巖石邊坡保水劑管理論文

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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，在工農業生產上得到廣泛應用，也是恢復巖石邊坡植被與生態環境的重要材料之一。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生態恢復方法相比，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。首先由美國農業部北方研究所于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突飛猛進，很快大量應用于生理衛生用品等行業。由淀粉接枝轉為以交聯聚丙烯酸鈉為主的高吸水性樹脂（英文為SuperabsorbentPolymers，簡寫為SAPs）產業壯大起來。

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，交聯聚丙烯酸鈉顯然不能拌土而大量用于農林業。故而保水劑的定義是能大量應用于農林業對土壤乃至生態無害，反而能改良土壤的一類高吸水性樹脂。由于現實生活中從事化工業的人員好多并不大懂農林業，特別是土壤學方面的專業知識,而農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、產品形態來區分。

根據其組成成分為：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）與交聯劑的共聚

c）水溶性聚合物三維結構化

d）自身交聯聚合

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

按產品形態

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品都有諸如易發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，但真正有規模用量的只有聚丙烯酰胺［3-4］。

目前，產業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、性能及形態上與生理衛生用的聚丙烯酸鈉SAPs有明顯區別。

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，其聚合交聯物吸水能力和速率最強，耐鹽和穩定性較差，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，利用樹脂內部離子和基團與水溶液相關成分的濃度之差產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，分子網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保水劑呈網狀結構，通過滲透壓和親水基團將水分子吸入網格而保水

Fig.3thenet-structureofwater-retentionagentandwaterareabsorbedbyosmoticpressureandhydrophilicgroup

由此，同樣組成的聚合物交聯度越低，吸水倍率相對越高，其保水性、穩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150－300。

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。它既不會燃燒、爆炸，也無毒、無腐蝕性，也不溶于水。發達國家農業和環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。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、農藥、生根劑，甚至冷熱量都能在保水劑分子網格貯存而緩釋。因此可以提高相關物質的利用率，特別是肥料和農藥均可減少流失，環境污染相對減輕。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，根系尤為發達，特別是須根。由于保水劑吸存大量水，減少了土壤環境溫度的變化，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，噴播內層時最好采用0.85-2mm顆粒，此規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%拌土可節水50%-70%，節肥30%以上。

拌種和包衣在環境治理中可隨草種、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恢復中的應用

新材料、新技術的使用使巖石邊坡的生態恢復成為可能。一系列現代植被重建和生態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育，水分不易保存，植物難以生根發芽，用保水劑混合植物種子播種，結合其他土壤穩定技術，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）采用改良的噴播技術對紅砂巖邊坡進行生態恢復，取得了良好的效果[11]；張鳳泉等（2002）采用包含保水劑的人工復合基質方法對貴開路50°~80°的巖石邊坡成功進行了復綠[12]，能達到既抗雨水沖刷又適應植物生長的預期效果。在廢棄礦山、高速公路巖石邊坡應用添加保水劑的植被恢復和生態恢復方法在國內取得了較大的成功[13~16]。

在巖石邊坡也可以通過挖魚鱗坑或穴狀整地，在坑內填入疏松營養土壤和保水劑，并種植苗木，可以提高苗木的成活率，恢復石漠化邊坡的小范圍生態環境[17]。

雖然占基質0.2‰含量的保水劑僅能提高基質2%~5%左右的含水量，然而，一般需復綠的邊坡往往干旱貧瘠，持水保肥能力差，灌溉水很快蒸發、滲透流失掉，土壤中的存水量極少，而保水劑中所吸收的水分不會滲透流失，也不會因為土壤蒸發而大量流失掉，卻可以緩慢地釋放供植物利用。保水劑所持有的水分80%-95%以上都可以供應給植物吸收利用，并且不影響其二次吸水，因此2%~5%就足夠維持植物數天的生長。

保水劑不僅具有吸收水分的作用，還可以將土壤中的水溶性肥料（如氮、磷、鉀肥）等吸收起來，供植物使用。并且保水劑提高了土壤的孔隙度，有利于植物的生長。劉曄（2004）報道，保水劑,與噴播材料中的木纖維、粘合劑等物料攪拌混合后,形成非常均勻的光滑稠化物,會使植物種子等物料均勻的懸浮其中,既保證了噴播的均勻性,又可避免草種在攪拌過程及噴送過程中破損。同時,噴播這種極光滑黏稠的混合物,還可以減少噴播時物料在管道和噴槍內的流動阻力,防止噴射泵和噴槍的堵塞[18]。保水劑的持效期一般在1-3年，在逐漸降解的過程中，釋放的有機大分子還可以充當團粒劑的作用。

在干旱地區或干旱季節，在經濟條件與土壤基質結構允許的條件下，將保水劑的用量提高到30~40克/平方米，其效果更好。在園林綠化的苗木栽種時，用量常在30克/平方米以上。但并不是愈多愈好，多了不僅成本上浪費，還會有害植物的生長。

8、討論

保水劑不是造水劑，在使用時應使其充分吸水，才能發揮保水作用。不同廠家生產的保水劑性質不同，還需要對照說明書，按照要求規范使用，才能取得最佳效果。并且保水劑雖然是高技術產品，但是也不是像有些施工人員所想象的那樣，“從此不用澆水了”。在筆者所處的華東地區經常出現夏季連續1~2個月高溫干旱的現象，在特別嚴酷的年份，土層較厚的自然邊坡上的已生長十幾年的造林樹木也會大片萎蔫枯死，更何況人工復綠邊坡的土壤基質厚度一般只有4~12cm。

目前保水劑的功能主要是集水、保水和節水，但是保水劑與水、土壤的相互作用、以及保水劑與植物根系相互作用的研究還不多，涉及巖石邊坡上的就更少了。我們還需要開發具有更多諸如保水、保肥、促生長等的復合多功能高效保水劑。

保水劑的制作原料主要是石油產品，目前制造成本較高。今后應開發出廉價并且吸水能力強、吸水速度快、持效性長的保水劑產品，真正使保水劑在水土保持和邊坡復綠中大面積地推廣利用。

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