植物卷材基质中保水剂失水特性研究

陈艳华，孙海龙，李绍才，宋海凤，刘静雅

(1.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610064； 2.四川大学 水利水电国家重点实验室，四川 成都 610064)



植物卷材基质中保水剂失水特性研究

陈艳华1，孙海龙2，李绍才1，宋海凤1，刘静雅1

(1.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610064； 2.四川大学 水利水电国家重点实验室，四川 成都 610064)

植物卷材；保水剂；失水特性

植物卷材是护坡工程中应用的新材料，而保水剂在卷材中的施用对于卷材的设计和使用有至关重要的影响。通过室外试件试验与室内试验相结合的方式研究了保水剂施用在植物卷材中的失水规律，结果表明，保水剂在施用之后，保水能力快速下降，失水速度急剧加快。保水剂吸水后在30 ℃条件下烘干，其质量与烘干时间呈直线关系，即保水剂失水速度在整个烘干过程中大致相同，拟合方程为y=ax+b；卷材中的保水剂吸水后，同样在30 ℃的烘干条件下其质量与烘干时间呈y=ax2+bx+c的曲线关系，即前半段烘干时间的失水速度明显高于后半段，约35 h后保水剂中的水分大部分流失，并且施用时间越长此特点表现越明显。所以，在卷材的设计和使用过程中，保水剂的施用并不是一次性完成的，到一定的期限时要补充保水剂或者在试件中添加保水剂的缓释装置，以保障卷材能长期使用。

边坡绿化是一种新兴的能有效防护裸露坡面的生态护坡方式，它与传统的土木工程护坡相结合，可有效实现坡面的生态植被恢复与防护[1]。边坡绿化不仅具有保持水土的功能，还可以改善环境和景观，提高观赏水平[1]。随着经济社会的快速发展，中国的基础建设速度正在加快，交通、运输、水利、电力等建设项目的实施形成了大量的裸露坡面。这些人为裸露坡面不仅影响了生态环境景观，而且有些还存在地质灾害隐患，如造成崩塌、滑坡、泥石流等，影响主体工程及周边绿化工程的安全稳定。因此，边坡绿化工程的研究意义重大。对于石质边坡而言，边坡绿化的环保意义尤其突出。因此，边坡绿化的新型材料——植物卷材便应运而生。它有效地结合了工程学和园林绿化的优点，以工程学的手段实现绿化的效果，产品生产成本低，使用方便，可以实现智能化管理，无需消耗大量人力，能有效达到护坡目的，在护坡工程中有巨大的应用价值。除此之外，植物卷材护坡还具有较高的经济效益和社会效益。

水资源短缺是限制边坡绿化的主要因素[2]，同时也是限制植物卷材有效护坡的主要条件，应用保水剂有明显的节水效果，能有效地提高幼苗的存活率[3]。因此，保水剂在卷材中最大吸水量和吸水失水规律的研究对于提高植物卷材的性能至关重要。但是，对保水剂的研究现多处于研究未施用的保水剂性质的阶段，对保水剂施用之后保水性的变化研究不多，有许多问题尚待深入研究，如：保水剂施用之后其本身的保水性能降低吗？降低的程度如何？以怎样的方式降低？保水剂会完全失去保水的功能吗？对这些问题进行研究有助于解决保水剂在植物卷材实际生产应用中的施用问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

用于试验的植物卷材长50 cm、宽50 cm，纵切面由上到下分别是镀铝膜、珍珠棉、玻璃纤维网、黑色薄膜、基质、无纺布和试件盒(见图1)。植物生长的基质主要由草炭800 g/幅、紫色岩泥(粒径0～2 mm)125 g/幅、保水剂40 g/幅等按照比例混合而成。

图1 植物卷材纵切面(单位：mm)

草炭：根据设计要求将草炭(容重0.47 g/cm3，pH值5.466 5，含水率8.99%，有机质361.15 g/kg，全氮45.67 g/kg)去除杂质并过筛，得到均匀的草炭。

紫色岩泥：根据设计要求将采自四川省遂宁广德寺的紫色土(含有机质56.66 g/kg、全氮64.41 mg/kg、全磷1.64 g/kg、全钾16.89 g/kg)通过晾晒或补水，将含水率控制在(30±1.5)%，并过筛得到相对均匀的紫色岩泥。

保水剂：成都市亿鑫化工有限公司生产的AQUASORB保水剂，主要成分为丙烯酰钾-丙烯酰胺共聚体，型号为3005KM，粒径0.5～1.0 mm。保水剂的施加方法为拌土干施法，即利用电子天平称取一定量保水剂颗粒，与适量基质颗粒充分混合，然后经过一系列工艺加工成试件。

1.2 试验条件与方法

1.2.1 试验地概况

试验地位于升平镇，地处四川省彭州市区东北部，气候类型大体属亚热带湿润气候，全年气候温和。根据多年气象资料分析，年平均气温16.3 ℃，年平均降水量1 146.5 mm，年平均相对湿度79%，年平均蒸发量1 536.4 mm[4]。

1.2.2 坡面模拟试件

在试验基地打造坡度为30°的斜坡，把图1所示的试件盒依次整齐地放置其上。

1.2.3 试验设计

试验作用的试件如图1所示。试件中填装基质，并施以紫穗槐种子。由于试验涉及植物，故需土施D1至D5浓度(分别为0.001、0.005、0.010、0.015、0.020 g/L)的多效唑，用于研究不同浓度多效唑对紫穗槐种子萌发及生长的影响。多效唑系20世纪80年代推出的一种高效低毒的植物生长调节剂，能够抑制植物的纵向生长而促进其横向生长，同时提高植物的抗逆性[5-6]，对植物的生长具有促进作用。每个多效唑浓度有75个试件，待紫穗槐种子萌发后，方可开始试件的破坏试验。由于太阳辐照量和降水量是影响植物生长及其生理过程和保水剂保水失水特性的主要因素，所以根据从气象站得到的试验地年降水量和太阳辐照量数据，每年进行5次破坏试验，时间分别安排在3月11日、5月15日、7月25日、9月29日和12月11日。每次破坏试验破坏施加不同浓度多效唑的试件各3个，共15个，其中一个用于研究保水剂施用后的失水特性，以未施用过的相同保水剂为对照。

1.2.4 试验方法

失水曲线测定：①在破坏试验时，取出混合有保水剂的基质300 g置于盆中加水3 kg，使得基质中的保水剂充分吸水；②3 h后剔除基质中的其他成分和杂质，取出基质中的保水剂约150 g，放入筛子中铺平直至保水剂表面的水分蒸发干；③将取出的保水剂分成3等份，每份50 g，作为3个重复，平铺于已知质量的直径7 cm的培养皿上；④将其放入30 ℃的烘箱中烘干，每隔1 h称一次，直至连续3次称的质量不变为止。

2 结果与分析

2.1 保水剂吸水倍率及失水时间

试验所用试件制作时间为2014年4月，紫穗槐种子萌发的时间为2014年5月。破坏试验于2014年5月、7月、9月、12月和2015年3月、5月共进行了6次。根据试验所得数据，按照公式Q=M0/M1(Q为保水剂的吸水倍率；M0为保水剂吸饱水后的质量；M1为保水剂烘干到恒重时的质量)求得保水剂的吸水倍率，结果见表1。

表1 不同多效唑浓度的保水剂吸水倍率测定结果

本试验所用的保水剂主要成分为丙烯酰钾-丙烯酰胺共聚体，属于离子型保水剂。离子型保水剂与水接触后，离子型亲水基团的电离造成树脂结构内外产生渗透压，这是保水剂吸水的动力之一[7]。保水剂的吸水倍率是评价保水剂性能的重要指标。从表1可以看出，该保水剂在未施用时吸水倍率为100倍左右，在施用之后吸水倍率快速下降至20倍左右，并且随着时间的推移吸水倍率进一步下降，但下降的速度趋缓。

烘干不同破坏次数保水剂的时间见表2。从表2中可以看出，烘干时间随着破坏次数的增加，即施用时间的延长而缩短，前3次破坏烘干时间相差较大，之后趋于平缓下降。对照与第1次相差5 h，第1次和第2次相差16 h，第2次和第3次相差8 h，之后几次仅仅相差0～2 h。

表2 不同破坏次数保水剂的烘干时间

2.2 同一多效唑浓度不同破坏次数的保水剂失水曲线比较

将试验测得的不同烘干时间对应的保水剂质量数据用SPSS软件处理后点在坐标系中，以平滑的曲线连接在一起即为保水剂的失水曲线。同一多效唑浓度不同破坏次数的保水剂失水曲线见图2。

图2 不同破坏次数的保水剂失水曲线比较

从图2可以看出：对照组的保水剂失水速度最慢，完全失水所需时间最长；破坏试验组的保水剂失水速度第1次>第2次>第3次，之后的第4、5、6次失水速度基本相同。对照组保水剂的失水曲线拟合方程为y=ax+b，而破坏试验组保水剂的失水曲线拟合方程为y=ax2+bx+c。可以看出对照组的拟合方程为直线方程，而破坏试验组的拟合方程为二项式曲线方程，即前半段烘干时间失水速度明显高于后半段时间，约35 h后保水剂中大部分水分会流失。

2.3 同一破坏试验不同多效唑浓度保水剂失水曲线

按照试验结果用SPSS软件分析后，同一破坏试验不同多效唑浓度的保水剂失水曲线见图3。

图3 不同多效唑浓度的保水剂失水曲线

由图3可看出，在几次破坏试验中，多效唑浓度对保水剂失水特性的影响不同，没有明显的规律。这可能是多效唑作为植物调节剂，使用量极微，所以不同浓度的多效唑对保水剂的保水能力影响不明显。

2.4 试验结果

由于在植物卷材的设计和使用过程中，初始时需要施用充足的养分和水分，所以研究保水剂施用后的失水过程对卷材的设计有一定的指导作用。在设计时可以配合使用卷材边坡当地的气候特征和雨季时间、降雨量大小等来确定保水剂施加的方案，使卷材中的种子能够在雨季顺利萌发，达到四季施工雨季萌发的目的，方便卷材的生产及使用。

从试验数据我们可以看出，在对照组中保水剂失水后的质量与时间呈直线关系，拟合方程为y=ax+b，即保水剂在整个失水过程中是均匀失水的；而在试验组中施用过的保水剂失水后的质量与时间呈二项式曲线关系，拟合方程为y=ax2+bx+c，即开始时失水的速度快，烘干约35 h后保水剂已失去大部分水分，之后失水速度趋缓。试验组保水剂失水速度加快的原因可能是此类保水剂中含有大量的亲水基团，在能保持一定水分的同时容易生物降解[8]，而卷材使用一段时间之后，其中的各种成分使保水剂开始生物降解，其亲水基团逐渐失去作用，保水能力就会下降。

同时，从试验结果亦可看出，多效唑浓度对保水剂保水能力的影响明显具有不确定性。所以，在卷材的设计上暂时可不考虑其对保水剂保水失水特性的影响，用量以有利于植物生长的浓度为宜。

3 讨 论

我们知道当人工土壤中施入一定量的保水剂时，由于保水剂本身可以吸收大量的水分，因而可以使土壤的水分含量增加，而保水剂所吸持的水分释放是比较缓慢的，可以有效地防止因人工土壤表面蒸发而造成的土壤水分缺失[8]。植物卷材护坡在实际应用中是可行的，并能产生较好的生态、经济和社会效益，而保水剂的正确施用是影响卷材中植物萌发和存活的重要因素，是植物卷材能正常护坡的必要条件。试验结果表明，在护坡卷材之中加入保水剂保持水分供植物生长的方法虽然可行，但是保水剂在施用之后保水能力明显下降，半年之后其保水能力只剩下初始保水能力的1/10左右，所以在植物卷材的实际设计中要定期补充保水剂，或者在卷材设计中加入保水剂缓释装置。保水剂在卷材使用半年之后失水速度加快、保水能力迅速下降，所以保水剂的补充以半年一次为宜，这样才能使植物卷材长期有效地发挥作用，达到正常的护坡效果。试验的不足之处是，没有设置烘干的温度梯度，因此还需要进一步试验与研究。

[1] 赵方莹.边坡绿化与生态防护技术[M].北京:中国林业出版社,2009:8.

[2] 闫兴富,杜茜.银川绕城高速公路边坡绿化的建议[J].北方园艺,2008(2):133-136.

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[5] 王存.多效唑在植物生产上的应用现状[J].热带农业科学,2009,29(2):67-72.

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[7] 苟春林,曲东,杜建军.不同价态离子对保水剂吸水倍率的影响[J].中国土壤与肥料,2009(2):52-55.

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(责任编辑 徐素霞)

S157.9

A

1000-0941(2016)11-0068-04

陈艳华(1989—)，女，重庆市人，硕士研究生，主要从事护坡、边坡植被恢复、边坡绿化等研究。

2015-07-17