用于生态修复工程的保水材料性能对比研究

孔德刚

(中铁科学研究院有限公司,成都 611731)

随着我国“西部大开发战略”和“一带一路”发展战略的实施，西部地区逐渐成为道路等基础设施建设的主战场，在带动当地经济发展的同时也对沿线生态环境造成一定影响，形成大量裸露的地表，若不及时修复，将会加剧地表沙化使生态环境更加恶化。目前，我国在道路沿线植被恢复研究方面，主要集中于人工建植技术的选取[1-3]，植物组合优选[4-6]和景观设计等[7-9]，而对于建植和养护过程中保水措施研究较少，这不仅增加了养护成本，还造成大量的水资源浪费，尤其在西北干旱、半干旱地区进行人工植被建植时，如不采取相应的保水措施，还会造成植被建植困难、存活率低等问题。目前应用较为普遍的保水材料为各种类型保水剂。保水剂(SAP)是一种人工合成的高分子化合物，可以吸持是自身质量数百倍的水分[10-11]，而超吸水纤维(SAF)是一种吸水能力特别强的功能性高分子新型材料，无毒无害，能够反复吸水、释水[12]。目前关于保水材料的研究大多限于同类产品间的对比研究，对于不同类型保水材料之间的对比相对较少。因此，本研究选取保水剂和超吸水纤维两种不同的保水材料，对其在不同条件下的吸水、保水性能进行对比分析，其结果可对干旱、半干旱区建植中保水材料的选用进行理论指导。

1 研究材料与方法

1.1 材料和仪器

保水剂：是高吸水性树脂，它是一种吸水能力特别强的功能高分子材料，本研究选用任丘市辉达化工有限公司生产的农业抗旱保水剂；超吸水纤维：是一种吸液量大，吸液速度很快的新型纤维。可吸水、尿液、体液、血液等液体。它吸收液体不同于普通纤维的物理吸附，而是通过化学吸收原理吸水液体后，自身产生膨胀，而将液体封存于纤维内，并难以挤压出来，本研究选用南通江潮纤维制品有限公司生产的超吸水纤维。

土壤水分测试仪：浙江托普仪器有限公司生产的土壤水分测试仪(TZS-3X-土壤水分测试仪)。

1.2 测试方法1.2.1 溶液中保水材料吸水倍率测定方法

对保水剂和SAF的吸水性能进行测试，分别称取干燥状态下保水材料，记为W1；将试样分别放入去离子水、不同pH溶液和不同浓度电解质浓度溶液中充分浸泡12 h后取出，自然悬挂30 min，以此称重记为W2，每个处理均重复3次，取平均值。样品吸水倍率n计算公式如下

n=(W2-W1)/W1

(1)

1.2.2 土壤中保水性能测试

将SAF平铺于六棱砖土壤中，土壤为选自废弃地的表层土，并进行风干，SAF平铺深度为8 cm；称取与SAF相同质量的SAP，并均匀铺设于六棱砖土壤中，深度与SAF相同；将相同质量的土壤加入至六棱砖中，进行空白对照试验。此试验均在室外进行测定，在六棱砖中分别加入相同量的蒸馏水，并利用土壤水分测试仪对土壤中0～8 cm范围内平均含水率进行连续测定，于每天下午17：00进行测定，时间为2016-08-05～2016-08-10，共计6 d时间。

1.3 数据处理

数据分析采用IBM SPSS Statistics 19和Excel 2007进行单因素方差分析、相关性分析和图表制图处理等。

2 结果与分析

2.1 浸泡时间对吸水倍率的影响(图1)

SAF和SAP的吸水倍率均随着浸泡时间的增加呈逐渐升高的变化趋势，且均成对数关系，相关性R2均大于0.8，相关性较强。当浸泡时间为1 min时，SAF和SAP的吸水倍率分别为111.87 g·g-1和22.45 g·g-1，SAF的吸水倍率为SAP的4.98倍；当浸泡时间为15～20 min时， SAF吸水倍率的基本达到最大值约为150 g·g-1，其后随着浸泡时间的增长，SAF的吸水倍率基本稳定在同一水平。当SAP浸泡60 min时，其吸水倍率达到190.65 g·g-1，为第1 min时吸水倍率的8.5倍，当浸泡时间达到180 min时，吸水倍率基本趋于饱和达到233.29 g·g-1，之后SAP吸水倍率基本趋于稳定。

图1 浸泡时间对保水材料吸水倍率的影响

从整体来看，SAP的饱和吸水倍率约为SAF饱和吸水倍率的1.5倍，但前期SAF的吸水倍率要明显高于SAP吸水倍率，在1 min时，SAF的吸水倍率为SAP的5.85倍，达到111.87 g·g-1；SAF达到饱和吸水倍率所需的时间要明显小于SAP所需时间，表明在相同浸泡时间内，SAF对水分的吸收效率要明显高于SAP，其原因主要是由于超吸水纤维含有—OH、—COONa、—SO3Na等多种亲水基团，而亲水基团越多，其吸水能力越强，吸水速率越快[13-14]。

2.2 溶液酸碱度对保水材料吸水倍率的影响

本试验中溶液的pH值通过添加HCl和NaOH来实现。试验结果表明：随溶液pH值的增大，SAF和SAP的吸水倍率均呈现先升高后下降的变化趋势，吸水倍率与pH值之间均成多项式关系，且相关系数较高(图2)。SAF和SAP在pH为6～8均能保持较好的吸水性能，吸水倍率均处于较高水平，且在pH=7时均达到最高值。当pH<5时或pH>9时，SAF和SAP的吸水倍率均呈明显下降趋势，当溶液pH=3时，SAF和SAP的吸水倍率分别为46.85 g·g-1和68.92 g·g-1，当pH=11时，吸水倍率则分别为98.87 g·g-1和123.57 g·g-1，表明SAF和SAP的吸水倍率受pH值影响程度较高，且在酸性溶液中表现出更强的敏感度，吸水倍率更低。分析其原因是在强酸性条件下，SAF和SAP中亲水基团上阳离子被H+所替代，导致高分子网格内离子浓度下降，使得高分子网格内外渗透压下降[15]，从而导致SAF和SAP吸水倍率下降，而在碱性溶液中则不会出现离子互换作用[16]，因此在酸性条件下SAF和SAP的吸水倍率均比在碱性条件下低。

图2 溶液PH对保水材料吸水倍率的影响

2.3 电解质溶液对保水材料吸水倍率的影响

由图3可知，SAF和SAP的吸水倍率均随NaCl浓度的增加呈现逐渐下降的变化趋势，且SAP吸水倍率下降趋势明显高于SAF吸水倍率的下降趋势。在NaCl溶液浓度大于1.5%时，SAF的吸水倍率要高于SAP的吸水倍率，如在浓度为3%时，SAF和SAP的吸水倍率分别为32.69 g·g-1和20.63 g·g-1。SAF和SAP的吸水倍率均与NaCl溶液浓度之间成负指数关系，SAF：yS=119.2e-0.33x，R2=0.716；SAPyB=165.0e-0.77x，R2=0.911。说明当NaCl溶液浓度超过1%后，SAF和SAP的吸水倍率均表现出明显的下降趋势。分析其原因，可用Flory离子网络理论得到解释[12，17-18]，SAF和SAP的吸水能力主要是由高分子网格内亲水基团和溶液中Na+被束缚在高分子网格内，在网格内外中形成一种渗透压进行吸水，而随着溶液Na+浓度的增加，渗透压减少，SAF和SAP的吸水能力也逐渐降低。

图3 NaCl溶液对保水材料吸水倍率的影响

2.4 保水材料在土壤中保水性能研究

LS、LB和LK中的土壤含水量均随时间的推移呈现逐渐下降的变化趋势，且均成对数关系，相关系数均达到0.9以上(图4)。在前期(1～3 d)3种不同措施中的土壤含水量下降趋势均比较快，而在后期(4～6 d)土壤含水量下降趋势逐渐趋于平缓。第1 d，在分别加入等量的水后，LS、LB和LK中的初始土壤含水量均不相同，其中LS中土壤含水量最高为65.12%，其次是LB中，含水量为55.66%，而LK中土壤含水量仅为45.44%，且差异性显著，P<0.05。表明LS和LB措施均能对过境水分起到有效的截留作用，但LS措施的截留效果要优于LB措施。从整体来看，在同一时刻中，不同措施中的土壤含水量排序均为：LS>LB>LK，如在第6 d LS、LB和LK中的土壤含水量分别为25.07%、15.19%和12.2%，且差异性明显，表明LS措施的保水性能要优于LB措施，对植物的水分需求起到一定的保障作用。

总体来说，LS措施吸水性能和保水性能要优于LB措施，分析其原因是在LS措施中，SAF土壤中成面状铺设，在自然条件下，当水下渗至纤维层时，超吸水纤维能够对雨水产生截留，使水分被超吸水纤维充分吸收，且当超吸水纤维吸收至饱和状态下，也能对下渗的雨水产生阻挡，使其缓慢下渗，被土壤充分吸收。有研究表明，超吸水纤维的耐压保水率较高，保水性能优良，而SAP的吸水速率主要受SAP的外形、颗粒大小和表面结构等因素影响[19-20]。本研究所采用的SAP为颗粒状，在未吸水状态下其粒径较小，对下渗的雨水的截留效果有限，对水分的吸收率较低，因此相比于LS措施，LB措施的保水效果较差。

注：LS为六棱砖+土壤+SAF；LB为六棱砖+土+SAP；LK为六棱砖+土壤图4 不同保水措施对土壤含水量的变化

3 结论

(1)SAF和SAP的饱和吸水倍率分别为150 g·g-1和233 g·g-1，其达到饱和吸水倍率所需的时间分别为15～20 min和180 min；在吸至饱和吸水倍率前，SAF的吸水效率要远高于SAP。

(2)在同一pH值条件下，SAP的吸水倍率均大于SAF的吸水倍率；SAF和SAP的吸水倍率均随pH值的增加呈倒“Λ”型变化趋势，在中性条件下可达到最高吸水倍率。

(3)随着NaCl溶液浓度增加，SAF和SAP的吸水倍率均呈逐渐降低的变化趋势，而在NaCl溶液浓度高于1.5%中，SAF的吸水倍率要高于SAP的吸水倍率。

(4)在室外试验中，SAF对入渗水的截留效果和保水性能均优于SAP，建议在实际建植应用中优先选用SAF作为保水材料，尤其是在边坡等不利于水分存储区，有利于建植植被的恢复。