新型生物可降解PLA沙袋沙障降解特性及其影响因子探究

赵文玲

（内蒙古农业大学，呼和浩特010010）

荒漠化已成为阻碍人类可持续发展的生态环境问题之一，全球约有1/4的土地、2/3的国家和地区、1/5的人口不同程度地受到荒漠化的危害［1］。据《第四次中国荒漠化和沙化状况公报》：我国国土面积的27.33%为荒漠化土地，其面积高达262.37万km2，与2004年相比，尽管我国的土地荒漠化趋势整体得到初步遏制，荒漠化土地面积持续减少，但我国土地荒漠化的严峻形势仍未发生根本性改变［2］。以现有技术评估，并考虑到全球变暖的影响，预计未来50a需要治理的荒漠化国土面积为5.5×105～10×105km2，若以每年1.5万～2.2万km2的治理速度计算，大约需要45～70年方可完成我国荒漠化土地的总体治理［3］。因此，荒漠化仍然是我国当前面临的最为严重而又亟待解决的生态环境问题［4－6］。

机械沙障是十分有效的荒漠化防治措施［7－8］，具有见效快、不需水源、较耐沙埋等优点，在工程防沙中得到了广泛应用。但防沙治沙是一项系统工程，防护效益是一个综合指标，受材料性质、成本、劳务等多种因素的影响［9］，因此探索、引进新型沙障材料成为沙漠治理专家关注的焦点。近些年采用布料、化纤等材料为外包装材料制成的土工沙障，初步解决了西北荒漠地区作物秸秆沙障材料和土石沙障材料匮乏的问题而备受关注。针对传统作物秸秆沙障和化学纤维沙障存在易老化腐烂、机械强度差、防沙寿命短、布设费时费力等缺点。我们结合多年的荒漠化防治实践经验，从日本引进一种新型的以玉米、甜菜为原料的聚乳酸纤维（Poly Lactic Acid，简称PLA）纺织成类似筒状的沙袋作为外包装材料，就地取材就流沙装入后制作沙障。该材料具有运输方便、可在大气作用下自然降解成H2O和CO2的新型环保材料的特点［10］。在过去几年，我们针对PLA沙障在防沙治沙领域中的应用取得一些研究成果［11－14］，同时也发现沙障在使用过程中，存在漏沙现象，极大缩短了沙障使用寿命。本研究通过对野外铺设的PLA方格沙障降解规律研究，结合室内控制性试验分析PLA纤维沙障在不同水热环境下的降解特性，初步探究影响PLA纤维沙障降解的影响因子，为延长PLA纤维沙障在沙区环境下的使用寿命提供理论依据。

1 研究区概况

试验区位于乌兰布和沙漠西南缘的吉兰泰盐湖北部沙漠带外围，地理坐标为39°46′01″—39°45′54″N，105°40′28″—105°46′42″E，海 拔 高 度 1 030～1 045 m［15］，研究区以流动、半固定沙丘为主，沙丘形态有新月形沙丘（链）、垄状沙丘、格状沙丘、灌丛沙堆［16］，属于典型的温带大陆性干旱气候，具有干旱少雨，蒸发量大，风大沙多，雨热同期的气候特点，多年平均降水量107.8mm，潜在蒸发量2 956.8mm，平均气温8.6℃，最高气温40.9℃，最低气温－31℃。以东北、西南风最大，其次为西北风，但大于10m/s以上的主害风是以西北风为主，年平均扬沙日数为85d，风沙流的出现频率为113次/a。土壤有风沙土、漠钙土、草甸土，部分地段分布有盐碱土等。风沙区主要植被以唐古特白刺（NitrariaTangutorumBobr.）、梭 梭 （Haloxylon ammodendron）、沙 冬 青 （Ammopiptanthus（Maxim.）Chengf.）、阿拉善沙拐枣（Calligonumalaschanicum）、柽柳（TamarixchinensisLedeb.）、沙米（Agriophyllum squarrosumLinn.）、猪毛菜（SalsolacollinaPall.）、油蒿（ArtemisiaordosicaKrasch.）、柠条（CaraganakoishiuskiiKom.）、籽蒿（ArtemisiasphaerocephalaKrasch.）、胡 杨 （PopuluseuphraticaOliv.P.diversifoliaSchrenk.）、沙枣（ElaeagnusangustifoliaL.）等［15］。

2 研究材料及方法

2.1 研究材料

本研究所用的沙障外包装材料为PLA纤维，分子式（C3H4O2）n，用小圆机织法织成线密度为16.7 tex，比重为1.25g/cm3，240针的白色圆筒状针织物（未填充流沙时的自然径粗8～10cm）。沙障铺设时，将圆筒织物一端打成死结，另一端套在径粗10～15cm的PVC管上，而PVC管另一端将流动沙丘上的风沙土灌装在其内形成了圆柱体的障体单元（圆柱体直径约为20cm），进而采用编席的方式，相互叠压，铺设在坡度平缓的沙垄表面铺设形成格状沙障。

2.2 研究方法

（1）沙区自然环境下PLA纤维材料的降解特性研究。于2012年9月初选取铺设5a的1m×1m的典型沙丘，分别在迎风坡坡底、迎风坡坡中、坡顶、背风坡坡中和背风坡坡底进行取样、标记后带回实验室测定。取样时，将沙袋沙障暴露于空气的一侧和贴地面的一侧用记号笔划分后按照经向和纬向取样，其中经向障边是与沙丘走向垂直的障边，而纬向障边是与经向障体垂直的障边（图1）。

图1 1m×1m格状PLA沙障

（2）室内控制性因子试验。温度控制性试验：将与野外铺设的沙障材料一致50cm长的障体单元放置在盛有土壤含水量10%的风沙土铁盘内，为了避免因湿度差异导致的降解误差，铁盘上均盖有透明玻璃盖，且在盘沿与玻璃接触部位涂有甘油达到密封的效果。本研究依据沙区环境温差大，且夏季最高地表温度可达到70℃，将温度设置－15℃，4℃，60℃和80℃共4个梯度，其中60℃和80℃高温条件在烘箱内模拟，4℃和25℃中温在光照培养箱（JC－GPJ－300）内模拟，而－15℃低温在冰箱内实现，处理时间均为70d。湿度控制性试验：同温度控制性试验一样，将盛有障体和风沙土的铁盘放置在室温下用玻璃盖密封，将土壤含水量分别设置为试验区土壤田间持水量的3%，6%，9%和15%共4个梯度，定期采用时域反射仪（TDR）速测土壤含水量并进行补充，处理时间为154d。

（3）测试指标及方法。①力学性能指标。先将野外取回来的试样放置在标准大气下调湿平衡处理后按照经向和纬向障边分别裁剪成55mm×250mm测试拉伸强力和80mm×100mm测试顶破强力。PLA材料的力学性能均采用温州大荣防治有限公司生产的YG（B）026H型电子织物强力机测试。② 质量损失率。将未处理的PLA纤维沙障试样放在干燥箱内烘干至恒重，用精度为0.01g电子天平秤其初始质量（W0），将试样标记后分别进行温度和湿度控制性试验，每次取出后都要离子水冲洗干净表面沙土并放在50℃烘箱中烘干24h至恒重，秤其质量（W）然后计算其质量损失率（η）。

η＝（W0－W）/W0×100

3 结果与分析

3.1 PLA沙障障体各部位顶破强力变化

在外业的调查中发现，由于沙区的微环境因子（光照、土壤水分）差异导致铺设在不同沙丘部位沙障产生的影响存在差异性，本研究进一步将PLA障体的贴近地面一侧和暴露在空气中的一侧的力学性能进行测定（图2）。

从图2可以看出，随着铺设时间的延长，PLA沙障障体的顶破强力整体出现了降低的趋势，在铺设后4个月贴地面一侧障体出现了显著降低的现象。不同沙丘坡位条件下，PLA障体贴近地面一侧的顶破强力保持率均高于暴露空气一侧，且坡位对贴地面一侧障体顶破强力影响差异不显著（p＜0.05），相比之下，暴露空气一侧障体顶破力受坡位影响较大；从沙丘坡位对沙障障体顶破力的影响来看，铺设4个月后障体暴露空气一侧的顶破强力较铺设前降幅表现为：迎风坡坡中（14.67%）＞背风坡坡底（13.12%）＞坡顶（9.51%）＞背风坡坡中（5.78%）＞迎风坡坡底（5.33%），而贴近地面一侧却表现为在坡顶处障体顶破强力较铺设前降幅最小，仅为3.43%。最终通过野外观测试验发现，在铺设2a后背风坡坡中平均顶破强力降幅最大，其顶破强力较铺设前降低了36.82%，经方差分析发现背风坡坡中与迎风坡坡底间的障体顶破强力降幅差异不显著（p＜0.05），最低为背风坡坡底，其顶破强力较铺设前降低了27.67%。综合分析认为：沙区环境条件下，风沙活动强度和太阳辐射是导致PLA沙障障体顶破力降低的主导因子。

3.2 不同铺设方向PLA沙障障体拉伸强力变化

在野外铺设网格沙障，障体依据走向可分为经向障体和纬向障体。由于障体走向的不同，使得经向障体的东侧面和西侧面及纬向障体的南侧面和北侧面所受的太阳光照存在差异；故本研究通过对铺设1a的PLA沙障障体机械拉力进行了测定，如图3所示。

图2 沙区环境下PLA纤维沙障的顶破强力变化

从图3可以看出：在沙区环境下铺设PLA沙障1a后障体的机械性能发生了显著变化。整体而言，经向障体的机械性能强于纬向障体，沙丘坡位从迎风坡坡底至坡顶随着高度的抬升，PLA沙障障体的机械性能表现为坡顶处沙障机械性能＞迎风坡底＞坡中。无论是经向障体还是纬向障体均表现出一致的规律：贴地面一侧的障体机械性能显著高于暴露空气一侧，而东侧面障体机械性能高于西侧面障体，北侧面障体机械性能高于南侧面障体，这表明暴露空气一侧障体机械性能损失率大于贴近地面一侧，西侧面障体机械性能损失率大于东侧面。这是由于暴露空气一侧障体长期受太阳紫外线照射，且温度较高，加之沙丘坡中处的较为剧烈的风沙活动导致PLA沙障的的坡中处的障体机械性能损失最大，暴露空气一侧的障体机械性能损失较贴地面一侧大，迎风一侧（北侧面和西侧面）障体机械性能损失较积沙一侧（南侧面和东侧面）大。总之，沙障障体的北侧面和西侧面拉伸强力损失最大（与主风向垂直），其次为暴露面，贴地面损失最小。

图3 不同方位障体各部位的拉伸强力变化

3.3 PLA沙袋沙障降解因子分析

3.3.1 温度对PLA纤维降解的影响 沙区地表温度具有显著的昼夜温差和季节温差，夏季（7—8月）地表土壤温度可高达70℃，而在冬季（12月—次年1月）地表土壤温度可低至－10℃以下。为了探究在沙区环境下不同季节PLA纤维沙障材料降解速率，本研究人工模拟不同温度（－15℃，4℃，25℃，60℃，80℃）对PLA纤维沙障材料降解的影响，分别在各温度后的1d，2d，3d，7d，14d，35d和70d进行质量损失率测试，结果如图4所示。

图4 温度对PLA沙障材料质量损失率的影响

从图4可以看出：随着温度的升高及处理时间的延续，PLA沙障材料的质量损失率呈现增加的趋势，其中经过在干土、4℃环境下处理70d的PLA沙障材料质量损失率最小，仅为0.48%；在80℃湿土条件下仅处理7d后PLA沙障材料已降解破碎无法称量。湿土环境下的PLA沙障材料质量损失率大于干土环境，在湿土、60℃环境下PLA沙障障体可保存35d，而在80℃下仅可保存3d。方差分析表明，在低温和中温条件下干土和湿土处理间差异不显著（p＜0.05），而在高温（60℃和80℃）条件下两者差异达到极显著水平（p＜0.01）。经分析认为，只有在温度和湿度共同作用下，加速了PLA沙障障体的降解速率，因此可以认为在沙区环境下夏季雨后高温环境是促使PLA沙障材料降解的主要因子。

3.3.2 土壤含水量对PLA纤维降解的影响 干旱、半干旱沙漠地区的表层土壤含量一般为3%～5%，即使在半湿润荒漠区流沙表层土壤含水量均＜15%。为了研究沙区环境下同一季节不同立地条件或不同气候区域条件（立地条件导致土壤含水量差异）下PLA沙障障体材料的降解速率，本研究将PLA沙障材料分别铺设在沙表和沙内2种环境下，设置3%，6%，9%，12%及15%五个土壤含水量梯度，为探究PLA沙障在不同气候区域下的使用寿命提供参考。

从图5可以看出，随着处理时间的延续，PLA沙障材料不论是在沙表铺设还是埋在沙内均表现出沙障材料失重率增大的现象，且在铺设早期材料失重率较大；随着土壤水分含量的增加，沙障材料失重率呈现增加的趋势。在沙表铺设7d后不同土壤含水量间的PLA沙障材料失重率间出现了一定差异，且土壤含水率15%PLA沙障材料失重率显著高于土壤含水率3%（p＜0.01）。在不同土壤含水量条件下处理150d后PLA沙障材料失重率表现为沙障材料铺设较高土壤含水量（15%和12%）环境中降解速率显著高于其它3种处理，且沙障材料失重率在中低土壤含水量（3%，6%和9%）间差异不显著（p＞0.05）。将PLA沙障材料铺设在沙土表面和埋在沙土内2种环境下沙障材料的质量损失率表现为：铺设在沙土表面的材料失重率均大于埋在沙土内的材料失重率，土壤含水量15%条件下处理150d后沙土表面的材料失重率较沙土内材料高出0.19%，两者未达到显著差异水平（p＞0.05）。

综上所示，PLA沙障材料降解速率随土壤水分含量越高，沙障材料降解速度越快。同一土壤含水量条件下，在沙土表面铺设的沙障材料降解速率大于埋在沙土中的沙障材料。但在本研究15%土壤含水量处理150d后，PLA沙障材料失重率仅为1.27%。由此认为，土壤含水量不是影响沙障材料快速降解的主要因子。

图5 土壤水分含量对PLA纤维材料失重率的影响

4 结 论

PLA沙障材料在沙丘迎风坡中部处及障体迎风侧机械性能损失最大；PLA沙障暴露空气一侧的机械性能损失显著高于贴近地面一侧。PLA沙障材料降解速率随土壤水分含量增加而加快；在沙土表面铺设的沙障材料降解速率大于埋在沙土中的沙障材料；高温高湿环境可以促使PLA沙障材料快速降解。在沙区环境条件下，夏季雨后高温和剧烈频繁地风沙活动是促使PLA沙障材料快速降解的主要因素。

［1］ 回良玉在治理荒漠化国际会议开幕式上强调［N］.人民日报，2008－01－23（2）.

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