廢舊聚丙烯纖維片材在預防土壤鹽堿化中的應用

魏俊富，王 迪，鄒凱健，張 環，孔志云

（1.天津工業大學 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387；2.天津工業大學 環境科學與工程學院，天津 300387；3.天津工業大學 紡織行業土壤治理用紡織材料實驗室，天津 300387；4.天津工業大學 化學與化工學院，天津 300387；5.天津工業大學 材料科學與工程學院，天津 300387）

鹽堿土地是重要的潛在土地資源，全球范圍內受到鹽漬化危害的土壤面積達到8.31億hm2[1]，且全球鹽堿地面積正以每年1%的速度增加。全球每天約有2 000 hm2土地受到鹽漬土的危害。我國是世界上第四大鹽堿地國家，鹽堿地面積約有3 600萬hm2，占全國土地面積的5%左右[2-3]。

鹽堿土壤形成的實質是土壤中的鹽水向上遷移、水分蒸發后鹽分在地表積聚而形成的危害植物生長的土地退化類型[4]。水利改良是鹽堿地修復的主要方式之一，通過灌溉促使土壤鹽水向深層土壤遷移，能使根生區土壤形成一個良好的脫鹽區[5-6]。國內外學者不斷完善灌溉與排水技術，世界范圍內已經有3.0×108hm2的耕地應用上了灌溉排水技術[7-9]。

土壤中的毛細作用是水鹽運移的主要途徑之一[10]。上下兩層土壤中出現透水性較差的夾層時，會產生土壤毛細屏障，阻斷土壤水鹽的毛細遷移[3，11-16]。在土壤修復工作中，人工毛細屏障得到廣泛的研究，一些學者建議植物種植前在底土中鋪設植物秸稈、塑料板、粗砂、礫石層等作為土壤屏障以減弱水分蒸發，降低水鹽向地表的遷移，減少根生區土壤鹽分的積累[17-19]。

本研究采用室內土柱試驗的方法，利用廢舊聚丙烯纖維片材預防土壤鹽堿化的發生，探究不同聚丙烯纖維片材阻隔層對土壤水鹽運移的影響，對比3種聚丙烯纖維片材鋪設對土壤鹽分分布的影響，旨在尋找出一種預防土壤鹽堿化、保護修復后的鹽堿土壤的有效方法。

1 實驗部分

1.1 材料與方法

實驗用土取自天津市西青區，該區域屬于暖溫帶大陸性季風性氣候，降雨量多集中在6—9月份，春季為返鹽的高峰季節[20]。取樣時間為2018年1月份，采樣深度為5～40 cm，土壤樣品為黃色壤土，平均容重（環刀法）為1.54 g/cm3，表層土壤平均含水率為12.5%。提取土壤溶液上清液（土水比1∶5），用電導率儀測定土壤電導率為0.405 mS/cm。土壤的預處理是將土壤放置于通風干燥室內陰干15 d左右。將干燥后的土壤人工磨碎，除去雜物后過2 mm篩后備用。本實驗采用3種不同二維聚丙烯材料，分別為聚丙烯非織造布（PPN）和2種克重不同的聚丙烯扁平絲材料（H-PPF、LPPF），各種材料物理性質如表1所示。

表1 各種聚丙烯材料的物理性質Tab.1 Physical properties of variouspolypropylene materials

1.2 實驗設計

土柱選用長50 cm、直徑16 cm的硬質PVC塑料管。首先在土柱下層利用100目的尼龍網以及石礫制成反濾層，再將經預處理后的供試土壤攪拌均勻，填充土柱時根據田間土壤實際密度分層填充，控制模擬土柱的土壤密度為1.32g/cm3。圖1為實驗裝置示意圖。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

圖1中，土柱填充20 cm時鋪設4種隔離層，之后再將50 cm土柱填完整。土柱進行4種方式處理，未進行任何鋪設作為對照（C0）、鋪設聚丙烯非織造布（PPN）、鋪設較厚聚丙烯編織袋（H-PPF）、鋪設較薄聚丙烯編織袋（L-PPF），編織袋材料如圖2所示。土柱填充完畢后置于高濃度鹽水中進行浸泡，模擬地下水自運輸狀態。

圖2 聚丙烯材料Fig.2 Polypropylene material

1.3 測試方法

土壤含鹽量地的測定∶以土壤浸出液（水土比為5∶1）表示土壤的含鹽量。取經過風干后的樣品，粉碎過篩后用超純水制備水土比為5∶1土壤浸提液，用梅特勒電導率儀FE30測定土壤電導率。測試頻率為7、21、42、63、260、360、460、560 d。為避免實驗誤差，每個處理樣品重復3次。

土壤水分的測定：采用差重法測量土壤含水量，取土壤樣品置于鋁盒中置于105℃鼓風烘箱中，加熱至恒重，測量土壤的含水量。另取一批土壤裝置，采用探頭式土壤水分儀測定土壤的含水量，以便于土柱水分變化的長期觀測。

2 結果與討論

2.1 聚丙烯材料鋪設對土壤含鹽量的影響

土壤的總含鹽量是量化土壤鹽堿化的指標之一，土壤提取液（水土比為5∶1）的電導率與土壤鹽堿存在良好的線性關系。本研究所用土壤提取液電導率的背景值為0.405 mS/cm，以聚丙烯材料為填充材料。圖3所示為不同填充材料下土壤提取液的電導率變化。

圖3 不同填充材料下土壤提取液的電導率變化Fig.3 Change of conductivity of soil extract with different filling materials

由圖3（b）可知，4種不同的處理措施中土柱下層土壤的電導率變化的趨勢相同，隨著浸泡時間的增加逐漸增加至平衡狀態，當浸泡天數為42 d時，下層土壤含鹽量達到平衡狀態時土壤提取液電導率為4.25 mS/cm左右。浸泡天數超過42 d后，土壤的含鹽量變化較小。由圖可知，聚丙烯材料的鋪設不影響下層土壤毛細孔徑中的水鹽運移。

從圖3（a）可知，以聚丙烯非織造布為阻隔材料時，土柱上層土壤電導率的值無明顯變化穩定在背景值左右，但是電導率值有微量增加，可能是由于大氣中粉塵中所攜帶的易容性鹽離子，在土柱表層沉積所導致。以厚度不同的2種聚丙烯編織袋為阻隔材料時，在土柱浸泡前7 d的時間內，對于土壤水鹽的運移有一定的影響，上層土柱電導率上升至0.51 mS/cm，對照組上層土壤電導率上升至0.82 mS/cm。7 d之后聚丙烯扁平絲編織材料阻隔效果逐漸消失在42 d時與對照組上層土壤電導率相似達到8.7 mS/cm左右，聚丙烯編織袋的阻隔效果消失。聚丙烯編織袋的孔徑在185.6μm以上，在7 d后隨著上下層土壤毛細孔徑逐漸形成，在土柱內上下層土柱間形成了連續的水鹽運移機制。實驗結果表明聚丙烯非織造布對土壤運移有阻隔作用且在2 a時間內效果穩定，孔徑較大的聚丙烯編織袋難以有效阻隔土壤水鹽運移。

2.2 聚丙烯材料的鋪設對土壤中水分分布的影響

2.2 .1 聚丙烯材料鋪設對土壤含水量的影響

在鹽堿地的修復歷史中，科研工作者總結出“鹽隨水來，鹽隨水去”的運移規律，土壤水分的變化規律是土壤鹽分變化的決定性因素。實驗中土柱填充的土壤含水質量分數為5%左右。不同填充材料下的土壤含水量如圖4所示。

圖4 不同填充材料下的土壤含水量Fig.4 Water content of soil with different filling materials

由圖4可知，聚丙烯非織造材料作為阻隔材料的土柱上下層土壤水含量差別較大，上層土壤含水量維持在7%左右，含水量略有增加可能是土柱內水蒸氣的流動導致；土柱下層的土壤含水量在浸泡的42 d內逐漸增加至穩定值含水量約為35%左右。聚丙烯編織的土柱的上下層土壤含水質量分數和對照組上下層土壤含水量增速類似，土柱上下層土壤含水量逐漸增加至以平衡值后穩定，上層土壤含水量較下層土壤含水量較高，主要原因是土壤田間持水量與土壤的孔隙率相關，下層土壤受到擠壓，降低了土壤持水量。

由圖3、圖4可知，土壤水分的變化與土壤鹽分增加規律相似，與科研工作者所總結的規律相同。聚丙烯扁平絲材料作為阻隔土壤的材料，由于孔徑較大導致水分向上轉移，從而難以有效預防土壤鹽堿化。

2.2 .2 聚丙烯非織造布鋪設對土壤含水量的長期影響

由圖4可知聚丙烯非織造布由于其自身的孔徑較小和疏水性，能夠阻斷土壤水分的運輸，對比圖3可知土壤水分和鹽分的累計具有相似的規律。為了探究聚丙烯非織造布在土壤應用過程中的長期性能，本研究將土柱浸泡時間延伸至560 d，其土壤水分運移規律如圖5所示。

圖5 聚丙烯非織造布處理土柱不同部位間土壤含水量的對比Fig.5 Comparison of water content of soil at different parts of soil column treated by polypropylenenonwovens

由圖5可知，聚丙烯非織造布作為土壤阻隔材料的土柱在浸泡周期內，上下兩層持水能力相差較大，能較好地預防土柱上層土壤鹽堿化。對照組與實驗組下層土壤的含水量變化規律相似，在穩定的區間內上下浮動，2組下層土壤含水質量分數維持在42%左右。實驗組與對照組上層土壤的含水量相差較大，實驗組上層土壤含水質量分數穩定在15%以下，對照組土壤含水質量分數則在42%左右，土壤含水量上下浮動較大，其原因主要是受氣候因素的影響。

2.3 聚丙烯材料鋪設對土壤生產力的影響

在560 d的土柱浸泡處理后，對上層土壤灌溉補水至田間持水量后，種植農作物（以小麥為例）。種植結果如下：對照組土壤小麥出芽率為0，原土小麥出芽率為90%，實驗組上層土壤小麥生長狀況良好，小麥出芽率為85%，且與原土植物生長周期相似，株高類似。實驗結果表明，聚丙烯材料的鋪設對土壤生產力的影響較小。

3 結論

（1）聚丙烯非織造布能夠形成土壤毛細屏障阻隔土壤水鹽通過土壤毛細運輸。試驗周期內，鋪設聚丙烯非織造布土柱上層土壤電導率為0.61 mS/cm，與對照組表層土壤電導率31.8 mS/cm相比，能有效預防土壤鹽堿化，對修復后土壤的理化性質具有保護作用，而且能夠長期使用。

（2）聚丙烯非織造布能夠形成土壤毛細屏障阻隔土壤水鹽通過毛細運輸，能有效預防土壤鹽堿化，對修復后土壤的理化性質具有保護作用，而且能夠長期使用。

（3）聚丙烯材料在土壤中形成土壤毛細屏障，與其自身的理化性質有關，起主導作用的是材料的疏水性和材料的針織密度，同一材料的聚丙烯無紡布由于材料的孔徑較大，難以形成土壤毛細屏障，不能有效預防土壤鹽堿化。

（4）長期鋪設聚丙烯非織造布的土柱內土壤的生產力沒有顯著的變化，實驗組上層土壤的植物生長狀況與原土的的植物生長狀況類似。