農(nóng)林學類論文-保水劑及其在巖石邊坡生態(tài)恢復中的應用.doc

農(nóng)林學類論文-保水劑及其在巖石邊坡生態(tài)恢復中的應用論文作者：李阿根徐禮根劉艷廖乾旭陳小紅摘要：保水劑是一種人工合成的具有超強吸水、保水能力的高分子聚合物，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應用，也是恢復巖石邊坡植被與生態(tài)環(huán)境的重要材料之一。本文對保水劑的定義、分類、吸水原理、特點與使用方法進行了介紹，并對保水劑在巖石邊坡植被重建和生態(tài)防護中的應用進行了重點綜述和討論，供工程技術人員參考。關鍵詞：保水劑邊坡綠化植被重建生態(tài)修復0、引言中國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，水土流失面積達356萬km2，占國土面積的37%。目前，全國宜治理的水土流失面積仍有200萬平方公里，按現(xiàn)在的治理速度，需要半個世紀的時間才能得到初步治理1。并且，公路、鐵路、礦山、水利等工程建設及人類其他活動不斷造成大量裸露的巖土邊坡，導致新的水土流失，植被難以生長。迫切需要用新的生態(tài)恢復方法對這些邊坡進行有效的治理。上世紀九十年代開始，相繼從國外引進的客土噴播、厚層基材、噴混植生等現(xiàn)代邊坡復綠技術為治理這些巖石邊坡提供了可能，并且在工程實踐中取得了較大的成功。這些邊坡復綠技術與傳統(tǒng)生態(tài)恢復方法相比，大大提高了邊坡基質的附著、保水和吸水能力，使植物在嚴酷的邊坡上得以生長。而在邊坡基質中提高保水、吸水能力的主要靠的是保水劑。然而，當前許多技術人員與施工人員對保水劑在認識上還存有模糊和偏見：有將保水劑當“萬金油”的，也有認為“保水劑根本沒有用”的。為了給有關人員提供參考，本文就對保水劑的定義、分類、特點和使用方法，特別是在巖石邊坡生態(tài)恢復上的應用進行了綜述。1、保水劑的定義保水劑由日文變換而來，英文名稱為Water-retentionagent。首先由美國農(nóng)業(yè)部北方研究所于1974年7月制取淀粉-丙烯腈接枝聚合得到吸自重約1000倍水的聚合物而令世人注目。實際上，在這之前為抗旱的需要，美國科學家已相繼開發(fā)了聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羥乙酯等土壤保水劑。由于只能吸自重的20-30倍水，售價又高，只是在園林方面有少量應用2。此后以日本為舞臺的吸水聚合物研發(fā)突飛猛進，很快大量應用于生理衛(wèi)生用品等行業(yè)。由淀粉接枝轉為以交聯(lián)聚丙烯酸鈉為主的高吸水性樹脂（英文為SuperabsorbentPolymers，簡寫為SAPs）產(chǎn)業(yè)壯大起來。高吸水性樹脂是一個大概念，保水劑是其一份子。從土壤學的角度看，交聯(lián)聚丙烯酸鈉顯然不能拌土而大量用于農(nóng)林業(yè)。故而保水劑的定義是能大量應用于農(nóng)林業(yè)對土壤乃至生態(tài)無害，反而能改良土壤的一類高吸水性樹脂。由于現(xiàn)實生活中從事化工業(yè)的人員好多并不大懂農(nóng)林業(yè)，特別是土壤學方面的專業(yè)知識,而農(nóng)林專家大多又不深懂化工，造成特別是象中國這樣一個對產(chǎn)品成分神秘化的國家對保水劑的認識有許多誤解。2、保水劑的分類如上所述，保水劑是高吸水性樹脂SAPs中的一類，并非所有吸水劑都可作為保水劑。SAPs分類一般由其組成及合成方法來分，也有從其不溶性方法或親水性方法、產(chǎn)品形態(tài)來區(qū)分。根據(jù)其組成成分為：纖維素系、淀粉系、合成樹脂系，進而按淀粉系和纖維素系分為接枝聚合和羧甲基（CM）化，見表1。按原料a）淀粉類：接枝聚合CM化b）纖維素類：接枝聚合CM化c）合成樹脂類：聚丙烯酸鹽類、聚丙烯酰胺類聚乙烯醇類、聚氧化乙烯類按不溶化方法a）接枝聚合b）與交聯(lián)劑的共聚c）水溶性聚合物三維結構化d）自身交聯(lián)聚合e）放射線輻射f）結晶構造的引入接親水性方法a）親水性單體的聚合b）疏水性單體的CM化反應c）在疏水性聚合物中進行親水性單體的接枝反應d）腈基、酯基的加水分解反應按產(chǎn)品形態(tài)a)球形（橢球形）/顆粒/粉末/細末b)片狀c)纖維狀表1.高吸水聚合物的分類Table1classficationofhighwater-retentionagent上述三個系列都可作為保水劑，日本三洋公司淀粉接枝系保水劑仍在用于水稻旱育秧，但由于它和纖維素系產(chǎn)品都有諸如易發(fā)酶和易分解等局限性，用量不大。合成系中，除聚丙烯酸鈉（此類產(chǎn)品已占SAPs世界銷量的95%以上）不能用作保水劑外，包括聚丙烯酸鉀在內(nèi)的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯均可作為保水劑，但真正有規(guī)模用量的只有聚丙烯酰胺3-4。目前，產(chǎn)業(yè)化的保水劑基本是聚丙烯酰胺和淀粉接枝型，以前者使用最為廣泛，由于壽命長，更多用于園林綠化和生態(tài)恢復。3、保水劑與一般SAPs的差別保水劑在合成原料、性能及形態(tài)上與生理衛(wèi)生用的聚丙烯酸鈉SAPs有明顯區(qū)別。在合成原料方面，丙烯酸鹽是極為活潑的聚合單體，為羧基團，呈離子性，其聚合交聯(lián)物吸水能力和速率最強，耐鹽和穩(wěn)定性較差，壽命短。如果其鹽完全是鈉型的，對植物和土壤帶來不利。淀粉是天然高分子，便宜但易于降解，其吸水能力較丙烯酸鹽差。丙烯酰胺是具極性而相對惰性的單體，其聚合物吸水倍率較聚丙烯酸鹽差，但穩(wěn)定性和耐鹽性好，且還有更好的凝膠強度。丙烯酰胺-丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物即簡稱為聚丙烯酰胺的保水劑就是綜合了上述成分的特點優(yōu)化組合的結果。由于鉀較鈉貴得多，丙烯酸鹽可能是鉀型，也可能是鈉型，當然鉀更好。鈉在一定含量下尚可使用5。參簡圖1。圖1：丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聯(lián)共聚物型保水劑分子結構Fig.1Structureofacrylamide-potassiumacrylatecrosslinkedpolymers在性能方面，保水劑要求不易分解，通俗地講是不易水化，要多次重復吸放水，而一般SAPs只要一次吸水。在形態(tài)方面，一般SAPs是粉末，而保水劑追求的是顆粒，拌土是其主用途。顆粒狀由于比表面小，保水性好，更能為土壤和植物根系“雪中送炭”。對土壤更能提高透氣性，反復吸放水的次數(shù)要多，壽命也長。4、保水劑的吸水原理保水劑的吸水原理相同于一般SAPs，是高分子電解質分子鏈在水中酰胺基和/或羧基團同性相斥使分子鏈擴張力和由于交聯(lián)點的限制分子鏈的擴張力而相互作用而成的。見圖2。以聚丙烯酰胺為例，保水劑會有大量酰胺和羧基親水基團，利用樹脂內(nèi)部離子和基團與水溶液相關成分的濃度之差產(chǎn)生的滲透壓及高分子電解質與水的親和力而可大量吸水直至濃度差消失為止。而控制保水劑達到令人滿意吸水程度的是橡膠彈力。分子結構交聯(lián)度越高，橡膠彈力越強，而橡膠彈力和吸水力的平衡點即是其表觀吸水能力。圖2：溶脹凝膠的模型圖Fig.2Modelofswellinggel由于分子結構交聯(lián)，分子網(wǎng)絡所吸水分不能用一般物理方法擠出而起到保水作用。見圖3。圖3保水劑呈網(wǎng)狀結構，通過滲透壓和親水基團將水分子吸入網(wǎng)格而保水Fig.3thenet-structureofwater-retentionagentandwaterareabsorbedbyosmoticpressureandhydrophilicgroup由此，同樣組成的聚合物交聯(lián)度越低，吸水倍率相對越高，其保水性、穩(wěn)定性和凝強度就越低，反之亦然。所以，國際上對于使用周期較長的保水劑自然需要較高的交聯(lián)度，并不追求高吸水倍率和速率。以聚丙烯酰胺為例，其表觀倍率并不高，吸水速率也依粒徑不同差別很大，凝強度高的保水劑吸水后有一定形狀，不易解體，利于土壤透氣，吸放水可逆性好。因為保水劑一般摻入地下5至15厘米，故國際上現(xiàn)在更強調加壓下的吸水倍率。依粒徑不同，聚丙烯酰胺型吸純水倍率150300。5、保水劑的特點保水劑不同于一般樹脂，也不是以單體形式出現(xiàn)。它既不會燃燒、爆炸，也無毒、無腐蝕性，也不溶于水。發(fā)達國家農(nóng)業(yè)和環(huán)境機構均已認證通過，且其實際應用已有30年。保水劑表觀吸水倍率與加壓下的吸水倍率有明顯區(qū)別，且隨著水中離子濃度的升高而吸水倍率明顯降低，特別是Ca2+、Mg2+對吸水有永久性影響。但并不等于說有上述離子不能用，而是其吸水功效降低了。加壓下的吸水倍率才是保水劑最主要的指標。因為此時所吸水的大部分能被土壤和根系利用。保水劑所吸水一是通過水勢平衡出來，二是通過植物超過16巴的根抽力而釋放，緩釋性由此體現(xiàn)。此時雨水和灌溉水的利用率大大提高6。不管是水還是溶于水的東西，諸如肥料、農(nóng)藥、生根劑，甚至冷熱量都能在保水劑分子網(wǎng)格貯存而緩釋。因此可以提高相關物質的利用率，特別是肥料和農(nóng)藥均可減少流失，環(huán)境污染相對減輕。由于保水劑有活化磷的功能和緩釋生根劑，更可促根，故使用保水劑后，根系尤為發(fā)達，特別是須根。由于保水劑吸存大量水，減少了土壤環(huán)境溫度的變化，還具一定的保溫作用，即夏日降溫，冬季保溫7-8。保水劑反復的收縮與吸脹給土壤造成大量的孔隙，提高了土壤的透氣性、透水性，改善了根際環(huán)境，同時也增強了根際微生物的活動，加快了根際周圍有機礦物質的分解，有利于根系吸收，促進了根系和植物的生長發(fā)育，改良了土壤基質，防止土壤板結9。6、保水劑的使用方法常用保水劑有無定型顆粒、粉末、細末，片狀和纖維狀，在國內(nèi)使用的只有聚丙烯酰胺型的顆粒、粉末和細末。相對應的方法有拌土、拌種或包衣和沾根。拌土又可分為直接拌土和復配拌土，復配拌土又可引出噴播。直接拌土一般是種樹，采用原始粒徑在2-4mm，4-6mm的顆粒，以0.1%干重拌于有效根系周圍。復配拌土既可采用上述顆粒，也可采用0.85-2mm和粉末的0.3-0.85mm兩個粒徑。噴播表層時采用粉末保水劑，噴播內(nèi)層時最好采用0.85-2mm顆粒，此規(guī)格保水劑有更好的保水性，更長壽命，更好的透氣性。一旦遇高溫干旱，土壤不易板結。0.1%拌土可節(jié)水50%-70%，節(jié)肥30%以上。拌種和包衣在環(huán)境治理中可隨草種、灌木種撒播、飛播，可為種子提供一個小水庫，使種子早發(fā)芽，有利于出苗和壯苗。沾根是簡單的方法，把超過50目細末放于溶有生根粉的水中攪拌20分鐘，裸根苗浸上30秒可使裸根苗長途運輸，減少脫水而縮短緩苗期，提高成活率15%-20%。7、保水劑在巖石邊坡生態(tài)恢復中的應用新材料、新技術的使用使巖石邊坡的生態(tài)恢復成為可能。一系列現(xiàn)代植被重建和生態(tài)修復中所用的噴播技術如客土噴播、厚層基材、噴混植生等工藝都將保水劑作為主要的保水組分。在巖石邊坡的植樹造林中也廣泛使用保水劑。由于陡峭的巖質邊坡，土層瘠薄或土層不發(fā)育，水分不易保存，植物難以生根發(fā)芽，用保水劑混合植物種子播種，結合其他土壤穩(wěn)定技術，可以提高邊坡土壤的存水量，使植物能夠正常生長，并能夠減少灌溉用水量和提高植物的抗逆能力。張俊云等（2001）采用包含保水劑的厚層基材工藝對巖石邊坡進行復綠取得了成功10；陳永安等（2005）