膨润土-甘草渣复合材料保水效应

古丽娜尔·巴合提别克，王 瑛，苏金娟，王 梅，刘永萍，陆学良，楚光明

(1.新疆石河子大学农学院，新疆石河子 832000；2.新疆林科院造林治沙研究所，乌鲁木齐 830063； 3.新疆奇台县国平膨润土矿，新疆奇台 831800)

0 引 言

【研究意义】改良土壤结构及蓄水保肥能力的材料主要有绿肥、厩肥、腐植酸、泥炭、稻秆、菌渣等有机肥料，粘土、过磷酸钙、膨润土、沸石、粉煤灰、磷石膏等无机矿物，以及各种人工合成的保水保肥剂等[1，2]，其中膨润土因其独特的性能，已被应用于诸多领域中。【前人研究进展】膨润土是以蒙脱石为主要成分的层状硅酸盐黏土矿物，在中国储藏量丰富，价格低廉，遍布26个省市，储量世界第一，膨润土因其独特的性能，已被应用于诸多领域中。自然界中膨润土主要有钠基、钙基和酸基膨润土三种类型，其中钙基膨润土在我国占90%以上。虽然钠基在自然界中所占比例很小，但钠基膨润土的吸水率、膨胀容、阳离子交换量、分散性、胶质价、润滑性、触变性、粘结性、热稳定性等理化性质都明显优于钙基膨润土，而且钠基膨润土可以通过钙基膨润土的人工钠化改型深加工处理而制成[3-4]。钠基膨润土除可用于防水材料外，还可用于沙漠化治理、污水处理、生物给养、食品、药品、纺织、轻工、石油、冶金等各行业。当前钠基膨润土在农业上的作用主要包括以下方面：改良土壤、保水保肥、提高养分有效性[5]。由于钠基膨润土具有良好的粘结性、分散性、吸附性和离子交换性等以及多种微量元素，膨润土可以有效改良土壤理化性质。将膨润土和砂质土壤混合起来，可改变砂质土壤的松散状况，增加砂质土壤中有机无机复合体的数量，提高砂质土壤的持水能力，改善水分状况，提高砂质土壤的阳离子交换量和盐基饱和度，增加砂质土壤的保肥性能，防止土壤养分流失，且有利于砂质土壤中有机质的积累和转化[6，7]。膨润土与有机质同时施用，可同时提高两者的效用，增强土壤保持水肥的能力，提高土壤水分和养分的利用率。但把握好其用量对作物生长尤其重要，研究表明[8，9]，干旱地区棉田1 hm2施膨润土0.5～1 t，可有效降低土壤容重，提高棉田含水量，创造良好的保水保肥环境而不产生污染，并因而促进棉株生长发育，有利于物质积累棉花增产达4.8%～13.5%。栗印环等[10]研究膨润土用量对吸水倍率的影响，发现当保持交联剂用量为 0.09%，膨润土用量为30%，吸水倍率高达588 g/g，再增加膨润土用量 ，吸水倍率反而降低。程志强等[11]制备一种新型保水剂，发现丙烯酸与膨润土质量配比10∶1其吸蒸馏水倍率为高达890 g/g，也有学者用树叶纤维素、膨润土为原料，以丙烯酸、丙烯酰胺为单体，研究膨润土用量等工艺条件对吸水率的影响[12]。更多的是研究膨润土添加量、引发剂用量、交联剂用量对吸水率的影响[13]。这些保水产品一般为高分子聚合物。通常采用吸水性树脂或淀粉等材料人工合成，虽吸水性状极佳。但许多合成的保水保肥剂成本较高、耐盐性差且具有潜在的2次污染。例如聚丙稀酰胺(PAM)，虽然本身无毒，但降解过程中产生的丙稀酰胺是一种剧毒物质[14]。长期大量施用就可能影响到环境的安全性，造成土壤污染，甚至使植物中有毒物质累积。因此，天然、廉价、安全的保水保肥材料备受关注。【本研究切入点】新疆是我国甘草资源比较丰富的省区，主要进行甘草酸粉提取，每年产生上百万顿甘草渣，未能进行很好的处理，露天堆放既占用土地又污染环境[15]，除了甘草渣还有黄腐酸、甜菜、薰衣草渣等经济作物废弃残渣没有得到很好的处理。这些残渣含有多种丰富的营养元素，即氮、磷、钾及其他微量元素和有机质，用作肥料的载体施入土壤后，可以提高土壤肥力。研究加入不同配比膨润土、甘草渣材料的砂土基质的保水性能。【拟解决的关键问题】采用廉价易得并且无污染的甘草渣和具有良好的粘结性、分散性、吸附性和离子交换性的膨润土[16，17]，将二者按不同比例结合制成膨润土-甘草渣复合材料，对加入不同配比复合材料的砂土与纯砂土(CK)的保水能力进行综合对比分析，探讨最佳的配比方案。研究其保水效果，充分利用残留物质，发掘出了甘草废弃物新的可利用价值点。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年7～9月在石河子大学实验室进行，天然钠基膨润土取材于新疆奇台县国平膨润土矿，细度为80目；甘草渣采用新疆阿克苏农一师16团甘草膏厂的甘草产品的废弃物。表1

表1 供试样品基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested samples

1.2 方 法

1.2.1 吸水倍数

采用茶袋法。按照复合材料总重量占砂土10%、15%、20%做3组试验，每组试验按膨润土与甘草渣的重量比设计1∶1(T1)、1∶1.5(T2)、1∶2(T3)、1∶2.5(T4)4个处理和对照(CK)，每处理3次重复， 准确称取砂土 (采自新疆南疆地区)以及复合材料装入80目尼龙网袋(袋子长20 cm，宽15 cm)中。将装有各试样的尼龙网袋放入盛有蒸溜水的烧杯中，让其充分吸水24 h。之后将尼龙网袋吊起沥干，无水滴出时称取重量。按照如下公式计算各试样的吸水倍数：

Aw=(M2-M1-M0)/M1。

式中Aw为吸水倍数；M2为吸水后尼龙网袋与试样总重量；M1为试样重量，M0为尼龙网袋质量。

1.2.2 水分蒸发速率

按照复合材料总重量占砂土10%、15%、20%做3组试验，每组试验按膨润土与甘草渣的重量比设计1∶1(T1)、1∶1.5(T2)、1∶2(T3)、1∶2.5(T4)4个处理和对照(CK)，每处理3次重复。准备大小合适的土柱管，此次试验使用自制高40 cm，内径10 cm的PVC管，用80目的尼龙布封住底部。分别称取砂土和复合材料放入PVC管内，用来模拟耕层。表2～4

1.3 数据处理

试验所有数据均采用软件SPSS 12.0进行统计分析，Microsoft Excel2003和SigmaPlot进行数据处理和图表绘制。

表2 复合材料重量占砂土10%Table 2 The weight of the composite material accounting for 10% of the sand

表3 复合材料重量占砂土15%Table 3 The weight of the composite material accounting for 15% of the sand

表4 复合材料重量占砂土20%Table 4 The weight of the composite material accounting for 20% of the sand

通过加少量水来模拟试样在不充分吸水条件下的状态。向PVC管加入蒸馏水300 mL，在室温下静置一晚。次日上午称重，作为第1 d的数据。以后每天定时取出称重，至质量比较稳定时停止。

通过加大量水来模拟试样在充分吸水条件下的状态。在PVC管下套一大小合适的烧杯，用于承接渗漏液。向PVC管中加水600 mL，静置一晚，至PVC管己无水漏出。余下操作如前，至第23 d时停止。表5～7

表5 复合材料重量占砂土10%Table 5 The weight of the composite material accounting for 10% of the sand

表6 复合材料重量占砂土15%Table 6 The weight of the composite material accountings for 15% of the sand

表7 复合材料重量占砂土20%Table 7 The weight of the composite material accountings for 20% of the sand

2 结果与分析

2.1 复合材料吸水倍数特征

土壤水是植物吸水的主要来源，保水剂的水土保持功能与其保水、持水能力和增加土壤水分入渗速率密切相关[18]，且土壤吸水倍数、保水性能与土壤质地之间的关系密切[19]。

在复合材料重量占砂土10%处理中土壤颗粒间相互作用力较小，土壤较疏松，通透性较好，孔隙较大，导致砂质土壤蓄水力弱、保水能力差，吸水倍数仅为0.017 3。膨润土和甘草渣比例为1∶1即T1吸水倍数最高，约为CK的14倍；T2的吸水倍数最低，约为CK的12倍。T1～T4处理之间没有显著差异。表8

在复合材料重量占砂土15%的试验中土壤颗粒间相互作用力小，土壤比较疏松，通透性好，孔隙大，因此，土壤蓄水力弱、保水能力比较差，吸水倍数仅为0.008 4。膨润土和甘草渣比例为1∶1即T1吸水倍数最高，约为CK的25倍。T2吸水倍数最低，约为CK的21.86倍。T1～T4处理之间没有显著性差异。表9

在复合材料重量占砂土20%的试验中土壤颗粒间相互作用力小，土壤疏松，通透性好，孔隙大，导致砂质土壤蓄水力弱、保水能力很差，所以吸水倍数仅为0.002 7。膨润土和甘草渣比例为1∶1.5即T2吸水倍数最高，约为CK的53倍。T3吸水倍数最低，约为CK的33倍。T1和T4的吸水倍数显著高于T3，T4介于T1、T4和T3。

在复合材料重量占砂土10%、15%、20% 3组试验里复合材料重量占砂土20%的土壤吸水倍数相比其他2个组有较大差异，且膨润土和甘草渣比例为1∶1.5吸水倍数最高，同T1不显著。表10

表8 复合材料重量占砂土10%时不同试样吸水倍数Table 8 Different sample absorbent multiples of the weight of the composite material accounting for 10% of the sand

表9 复合材料重量占砂土15%时不同试样吸水倍数Table 9 Different sample absorbent multiples of the weight of the composite material accounting for 15% of the sand

表10 复合材料重量占砂土20%时不同试样吸水倍数Table 10 Different sample absorbent multiples of the weight of the composite material accounting for 20% of the sand

2.2 不充分吸水条件下的水分蒸发速率

研究表明，混有复合材料的砂土与一般纯砂土在吸水倍数上的差异很大，也导致在相同的灌溉条件下，混有复合材料的砂土的吸水状态与纯砂土有较大差异。

随着时间的推移，各处理的含水量都呈下降趋势。在T1～T4处理中T2处理含水量最高，T4处理含水量最低，第3 d开始 T1～T4处理含水量显著高于CK处理，且随着时间的推移差异在不断扩大，并且T1～T4处理差异不显著，CK的水分持续下降，而T1～T4曲线变化较缓，水分蒸发速率较低，起到保水作用。 表11，图1

表11 复合材料重量占砂土10%不充分吸水状态下每日水分含量Table 11 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 10% of the sand(g)

研究表明，随着时间的推移，各处理的含水量都呈下降趋势，刚开始CK处理含水量显著高于其他处理，从第4 d开始CK的水分持续下降，其他处理保水效果依次为T3>T1>T2>T4，第14 d开始 T1、T3处理含水量差异不显著且显著高于其他处理，并且T1、T3曲线变化较缓，水分蒸发速率较低，起到保水作用。其次为T2处理，T4同CK水分持续下降，但是曲线变化较缓，水分蒸发速率低于CK。表12，图2

表12 复合材料重量占砂土15%不充分吸水状态下每日水分含量Table 12 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 15% of the sand(g)

研究表明，随着时间的推移，各处理的含水量都呈下降趋势。从第4 d开始各处理保水效果依次为T2>T3>T4>T1>CK，T2处理含水量显著高于其他处理，曲线变化较缓，水分蒸发速率较低，保湿性能强，其他含水量较高的T3、T4、T1处理也表现出较为明显的保水作用。表13，图3

表13 复合材料重量占砂土20%不充分吸水状态下每日水分含量Table 13 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 20% of the sand(g)

2.3 充分吸水条件下的水分蒸发速率

研究表明，由于各处理吸水倍数的不同，前5 d T1、T3、T4处理初始含水量显著高于T2处理与CK、CK水分蒸发速率略低于T2处理。从第6 d开始，CK处理含水量持续下降，并随着时间的推移，差异越来越显著，T1、T3、T4差异不显著并均高于T2处理，但T2同T1、T3、T4趋势较缓，蒸发速率很低，保湿效果比较好。表14，图4

随着时间的推移，各处理的含水量都呈下降趋势，T1处理含水量显著高于其他处理，其次为T4处理。T1处理含水量趋势较缓，有很强的保湿性。第6 d开始，CK处理显著低于其他处理，水分持续下降，到第19 d时，CK水分含量已接近0，已经接近土壤萎蔫系数，保水能力太差。 表15，图5

由于各处理吸水倍数的不同，T2处理含水量始终显著高于T1、T4、T3处理与CK、虽T4处理含水量较高于CK处理，但是水分蒸发速率较T1～T3均比较低，保湿性能差。表16，图6

表14 复合材料重量占砂土10%充分吸水状态下每日水分含量Table 14 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 10% of the sand(g)

表15 复合材料重量占砂土15%充分吸水状态下每日水分含量Table 15 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 15% of the sand(g)

表16 复合材料重量占砂土20%充分吸水状态下每日水分含量Table 16 Water content of different treatments on unsaturated water conditions under the weight of the composite material accounting for 20% of the sand(g)

3 讨 论

利用吸水性较强的膨润土和天然、廉价、安全的甘草废弃物，制备了保水性复合材料；充分开发利用甘草残渣资源，发掘出了甘草废弃物新的可利用价值点，为甘草资源的进一步开发利用和农田保水方向上的应用提供一定的理论参考。

膨润土pH为7.83呈弱碱性，不适宜直接栽种作物，甘草渣的pH接近中性，它的加入可有效调节膨润土的酸碱度，使膨润土能够被更合理的利用；复合材料重量占砂土10%～20%所有处理组吸水倍数较纯砂土高出约11～52倍，其中复合材料重量占纯砂土20%吸水倍数相比其他2个组有较大差异，其T1～T4处理组吸水倍数高达30～50倍，并且膨润土和甘草渣比例为1∶1和1∶1.5时吸水倍数高达50多倍；土壤在充分吸水条件下，所有处理组中吸水性由高到低依次为20%>15%>10%，复合材料重量占砂土20%的T2处理含水量始终显著高于其他处理。所以综合考虑土壤在充分吸水条件下的吸水性、保湿性，在配比上选择使用膨润土和甘草渣总重量占砂土20%，并且膨润土与甘草渣质量比1∶1.5最优。但在不充分吸水条件下，前10 d复合材料水分蒸发速率较砂土有所下降，施用于作物种子发芽初期很难充分显示其保水作用，影响作物后期正常生长。但在充分吸水的条件下，复合材料则能长时间保持较高的水分含量。在实际应用中，要充分发挥复合材料的保水性能，需要加大灌溉量。在市面上有各类保水剂，比如程志强等[11]研究发现丙烯酸与膨润土质量配比10∶1其吸蒸馏水倍率为高达890 g/g，更多学者研究膨润土添加量、引发剂用量、交联剂用量等工艺条件对吸水率的影响[13]。然而，这些保水产品一般为高分子聚合物。通常采用吸水性树脂或淀粉等材料人工合成，虽吸水性状极佳，但许多合成的保水保肥剂成本较高、耐盐性差且具有潜在的2次污染，而此次保水剂不但有较高的保水性能而且甘草可再生、可降解。

研究正处于初级阶段，只研究了天然钠基膨润土-甘草渣复合材料的吸水、保水性能，在后期有必要深入研究该复合材料养分释放性能以及保肥能力；也可以加入其他棉花等作物秸秆、生物肥料等材料与钠基膨润土-甘草渣复合制备保水、保肥或缓释的产品，有望被广泛应用于现代农林业中。目前评价此复合肥料的保水效果研究主要局限于室内试验，今后还需开展盆栽或大田试验来评价钠基膨润土复合产品在农林业上的应用效果和前景。

4 结 论

4.1 复合材料的EC值较膨润土有大幅降低，甘草渣的加入使碱性膨润土有效调节酸碱度，使膨润土能够被更合理的利用。

4.2 复合材料占砂土20%T1、T2组吸水倍数高达50～52倍，吸水性最强，满足作物生长所需的水分要求。

4.3 在充分灌溉条件下，复合材料重量占砂土20%T2处理吸水量较高，保水能力最佳，同复合材料重量占砂土15%T1处理差异不显著。

4.4 在水分短缺的环境下，复合材料重量占砂土20%的T2、T3组蒸发最慢，持水能力最佳。