海藻多糖抗蝕劑對土壤抗剪與入滲特性的影響

李 昊，程冬兵，孫寶洋，黃金權，林慶明，任斐鵬

（長江水利委員會長江科學院，水利部山洪地質災害防治工程技術研究中心，武漢 430010）

0 引 言

土壤侵蝕引起土層變薄、土壤肥力下降，加之城市化、工業化、土地濫用、土壤污染、鹽堿化和不適當的農業耕作等導致的農用地數量減少，嚴重威脅著糧食安全。控制土壤侵蝕，減少由此引起的土壤肥力下降不僅是農業問題，也是環境、社會和經濟的關注重點[1]。

施用基于化學作用的土壤抗蝕劑是提升土壤流失治理效果的有效途徑之一[2]。根據組成和特點其大致可被分為傳統型的礦渣硅酸鹽類和非傳統型的離子類、生物酶類和高分子類[3]。其中傳統型土壤抗蝕劑難以降解，影響土壤pH值和作物生長，施用后會對環境造成不利影響。而非傳統型土壤抗蝕劑，因其施用量小，相對環境友好等特點，在國內外土壤侵蝕防治方向的應用逐漸增多。Wu等[4]發現聚氨酯類材料W-OH可在沙土表層形成固結層提升土體強度，減少入滲。楊富民等[5]將陰離子表面活性劑、多元醇和二乙醇胺復配得到TG-K型土壤固化劑，其施用于土壤后土壤水穩性系數和無側限抗壓強度分別提升了17.7%和40.1%；Bu等[6]研究了聚醋酸乙烯乳液對土壤的加固作用，結果表明施用5%濃度的材料養護48h后，土壤內聚力提升 25%以上，同時材料施用也能顯著降低水分蒸發。Zhang等[7]利用聚乙烯醇和碳酸鉀共同作用提升膨脹土抗剪強度，提升效果在多次干濕循環試驗中保持良好。Rashid等[8]使用黃原膠對紅土進行加固，其作用效果隨著材料施用濃度和養護時間的增加而加強。總的來說，隨著材料科技的發展，應用于固土抗蝕的非傳統型固土材料越來越多[9-13]。但是目前應用的材料多是工業合成或其他外源性物質，其生態效益雖經過優選，但仍難以適應耕地這類環境敏感地區的使用需求。且這類材料施用后多需養護，也不便于其在耕地中應用。因此，尋找具有優良生態效益、施用方便的新型固土材料是耕地水土流失防治新材料研究的關鍵。

土壤多糖主要來源于植物殘體、微生物和植物根系分泌物，是土壤有機質的重要組成部分[14]，作為土壤內源性物質，其優良的生態效益完美符合耕地使用的需求。其中多種微生物胞外多糖因其較高的分子量和多樣的活性基團，具有良好的土壤抗蝕性改良效果[15-19]。Zeinab等[16]篩選出一種新的泛菌屬菌株，并將其胞外聚合物中的多糖用于土壤抗蝕性改良，結果表明在施用25%濃度的提取液在最佳含水率下養護28 d后，土樣無側限抗壓強度與對照組相比提升了21%；Cania等[19]研究發現酸桿菌和β-桿菌胞外聚合物中含有的多糖可促進土壤團聚體的形成和土壤結皮的產生。雖然目前用于土壤抗蝕性改良研究的微生物胞外多糖較多，但這類多糖多來源有限，難以大規模生產提取，制約了其大規模應用。因此尋找到來源廣泛，且具有良好固土效果的土壤多糖具有重要的研究意義。

海藻多糖是由酵母菌[20]、麥角菌[21]等土壤微生物合成的胞外多糖，同時其也可以從藻類植物中大量提取，目前已可工業化生產。在前期研究中，本課題組發現其能大幅提升土壤抗蝕性，并以此為基材，研究開發了一種新型多糖高分子土壤抗蝕材料[22]。為進一步驗證其對土壤抗蝕性的提升，并探討其應用于坡耕地土壤流失治理的可能性，本文以作物生長中比較關注的土壤強度和水分循環為對象，分析了該材料施用后土壤抗剪、入滲和抗崩解性的變化，并探討了其固土機理，以期拓寬坡耕地土壤侵蝕防治材料的選擇范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用海藻多糖抗蝕劑是課題組以海藻多糖材料為基材研發的乳白色粉末狀固體[22]。該材料以水為溶劑，可與水以任意比例互溶，其水溶液透明無味具有一定黏度，其1%濃度溶液pH值7～8，密度1.01～1.05 g/cm3。

試驗用土取于湖北省武漢市長江科學院沌口科研基地耕作層表層土壤，屬中國土壤系統分類（2001年）中的紅壤。采用環刀法測定其含水率，吸管法測定其土壤機械組成。試驗紅壤土的基本結構性質見表1。

表1 試驗土壤的基本性質Table 1 Basic characteristics of soil samples

1.2 抗剪強度測試

將土樣在自然狀態下風干、破碎，過2 mm標準篩備用。將海藻多糖抗蝕劑配置成0（對照）、0.25%、0.5%、0.75%、1%共5種不同濃度的溶液，而后將土樣與不同濃度的溶液混合，采用靜力壓實法，按《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）制樣，設計試驗含水率 20%，容重1.25 g/cm3。試樣制備好后分別于養護1 h、1 d、3 d、5 d后進行測試，測試采用DJY-4四聯等應變直剪儀，試驗過程中垂直施加的 4級荷載分別為 50、100、150和200 kPa，應變速率為0.8 mm/min。

1.3 土壤崩解速率測試

以直徑6 cm可拆解的正方體盒子（崩解取樣器）取原狀土，而后以2 L/m2的量在每個面噴灑5種濃度的海藻多糖抗蝕劑溶液，制成試樣，養護1 h后進行測試。采用浮筒崩解儀進行靜水崩解測試，記錄浮筒讀數按下式計算崩解速率，試驗進行30 min，每個濃度做3組平行。

式中B為崩解速率（cm3/min）；S為浮桶底面積（cm2）；Y為各土層的容重（g/cm3）；lo為崩解開始（已放土樣）的浮桶刻度初始值（g/cm2）；lt為崩解t時刻的浮桶刻度值（g/cm2）；t為崩解時間（min）。

1.4 滲透系數測試

將從現場取回的土樣在自然狀態下風干、破碎，過2 mm標準篩備用。而后將土樣與5種不同濃度的海藻多糖抗蝕劑混合，采用靜力壓實法，按《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）制樣，設計試驗含水率 20%，容重1.25 g/cm3。試樣制備好后于養護1 h后進行測試，測試采用TST-55型土壤滲透儀，用變水頭法進行測試。試驗開始時，先將儀器在固定水頭作用下靜置，待出水口有水流出后，關閉止水夾，并將水頭調至初始水頭h1，經過t時間后，記錄終止水頭h2，記錄試驗時與終止時的水溫，每個濃度做3組平行，按下式計算滲透系數：

式中kT為溫度為T時的滲透系數（cm/s）；a為水頭管的截面積（cm2）；L為入滲深度（cm），等于試樣高度；h1、h2為試驗開始和結束時的水頭（cm）；A為試樣的斷面積（cm2）；ti為入滲時間（s）；2.3為ln與lg的換算系數；ηT、η20為溫度換算系數。

1.5 掃描電鏡測試

本試驗用掃描電子顯微鏡觀察海藻多糖抗蝕劑施用對土壤顆粒表面形貌的影響以分析固土機理。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1×102至1×105間連續可調。本次測試所用儀器為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 海藻多糖抗蝕劑施用對土壤抗剪強度的影響

直剪試驗記錄不同荷載下土壤抗剪強度隨海藻多糖抗蝕劑施用濃度的變化，表2給出了養護1 d時，不同條件下土樣抗剪強度測試的一組數據。由表可知，施用抗蝕劑后土壤抗剪強度增加，在同一荷載下，土樣抗剪強度隨施用濃度的增加而不斷提升。

這是因為抗蝕劑施用于土體后可增強土壤顆粒間的連接，提高團聚體穩定性，提升土體強度，其固土的效果和原理見圖1。其中，圖1a給出了其施用后在土壤表層形成固結層的示意圖，圖1b解釋了其作用機理。其加入土壤后，通過滲透擴散到土體內部，并包裹土壤顆粒，隨后通過凝膠固結與自聚交聯在土壤顆粒表面和孔隙形成網狀膜結構，進而加固土體，提升土壤抗蝕性。其凝膠固結自聚交聯的反應機理和示意圖見圖1c，其中Mn+代表土壤中廣泛存在的可與材料產生作用的Ca2+、Mg2+等高價陽離子，其與材料接觸后可與材料中的活性基團反應，通過螯合作用生成蛋殼狀結構，減少材料高分子鏈活動范圍，進而產生不溶于水的凝膠。圖2給出了試驗組土壤顆粒2 000和20 000倍放大倍率下的掃描電鏡測試結果。圖中清晰的展現了施用抗蝕劑后土壤顆粒表面形貌的變化，以驗證反應的發生和凝膠的形成。裂隙細節圖給出了涂層裂隙處原狀土的表面形貌，由圖可以看到原狀土表面展示出黏土礦物表面典型的凹凸不平，比較粗糙的片狀結構；而涂層細節圖給出了抗蝕劑發生作用產生涂層處的表面形貌，由圖可以看到涂層處表面較裂隙處更為平緩、平滑，片狀結構消失，展現出典型的高分子材料表面的平滑結構，表面結構的不同和整體圖中展示的裂隙結構證明了抗蝕劑在土壤顆粒表面反應的發生。此外依據前人研究結果[23-24]，本抗蝕劑中的陰離子等活性基團與土壤中的金屬陽離子反應，固化土壤中的游離陽離子，同時其高分子長C鏈可通過滲透、擴散作用纏繞土體顆粒這些都能一定程度上增加土壤內部的結合力和強度，提升土壤穩定性。

表2 海藻多糖抗蝕劑施用濃度對土壤抗剪強度的影響Table 2 Effects of seaweed polysaccharide based anti-erosion material application concentration on soil shear strength kPa

圖1 海藻多糖抗蝕劑固土作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil reinforcement by seaweed polysaccharide based anti-erosion material

圖2 海藻多糖抗蝕劑固化土壤掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of soil reinforcement by seaweed polysaccharide based anti-erosion material

2.2 海藻多糖抗蝕劑施用對內聚力的影響

內聚力是土壤顆粒間的相互吸引作用力和土壤中化合物的交結作用形成的固結力。不同養護時間和施用濃度下的內聚力數據見圖3。由圖可知，試驗組的內聚力與對照組相比有所提高。在同一養護時間下，土壤內聚力隨施用濃度的增大而增大。以養護1 d為例，0.25%濃度施用量試樣內聚力相比對照組提升了38.75%，隨著施用量的增加試樣內聚力逐漸增加，施用濃度0.5%、0.75%和1%時比對照組提升118.47%、160.53%和216.12%。這主要是由于施用海藻多糖抗蝕劑后，其與土壤中的高價金屬陽離子絡合在土壤表面和孔隙形成的不溶于水的彈性網狀凝膠體具有一定的強度，隨著施用濃度的增加，凝膠厚度和強度也不斷增加；同時隨著其與土壤顆粒表面的金屬陽離子的絡合，原活動性很強的游離陽離子被固化，破壞了土壤毛細管的作用，這也有利于提升土壤內聚力。在同一施用濃度條件下，土壤內聚力隨養護時間延長而增大，這與張麗萍等[25-26]研究發現的施用固土材料后土壤內聚力隨養護時間延長而不斷增加類似。但與他們施用固土材料養護中后期內聚力增幅較大不同，施用本材料養護后，內聚力增幅主要集中在養護初期。以施加濃度為0.75%試驗組為例，其養護1 h后內聚力為18.91 kPa，而后隨著養護時間的延長，于養護1 d后達到21.34 kPa，增幅12.85%；于3和5 d后分別達到21.47和22.18 kPa，與養護1 d時相比僅多增加了0.68%和4.44%。這是因為本材料對土壤抗剪強度的提升主要利用材料自身和土壤中高價金屬陽離子的絡合反應，反應速度較快，能在短時就取得良好效果。而張麗萍等[25]所用的SSA和劉瑾等[26]所用的聚醋酸乙烯酯主要通過高分子材料與土壤顆粒間的靜電引力和氫鍵范德華力加固土體，其作用力較弱，需要較長時間養護以增加其作用效果。

圖3 海藻多糖抗蝕劑施用濃度與養護時間對內聚力的影響Fig.3 Effects of seaweed polysaccharide based anti-erosion material application concentration and curing age on cohesion of soils

2.3 海藻多糖抗蝕劑施用對內摩擦角的影響

土壤內摩擦角由土壤顆粒間發生相對滑動、滾動而產生的摩擦阻力和土體顆粒由于接觸擠壓與其他顆粒鑲嵌結合而產生的咬合力[27]組成，它主要與土壤顆粒強度、顆粒形狀及含水率等有關。施用海藻多糖抗蝕劑后土樣內摩擦角僅有小幅增加，變化幅度遠小于內聚力。圖4給出了不同養護時間和施用濃度下的土壤內摩擦角的變化情況。由圖可知，施用本材料后，內摩擦角僅小幅增加，且與施用濃度變化相關性不大，以養護 1 d為例，0.25%濃度施用下其內聚力相比對照組提升了18.85%，而后隨施用濃度的增加在 0.09%與18.85%間波動。養護時間對內摩擦角影響也較小，養護后內摩擦角僅略有增加，但變化幅度不大，總體在增加 5.42%～7.29%間波動。這是因為試驗條件下本材料雖通過形成凝膠固結體等作用增加了土顆粒之間的作用力，但這種作用力在很大程度上弱于土壤顆粒強度，本材料的添加并未明顯改變土顆粒自身強度這一剪切過程中影響滑動摩阻力的主要因素，故試驗組的內摩擦角與對照組相比變化幅度較小，這與喜銀巧等[28-30]的研究結果類似。

圖4 海藻多糖抗蝕劑施用濃度與養護時間對內摩擦角的影響Fig.4 Effects of seaweed polysaccharide based anti-erosion material application concentration and curing age on internal friction angle of soils

2.4 海藻多糖抗蝕劑施用對崩解速率的影響

土壤崩解速率反映了土壤結構體被雨水分散解體的難易程度。表3給出了不同濃度海藻多糖抗蝕劑施用后原狀土崩解速率和崩解時間的變化情況。由表可知，土壤抗崩解性能隨海藻多糖抗蝕劑的施用大幅提升，施用濃度 0.25%試驗組的崩解速率比對照組減少了66.1%，隨著施用濃度的增加，其不斷降低，于 0.75%施用濃度時達到 0.04 cm3/min，與對照組相比下降92.8%，于1%時達到0，即整個試驗過程中沒有發生崩解。同時隨著施用濃度的增加，試樣的初始崩解時間也不斷增加，未添加材料的對照組入水后立即開始崩解，而施用本材料的試驗組，最快也于 14.5 min后開始崩解。這是因為本材料施用后可在土壤表面和團聚體顆粒表面形成的凝膠保護膜。對照組放入水中后，水隨即滲入土樣內部，削弱土壤顆粒間的相互作用力，土樣立即發生崩解，隨著作用時間的延長，其崩解從外到內逐漸進行。而對于施用本材料的試驗組而言，試驗初期，水透過保護層滲入試驗組土樣內部削弱土壤顆粒間的相互作用力，但保護層具有一定強度可維持土體穩定，隨著浸泡時間的延長，土體內部水土作用加劇，向外的作用力增加，進而導致保護膜破裂，內部土體從裂隙處滲出。隨著施用濃度的增加，保護層強度和厚度增加，進而導致土壤崩解系數降低，初始崩解時間延長。同時與抗剪強度試驗結果類似，本材料施用后僅需短時養護就能取得良好抗崩解性提升，這些都保證了其在野外施用過程中的便捷性。

表3 海藻多糖抗蝕劑施用濃度對土壤崩解的影響Table 3 Effects of seaweed polysaccharide based anti-erosion material application concentration on soil disintegration

2.5 海藻多糖抗蝕劑施用對滲透系數的影響

土壤滲透系數隨施用濃度的變化如圖5所示。由圖可知原狀土滲透系數為2.29×10-5cm/s，為中等透水層。隨著海藻多糖抗蝕劑的施用，在濃度較低（0.25%）時其滲透系數增加，達到2.86×10-5cm/s；而后隨著濃度的增加，其滲透系數不斷降低，在施用濃度 1%時達到0.91×10-5cm/s，減少 52%，仍屬中等透水層。減小幅度遠小于張麗萍等[25,31]研究結果，他們用SSA和聚氨酯固化土壤，土壤透水系數分別降低了 2～3個數量級。這是因為，土壤滲透系數主要受土壤容重、親水性、孔隙比、孔隙分布以及結構等影響。施用濃度較低時本材料的長C鏈和凝膠固結層可將土壤中的細小顆粒纏聚在一起，穩定團聚體，改善了土壤孔隙結構；同時本材料與土壤內部的高價陽離子的反應，也有利于在土壤內部形成小孔隙，加強水在土壤內部的流動性，提升土壤滲透性。隨著施用濃度的增加，反應形成的凝膠涂層厚度不斷增大，侵占土壤孔隙，堵塞水分下滲的通道，進而減少入滲量，造成滲透系數減小。此外，由于水凝膠能大量吸水、保水，吸水體積變大，失水體積變小的特性（由圖2整體圖可以看到完全干燥下表面涂層厚度小于1μm），高濃度施用條件下，隨著土壤含水率的降低，涂層厚度會逐漸減小，土壤孔隙率會逐漸變大，即在土壤含水率高時入滲率較低，土壤含水率低時入滲率較高。

圖5 海藻多糖抗蝕劑施用濃度對土壤滲透系數的影響Fig.5 Effects of seaweed polysaccharide based anti-erosion material application concentration on soil permeability

3 結 論

為拓寬耕地土壤流失治理材料的選擇范圍，尋找環境友好型土壤抗蝕劑，本文以土壤內源性多糖--海藻多糖為基材制得的抗蝕劑為研究對象，研究了其施用后對土壤抗剪、入滲、抗崩解性的影響，試驗結果表明：

1）海藻多糖抗蝕劑可通過土壤孔隙滲透擴散到土體內部，包裹土壤顆粒，并利用自聚交聯在土壤表面和孔隙形成網狀膜結構，增強土壤顆粒間的連接，提升土體強度；

2）海藻多糖抗蝕劑可以在較大程度上提升土壤抗剪強度，對內聚力影響較大，對內摩擦角影響較小。以養護1 d為例，施用抗蝕劑后內聚力最大增幅達216.12%，而內摩擦角最大增幅為18.85%。在相同養護時間下，土壤內聚力隨抗蝕劑施用濃度的增加而不斷增加；在同一施用濃度下，土壤內聚力隨養護時間的增加而增加；

3）土壤抗崩解性隨施用濃度的增加而增加，施用濃度0.25%試驗組的崩解速率比對照組減少66.1%，當施用濃度達到1%時整個試驗過程中沒有發生崩解。

4）土壤滲透系數隨施用濃度提升先增加后減小，在施用濃度0.25%時達到最大2.86×10-5cm/s，于施用濃度1%時達到0.91×10-5cm/s，都屬中等透水層，整體透水性良好，可保障土壤正常水氣交換。

5）海藻多糖抗蝕劑施用簡單，短時養護就能取得良好抗蝕性改良效果，隨養護時間的增加，其作用效果略有增強。