水溶性固沙劑對沙地土壤蒸發的影響

摘要：為探究不同水溶性固沙劑對土壤水分蒸發的影響，選取沙蒿膠、亞麻籽膠、刺槐豆膠、生物基磺酸鹽4種水溶性固沙劑，每種材料設計10、20、30、40、50 g·m?2 5種用量，以未添加固沙劑為對照（CK），通過室內模擬蒸發試驗，測定不同種類、不同添加量固沙劑蒸發強度，分析其差異。結果表明，4種固沙劑保水作用依次為刺槐豆膠、亞麻籽膠、沙蒿膠、生物基磺酸鹽，并且刺槐豆膠顯著優于生物基磺酸鹽；4種固沙劑添加量為40和50 g·m?2時保水作用均顯著高于CK（Plt;0.05）；4種固沙劑對5—10 cm土層土壤均有較強保水效果。綜上可知，水溶性固沙劑具有良好的保水作用，其中刺槐豆膠表現最優。研究結果可為水溶性固沙劑的應用提供理論依據。

關鍵詞：固沙劑；沙土；蒸發；含水量doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0200

中圖分類號：S157.2 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）12013807

當前，人類頻繁活動導致生態環境破壞，沙漠化面積不斷擴大，這已成為影響人類社會發展的重要環境問題。中國作為世界上沙漠化嚴重的國家之一，截至2019 年底，全國荒漠化土地面積257.37 萬km2，沙化土地面積168.78 萬km2，近年來，我國日漸重視沙漠化防治，其根本在于植被恢復，關鍵因素是水分[1-3]。

國內外關于荒漠化防治已有很多研究，常用的方法有工程固沙、生物固沙、化學固沙。工程固沙主要通過機械手段建立沙障阻滯風沙前移，成本較低，但防護高度有限，易被流沙掩埋[4]；傳統生物固沙主要通過栽種抗旱抗鹽堿植物固沙，防護年限長，是最根本的固沙方法，但苗木成活率低，成本較高，約為工程固沙的3～5倍[5-10]。化學固沙技術是通過在沙粒表面噴灑固沙劑形成固結層，常見固沙劑有無機膠凝材料、有機膠凝材料、有機-無機復合材料[5]。施用固沙劑是提高土壤抗風蝕能力的有效途徑之一，新型生物基固沙的最終目標逐漸改良風沙土特征并提高自我修復能力，和傳統生物固沙技術相比，對材料有著更高的要求標準，在使用固沙材料后既要保持沙粒的通透性，又要具備保水性，還要讓植物能順利生長，逐漸改善生態環境，最終形成自然生物圈。土壤水分蒸發是土壤水分循環的重要組成部分，也是土壤干旱的的重要原因，因此，有效抑制土壤水分蒸發是沙化土地治理的重要舉措。馮恩科[11]對生物膠-黃土復合材料進行研究發現，經過固沙劑處理的沙樣具有較強保水性能。韓洪峰[12]對生物膠-聚丙烯酸復合材料進行研究也發現，其具備較高吸水性和保水性。本研究選取3 種水溶性植物基籽膠沙蒿膠、亞麻籽膠和刺槐豆膠，1 種生物基磺酸鹽作為研究對象，在室內開展保水試驗，測定施用不同用量水溶性固沙劑后土壤水分蒸發差異，探究水溶性固沙材料的保水性能，明確其固沙效果，以期為沙化土地防治新技術新方法提供思路與理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

蒸發試驗在內蒙古自治區林業科學研究院實驗室進行，位于內蒙古呼和浩特市，坐標40°80′N、111°70′E，海拔1 056 m。圖1為蒸發試驗持續25 d的溫度和濕度變化情況，25 d溫度變化范圍在23～26 ℃，較為穩定，濕度變化范圍在10%～21%，溫度和濕度對蒸發影響較小。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 選取沙蒿膠（S）、亞麻籽膠（Y）、刺槐豆膠（C）和生物基磺酸鹽（G）共4種水溶性固沙劑，每種固沙劑設計10、20、30、40、50 g·m?25種用量，添加沙蒿膠10 g·m?2記作S10，添加沙蒿膠20 g·m?2記作S20，依此類推，添加生物基磺酸鹽50 g·m?2記作G50，共計20種處理。

土柱制作：從流動沙丘表面0—20 cm處取風沙土，充分風干并過2 mm篩去除雜質，將篩好的沙土填裝土柱，土柱為內徑11 cm，高15 cm 的PVC管，下底蓋為墊好濾紙的網蓋。灌裝時保證每根土柱內高度相同，設定為10 cm。灌裝完畢后，放置實驗室待測。將不同添加量的固沙劑分別混于定量沙土中，攪拌均勻，撒于灌裝好的土柱土壤表層，厚度為3 mm，以未摻固沙劑的土柱為對照（CK）。每根土柱表面均勻噴灑相同量的水，直至風干至恒重，使其表面形成硬殼。每種處理設置3次重復。

1.2.2 蒸發試驗 把灌裝完畢的土柱使用精度0.01 g電子天平分別稱重并記錄數據，然后將土柱沉浸在深度為15 cm的水盆內，吸水24 h后放置在帶孔置物架進行控水，每日同一時間分別稱量每個土柱的質量，進行數據記錄，直至其質量基本保持不變，此時蒸發試驗完成。蒸發試驗結束后，取0—2、2—5、5—10 cm土層，測定含水量，計算公式如下。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 進行數據整理，采用SAS 9.1軟件進行單因素方差分析（ANOVA），采用Origin 2017進行制圖。

2 結果與分析

2.1 水溶性固沙劑處理下蒸發量變化特征分析

2.1.1 不同水溶性固沙劑處理日蒸發量變化特征 由圖2可知，不同水溶性固沙劑處理的日蒸發量整體上呈現下降趨勢，可劃分為3個階段，第1階段日蒸發量高且相對穩定，第2階段日蒸發量急劇下降，第3階段日蒸發量小且趨于穩定。在1～13 d，日蒸發量由大到小均表現為CKgt;Sgt;Ggt;Ygt;C；在14～25 d，日蒸發量由大到小均表現為Cgt;Ygt;Ggt;Sgt;CK，與1～13 d正好相反。由以上可知，刺槐豆膠（C）具有較好的蒸發抑制作用。

2.1.2 不同添加量的水溶性固沙劑對日蒸發量的影響 經過25 d的蒸發試驗，施用不同添加量S、Y、C、G的日蒸發量隨蒸發時間變化規律見圖3，日蒸發量整體呈現下降趨勢，最后逐漸趨于平緩；日蒸發量整體呈現2種方式，前期蒸發量較大時，較早出現下降拐點并逐漸趨于平緩，前期蒸發量次之時，較晚出現下降拐點并逐漸趨于平緩。

沙蒿膠（S）各添加量處理的日蒸發量變化無明顯規律，在1～13 d時日蒸發量整體偏高，大于1.5 kg·m?2；在14～17 d時日蒸發量有明顯下降趨勢；從第18天到蒸發試驗結束，日蒸發量基本趨于穩定，小于0.5 kg·m?2，維持較小蒸發量。

亞麻籽膠（Y）各添加量處理在1～3 d 時，CK日蒸發量高于其他處理，各添加量之間無明顯變化規律；在4～13 d時，CK、Y10、Y20、Y30處理下日蒸發量大于Y40 和Y50 處理；在14～25 d 時，Y40和Y50處理下日蒸發量大于CK、Y10、Y20、Y30處理。CK、Y10、Y20、Y30處理在1～13 d日蒸發量整體偏高，均大于1.5 kg·m?2，之后蒸發量逐漸減小，到18 d時日蒸發量小于0.5 kg·m?2并維持較小蒸發量直到試驗結束；Y40和Y50處理在1～16 d時日蒸發量高于1.5 kg·m?2，之后蒸發量逐漸減小，到20 d時日蒸發量小于0.5 kg·m?2并維持較小蒸發量直到試驗結束。以上結果表明，Y40和Y50處理的保水性優于其他處理。

刺槐豆膠（C）各添加量處理在1～12 d時，CK日蒸發量基本高于其他添加量處理；在蒸發2～13d 時，日蒸發量由大到小依次為C10、C20、C30、C40、C50，之后C10、C20、C30、C40處理日蒸發量依次逐漸降低；在16～25 d時，Y40和Y50處理下日蒸發量大于其他處理。在1～13 d時CK、1～14 d時C10、1～16 d時C20和C30、1～18 d時C40和C50處理下的日蒸發量均高于1.5 kg·m?2，之后蒸發量逐漸減小，到17 d時CK、18 d時C10、20天時C20和C30、23 d時C40和C50添加量處理的日蒸發量均小于0.5 kg·m?2并維持較小蒸發量直到試驗結束。不同添加量刺槐豆膠作用下，日蒸發量具有一定梯度性，整體保水性表現為C50 最佳，CK最弱。

生物基磺酸鹽（G）各添加量處理在蒸發1～13 d時CK、G10、G20、G30和蒸發1～14 d時G40、G50處理下日蒸發量均高于1.5 kg·m?2，之后蒸發量逐漸減?。?4～16 d時日蒸發量均迅速降低，到17 d時各添加量處理下日蒸發量均小于0.5 kg·m?2并維持較小蒸發量直到試驗結束。綜上可知，刺槐豆膠保水作用優于亞麻籽膠、沙蒿膠、生物基磺酸鹽。

2.1.3 不同添加量水溶性固沙劑對累積蒸發量的影響 由圖4可知，累積蒸發量總體呈現先快后慢然后逐漸趨于平緩的增加趨勢，蒸發25 d時，沙蒿膠（S）、生物基硫酸鹽（G）、亞麻籽膠（Y）、刺槐豆膠（C）各添加量處理的累積蒸發量分別在34.48～36.76、33.99～35.85、33.88～35.61、34.00～35.73 kg·m?2。沙蒿膠（S）不同添加量處理下累積蒸發量動態變化無明顯差異；1～13 d時，在不同刺槐豆（C）膠添加量下，累積蒸發量逐漸呈現較大差異；生物基磺酸鹽（G）。亞麻籽膠（Y）累積蒸發量逐漸呈現較小差異性。刺槐豆膠（C）隨添加量增加累積蒸發量逐漸減小，C50較CK有較大差異，說明高添加量具有蒸發抑制作用。

2.2 水溶性固沙劑土壤剩余含水量變化特征分析

2.2.1 不同水溶性固沙劑土壤剩余含水量變化特征 由圖5可知，蒸發試驗結束后，4種固沙劑土壤含水量均高于CK， 其中添加刺槐豆膠（C）的土壤含水量為0.46%，顯著高于CK和生物基磺酸鹽（G）處理（Plt;0.05），說明刺槐豆膠保水性最強。

2.2.2 不同添加量水溶性固沙劑對土壤含水量的影響 由圖6可知，添加沙蒿膠（S）的土壤含水量隨添加量增加而增加，S40和S50處理含水量顯著高于CK和S10處理（Plt;0.05）；添加亞麻籽膠（Y）、刺槐豆膠（C）、生物基磺酸鹽（G）處理的土壤含水量均表現為添加量為40 和50 g·m?2時顯著高于其他處理（Plt;0.05），且添加量為50 g·m?2的土壤含水量大于40 g·m?2，但二者之間無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.2.3 不同水溶性固沙劑剩余土壤含水量的垂直分布 由圖7可知，不同固沙劑處理下不同土層均表現為隨土層深度增加含水量增加，CK各土層含水量之間無顯著差異；沙蒿膠（S）、亞麻籽膠（Y）、刺槐豆膠（C）、生物基磺酸鹽（G）處理5—10 cm土層含水量均顯著高于0—2和2—5 cm（Plt;0.05），且0—2 和2—5 cm 土層含水量無顯著差異；不同固沙劑之間0—2 cm土層含水量無顯著差異，2—5和5—10 cm土層刺槐豆膠（C）處理的土壤含水量顯著高于CK和生物基磺酸鹽（G）處理（Plt;0.05），CK、S、Y、G處理之間無顯著差異。

3 討論

水溶性固沙劑綠色環保，處理和施工過程簡便，能在沙面形成一層固結層外殼，可以有效抑制土壤吹蝕，防風固沙，具有一定的保水作用，利于植物生長。刺槐豆膠為白色或微黃色粉末，是以半乳糖和甘露糖殘基為結構單元的多糖化合物，常在食品行業用作增稠劑、持水劑、黏合劑及膠凝劑等。沙蒿膠不僅具有較好的吸水性和保水性[13]，而且進入土壤后能夠作為一種碳源，直接或間接被植物幼苗所利用，促進種子在干旱半干旱地區萌發及幼苗生長[1415]。亞麻籽膠吸水性較強，水溶性狀態具有較高的粘度，是一種陰離子雜多糖，常用于食品行業，在固沙方面鮮有報道[16]。根據施用刺槐豆膠、沙蒿膠、亞麻籽膠、生物基磺酸鹽4種不同固沙劑，對比研究4種固沙劑在保水作用上的性能。通過蒸發試驗可知，4種固沙劑均較CK具有一定保水作用，固沙劑與沙粒充分混合混勻后，在水分作用下，固沙劑填充到沙粒孔隙中，產生黏結力，使沙粒相互膠結，形成固結層，添加量越大，固結層越抗壓強度越大，日蒸發量越小，保水能力越強[17]。在4種水溶性固沙劑中，保水作用依次為刺槐豆膠gt;亞麻籽膠gt;沙蒿膠gt;生物基磺酸鹽。刺槐豆膠表現最佳，日蒸發量最小，保水時間較長，可能原因為刺槐豆膠較其他3種膠具有良好的膠結性和較強的致密結構，能夠有效減少水分散發的通道，進而降低水分蒸發；另外，刺槐豆膠可能具有一定的持水性，將部分水分截持在固結層中，故具有較好蒸發抑制作用，使土體內部保持較高含水量。4種固沙劑累積蒸發量隨蒸發時間均逐漸趨于平緩，蒸發速率逐漸減小，刺槐豆膠不同添加量累積蒸發量差異較為明顯，說明不同添加量對刺槐豆膠影響較顯著。4種固沙劑不同添加量處理下，添加量越大，其抑制蒸發作用越強，相較CK，添加量為40和50 g·m-2 效果相近，蒸發抑制作用最強，同時保水作用也最強，并顯著高于對照，保水層主要為5—10 cm土層，說明施用較高添加量固沙劑與保水作用具有正相關性，且添加量40 g·m-2時為最優選擇，對深層土壤具有較強保水作用。

參 考 文 獻

［1］ 曹林濤， 高斌， 王前道， 等. 極端干旱區漏斗狀塑料瓶的節水栽培性能[J]. 農業工程學報， 2012， 28（1）： 123-126.

CAO L T， GAO B， WANG Q D， et al .. Performance of funnelshaped plastic bottle for water saving cultivation in extreme arid region [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.， 2012， 28（1）：123-126.

［2］ 戚鵬程， 趙傳燕， 馮兆東， 等. 干旱荒漠區土地利用變化對地表溫度的影響[J]. 農業工程學報， 2010， 26（11）： 310-316.

QI P C， ZHAO C Y， FENG Z D， et al .. Influence of land use change on land surface temperature in arid desert region [J].Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.， 2010， 26（11）： 310-316.

［3］ 杜鶴強， 薛嫻， 孫家歡. 烏蘭布和沙漠沿黃河區域下墊面特征及風沙活動觀測[J]. 農業工程學報， 2012， 28（22）：156-165.

DU H Q， XUE X， SUN J H. Underlying surface characteristics and observation of blown-sand movement in Ulanbuh Desert along Bank of Yellow River [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.，2012， 28（22）： 156-165.

［4］ 趙永敢， 王婧， 李玉義， 等. 秸稈隔層與地覆膜蓋有效抑制潛水蒸發和土壤返鹽[J]. 農業工程學報， 2013， 29（23）：109-117.

ZHAO Y G， WANG J， LI Y Y， et al .. Reducing evaporation from phreatic water and soil resalinization by using straw interlayer and plastic mulch [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.，2013， 29（23）： 109-117.

［5］ 王瑞君， 陳正華， 王百田， 等. 生物質結皮制劑在民勤流動沙區恢復植被的作用[J]. 農業工程學報， 2013， 29 （9）：140-147.

WANG R J， CHEN Z H， WANG B T， et al .. Study on biomass crust preparation to restore vegetation in drifting sand regions in Minqin [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.， 2013， 29 （9）：140-147.

［6］ 閆德仁， 王鐘濤， 薛博， 等. 固沙措施對人工生物結皮層養分和顆粒組成的影響[J]. 內蒙古林業科技， 2013， 39（1）： 1-4.

YAN D R， WANG Z T， XUE B， et al .. Influence of sand fixation measure on nutrient and particle composition in artificial biological crusts [J]. J. Inner Mongolia For. Sci.Technol.， 2013， 39（1）： 1-4.

［7］ 唐森年. 石羊河流域沙地樟子松固沙造林技術[J]. 甘肅科技， 2013， 29（20）： 163-164，172.

［8］ 張恒， 蔣進， 宋春武， 等. 防護林沙拐棗人工平茬更新復壯效果分析[J]. 干旱區研究， 2013， 30（5）： 850-855.

ZHANG H， JIANG J， SONG C W， et al .. Regeneration of stumping of calligonum caput-medusae in shelterbelt [J]. Arid Zone Res.， 2013， 30（5）： 850-855.

［9］ 姜麗娜， 楊文斌， 盧琦， 等. 低覆蓋度行帶式固沙林對土壤及植被的修復效應[J]. 生態學報， 2013， 33（10）： 3192-3204.

JIANG L N， YANG W B， LU Q， et al .. The effect of lowcovered sand-fixing forest belts on restoration of the soil and vegetation [J]. Acta Ecol. Sin.， 2013， 33（10）： 3192-3204.

［10］ 任玉忠， 王水獻， 謝蕾， 等. 干旱區不同灌溉方式對棗樹水分利用效率和果實品質的影響[J]. 農業工程學報， 2012，28（22）： 95-102.

REN Y Z， WANG S X， XIE L， et al .. Effects of irrigation methods on water use efficiency and fruit quality of jujube in arid area [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.， 2012， 28（22）：95-102.

［11］ 馮恩科. 生物膠-黃土復合材料的制備及保水固沙性能研究[D]. 蘭州： 西北師范大學， 2015.

FENG E K. Preparation and properties of biological glue and loess composite for water-retention and sand-fixing [D].Lanzhou： Northwest Normal University， 2015.

［12］ 韓洪峰. 生物膠-聚丙烯酸復合材料的制備及保水固沙性能研究[D]. 蘭州： 西北師范大學， 2021.

HAN H F. Preparation of biogel grafted acrylic acid composites for water retention ad sand fixation application [D].Lanzhou： Northwest Normal University， 2021.

［13］ 劉軍， 張宇清， 秦樹高， 等. 不同噴灑濃度沙蒿膠固沙效果試驗[J]. 農業工程學報， 2016， 32（5）： 149-155.

LIU J， ZHANG Y Q， QIN S G， et al .. Sand fixation experiment of Artemisia sphaerocephala Krasch. gum with different concentrations [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng.， 2016， 32（5）：149-155.

［14］ YANG X J， BASKIN C C， BASKIN J M， et al . Degradation of seed mucilage by soil microflora promotes early seedling growth of a desert sand dune plant [J]. Plant Cell Environ.，2012， 35（5）： 872-883.

［15］ YANG X J， DONG M， HUANG Z Y. Role of mucilage in the germination of Artemisia sphaerocephala （Asteraceae） achenes exposed to osmotic stress and salinity [J]. Plant Physiol.Biochem.， 2010， 48（2）： 131-135.

［16］ 禹曉， 黃沙沙， 聶成鎮， 等. 亞麻籽膠結構及功能應用研究進展[J]. 食品研究與開發， 2020， 41（1）： 212-217.

YU X， HUANG S S， NIE C Z， et al .. Research progress of the structure and functional application of flaxseed gum [J]. Food Res. Dev.， 2020， 41（1）： 212-217.

［17］ 鐵生年， 姜雄， 汪長安. 化學固沙材料研究進展[J]. 材料導報， 2013， 27（3）： 71-75.

TIE S N， JIANG X， WANG C A. Advances in chemical sandfixing materials [J]. Mater. Rep.， 2013， 27（3）： 71-75.