聚丙烯酰胺添加濃度對種基盤特性的影響

趙佳愉，伍紅燕，史蔚林，宋桂龍

(北京林業(yè)大學草業(yè)與草原學院，北京 100083)

公路邊坡植被恢復目前以噴播技術為主，但高陡巖石邊坡，不具有植物生長所必需的土壤條件，無有機質、N、P等營養(yǎng)元素，同時水分補給困難，這種惡劣的立地條件對植物群落的建植要求更嚴格，苗木補栽成為了一種高效補充方式[1]。為了提高種子發(fā)芽率，苗木成活率以及初期生長量，楊喜田[2]提出了局部改善植物生長環(huán)境的綠化技術，即種基盤綠化技術(seed-base technology)，該技術是邊坡苗木栽植的常用方法，主要用于解決盤根、移栽后適宜性差，根系擴展受阻等問題。經研究證明，從種基盤中播種并生長起來的樹木，根系粗、長，垂直根發(fā)達，能像天然林的根系一樣向土壤的廣處和深處伸展，通過該技術進行植被恢復，能迅速形成結構復雜、抗逆性強的植物群落[3-4]。但在公路邊坡修復過程中種基盤的運輸、育苗、移栽均要求其具有一定的強度，如果強度不夠，在育苗中容易出現(xiàn)變形、坍塌，運輸、移栽時易破碎；如果種基盤強度過大，育苗中不易吸水，影響種子發(fā)芽，移栽后種基盤在土壤中堅實不碎，對植物生長不利。種基盤在運輸、育苗、移栽過程中對其含水率也有一定的要求，如果含水率過高，種基盤強度降低，造成基盤不穩(wěn)定;如果含水率過低，苗木的正常生長將會受到影響。

聚丙烯酰胺(PAM)是由丙烯酰胺單體聚合而成的一種水溶性高分子有機類土壤調理劑[5]，作為國內外巖質邊坡生態(tài)護坡基材中粘結劑材料，目前應用最廣泛的領域是防止水土流失以及改良土壤質量[6]，它能吸附土壤表面的顆粒，主要起類似黏結物質的作用，從而減少降水造成的侵蝕，因此可構成抗沖刷、防滲漏的載體[7-9]。且這種粘合效果可以維持幾個月甚至一年左右，給種子和植物充裕的時間去發(fā)芽、生長、發(fā)育，使其根系能夠固結土層。在粘合作用失效前，人工坡面恢復植被也已經初具規(guī)模，能夠在一定范圍內單獨抵御雨水沖刷、地表徑流等造成的水土流失、土壤滑落問題。PAM能夠促進土壤團粒結構的形成，土壤中施用一定量的聚丙烯酰胺，能夠使大于0.25 mm的團聚體總量提升30.2%以上[10]，土壤團聚體含量隨著PAM濃度的增加呈現(xiàn)上升趨勢[11]，但與PAM用量并非單純的線性關系，研究表明當土壤中PAM的含量為0.05‰～0.1‰時，土壤團聚體具有明顯增加趨勢；當土壤中PAM含量大于1‰時，團聚體含量占干土壤質量百分數增加緩慢[12]。

種基盤綠化技術在日本已有較多的研究和實踐，主要應用于工程綠化相關領域，包括公路邊坡、高陡山坡、采石地以及人工林近自然改造等[13]，我國的種基盤研究主要集中在對苗木根系生長[14-16]和保水性[17]能及在鹽堿地[18]的應用研究，但對于種基盤基材配比及優(yōu)化改良研究比較少。楊喜田等[19]研究了土壤活性改良劑SAC及土壤侵蝕防腐劑SEI對種基盤水分特性和對植物生長的影響,趙佳愉等[20]進一步研究了硅酸鹽水泥添加濃度對種基盤抗壓特性的影響。

本研究選取聚丙烯酰胺作為粘結材料，植物材料選用護坡性能較好的紫穗槐[21](Amorphafruticosa)，并將未添加粘結材料設置為空白對照，將不同比例聚丙烯酰胺粘結劑分別加入到種基盤基質中，研究不同配比聚丙烯酰胺粘結劑對種基盤的抗壓強度、保水性及播種后植物根系擴展情況等特性的影響，分析不同配方的應用效果，以期得到添加聚丙烯酰胺粘結劑的適宜用量，旨在為邊坡種基盤綠化提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

種基盤基質材料主要包括土壤、草炭、復合肥、保水劑和粘結劑(PAM)。先將土壤和草炭按1∶1(V/V)混合，再加入保水劑、復合肥，其中保水劑占干土重的0.2‰(W/W)，復合肥(N-P2O5-K2O的養(yǎng)分比例為15-15-15)占干土重的1‰，攪拌均勻后，基質混合物制備完成。

試驗選用的土壤土質為壤土，自然風干，過5 mm土篩，其理化性質見表1。

表1 土壤理化性質

1.2 試驗設計

采用單因素試驗設計，將不同濃度(0.2‰、0.4‰、0.6‰、0.8‰和1‰)的聚丙烯酰胺分別加入到基質混合物中(W/W)，每種處理3個重復，不添加聚丙烯酰胺為對照(CK)。將粘結劑與基質混合物混合均勻后用種基盤成型器壓制成型。

采用馮志培[22]的方法用自制模具制作種基盤，種基盤規(guī)格為D=10 cm、H=10 cm的圓柱形，中間有一個孔徑為4 cm的貫通孔，孔四周有4個2 cm的通氣槽(圖1)。先將土、草炭等粉碎成細末，同時清除堅硬雜物，再按照配方添加各種所需試驗材料，然后充分攪勻各種材料。

圖1 種基盤示意圖Fig.1 Schematic diagram of seed-base

供試植物為紫穗槐，播種前70℃熱水浸種。播種時先在種基盤中央孔處加入約占其總體積2/3的壤土，然后加入一定量的水，使土下沉積實，然后再加入覆蓋土，覆蓋土可用壤土加入一定比例的草炭混勻，加至離基盤頂部約有1 cm，播種后用覆蓋土把種子蓋上，輕輕壓實，澆水。出苗后的種基盤如圖2所示，每個穴只留苗1株，注意苗期水分保持和雜草防除。

圖2 出苗后的種基盤Fig.2 Seed-base after seed germination

待苗生長至3個月，植物根系具有一定強度后，進行數據測定。

1.3 指標與方法

1.3.1 抗壓強度 采用微機控制電子萬能試驗機(山東耐測智能設備有限公司生產)。種基盤壓制成型后，中心孔內覆土、澆水、壓實，在種基盤含水率分別為15%、20%、25%的條件下測定其抗壓強度(kN)，記錄峰值，即所能承受的最大強度，試驗重復3次。

1.3.3 根系擴展特性 采用根系掃描的方法。待幼苗長至3個月后，使用鑷子和毛刷將根系挖出，每個濃度各取一株，盡量保證根系的完整構型，記錄根系的分布情況，帶回實驗室，清水沖洗干凈后用根系掃描儀(Epson Twain Pro)進行掃描。

1.4 數據分析

原始數據采用Excel 2019整理，SPSS 26.0軟件進行分析。顯著性水平設定為α=0.05，對數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，并利用最小顯著差異法(LSD)檢驗不同數據組間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度

3種含水量條件下，隨著聚丙烯酰胺濃度增加，種基盤抗壓強度均呈現(xiàn)中間高兩邊低的特征，0.4‰、0.6‰添加濃度時基盤抗壓強度顯著高于對照(P≤0.05，下同)，其余3個濃度低于對照，其中0.2‰抗壓強度最低(圖3)。

圖3 不同聚丙烯酰胺添加濃度下種基盤抗壓強度特征Fig.3 Compressive strength of seed-base in response to different concentrations of polyacrylamide

對比3個不同含水量系列，基盤抗壓強度為15%>20%>25%。其中在含水量為20%，25%時，0.8‰、1‰添加濃度基盤抗壓強度與對照無顯著差異，0.2‰添加濃度基盤抗壓強度顯著低于對照。在含水量為15%時，0.8‰添加濃度基盤抗壓強度與對照無顯著差異，0.2‰添加濃度基盤抗壓強度顯著低于其他處理，但與1‰時無顯著差異。

2.2 保水性

不同聚丙烯酰胺用量對飽和含水量、累計蒸發(fā)量和蒸發(fā)失水比均產生影響(圖4)。0.6‰、0.8‰聚丙烯酰胺用量處理下基盤飽和含水量顯著高于對照(P≤0.05)，1‰聚丙烯酰胺用量處理與對照無顯著差異。0.2‰、0.4‰聚丙烯酰胺用量處理下基盤飽和含水量顯著低于對照，0.2‰聚丙烯酰胺用量與0.4‰無顯著差異。

圖4 不同聚丙烯酰胺添加濃度下種基盤累計蒸發(fā)量、飽和含水量和蒸發(fā)失水比Fig.4 The cumulative evaporation,saturated water content and evaporation water loss ratio of seed-base in response to different polyacrylamide concentrations

0.6‰、0.8‰、1‰聚丙烯酰胺用量處理下基盤累計蒸發(fā)量顯著高于對照、0.2‰和0.4‰，其中對照、0.2‰和0.4‰之間無顯著差異，但0.4‰聚丙烯酰胺用量處理下基盤累計蒸發(fā)量最低，蒸發(fā)量為102.1 g。

對于基盤的蒸發(fā)失水比，聚丙烯酰胺粘結劑各處理均顯著高于對照，其中1‰時最高，0.4‰聚丙烯酰胺用量顯著低于1‰，但與0.2‰、0.6‰和0.8‰聚丙烯酰胺用量差異均不顯著。

2.3 根系擴展特性

不同聚丙烯酰胺用量對種基盤根系長度、孔內根系長度與孔外根系長度比均產生顯著影響(圖5)。0.2‰與0.4‰聚丙烯酰胺用量處理下基盤根系總長度顯著高于對照(P≤0.05，下同)，1‰顯著低于對照、0.6‰和0.8‰，0.6‰和0.8‰添加濃度與對照相比無顯著差異。

圖5 不同聚丙烯酰胺添加濃度下種基盤根系長度及孔內外長度比例Fig.5 Total root length,root length inside and outside the pores of seed-base,and the ratio of root length inside and outside of seed-base in response to different concentrations of polyacrylamide

0.2‰、0.4‰、0.6‰以及0.8‰聚丙烯酰胺用量處理下基盤孔外根系長度顯著高于對照，1‰聚丙烯酰胺用量孔外根系長度顯著低于對照，其中0.2‰與0.4‰聚丙烯酰胺用量顯著高于0.6‰和0.8‰，而0.2‰與0.4‰聚丙烯酰胺用量之間無顯著差異。

0.4‰聚丙烯酰胺用量處理下基盤孔內根系長度顯著高于對照與其他處理，但與0.2‰之間無顯著差異，0.2‰和1‰與對照之間無顯著差異，0.6‰和0.8‰顯著低于對照，0.6‰與0.8‰之間無顯著差異。

對于不同處理下基盤孔內根系長度與孔外根系長度比值，0.2‰、0.6‰以及0.8‰處理均顯著高于對照，其中0.6‰處理最高，其比值為2.52。0.4‰和1‰處理與對照均無顯著差異，但0.4‰處理顯著高于1‰。

3 討論

聚丙烯酰胺(PAM)是一種高分子聚合物，接觸水后發(fā)生反應，易形成氫鍵，由顆粒狀變成多枝纖維狀，具有很強的絮凝性和粘著性，將土壤顆粒包裹形成更大的團聚體結構[1]。添加適宜濃度的聚丙烯酰胺不僅提高種基盤的力學強度，保障其在運輸、育苗、移栽過程中的穩(wěn)定性，同時，還利于提高基盤的保水性，促進植物根系特別是主根的生長，這也反過來進一步加強了種基盤的穩(wěn)定性。

抗壓強度是反應土體穩(wěn)定性的重要指標，適宜的粘結劑可以增強土壤顆粒之間的團聚性，從而增強種基盤的整體穩(wěn)定性，但該影響與基盤含水量成反比。本研究得出：種基盤含水量在15%的情況下，聚丙烯酰胺用量為0.4‰和0.6‰時，基盤強度為0.72 kN和0.82 kN，顯著高于其他水平(P≤0.05)，有利于種基盤的穩(wěn)定。

本研究發(fā)現(xiàn)，適量的聚丙烯酰胺具有提高種基盤強度的作用，但該影響與基盤含水量成反比，這與硅酸鹽水泥在種基盤中的添加研究結果一致[20]。飽和含水量反映出基質混合物對水分的容量大小[23]。聚丙烯酰胺用量為0.6‰、0.8‰、1‰時基盤的飽和含水量較高，表明種基盤吸水效果較好，主要原因是聚丙烯酰胺的添加改善了基盤內部土壤結構[24]，增加了土壤入滲[25]，從而改變了種基盤的吸水特性。不同聚丙烯酰胺用量下基質配方的蒸發(fā)失水比均高于對照，主要原因是：(1)雖然PAM具有一定的保水作用，可以提高基盤的飽和含水量，但由于該指標測定時間過長，PAM中保存的水分大部分返還給土壤，最后被蒸發(fā)到空氣中，導致大的累計蒸發(fā)量，最終導致兩者的比值(蒸發(fā)失水比R)高于對照；(2)PAM改善土壤，促進植物生長，導致作物蒸發(fā)量的增大[26]。特別是在用量為1‰時，基質蒸發(fā)失水比最高，這與楊永輝等[27]對黃土高原主要土壤的保水作用，可以有效減少水分蒸發(fā)的研究結果相反。

植物根系具有固持土壤、防止坡面土體下滑的作用[28-29]，將基盤移栽到公路邊坡后基盤中根系需要擴展，才有利于植物生長。本研究發(fā)現(xiàn)各處理下基盤孔外的根系長度均高于孔內根系長度，其中植物根系生長在0.2‰、0.4‰、0.6‰時根系長度以及根系擴展性均優(yōu)于對照，說明根系擴展性好，因此添加適量聚丙烯酰胺有利于基盤移栽到公路邊坡后植物根系的生長。

同時，PAM作為一種高分子聚合物土壤改良劑，也具有一定的負面影響。PAM的殘留單體——丙烯酰胺對人體的神經具有毒害作用，但使用在土壤中溫度升高會降解，降解產物為CO2，無毒無害[30]。此外，PAM還具有很強的截留作用，遷徙深度一般不會超過15 cm[31]。PAM在實際的應用過程中也因土壤質地及其立地條件的不同，合理調整使用比例，PAM用量過低發(fā)揮不了很好的作用，用量過高又會導致土壤板結，對植物根系生長不利。

4 結論

1)種基盤含水量在15%的情況下，添加聚丙烯酰胺用量為0.4‰、0.6‰時，其基盤強度均高于對照及其他水平，有利于基盤穩(wěn)定。

2)不同聚丙烯酰胺用量下基質配方的蒸發(fā)失水比均高于對照，因此添加0.2‰～1‰聚丙烯酰胺對抑制基盤蒸發(fā)效果不明顯。

3)聚丙烯酰胺在不同水平下，中心孔外的根系長度均高于孔內根系長度，其中植物根系生長在0.2‰、0.4‰、0.6‰時根系長度以及根系擴展性均優(yōu)于對照。

綜上所述，當聚丙烯酰胺系列種基盤含水量在15%左右時，聚丙烯酰胺添加濃度為0.6‰時，基盤強度、根系擴展性能及吸水性能較好，最適宜于基盤的運輸和移栽。