保水剂及其在岩石边坡生态恢复中的应用.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除保水剂及其在岩石边坡生态恢复中的应用天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632摘要：保水剂是一种人工合成的具有超强吸水、保水能力的高分子聚合物，在工农业生产上得到广泛应用，也是恢复岩石边坡植被与生态环境的重要材料之一。本文对保水剂的定义、分类、吸水原理、特点与使用方法进行了介绍，并对保水剂在岩石边坡植被重建和生态防护中的应用进行了重点综述和讨论，供工程技术人员参考。 关键词：保水剂 边坡 绿化 植被重建 生态修复 0、引言中国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面积达356万km2，占国土面积的37%。目前，全国宜治理的水土流失面积仍有200万平方公里，按现在的治理速度，需要半个世纪的时间才能得到初步治理1。并且，公路、铁路、矿山、水利等工程建设及人类其他活动不断造成大量裸露的岩土边坡，导致新的水土流失，植被难以生长。迫切需要用新的生态恢复方法对这些边坡进行有效的治理。上世纪九十年代开始，相继从国外引进的客土喷播、厚层基材、喷混植生等现代边坡复绿技术为治理这些岩石边坡提供了可能，并且在工程实践中取得了较大的成功。这些边坡复绿技术与传统生态恢复方法相比，大大提高了边坡基质的附着、保水和吸水能力，使植物在严酷的边坡上得以生长。而在边坡基质中提高保水、吸水能力的主要靠的是保水剂。然而，当前许多技术人员与施工人员对保水剂在认识上还存有模糊和偏见：有将保水剂当“万金油”的，也有认为“保水剂根本没有用”的。为了给有关人员提供参考，本文就对保水剂的定义、分类、特点和使用方法，特别是在岩石边坡生态恢复上的应用进行了综述。天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：1755696321、保水剂的定义保水剂由日文变换而来，英文名称为Water-retention agent。首先由美国农业部北方研究所于1974年7月制取淀粉-丙烯腈接枝聚合得到吸自重约1000倍水的聚合物而令世人注目。实际上，在这之前为抗旱的需要，美国科学家已相继开发了聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羟乙酯等土壤保水剂。由于只能吸自重的20-30倍水，售价又高，只是在园林方面有少量应用2。此后以日本为舞台的吸水聚合物研发突飞猛进，很快大量应用于生理卫生用品等行业。由淀粉接枝转为以交联聚丙烯酸钠为主的高吸水性树脂（英文为Superabsorbent Polymers，简写为SAPs）产业壮大起来。高吸水性树脂是一个大概念，保水剂是其一份子。从土壤学的角度看，交联聚丙烯酸钠显然不能拌土而大量用于农林业。故而保水剂的定义是能大量应用于农林业对土壤乃至生态无害，反而能改良土壤的一类高吸水性树脂。由于现实生活中从事化工业的人员好多并不大懂农林业，特别是土壤学方面的专业知识, 而农林专家大多又不深懂化工，造成特别是象中国这样一个对产品成分神秘化的国家对保水剂的认识有许多误解。2、保水剂的分类如上所述，保水剂是高吸水性树脂SAPs中的一类，并非所有吸水剂都可作为保水剂。SAPs分类一般由其组成及合成方法来分，也有从其不溶性方法或亲水性方法、产品形态来区分。根据其组成成分为：纤维素系、淀粉系、合成树脂系，进而按淀粉系和纤维素系分为接枝聚合和羧甲基（CM）化，见表1。按原料a）淀粉类：接枝聚合 CM化b）纤维素类：接枝聚合 CM化c）合成树脂类：聚丙烯酸盐类、聚丙烯酰胺类 聚乙烯醇类、聚氧化乙烯类按不溶化方法a）接枝聚合b）与交联剂的共聚c）水溶性聚合物三维结构化d）自身交联聚合e）放射线辐射f）结晶构造的引入接亲水性方法a）亲水性单体的聚合b）疏水性单体的CM化反应c）在疏水性聚合物中进行亲水性单体的接枝反应d）腈基、酯基的加水分解反应按产品形态a) 球形（椭球形）/颗粒/粉末/细末b) 片状c) 纤维状表1. 高吸水聚合物的分类Table 1 classfication of high water-retention agent上述三个系列都可作为保水剂，日本三洋公司淀粉接枝系保水剂仍在用于水稻旱育秧，但由于它和纤维素系产品都有诸如易发酶和易分解等局限性，用量不大。合成系中，除聚丙烯酸钠（此类产品已占SAPs世界销量的95%以上）不能用作保水剂外，包括聚丙烯酸钾在内的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯均可作为保水剂，但真正有规模用量的只有聚丙烯酰胺3-4。目前，产业化的保水剂基本是聚丙烯酰胺和淀粉接枝型，以前者使用最为广泛，由于寿命长，更多用于园林绿化和生态恢复。3、保水剂与一般SAPs的差别保水剂在合成原料、性能及形态上与生理卫生用的聚丙烯酸钠SAPs有明显区别。在合成原料方面，丙烯酸盐是极为活泼的聚合单体，为羧基团，呈离子性，其聚合交联物吸水能力和速率最强，耐盐和稳定性较差，寿命短。如果其盐完全是钠型的，对植物和土壤带来不利。淀粉是天然高分子，便宜但易于降解，其吸水能力较丙烯酸盐差。丙烯酰胺是具极性而相对惰性的单体，其聚合物吸水倍率较聚丙烯酸盐差，但稳定性和耐盐性好，且还有更好的凝胶强度。丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物即简称为聚丙烯酰胺的保水剂就是综合了上述成分的特点优化组合的结果。由于钾较钠贵得多，丙烯酸盐可能是钾型，也可能是钠型，当然钾更好。钠在一定含量下尚可使用5。参简图1。图1：丙烯酰胺-丙烯酸钾交联共聚物型保水剂分子结构Fig. 1 Structure of acrylamide -potassium acrylate crosslinked polymers在性能方面，保水剂要求不易分解，通俗地讲是不易水化，要多次重复吸放水，而一般SAPs只要一次吸水。在形态方面，一般SAPs是粉末，而保水剂追求的是颗粒，拌土是其主用途。颗粒状由于比表面小，保水性好，更能为土壤和植物根系“雪中送炭”。对土壤更能提高透气性，反复吸放水的次数要多，寿命也长。4、保水剂的吸水原理保水剂的吸水原理相同于一般SAPs，是高分子电解质分子链在水中酰胺基和/或羧基团同性相斥使分子链扩张力和由于交联点的限制分子链的扩张力而相互作用而成的。见图2。以聚丙烯酰胺为例，保水剂会有大量酰胺和羧基亲水基团，利用树脂内部离子和基团与水溶液相关成分的浓度之差产生的渗透压及高分子电解质与水的亲和力而可大量吸水直至浓度差消失为止。而控制保水剂达到令人满意吸水程度的是橡胶弹力。分子结构交联度越高，橡胶弹力越强，而橡胶弹力和吸水力的平衡点即是其表观吸水能力。图2：溶胀凝胶的模型图Fig.2 Model of swelling gel由于分子结构交联，分子网络所吸水分不能用一般物理方法挤出而起到保水作用。见图3。图3 保水剂呈网状结构，通过渗透压和亲水基团将水分子吸入网格而保水Fig.3 the net-structure of water-retention agent and water are absorbed by osmotic pressure and hydrophilic group由此，同样组成的聚合物交联度越低，吸水倍率相对越高，其保水性、稳定性和凝强度就越低，反之亦然。所以，国际上对于使用周期较长的保水剂自然需要较高的交联度，并不追求高吸水倍率和速率。以聚丙烯酰胺为例，其表观倍率并不高，吸水速率也依粒径不同差别很大，凝强度高的保水剂吸水后有一定形状，不易解体，利于土壤透气，吸放水可逆性好。因为保水剂一般掺入地下5至15厘米，故国际上现在更强调加压下的吸水倍率。依粒径不同，聚丙烯酰胺型吸纯水倍率150300。5、保水剂的特点保水剂不同于一般树脂，也不是以单体形式出现。它既不会燃烧、爆炸，也无毒、无腐蚀性，也不溶于水。发达国家农业和环境机构均已认证通过，且其实际应用已有30年。保水剂表观吸水倍率与加压下的吸水倍率有明显区别，且随着水中离子浓度的升高而吸水倍率明显降低，特别是Ca2+、Mg2+对吸水有永久性影响。但并不等于说有上述离子不能用，而是其吸水功效降低了。加压下的吸水倍率才是保水剂最主要的指标。因为此时所吸水的大部分能被土壤和根系利用。保水剂所吸水一是通过水势平衡出来，二是通过植物超过16巴的根抽力而释放，缓释性由此体现。此时雨水和灌溉水的利用率大大提高6。不管是水还是溶于水的东西，诸如肥料、农药、生根剂，甚至冷热量都能在保水剂分子网格贮存而缓释。因此可以提高相关物质的利用率，特别是肥料和农药均可减少流失，环境污染相对减轻。由于保水剂有活化磷的功能和缓释生根剂，更可促根，故使用保水剂后，根系尤为发达，特别是须根。由于保水剂吸存大量水，减少了土壤环境温度的变化，还具一定的保温作用，即夏日降温，冬季保温7-8。保水剂反复的收缩与吸胀给土壤造成大量的孔隙，提高了土壤的透气性、透水性，改善了根际环境，同时也增强了根际微生物的活动，加快了根际周围有机矿物质的分解，有利于根系吸收，促进了根系和植物的生长发育，改良了土壤基质，防止土壤板结9。6、保水剂的使用方法常用保水剂有无定型颗粒、粉末、细末，片状和纤维状，在国内使用的只有聚丙烯酰胺型的颗粒、粉末和细末。相对应的方法有拌土、拌种或包衣和沾根。拌土又可分为直接拌土和复配拌土，复配拌土又可引出喷播。直接拌土一般是种树，采用原始粒径在2-4mm，4-6mm的颗粒，以0.1%干重拌于有效根系周围。复配拌土既可采用上述颗粒，也可采用0.85-2mm和粉末的0.3-0.85mm两个粒径。喷播表层时采用粉末保水剂，喷播内层时最好采用0.85-2mm颗粒，此规格保水剂有更好的保水性，更长寿命，更好的透气性。一旦遇高温干旱，土壤不易板结。0.1%拌土可节水50%-70%，节肥30%以上。拌种和包衣在环境治理中可随草种、灌木种撒播、飞播，可为种子提供一个小水库，使种子早发芽，有利于出苗和壮苗。沾根是简单的方法，把超过50目细末放于溶有生根粉的水中搅拌20分钟，裸根苗浸上30秒可使裸根苗长途运输，减少脱水而缩短缓苗期，提高成活率15%-20%。7、保水剂在岩石边坡生态恢复中的应用新材料、新技术的使用使岩石边坡的生态恢复成为可能。一系列现代植被重建和生态修复中所用的喷播技术如客土喷播、厚层基材、喷混植生等工艺都将保水剂作为主要的保水组分。在岩石边坡的植树造林中也广泛使用保水剂。由于陡峭的岩质边坡，土层瘠薄或土层不发育，水分不易保存，植物难以生根发芽，用保水剂混合植物种子播种，结合其他土壤稳定技术，可以提高边坡土壤的存水量，使植物能够正常生长，并能够减少灌溉用水量和提高植物的抗逆能力。张俊云等（2001）采用包含保水剂的厚层基材工艺对岩石边坡进行复绿取得了成功10；陈永安等（2005）采用改良的喷播技术对红砂岩边坡进行生态恢复，取得了良好的效果11；张凤泉等（2002）采用包含保水剂的人工复合基质方法对贵开路5080的岩石边坡成功进行了复绿12，能达到既抗雨水冲刷又适应植物生长的预期效果。在废弃矿山、高速公路岩石边坡应用添加保水剂的植被恢复和生态恢复方法在国内取得了较大的成功1316。在岩石边坡也可以通过挖鱼鳞坑或穴状整地，在坑内填入疏松营养土壤和保水剂，并种植苗木，可以提高苗木的成活率，恢复石漠化边坡的小范围生态环境17。虽然占基质0.2含量的保水剂仅能提高基质2%5%左右的含水量，然而，一般需复绿的边坡往往干旱贫瘠，持水保肥能力差，灌溉水很快蒸发、渗透流失掉，土壤中的存水量极少，而保水剂中所吸收的水分不会渗透流失，也不会因为土壤蒸发而大量流失掉，却可以缓慢地释放供植物利用。保水剂所持有的水分80%-95%以上都可以供应给植物吸收利用，并且不影响其二次吸水，因此2%5%就足够维持植物数天的生长。保水剂不仅具有吸收水分的作用，还可以将土壤中的水溶性肥料（如氮、磷、钾肥）等吸收起来，供植物使用。并且保水剂提高了土壤的孔隙度，有利于植物的生长。刘晔（2004）报道，保水剂,与喷播材料中的木纤维、粘合剂等物料搅拌混合后, 形成非常均匀的光滑稠化物, 会使植物种子等物料均匀的悬浮其中, 既保证了喷播的均匀性, 又可避免草种在搅拌过程及喷送过程中破损。同时, 喷播这种极光滑黏稠的混合物, 还可以减少喷播时物料在管道和喷枪内的流动阻力, 防止喷射泵和喷枪的堵塞18。保水剂的持效期一般在1-3年，在逐渐降解的过程中，释放的有机大分子还可以充当团粒剂的作用。在干旱地区或干旱季节，在经济条件与土壤基质结构允许的条件下，将保水剂的用量提高到3040克/平方米，其效果更好。在园林绿化的苗木栽种时，用量常在30克/平方米以上。但并不是愈多愈好，多了不仅成本上浪费，还会有害植物的生长。8、讨论保水剂不是造水剂，在使用时应使其充分吸水，才能发挥保水作用。不同厂家生产的保水剂性质不同，还需要对照说明书，按照要求规范使用，才能取得最佳效果。并且保水剂虽然是高技术产品，但是也不是像有些施工人员所想象的那样，“从此不用浇水了”。在笔者所处的华东地区经常出现夏季连续12个月高温干旱的现象，在特别严酷的年份，土层较厚的自然边坡上的已生长十几年的造林树木也会大片萎蔫枯死，更何况人工复绿边坡的土壤基质厚度一般只有412cm。目前保水剂的功能主要是集水、保水和节水，但是保水剂与水、土壤的相互作用、以及保水剂与植物根系相互作用的研究还不多，涉及岩石边坡上的就更少了。我们还需要开发具有更多诸如保水、保肥、促生长等的复合多功能高效保水剂。保水剂的制作原料主要是石油产品，目前制造成本较高。今后应开发出廉价并且吸水能力强、吸水速度快、持效性长的保水剂产品，真正使保水剂在水土保持和边坡复绿中大面积地推广利用。参考文献：1. 全国绿化办.中国国土绿化状况公报J.中国林业,2001,(4A): 1011. 2. 增田房义.高吸水性树脂M.日本共立出版社.1993. 3. 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