秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng):
秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng),基質(zhì)混合物是巖石邊坡植被護(hù)坡工程植被穩(wěn)定生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在有限的物質(zhì)條件下，其功能實(shí)現(xiàn)決定于 功能材料的效應(yīng)發(fā)揮。秸稈纖維、聚丙烯酰胺及高吸水樹脂是基質(zhì)混合物中主要的功能材料，通過試驗(yàn)定量研究 了秸稈纖維、聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在基質(zhì)混合物中的功能效應(yīng)。研究結(jié)果表示：秸稈纖維通過提高基質(zhì)混合 物的抗剪強(qiáng)度、延緩收縮產(chǎn)生裂縫的時(shí)間、減小裂縫寬度及降低侵蝕產(chǎn)沙等作用使基質(zhì)混合物的整體穩(wěn)定性得以 良好的保持，但用量過高卻有不利影響；聚丙烯酰胺可提高基質(zhì)混合物降雨入滲量，使坡面產(chǎn)流時(shí)間延遲，降低 坡面徑流量，并可提高基質(zhì)混合物水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，使基質(zhì)混合物的抗侵蝕能力增強(qiáng)，聚丙烯酰胺還可增加 基質(zhì)混合物孔隙度，使基質(zhì)混合物變得疏松，維持良好的滲透性和透氣性，利于植被生長(zhǎng)，但其效應(yīng)不隨用量的 增加而無限制的提高，并具有明顯的時(shí)間尺度效應(yīng)，其功能隨時(shí)間推移而喪失；適量的高吸水樹脂具有提高基質(zhì) 混合物水分容量、增加有效水含量及抑制蒸發(fā)的作用，可延緩水分達(dá)到萎蔫點(diǎn)的時(shí)間，使基質(zhì)混合物的抗旱能力 得到提高，但高吸水樹脂的吸釋水過程不能被無限制的反復(fù)利用，過高的用量影響基質(zhì)混合物的透氣狀況，使植 被的生長(zhǎng)發(fā)育受阻；試驗(yàn)條件下，植物秸稈纖維、聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在基質(zhì)混合物中的適宜用量分別4kg/m2，10 及 80 g/m2 左右。
引言
巖石邊坡植被護(hù)坡工程通過構(gòu)建“基質(zhì)混合 物一植被，，系統(tǒng)來防護(hù)整個(gè)坡面[1]?；|(zhì)混合物 具有提供植被生長(zhǎng)所需的合理物理結(jié)構(gòu)及水分養(yǎng)分 功能，且自身具有一定的穩(wěn)定性，是巖石邊坡植被 護(hù)坡工程植被穩(wěn)定生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在有限的物質(zhì) 條件下(工程應(yīng)用厚度一般在10 cm以下)，其功能 實(shí)現(xiàn)決定于人工添加材料的效應(yīng)發(fā)揮[1’ 2]。
如何提高基質(zhì)混合物的穩(wěn)定性及水分保持能力 是技術(shù)應(yīng)用中需要解決的重要問題[1,2]。日本針對(duì) 巖石邊坡開發(fā)的植被護(hù)坡方法(如纖維土綠化工法、 高次團(tuán)粒SF綠化工法及連續(xù)纖維綠化工法)都將纖 維及黏結(jié)劑作為提高基質(zhì)混合物穩(wěn)定性的載體，目 的是提高其抵抗外力的能力，應(yīng)用的纖維類型可分 為有機(jī)質(zhì)短纖維、無機(jī)質(zhì)短纖維及連續(xù)纖維等，黏 結(jié)劑有硅酸巖水泥、乳化浙青、合成樹脂及高分子 聚合物等材料[3?8]，但日本在植被護(hù)坡設(shè)計(jì)中一般 把年降水量1 200 mm作為應(yīng)用下限[9]，因此，在功 能材料上對(duì)其保水性能的研究較少。
我國(guó)巖石邊坡植被護(hù)坡技術(shù)在基質(zhì)混合物人工 材料的選擇上與日本有很大差異：我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈資 源豐富，纖維多采用易于獲取的秸稈纖維[10, 11];近 年來隨著高分子材料技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)成本在不斷 下降，技術(shù)應(yīng)用中多選用聚丙烯酰胺(PAM)作為黏 結(jié)材料；我國(guó)的降水分布極不均勻，為了增強(qiáng)基質(zhì) 混合物的保水性能、提高植被存活率，高吸水樹脂 (SAP)也在巖石邊坡植被護(hù)坡工程中大量應(yīng)用。但在 工程實(shí)踐中，對(duì)以上功能材料的應(yīng)用還處于經(jīng)驗(yàn)性 的實(shí)踐階段，國(guó)內(nèi)巖石邊坡植被護(hù)坡的研究主要集 中在新型生態(tài)材料、生態(tài)種植基及護(hù)坡施工方法等 方面[2, 10?14]，尚未見工程控制條件下功能材料效應(yīng) 的定量研究報(bào)道。
PAM應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是防止水土流失，它能 吸附土壤表面的顆粒，起類似黏結(jié)物質(zhì)的作用，可 使土壤形成大的團(tuán)聚體抵抗雨滴的破壞作用，減少 降雨侵蝕[15?19]; SAP是保水劑的簡(jiǎn)稱，它是一種有 機(jī)高分子樹脂，能吸收自身質(zhì)量數(shù)百甚至上千倍的 水，具有反復(fù)吸水-釋放的功能，對(duì)調(diào)節(jié)土壤水分 和植物生長(zhǎng)具有重要作用，其應(yīng)用是近年來發(fā)展迅 速的化學(xué)節(jié)水技術(shù)[20?23]。雖然針對(duì)PAM及SAP兩 種高分子材料的研究已有很多成果，但均以自然土 壤為背景進(jìn)行，基質(zhì)混合物經(jīng)人工改良后，在某 些理化性質(zhì)上與土壤具有一定的差異，這些研究成 果還不足以定量支撐其在基質(zhì)混合物中的效應(yīng)評(píng) 價(jià)。
本文的目的是定量研究秸稈纖維、PAM及SAP 在基質(zhì)混合物中的功能效應(yīng)，為巖石邊坡植被工程 的效應(yīng)評(píng)價(jià)及功能材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
2試驗(yàn)材料與方法
2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將秸稈纖維、PAM 及SAP作為單一影響因素加入到“基質(zhì)混合物”中， 研究不同用量下其效應(yīng)發(fā)揮及對(duì)基質(zhì)混合物性質(zhì)的 影響程度，所有試驗(yàn)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，各功能材料 用量見表1。
2.2試驗(yàn)材料
試驗(yàn)所用PAM及SAP均由中國(guó)科學(xué)院成都有 機(jī)化學(xué)所提供，PAM分子量為600萬，水解度20%， SAP選用K類SAP，吸水倍率600倍，秸稈纖維為 豆科和禾本科植物秸稈粉碎而成，各占50%，纖維表1各功能材料用量長(zhǎng)度為25?35 mm,含水量為12%。
試驗(yàn)時(shí)將目標(biāo)材料與植壤土 (土壤類型為紫色 土)及綠化基材(不含所試驗(yàn)的3種材料，其他組成 見張俊云等[2]的相關(guān)研究)混合形成“基質(zhì)混合物”， 采用干噴法噴射(12 m3空壓機(jī)、5 m3/h混凝土噴射 機(jī))至試驗(yàn)土槽內(nèi)，噴射厚度為10 cm，未添加目標(biāo) 材料時(shí)，基質(zhì)混合物基本理化指標(biāo)見表2。
表2基質(zhì)混合物基本理化指標(biāo) Table 2 Physico-chemical indexes of substrate compound
pH值有機(jī)質(zhì)全N全P全K水穩(wěn)性團(tuán)粒> 0.25 mm所占
/(g • kg 1)/(g • kg1) /(g • kg1) /(g^kg 1)百分率/«%
6.747.062.482.3421.8534.6
2.3試驗(yàn)方法
2.3.1秸稈纖維的功能效應(yīng)
試驗(yàn)包括人工降雨試驗(yàn)、基質(zhì)混合物抗剪強(qiáng)度 試驗(yàn)及收縮性分析試驗(yàn)。人工模擬降雨設(shè)備由中國(guó) 科學(xué)院水利部水土保持研究所設(shè)計(jì)制造，模擬降雨 的最大有效面積為3.0 mx3.0m，降雨高度為4 m， 降雨量可調(diào)節(jié)范圍為30?300 mm/h，降雨均勻度系 數(shù) 90%?98%。
為有效模擬巖石邊坡植被護(hù)坡工程性狀，土槽 采用人工切割的黃色砂巖石板為底面，石板尺寸為 2.55 mx1.05 mx0.06 m(長(zhǎng)x寬x厚)，上面用高為 15 cm、厚為1 cm的PVC板錨固形成凈空尺寸為 1.0 mx2.5 m(長(zhǎng)x寬)的裝土槽，一方留徑流口，石板 與PVC板連接處用防水膠密封，整體放置于坡度可 調(diào)的移動(dòng)支架上;在噴射施工48 h后進(jìn)行人工降雨， 試驗(yàn)坡度為60°，降雨強(qiáng)度為80 mm/h，降雨歷時(shí) 120 min。試驗(yàn)過程用秒表記錄坡面產(chǎn)流時(shí)間，并每
3 min對(duì)徑流桶讀數(shù)一次，降雨結(jié)束后在徑流桶內(nèi)用 1 000 mL燒杯采集水樣，過濾定量徑流，測(cè)定泥沙
含量。
在降雨試驗(yàn)結(jié)束后，使用濕篩法測(cè)定基質(zhì)混合 物水穩(wěn)性團(tuán)粒含量，并將試件放置于玻璃棚內(nèi)，觀 測(cè)其失水后的收縮現(xiàn)象，測(cè)量產(chǎn)生裂縫時(shí)基質(zhì)混合 物的含水量及最大收縮裂縫寬度(以含水量100 g/kg 為結(jié)束點(diǎn))；用環(huán)刀取樣采用直剪法測(cè)量其抗剪強(qiáng)度 及基質(zhì)混合物的自由收縮率(econ)、水平收縮率(rcon)， 以此來評(píng)價(jià)其整體穩(wěn)定性。收縮率試驗(yàn)的具體方法 見張俊云等[24]的相關(guān)研究。
2.3.2PAM的功能效應(yīng)
試驗(yàn)包括人工降雨試驗(yàn)及基質(zhì)混合物物理性質(zhì) 分析。試件制作及降雨過程與秸稈纖維的功能效應(yīng) 試驗(yàn)相同，但在首次人工降雨后，每間隔20 d再進(jìn) 行1次相同條件的人工降雨，共進(jìn)行7次，每次降 雨試驗(yàn)前將基質(zhì)混合物含水量調(diào)整至與首次相同。
降雨試驗(yàn)結(jié)束后，用環(huán)刀取樣分析基質(zhì)混合物 容重及孔隙度；濕篩法測(cè)定其水穩(wěn)性團(tuán)粒含量。每 次取樣后，用相同基質(zhì)混合物將取樣點(diǎn)填平，避免 其對(duì)下次降雨試驗(yàn)產(chǎn)生影響。
2.3.3SAP的功能效應(yīng)
土槽采用厚為1 cm的PVC板錨固而成，高度 為11 cm，面積為100 cmx 100 cm，中間用PVC隔
板分成兩半，其中一半的基質(zhì)混合物混有7 g/m2的 高羊茅草種。用壓力模板法分析基質(zhì)混合物的水分 特性；對(duì)未含草種的基質(zhì)混合物用環(huán)刀取樣后去掉 上蓋，飽和吸水后放入恒溫箱內(nèi)(40 °C)恒溫蒸發(fā)， 每4 h稱重一次，直至含水量達(dá)到穩(wěn)定，研究其蒸 發(fā)特性；將失水穩(wěn)定后的基質(zhì)混合物進(jìn)行吸水至飽 和，稱重計(jì)算飽和含水量后再放入恒溫箱內(nèi)恒溫蒸 發(fā)，如此反復(fù)8次，研究其反復(fù)吸水特性；在進(jìn)行 以上試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)含有草種部分進(jìn)行相同的管理 措施，觀察記錄出苗率及后期生長(zhǎng)狀況。
3結(jié)果與討論
3.1秸桿纖維的功能效應(yīng)
3.1.1 秸稈纖維對(duì)基質(zhì)混合物抗剪強(qiáng)度的影響
基質(zhì)混合物的抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)了其抵抗外力的能 力，是評(píng)價(jià)其整體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。圖1所示為 基質(zhì)混合物的抗剪強(qiáng)度(均為飽和含水條件下)不同 秸桿纖維用量下變化情況。由圖1可知，秸稈纖
30
o o 2 1
10
8
6
4
0
0
2
4
6
8
300
2
糖桿纖維用量/(kg • m、
圖1不同秸稈纖維用量下基質(zhì)混合物的抗剪強(qiáng)度(^= 75 kPa)變化
Fig.1 Variation of shear strength(^= 75 kPa) of substrate in different amounts of straw fiber
維用量在4 kg/m2以下時(shí)，基質(zhì)混合物的抗剪強(qiáng)度隨 用量增加而提高，秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng),與對(duì)照相比最高增加了 60°%以上; 但在4 kg/m2用量以后卻呈逐漸下降趨勢(shì)，說明過高 的秸稈纖維用量可降低基質(zhì)混合物的抗剪強(qiáng)度，不 利于其穩(wěn)定?；|(zhì)混合物抗剪強(qiáng)度提高主要由于秸 稈纖維的加筋作用，使其具有了一定的可塑性，但 用量過高，可使基質(zhì)混合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于松散，降 低了顆粒間的摩擦阻力，使其正效應(yīng)減弱，抗剪強(qiáng) 度減小。
3.1.2秸稈纖維對(duì)基質(zhì)混合物收縮性的影響
基質(zhì)混合物的收縮性是指基質(zhì)混合物失水后的 收縮特性，對(duì)評(píng)價(jià)基質(zhì)混合物的穩(wěn)定具有重要意 義[24]。圖2, 3分別為不同植物纖維處理類型下基 質(zhì)混合物的水平及自由收縮率與含水量的關(guān)系。由 圖2, 3可知，在含水量由高到低變化的初期，含纖 維的基質(zhì)混合物的水平及自由收縮率均小于對(duì)照， 當(dāng)基質(zhì)混合物含水量降至某一點(diǎn)以下時(shí)，經(jīng)秸稈纖維 處理的基質(zhì)混合物各收縮率指標(biāo)升高且超過對(duì)照。 產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因可能為：在含水量由高到低變 化的初期，基質(zhì)混合物自身的收縮變形較小，且秸 稈纖維自身的含水量處于較高狀態(tài)，其吸水后對(duì)基 質(zhì)混合物的骨架支撐作用相對(duì)顯著，使基質(zhì)混合物 結(jié)構(gòu)能相對(duì)穩(wěn)定的保持，收縮率較低；但由于加入 秸稈纖維后，基質(zhì)混合物的孔隙度較高，可被壓縮的 空間也大，當(dāng)含水量降低至某一范圍后，秸稈纖維的 骨架支撐作用難以抵擋收縮變形，使收縮率增大， 圖4很好地說明了這一點(diǎn)，基質(zhì)混合物的最大水平 及自由收縮率隨秸稈纖維的用量提高而加大。
500
400
200
100
含水量/(g • kg—丄）
圖 2 不同植物纖維處理類型下基質(zhì)混合物的水平收縮率與 含水量的關(guān)系
Fig.2 Relationship between horizontal contraction rate and water content of substrate in different amounts of straw fiber
5004003002001000
含水量/(g • kg—1)
0
0
%/條娛荽®® 6 4 2 0 8 6
圖3不同植物纖維處理類型下基質(zhì)混合物的自由收縮率與 含水量的關(guān)系
Fig.3 Relationship between free contraction rate and water content of substrate in different amounts of straw fiber
876543210
%/齋黯婺屮^^一:
_最大水平收縮率 •最大自由收縮率
0 5 0 5 0 5 0
3 2 2 1 1
圖4基質(zhì)混合物的最大水平收縮率及最大自由收縮率與植 物纖維處理類型的關(guān)系
Fig.4 Variational relationship between maximal horizontal contraction rate of substrate and maximal free contraction rate with amount of straw fiber
糖稈纖維用量/(kg • m 2)
收縮率的大小僅反映了基質(zhì)混合物可收縮的程 度，而收縮至何時(shí)產(chǎn)生裂縫及裂縫的大小是評(píng)價(jià)其 整體穩(wěn)定性的最直接指標(biāo)。圖5為不同秸稈纖維用 量下基質(zhì)混合物出現(xiàn)裂縫時(shí)的含水量及最大裂縫寬 度。由圖5可知，隨秸稈纖維用量的增加，基質(zhì)混 合物出現(xiàn)裂縫時(shí)的含水量在不斷降低，并在4 kg/m2 的用量以后逐漸穩(wěn)定，說明秸稈纖維使基質(zhì)混合物 失水產(chǎn)生裂縫的時(shí)間延遲；從產(chǎn)生的最大裂縫寬度 可看出，并不是秸稈纖維的用量越高越好，處于中 間用量的D處效果最佳，與對(duì)照相比使裂縫寬度降 低了 80%以上，在4 kg/m2的用量以后，裂縫的加 大源于其過高的收縮率，使秸稈纖維的正效應(yīng)減 弱。
圖5基質(zhì)混合物出現(xiàn)裂縫時(shí)含水量及最大裂縫寬度與植物 纖維處理類型的關(guān)系
Fig.5 Variational relationship between water content and maximal crack width with amount of straw fiber when crack appears
3.1.3秸稈纖維對(duì)基質(zhì)混合物侵蝕的影響
產(chǎn)沙量是衡量侵蝕強(qiáng)弱的一個(gè)直接標(biāo)志，圖6 所示為不同秸稈纖維用量下基質(zhì)混合物產(chǎn)沙量變 化。隨秸稈纖維用量的提高，在用量為3 kg/m2以下 時(shí)，產(chǎn)沙量呈下降趨勢(shì)，產(chǎn)沙量與對(duì)照相比最高降 低了近20%；在用量為3 kg/m2以上，隨用量的逐 漸增加，產(chǎn)沙量反呈上升趨勢(shì)，在6 kg/m2的用量之 后超過了對(duì)照。表明秸稈纖維對(duì)侵蝕的控制作用有 其適當(dāng)?shù)挠昧糠秶?，過高不利于基質(zhì)混合物的穩(wěn)定。 試驗(yàn)條件下，從控制侵蝕角度考慮，秸稈纖維的適 宜用量應(yīng)在3?4 kg/m2。
不同秸稈纖維用量下基質(zhì)混合物的累積入滲量 的分析可以看出(圖7)，加入秸稈纖維后降水累積入 滲量與對(duì)照相比均有增加，且隨用量加大而提高， 觀測(cè)記錄的產(chǎn)流時(shí)間也有不同程度的延遲(最高達(dá)
圖6不同秸稈纖維用量下基質(zhì)混合物產(chǎn)沙量變化圖 Fig.6 Sediment yield of substrate with different amounts of straw fiber
對(duì)照 A處理 B處理 C處理 D處理 E處理 F處理 G處理
圖7不同秸稈纖維用量下基質(zhì)混合物的累積入滲量 Fig.7 Accumulation infiltration of substrate with different amounts of straw fiber
424 s)，導(dǎo)致徑流量的降低(圖8)，從而降低了徑流 的沖刷量，使產(chǎn)沙量減少。秸稈纖維正是通過改變 坡面的水文過程來影響侵蝕，所以秸稈纖維用量在 3 kg/m2以下時(shí)，隨用量逐漸增加產(chǎn)沙量呈降低趨 勢(shì)。隨用量的不斷提高，坡面徑流量在降低，產(chǎn)沙
100%)
Fig.8 Variation of runoff with different amounts of straw fiber (CK = 100%)
圖10不同PAM用量下基質(zhì)混合物的累積入滲量 Fig. 10 Accumulation infiltration of substrate with different amounts of PAM
o o 2 1
%/_如拄釀Mmm^
量卻反而提高。從降雨過程對(duì)基質(zhì)混合物的表面 觀察可知，秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng),高用量條件下，其表面結(jié)構(gòu)更容易被雨 滴的濺蝕作用破壞，出現(xiàn)了表層塊狀脫落的現(xiàn)象， 導(dǎo)致產(chǎn)沙量的增加，說明過高的秸稈纖維用量使基 質(zhì)混合物呈過于松散的狀態(tài)，易在雨水作用下破壞。 3.2 PAM的功能效應(yīng) 3.2.1 PAM對(duì)基質(zhì)混合物侵蝕的影響
進(jìn)行首次人工降雨試驗(yàn)時(shí)，不同PAM用量下 基質(zhì)混合物的產(chǎn)沙量見圖9。由圖9可知，與對(duì)照 相比，無論哪種用量下，PAM都具有減少基質(zhì)混合 物侵蝕量的效應(yīng)，在用量為6 g/m2時(shí)，產(chǎn)沙量與對(duì) 照相比減少了 80%以上。但在PAM用量超過8 g/m2后，產(chǎn)沙量變化逐漸趨于平緩，表明PAM對(duì) 基質(zhì)混合物侵蝕的控制效果并不隨著用量的加大而 無限制的增加，過量的PAM并不能充分發(fā)揮其效 應(yīng)，從而造成浪費(fèi)。從控制侵蝕及經(jīng)濟(jì)成本的角 度考慮，基質(zhì)混合物PAM的適宜用量應(yīng)在8?12 g/m2。
re •
0
051015
PAM 用量/(g • m—2)
圖9不同PAM用量下基質(zhì)混合物的產(chǎn)沙量 Fig.9 Sediment yield of substrate with different amounts of PAM
PAM降低侵蝕的原因從兩方面說明，一是對(duì)坡 面徑流的影響；二是對(duì)基質(zhì)混合物水穩(wěn)性團(tuán)聚體的 影響。圖10所示為試驗(yàn)條件下，首次人工降雨條件 下不同PAM用量下基質(zhì)混合物的累積入滲量。當(dāng)累 積降雨量達(dá)到10 mm時(shí)，經(jīng)PAM處理的累積降水 入滲量開始顯著大于對(duì)照；在相同的降雨量下，隨 PAM用量的增加，累積降水入滲量也逐漸增大。入 滲量的提高主要是PAM對(duì)基質(zhì)混合物結(jié)構(gòu)良好的 維持，保持了其孔隙的連通性，降低了基質(zhì)混合物 表面的封閉作用[25]。在相同降雨條件下，入滲量提 高導(dǎo)致坡面產(chǎn)流時(shí)間的延遲，使經(jīng)PAM處理后的 坡面徑流量減少，產(chǎn)沙量降低。
首次人工降雨后，經(jīng)PAM處理后的基質(zhì)混合 物水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均明顯高于對(duì)照(圖11)，當(dāng)用 量超過8 g/m2時(shí)，其含量增加了 30°%以上。原因在 于PAM表面大量的親水基團(tuán)，通過氫鍵對(duì)黏粒吸 附、凝聚，使體積增大成為團(tuán)聚體[23]。水穩(wěn)性團(tuán)聚 體的增加，降低了徑流攜帶土壤顆粒的能力，使基 質(zhì)混合物的抗侵蝕能力增強(qiáng)，但隨著用量的增加， 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增加變化趨勢(shì)減慢，也表明在高用 量下，PAM的效應(yīng)發(fā)揮有所限制。
0
0246810121416
PAM 用量/(g • m—2)
圖11不同PAM用量下水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量變化 Fig.11 Variation of water stable aggregate with different amounts of PAM
綜合以上試驗(yàn)結(jié)論，PAM對(duì)基質(zhì)混合物侵蝕的 控制表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是提高降雨入滲量， 使坡面產(chǎn)流時(shí)間的延遲，降低坡面徑流量；二是提 高基質(zhì)混合物水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量。綜合作用使基 質(zhì)混合物的抗侵蝕能力增強(qiáng)。
3.2.2 PAM對(duì)基質(zhì)混合物孔隙度的影響
基質(zhì)混合物孔隙度是對(duì)其功能評(píng)價(jià)的重要指 標(biāo)。圖12所示為不同PAM用量下，基質(zhì)混合物孔 隙度變化情況。與對(duì)照相比，加入PAM后，基質(zhì) 混合物的孔隙度都有不同程度的上升，表明施加
圖12不同PAM用量下基質(zhì)混合物孔隙度變化 Fig. 12 Variation of substrate porosity with different amounts of PAM
PAM后，基質(zhì)混合物變得疏松，可使其維持良好的 滲透性和透氣性，有利于水、氣、熱的交換，從而 提高養(yǎng)分供給能力，利于植物生長(zhǎng)，對(duì)防止基質(zhì)混 合物的板結(jié)、龜裂等也有重要作用。與前面的試驗(yàn) 結(jié)論相似，PAM的效應(yīng)發(fā)揮隨用量增加逐漸減弱， 在用量為10 g/m2后，基質(zhì)混合物孔隙度的變化漸趨 平緩。
3.2.3 PAM的時(shí)間尺度效應(yīng)
由于PAM屬于可降解的高分子聚合物，在復(fù) 雜的土壤環(huán)境下，隨著時(shí)間的推移，其功效會(huì)逐漸 降低，定量評(píng)價(jià)PAM的功能效應(yīng)需從時(shí)間尺度上 考慮。圖13所示為時(shí)間尺度下產(chǎn)沙量變化情況。經(jīng) PAM處理后的基質(zhì)混合物產(chǎn)沙量均隨時(shí)間變化有 所提高，在低用量情況下，這種變化更顯著。在4 個(gè)月左右，A, C兩種處理產(chǎn)沙量提高了 50%以上， E，G兩種處理的產(chǎn)沙量變化相對(duì)較為平緩，仍可 將產(chǎn)沙量控制在較低水平，主要因?yàn)槠涑跗诮^對(duì)量 較高，導(dǎo)致部分降解后仍處于較高濃度。雖然PAM 具有降解的特性，在一定時(shí)間尺度條件下，會(huì)失去 應(yīng)有的效果，但在工程應(yīng)用中，人工建植植被
在2?4個(gè)月左右即可完全覆蓋坡面，發(fā)揮其對(duì)基 質(zhì)混合物穩(wěn)定的控制作用，秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng),所以在一定的用量下， PAM的降解對(duì)基質(zhì)混合物穩(wěn)定的影響較小，工程中 主要是應(yīng)用其前期對(duì)侵蝕的控制作用。
圖13時(shí)間尺度下產(chǎn)沙量變化情況 Fig.13 Variation of sediment yield with time scale
影響PAM效應(yīng)發(fā)揮的因素很多，不同PAM類 型及所用土壤類型等均會(huì)限制其在基質(zhì)混合物中的 功效，基質(zhì)混合物所用土壤類型及其與PAM特性 參數(shù)間的相互作用值得進(jìn)一步研究。
3.3SAP的功能效應(yīng)
3.3.1 SAP對(duì)基質(zhì)混合物水分特性的影響
圖15所示為不同SAP處理的基質(zhì)混合物飽和 含水量變化。由圖15可知，加入SAP后，基質(zhì)混 合物的飽和含水量隨用量的增加均有不同程度的提 高，與對(duì)照相比最高提高了近1倍，表明SAP具有 提高基質(zhì)混合物保水能力的效果，使其能在充分
對(duì)照的產(chǎn)沙量在第二、三次降雨過程中略有提 高，但隨后呈逐漸下降趨勢(shì)。產(chǎn)沙量的提高可能與 首次降雨形成的結(jié)皮有關(guān)，其減少了降水入滲，增 加了坡面徑流量，進(jìn)而加大了基質(zhì)混合物的侵蝕[25]; 后期產(chǎn)沙量的逐漸降低則可能與基質(zhì)混合中人工添 加的泥炭等有機(jī)質(zhì)的作用有關(guān)。在反復(fù)的浸水狀態(tài) 下，泥炭等有機(jī)質(zhì)與土壤顆粒間逐漸從人工機(jī)械混 合狀態(tài)向自然狀態(tài)過渡，其對(duì)基質(zhì)混合物的改良作 用也逐漸發(fā)揮，在一定程度上增加了基質(zhì)混合物的 通透性及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量。圖14所示為時(shí)間 尺度下水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量變化情況，對(duì)照的水穩(wěn)性 團(tuán)聚體含量隨時(shí)間變化較初期略有升高，增加了其 抗侵蝕能力，而經(jīng)PAM處理的則正好相反，水穩(wěn) 性團(tuán)聚體含量呈下降趨勢(shì)。雖然經(jīng)PAM處理的基 質(zhì)混合物中混合的有機(jī)質(zhì)也有類似作用過程，但 PAM在這一過程中占主導(dǎo)地位，其功能衰退造成的 影響遠(yuǎn)超過了泥炭的正效應(yīng)。
圖14時(shí)間尺度下水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量變化情況 Fig.14 Variation of water stable aggregate content with temporal scale
圖15不同SAP處理的基質(zhì)混合物飽和含水量變化 Fig.15 Variation of saturated water content of substrate with different treatments of SAP
圖16不同SAP處理的基質(zhì)混合物釋水過程 Fig.16 Releasing water process of substrate with different treatments of SAP
降水條件下存儲(chǔ)更多的水分。但飽和含水量的增加 在100 g/m2用量后變得不明顯，說明SAP的保水效 果并不是隨著用量的增大而無限制的增加，原因在 于高用量情況下其吸水膨脹的空間被限制，并不能 發(fā)揮其最大吸水效應(yīng)。
飽和含水量反映出基質(zhì)混合物對(duì)水分的容量大 小，而其所持水分的有效性則反映出被植物利用的 難易程度。圖16所示為不同SAP處理的基質(zhì)混合 物釋水過程，借鑒土壤水分有效性的研究，將SAP 對(duì)基質(zhì)混合物最大有效水含量的影響繪制成圖17， 圖17中用30 kPa吸力下的基質(zhì)混合物含水量作為 田間持水量(有效水上限)，取1 500 kPa吸力下的含 水量作為萎蔫含水量(有效水下限)，兩者之間部分 為基質(zhì)混合物有效水的最大含量。由圖17可知， 經(jīng)SAP處理的基質(zhì)混合物最大有效水含量均高于 對(duì)照，最高提高了 13%，SAP具有提高基質(zhì)混合物 水分有效性的功效，但其效應(yīng)同樣不隨SAP的用量 增加而無限制加大。SAP的用量在100 g/m2以下 時(shí)，隨用量逐漸增加，最大有效水含量呈上升趨勢(shì)， 超過100 g/m2后，最大有效水含量又逐漸降低，說 明適宜的SAP用量才能發(fā)揮其最大效應(yīng)。由圖16 可知，基質(zhì)混合物的萎蔫含水量是隨SAP的用量加 大而提高的，最大提高了 8%，超過了田間持水量 的增加幅度，因此，在高用量SAP下，基質(zhì)混合物 較高的萎蔫含水量導(dǎo)致最大有效含水量的降低。
過高的萎蔫含水量可對(duì)基質(zhì)混合物的抗旱能力 造成不利影響，以試驗(yàn)結(jié)果為例，對(duì)照的萎蔫含水 量為85 g/kg，G處理的為165 g/kg，當(dāng)基質(zhì)混合物 的含水量降至165 g/kg以下時(shí)，G處理所存水分已 不能被植物吸收利用，而對(duì)照仍有80 g/kg的水分可
保水劑用量/(g • m—2)
圖17不同SAP處理的基質(zhì)混合物的最大有效水含量 Fig.17 Maximal available water content of substrate with different treatments of SAP
用。當(dāng)然這只是影響的一方面，秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng),抗旱能力的大小需 從庫容的大小及其含水量變化的時(shí)間尺度等角度綜 合考慮。
3.3.2 SAP對(duì)基質(zhì)混合物水分蒸發(fā)的影響
圖18所示為模擬蒸發(fā)狀態(tài)下，不同處理的基質(zhì) 混合物由飽和含水降至萎蔫含水量的時(shí)間變化。由 圖18可知，水分蒸發(fā)至萎蔫含水量的時(shí)間是隨SAP 的用量增加而延長(zhǎng)的，說明在充分吸水之后，SAP 可延長(zhǎng)基質(zhì)混合物的抗旱時(shí)間。但由于其飽和含水 量有很大差異，起始點(diǎn)的不同導(dǎo)致不能直接闡明原 因，且一般情況下，工程應(yīng)用中基質(zhì)混合物的含水 量是難以達(dá)到飽和的。為了更好地說明問題，從試 驗(yàn)結(jié)果中截取了部分?jǐn)?shù)據(jù)(選取了含水量相近的起 始點(diǎn)，在292 g/kg左右)進(jìn)行了分析繪制成圖19， 其表示的是不同處理的基質(zhì)混合物由相同含水量降 至萎蔫含水量的時(shí)間變化。由圖19可知，SAP具
圖18不同處理的基質(zhì)混合物由飽和含水降至萎蔫含水 量的時(shí)間變化
Fig.18 Temporal variation from saturated water content to wilting water content with different treatments of substrate
圖19不同處理的基質(zhì)混合物由相同含水量降至萎蔫 含水量的時(shí)間變化
Fig.19 Temporal variation from same water content to wilting water content with different treatments of substrate
保水劑用量/(g • m—2)
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有明顯的抑制蒸發(fā)作用，延緩了水分喪失至植物無 法利用狀態(tài)的時(shí)間，其也存在隨用量增加效應(yīng)降低 的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同樣是在高用量SAP下，基質(zhì)混合物較 高的萎蔫含水量所造成的。
結(jié)合SAP對(duì)基質(zhì)混合物水分特性的影響研究 可以發(fā)現(xiàn)，秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng),SAP的主要作用是提高基質(zhì)混合物對(duì)水 分的庫容能力及有效水含量，并抑制蒸發(fā)，延緩水 分達(dá)到萎蔫點(diǎn)的時(shí)間，使基質(zhì)混合物的抗旱能力得 到提高，但其效應(yīng)并不隨用量增加而無限制加大， 甚至可出現(xiàn)反作用，試驗(yàn)條件下，其理論用量應(yīng)在
80 ?100 g/m2。
3.3.3 SAP在基質(zhì)混合物中的反復(fù)吸水特性
SAP具有吸水-釋水-再吸水的反復(fù)吸水功 能，研究其在基質(zhì)混合物中這一特性的變化規(guī)律對(duì) 指導(dǎo)應(yīng)用具有重要意義。圖20所示為不同處理的基 質(zhì)混合物飽和含水量隨吸釋次數(shù)變化情況。由
對(duì)照
A處理 B處理 C處理 D處理 E處理 F處理 G處理
13579
吸釋次數(shù)/次
圖20不同處理的基質(zhì)混合物飽和含水量隨吸釋次數(shù)變化 情況
Fig.20 Variation of saturated water content with absorption- release times by different treatments of substrate
圖20可知，隨次數(shù)的增加，經(jīng)SAP處理的基質(zhì)混 合物的飽和含水量不斷下降，部分低用量的飽和含 水量已接近對(duì)照，最高用量的G處理的飽和含水量 也下降了 40°%，僅比對(duì)照高出80 g/kg，說明基質(zhì)混 合物中SAP經(jīng)反復(fù)吸水釋放后，其吸水功能會(huì)逐漸 下降甚至喪失。
SAP吸水功能降低的原因很復(fù)雜，水解作用、 微生物降解及金屬離子的拮抗反應(yīng)等均可使其功能 喪失，因此，SAP在基質(zhì)混合物中的功能效應(yīng)具有 明顯的時(shí)間尺度效應(yīng)，在基質(zhì)混合物中的作用僅為 保證植被建成過程中的水分供應(yīng)，減少水分養(yǎng)護(hù)投 入。
3.3.4 SAP對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育的影響
應(yīng)用SAP的目的是在有限條件下保障植被生 長(zhǎng)的水分供應(yīng)，因此，使用后植被生長(zhǎng)狀況的好壞 是對(duì)其效應(yīng)的最直接評(píng)價(jià)。圖21所示為不同處理 基質(zhì)的草種發(fā)芽率變化。在相同的管理措施下，經(jīng) 適量SAP處理后，其出苗率明顯高于對(duì)照，最高提 高了 12%，但在高用量下，出苗率反低于對(duì)照，對(duì) 其試件取樣后觀察發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)混合物中的較多種子 有明顯的霉?fàn)€現(xiàn)象，主要因?yàn)檫^高用量的SAP儲(chǔ)水 量過大，造成通氣不暢。
圖22所示為在播種后2個(gè)月，草種生長(zhǎng)高度變 化，與SAP對(duì)發(fā)芽的影響有相似的結(jié)論，經(jīng)適宜 SAP處理的植株生長(zhǎng)高度與對(duì)照相比增加了 10%， 高用量下的植株不僅低矮且葉色枯黃，處于不健康 狀態(tài)，取樣后發(fā)現(xiàn)其根系有腐爛的現(xiàn)象，同樣是由 于通氣不暢，影響其呼吸造成的。
從以上試驗(yàn)可知，基質(zhì)混合物中SAP的用量在
0o o o o
10 9 8 7
ss/姻榧?xì)旌
5 0
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050100150
保水劑用量/(g • m—2)
圖21不同處理基質(zhì)的草種發(fā)芽率變化 Fig.21 Variation of germination rate with different treatments of substrate
130 -
120 ■ .
60 ■
50
050100150
保水劑用量/(g • m—2)
圖22不同處理基質(zhì)的草種生長(zhǎng)高度變化 Fig.22 Variation of grass height with different treatments of substrate
80 g/m2左右時(shí)，最有利于植被的生長(zhǎng)發(fā)育。SAP不 是造水劑，必須具備一定的條件才能發(fā)揮其功效， 不同的植被類型、不同的氣候條件及基質(zhì)混合中所 用土壤的質(zhì)地均可對(duì)其效應(yīng)發(fā)揮造成影響，還需近 一步進(jìn)行深入研究。
4結(jié)論
(1)適量的秸稈纖維具有提高基質(zhì)混合物的抗 剪強(qiáng)度、延緩基質(zhì)混合物失水收縮產(chǎn)生裂縫的時(shí) 間、減小裂縫的寬度及降低侵蝕產(chǎn)沙量等作用，對(duì) 基質(zhì)混合物的整體穩(wěn)定具有重要作用。秸稈纖維聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中的效應(yīng),但用量過高 反而有負(fù)效應(yīng)，產(chǎn)生不利影響，試驗(yàn)條件下，其適 宜用量在4 kg/m2左右。
(2)適量的PAM具有減少基質(zhì)混合物侵蝕量、 增加孔隙度的效應(yīng)，利于基質(zhì)混合物的穩(wěn)定。PAM
的作用不隨用量的加大而無限制的增加，試驗(yàn)條件 下，用量在10 g/m2左右效果較好，且其功能發(fā)揮具 有明顯的時(shí)間尺度效應(yīng)，隨時(shí)間的推移，PAM的功 效會(huì)逐漸喪失。
(3)適量的SAP具有提高基質(zhì)混合物的水分容 量、增加有效水含量及抑制蒸發(fā)的作用，使基質(zhì)混 合物的抗旱能力得到提高，利于植物發(fā)芽生長(zhǎng)。但 SAP的吸釋水過程不能被無限制的反復(fù)利用，過高 的用量也不利于其效應(yīng)發(fā)揮，甚至出現(xiàn)反作用，影 響植被的生長(zhǎng)發(fā)育，試驗(yàn)條件下其用量在80 g/m2 左右時(shí)效果最好。
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