質(zhì)，取出基質(zhì)中的保水劑約150 g，放入篩子中鋪平直至保水劑表面的水分蒸發(fā)干；③將取出的保水劑分成3等份，每份50 g，作為3個重復，平鋪于已知質(zhì)量的直徑7 cm的培養(yǎng)皿上；④將其放入30 ℃的烘箱中烘干，每隔1 h稱一次，直至連續(xù)3次稱的質(zhì)量不變?yōu)橹埂?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑吸水倍率及失水時間

試驗所用試件制作時間為2014年4月，紫穗槐種子萌發(fā)的時間為2014年5月。破壞試驗于2014年5月、7月、9月、12月和2015年3月、5月共進行了6次。根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，按照公式Q=M0/M1(Q為保水劑的吸水倍率；M0為保水劑吸飽水后的質(zhì)量；M1為保水劑烘干到恒重時的質(zhì)量)求得保水劑的吸水倍率，結(jié)果見表1。

表1 不同多效唑濃度的保水劑吸水倍率測定結(jié)果

本試驗所用的保水劑主要成分為丙烯酰鉀-丙烯酰胺共聚體，屬于離子型保水劑。離子型保水劑與水接觸后，離子型親水基團的電離造成樹脂結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，這是保水劑吸水的動力之一[7]。保水劑的吸水倍率是評價保水劑性能的重要指標。從表1可以看出，該保水劑在未施用時吸水倍率為100倍左右，在施用之后吸水倍率快速下降至20倍左右，并且隨著時間的推移吸水倍率進一步下降，但下降的速度趨緩。

烘干不同破壞次數(shù)保水劑的時間見表2。從表2中可以看出，烘干時間隨著破壞次數(shù)的增加，即施用時間的延長而縮短，前3次破壞烘干時間相差較大，之后趨于平緩下降。對照與第1次相差5 h，第1次和第2次相差16 h，第2次和第3次相差8 h，之后幾次僅僅相差0～2 h。

表2 不同破壞次數(shù)保水劑的烘干時間

2.2 同一多效唑濃度不同破壞次數(shù)的保水劑失水曲線比較

將試驗測得的不同烘干時間對應的保水劑質(zhì)量數(shù)據(jù)用SPSS軟件處理后點在坐標系中，以平滑的曲線連接在一起即為保水劑的失水曲線。同一多效唑濃度不同破壞次數(shù)的保水劑失水曲線見圖2。

圖2 不同破壞次數(shù)的保水劑失水曲線比較

從圖2可以看出：對照組的保水劑失水速度最慢，完全失水所需時間最長；破壞試驗組的保水劑失水速度第1次>第2次>第3次，之后的第4、5、6次失水速度基本相同。對照組保水劑的失水曲線擬合方程為y=ax+b，而破壞試驗組保水劑的失水曲線擬合方程為y=ax2+bx+c。可以看出對照組的擬合方程為直線方程，而破壞試驗組的擬合方程為二項式曲線方程，即前半段烘干時間失水速度明顯高于后半段時間，約35 h后保水劑中大部分水分會流失。

2.3 同一破壞試驗不同多效唑濃度保水劑失水曲線

按照試驗結(jié)果用SPSS軟件分析后，同一破壞試驗不同多效唑濃度的保水劑失水曲線見圖3。

圖3 不同多效唑濃度的保水劑失水曲線

由圖3可看出，在幾次破壞試驗中，多效唑濃度對保水劑失水特性的影響不同，沒有明顯的規(guī)律。這可能是多效唑作為植物調(diào)節(jié)劑，使用量極微，所以不同濃度的多效唑?qū)ΡＫ畡┑谋Ｋ芰τ绊懖幻黠@。

2.4 試驗結(jié)果

由于在植物卷材的設(shè)計和使用過程中，初始時需要施用充足的養(yǎng)分和水分，所以研究保水劑施用后的失水過程對卷材的設(shè)計有一定的指導作用。在設(shè)計時可以配合使用卷材邊坡當?shù)氐臍夂蛱卣骱陀昙緯r間、降雨量大小等來確定保水劑施加的方案，使卷材中的種子能夠在雨季順利萌發(fā)，達到四季施工雨季萌發(fā)的目的，方便卷材的生產(chǎn)及使用。

從試驗數(shù)據(jù)我們可以看出，在對照組中保水劑失水后的質(zhì)量與時間呈直線關(guān)系，擬合方程為y=ax+b，即保水劑在整個失水過程中是均勻失水的；而在試驗組中施用過的保水劑失水后的質(zhì)量與時間呈二項式曲線關(guān)系，擬合方程為y=ax2+bx+c，即開始時失水的速度快，烘干約35 h后保水劑已失去大部分水分，之后失水速度趨緩。試驗組保水劑失水速度加快的原因可能是此類保水劑中含有大量的親水基團，在能保持一定水分的同時容易生物降解[8]，而卷材使用一段時間之后，其中的各種成分使保水劑開始生物降解，其親水基團逐漸失去作用，保水能力就會下降。

同時，從試驗結(jié)果亦可看出，多效唑濃度對保水劑保水能力的影響明顯具有不確定性。所以，在卷材的設(shè)計上暫時可不考慮其對保水劑保水失水特性的影響，用量以有利于植物生長的濃度為宜。

3 討 論

我們知道當人工土壤中施入一定量的保水劑時，由于保水劑本身可以吸收大量的水分，因而可以使土壤的水分含量增加，而保水劑所吸持的水分釋放是比較緩慢的，可以有效地防止因人工土壤表面蒸發(fā)而造成的土壤水分缺失[8]。植物卷材護坡在實際應用中是可行的，并能產(chǎn)生較好的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益，而保水劑的正確施用是影響卷材中植物萌發(fā)和存活的重要因素，是植物卷材能正常護坡的必要條件。試驗結(jié)果表明，在護坡卷材之中加入保水劑保持水分供植物生長的方法雖然可行，但是保水劑在施用之后保水能力明顯下降，半年之后其保水能力只剩下初始保水能力的1/10左右，所以在植物卷材的實際設(shè)計中要定期補充保水劑，或者在卷材設(shè)計中加入保水劑緩釋裝置。保水劑在卷材使用半年之后失水速度加快、保水能力迅速下降，所以保水劑的補充以半年一次為宜，這樣才能使植物卷材長期有效地發(fā)揮作用，達到正常的護坡效果。試驗的不足之處是，沒有設(shè)置烘干的溫度梯度，因此還需要進一步試驗與研究。

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(責任編輯 徐素霞)

S157.9

A

1000-0941(2016)11-0068-04

陳艷華(1989—)，女，重慶市人，碩士研究生，主要從事護坡、邊坡植被恢復、邊坡綠化等研究。

2015-07-17