農(nóng)林學(xué)類論文-保水劑及其在巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用.docVIP

農(nóng)林學(xué)類論文-保水劑及其在巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用論文作者：李阿根徐禮根劉艷廖乾旭陳小紅摘要：保水劑是一種人工合成的具有超強(qiáng)吸水、保水能力的高分子聚合物，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，也是恢復(fù)巖石邊坡植被與生態(tài)環(huán)境的重要材料之一。本文對(duì)保水劑的定義、分類、吸水原理、特點(diǎn)與使用方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)保水劑在巖石邊坡植被重建和生態(tài)防護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)綜述和討論，供工程技術(shù)人員參考。關(guān)鍵詞：保水劑邊坡綠化植被重建生態(tài)修復(fù)0、引言中國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，水土流失面積達(dá)356萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的37%。目前，全國(guó)宜治理的水土流失面積仍有200萬(wàn)平方公里，按現(xiàn)在的治理速度，需要半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間才能得到初步治理1。并且，公路、鐵路、礦山、水利等工程建設(shè)及人類其他活動(dòng)不斷造成大量裸露的巖土邊坡，導(dǎo)致新的水土流失，植被難以生長(zhǎng)。迫切需要用新的生態(tài)恢復(fù)方法對(duì)這些邊坡進(jìn)行有效的治理。上世紀(jì)九十年代開始，相繼從國(guó)外引進(jìn)的客土噴播、厚層基材、噴混植生等現(xiàn)代邊坡復(fù)綠技術(shù)為治理這些巖石邊坡提供了可能，并且在工程實(shí)踐中取得了較大的成功。這些邊坡復(fù)綠技術(shù)與傳統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)方法相比，大大提高了邊坡基質(zhì)的附著、保水和吸水能力，使植物在嚴(yán)酷的邊坡上得以生長(zhǎng)。而在邊坡基質(zhì)中提高保水、吸水能力的主要靠的是保水劑。然而，當(dāng)前許多技術(shù)人員與施工人員對(duì)保水劑在認(rèn)識(shí)上還存有模糊和偏見：有將保水劑當(dāng)“萬(wàn)金油”的，也有認(rèn)為“保水劑根本沒有用”的。為了給有關(guān)人員提供參考，本文就對(duì)保水劑的定義、分類、特點(diǎn)和使用方法，特別是在巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)上的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。1、保水劑的定義保水劑由日文變換而來(lái)，英文名稱為Water-retentionagent。首先由美國(guó)農(nóng)業(yè)部北方研究所于1974年7月制取淀粉-丙烯腈接枝聚合得到吸自重約1000倍水的聚合物而令世人注目。實(shí)際上，在這之前為抗旱的需要，美國(guó)科學(xué)家已相繼開發(fā)了聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羥乙酯等土壤保水劑。由于只能吸自重的20-30倍水，售價(jià)又高，只是在園林方面有少量應(yīng)用2。此后以日本為舞臺(tái)的吸水聚合物研發(fā)突飛猛進(jìn)，很快大量應(yīng)用于生理衛(wèi)生用品等行業(yè)。由淀粉接枝轉(zhuǎn)為以交聯(lián)聚丙烯酸鈉為主的高吸水性樹脂（英文為SuperabsorbentPolymers，簡(jiǎn)寫為SAPs）產(chǎn)業(yè)壯大起來(lái)。高吸水性樹脂是一個(gè)大概念，保水劑是其一份子。從土壤學(xué)的角度看，交聯(lián)聚丙烯酸鈉顯然不能拌土而大量用于農(nóng)林業(yè)。故而保水劑的定義是能大量應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)對(duì)土壤乃至生態(tài)無(wú)害，反而能改良土壤的一類高吸水性樹脂。由于現(xiàn)實(shí)生活中從事化工業(yè)的人員好多并不大懂農(nóng)林業(yè)，特別是土壤學(xué)方面的專業(yè)知識(shí),而農(nóng)林專家大多又不深懂化工，造成特別是象中國(guó)這樣一個(gè)對(duì)產(chǎn)品成分神秘化的國(guó)家對(duì)保水劑的認(rèn)識(shí)有許多誤解。2、保水劑的分類如上所述，保水劑是高吸水性樹脂SAPs中的一類，并非所有吸水劑都可作為保水劑。SAPs分類一般由其組成及合成方法來(lái)分，也有從其不溶性方法或親水性方法、產(chǎn)品形態(tài)來(lái)區(qū)分。根據(jù)其組成成分為：纖維素系、淀粉系、合成樹脂系，進(jìn)而按淀粉系和纖維素系分為接枝聚合和羧甲基（CM）化，見表1。按原料a）淀粉類：接枝聚合CM化b）纖維素類：接枝聚合CM化c）合成樹脂類：聚丙烯酸鹽類、聚丙烯酰胺類聚乙烯醇類、聚氧化乙烯類按不溶化方法a）接枝聚合b）與交聯(lián)劑的共聚c）水溶性聚合物三維結(jié)構(gòu)化d）自身交聯(lián)聚合e）放射線輻射f）結(jié)晶構(gòu)造的引入接親水性方法a）親水性單體的聚合b）疏水性單體的CM化反應(yīng)c）在疏水性聚合物中進(jìn)行親水性單體的接枝反應(yīng)d）腈基、酯基的加水分解反應(yīng)按產(chǎn)品形態(tài)a)球形（橢球形）/顆粒/粉末/細(xì)末b)片狀c)纖維狀表1.高吸水聚合物的分類Table1classficationofhighwater-retentionagent上述三個(gè)系列都可作為保水劑，日本三洋公司淀粉接枝系保水劑仍在用于水稻旱育秧，但由于它和纖維素系產(chǎn)品都有諸如易發(fā)酶和易分解等局限性，用量不大。合成系中，除聚丙烯酸鈉（此類產(chǎn)品已占SAPs世界銷量的95%以上）不能用作保水劑外，包括聚丙烯酸鉀在內(nèi)的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯均可作為保水劑，但真正有規(guī)模用量的只有聚丙烯酰胺3-4。目前，產(chǎn)業(yè)化的保水劑基本是聚丙烯酰胺和淀粉接枝型，以前者使用最為廣泛，由于壽命長(zhǎng)，更多用于園林綠化和生態(tài)恢復(fù)。3、保水劑與一般SAPs的差別保水劑在合成原料、性能及形態(tài)上與生理衛(wèi)生用的聚丙烯酸鈉SAPs有明顯區(qū)別。在合成原料方面，丙烯酸鹽是極為活潑的聚合單體，為羧基團(tuán)，呈離子性，其聚合交聯(lián)物吸水能力和速率最強(qiáng)，耐鹽和穩(wěn)定性較差，壽命短。如果其鹽完全是鈉型的，對(duì)植物和土壤帶來(lái)不利。淀粉是天然高分子，便宜但易于降解，其吸水能力較丙烯酸鹽差。丙烯酰胺是具極性而相對(duì)惰性的單體，其聚合物吸水倍率較聚丙烯酸鹽差，但穩(wěn)定性和耐鹽性好，且還有更好的凝膠強(qiáng)度。丙烯酰胺-丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物即簡(jiǎn)稱為聚丙烯酰胺的保水劑就是綜合了上述成分的特點(diǎn)優(yōu)化組合的結(jié)果。由于鉀較鈉貴得多，丙烯酸鹽可能是鉀型，也可能是鈉型，當(dāng)然鉀更好。鈉在一定含量下尚可使用5。參簡(jiǎn)圖1。圖1：丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聯(lián)共聚物型保水劑分子結(jié)構(gòu)Fig.1Structureofacrylamide-potassiumacrylatecrosslinkedpolymers在性能方面，保水劑要求不易分解，通俗地講是不易水化，要多次重復(fù)吸放水，而一般SAPs只要一次吸水。在形態(tài)方面，一般SAPs是粉末，而保水劑追求的是顆粒，拌土是其主用途。顆粒狀由于比表面小，保水性好，更能為土壤和植物根系“雪中送炭”。對(duì)土壤更能提高透氣性，反復(fù)吸放水的次數(shù)要多，壽命也長(zhǎng)。4、保水劑的吸水原理保水劑的吸水原理相同于一般SAPs，是高分子電解質(zhì)分子鏈在水中酰胺基和/或羧基團(tuán)同性相斥使分子鏈擴(kuò)張力和由于交聯(lián)點(diǎn)的限制分子鏈的擴(kuò)張力而相互作用而成的。見圖2。以聚丙烯酰胺為例，保水劑會(huì)有大量酰胺和羧基親水基團(tuán)，利用樹脂內(nèi)部離子和基團(tuán)與水溶液相關(guān)成分的濃度之差產(chǎn)生的滲透壓及高分子電解質(zhì)與水的親和力而可大量吸水直至濃度差消失為止。而控制保水劑達(dá)到令人滿意吸水程度的是橡膠彈力。分子結(jié)構(gòu)交聯(lián)度越高，橡膠彈力越強(qiáng)，而橡膠彈力和吸水力的平衡點(diǎn)即是其表觀吸水能力。圖2：溶脹凝膠的模型圖Fig.2Modelofswellinggel由于分子結(jié)構(gòu)交聯(lián)，分子網(wǎng)絡(luò)所吸水分不能用一般物理方法擠出而起到保水作用。見圖3。圖3保水劑呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過滲透壓和親水基團(tuán)將水分子吸入網(wǎng)格而保水Fig.3thenet-structureofwater-retentionagentandwaterareabsorbedbyosmoticpressureandhydrophilicgroup由此，同樣組成的聚合物交聯(lián)度越低，吸水倍率相對(duì)越高，其保水性、穩(wěn)定性和凝強(qiáng)度就越低，反之亦然。所以，國(guó)際上對(duì)于使用周期較長(zhǎng)的保水劑自然需要較高的交聯(lián)度，并不追求高吸水倍率和速率。以聚丙烯酰胺為例，其表觀倍率并不高，吸水速率也依粒徑不同差別很大，凝強(qiáng)度高的保水劑吸水后有一定形狀，不易解體，利于土壤透氣，吸放水可逆性好。因?yàn)楸Ｋ畡┮话銚饺氲叵?至15厘米，故國(guó)際上現(xiàn)在更強(qiáng)調(diào)加壓下的吸水倍率。依粒徑不同，聚丙烯酰胺型吸純水倍率150300。5、保水劑的特點(diǎn)保水劑不同于一般樹脂，也不是以單體形式出現(xiàn)。它既不會(huì)燃燒、爆炸，也無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，也不溶于水。發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)和環(huán)境機(jī)構(gòu)均已認(rèn)證通過，且其實(shí)際應(yīng)用已有30年。保水劑表觀吸水倍率與加壓下的吸水倍率有明顯區(qū)別，且隨著水中離子濃度的升高而吸水倍率明顯降低，特別是Ca2+、Mg2+對(duì)吸水有永久性影響。但并不等于說有上述離子不能用，而是其吸水功效降低了。加壓下的吸水倍率才是保水劑最主要的指標(biāo)。因?yàn)榇藭r(shí)所吸水的大部分能被土壤和根系利用。保水劑所吸水一是通過水勢(shì)平衡出來(lái)，二是通過植物超過16巴的根抽力而釋放，緩釋性由此體現(xiàn)。此時(shí)雨水和灌溉水的利用率大大提高6。不管是水還是溶于水的東西，諸如肥料、農(nóng)藥、生根劑，甚至冷熱量都能在保水劑分子網(wǎng)格貯存而緩釋。因此可以提高相關(guān)物質(zhì)的利用率，特別是肥料和農(nóng)藥均可減少流失，環(huán)境污染相對(duì)減輕。由于保水劑有活化磷的功能和緩釋生根劑，更可促根，故使用保水劑后，根系尤為發(fā)達(dá)，特別是須根。由于保水劑吸存大量水，減少了土壤環(huán)境溫度的變化，還具一定的保溫作用，即夏日降溫，冬季保溫7-8。保水劑反復(fù)的收縮與吸脹給土壤造成大量的孔隙，提高了土壤的透氣性、透水性，改善了根際環(huán)境，同時(shí)也增強(qiáng)了根際微生物的活動(dòng)，加快了根際周圍有機(jī)礦物質(zhì)的分解，有利于根系吸收，促進(jìn)了根系和植物的生長(zhǎng)發(fā)育，改良了土壤基質(zhì)，防止土壤板結(jié)9。6、保水劑的使用方法常用保水劑有無(wú)定型顆粒、粉末、細(xì)末，片狀和纖維狀，在國(guó)內(nèi)使用的只有聚丙烯酰胺型的顆粒、粉末和細(xì)末。相對(duì)應(yīng)的方法有拌土、拌種或包衣和沾根。拌土又可分為直接拌土和復(fù)配拌土，復(fù)配拌土又可引出噴播。直接拌土一般是種樹，采用原始粒徑在2-4mm，4-6mm的顆粒，以0.1%干重拌于有效根系周圍。復(fù)配拌土既可采用上述顆粒，也可采用0.85-2mm和粉末的0.3-0.85mm兩個(gè)粒徑。噴播表層時(shí)采用粉末保水劑，噴播內(nèi)層時(shí)最好采用0.85-2mm顆粒，此規(guī)格保水劑有更好的保水性，更長(zhǎng)壽命，更好的透氣性。一旦遇高溫干旱，土壤不易板結(jié)。0.1%拌土可節(jié)水50%-70%，節(jié)肥30%以上。拌種和包衣在環(huán)境治理中可隨草種、灌木種撒播、飛播，可為種子提供一個(gè)小水庫(kù)，使種子早發(fā)芽，有利于出苗和壯苗。沾根是簡(jiǎn)單的方法，把超過50目細(xì)末放于溶有生根粉的水中攪拌20分鐘，裸根苗浸上30秒可使裸根苗長(zhǎng)途運(yùn)輸，減少脫水而縮短緩苗期，提高成活率15%-20%。7、保水劑在巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用新材料、新技術(shù)的使用使巖石邊坡的生態(tài)恢復(fù)成為可能。一系列現(xiàn)代植被重建和生態(tài)修復(fù)中所用的噴播技術(shù)如客土噴播、厚層基材、噴混植生等工藝都將保水劑作為主要的保水組分。在巖石邊坡的植樹造林中也廣泛使用保水劑。由于陡峭的巖質(zhì)邊坡，土層瘠薄或土層不發(fā)育，水分不易保存，植物難以生根發(fā)芽，用保水劑混合植物種子播種，結(jié)合其他土壤穩(wěn)定技術(shù)，可以提高邊坡土壤的存水量，使植物能夠正常生長(zhǎng)，并能夠減少灌溉用水量和提高植物的抗逆能力。張俊云等（2001）采用包含保水劑的厚層基材工藝對(duì)巖石邊坡進(jìn)行復(fù)綠取得了成功10；陳永安等（2005）