废旧聚丙烯纤维片材在预防土壤盐碱化中的应用

魏俊富，王 迪，邹凯健，张 环，孔志云

（1.天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387；2.天津工业大学 环境科学与工程学院，天津 300387；3.天津工业大学 纺织行业土壤治理用纺织材料实验室，天津 300387；4.天津工业大学 化学与化工学院，天津 300387；5.天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387）

盐碱土地是重要的潜在土地资源，全球范围内受到盐渍化危害的土壤面积达到8.31亿hm2[1]，且全球盐碱地面积正以每年1%的速度增加。全球每天约有2 000 hm2土地受到盐渍土的危害。我国是世界上第四大盐碱地国家，盐碱地面积约有3 600万hm2，占全国土地面积的5%左右[2-3]。

盐碱土壤形成的实质是土壤中的盐水向上迁移、水分蒸发后盐分在地表积聚而形成的危害植物生长的土地退化类型[4]。水利改良是盐碱地修复的主要方式之一，通过灌溉促使土壤盐水向深层土壤迁移，能使根生区土壤形成一个良好的脱盐区[5-6]。国内外学者不断完善灌溉与排水技术，世界范围内已经有3.0×108hm2的耕地应用上了灌溉排水技术[7-9]。

土壤中的毛细作用是水盐运移的主要途径之一[10]。上下两层土壤中出现透水性较差的夹层时，会产生土壤毛细屏障，阻断土壤水盐的毛细迁移[3，11-16]。在土壤修复工作中，人工毛细屏障得到广泛的研究，一些学者建议植物种植前在底土中铺设植物秸秆、塑料板、粗砂、砾石层等作为土壤屏障以减弱水分蒸发，降低水盐向地表的迁移，减少根生区土壤盐分的积累[17-19]。

本研究采用室内土柱试验的方法，利用废旧聚丙烯纤维片材预防土壤盐碱化的发生，探究不同聚丙烯纤维片材阻隔层对土壤水盐运移的影响，对比3种聚丙烯纤维片材铺设对土壤盐分分布的影响，旨在寻找出一种预防土壤盐碱化、保护修复后的盐碱土壤的有效方法。

1 实验部分

1.1 材料与方法

实验用土取自天津市西青区，该区域属于暖温带大陆性季风性气候，降雨量多集中在6—9月份，春季为返盐的高峰季节[20]。取样时间为2018年1月份，采样深度为5～40 cm，土壤样品为黄色壤土，平均容重（环刀法）为1.54 g/cm3，表层土壤平均含水率为12.5%。提取土壤溶液上清液（土水比1∶5），用电导率仪测定土壤电导率为0.405 mS/cm。土壤的预处理是将土壤放置于通风干燥室内阴干15 d左右。将干燥后的土壤人工磨碎，除去杂物后过2 mm筛后备用。本实验采用3种不同二维聚丙烯材料，分别为聚丙烯非织造布（PPN）和2种克重不同的聚丙烯扁平丝材料（H-PPF、LPPF），各种材料物理性质如表1所示。

表1 各种聚丙烯材料的物理性质Tab.1 Physical properties of variouspolypropylene materials

1.2 实验设计

土柱选用长50 cm、直径16 cm的硬质PVC塑料管。首先在土柱下层利用100目的尼龙网以及石砾制成反滤层，再将经预处理后的供试土壤搅拌均匀，填充土柱时根据田间土壤实际密度分层填充，控制模拟土柱的土壤密度为1.32g/cm3。图1为实验装置示意图。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

图1中，土柱填充20 cm时铺设4种隔离层，之后再将50 cm土柱填完整。土柱进行4种方式处理，未进行任何铺设作为对照（C0）、铺设聚丙烯非织造布（PPN）、铺设较厚聚丙烯编织袋（H-PPF）、铺设较薄聚丙烯编织袋（L-PPF），编织袋材料如图2所示。土柱填充完毕后置于高浓度盐水中进行浸泡，模拟地下水自运输状态。

图2 聚丙烯材料Fig.2 Polypropylene material

1.3 测试方法

土壤含盐量地的测定∶以土壤浸出液（水土比为5∶1）表示土壤的含盐量。取经过风干后的样品，粉碎过筛后用超纯水制备水土比为5∶1土壤浸提液，用梅特勒电导率仪FE30测定土壤电导率。测试频率为7、21、42、63、260、360、460、560 d。为避免实验误差，每个处理样品重复3次。

土壤水分的测定：采用差重法测量土壤含水量，取土壤样品置于铝盒中置于105℃鼓风烘箱中，加热至恒重，测量土壤的含水量。另取一批土壤装置，采用探头式土壤水分仪测定土壤的含水量，以便于土柱水分变化的长期观测。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯材料铺设对土壤含盐量的影响

土壤的总含盐量是量化土壤盐碱化的指标之一，土壤提取液（水土比为5∶1）的电导率与土壤盐碱存在良好的线性关系。本研究所用土壤提取液电导率的背景值为0.405 mS/cm，以聚丙烯材料为填充材料。图3所示为不同填充材料下土壤提取液的电导率变化。

图3 不同填充材料下土壤提取液的电导率变化Fig.3 Change of conductivity of soil extract with different filling materials

由图3（b）可知，4种不同的处理措施中土柱下层土壤的电导率变化的趋势相同，随着浸泡时间的增加逐渐增加至平衡状态，当浸泡天数为42 d时，下层土壤含盐量达到平衡状态时土壤提取液电导率为4.25 mS/cm左右。浸泡天数超过42 d后，土壤的含盐量变化较小。由图可知，聚丙烯材料的铺设不影响下层土壤毛细孔径中的水盐运移。

从图3（a）可知，以聚丙烯非织造布为阻隔材料时，土柱上层土壤电导率的值无明显变化稳定在背景值左右，但是电导率值有微量增加，可能是由于大气中粉尘中所携带的易容性盐离子，在土柱表层沉积所导致。以厚度不同的2种聚丙烯编织袋为阻隔材料时，在土柱浸泡前7 d的时间内，对于土壤水盐的运移有一定的影响，上层土柱电导率上升至0.51 mS/cm，对照组上层土壤电导率上升至0.82 mS/cm。7 d之后聚丙烯扁平丝编织材料阻隔效果逐渐消失在42 d时与对照组上层土壤电导率相似达到8.7 mS/cm左右，聚丙烯编织袋的阻隔效果消失。聚丙烯编织袋的孔径在185.6μm以上，在7 d后随着上下层土壤毛细孔径逐渐形成，在土柱内上下层土柱间形成了连续的水盐运移机制。实验结果表明聚丙烯非织造布对土壤运移有阻隔作用且在2 a时间内效果稳定，孔径较大的聚丙烯编织袋难以有效阻隔土壤水盐运移。

2.2 聚丙烯材料的铺设对土壤中水分分布的影响

2.2 .1 聚丙烯材料铺设对土壤含水量的影响

在盐碱地的修复历史中，科研工作者总结出“盐随水来，盐随水去”的运移规律，土壤水分的变化规律是土壤盐分变化的决定性因素。实验中土柱填充的土壤含水质量分数为5%左右。不同填充材料下的土壤含水量如图4所示。

图4 不同填充材料下的土壤含水量Fig.4 Water content of soil with different filling materials

由图4可知，聚丙烯非织造材料作为阻隔材料的土柱上下层土壤水含量差别较大，上层土壤含水量维持在7%左右，含水量略有增加可能是土柱内水蒸气的流动导致；土柱下层的土壤含水量在浸泡的42 d内逐渐增加至稳定值含水量约为35%左右。聚丙烯编织的土柱的上下层土壤含水质量分数和对照组上下层土壤含水量增速类似，土柱上下层土壤含水量逐渐增加至以平衡值后稳定，上层土壤含水量较下层土壤含水量较高，主要原因是土壤田间持水量与土壤的孔隙率相关，下层土壤受到挤压，降低了土壤持水量。

由图3、图4可知，土壤水分的变化与土壤盐分增加规律相似，与科研工作者所总结的规律相同。聚丙烯扁平丝材料作为阻隔土壤的材料，由于孔径较大导致水分向上转移，从而难以有效预防土壤盐碱化。

2.2 .2 聚丙烯非织造布铺设对土壤含水量的长期影响

由图4可知聚丙烯非织造布由于其自身的孔径较小和疏水性，能够阻断土壤水分的运输，对比图3可知土壤水分和盐分的累计具有相似的规律。为了探究聚丙烯非织造布在土壤应用过程中的长期性能，本研究将土柱浸泡时间延伸至560 d，其土壤水分运移规律如图5所示。

图5 聚丙烯非织造布处理土柱不同部位间土壤含水量的对比Fig.5 Comparison of water content of soil at different parts of soil column treated by polypropylenenonwovens

由图5可知，聚丙烯非织造布作为土壤阻隔材料的土柱在浸泡周期内，上下两层持水能力相差较大，能较好地预防土柱上层土壤盐碱化。对照组与实验组下层土壤的含水量变化规律相似，在稳定的区间内上下浮动，2组下层土壤含水质量分数维持在42%左右。实验组与对照组上层土壤的含水量相差较大，实验组上层土壤含水质量分数稳定在15%以下，对照组土壤含水质量分数则在42%左右，土壤含水量上下浮动较大，其原因主要是受气候因素的影响。

2.3 聚丙烯材料铺设对土壤生产力的影响

在560 d的土柱浸泡处理后，对上层土壤灌溉补水至田间持水量后，种植农作物（以小麦为例）。种植结果如下：对照组土壤小麦出芽率为0，原土小麦出芽率为90%，实验组上层土壤小麦生长状况良好，小麦出芽率为85%，且与原土植物生长周期相似，株高类似。实验结果表明，聚丙烯材料的铺设对土壤生产力的影响较小。

3 结论

（1）聚丙烯非织造布能够形成土壤毛细屏障阻隔土壤水盐通过土壤毛细运输。试验周期内，铺设聚丙烯非织造布土柱上层土壤电导率为0.61 mS/cm，与对照组表层土壤电导率31.8 mS/cm相比，能有效预防土壤盐碱化，对修复后土壤的理化性质具有保护作用，而且能够长期使用。

（2）聚丙烯非织造布能够形成土壤毛细屏障阻隔土壤水盐通过毛细运输，能有效预防土壤盐碱化，对修复后土壤的理化性质具有保护作用，而且能够长期使用。

（3）聚丙烯材料在土壤中形成土壤毛细屏障，与其自身的理化性质有关，起主导作用的是材料的疏水性和材料的针织密度，同一材料的聚丙烯无纺布由于材料的孔径较大，难以形成土壤毛细屏障，不能有效预防土壤盐碱化。

（4）长期铺设聚丙烯非织造布的土柱内土壤的生产力没有显著的变化，实验组上层土壤的植物生长状况与原土的的植物生长状况类似。