保水剂对植被混凝土生态基材持水特征的影响

秦健坤++周明涛++杨森++熊峰

摘要 分别将3种粒径保水剂以不同使用剂量施入到植被混凝土生态基材中，测定各处理生态基材在不同吸力时的含水量，并用V-G模型拟合各处理生态基材水分特性曲线，获得水分特性曲线参数和主要水分常数等结果，以揭示使用保水剂对植被混凝土生态基材持水特征的影响。结果表明，各处理生态基材的水分特征曲线上移，各吸力段的持水容量明显增加，n值均小于对照，表明使用保水剂显著增大了在失水过程中生态基材的持水能力。使用保水剂后，各处理生态基材饱和含水量、田间持水量、重力水和全有效水部分均显著增加，无效水含量略有增加，残余含水量基本不变，表明使用保水剂对植被混凝土生态基材的“孔隙”持水作用更加明显，而对于分子持水作用不够显著。综合比较保水剂不同粒径和使用剂量对生态基材持水能力的改善作用，大粒径保水剂在使用剂量为0.50%时改善效果最好。

关键词 保水剂；植被混凝土生态基材；水分特征曲线；Van Genuchten模型

中图分类号 TU528；S157.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）19-0165-03

Abstract 3 granularities of super absorbent polymer（SAP）with different dosages were added into vegetation-growing concrete ecological base material to measure the soil moisture content of each ecological base material under different suctions. Ecological base material water characteristic curves for each treatment were successfully fitted by V-G model，and results of the ecological base material water characteristic curve parameter and main water constants were obtained，in order to explore the effects of SAP on retention characteristics of vegetation-growing concrete ecological base material. The results indicated that for each treatment，the ecological base material water characteristic curves moved up，the water-holding capacity increased in each suction section. The n values were all less than the control group，which indicated that SPA could significantly improve water-holding capacity of the ecological base material in the dehydration process. After using the SPA，the saturation moisture content，field capacity，gravity water and total available water of the ecological base material in each treatment all increased significantly，the unavailable water only increased slightly，and irreducible water content remained the same basically. It indicated that SPA had an obvious effect on the pore for holding water of ecological base material，but the effect on moisture-absorbing by molecule was not significant. Comprehensively compared the improving effect of different granularities and dosages of SPA on water-holding capacity of the ecological base material，the large granularities with 0.50% dosage was the best.

Key words super absorbent polymer；vegetation-growing concrete ecological base material；water characteristic curve；Van Genuchten model

植被混凝土生態防护技术（CBS）是一种效果较好的边坡生态防护技术[1-4]，该技术是在坡面喷植一层类似于自然土壤的生态基材，其固相部分主要由植生土、水泥、有机质和植被混凝土绿化添加剂4种原材料按一定比例混合而成[5]。该生态基材自发明以来，由于其能将边坡加固与坡面植被恢复[4，6]结合起来，实现了生态修复与工程边坡的有机结合，已在众多地区得到了广泛应用，且取得了巨大的生态效益、社会效益和经济效益[7]。但在干旱地区和半干旱地区，年降水量少且变率大，加之气候干燥、蒸发强烈，植被混凝土生态基材在该地区由于缺水而无法为植被提供良好的生长环境，所以多年来该地区人工修复边坡植被保存率一直很低，生态环境十分脆弱[8]。因此，如何提高植被混凝土生态基材持水性能，使生态基材保持住水分及养分成为了难点问题。

在众多节水措施中，研发与使用化学保水材料是干旱地区进行生态修复有效的方法[9-10]。保水剂称高吸水剂、超强吸水树脂（super absorbent polymer，SAP），是一种能够吸收自身原来尺寸和重量数倍水分的化合物。保水剂吸水后形成的水凝胶可缓慢释放水分供作物利用，同时，又能增强土壤保水性，改良土壤结构，影响土壤理化性质、作物根系生长发育等，进而影响水分和溶质在土壤中的运移规律和作物生理机能，提高化肥的利用率[11-12]。目前，有关保水剂对持水特征影响的研究大都集中在各类型土壤及作物上，针对混合基材影响鲜见报道。因此，笔者以保水劑为对象，研究不同粒径和不同使用剂量的保水剂加入植被混凝土生态基材中后，对基材的持水特征曲线及其参数、水分常数及有效性的影响，旨在为保水剂在植被混凝土生态基材中的应用提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验用土为砂壤土，水泥为普通水泥（强度等级为32.5）。有机质为实木锯末。植被混凝土绿化添加剂采用三峡大学绿野环保工程有限公司生产的LY-2型混凝土绿化添加剂。供试保水剂为河北恒奥化工有限公司高吸水树脂保水剂，筛孔粒径设置：1.0～2.0 mm为大粒径（L），0.5～1.0 mm为中粒径（M），<0.5 mm为小粒径（S）。

1.2 试验方法

植被混凝土生态基材按照植被混凝土生态护坡技术设计规程[5]及《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2002）中规定制备[13]。将植生土、水泥、有机质、植被混凝土绿化添加剂干质量按100∶8∶8∶5的比例均匀混合；将3种粒径的保水剂按照基材混合物干重的0.05%、0.10%和0.50%的使用剂量与基材混合物拌合，以不添加保水剂的基材混合物作为对照（CK）；再加入基材混合物干重20%的水拌合均匀，于20 ℃潮湿环境中养护24 h。

1.3 测定方法

1.3.1 饱和含水率测定。将养护后的植被混凝土生态基材装入特制的有机玻璃离心管中，容重为1.34 g/cm3，在磁盘内待完全吸水饱和后测定其基材饱和含水率。

1.3.2 水分特征曲线的测定。利用CR21G高速冷冻离心机，将吸水饱和平衡后的样品离心，将根据设计的吸力设置离心机的转速，加压范围为1～1 500 kPa，每次离心20 min，平衡后取出样品，测定在各吸力条件下的土壤含水量。

1.4 数据处理

数据用Van Genuchten（VG，1980）模型[14]进行拟合：

式中，θ为体积含水率（cm3/cm3）；θr为剩余含水率（cm3/cm3）；θs为饱和含水率（cm3/cm3）；h为水吸力（cm）；n、m为模型参数，其中α为水分特性曲线进气值拐点处水势的倒数（cm-1）；n为水分特性曲线靠近剩余含水量的速率，m=1-1/n[15-16]。运用了RETC软件进行数据拟合水分特性曲线及计算水分特性曲线模型参数。

2 结果与分析

2.1 保水剂粒径对植被混凝土生态基材水分特征曲线的影响

从图1可以明显看出，保水剂并没有明显改变植被混凝土生态基材持水的特征，即与未使用保水剂的生态基材一样，大约在水吸力值45 kPa以下保持着一个明显的快速失水区域。然而，使用保水剂的生态基材水分特征曲线明显上移，说明使用保水剂却增加了植被混凝土生态基材在各吸力段的持水容量。且随着粒径的增大，不同使用剂量处理生态基材对应水分特性曲线差异越明显。其中，差异最显著体现在低吸力段（0～100 kPa），使用大粒径保水剂时，与未添加保水剂的生态基材相比使用保水剂处理的生态基材持水容量在低吸力段分别增加了3.2%、5.0%、8.2%，而在中吸力（100～600 kPa）、高吸力（600～1 500 kPa）段持水容量最高只增加了2.1%。使用中粒径和小粒径保水剂时，0.05%和0.10%使用剂量水分特征曲线之间差异较小；只有当使用剂量为0.50%时，水分特征曲线才展现出明显的差异，低吸力段持水容量分别增加了5.5%和5.3%。说明使用3种粒径保水剂均能改变各水吸力段基材的持水容量，且低吸力段改变最为显著，其中大粒径保水剂的作用效果最明显，其次是中粒径，最差的是小粒径。

2.2 保水剂使用剂量对植被混凝土生态基材水分特征曲线的影响

对于基材持水特征的作用和影响所用保水剂的粒径是一方面，而另一方面保水剂的使用量也会有相应的影响。从图1可知，3种粒径保水剂处理的植被混凝土生态基材均持水容量呈现出随保水剂使用剂量的增加而显著递增的效果，尤其是当使用剂量达到0.50%时，其总持水容量分别增加了5.3%、5.3%、8.2%。当保水剂使用剂量为0.05%和0.10%时，小粒径和中粒径保水剂处理的生态基材水分特征曲线差异较小，在差异最明显的低吸力段持水容量仅增加了0.4%和0.7%，但较未添加保水剂增加了2.1%～3.2%，而大粒径保水剂0.05%和0.10%使用剂量处理的生态基材水分特征曲线在低吸力段有一定差异，低吸力段持水容量增加了1.8%。由此表明，与未添加保水剂的生态基材相比，使用保水剂会影响生态基材水分特征曲线，且3种粒径保水剂对植被混凝土生态基材持水容量作用最明显的是0.50%的使用剂量，0.05%和0.10%使用剂量只有在使用大粒径保水剂时才会展现出明显的差异。

2.3 保水剂对植被混凝土生态基材水分特征曲线参数的影响

从表1可以看出，不同粒径和使用剂量保水剂处理的生态基材饱和含水量差别较明显，随着保水剂粒径的增大和保水剂使用剂量的增加，θs也随之增大，说明使用保水剂后生态基材总的持水孔隙度增大。剩余含水量（θr）主要是生态基材的表面分子的持水量，取决于颗粒表面性状，一般取吸力无限增大时，各处理生态基材的θr差别很小，添加保水剂的生态基材θr略有减小。从各处理生态基材的θs和θr综合分析可以清楚地看出，使用保水剂对植被混凝土生态基材的“孔隙持水”作用更加明显，而对于分子持水作用不够显著。

α为水分特性曲线进气值拐点处水势值的倒数。α值越小，意味着生态基材开始失水时吸力越大；α值越大，则生态基材开始失水时的吸力越小[15-16]。随保水剂剂量增加，α值变大，意味着随保水剂使用剂量增加生态基材起始失水时的吸水力变小，越易失水，但这只是代表起始失水的这一个点。n值代表生态基材水分特性曲线的斜率，反映在吸力作用下生态基材失水的速率，从式（1）看出，n值越大，表征着在增加单位吸力梯度时生态基材的失水量越大，即保水性能差。使用不同粒径和不同使用量保水剂的生态基材n值均小于未添加保水剂的生态基材，且随保水剂使用剂量的增加，各添加保水剂处理的n值随之变小，意味着使用保水剂显著地增加了整个失水过程中生态基材的持水能力。系统分析各添加保水剂生态基材的水分特性曲线模型参数，可以看出，使用保水劑不仅改变了生态基材起始失水能力，还显著改善了整个失水过程中生态基材的持水能力；使用保水剂的主要作用体现在改善了生态基材的孔隙持水部分，而不是依靠保水剂的自身吸水改善生态基材分子持水特性。

2.4 保水剂对植被混凝土生态基材水分常数和水分有效性的影响

水分常数是依据生态基材水分特征曲线模型进一步计算得到，结果见表2。可以看出，未添加保水剂的生态基材饱和含水量低，添加保水剂后饱和含水量都明显增加，且随使用剂量的增加而增大，这将有助于提高生态基材固持自然降水的能力；同时，田间持水量在使用保水剂后也显著增加，3种粒径保水剂的使用量在0.50%时生态基材的田间持水量增加最多，其中使用大粒径保水剂处理的生态基材增幅最大，增加了9.4%；使用保水剂后各处理生态基材的萎蔫系数较未添加保水剂生态基材都略有增加，0.50%用量增加最为显著。以上分析说明，使用保水剂主要增加了生态基材的“毛管孔隙”持水比例，当保水剂使用剂量较大时，对生态基材分子持水有一定的影响。

按照水分对植物有效性原理，进一步分析使用保水剂后对生态基材水分特性的影响情况。可以看出，使用保水剂后生态基材的重力水、全有效水、速效水、迟效水和无效水比未添加保水剂的生态基材均不同程度增加，且随保水剂使用剂量增加而增大。其中，重力水增加最显著，占总增加持水量的80%以上；全有效水、速效水增加也较明显，但明显少于重力水增量，占总增加持水量的70%左右；迟效水增加不明显，生态基材的无效水相对而言略有增加，只有保水剂使用剂量为0.50%时才有明显的增加。由此可见，添加保水剂主要增加了生态基材的重力水和全有效水中的速效水，说明保水剂主要增加了生态基材的孔隙持水部分，无效水略有增加，0.50%用量增加最明显，说明保水剂对生态基材的分子持水也略有影响。因此，在实际使用中要确定科学的使用剂量和粒径，才能获得更有价值的改善生态基材持水能力的效果。

3 结论

使用保水剂后的各处理生态基材水分特征曲线上移，生态基材在各吸力段的持水容量增加，表明使用保水剂增加了生态基材在整个失水过程中的持水能力。随着保水剂使用剂量的增加，各处理生态基材的水分特征曲线与对照间的差异越增大，尤其在使用剂量为0.50%时，差异最为明显，使用剂量在0.05%和0.10%时，其差异较小，但相对于未添加保水剂的生态基材各吸力段持水有明显的增加。同时，保水剂的粒径对生态基材也有影响，粒径不同使用剂量对生态基材的持水特征影响效果也不同，其大粒径保水剂的不同使用量基材水分特性曲线间的差异最大，差异作用在整个吸力段范围均有呈现；中粒径和小粒径保水剂不同使用量基材水分特征曲线之间差异较小。由此表明，与未添加保水剂的生态基材相比使用保水剂会影响生态基材持水特征，且3种粒径保水剂对植被混凝土生态基材持水容量作用最明显的是0.50%的使用剂量，大粒径保水剂使用量之间对基材水分特性曲线的影响相对较大，与大粒径保水剂相比，小粒径和中粒径保水剂相的使用剂量影响效应相对较小。

使用保水剂后，生态基材水分特征曲线参数θs明显增大，即生态基材总的持水度增加；α值增大，表明使用保水剂改变了生态基材的起始失水能力；n值均小于对照，代表单位吸力梯度相同时，添加保水剂的生态基材失水更慢，即不易失水，生态基材持水能力增加；θr间差别很小，表明保水剂主要影响了生态基材的“孔隙持水”，而对生态基材分子持水影响较小。各保水剂处理生态基材的饱和含水量、重力水和田间持水量显著增加，萎蔫系数增加不明显，只有0.50%使用剂量增加较多；全有效水中速效水部分增加，迟效水无显著变化，无效水略有增加，说明使用保水剂主要改善了生态基材中、低吸力段的持水容量，即保水剂对生态基材持水特征的影响主要体现在增加了其“毛管孔隙”持水比例，当使用剂量较大时，对生态基材的分子持水也略有影响。

4 参考文献

[1] 周德培，张俊云.植被护坡工程技术[M].北京：人民交通出版社，2003：1-11.

[2] 许文年，叶建军，周明涛，等.植被混凝土护坡绿化技术若干问题探讨[J].水利水电技术，2004，35（10）：50-52.

[3] 丁国建，蔡茂来.高等级公路植被护坡工程技术发展初探[J].浙江林业科技，2004，24（4）：63-66.

[4] 许阳，陈芳清，金章利，等.水电站植被混凝土边坡生态防护工程基材土壤肥力隔年变化分析[J].水利水电技术，2012，43（11）：47-50.

[5] 许文年，夏振尧，周明涛，等.植被混凝土生态防护技术理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[6] 任海，彭少麟.恢复生态学导论[M].北京：科学出版社，2001：14-15.

[7] 漆贵荣.植被混凝土坡面防护技术的应用[J].公路工程，2009，34（2）：112-117.

[8] 刘铁军，卢建男，张哲乾，等.干旱半干旱区裸露边坡适宜喷播的绿化基质筛选[J].草业科学，2016，33（7）：1291-1296.

[9] 张林栋，李佐邦.高吸水性树脂在农业中的应用试验[J].精细化工，1995（2）：64-66.

[10] 陈宝玉，武鹏程，张玉珍，等.保水剂的研究开发现状及应用展望[J].河北农业大学学报，2003，26（增刊1）：242-245.

[11] 杜建军，苟春林，崔英德，等.保水剂对氮肥氨挥发和氮磷钾养分淋溶损失的影响[J].农业环境科学学报，2007，26（4）：1296-1301.

[12] 李希，刘玉荣，郑袁明，等.保水剂性能及其农用安全性评价研究进展[J].环境科学，2014，35（1）：394-400.

[13] 中华人民共和国建设部.土工试验方法标准：GB/T 50123—1999[M].北京：中国计划出版社，1999.

[14] GENUCHTEN M T V.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils.[J].Soil Science Society of America Journal，1980，44（44）：892-898.

[15] 冉艳玲.化学保水剂对土壤水分及物理特性的作用效应[D].杨凌：西北农林科技大学，2014.

[16] 冉艳玲，王益权，张润霞，等.保水剂对土壤持水特性的作用机理研究[J].干旱地区农业研究，2015，33（5）：101-107.